Microsoft Word 00 a loinoidau TV (moi thang1 2016) docx 62 Nguyễn Thành Trí DỰ BÁO RỖ CO BẰNG TIÊU CHUẨN NIYAMA KHÔNG THỨ NGUYÊN USING DIMENSIONLESS NIYAMA CRITERION TO PREDICTSHRINKAGE POROSITY Nguyễ[.]
62 Nguyễn Thành Trí DỰ BÁO RỖ CO BẰNG TIÊU CHUẨN NIYAMA KHÔNG THỨ NGUYÊN USING DIMENSIONLESS NIYAMA CRITERION TO PREDICTSHRINKAGE POROSITY Nguyễn Thành Trí Cơng ty TNHH DV KT TM Nhất Tinh; tribk08@gmail.com Tóm tắt - Khuyết tật chi tiết đúc nguyên nhân làm giảm chất lượng chi tiết, giảm hiệu sản xuất đúc, hạn chế khuyết tật bước đầu trình nâng cao chất lượng chi tiết đúc Bằng việc mơ hình hóa mối quan hệ thơng số cơng nghệ, đặc tính vật liệu khuyết tật giúp kiểm sốt hình thành khuyết tật Mơ hình dự báo lõm co Niyama không thứ nguyên áp dụng cho chi tiết đúc khuôn cát, vật liệu sử dụng hợp kim nhôm ADC12, từ xác lập mối quan hệ rỗ co thơng số cơng nghệ Kết tính tốn mơ hình so sánh với kết mơ phần mềm Procast kết từ trình thực nghiệm để làm rõ mối quan hệ thông số cơng nghệ hình thành khuyết tật Abstract - Defects in casting reduce quality of products and economic efficency Describing the relationship between defects, process parameters and material properties through mathematical model is the fastest way to eliminate defects from casting part In this article, dimensionless Niyama criterion on sand mold casting with aluminum alloy ADC12 is applied to predict formation of shrinkage porosity for a machine part Simulation software (procast) is used to simulate casting process; all process parameters from simulation result related to defect are considered to find out the cause of shrinkage porosity and results from experiment are compared with the previous results to clarify the major factor of porosity formation Từ khóa - tiêu chuẩn Niyama; khuyết tật; rỗ co; đúc khuôn cát; hợp kim nhôm Key words - Niyama Criterion, defects; shrinkage porosity, sand casting, aluminum alloys Đặt vấn đề Tạo hình hợp kim nhôm phương pháp đúc khuôn cát phương pháp sử dụng phổ biến Tuy nhiên phương pháp tồn hạn chế việc áp dụng thông số công nghệ chưa phù hợp, từ dẫn đến khuyết tật rỗ co, rỗ khí hình thành làm giảm chất lượng chi tiết đúc Trong rỗ co khuyết tật thường gặp điều kiện giải nhiệt không phù hợp, chế độ giải nhiệt không đồng tạo nên vùng đơng đặc trễ Do đó, để hạn chế khuyết tật xảy ta phải xác định thông số công nghệ phù hợp Phương pháp sử dụng dựng lại trình đúc sở mơ hình mơ kiểm chứng Với mơ hình cho phép ta quan sát trình hình thành vật đúc, trình hình thành khuyết tật hay mối quan hệ thông số cơng nghệ khuyết tật Trong mơ hình dự báo rỗ co mơ hình Niyama khơng thứ ngun mơ hình đơn giản, có khả dự báo xác xu hướng lượng rỗ co hình thành Mơ hình diễn tả mối quan hệ tỉ lệ hình thành rỗ co thơng số cơng nghệ (tốc độ nguội, gradient nhiệt, áp suất rơi), thông số vật liệu (khoảng đông đặc, độ nhớt động học, độ co ngót cực đại…) Việc áp dụng mơ hình vào mơ hình vật liệu sản xuất cho biết vùng thơng số cơng nghệ phù hợp, từ giảm thiểu thời gian chạy mẫu thử Giải vấn đề 2.1 Cơ sở lý thuyết Tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên phát triển từ tiêu chuẩn Niyama sở q trình đơng đặc vật liệu vùng xốp Bên cạnh kết hợp tính chất nhiệt vật liệu để dự báo xác khả hình thành khuyết tật cho loại vật liệu khác với hình dáng khác Tiểu chuẩn