Máy cắt kim loại: Các loại, lựa chọn & hướng dẫn

một là gì Máy cắt kim loại ?

Máy cắt kim loại - còn được gọi là máy cắt kim loại, máy cắt kim loại hoặc máy cắt kim loại - là một dụng cụ chính xác được sử dụng để cắt các mẫu kim loại, gốm, composite hoặc khoáng sản để chuẩn bị cho việc kiểm tra bằng kính hiển vi. Yêu cầu xác định để phân biệt thiết bị cắt kim loại với máy cưa gia công kim loại thông thường là thiệt hại tối thiểu đối với cấu trúc vi mô của mẫu vật tại và liền kề với bề mặt cắt : không có vùng chịu ảnh hưởng nhiệt, không bị biến dạng cơ học, không làm vấy bẩn các pha mềm và không làm nứt các pha giòn.

Chuẩn bị mẫu kim loại bắt đầu bằng việc phân chia. Mọi thứ tiếp theo - lắp, mài, đánh bóng, khắc và kiểm tra bằng kính hiển vi - hoàn toàn phụ thuộc vào chất lượng của vết cắt ban đầu. Một phần được tạo ra với nhiệt độ hoặc áp suất quá cao sẽ tạo ra các hiện vật không thể phân biệt được với các khuyết tật vật liệu thực sự dưới kính hiển vi, làm mất hiệu lực của phân tích. Do đó, việc lựa chọn và vận hành thiết bị cắt kim loại chính xác cho từng loại vật liệu là kỹ năng cơ bản của việc chuẩn bị mẫu trong phòng thí nghiệm.

Thị trường máy cắt kim loại chia thành hai loại dụng cụ chính - máy cắt mài mòn và máy cưa tốc độ thấp chính xác - mỗi loại được tối ưu hóa cho các loại vật liệu và yêu cầu chất lượng khác nhau. Hiểu được khả năng và hạn chế của từng loại là điều cần thiết đối với bất kỳ phòng thí nghiệm nào chỉ định thiết bị chuẩn bị mẫu kim loại.

Các loại thiết bị cắt kim loại

Máy cắt mài mòn kim loại (Máy cắt)

Máy cắt mài mòn kim loại - còn được gọi là cưa cắt kim loại, thiết bị cắt luyện kim hoặc cưa cắt chuẩn bị mẫu - sử dụng một bánh xe mài mòn mỏng, quay để cắt mẫu bằng cách mài thay vì cưa. Bánh xe là một đĩa mài mòn liên kết (nhôm oxit cho vật liệu sắt, cacbua silic cho kim loại màu và gốm sứ) loại bỏ vật liệu bằng cách mài mòn dọc theo mặt phẳng cắt. Đường kính bánh xe thường dao động từ 150 mm đến 400 mm và tốc độ trục chính từ 2.000 đến 5.000 vòng/phút tùy thuộc vào kích thước máy và vật liệu.

Biến quan trọng trong hoạt động của máy cắt hạt mài là sinh nhiệt ở bề mặt cắt . Phần mài mòn vốn tạo ra nhiệt ma sát; nếu không được kiểm soát, lượng nhiệt này sẽ làm tăng nhiệt độ mẫu trên ngưỡng biến đổi pha hoặc ngưỡng ủ - làm thay đổi chính cấu trúc vi mô mà vết cắt dự định phơi ra để phân tích. Máy cắt kim loại hiện đại giải quyết vấn đề này thông qua hệ thống làm mát lũ lụt cung cấp chất lỏng cắt trực tiếp đến bề mặt bánh xe-mẫu trong suốt quá trình cắt, giữ nhiệt độ mẫu dưới 50–60°C ngay cả trong các vết cắt dài qua thép hợp kim dày đặc.

Máy cắt mài mòn kim loại còn phân chia theo cơ chế cấp liệu của chúng:

• Máy cắt thủ công: Người vận hành tác dụng lực nạp bằng tay thông qua một cánh tay quay. Thích hợp cho các vật liệu có độ cứng từ mềm đến trung bình và công suất vừa phải. Chi phí vốn thấp hơn nhưng tính nhất quán của lực cấp liệu phụ thuộc vào kỹ năng của người vận hành.
• Máy cắt tự động: Lực nạp được áp dụng bởi một bộ truyền động cơ giới (cơ điện hoặc khí nén) với các thông số lực và tốc độ nạp có thể lập trình. Máy cắt tự động mang lại chất lượng cắt ổn định hơn, cho phép vận hành không cần giám sát để cắt theo lô và rất cần thiết đối với các mẫu cứng, giòn hoặc có giá trị cao khi cấp liệu không đồng đều sẽ gây ra tải bánh xe hoặc gãy mẫu.

