Đề tài nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm a356

Luận án tiến sĩ năm 2013 Đề tài: Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG .5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .6 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .11 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .141.1. Các biện pháp nhằm đạt tổchức dạng hạt cầu (phi nhánh cây) .141.2. Cơsởlý thuyết vềlưu biến 181.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến .201.4. Một sốnghiên cứu trên thếgiới .221.4.1. Nghiên cứu vềhành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng .221.4.2. Khuấy hoặc rung bằng hệthống cơâm 241.4.3. Khuấy điện từ 261.4.4. Đúc gần nhiệt độ đường lỏng 281.5. Lựa chọn công nghệnghiên cứu 301.5.1. Khuấy điện từ 311.5.1.1. Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc .311.5.1.2. Các cơsở điện động lực học của quá trình khuấy .311.5.2. Khuấy bằng trục graphit .33CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT VỀHỢP KIM NHÔM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 352.1. Đối tượng nghiên cứu 352.1.1. Khái quát vềnhôm và hợp kim nhôm .352.1.2. Hợp kim A356 372.2. Kỹthuật thực nghiệm 392.2.1. Nấu luyện và xửlý hợp kim .392.2.2. Hệthống đo ghi nhiệt độkỹthuật số 402.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA 412.2.4. Mô phỏng số .412.3. Các phương pháp phân tích đánh giá 422.3.1. Hiển vi quang học nghiên cứu tổchức 422.3.2. Phân tích Rơnghen 432.3.3. Hiển vi điện tửquét (SEM) và phổEDS 432.3.4. Đánh giá cơtính 43CHƯƠNG 3. KẾT QUẢNGHIÊN CỨU CƠBẢN VỀHỢP KIM NHÔM A356 .453.1. Khoảng nhiệt độ đông đặc của hợp kim A356 453.2. Đường cong nguội và tốc độnguội 463.3. Tỷphần pha rắn và tốc độ đông đặc 523.3.1. Định nghĩa .523.3.2. Xác định tỷphần pha rắn .533.4. Thành phần, sựtiết pha và sựhình thành tổchức của Silumin đơn giản 573.4.1. Sựhình thành tổchức của hợp kim A356 573.4.2. Các pha liên kim và sựhình thành tổchức ởnhiệt độcao .593.4.3. Kết quảphân tích tia X .623.4.4. Kết quảphân tích EDS 633.5. Mô phỏng số 64CHƯƠNG 4. KẾT QUẢNGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆBÁN LỎNG 674.1. Phương pháp khuấy điện từ .674.1.1. Khuấy bán lỏng sau đó đểnguội cùng cốc khuấy 674.1.2. Khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn 69 4 4.2. Phương pháp khuấy bằng trục graphite .754.2.1. Ảnh hưởng của tốc độquay của trục khuấy 754.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy 794.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độkhuôn .814.3. Đánh giá cơtính .814.3.1. Khuấy điện từ 814.3.2. Khuấy bằng trục graphit .834.4. Kết luận 88KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91TÀI LIỆU THAM KHẢO 92DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95PHỤLỤC .96MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Các loại vật liệu dạng bột nhão (thixotropic) nhưthuốc bôi mi mắt, mật ong, một sốloại sơn khi bịcắt sẽchảy, sau đó lại có thể đặc lại. Độnhớt của chúng phụthuộc vào tốc độcắt và thời gian. Spencer và các cộng sựlà những người đầu tiên phát hiện ra hành vi này trong hợp kim bán lỏng vào đầu những năm 70 khi khảo sát sựnứt nóng bằng thước đo lưu biến. Nếu vật liệu bịkhuấy liên tục trong quá trình nguội từtrạng thái lỏng hoàn toàn tới trạng thái bán lỏng thì độnhớt của nó sẽthấp hơn nhiều so với khi nó được làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Việc khuấy sẽbẻgãy các nhánh cây đã xuất hiện trước đó, làm cho tổchức tếvi ởtrạng thái bán lỏng bao gồm các hạt tròn được bao quanh bởi pha lỏng.Đó chính là tổchức tếvi cần đạt được trong công nghệbán lỏng. Khi cấu trúc bán lỏng đó được chuyển vềtrạng thái không chuyển động, các hạt cầu sẽtích tụvà độnhớt sẽtăng lên. Nếu vật liệu được cắt, các khối tích tụ đó sẽbịvỡvà độnhớt giảm. Ởtrạng thái bán lỏng, với khoảng từ30 đến 50% pha lỏng, nếu hợp kim được đưa vềtrạng thái không chuyển động, nó sẽtựchịu được trọng lượng của mình và có thểcầm được nhưchất rắn. Ngay khi bịcắt, chúng sẽchảy với một độnhớt tương đương độnhớt của dầu máy nặng. Hành vi này được gọi là xúc biến (hành vithixotropic)và được ứng dụng trong công nghệbán lỏng: hợp kim có thể được cắt và phết nhưmột miếng bơ. Gần 40 năm nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệbán lỏng và sựquan tâm ngày càng tăng trong lĩnh vực này được đánh dấu bởi các Hội nghịkhoa học quốc tế. Công nghệbán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệkhác trong công nghiệp quốc phòng, hàng không vũtrụvà phần lớn các chi tiết máy trong công nghiệp ô tô, xe máy. Ởchâu Âu, các hệthống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ, và thanh ngang trong hệthống cấp dầu của bộnổ đang được chếtạo bằng công nghệnày. ỞMỹ, thí dụ, là các chi tiết máy cho xe leo núi và xe trượt tuyết, còn ởchâu Á sựtập trung được đặt vào việc sản xuất các chi tiết trong công nghiệp điện tửnhưvỏmáy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng hợp kim magiê bằng con đường đúc xúc biến (thixomolding). Hiện nay, nhu cầu sửdụng các loại hợp kim và đặc biệt là các sản phẩm từhợp kim có đặc tính kỹthuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước là rất lớn. Trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục vụcho ngành công nghiệp chếtạo máy bay, ôtô Vì vậy, việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc bán lỏng sẽtạo ra bước đột phá trong việc nâng cao chất lượng các sản phẩm hợp kim, làm cơsởcho việc phát triển các ngành công nghiệp này và hình thành một hướng phát triển mới trong việc chếtạo, sản xuất các chi tiết cho các ngành hàng không vũtrụ, công nghiệp quốc phòng, công nghiệp ôtô - xe máy và các sản phẩm cơkhí có đặc tính tiên tiến khác. Xuất phát từnhững cơsởtrên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu là: ”Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356”. 2. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độcông nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt được yêu cầu tổchức tếvi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏmịn và cơtính được cải thiện. - Làm cơsởtriển khai áp dụng công nghệbán lỏng cho hợp kim A356 trong công nghiệp ô tô, xe máy và công nghiệp quốc phòng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đểnghiên cứu và làm cơsởcho việc áp dụng công nghệbán lỏng, NCS lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356 - Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với phương pháp đúc lưu biến. 13 4. Nội dung nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc hợp kim ởtrạng thái bán lỏng. - Cơsởlý luận. - Thực nghiệm khoa học và kết quả- Kết luận. 5. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có vềcông nghệbán lỏng. - Thống kê, nghiên cứu cơsởlý thuyết, thực nghiệm trên đối tượng. - Nghiên cứu, phân tích kết quảthực nghiệm, các kết quảcủa các tác giả đi trước đểáp dụng cho nghiên cứu. - Tổng hợp các kết quảxửlý, phân tích kết hợp các tài liệu thu thập đểxác định bộsốliệu, các thông sốcông nghệnhằm tối ưu hoá quá trình. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa họcKết quảnghiên cứu của luận án là một trong những công bốtương đối hoàn thiện và mới nhất ởnước ta. Việc nghiên cứu thành công công nghệmới này sẽgóp phần: - Trước hết là xây dựng cơsởlý thuyết cho công nghệbán lỏng ơnước ta. - Xây dựng được các thông sốcông nghệ của phương pháp - khoảng nhiệt độ thích hợp đểchếtạo hợp kim bán lỏng, thời gian đểtạo hợp kim bán lỏng, ảnh hưởng của các yếu tố

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực

NGUYỄN NGỌC TIẾN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 6

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 11

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 14

1.1 Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây) 14

1.2 Cơ sở lý thuyết về lưu biến 18

1.3 Nguồn gốc của đặc tính xúc biến 20

1.4 Một số nghiên cứu trên thế giới 22

1.4.1 Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng 22

1.4.2 Khuấy hoặc rung bằng hệ thống cơ âm 24

1.4.3 Khuấy điện từ 26

1.4.4 Đúc gần nhiệt độ đường lỏng 28

1.5 Lựa chọn công nghệ nghiên cứu 30

1.5.1 Khuấy điện từ 31

1.5.1.1 Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc 31

1.5.1.2 Các cơ sở điện động lực học của quá trình khuấy 31

1.5.2 Khuấy bằng trục graphit 33

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ HỢP KIM NHÔM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Đối tượng nghiên cứu 35

