Tại sao việc chọn vật liệu tốt lại quan trọng trong cơ khí chất lượng cao?

   Việc lựa chọn vật liệu phù hợp trong ngành cơ khí chất lượng cao là một yếu tố cực kỳ quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ bền, tính an toàn và hiệu quả kinh tế của sản phẩm cơ khí. Dưới đây là các lý do chi tiết, với ngôn ngữ kỹ thuật cao, giải thích vì sao việc lựa chọn vật liệu tốt lại là một yếu tố then chốt trong cơ khí chất lượng cao:

Tính chất của các vật liệu cơ khí

Vật liệu cơ khí thường có các tính chất riêng của mình. Dựa vào các tính chất này mà người ta ứng dụng chúng vào nhiều lĩnh vực khác nhau để đạt được mục tiêu. Một vật liệu cơ khí thường có một hoặc nhiều tính chất sau:

Tính chất cơ học

Tính cơ học được hiểu là các tính chất của vật khi chịu sự tác động từ yếu tố bên ngoài (môi trường, con người…). Khi nhắc tới tính chất cơ học, người ta thường nói đến tính cứng, dẻo, đàn hồi, chống mài mòn… 

Tính chất vật lý

Tính chất vật lý được hiểu là các đặc tính vật lý của vật liệu trong một điều kiện nhất định (hầu hết được xác định ở điều kiện thường). Tính chất vật lý thường được đề cập tới như tính dẫn điện, dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng…

Tính chất hóa học

  Tính chất hóa học là các tính chất biểu thị khả năng chống lại các yếu tố tác động hóa học từ môi trường. Ví dụ như thùng xốp hoàn toàn có thể đựng nước nhưng khi đựng xăng lại bị tan ra. Do đó nếu muốn đựng xăng người ta thường phải dùng chai nhựa hoặc thủy tinh. Những tính chất hóa học tiêu biểu có thể kể tới như tính chịu muối, chịu kiềm, chịu axit…

Tính chất công nghệ

  Là khả năng vật liệu chịu các dạng gia công khác nhau.
  Vật liệu được sử dụng dưới dạng những sản phẩm xác định, chế tạo bằng các công nghệ khác nhau thể hiện qua các tính công nghệ của vật liệu. Tính công nghệ có tác dụng quyết định đến việc chọn phương pháp gia công của vật liệu và đồng thời xác định khả năng sử dụng của nó. Vật liệu có tính công nghệ kém ít được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo sản phẩm.
  Các tính chất công nghệ phổ biến là tính đúc, tính hàn, gia công cắt, gia công áp lực… Ví dụ, tính gia công cắt tốt vật liệu phải có độ cứng thấp và độ dẻo kém. Nếu cứng quá hoặc dẻo quá rất khó cắt. Vì vậy, thép là vật liệu có tính gia công cắt kém hơn hợp kim màu.

Tính chất sử dụng:

  Là bao gồm một số đặc trưng tổng hợp của các tính chất trên thể hiện khả năng sử dụng của vật liệu cho một mục đích cụ thể.
Ví dụ: Tuổi thọ sản phẩm là mục đích quan trọng nhất đối với tính sử dụng, vì vậy vật liệu làm sản phẩm đó cần có cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc của nó.
  Đối với sản phẩm hàng hóa có tính sử dụng còn thể hiện mục đích kinh tế bằng cách lựa chọn vật liệu phù hợp với tính công nghệ của nó sao cho chi phí nhỏ nhất, đồng thời nói lên khả năng sử dụng rộng rãi trên thị trường.
Vậy tính chất sử dụng là tính chất quan trọng của vật liệu học đối với những ai làm việc trong lĩnh vực lựa chọn vật liệu phù hợp với chế tạo, gia công sử dụng nó.

Các vật liệu thông dụng dành cho ngành gia công cơ khí hiện nay

Vật liệu được sử dụng thường xuyên trong ngành cơ khí hiện nay 

Inox

  Inox là một dạng hợp kim của sắt với 10,5% (tối thiểu) là crom. Nó sở hữu toàn bộ đặc tính của sắt nhưng lại không bị gỉ bởi tác động của hiện tượng oxi hóa. Chính vì thế mà nó còn được gọi là thép không gỉ. Thực tế, Inox không hẳn là không bị gỉ, chỉ là khả năng chống ăn mòn của nó cao hơn các loại thép khác mà thôi.

Sắt

  Sắt là kim loại phổ biến được sử dụng từ rất lâu. Chúng có rất nhiều trong lớp vỏ trái đất và được khai thác để sử dụng trong chế tác cơ khí. Sắt được khai thác ra dưới dạng quặng và sau nhiều lần tinh luyện, chúng ta mới có được các kim loại sắt để sử dụng.

Nhôm

  Tương tự như sắt, nhôm cũng là một trong những kim loại phổ biến có thể khai thác được trong lớp vỏ trái đất. Tuy nhiên, nhôm có nhiều tính công nghệ hơn so với sắt và có rất nhiều ứng dụng tuyệt vời trong đời sống hàng ngày.

Thép

  Để có độ cứng tốt hơn, người ta thêm vào trong sắt một hàm lượng cacbon từ 0.02% đến 2,14%. Từ đó mà chúng ta có thép. Đặc tính của nó gần như giống hệt với sắt ngoại trừ độ cứng hơn khá nhiều. Thép thường được sử dụng trong xây dựng.