Máy cưa kim loại tốc độ thấp (Máy cắt chính xác)

Máy cưa kim loại tốc độ thấp - còn được gọi là máy cắt chính xác, máy cưa cắt kim loại hoặc máy chuẩn bị mẫu kim loại cho các mẫu tinh xảo - hoạt động ở tốc độ bánh xe thấp hơn đáng kể (100–500 vòng / phút) bằng cách sử dụng lưỡi cắt kim cương thay vì bánh mài mòn. Sự kết hợp giữa tốc độ cắt chậm và đường cắt cực mỏng của lưỡi kim cương ( 0,1–0,5 mm so với 0,5–1,5 mm đối với bánh xe mài mòn ) tạo ra nhiệt không đáng kể và hầu như không có biến dạng cơ học trong mẫu.

Máy cưa tốc độ thấp áp dụng tải thông qua cơ cấu cấp liệu bằng trọng lượng tĩnh hoặc lò xo thay vì bộ truyền động được cấp điện, cho phép các lực rất nhẹ, được kiểm soát để bảo toàn ngay cả những đặc điểm cấu trúc vi mô mỏng manh nhất. Điều này làm cho nó trở thành công cụ được lựa chọn cho:

• Linh kiện điện tử và bảng mạch - các mối hàn mỏng, các lớp liên kim loại và các vết đồng yêu cầu mặt cắt không bị hư hỏng để kiểm tra các mặt cắt ngang mà không bị nhòe hoặc nứt
• Vật liệu giòn và xốp - gốm sứ, lớp phủ phun nhiệt, cacbua thiêu kết và các mẫu địa chất có thể bị gãy dưới lực cắt mài mòn
• Mẫu vật sinh học và khoáng vật - xương, men răng, các phần khoáng chất dùng cho thạch học và các vật liệu không đồng nhất tương tự
• Phần mỏng để chuẩn bị mẫu TEM - nơi vết cắt bắt đầu phải được thực hiện càng gần khu vực mục tiêu càng tốt với lớp thiệt hại dưới bề mặt tối thiểu có thể
• Kim loại mềm và lớp phủ - các hợp kim vàng, indi, thiếc và hàn mềm bị ố nghiêm trọng trong điều kiện bánh xe bị mài mòn

Sự đánh đổi cho độ chính xác này là năng suất: một máy cưa tốc độ thấp có thể cần 15–60 phút để hoàn thành một đường cắt mà máy cắt mài mòn sẽ hoàn thành trong vòng chưa đầy hai phút. Đối với các mẫu có giá trị cao hoặc không thể thay thế, chi phí thời gian này là hoàn toàn hợp lý; đối với việc cắt thanh thép thông thường trong kiểm soát chất lượng sản xuất thì không.

Bánh xe và lưỡi cắt: Trọng tâm của thiết bị cắt kim loại

Lựa chọn bánh xe và lưỡi dao là quyết định tiêu hao quan trọng nhất trong việc cắt mặt cắt kim loại. Bánh xe cắt không phù hợp với vật liệu sẽ tạo ra nhiệt quá cao, bánh xe mòn nhanh và chất lượng cắt kém bất kể chất lượng máy như thế nào. Bánh xe phù hợp với vật liệu sẽ tạo ra một mặt cắt sạch sẽ, mát mẻ, không có tạo tác với tuổi thọ bánh xe và tốc độ cắt có thể chấp nhận được.

Bánh xe cắt mài mòn

Bánh xe cắt mài mòn được xác định theo loại mài mòn, độ cứng liên kết và cấu trúc (độ xốp). Nguyên tắc lựa chọn chung là:

• Bánh xe nhôm oxit (Al₂O₃) - đối với vật liệu chứa sắt: thép cacbon, thép hợp kim, thép không gỉ, thép dụng cụ và gang. Nhôm oxit cứng hơn sắt và mang lại khả năng cắt hiệu quả mà không làm mòn bánh xe quá mức đối với những vật liệu này.
• Bánh xe cacbua silic (SiC) — đối với vật liệu kim loại màu (nhôm, đồng, đồng thau, đồng thau, titan, hợp kim magie), gốm sứ và vật liệu chịu lửa. Cacbua silic sắc nét hơn và cắt ít sinh nhiệt hơn ở các hợp kim kim loại màu mềm hơn, nhạy cảm với nhiệt hơn.
• Độ cứng liên kết: Bánh xe liên kết mềm (ký hiệu loại B hoặc C trong hầu hết các hệ thống) được sử dụng cho vật liệu cứng — liên kết giải phóng các hạt mài mòn một cách nhanh chóng, làm lộ ra các cạnh cắt mới và ngăn ngừa hiện tượng bóng bánh xe. Bánh xe liên kết cứng (cấp E–H) được sử dụng cho vật liệu mềm - liên kết mạnh hơn giữ lại các hạt mài mòn lâu hơn, ngăn không cho bánh xe bị mòn quá nhanh trong các vật liệu có lực cản thấp.
• Được gia cố và không được gia cố: Bánh xe cắt kim loại trong phòng thí nghiệm được gia cố bằng sợi thủy tinh để đảm bảo an toàn ở tốc độ quay cao của máy cắt. Bánh xe không được gia cố không bao giờ được sử dụng trên thiết bị cắt có động cơ.

Lưỡi cắt kim cương dành cho máy cưa tốc độ thấp

Lưỡi cắt tấm kim cương dành cho máy cắt chính xác được xác định theo nồng độ kim cương, loại liên kết (liên kết kim loại, liên kết nhựa) và độ dày lưỡi cắt. Nồng độ kim cương cao hơn mang lại tuổi thọ lưỡi dài hơn với chi phí cao hơn; lưỡi liên kết nhựa cắt mạnh hơn và nhanh hơn; lưỡi liên kết kim loại bền hơn và phù hợp hơn với các vật liệu cứng, đặc như cacbua xi măng và gốm sứ cao cấp. Việc lựa chọn độ dày lưỡi cắt sẽ quyết định chiều rộng rãnh cắt và tổn thất vật liệu — đối với các mẫu có giá trị cao hoặc khi cần có vị trí đặc điểm chính xác, các lưỡi mỏng hơn sẽ giảm thiểu vật liệu bị loại bỏ ở mỗi lần cắt.

Thông số kỹ thuật chính khi lựa chọn máy cắt kim loại

Việc chỉ định thiết bị chuẩn bị mẫu kim loại đòi hỏi phải khớp các thông số hiệu suất của máy với kích thước mẫu, loại vật liệu, yêu cầu về năng suất và tiêu chuẩn chất lượng của phòng thí nghiệm. Các thông số sau đây là tiêu chí đánh giá quan trọng nhất:

Kích thước mẫu tối đa và khả năng kẹp

Hệ thống kẹp hoặc kẹp mẫu xác định mặt cắt ngang tối đa có thể được giữ chắc chắn để cắt. Máy cắt mài mòn kim loại trong phòng thí nghiệm thường chứa các mặt cắt mẫu từ vài mm đến Đường kính 60–80 mm cho các mẫu máy để bàn, và lên đến 150mm hoặc lớn hơn cho thiết bị phân chia quy mô sản xuất đặt trên sàn. Hệ thống kẹp phải giữ mẫu một cách cứng nhắc mà không cho phép bất kỳ chuyển động nào trong quá trình cắt - bất kỳ chuyển động ngang nào của mẫu trong khi bánh xe tiếp xúc sẽ tạo ra bề mặt cắt cong và có thể làm gãy bánh xe mài mòn một cách nghiêm trọng.

Tốc độ bánh xe hoặc lưỡi dao và điều khiển tốc độ thay đổi

Máy cắt mài mòn thường hoạt động ở tốc độ trục chính cố định trong khoảng 2.800–3.500 vòng/phút đối với đường kính bánh xe tiêu chuẩn. Kiểm soát tốc độ thay đổi mang lại lợi ích cho các phòng thí nghiệm cắt các loại vật liệu đa dạng - tốc độ thấp hơn làm giảm sự sinh nhiệt trong các hợp kim màu nhạy cảm với nhiệt, trong khi tốc độ tối đa có thể được yêu cầu để cắt hiệu quả các phần thép có đường kính lớn. Máy cưa tốc độ thấp với tốc độ thay đổi liên tục (thường là 1–500 vòng/phút) mang lại sự linh hoạt tối đa để điều chỉnh các thông số cắt cho phù hợp với từng đặc điểm kỹ thuật của từng loại vật liệu và lưỡi cắt.