2.1.1 Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm 35

2.1.2 Hợp kim A356 37

2.2 Kỹ thuật thực nghiệm 39

2.2.1 Nấu luyện và xử lý hợp kim 39

2.2.2 Hệ thống đo ghi nhiệt độ kỹ thuật số 40

2.2.3 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA 41

2.2.4 Mô phỏng số 41

2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá 42

2.3.1 Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức 42

2.3.2 Phân tích Rơnghen 43

2.3.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS 43

2.3.4 Đánh giá cơ tính 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ HỢP KIM NHÔM A356 45

3.1 Khoảng nhiệt độ đông đặc của hợp kim A356 45

3.2 Đường cong nguội và tốc độ nguội 46

3.3 Tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc 52

3.3.1 Định nghĩa 52

3.3.2 Xác định tỷ phần pha rắn 53

3.4 Thành phần, sự tiết pha và sự hình thành tổ chức của Silumin đơn giản 57

3.4.1 Sự hình thành tổ chức của hợp kim A356 57

3.4.2 Các pha liên kim và sự hình thành tổ chức ở nhiệt độ cao 59

3.4.3 Kết quả phân tích tia X 62

3.4.4 Kết quả phân tích EDS 63

3.5 Mô phỏng số 64

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BÁN LỎNG 67

4.1 Phương pháp khuấy điện từ 67

4.1.1 Khuấy bán lỏng sau đó để nguội cùng cốc khuấy 67

4.1.2 Khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn 69

4.2 Phương pháp khuấy bằng trục graphite 75

4.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ quay của trục khuấy 75

4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian khuấy 79

4.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn 81

4.3 Đánh giá cơ tính 81

4.3.1 Khuấy điện từ 81

4.3.2 Khuấy bằng trục graphit 83

4.4 Kết luận 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95

PHỤ LỤC 96

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hợp kim A 356 38

Bảng 3.1 Các phản ứng xảy ra trong quá trình đông đặc 58

Bảng 3.2 Những pha được tìm thấy qua kính hiển vi điện tử/SEM/EDX 59

Bảng 3.3 Trình tự tiết pha trong hợp kim nhôm – si lic trước cùng tinh 60

Bảng 3.4 Thành phần nguyên tố hợp kim trong mẫu hóa già 64

Bảng 3.5 Sai số giữa kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế 65

Bảng 4.1 Chương trình thực nghiệm bước 1 67

Bảng 4.2 Chương trình thực nghiệm bước 2 69

Bảng 4.3 Chương trình thực nghiệm xét ảnh hưởng của tốc độ khuấy 76

Bảng 4.4 Chương trình thực nghiệm xét ảnh hưởng của thời gian khuấy và nhiệt độ khuôn 80

Bảng 4.5 Độ bền kéo của mẫu khi chưa nhiệt luyện (nhiệt độ khuôn 2500 C) 81

Bảng 4.6 Kết quả thử độ bền nén và độ cứng 82

Bảng 4.7 Độ bền kéo của mẫu khuấy trục graphit 83

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Máy đúc lưu biến [7] 15

Hình 1.2 Thiết bị khuấy điện từ [1] 15

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp NRC Lớp ô xít hình thành trên bề mặt được đẩy vào rãnh rửa và quay trở lại lò nấu [4] 15

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị “rheomolding” dùng vít xoáy [8] 16

Hình 1 5 Quá trình đúc xúc biến [9] 16

Hình 1.6 Máy ép xúc biến[10] 17

Hình 1 7 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các phương pháp công nghệ bán lỏng khác nhau 17

a) Đúc xúc biến b) Đúc lưu biến 17

Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [37] 18

Hình 1.9 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi lưu biến [1] 19

Hình 1.10 Ứng suất cắt sau những quãng nghỉ khác nhau (tr) đối với hợp kim Sn-15% Pb a) Quan hệ giữa ứng suất cắt và góc biến dạng ; b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời gian nghỉ Nhiệt độ 1950 C, tỷ phần pha rắn 0,5, tốc độ nguội 100 C / phút [1] 19

Hình 1.11 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-015% Pb của các tác giả khác 20

Hình 1.12 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [11] 21

Hình 1.13 Các đường cong chảy của thể huyền phù dạng cụm bông [1] 21

Hình 1.14 Minh hoạ về quá trình phát triển cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu; b) nhánh cây phát triển; c) hoa hồng; d) hoa hồng dầy; e) hạt cầu [7] 22

Hình 1.15 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng khi tốc độ cắt tăng và giảm [12] 23

Hình 1.16 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100 s-1 sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối với hợp kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 [12] 24

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống rung cơ học tới mẻ kim loại[1] 25

Hình 1.18 Sơ đồ thiết bị thổi khí [14] 25

Hình 1.19 Tổ chức tế vi nhận đuợc [14] 25

Hình 1.20 Tác dụng của độ lớn áp lực [15] 27

Hình 1.21 Tổ trúc tế vi của hợp kim nhôm A356 (a),(b) đúc thường với tốc độ nguội (a) 50o C/phút và (b) 0,5o C/phút; từ (c) đến (f) có dao động điện từ: (c) P=0,3bar; (d) và (e) P=0,52bar (độ phóng đại khác nhau; (f) P=0,35bar trong 10 phút sau đó P=1,16bar trong 15s [15] 27

Hình 1.22 Nhiệt độ kim loại sau khi rót như hàm của độ quá nhiệt, nhiệt độ và bề mặt khuôn 28

Hình 1.23 Phương pháp nhiệt trực tiếp a) sử dụng máng nghiêng; b) quá nhiệt thấp [16] 29 Hình 1.24 Khuôn ống thành mỏng [5] 29

Hình 1.25 Tổ chức tế vi [17] 29

Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [18] 29

Hình 1.27 So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau 30

Hình 1.28 Sơ đồ minh hoạ của quá trình làm nhỏ mịn hạt tinh thể 31

Hình 1.29 Tương tác giữa từ trường chuyển động và một dây dẫn điện [19] 32

Hình 1.30 Tác động lực giữa dây dẫn có dòng điện chạy qua và nam châm 32

Hình 1.31 Nam châm vĩnh cửu được cho di chuyển dọc theo một thỏi đúc để khuấy 32

Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT mới [16] 34

Hình 1.35 Tạo mầm đồng thể và dị thể 34

Hình 1.36 Hàm f(θ) với những góc thấm ướt đặc trưng [21] 34

Hình 2.1 Các họ hợp kim nhôm [23] 36

Hình 2.2 Giản đồ pha Al – Si và các dạng tổ chức 36

Hình 2.3 Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (độ bền kéo Rm, độ dẻo A5) [23] 37

Hình 2.4 Pha liên kim β (Al5 Fe Si) có dạng hình tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính 38

Hình 2.5 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6 oC/s [25] 38

Hình 2.6 Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0.6 oC/s (quan sát vùng cùng tinh) [25] 38

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2o C/s [25] 39

Hình 2.8 Lò nấu điện trở 39

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống khử khí 39

Hình 2.10 Lò sấy khuôn 40

Hình 2.11 Khuôn kim loại đúc mẫu thử cơ tính 40

Hình 2.12 Hình ảnh thiết bị tạo mầm sử dụng trong nghiên cứu 40

Hình 2.13 Hình ảnh máy khuấy từ 40

Hình 2.14 Cốc khuấy inôc 40

Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống ghi đo nhiệt độ 41

Hình 2.16 Hệ thống ghi đo nhiệt độ kỹ thuật số 41

Hình 2.17 Nguyên lí của DTA 41

Hình 2.18 Đường cong DTA 41

Hình 2.19 Máy phân tích DTA 42

Hình 2.20 Sơ đồ quá trình mô phỏng số 42

Hình 2.21 Hiển vi quang học LeicaDM4000M 43

Hình 2.22 Kích thước mẫu thử cơ tính 43

Hình 2.23 Sơ đồ quy trình gia công mẫu thử cơ tính và chụp ảnh tổ chức 44

Hình 2.24 Mẫu đo độ cứng 44

Hình 2.25 Một số mẫu thử cơ tính sau khi gia công 44

Hình 2.26 Thiết bị đo độ bền kéo, nén MTS 809 44

Hình 3.1 Giản đồ pha của hệ hợp kim A356 45

Hình 3.2 Đường cong phân tích nhiệt của hợp kim A356 46

Hình 3.3 Đường nguội (giai đoạn đầu) và đạo hàm bậc 1của nó theo thời gian (tốc độ nguội) đo được ở vùng thành khuôn 47

Hình 3.4 Bản vẽ khuôn hai lớp φ90 (khuôn loại 1) 47

Hình 3.5 Đường nguội của hợp kim 48

Hình 3.6 Tốc độ nguội của mẫu có đường kính khác nhau trong cùng một loại khuôn 48