Niyama [1] = (1) Trong đó: : tiêu chuẩn Niyama : gradient nhiệt : tốc độ nguội Q trình đơng đặc diễn vùng xốp Hình Sơ đồ đơng đặc vùng vật liệu xốp Hình biểu diễn q trình đơng đặc điều kiện gradient nhiệt ổn định tốc độ nguội khơng đổi Từ hình giảm dần cho thấy áp suất vị trí vật liệu lỏng vùng đơng đặc giá trị tới hạn , điều kiện cần để khuyết tật hình thành Vị trí khuyết tật xuất chân nhánh thứ hai, nơi mà dòng kim loại lỏng không bù cho co ngót vật liệu cản trở nhánh thứ hai Quá trình lớn lên nhánh thứ hai kéo theo trình giảm khả bù kim loại lỏng cho vùng này, từ hình thành khuyết tật Xuất phát từ phương trình Darcy tính ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển áp vùng xốp Phương trình Darcy [3] = (2) Trong đó: : tỉ lệ thể tích phần lỏng P: áp suất chất lỏng x: vị trí hệ trục 1-D : độ nhớt động học kim loại lỏng K: số thấm Kozeny-Carman : lượng co ngót cực đại Với: = (1 − 63 , tính tỉ lệ khuyết tật hình thành theo công thức sau: = (6) , Trong : tỉ lệ lõm co hình thành − = = 1+ 2.2 Đặc tính chi tiết thực nghiệm Tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên áp dụng để dự báo khả xảy khuyết tật chi tiết đúc khuôn kim loại Vật liệu sử dụng hợp kim nhôm ADC12 Chi tiết sử dụng máy cấp cán bàn chải tự động công ty TNHH TM DV KT Nhất Tinh thiết kế chế tạo ) = 180 : khoảng cách nhánh thứ Từ ta tính áp vùng xốp từ vùng lỏng đến vị trí áp tới hạn (từ vị trí đến vị trí ,) Δ = − Δ = = = = , Hình Chi tiết “tay địn” (3) Trong đó: : số nhiệt khơng thứ ngun; , : tỉ lệ phần lỏng tới hạn (tỉ lệ phần lỏng hình thành khuyết tật); : nhiệt độ nóng chảy hồn tồn; : nhiệt độ đơng đặc hồn toàn; : tốc độ nguội; : gradient nhiệt; : số vật liệu Viết lại phương trình thu được: = , , = / , 180 = ( ) / Vật liệu sử dụng hợp kim nhôm ADC12 Các thuộc tính nhiệt động vật liệu thu cách sử dụng phần mềm Jmatpro Bảng Thành phần hóa học ADC12 Tên Si Fe Ni Mn Cu Tỉ lệ (%) 10,8 0,9 0,5 0,5 2,5 Tên Zn Sn Mg Al Tỉ lệ (%) 0,3 0,3 Cịn lại Kết phân tích vật liệu phần mềm Jmatpro (4) = ∗ (5) Với ∗ tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên [3] Trong phương trình có chứa thơng số đặc tính nhiệt (độ co ngót cực đại, khoảng nhiệt đơng đặc, độ nhớt động học, khoảng cách nhánh thứ hai) vật liệu Do tiêu chuẩn sử dụng cho loại vật liệu khác Như đề cập, khuyết tật hình thành áp suất vùng xốp giảm đến giá trị tới hạn = −2 / , bán kính mầm tới hạn sức căng bề mặt Giá trị áp suất rơi tới hạn Δ xác định cho loại vật liệu, kết hợp với phương trình tìm tỉ lệ phần lỏng tới hạn , Với giá trị Hình Đường đặc tính đơng đặc hợp kim nhơm ADC12 Bảng Thơng số đặc tính nhiệt động hợp kim nhôm ADC12 Tên Ký hiệu Độ lớn Độ nhớt động học (tại nhiệt độ lỏng) 1,75 Khối lượng riêng thể lỏng 2,57 Khối lượng riêng thể rắn 2,71 64 Nguyễn Thành Trí Nhiệt độ lỏng hồn tồn 630 Nhiệt độ rắn hoàn toàn 450 40,9 Hằng số vật liệu Áp suất rơi tới hạn ∆ 1,01 Kết nghiên cứu bình luận 3.1 Kết tính tốn tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên cho vật liệu hợp kim nhôm ADC12 Trong tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên có hai thơng số: áp suất rơi tới hạn (Δ ) tốc độ nguội ( ) tương ứng chịu tác động áp suất đúc chế độ giải nhiệt Cịn lại thơng số đặc tính nhiệt động vật liệu Do phần làm rõ xu hướng mức độ tác động hai thơng số lên tỉ lệ hình thành