Kiểm soát lực lượng thức ăn và tự động hóa

Máy cắt bản đồ kim loại tự động điều khiển lực cấp liệu thông qua động cơ servo hoặc hệ thống truyền động khí nén, với các cài đặt lực và tốc độ cấp liệu do người dùng lập trình. Thức ăn được kiểm soát cưỡng bức - trong đó máy duy trì lực tiếp xúc không đổi bất kể lực cản của vật liệu - vượt trội hơn so với việc cấp liệu được kiểm soát tốc độ cho các mẫu không đồng nhất (ví dụ: vật liệu tổng hợp hoặc mẫu hàn xuyên qua nhiều vùng vật liệu), vì nó tự động thích ứng với độ cứng vật liệu cục bộ và ngăn ngừa quá tải bánh xe trong các pha cứng. Các máy chuẩn bị mẫu luyện kim tự động tốt nhất kết hợp các cấu hình lực có thể lập trình được với khả năng phát hiện khởi động mềm và kết thúc cắt để giảm thiểu độ mòn của bánh xe và hư hỏng mẫu trong suốt chu trình cắt.

Thiết kế hệ thống làm mát

Việc cung cấp chất làm mát trực tiếp xác định nhiệt độ mẫu trong quá trình cắt mài mòn. Hệ thống làm mát hiệu quả trên thiết bị cắt kim loại mang lại 3–10 lít mỗi phút chất lỏng cắt thông qua các vòi phun được đặt ở cả hai bên của bánh xe tại giao diện cắt, đảm bảo toàn bộ vùng rãnh cắt được ngập trong suốt quá trình cắt. Hệ thống làm mát tuần hoàn với bể lắng và lọc giúp kéo dài tuổi thọ chất làm mát và ngăn ngừa sự tích tụ phoi trong khu vực cắt. Đối với các phòng thí nghiệm lo ngại về sự nhiễm bẩn chất làm mát của mẫu vật (quan trọng cho phân tích hóa học tiếp theo), hệ thống làm mát bằng nước sạch hoặc cắt khô với bánh xe nhiệt độ thấp có công thức đặc biệt là những lựa chọn thay thế.

Độ rung và độ cứng

Độ cứng của máy - khả năng chống lại độ lệch của khung, trục chính và hệ thống kẹp dưới lực cắt - ảnh hưởng trực tiếp đến độ phẳng và độ song song của bề mặt cắt. Rung trong quá trình cắt tạo ra độ gợn sóng trên mặt cắt và phải được loại bỏ bằng các bước mài bổ sung, lãng phí vật liệu mẫu và thời gian chuẩn bị. Khung máy bằng gang hoặc thép hàn, vòng bi trục chính xác với dung sai lệch xác định và giá đỡ đế chống rung đặc trưng cho thiết bị cắt kim loại chất lượng cao. Thông số độ đảo trục chính được công bố của TIR 0,01 mm phân biệt các dụng cụ chính xác với các máy cắt cấp sản xuất.

Thực hành tốt nhất để cắt mẫu kim loại: Tránh các lỗi phổ biến

Ngay cả khi lựa chọn máy và bánh xe chính xác, thực hành vận hành kém sẽ tạo ra các hiện tượng ảnh hưởng đến phân tích kim loại. Các thực hành sau đây phản ánh kinh nghiệm tích lũy trong phòng thí nghiệm trong quá trình chuẩn bị mẫu luyện kim:

• Không bao giờ cắt khô bằng bánh mài mòn. Một vết cắt khô - thậm chí là một vết cắt ngắn - có thể làm tăng nhiệt độ bề mặt thép lên trên 200°C, gây ra quá trình ủ các cấu trúc martensitic và tạo ra lớp ăn mòn màu trắng có thể phát hiện được dưới kính hiển vi quang học. Luôn kiểm tra dòng nước làm mát trước khi bắt đầu cắt.
• Gắn các mẫu dễ vỡ hoặc xốp trước khi cắt. Lớp phủ phun nhiệt, vật liệu xốp và vật liệu nén thiêu kết xốp phải được ngâm tẩm chân không bằng nhựa epoxy trước khi cắt để tránh bị kéo và xẹp các lỗ chân lông trong quá trình cắt. Nhựa hỗ trợ cấu trúc vi mô trong suốt tất cả các bước chuẩn bị tiếp theo.
• Cho phép đủ khoảng cách từ các tính năng quan tâm. Bản thân mặt cắt đã chứa một số mức độ hư hại - ngay cả với phương pháp cắt tốt nhất. Cắt cách xa điểm quan trọng ít nhất 1–2 mm (đường hàn, bề mặt lớp phủ, đầu vết nứt) và loại bỏ lớp hư hỏng bằng cách mài trước khi điểm này được phơi ra để kiểm tra.
• Sử dụng lực nạp thích hợp cho vật liệu. Lực tiến quá mức trong các mặt cắt bị mài mòn - đặc biệt là các vật liệu cứng, giòn - gây ra hiện tượng lệch bánh xe, vết cắt cong và gai nhiệt. Bắt đầu với lực tối thiểu để đạt được tiến trình cắt ổn định và chỉ tăng lên nếu quan sát thấy bánh xe bị mòn (mất tác dụng cắt).
• Thường xuyên mài mòn bánh xe bị mài mòn. Bánh xe mài mòn được tráng men hoặc chịu tải cắt chậm, tạo ra nhiệt dư thừa và có thể bị gãy khi lực tiến tăng. Trang trí bánh mài bằng dụng cụ mài kim cương một điểm hoặc thanh mài khi có dấu hiệu đầu tiên về hiệu quả cắt giảm.
• Ghi lại các thông số cắt cho từng mẫu. Trong bối cảnh nghiên cứu và phân tích lỗi, việc ghi lại loại máy, thông số kỹ thuật bánh xe, loại chất làm mát, lực tiến và thời gian cắt cho mỗi mẫu sẽ tạo ra một dấu vết kiểm tra cho phép xác định và phân biệt bất kỳ tạo tác cắt nào với các lỗi vật liệu thực sự trong giai đoạn báo cáo.