Hình 3.7 Thiết bị dập áp lực tự tạo 49

Hình 3.8 Hình ảnh bộ khuôn dập và sơ đồ bố trí cặp nhiệt 49

Hình 3.9 Đường nguội của vật đúc trong các loại khuôn khác nhau, khuôn loại 2 49

Hình 3.10 Khe hở khí giữa lớp vỏ kim loại và thành khuôn 50

Hình 3.11 Khe hở khí không hình thành trong trường hợp có áp lực 50

Hình 3.12 Tốc độ nguội trong các điều kiện đông đặc khác nhau 50

Hình 3.13 Tốc độ nguội trung bình của hợp kim trong các điều kiện đông đặc khác nhau 51 Hình 3.14 Kết quả đo nhiệt độ trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 51

Hình 3.15 Tốc độ nguội trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 52

Hình 3.16 Đường nguội của kim loại khi có khuấy và không khuấy từ 53

Hình 3.17 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc cân bằng 54

Hình 3.18 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc không cân bằng 54

Hình 3.19 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 theo nhiệt độ trong trường hợp đông đặc cân bằng 54

Hình 3.20 Khoảng nhiệt độ khuấy bán lỏng đối với hợp kim A356 55

Hình 3.21 Sơ đồ quá trình đo và ghi nhiệt độ tự động 55

Hình 3.22 Đường nguội của hợp kim A356 trong trường hợp nguội gió 56

Hình 3.23 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 trong trường hợp nguội tự nhiên có khuấy 56

Hình 3.24 Hình ảnh Si thứ nhất 57

Hình 3.25 [26] Phân tích nhiệt đối với hợp kim A356, với tốc độ nguội 0,60C/s (Vùng xám cho thấy thời gian xảy ra các phản ứng trong bảng trên) 58

Hình 3.26 Giản đồ pha silumin phức tạp 59

Hình 3.27 Pha Al5FeSi 60

Hình 3.28 Pha Al15(Mn, Fe)3Si2 60

Hình 3.29 Sự chuyển biến pha liên kim 61

Hình 3.30 Ảnh tổ chức của hợp kim nhôm 356 ở nhiệt độ cao khi nung.Tốc độ nung 100 C/phút a) nhiệt độ thường; b) 3000 C; c) 4500 C; d) 5600 C, biên giới hạt bắt đầu chảy 62

Hình 3.31 Kết quả phân tích X-ray của mẫu đúc 62

Hình 3.32 Hình ảnh phân tích pha ở trạng thái đúc và trạng thái ủ 63

Hình 3.33 Các phổ EDS tại các vị trí khác nhau trong hạt khi hóa già 63

Hình 3.34 Đồ thị so sánh đường nguội tự nhiên, khuấy điện từ ở 5900 C 64

Hình 3.35 Đồ thị so sánh đường tốc độ nguội tự nhiên, khuấy ở 5900 C 65

Hình 4.1 Thiết bị khuấy từ bước1 67

Hình 4.2 Nhiệt độ rót 600 0C, các mức từ trường tăng theo trình tự tăng dần từ 2 đến 5 68

Hình 4.3 Nhiệt độ rót 630 0C, các mức từ trường tăng theo trình tự tăng dần từ 2 đến 5 68

Hình 4.4 Ảnh tổ chức mẫu ở mức cường độ từ trường 4 69

Hình 4.5 Ảnh tổ chức mẫu ở mức cường độ từ trường 5 69

Hình 4.6 Tổ chức của mẫu số 23: AL605-4 Khuấy và rót ở 6050 C, tỷ phần pha rắn 25%, dập với áp suất 5 atm), tốc độ nguội trung bình ~ 160/s, cỡ hạt trung bình 40 71

Hình 4.7 Tổ chức của mẫu số 29: AL595-4 Khuấy và rót ở 5950 C, tỷ phần pha rắn 35%, dập với áp suất 5 atm), tốc độ nguội trung bình ~ 160/s, cỡ hạt trung bình 20 μm, tương đối đều và mịn 71

Hình 4.8 Tổ chức của mẫu số 34: AL585-4 Khuấy và rót ở 5850 C, tỷ phần pha rắn 47%, dập với áp suất 5atm, nhiệt độ khuôn 300 C, tốc độ nguội trung bình ~ 160 C/s, cỡ hạt không đều, xuất hiện vùng hạt thô 71

Hình 4.9 Tổ chức của mẫu số 67: M585-8 (khuấy và rót ở 5850 C, đúc trong khuôn dày 5mm, nhiệt độ khuôn 300 C, tốc độ nguội trung bình ~ 110C/s, cỡ hạt không đều 72

Hình 4.10 Kết quả tương tự của tác giả Charles Vives [15] 72

Hình 4.11 Tổ chức tế vị của mẫu số 62: M595-5, đúc trong khuôn dày 5mm, nhiệt độ khuôn 1500 C, tốc độ nguội trung bình 11ºC/s, cỡ hạt trung bình 15μm (x100) 72

Hình 4.12 Tổ chức tế vi của mẫu số 46: D595-5, đúc trong khuôn dày 10mm, nhiệt độ khuôn 1500 C, tốc độ nguội trung bình ~14 ºC/s, cỡ hạt trung bình ~ 14 μm (x100) 72

Hình 4.13 Tổ chức tế vi của mẫu số 30: AL595-5, có tác dụng của áp lực, nhiệt độ khuôn 1500 C tốc độ nguội trung bình ~16 ºC/s, cỡ hạt trung bình 12μm (x100) 72

Hình 4.14 Tổ chức của mẫu số 68: DT610-1 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy là 30s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 20-25μm, (x200) 73

Hình 4.15 Tổ chức của mẫu số 69: DT610-2 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy là 50s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 25μm, (x200) 73

Hình 4.18 Tổ chức của mẫu số 72: DT600-1 (khuấy ở 6000C, thời gian khuấy là 40s) (x200) 73 Hình 4.19 Tổ chức của mẫu số 70: DT610-7 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy là 30s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, nhưng không đều, cỡ hạt trung bình 25 - 30μm, (x200) 74 Hình 4.20 Tổ chức của mẫu số 76: DT590-7 (khuấy ở 5900C, thời gian khuấy là 30s) Ta thấy hình dạng các hạt co su hướng cầu tròn, nhưng không đều và không được nhỏ mịn lắm, cỡ hạt trung bình 30μm, (x200) 74 Hình 4.21 Tổ chức của mẫu số 69: DT610-2 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy 50s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 25μm, (x200) 74 Hình 4.22 Tổ chức của mẫu số 79: DTAL-2 (Áp lựp dập 6atm, thời gian khuấy 50s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, cỡ hạt trung bình 20-25μm, xuất hiện những hạt rất nhỏ khoảng 5 – 10 μm (x200) 74 Hình 4.23 Tổ chức của mẫu số 70: DT610-7 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy 30s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, nhưng không đều, cỡ hạt trung bình 25 - 30μm, (x200) 74 Hình 4.24 Tổ chức của mẫu số 84: DTAL-7 (Áp lựp dập 6atm, thời gian khuấy 30s) Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, tổ chức khá đều, cỡ hạt trung bình 30μm, cũng xuất hiện những hạt nhỏ tương tự như trên hình 4.21.x200 74 Hình 4.25 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 90: MIT-175-3, Vkh =175 v/ph.,Tk = 250 oC, Tkh

= 620 Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước khá nhỏ (~ 20-30 μm) 76 Hình 4.26 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 88: MIT-175-1,Vkh =175 v/ph., Tk = 250 °C, Tkh = 625 °C Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ mịn (~ 20 μm) 76 Hình 4.27 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 91: MIT-175-4, Vkh =175 v/ph., Tk = 50 oC, Tkh

= 620 °C Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, song kích thước không đều, có những hạt thô (~ 50-60 μm) 77 Hình 4.28 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 91: MIT-175-4, Vkh =175 v/ph., Tk = 50 °C, Tkh

= 625 °C Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ (~ 20-30 μm), lẫn một số hạt thô (~ 40-50 μm) 77 Hình 4.29 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 95 77 Hình 4.30 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 93 77 Hình 4.31 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 94: MIT-200-3, Vkh = 200 v/ph., Tk = 250°C, Tkh

= 610°C Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm 78 Hình 4.32 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 92: MIT-200-1, Vkh = 200 v/ph., Tk = 250°C, Tkh

= 615°C Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm, tròn đều 78 Hình 4.33 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 99: MIT-225-4, Vkh = 225 v/ph., Tk= 50 °C, Tkh

= 620 °C Kích thước hạt trung bình 30 μm, tròn đều, xuất hiện khá nhiều hạt nhỏ cỡ 10 μm 78 Hình 4.34 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 97: MIT-225-2, Vkh = 225 v/ph., Tk= 50 °C, Tkh