khuyết tật Từ q trình tính tốn thực theo bước sau: ( ) → ( , ) → ∗ → , → Để tính tích phân phương trình 5, cần phải xác định hàm ( ) Phương pháp thực xấp xỉ hàm ( ) qua điểm rời rạc phương pháp Lagrange dựa vào điểm từ đồ thị Hình Việc xấp xỉ qua nhiều điểm hàm đạt xác Từ kết xấp xỉ hàm ( ) tính tích phân ( , ) theo phương trình 4, với kết tính giá trị Niyama theo tỉ lệ pha lỏng tương ứng Đồng thời dựa vào phương trình tính tỉ lệ hình thành lõm co theo tỉ lệ pha lỏng tới hạn Dựa vào tìm quan hệ tỉ lệ hình thành lõm co với giá trị Niyama tương ứng theo đồ thị Hình Hình Mối quan hệ tiêu chuẩn Niyama khơng thứ ngun tỉ lệ hình thành khuyết tật xu hướng mức độ tác động thơng số cơng nghệ lên q trình hình thành rỗ co Với ∗ lớn tỉ lệ hình thành khuyết tật giảm, mà theo phương trình ∗ / , tức tăng tốc độ nguội tỉ lệ hình tỉ lệ với thành rỗ co tăng lên ngược lại Ảnh hưởng áp suất rơi lên tỉ lệ hình thành khuyết tật theo ba chế độ làm nguội khác thể Hình Theo Hình 5, mối quan hệ áp suất rơi tới hạn tỉ lệ hình thành khuyết tật theo phương trình 5, tăng giá trị áp suất rơi tới hạn Δ , mà Δ = − tức tăng giá trị áp suất kim loại lỏng làm giảm tỉ lệ hình thành khuyết tật Điều với thực tế phương pháp đúc có tăng áp làm giảm lượng rỗ co chi tiết Hình Mối quan hệ độ nguội tỉ lệ hình thành khuyết tật Xu hướng chung tăng tốc độ nguội tỉ lệ hình thành khuyết tật tăng Xét khoảng = ÷ 1(℃/ ) tỉ lệ khuyết tật hình thành nhanh (tăng từ 0÷2%), sau mức độ tăng giảm dần đạt khoảng 4% độ nguội mức 100 (℃/ ) Như vậy, tiêu chuẩn Niyama khơng thứ ngun q trình hình thành rỗ co chịu tác động hai yếu tố: Áp suất rơi: Trong đúc khn cát có = 1,01 (áp suất khí quyển), = [3] ⇒ Δ = 1,01 rỗ co hình thành áp suất kim loại lỏng giảm xuống giá trị áp suất chân không Δ > 1,01 Những vùng không xảy áp không hình thành khuyết tật Tốc độ nguội: xảy áp, trường hợp với Δ > 1,01 kết hợp với điều kiện nguội chi tiết đúc khn cát =0,1 ÷ 0,3(℃/ )[3] tỉ lệ hình thành khuyết tật theo đồ thị Hình tương ứng với = 0,5 ÷ 1,3(%) 3.2 Kết mơ thực nghiệm miền hình thành khuyết tật Q trình đúc chi tiết khn cát dựng lại thông qua phần mềm Procast chế tạo mẫu thử với thông số công nghệ sau: Bảng Thơng số đúc Hình Mối quan hệ áp suất tới hạn tỉ lệ hình thành khuyết tật Từ mối quan hệ tiêu chuẩn Niyama khơng thứ ngun tỉ lệ hình thành khuyết tật ta khảo sát Nhiệt độ khn 33 (℃) Nhiệt độ kim loại lỏng 710 (℃) Vận tốc rót 0,16 (kg/s) Kết mơ thử nghiệm: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 65 Rãnh dẫn Hình Khuyết tật lõm co Dựa vào Hình cho thấy lõm co xuất hai vị trí chi tiết, tương tự Hình kết chụp tia X chi tiết thực tế xuất hai vùng hình thành khuyết tật có vị trí tương đồng với vị trí hình thành kết mơ Hình 10 Kết hình thành khuyết tật khn có gia nhiệt Kết mơ Hình 10 cho thấy vị trí co ngót cịn xuất cuống rót, nhiệt độ vùng cao vùng khác, nên trình đông đặc diễn sau cùng, hướng đông đặc thể Hình 11 Hướng Hình Lõm co chi tiết thực tế Trong Hình Hình vị trí xảy khuyết tật nơi có tiết diện lớn nhất, theo tiêu chuẩn Niyama vùng xảy tượng áp q trình đơng đặc hình thành vùng kim loại lỏng bao quanh vùng kim loại đơng đặc Điều thể Hình 9, vùng khoanh trịn chưa hồn tồn đóng rắn, bao quanh vùng đóng rắn tích V=3,1 (cc) với 𝑔𝑝 = 0,5 ÷ 1,5(%), theo tiêu chuẩn Niyama vùng lõm co hình thành 𝑉𝑝 = 0,010 ÷ 0,032 (𝑐𝑐) ng đặc Hướn g đơn g đặc Hình 11 Định hướng q trình đơng đặc Q trình đơng đặc bắt từ hai đầu chi tiết truyền dần vùng rãnh dẫn kết thúc cuống rót Do áp suất kim loại lỏng ln trì giá trị áp suất khí vùng áp khơng hình thành lõm co khơng có điều kiện để xuất Hình 12 Kết chụp tia X chi tiết có điều khiển q trình đơng đặc Vùng đơng đặc sau Hình Vị trí đơng đặc sau Để loại bỏ khuyết tật khỏi chi tiết phải chuyển vùng đơng đặc cuối khỏi chi tiết Các biện pháp áp dụng bao gồm: thêm đậu ngót vùng xảy khuyết tật, định hướng q trình đơng đặc (thêm cuống nhiệt làm lạnh cục để điều khiển trình đơng đặc) 3.3 Kết mơ thực nghiệm vùng khơng hình thành khuyết tật Phương pháp gia nhiệt cục (thêm cuống nhiệt) áp dụng để chuyển vùng đông đặc cuối từ chi tiết rãnh dẫn, khn vị trí rãnh dẫn cuống rót nung lên khoảng 120℃, thơng số cịn lại Bảng Hình 12 kết chụp tia X chi tiết đúc khn có gia nhiệt cục bộ, kết cho thấy vùng co ngót hồn tồn loại bỏ khỏi chi tiết 3.4 Bình luận Kết trình hình thành khuyết tật chi tiết thực tế kết mơ có tương đồng vị trí hình thành tỉ lệ Tăng nhiệt độ khn rãnh dẫn làm giảm tốc độ nguội, theo tiêu chuẩn Niyama tốc độ nguội giảm làm tỉ lệ hình thành rỗ co (theo Hình 6) giảm Đồng thời, vùng đơng đặc cuối hình thành ngồi chi tiết, khơng tạo nên vùng áp chi tiết khuyết tật không tạo thành (thể kết mô thực nghiệm phần 3.3) Dựa kết q trình mơ thực nghiệm kết hợp với kết tính tốn tính mơ hình Niyama khơng thứ ngun rút mối quan hệ tỉ lệ hình 66 Nguyễn Thành Trí thành rỗ co với tốc độ nguội áp suất rơi đúc khuôn cát Kết luận Mối quan hệ tiêu chuẩn Niyama không thứ nguyên ∗ tỉ lệ hình thành khuyết tật rỗ co vùng vật liệu xốp cho hợp kim nhôm ADC12 xây dựng (theo đồ thị Hình 4) Dựa vào khảo sát mối quan hệ tỉ lệ hình thành rỗ co với tốc độ nguội điều kiện áp suất Từ vùng khơng hình thành khuyết tật tìm (theo Hình 13), ứng dụng việc xây dựng thông số công nghệ nhằm hạn chế khuyết tật co ngót gây Mất áp vùng kim loại xốp nguyên nhân hình thành khuyết tật TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình13 Miền hình thành khuyết tật đúc khn cát Theo Hình 13: - Miền miền hình thành khuyết tật co ngót với tỉ lệ tương ứng theo tốc độ nguội - Miền miền thơng số khơng gây nên khuyết tật co ngót [1] Niyama, E Uchida, T Morikawa, M Saito, “A method of shrinkage prediction and its application to steel casting practice”,1982 [2] Kurz, W.; Fisher, D.J, Fundamentals of Solidification, Trans Tech Publications, Aedermannsdorf, Switzerland, 1984 [3] Kent D Carlson, Christoph Beckerman, “Prediction of Shrinkage Pore Volume Fraction Using a Dimensionless Niyama Criterion” [4] Maodong Kang and et, “Prediction of Microporosity in Complex Thin-Wall Castings with the Dimensionless Niyama Criterion” Material 2013 (BBT nhận bài: 08/9/2016, phản biện xong: 14/10/2016) ...ISSN 185 9-1 531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển áp vùng xốp Phương trình... đó: : tỉ lệ thể tích phần lỏng P: áp suất chất lỏng x: vị trí hệ trục 1-D : độ nhớt động học kim loại lỏng K: số thấm Kozeny-Carman : lượng co ngót cực đại Với: = (1 − 63 , tính tỉ lệ khuyết tật... khuôn 33 (℃) Nhiệt độ kim loại lỏng 710 (℃) Vận tốc rót 0,16 (kg/s) Kết mô thử nghiệm: ISSN 185 9-1 531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 65 Rãnh dẫn Hình Khuyết