Gang 

  Khi người ta thêm vào sắt một lượng cacbon lớn hơn 2,14%, gang được tạo ra. Độ cứng của nó là rất cao và bền bỉ. Tuy nhiên, gang lại bị thiếu đi tính dẻo và có thể vỡ nếu va đập quá mạnh. 

Yêu cầu đối với việc lựa chọn vật liệu

Đảm bảo tính cơ học và độ bền của sản phẩm:

   Vật liệu chất lượng cao phải đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ học như độ bền kéo, độ cứng, khả năng chịu mỏi, chịu va đập và độ bền kéo đứt. Những tính chất này quyết định khả năng chịu tải trọng của vật liệu trong quá trình sử dụng. Ví dụ, trong các ứng dụng cơ khí yêu cầu độ bền cao như trong ngành hàng không, ô tô, và thiết bị năng lượng, vật liệu cần có khả năng duy trì cấu trúc vững chắc và không bị phá hủy dưới tác động của các yếu tố ngoại lực trong thời gian dài.

Tính ổn định trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt:

   Các vật liệu được chọn phải có khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, bao gồm nhiệt độ cao, độ ẩm, áp suất lớn hoặc tiếp xúc với hóa chất ăn mòn. Việc sử dụng vật liệu không phù hợp có thể dẫn đến hiện tượng biến dạng nhiệt, ăn mòn hóa học hoặc mài mòn nhanh chóng, gây giảm tuổi thọ và hiệu suất của sản phẩm cơ khí. Do đó, vật liệu cần có khả năng chống lại sự ăn mòn, chống oxy hóa và giữ vững tính chất cơ học trong suốt chu kỳ hoạt động của sản phẩm.

Tiết kiệm chi phí tổng thể qua vòng đời sản phẩm:

   Mặc dù chi phí đầu tư vào vật liệu tốt có thể cao hơn, nhưng về lâu dài, nó sẽ giảm thiểu được chi phí bảo trì, thay thế và sửa chữa. Vật liệu có độ bền cao giúp giảm thiểu sự cố và nâng cao tuổi thọ của các bộ phận cơ khí. Thực tế, trong các ngành công nghiệp yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt, như sản xuất máy móc, thiết bị điện tử, hay công nghiệp khai thác mỏ, việc sử dụng vật liệu chất lượng cao có thể giúp giảm thiểu chi phí bảo trì và ngừng hoạt động ngoài ý muốn do sự cố kỹ thuật.

Tăng cường hiệu suất động học:

   Việc lựa chọn vật liệu có tính năng đặc biệt như độ dẫn nhiệt cao, hệ số ma sát thấp, hoặc tính đàn hồi cao có thể tối ưu hóa hiệu suất vận hành của sản phẩm cơ khí. Trong các hệ thống truyền động cơ khí, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không, việc sử dụng vật liệu có đặc tính ma sát thấp hoặc khả năng chống mài mòn cao giúp giảm tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất hoạt động của các cơ cấu chuyển động. Chẳng hạn, các hợp kim titan hoặc thép hợp kim có thể mang lại độ cứng cao mà vẫn đảm bảo khả năng chịu mỏi tốt.

Tính tương thích và hiệu quả trong việc gia công:

   Mỗi loại vật liệu có yêu cầu riêng về công nghệ gia công và chế tạo. Việc lựa chọn vật liệu không tương thích với các phương pháp gia công sẵn có sẽ làm tăng độ khó trong sản xuất và có thể dẫn đến lãng phí vật liệu, thời gian và chi phí. Ngoài ra, một số vật liệu như thép không gỉ, hợp kim nhôm hoặc titan có yêu cầu đặc biệt trong việc gia công chính xác, đòi hỏi công nghệ cao và thiết bị hiện đại, điều này càng làm nổi bật sự quan trọng của việc chọn lựa vật liệu thích hợp cho từng ứng dụng.

Đảm bảo an toàn và giảm thiểu rủi ro:

   Trong những ngành công nghiệp đòi hỏi độ an toàn cao như ngành sản xuất tàu biển, cơ khí hàng không, năng lượng hạt nhân, hay dầu khí, việc lựa chọn vật liệu không đạt chuẩn có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng như vỡ nứt, rò rỉ, hoặc cháy nổ, gây thiệt hại về người và tài sản. Vật liệu chất lượng cao, với độ bền và khả năng chịu tải tốt, sẽ giúp giảm thiểu nguy cơ này và đảm bảo rằng sản phẩm cơ khí hoạt động ổn định trong suốt quá trình sử dụng.

Khả năng tái chế và bảo vệ môi trường:

   Ngoài các yếu tố kỹ thuật, việc lựa chọn vật liệu còn phải xem xét yếu tố môi trường. Các vật liệu dễ tái chế và có ít tác động tiêu cực đến môi trường là một yêu cầu quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện đại. Vật liệu như hợp kim nhôm hoặc thép tái chế có thể giảm thiểu tác động xấu đến môi trường trong suốt vòng đời sản phẩm.

   Tóm lại, việc lựa chọn vật liệu tốt trong cơ khí chất lượng cao không chỉ đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về độ bền, độ chính xác và hiệu suất mà còn góp phần giảm chi phí tổng thể, nâng cao an toàn và giảm thiểu tác động môi trường. Đây là yếu tố không thể thiếu để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của các hệ thống cơ khí trong mọi lĩnh vực sản xuất và ứng dụng.