= 625 °C Kích thước hạt trung bình 30 μm, tròn đều, xuất hiện khá nhiều hạt nhỏ cỡ 10 μm 78 Hình 4.35 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 98 : MIT-225-3, Vkh = 225 v/ph., Tk= 250 °C, Th

= 620 °C Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm, tròn đều, quan sát thấy rỗ (mũi tên) 78 Hình 4.36 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 96: MIT-225-1, Vkk = 225 v/ph., Tk= 250 °C, Tkh = 625 °C Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm, tròn đều 78 Hình 4.37 Sự phá vỡ lớp màng ô xýt và sự thâm nhập khí vào kim loại lỏng 79 khi khuấy bằng trục graphit 79

Hình 4.38 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 100: MIT-250-1, Vkk = 250 v/ph., Tk= 250 °C, Td

= 620 °C 79

Hình 4.39 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 101: MIT-250-2, Vkh = 250 v/ph., Tk= 250 °C, Td = 615 °C 79

Hình 4.40 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 102: MIT-250-3, Vkh = 250 v/ph., Tk= 250 °C, Td = 610 °C Có thể quan sát thấy các phần tử ô xýt nằm lẫn cùng tinh (mũi tên) 79

Hình 4.41 Mẫu số 103: MIT-200-5s Tkhuôn: 1500 C 80

Hình 4.42 Mẫu số 108: MIT-200-10s Tkhuôn: 1500 C 80

Hình 4.43 Mẫu số 112: MIT-200-15d 80

Hình 4.44 Mẫu số 120: MIT-200-20d 80

Hình 4.45 Mẫu số 111: MIT-200-15c 81

Hình 4.46 Mẫu số 113: MIT-200-15e 81

Hình 4.47 Mẫu số 116: MIT-200-15h 81

Hình 4.48 So sánh độ bền kéo của các mẫu chưa nhiệt luyện 82

Hình 4.49 Đường cong thử kéo của mẫu số 89 84

Hình 4.50 Đường cong ứng suất biến dạng 84

Hình 4.51 Độ bền kéo của các mẫu khuấy 84

trục graphite 84

Hình 4.52 Độ cứng của các mẫu khuấy trục graphite 84

Hình 4.53 So sánh độ bền kéo của các mẫu khuấy điện từ và khuấy trục graphite 85

Hình 4.54 So sánh tổ chức tế vi của các mẫu khuấy điện từ và khuấy trục graphite 86

Hình 4.55 Ảnh chụp SEM và kết quả phân tích EDX đối với mẫu MIT-200-10ª (N105) 87

Hình 4.56 Kết quả chụp kim tương mầu (oxy mầu xanh) 88

Hình 4.57 Cửa sổ công nghệ của quá trình 88

Hình 4.58 So sánh với kết quả đạt được của tác giả nước ngoài 89

Hình 4.59 Liền mạng nhánh cây 89

Hình 4.60 Khoảng nhiệt độ xử lý bán lỏng 90

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MHD Khuấy thủy động từ

SIMA Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất

RAP Kết tinh lại và nấu chảy một phần

NRC Đúc lưu biến mới

SSTT Chuyển biến nhiệt bán lỏng

α Dung dịch rắn hoà tan ít Si

β Pha liên kim (Al5FeSi)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Các loại vật liệu dạng bột nhão (thixotropic) như thuốc bôi mi mắt, mật ong, một số loại sơn khi bị cắt sẽ chảy, sau đó lại có thể đặc lại Độ nhớt của chúng phụ thuộc vào tốc độ cắt và thời gian Spencer và các cộng sự là những người đầu tiên phát hiện ra hành vi này trong hợp kim bán lỏng vào đầu những năm 70 khi khảo sát sự nứt nóng bằng thước đo lưu biến Nếu vật liệu bị khuấy liên tục trong quá trình nguội từ trạng thái lỏng hoàn toàn tới trạng thái bán lỏng thì độ nhớt của nó sẽ thấp hơn nhiều so với khi nó được làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy Việc khuấy sẽ bẻ gãy các nhánh cây đã xuất hiện trước đó, làm cho tổ chức tế vi ở trạng thái bán lỏng bao gồm các hạt tròn được bao quanh bởi pha lỏng

Đó chính là tổ chức tế vi cần đạt được trong công nghệ bán lỏng Khi cấu trúc bán lỏng

đó được chuyển về trạng thái không chuyển động, các hạt cầu sẽ tích tụ và độ nhớt sẽ tăng lên Nếu vật liệu được cắt, các khối tích tụ đó sẽ bị vỡ và độ nhớt giảm Ở trạng thái bán lỏng, với khoảng từ 30 đến 50% pha lỏng, nếu hợp kim được đưa về trạng thái không chuyển động, nó sẽ tự chịu được trọng lượng của mình và có thể cầm được như chất rắn Ngay khi bị cắt, chúng sẽ chảy với một độ nhớt tương đương độ nhớt của dầu máy nặng

Hành vi này được gọi là xúc biến (hành vi thixotropic) và được ứng dụng trong công nghệ

bán lỏng: hợp kim có thể được cắt và phết như một miếng bơ

Gần 40 năm nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ bán lỏng và sự quan tâm ngày càng tăng trong lĩnh vực này được đánh dấu bởi các Hội nghị khoa học quốc tế

Công nghệ bán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệ khác trong công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ và phần lớn các chi tiết máy trong công nghiệp ô tô, xe máy Ở châu Âu, các hệ thống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ, và thanh ngang trong hệ thống cấp dầu của bộ nổ đang được chế tạo bằng công nghệ này Ở Mỹ, thí dụ, là các chi tiết máy cho xe leo núi và xe trượt tuyết, còn ở châu Á sự tập trung được đặt vào việc sản xuất các chi tiết trong công nghiệp điện tử như vỏ máy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng hợp kim magiê bằng con đường đúc xúc biến (thixomolding)

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các loại hợp kim và đặc biệt là các sản phẩm từ hợp kim có đặc tính kỹ thuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước là rất lớn Trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô…Vì vậy, việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc bán lỏng sẽ tạo ra bước đột phá trong việc nâng cao chất lượng các sản phẩm hợp kim, làm cơ sở cho việc phát triển các ngành công nghiệp này và hình thành một hướng phát triển mới trong việc chế tạo, sản xuất các chi tiết cho các ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng, công nghiệp ôtô - xe máy và các sản phẩm cơ khí có đặc tính tiên tiến khác

Xuất phát từ những cơ sở trên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu là: ”

Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356”

2 Mục đích nghiên cứu

- Xác định chế độ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt được yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏ mịn và cơ tính được cải thiện

- Làm cơ sở triển khai áp dụng công nghệ bán lỏng cho hợp kim A356 trong công nghiệp ô tô, xe máy và công nghiệp quốc phòng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: để nghiên cứu và làm cơ sở cho việc áp dụng công nghệ bán lỏng, NCS lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356

- Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với

4 Nội dung nghiên cứu

- Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc hợp kim ở trạng thái bán lỏng

- Cơ sở lý luận

- Thực nghiệm khoa học và kết quả

- Kết luận

5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có về công nghệ bán lỏng

- Thống kê, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực nghiệm trên đối tượng

- Nghiên cứu, phân tích kết quả thực nghiệm, các kết quả của các tác giả đi trước để áp dụng cho nghiên cứu

- Tổng hợp các kết quả xử lý, phân tích kết hợp các tài liệu thu thập để xác định bộ số liệu, các thông số công nghệ nhằm tối ưu hoá quá trình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

*) Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của luận án là một trong những công bố tương đối hoàn thiện và mới nhất ở nước ta Việc nghiên cứu thành công công nghệ mới này sẽ góp phần:

- Trước hết là xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ bán lỏng ơ nước ta

- Xây dựng được các thông số công nghệ của phương pháp - khoảng nhiệt độ thích hợp

để chế tạo hợp kim bán lỏng, thời gian để tạo hợp kim bán lỏng, ảnh hưởng của các yếu tố đến sự hình thành hợp kim bán lỏng, tổ chức tế vi và cơ tính đạt được

*) Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng triển khai để sản xuất các chi tiết trong ngành chế tạo ôtô – bánh xe, vỏ động cơ, một số các chi tiết trước đây phải chế tạo từ gang bền cao hoặc trong ngành chế tạo xe máy – nắp hông máy và các chi tiết bằng hợp kim nhôm khác

7 Những điểm mới của luận án

Bên cạnh kết quả nghiên cứu tổng quát là cửa sổ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim A356, quá trình nghiên cứu còn có thêm một số phát hiện đặc biệt:

- Trong quá trình tạo hợp kim bán lỏng bằng phương pháp khuấy điện từ, nhiệt độ của hợp kim lỏng có sự thay đổi không đáng kể

- Dưới tác động của quá trình khuấy và thành phần hợp kim nghiên cứu, kết quả nghiên cứu cho thấy hình thành pha hoá bền trong hợp kim sau khi đúc Điều này trong đúc áp lực thông thường không thực hiện được

