Từ thành phần vật liệu, quy trình sản xuất và gia công cho đến chế tạo và lưu trữ, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính và chất lượng của kim loại tấm (sheet metal). 

Kim loại tấm hiện diện ở hầu hết mọi lĩnh vực trong cuộc sống và công nghiệp, từ ô tô, thiết bị gia dụng, xây dựng, công nghiệp điện – điện tử cho đến các loại container và vỏ thiết bị. Sau đây là một số kiến thức hữu ích về loại vật liệu được sử dụng rộng rãi này.

Bài viết được cung cấp bởi các chuyên gia của ARKU.

Kim loại tấm là gì?
Không có một định nghĩa cụ thể về kim loại tấm. Thông thường, đây được hiểu là một tấm kim loại phẳng có chiều rộng lớn hơn đáng kể so với chiều dày. Nếu chiều dày nhỏ hơn 3mm, vật liệu được gọi là kim loại tấm mỏng (thin sheet), trong khi các tấm có chiều dày từ 3mm trở lên được gọi là kim loại tấm dày (heavy sheet).

Một tiêu chí phân loại quan trọng khác dựa trên phương pháp sản xuất. Theo đó, kim loại tấm được chia thành hai nhóm là cán nóng (hot-rolled) và cán nguội (cold-rolled).

Kim loại tấm cán nóng thường được sử dụng cho các tấm có chiều dày lớn. Loại vật liệu này có bề mặt thô hơn so với vật liệu cán nguội và được phủ một lớp vảy cán hoặc lớp oxit bề mặt. Nếu lớp vảy cán này vẫn được giữ nguyên, tấm kim loại thường không cần phủ dầu để chống ăn mòn.

Ngược lại, các tấm có chiều dày nhỏ thường được sản xuất bằng phương pháp cán nguội. Chúng có dung sai nhỏ hơn, bề mặt mịn hơn và chất lượng hoàn thiện cao hơn. Đặc biệt đối với thép tấm, vật liệu thường được tẩy gỉ bằng axit và phủ một lớp dầu chống ăn mòn trước khi rời nhà máy thép để chuyển đến đơn vị gia công.

Ngoài sự khác biệt về phương pháp sản xuất, kim loại tấm còn được cung cấp với nhiều mác vật liệu, kích thước và chiều dày khác nhau. Thành phần vật liệu, quy trình sản xuất, các công đoạn gia công, quá trình chế tạo cũng như điều kiện lưu trữ đều có thể ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ học và chất lượng cuối cùng của sản phẩm.

Các dạng quy cách của kim loại tấm
Khi được cung cấp cho các đơn vị gia công, kim loại tấm thường tồn tại dưới hai dạng chính là cuộn (coil) và tấm cắt sẵn (blank).

Ở dạng cuộn, kim loại được cuộn tròn lại và thường có chiều dày lên tới khoảng 15 mm. Khối lượng của mỗi cuộn khi xuất xưởng từ nhà máy cán thép có thể đạt 20 tấn, 30 tấn hoặc thậm chí lớn hơn. Dạng cuộn giúp vận chuyển khối lượng lớn vật liệu theo cách gọn gàng, an toàn và hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, trước khi đưa vào gia công, cuộn thép phải được tháo ra bằng thiết bị tháo cuộn. Do vật liệu đã bị uốn cong trong quá trình cuộn, tấm kim loại cũng cần được nắn phẳng để loại bỏ độ cong còn lại. Một ưu điểm của việc sử dụng cuộn là người dùng có thể cắt đúng chiều dài tấm cần thiết ngay trong quá trình tháo cuộn, giúp giảm lượng vật liệu dư thừa.

Tấm cắt sẵn có thể được cắt từ cuộn hoặc, đối với những tấm có chiều dày rất lớn, được sản xuất trực tiếp dưới dạng tấm ngay từ đầu.

Để thuận tiện cho hoạt động thương mại, ngành công nghiệp đã tiêu chuẩn hóa nhiều kích thước tấm khác nhau. Các kích thước phổ biến gồm khổ nhỏ 1.000×2.000mm (Standard Sheet), khổ trung bình 1.250×2.500mm (Medium Sheet) và khổ lớn 1.500×3.000mm (Large Sheet). Ngoài ra, các kích thước lớn hơn như khổ tối đa 2.000×4.000mm và khổ siêu lớn 2.000×6.000mm cũng được sử dụng khá phổ biến.

Các vật liệu dùng để sản xuất kim loại tấm
Về nguyên tắc, kim loại tấm có thể được chế tạo từ hầu như bất kỳ kim loại nào, miễn là vật liệu có khả năng tạo hình phù hợp. Trong ngành chế tác trang sức, người ta vẫn sử dụng các loại tấm vàng hoặc tấm bạc, tuy nhiên đây chỉ là những ứng dụng đặc thù.

Trong lĩnh vực công nghiệp, các vật liệu được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất kim loại tấm là thép, thép không gỉ, nhôm và đồng. Mỗi loại vật liệu đều có những đặc tính riêng, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và môi trường làm việc khác nhau.