Thiết bị cắt kim loại trong bối cảnh: Quy trình chuẩn bị mẫu đầy đủ

Thiết bị cắt kim loại là bước đầu tiên trong trình tự chuẩn bị xác định. Hiểu được vị trí phân chia phù hợp trong quy trình làm việc rộng hơn sẽ làm rõ lý do tại sao chất lượng cắt lại có ảnh hưởng không cân xứng đến kết quả phân tích cuối cùng.

1. Phân chia - máy cắt kim loại hoặc máy cưa tốc độ thấp tạo ra phần ban đầu. Chất lượng cắt xác định lượng vật liệu phải được loại bỏ trong lần mài tiếp theo để đạt được bề mặt không bị hư hại.
2. gắn kết - phần này được bọc trong nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa đông cứng (epoxy, phenolic, acrylic) để tạo ra một quả bóng được tiêu chuẩn hóa, có thể xử lý được cho các bước tiếp theo và để hỗ trợ các cạnh mẫu cũng như các bộ phận dễ vỡ trong quá trình đánh bóng.
3. mài - chuyển tiếp các giấy mài (SiC hoặc liên kết kim cương) có kích thước hạt giảm dần, loại bỏ lớp hư hại khỏi mặt cắt và tạo thành một bề mặt phẳng, phẳng. Độ sâu mài cần thiết tỷ lệ thuận với mức độ nghiêm trọng của hư hỏng mặt cắt - mặt cắt chất lượng cao giúp giảm thời gian mài từ 30–50% so với mặt cắt được kiểm soát kém.
4. đánh bóng - Hệ thống treo kim cương hoặc chất đánh bóng silica dạng keo trên vạt vải sẽ loại bỏ các vết xước còn sót lại để tạo ra lớp hoàn thiện như gương không bị biến dạng. Độ nhám bề mặt cuối cùng trên các mẫu kim loại được đánh bóng thường là Ra <0,01 µm.
5. khắc - ăn mòn hóa học hoặc điện phân cho thấy ranh giới hạt, ranh giới pha và các đặc điểm cấu trúc vi mô bằng cách tấn công có chọn lọc các pha và hướng khác nhau. Chất ăn mòn được sử dụng phổ biến nhất cho thép cacbon và thép hợp kim thấp là 2–4% Nital (axit nitric trong etanol); thép không gỉ austenit sử dụng thuốc thử Kalling hoặc ăn mòn điện phân trong axit oxalic.
6. Kiểm tra - kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD), quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) và kiểm tra độ cứng được thực hiện trên bề mặt đã chuẩn bị để mô tả cấu trúc vi mô, thành phần pha, kích thước hạt, hàm lượng tạp chất, độ dày lớp phủ và hình thái khuyết tật của vật liệu.

Việc đầu tư vào thiết bị cắt kim loại chất lượng cao và lựa chọn bánh xe chính xác sẽ mang lại lợi nhuận gộp cho mỗi bước chuẩn bị tiếp theo — giảm thời gian mài, bảo toàn hình dạng mẫu vật, bảo vệ các đặc điểm dễ vỡ và đảm bảo rằng cấu trúc vi mô quan sát được dưới kính hiển vi là cấu trúc vi mô vật liệu thực sự, không phải là một tạo tác chuẩn bị.