- Sự tạo rỗng trong quá trình khuấy điện từ làm giảm đáng kể kích thước pha liên kim ít ảnh hưởng xấu đến cơ tính của hợp kim

- Phát hiện có sự tồn tại của Si I trước cùng tinh

8 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Khái quát về hợp kim nhôm và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu cơ bản về hợp kim nhôm A356

Chương 4: Kết quả nghiên cứu công nghệ bán lỏng

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây)

Có nhiều cách đạt được tổ chức phi nhánh cây Sau đây là các phương pháp chính:

1) Khuấy thuỷ động từ (magnetohydrodynamic stiring - MHD): đó là việc khuấy bằng

trường điện từ (và như vậy không làm nhiễm bẩn, không cuốn khí và cánh khuấy không bị mòn như trong trường hợp khuấy cơ học) ở trạng thái bán lỏng để bẻ gãy các nhánh cây Nhiều chi tiết bằng hợp kim nhôm được sản xuất cho đến nay sử dụng MHD do hãng Pechiney và SAG cung cấp Có một số vấn đề còn tồn tại phương pháp này, ví dụ sự không đồng đều về hình dáng và hạt cầu không hoàn toàn tròn mà vẫn còn dư một số tinh thể dạng “hoa hồng” Đây là quá trình được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án và sẽ được

đề cập kỹ hơn ở phần sau

2) Phun bột (sprayforrming): là một phương pháp tương đối đắt; dùng để chế tạo các

hợp kim không thể chế tạo bằng con đường khác, ví dụ hợp kim Al-Si với trên 20% Si Phun bột cho phép nhận được tổ chức nhỏ mịn, đều trục Khi nung nóng lại đến nhiệt độ

bán lỏng thì đây là tổ chức tốt nhất cho quá trình tạo hình xúc biến (thixoforming)

3) Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất (Strain induced melt activated - SIMA) và Kết tinh lại và nấu chảy một phần (Recrystallization and partial melting- RAP): đây là 2 phương

pháp có những nét tương tự Vật liệu được chuốt (extrusion), khi được nung nóng tới trạng thái bán lỏng, quá trình kết tinh sẽ xảy ra; kim loại lỏng đi vào biên giới hạt kết tinh lại và tạo ra một lớp vỏ bọc hình cầu Phương pháp SIMA sử dụng biến dạng nóng còn RAP - biến dạng “ấm” Ưu điểm của các phương pháp này là tổ chức nhận được có dạng cầu hơn

so với MHD Nhược điểm chủ yếu là có thể xảy ra sự không đồng nhất trong tổ chức do mức độ biến dạng trên thiết diện ngang khác nhau, ngoài ra quá trình chuốt là khó khăn và đắt đối với các thỏi đường kính lớn

4) Đúc gần nhiệt độ đường lỏng (Liquidus/near liquidus casting): đây là một phương

pháp mới dựa trên việc điều khiển các điều kiện đông đặc Phương pháp đúc lưu biến mới (New Rheocasting – NRC) của UBE [4] dựa trên nguyên tắc: kim loại lỏng gần nhiệt độ đường lỏng được rót vào nồi nghiêng và mầm được tạo trên thành nồi Kích thước tổ chức nhỏ mịn vì nhiệt độ xử lý gần đường liquidus Một kỹ thuật khác là phương pháp nhiệt trực

tiếp (direct thermal method) [5]: trong phương pháp máng nghiêng, kim loại lỏng được rót

vào khuôn qua một máng nghiêng Quá trình tạo mầm được xảy ra trên máng và tinh thể hình trụ nhận được khá mịn Với phương pháp đúc gần nhiệt độ liquidus, tốc độ tạo mầm lớn có thể đạt được trong toàn bộ thể tích khối kim loại lỏng bị quá nguội

5) Quá trình MIT mới (new MIT process) [6]: đây là sự phối hợp giữa khuấy và đúc gần

nhiệt độ đông đặc Trục khuấy cũng có tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại lỏng

có nhiệt độ cao hơn liquidus đôi chút Sau khi khuấy nhiệt độ kim loại lỏng hạ xuống mức ứng với tỷ phần pha rắn khoảng mười phần trăm và trục khuấy được rút ra Đây cũng là quá trình được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án và sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau 6) Làm nhỏ mịn hạt bằng cách biến tính: hợp kim có thể có tổ chức hình cầu, song khó

có thể đảm bảo là cấu trúc có dạng cầu đều đặn và nhỏ mịn và thể tích phần pha lỏng bị bẫy trong các hạt cầu nhìn chung tương đối cao

7) Chuyển biến nhiệt bán lỏng (semi-solid thermal transformation - SSTT): Cấu trúc hạt

cầu có thể đạt được bằng cách nung nóng tổ chức nhánh cây tới nhiệt độ bán lỏng trong một khoảng thời gian nhất định Tuy nhiên kích thước hơi thô (~ 100 μm)

Trong các phương pháp trên thì các phương pháp 1, 3, 4, 5, 7 thuộc về dạng công nghệ bán lỏng

Đúc lưu biến (Rheocasting) là một quá trình mà ở đó hợp kim được nguội tới trạng thái

bán lỏng sau đó được ép thẳng vào khuôn không qua các bước đông đặc trung gian Máy đúc lưu biến điển hình được trình bày trên hình 1.1[7] Tổ chức phi nhánh cây có thể đạt được bằng một loạt các biện pháp, ví dụ khuấy điện từ trong xi lanh ép như trong quá trình đúc bán lỏng kim loại của hãng Hitachi (hình 1.2[1]) hoặc khuấy cơ học, thúc đẩy quá trình tạo mầm như trong phương pháp new rheocasting NRC của hãng UBE (hình 1.3[4])

Hình 1.1 Máy đúc lưu biến [7] Hình 1.2 Thiết bị khuấy điện từ [1]

Nội dung của phương pháp NRC là rót kim loại ở nhiệt độ trên liquidus một chút vào nồi thép, sau đó kiểm soát quá trình nguội để đạt được tổ chức dạng cầu trước khi bắn vào khuôn Ở đây không cần chế tạo phôi có đặc tính thixotropic và hồi liệu có thể được sẵn sàng tái sử dụng trong xưởng Hall và đồng sự đã chứng minh rằng NRC là phương pháp có chi phí thấp hơn tạo hình xúc biến (thixoforming), do chi phí cho vật liệu ban đầu thấp hơn

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp NRC Lớp ô xít hình thành trên bề mặt được đẩy vào rãnh

rửa và quay trở lại lò nấu [4]

Lò giữ

nhiệt

Rót kim loại

Làm nguội

Gia nhiệt

phẩm

Đảo ngược

Phụ phẩm và ba via

Làm khuôn lưu biến

(Rheomoulding) là một

phương pháp ép kim loại

vào khuôn, đồng hành với

việc khuấy bằng vít xoáy

đơn hoặc vít xoáy kép

(hình 1.4[8]) Kim loại

lỏng được đưa vào một

tang trống, được làm

nguội đồng thời với việc

khuấy bởi vít xoáy Vật

liệu bán lỏng sau đó được

ép vào khuôn Phương

pháp này phù hợp với việc chế tạo liên tục một số lượng lớn chi tiết và không đòi hỏi phôi đặc biệt

Xúc biến (thixo-) thường liên quan tới một quá trình mà ở đó xuất hiện giai đoạn trung gian

Đúc xuc biến (thixomolding) là một phương pháp của hãng “Thoxomat” được cấp bản

quyền Nó được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nhật và Mĩ để chế tạo các chi tiết bằng

Mg, ví dụ cho máy tính xách tay, máy camera Cũng như trong trường hợp làm khuôn lưu biến, bản chất của nó là ép kim loại bán lỏng (nhưng ở dạng thỏi) vào khuôn: thỏi hợp kim

Mg được đưa vào một tang tróng bên trong có vít quay liên tục (hình 1.5[9]) và năng lượng sinh ra do cắt đủ để đưa thỏi vào trạng thái bán lỏng Dưới tác dụng của lực cắt tổ chức trở thành dạng hạt cầu và vật liệu được ép vào khuôn Mặc dù phương pháp này rất hiệu quả đối với hợp kim Mg, nhưng khi đúc Al thì vít tải và tang trống thường bị hỏng

Hình 1 5 Quá trình đúc xúc biến [9]

Rất nhiều cố gắng để khắc phục nhược điểm này đã được thực hiện, song cho đến nay vẫn chưa có kết quả khả quan

Đúc rót xúc biến (thixocasting): hợp kim ban đầu ở trạng thái rắn được xử lý sao cho

khi đạt được trạng thái bán lỏng thì tổ chức của nó là phi nhánh cây Khi “rót” khuôn thì tỷ phần pha rắn là khoảng 50% Đây là một phương pháp được hãng Magnetti Marelli ở Ý để chế tạo ray nhiên liệu