Để điều chỉnh chính xác hơn các đặc tính của vật liệu, nhà sản xuất thường bổ sung thêm nhiều nguyên tố vào vật liệu nền nhằm tạo thành hợp kim. Quá trình hợp kim hóa có thể giúp kim loại tấm đạt độ bền kéo cao hơn, tăng khả năng chống ăn mòn hoặc cải thiện nhiều tính chất cơ học và hóa học khác tùy theo mục đích sử dụng.

Kim loại tấm được sản xuất như thế nào?
Trước Cách mạng Công nghiệp, kim loại tấm được tạo ra bằng cách rèn thủ công từ các phôi kim loại đúc. Đây là một quy trình mất rất nhiều thời gian và công sức, khiến kim loại tấm trở thành loại vật liệu có giá thành khá cao vào thời điểm đó.

Ngày nay, kim loại tấm được sản xuất từ các khối thép hình hộp chữ nhật gọi là slab. Trong quá trình cán nóng tại nhà máy luyện thép hoặc nhà máy cán, slab được đưa qua hệ thống cán đảo chiều hoặc cán liên tục để đạt chiều dày mong muốn. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tái kết tinh của kim loại và có thể tạo ra các tấm có chiều dày tối thiểu khoảng 0,8mm.

Do cán nguội đòi hỏi lực cán lớn hơn đáng kể so với cán nóng nên phương pháp này không được áp dụng cho tất cả các loại vật liệu. Tuy nhiên, đây lại là công nghệ cần thiết để sản xuất các loại kim loại tấm rất mỏng. Đối với thép, có thể cán thành tấm chỉ dày khoảng 0,1mm, trong khi đối với nhôm, chiều dày tối thiểu có thể đạt tới khoảng 0,0065mm. Ngoài ra, cán nguội còn cho phép kiểm soát dung sai kích thước chính xác hơn so với phương pháp cán nóng. 

Dung sai và các khuyết tật của kim loại tấm
Một nguyên tắc quan trọng khi làm việc với kim loại tấm là mọi quá trình gia công đều tạo ra tải trọng cơ học hoặc sinh nhiệt. Do kim loại tấm tương đối dễ biến dạng, các ứng suất dư và sai lệch về độ phẳng rất dễ xuất hiện trong quá trình sản xuất cũng như gia công.

Tiêu chuẩn DIN EN 10029 (1) quy định dung sai về độ phẳng đối với từng loại kim loại tấm. Chẳng hạn, một tấm có chiều dày danh nghĩa 20 mm được phép có chiều dày thực tế tối thiểu là 19,4 mm và tối đa là 21,3 mm. Bên cạnh sai lệch về chiều dày, các khuyết tật liên quan đến độ phẳng còn bao gồm nhiều dạng gợn sóng và cong vênh khác nhau.
(1) DIN EN 10029 là tiêu chuẩn châu Âu quy định dung sai kích thước, hình dạng và độ phẳng đối với thép tấm cán nóng có chiều dày từ 3mm trở lên.

Đối với các công đoạn gia công tiếp theo trong ngành gia công kim loại tấm, vật liệu gần như không có ứng suất dư và đạt độ phẳng cao là yếu tố đặc biệt quan trọng. Đồng thời, sự đa dạng của các loại vật liệu cùng với nhiều phương pháp sản xuất và gia công khác nhau cũng khiến hành vi của kim loại tấm trong quá trình xử lý trở nên khó dự đoán hơn. Vì vậy, sau khi gia công, kim loại tấm thường cần được nắn phẳng và tẩy ba via (2) để đáp ứng yêu cầu về chất lượng.
(2) Ba via (tiếng Anh: burr) là các mép kim loại nhỏ, sắc hoặc gồ ghề hình thành ngoài ý muốn tại mép cắt hoặc bề mặt chi tiết sau quá trình gia công. Tẩy ba via là quá trình loại bỏ các phần kim loại thừa sắc nhọn còn sót lại sau khi cắt, đột dập, khoan, phay, tiện, laser, plasma hoặc các công đoạn gia công khác.

Các phương pháp gia công kim loại tấm
Để biến kim loại tấm thành sản phẩm hoàn chỉnh có thể sử dụng, ngành công nghiệp áp dụng nhiều phương pháp gia công khác nhau, tùy thuộc vào hình dạng, chiều dày và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.

Đột dập (Punching) là phương pháp sử dụng máy ép, máy đột hoặc khuôn đột vận hành bằng tay hoặc tự động để cắt rời vật liệu. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để sản xuất các chi tiết có kích thước nhỏ từ các dải kim loại phẳng.

Cắt laser (Laser Cutting) sử dụng nhiệt lượng của chùm tia laser để cắt vật liệu. Với tính linh hoạt cao, công nghệ này đặc biệt phù hợp để gia công các tấm mỏng. Khi yêu cầu đường cắt nhỏ, độ chính xác cao và chất lượng bề mặt tốt, cắt laser là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong gia công kim loại tấm.

Cắt plasma (Plasma Cutting) thuộc nhóm các phương pháp cắt nhiệt. Trong quá trình này, một dòng plasma nhiệt độ cao làm nóng chảy cục bộ vật liệu, sau đó động năng lớn của dòng plasma sẽ thổi phần kim loại nóng chảy ra khỏi rãnh cắt. Phương pháp này thường được sử dụng đối với các tấm có chiều dày từ khoảng 10 đến 50mm.

Cắt bằng ngọn lửa oxy – khí cháy (Flame Cutting hoặc Oxyacetylene Cutting) là phương pháp nung nóng cục bộ kim loại đến nhiệt độ bắt cháy bằng ngọn lửa tạo ra từ nhiên liệu và oxy. Sau đó, oxy được cấp vào vùng cắt để hình thành rãnh cắt và tách vật liệu. Đối với các tấm kim loại có chiều dày lớn, đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất.

Uốn (Bending), còn gọi là chấn tấm (press braking), là một phương pháp tạo hình trong đó tấm kim loại được đặt lên cối của máy chấn. Chày chấn sẽ di chuyển từ phía trên xuống để tạo ra các góc uốn theo yêu cầu của chi tiết.

Lốc tròn (Round Rolling) cũng là một phương pháp tạo hình được sử dụng rộng rãi. Trong quá trình này, kim loại tấm được biến dạng dẻo khi đi qua ba trục lăn nhằm tạo thành dạng cong hoặc hình trụ.

Cán định hình (Roll Forming) là phương pháp tạo hình liên tục, trong đó kim loại được tháo ra từ cuộn và đi qua nhiều cặp con lăn được bố trí nối tiếp nhau cho đến khi đạt được hình dạng mong muốn. Phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất hàng loạt các chi tiết có tiết diện không đổi và chiều dài lớn.

Dập vuốt sâu (Deep Drawing) là quá trình sử dụng khuôn để ép kim loại tấm vào hình dạng mong muốn. Thông thường, lực tạo hình được cung cấp bởi các máy dập tự động hoặc máy ép tạo hình. Do chi phí chế tạo khuôn khá cao và chủ yếu phát sinh một lần, phương pháp này thường chỉ phù hợp với sản xuất số lượng lớn.

Khi cần liên kết từ hai hoặc nhiều tấm kim loại với nhau, các phương pháp được sử dụng phổ biến gồm gấp mép (hemming), tán đinh (riveting), hàn thiếc hoặc hàn mềm (soldering) và hàn nóng chảy (welding).

Một số loại kim loại tấm đặc biệt
Kim loại tấm được sản xuất với nhiều chủng loại khác nhau nhằm đáp ứng những yêu cầu sử dụng chuyên biệt trong công nghiệp và xây dựng.

Tấm xanh (Blue Sheet hoặc Blue-Gloss Sheet) là thép tấm mỏng cán nguội có bề mặt được phủ một lớp oxit sắt bám chắc. Lớp này được hình thành thông qua quá trình ủ ở nhiệt độ khoảng 800-900 °C trong môi trường có oxy, tạo nên màu xanh đậm đặc trưng. Ngoài giá trị thẩm mỹ, lớp oxit còn giúp tăng khả năng chống ăn mòn và tạo nền cho các lớp phủ tiếp theo.

Thép tấm đen (Black Plate) được sản xuất từ thép không hợp kim và được ủ trong lò hở hoặc lò hộp. Màu đen đặc trưng của vật liệu hình thành do phản ứng giữa bề mặt thép với không khí xung quanh. Nhờ vẻ ngoài đặc biệt, loại vật liệu này thường được sử dụng như một yếu tố trang trí và không được phủ thêm các lớp bảo vệ.

Thép lá mạ thiếc (Tinplate) là thép tấm mỏng cán nguội có bề mặt được phủ một lớp thiếc. Loại vật liệu này chủ yếu được sử dụng trong sản xuất bao bì, đặc biệt là bao bì thực phẩm.

Tấm chuyên dùng cho cắt laser (Laser Sheet) không phải là một thuật ngữ chính thức. Thông thường, khái niệm này được dùng để chỉ các loại kim loại tấm có đặc tính phù hợp với công nghệ cắt laser. Trong thực tế, đây thường không phải là vật liệu được sản xuất theo quy trình riêng mà là những tấm được tuyển chọn kỹ lưỡng để đáp ứng yêu cầu của khách hàng sử dụng công nghệ laser, do đó thường có giá thành cao hơn.

Tấm gân chống trượt (Chequer Plate) là loại kim loại tấm có các gân nổi theo dạng chéo trên bề mặt. Các gân này chủ yếu giúp tăng khả năng chống trượt, đồng thời cũng tạo hiệu ứng trang trí. Chúng được tạo ra trực tiếp trong quá trình cán bằng lực ép rất lớn của các trục cán tạo hình và không thể được tạo ra bằng phương pháp dập nổi sau khi tấm đã hoàn thành.

Tấm sóng (Corrugated Sheet) là loại kim loại tấm có tiết diện dạng sóng. Hình dạng này giúp tăng đáng kể độ cứng và khả năng chịu tải theo phương dọc, nhờ đó vật liệu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như lợp mái và nhiều kết cấu xây dựng khác.

Để xem các tin bài khác về “Kim loại tấm”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Shop Metalworking Technology