Tạo hình xúc biến (thixoforming) là một phương pháp mà ở đó vật liệu phù hợp được

nung tới trạng thái bán lỏng và được bắn vào khuôn Thông thường tỷ phần pha lỏng chiếm

30 - 50% trước khi được ép vào khuôn Quá trình này được hãng Stampal (Ý) sử dụng để

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị “rheomolding” dùng vít xoáy [8]

Khuôn

Hệ thống bắn Khung máy Vít đôi tạo bột nhão

Đầu vào

được đặt giữa hai nửa

khuôn Hai nửa khuôn

sau đó được ép vào

nhau bởi một búa thuỷ

động Sự điền đầy

khuôn trực tiếp như vậy

sẽ cho phép tiết kiệm

nguyên liệu do không

cần có hệ thống rót

Sự khác nhau giữa

đúc lưu biến và đúc xúc biến được minh hoạ trên hình 1.7 Có thể thấy quá trình đúc xúc biến phức tạp hơn do có khâu nung trung gian, bởi vậy tốn thời gian, năng lượng, làm cho giá thành vật đúc tăng nên hiện nay các nghiên cứu ứng dụng đều tập trung chủ yếu vào các quá trình đúc lưu biến

Ưu điểm và nhược điểm

Cũng như mọi công nghệ chế tạo khác, công nghệ bán lỏng cũng có một số ưu điểm và nhược điểm

Hình 1 7 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các phương pháp công nghệ bán lỏng khác

nhau a) Đúc xúc biến b) Đúc lưu biến

Ưu điểm

Các ưu điểm chính của công nghệ bán lỏng, so với đúc áp lực, như sau:

1) Hiệu quả về năng lượng Kim loại không cần phải được đưa tới trạng thái lỏng trong một thời gian dài

2) Năng suất lao động cũng tương tự như đúc áp lực, thậm chí cao hơn

3) Điền đầy khuôn êm, không cuốn khí và rỗ co nhỏ làm cho các vật đúc được xít chặt

và toàn vẹn (kể cả các vùng thành mỏng), cho phép áp dụng phương pháp này cho hợp kim bền cao có thể nhiệt luyện được

4) Nhiệt độ xử lý thấp hơn làm giảm sốc nhiệt cho khuôn, kéo dài tuổi thọ khuôn và cho phép sử dụng các vật liệu làm khuôn phi truyền thống, cho phép chế tạo các loại hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao như thép dụng cụ và thép không gỉ thường khó tạo hình bằng các phương pháp khác

5) Giảm va đập giữa dòng kim loại với khuôn cũng mang lại khả năng chế tạo khuôn bằng phương pháp tạo mẫu nhanh

Hình 1.6 Máy ép xúc biến[10]

6) Tổ chức nhỏ mịn, đồng đều làm cải thiện các tính chất

7) Sự giảm độ co khi đông đặc làm cho kích thước chính xác hơn, giảm bớt các nguyên công gia công cơ khí, giảm chi phí gia công cơ và chi phí vật liệu

8) Chất lượng bề mặt thích hợp với việc mạ

Nhược điểm

1) Chi phí nguyên liệu ban đầu có thể cao và số lượng các nhà cung cấp là hạn chế 2) Sự hiểu biết và kinh nghiệm về công nghệ này vẫn cần tiếp tục hoàn thiện để có thể

dễ dàng ứng dụng nó cho các chi tiết mới

3) Điều này dẫn đến chi phí chế tạo khuôn cao hơn Đòi hỏi nhân lực có trình độ và tay nghề cao hơn so với các phương pháp công nghệ truyền thống

Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [37]

4) Kiểm soát nhiệt độ Tỷ phần pha rắn và độ nhớt ở trạng thái bán lỏng phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Hợp kim có khoảng kết tinh hẹp đòi hỏi phải được khống chế nhiệt độ chính xác

Hàng triệu chi tiết đã được chế tạo hàng năm bằng công nghệ bán lỏng Các chi tiết bằng hợp kim nhôm, được chế tạo bởi phương pháp tạo hình xúc biến và NRC, phục vụ cho công nghiệp ô tô, xe máy Đúc xúc biến được ứng dụng ở Nhật, để chế tạo các chi tiết nhẹ bằng hợp kim magiê như điện thoại di động, máy tính xách tay, camera Một số phương án công nghệ đang xuất hiện (ví dụ quá trình MIT mới) Hiện nay mũi nhọn nghiên cứu tập trung vào việc phát triển khả năng tạo ra các hợp kim có đặc tính cao và mô hình hoá sự điền đầy khuôn đồng thời với việc tìm kiếm các số liệu thực nghiệm có thể được sử dụng trong quá trình mô hình hoá

1.2 Cơ sở lý thuyết về lưu biến

Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt τ, tỷ lệ với tốc độ cắt γ, và hệ số tỷ lệ là độ nhớt

η Vật liệu bán lỏng (vật liệu thixotropic) là chất lỏng phi Newton, tức là ứng suất cắt

nhớt, tức là chúng tích trữ một loại năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi Vật liệu bán lỏng không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi ứng suất bị dỡ

suất cắt được kiểm soát bởi đồng hồ lưu

biến để đo trực tiếp ứng suất chảy trong

hợp kim Sn 15%Pb Họ đã phân biệt

giữa ứng suất chảy tĩnh khi chất lỏng ở

trạng thái nghỉ trước khi chịu ứng suất

cắt và ứng suất chảy động khi chất lỏng

chịu cắt liên tục Kết quả của họ đựơc

thể hiện trên hình 1.10[1] Có thể thấy

ứng suất chảy tăng khi thời gian nghỉ

trước biến dạng tăng do sự tăng mức độ

kết tụ

Hình 1.9 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi

lưu biến [1]

Hình 1.10 Ứng suất cắt sau những quãng nghỉ khác nhau (tr) đối với hợp kim Sn-15% Pb a) Quan

hệ giữa ứng suất cắt và góc biến dạng ; b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời gian nghỉ Nhiệt độ

được sử dụng để mô tả các chất lỏng không có điểm chảy dẻo và thể hiện mối tương quan về năng lượng giữa ứng suất cắt τ và tốc độ cắt γ• Nếu số mũ là 1 thì điều đó sẽ dẫn đến biểu thức giành cho chất lỏng Newton với hằng số k bằng độ nhớt η Ở hình 1.9, độ nhớt giảm đi khi chịu cắt (shear thinning materials) sẽ có giá trị của n nhỏ hơn 1 và độ nhớt tăng lên khi chịu cắt (shear thickening materials) sẽ có n lớn hơn 1 Vật liệu bán lỏng chủ yếu là loại vật liệu độ nhớt giảm đi khi chịu cắt, độ nhớt tăng trở lại khi được giữ ở trạng thái tĩnh Người ta cho rằng khi tốc độ cắt rất cao và rất thấp thì chất lỏng thixotropic trở thành chất lỏng Newton Điều này được thể hiện ở mô hình Cross:

Hình 1.11 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-015% Pb của

các tác giả khác

Độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ Đối với chất lỏng Newton (ví dụ lưới chất lỏng trong khối bột nhão bán lỏng), độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng Nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới tổ chức tế vi Như vậy, trong khối bột nhão bán lỏng, tỷ phần pha rắn giảm khi nhiệt độ tăng, hậu quả là ảnh hưởng tới độ nhớt (hình 1.11) Thêm vào đó, tổ chức tế vi sẽ trở nên thô hơn do khuếch tán khi nhiệt độ tăng Đối với vật liệu bán lỏng sau trạng thái nghỉ, sẽ cần một bước nhẩy về tốc độ, ứng suất cắt sẽ đạt được giá trị tối đa, sau đó giảm dần cho tới khi đạt giá trị cân bằng ứng với tốc độ cắt (hình 1.12[11]) Tốc độ cắt càng cao sau mỗi bước thì độ nhớt cân bằng càng thấp Độ nhớt cực đại sẽ tăng khi thời gian nghỉ tăng

1.3 Nguồn gốc của đặc tính xúc biến

Đâu là nguồn gốc của tính xúc biến? Tầm quan trọng của tổ chức dạng cầu hình thành khi khuấy đã được đề cập tới ở trên Hệ kim loại bán lỏng có nhiều điểm chung với thể vẩn

seri các cụm bông lớn Nếu tốc độ cắt tăng từ

Hình 1.12 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [11]

Trong các hệ kim loại bán lỏng, sự kết

tụ xuất hiện do các phần tử va chạm với

nhau (hoặc do quá trình cắt làm chúng

tiếp xúc với nhau, hoặc, ở trạng thái nghỉ,

do quá trình thiêu kết) và, nếu chúng định

hướng một cách thuận lợi, sẽ tạo ra các

biên “Định hướng thuận lợi” có nghĩa là,

nếu các phần tử định hướng sao cho năng

lượng biên giới thấp, thì điều đó sẽ thuận

lợi hơn về mặt năng lượng cho sự kết tụ

so với trường hợp hình thành các biên có

năng lượng cao Nếu một mạng 3D

được hình thành trong toàn bộ thể tích,

vật chất bán lỏng sẽ tự chịu được trọng

lượng của nó và có thể được xử lý như

vật rắn Khi tốc độ cắt tăng, mối liên kết đó giữa các phần tử bị phá vỡ và kích thuớc trung bình của các cụm giảm đi Một khi mối liên kết lại hình thành, các phần tử đã kết tụ sẽ được thiêu kết, với kích thước của chỗ thắt tăng lên theo thời gian

Độ nhớt ở trạng thái tĩnh phụ thuộc vào cân bằng giữa tốc độ hình thành cấu trúc và tốc

độ phá vỡ cấu trúc Nó cũng phụ thuộc vào hình thái của phần tử Hình dáng phần tử càng gần với hình cầu thì độ nhớt ở trạng thái tĩnh càng thấp Thêm vào đó, nếu chất lỏng bị bẫy giữa các phần tử rắn, nó sẽ không đóng góp cho dòng chảy Như vậy, mặc dù tỷ phần pha lỏng có thể đạt một giá trị nào đó, được quyết định bởi nhiệt độ (thực sự thì tỷ phần pha lỏng được dự đoán bởi nhiệt động học không đạt được ngay tức thời khi bị nung nóng trở

Hình 1.13 Các đường cong chảy của thể huyền

phù dạng cụm bông [1]

lại từ trạng thái rắn), trong thực tế, tỷ phần pha lỏng hiệu quả có thể nhỏ hơn bởi lẽ một phần bị bẫy lại giữa các phần tử rắn Có nhiều điểm giống nhau và khác nhau giữa đặc tính của các hệ kim loại bán lỏng và trong các hệ thixotropic khác Điều này liên quan tới bản chất của các lực giữa các phần tử Nhìn chung, các lực giữa các phần tử là: lực hấp dẫn Van der Waals; lực đẩy không gian do các phân tử macro được hấp thụ; lực đẩy tĩnh điện

do sự có mặt của điện tích cùng dấu trên các phần tử và chất điện môi; lực hấp dẫn tĩnh điện giữa các điện tích khác dấu tại các vị trí khác nhau trên phần tử (ví dụ sự hấp dẫn cạnh/mặt giữa các phần tử đất sét) Trong khối bột nhão kim loại bán lỏng không có một lực nào như vậy

Cái có thể thực sự xuất hiện trong quá

trình hình thành cấu trúc là một cái gì đó

tương tự sự bám dính trong hiện tượng

mòn Khi ứng suất cắt xuất hiện, các phần

tử bắt buộc phải tiếp xúc với nhau Nếu

có lợi về mặt năng lượng cho biên giới

rắn – rắn hình thành, hai phần tử rắn sẽ

được giữ ở trạng thái tiếp xúc Trong

nhiều hệ bôt nhão, lực Brownian (nhiệt)

ngẫu nhiên là đáng kể Đối với các phần

tử có các hình dáng khác nhau, sự ngẫu

nhiên thường trực đó ảnh hưởng tới hàm

phân bố hướng kính (radial), tức là sự

xắp xếp các phần tử trong không gian

được nhìn từ tâm của bất kỳ một phần tử

nào Lực Brownian phụ thuộc đáng kể

vào kích thước, và khi kích thước phần

tử nhỏ hơn 1μm nó có ảnh hưởng lớn

Tuy nhiên, trong khối bột nhão kim

loại bán lỏng kích thước của các phần

tử riêng biệt ít nhất cũng khoảng 20 μm,

do đó lực Brownian không có vai trò lớn

Một lực khác tác động đến các phần tử là

lực dẻo dính; nó tỷ lệ với sự khác nhau

cục bộ về lưu tốc giữa phần tử và chất

lỏng xung quanh Rất nhiều hệ bột nhão cho thấy tính “thuận nghịch”, tức là khối bột nhão

có đặc tính nhớt ở trạng thái tĩnh ứng với tốc độ cắt cho trước và với tỷ phần pha rắn đã định, không phụ thuộc vào quá trình cắt trước đó Tuy nhiên, trong các khối bột nhão hợp kim bán lỏng, sự hình thành hình dáng (và kích thước) của phần tử theo thời gian và quá trình khuấy là không thuận nghịch (hình 1.14[7]) Độ nhớt đo được khi đó có khả năng phụ thuộc vào quá trình cắt và xử lý nhiệt trước đó Sự phụ thuộc đó làm cho việc mô hình hoá trở nên khó khăn hơn

1.4 Một số nghiên cứu trên thế giới

1.4.1 Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng

Động lực học chất lỏng tính toán có thể được sử dụng để dự đoán quá trình điền đầy khuôn Trong quá trình tạo hình bán lỏng khối bột nhão trải qua một sự tăng đột ngột tốc

độ cắt từ trạng thái nghỉ tới 100 s-1 hoặc hơn khi nó đi vào khuôn Sự thay đổi đó xảy ra trong khoảng ít hơn 1s Như vậy, việc đo phản xạ lưu biến chuyển tiếp trong điều kiện tốc

độ cắt thay đổi nhanh là một điều tối cần thiết cho việc mô hình hoá quá trình điền đầy

Hình 1.14 Minh hoạ về quá trình phát triển cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu; b) nhánh cây phát triển; c) hoa hồng; d) hoa hồng dầy; e) hạt cầu

[7]

biến và thứ hai, bằng thí nghiệm nén nhanh, ví dụ, ngay trong máy tạo hình bán lỏng hoặc trong đồng hồ nhớt khi rèn giọt

Sự thay đổi nhanh tốc độ kéo trong đồng hồ lưu biến

Các nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp bao gồm của Kumar, Quaak, Peng và Wang, Mada và Ajersch, Azzi và đồng sự, Koke và Modigell, Liu và đồng sự [12] Hai loại thời gian nghỉ được định lượng: 1) thời gian phá vỡ và 2) thời gian hình thành Thời gian phá

vỡ là thời gian đặc trưng để khối bột nhão có thể đạt được các điều kiện ở trạng thái ổn định sau khi tốc độ cắt thay đổi từ giá trị thấp hơn tới giá trị cao hơn, trong khi thời gian hình thành là sau khi tốc độ cắt thay đổi từ giá trị cao hơn đến giá trị thấp hơn Các nhà nghiên cứu này đã tìm ra rằng thời gian phá vỡ nhanh hơn thời gian hình thành Điều này

đã được dự đoán, bởi lẽ việc phá vỡ các mối “liên kết” giữa các phần tử rắn dạng cầu kết tụ

có vẻ như dễ dàng hơn là việc hình thành các mối liên kết trong quá trình giảm tốc độ cắt Quaak sử dụng hai quãng thời gian đặc trưng trên để mô tả bước nhẩy về tốc độ cắt Ông giả thiết rằng trong quá trình thay đổi tốc độ cắt, khối bột nhão trải qua một quá trình hình thành/phá vỡ ban đầu khá nhanh, sau đó là một quá trình chậm rãi hơn phụ thuộc vào khuếch tán Quaak đã đưa ra hình 1.15 [12] như là cơ sở về sự hình thành tổ chức tế vi Ngay lập tức sau khi thay đổi tốc độ cắt, cấu trúc vẫn giữ nguyên hình thái (đẳng cấu trúc) Tiếp theo là một quá trình rất nhanh sau đó là một quá trình chậm liên quan tới khuếch tán, làm cho tổ chức bị thô ra và cầu hoá

Nghiên cứu của Liu và các đồng sự đã thực hiện với tốc độ cắt nhanh nhất (~1 kHz) Tốc độ này nhanh hơn rất nhiều so với các tác giả khác (200 Hz, 9 Hz) và cho phép bắt được các quá trình rất nhanh Kết quả đối với bước nhẩy tốc độ cắt từ 0 đến100s-1 sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau được chỉ ra trên hình 1.16 [12] Với thời gian nghỉ dài hơn, đỉnh của ứng suất ghi được cũng tăng lên Có thể thấy thời gian nghỉ trước bước nhẩy về tốc độ cắt càng dài thì thời gian phá vỡ càng ngắn, như vậy sự tăng thời gian nghỉ sẽ làm tăng kích thước của phần tử rắn và mức độ kết tụ Các số liệu cho thấy trong quá trình thay đổi tốc độ cắt, trong vòng khoảng 0,15s cấu trúc bán lỏng sẽ bị bẻ gãy từ trạng thái ban đầu của nó Bất kể tốc độ cắt ban đầu là như thế nào thì thời gian phá vỡ vẫn giảm theo sự tăng của tốc độ cắt cuối cùng

Hình 1.15 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng khi tốc độ

cắt tăng và giảm [12]

Hình 1.16 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100 s-1 sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối với hợp

kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 [12]

Đường cong ứng suất cắt – tốc độ cắt có thể được làm cho hợp với mô hình dày lên do

cắt của Herschel-Bulkley với số mũ của dòng chảy n = 2,07 Koke và Modigell cho rằng

phát hiện đó có tầm quan trọng lớn cho việc mô phỏng các quá trình công nghiệp

Các số liệu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim nhôm là rất thưa thớt do phần lớn các đồng hồ lưu biến hiện có trên thị trường không hoạt động ở nhiệt độ bán lỏng của hợp kim nhôm

1.4.2 Khuấy hoặc rung bằng hệ thống cơ âm

Như đã biết, việc tạo ra các dao động cưỡng bức và khuấy kim loại lỏng trong thời gian đông đặc (dao động cơ học và siêu âm, thổi khí, áp đặt từ trường quay, tác động qua lại giữa các trường điện từ ) có tác dụng làm nhỏ mịn tổ chức Người ta cho rằng hiệu quả làm nhỏ mịn hạt của dao động cưỡng bức được thể hiện ở 2 yếu tố Thứ nhất là dao động cưỡng bức tạo điều kiện tốt cho kim loại lỏng thấm ướt thành khuôn, nhờ vậy mà quá trình trao đổi nhiệt giữa chúng trở nên dễ dàng hơn Điều này được giải thích như sau: vì trong các điều kiện bình thường bề mặt kim loại lỏng thường bị phủ một lớp màng oxit nên nó khó tiếp xúc đều với thành khuôn Dao động cưỡng bức sẽ phá vỡ lớp màng đó và làm cho kim loại lỏng tiếp xúc tốt hơn với thành khuôn, kết quả là các điều kiện tạo mầm trở nên dễ dàng hơn, tốc độ đông đặc tăng và tổ chức trở nên nhỏ mịn Yếu tố thứ hai thể hiện ở chỗ, các dao động cưỡng bức có tác dụng bẻ gẫy các nhánh cây có chân hình cổ chai và phân tán chúng vào bể kim loại lỏng làm tâm mầm kết tinh cho các nhánh cây đều trục Như vậy, có thể thấy rằng rung có hiệu quả nhất là vào giai đoạn đầu của quá trình đông đặc để các nhánh cây ở vùng thành khuôn có thể bị bẻ gẫy và được phân tán vào bể kim loại lỏng làm tâm mầm kết tinh cho tinh thể đều trục Quá trình rung nên kéo dài cho đến khi nhiệt

độ kim loại lỏng chưa xuống thấp hơn một mức nhất định, một mặt để các nhánh cây phân tán không bị chảy lại hết, mặt khác để chuyển động của chúng trong bể kim loại lỏng vẫn còn tương đối dễ dàng

Một số nhà khoa học cũng đó nhận thấy: rung cơ học, cả ở tần số âm thanh hay siêu âm, khi áp dụng vào quá trình đông đặc kim loại và hợp kim sẽ làm thay đổi đáng kể cả cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô Hiệu quả thường thấy nhất là sự kìm hãm vùng tinh thể dạng cột không mong muốn và phát triển dạng hạt đều trục nhỏ mịn Trong thực tế, hiệu quả đạt được khi cho sóng âm thanh cường độ cao hoặc sóng siêu âm đi qua kim loại lỏng có thể chia thành 3 nhóm chính: làm nhỏ mịn hạt, hiệu quả phân tán và khử khí nghĩa là giảm rỗ khí Ngoài ra, người ta cũng thấy những rung động nguồn gốc cơ học cũng tăng tính chảy lỏng (3 lần) và kết quả là tạo điều kiện thuận lợi cho việc điền đầy khuôn của hợp kim

graphít, thạch anh hoặc các vật liệu gốm kim loại khác được dựng để truyền dao động tới kim loại lỏng, và được gá với một máy biến thế bởi một chất gắn đặc biệt Tuy nhiên, công nghệ nói trờn có một số hạn chế Trục dao động bị phân huỷ rất nhanh do bị ngập chìm trong kim loại lỏng và tạo ra tạp chất không mong muốn Hơn nữa, cường độ tạo rỗng là lớn nhất ở vựng gần máy biến áp hoặc gần bề mặt của trục dao động; bởi vậy việc

sử dụng hệ thống này về nguyên tắc chỉ phù hợp trong trường hợp kích thước của hệ nhỏ

Vả lại, xét về giá cả và sự cồng kềnh của thiết bị thì không thể áp dụng cho việc sản xuất các thỏi hợp kim nhôm bằng phương pháp đúc liên tục Như vậy, việc truyền các dao động

âm và siêu âm đến kim loại đang đông đặc là một công việc không dễ dàng và quyết định ở một mức độ lớn khả năng ứng dụng để cải thiện cấu trúc tế vi của hợp kim đúc Các nhà khoa học Mỹ và Thái lan [14] đó phối hợp nghiên cứu việc tạo ra rung động trong khối kim loại đang đông đặc bằng cách thổi khí, mà sơ đồ của nó được thể hiện trên hình 1.18 Hợp kim được sử dụng để

nghiên cứu là A357 với nhiệt

độ liquidus là 6150 C và

nhiệt độ đường đặc là 5580

C Kim loại được nấu trong

nồi thép và được quá nhiệt

tới 6300 C, sau đó được làm

nguội đến 6250 C thì bắt đầu

thổi khí Ar Khi nhiệt độ hạ

xuống dưới 5800 C (khoảng

45% tỷ phần pha rắn) thì

mẫu được lấy ra và được làm

nguội trong nước Kết quả tổ

chức tế vi đạt được dạng cầu

tròn song khá thô (~ 100 μm)

– hình 1.19

Hình 1.18 Sơ đồ thiết bị thổi khí [14] Hình 1.19 Tổ chức tế vi nhận đuợc [14]

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống rung cơ học tới mẻ kim loại[1]

1.4.3 Khuấy điện từ

Đây là một phương pháp từ thuỷ động lực học mới nhằm truyền dao động (rung) cưỡng

bức đến kim loại đang đông đặc Ngược với trường hợp hệ thống cơ-âm thông thường, phương pháp này cho phép ứng dụng những nghiên cứu cơ bản rất tốt Những hiểu biết chính xác cả về áp lực điện từ lẫn về pick dao động sóng cục bộ cho ta thấy rõ hiệu quả của dòng chảy rung và của hiện tượng tạo rỗng trong việc làm nhỏ hạt Trong trường hợp tạo rỗng tốt, có thể đạt được một cấu trúc tế vi nhỏ mịn và đồng nhất trong toàn thỏi đúc Tạo rỗng là khái niệm dùng để diễn tả sự hình thành các bọt hoặc rỗ khí trong chất lỏng Các bọt này có thể đầy hơi nước, không khí và cũng có thể gần như rỗng Chúng có thể được sản sinh khi sóng âm hoặc siêu âm có tần số và cường độ phù hợp đi qua kim loại lỏng Do dao động của môi trường, các vùng bị nén và bị hút khí sẽ hình thành Trong vùng hút khí một “áp suất âm” có thể tồn tại và các bọt khí hoặc hơi nước có thể hình thành Trong hầu hết kim loại lỏng thường có mặt một lượng lớn khí ở dạng bọt nhỏ, thường được sinh ra từ những túi khí có sẵn Khí từ dung dịch có thể khuếch tán vào chỗ trống hình thành bởi sự giãn nở tức thời các của bọt khí không bị hoà tan Tác dụng của bọt khí trong các quá trình như làm sạch, phân tán, làm nhỏ mịn hạt chủ yếu là do áp lực rất cao hình thành cục bộ bởi

sự vỡ (xẹp) của bọt Khi bọt khí bị vỡ, thành của chúng bị ép vào trong cho đến khi chạm phải các mầm khí hoặc hơi nhỏ bên trong đang chịu nén rất lớn tại thời điểm đó Người ta

đã chứng minh được rằng, áp suất trong các bọt khí ngay trước khi vỡ có thể đạt đến hàng nghìn atmosphere Như vậy, khi những bọt khí biến mất thì sẽ có các sóng va chạm cực kỳ mạnh xuất hiện và là nguyên nhân của hầu hết các hiện tượng sinh ra Đặc biệt, trong quá trình đông đặc của kim loại và hợp kim, các lực sinh ra khi bọt tan vỡ sẽ gây ra dao động lệch của các tinh thể đang lớn lên Sự phân chia các tinh thể như vậy sẽ tạo ra rất nhiều các mầm ở khu vực xung quanh mà các tinh thể mới có thể hình thành từ đó Các dao động cũng gây ra các xáo trộn lớn trong kim loại lỏng và kết quả là các mầm vừa hình thành sẽ phân bố khắp toàn bộ bể chất lỏng, do đó, sự kết tinh sẽ xảy ra trong toàn khối Hơn nữa, các dao động cũn có nhiều hiệu quả tương tự như sự phân tán các tinh thể nhỏ mà rất nhiều trong số chúng sẽ lớn lên, kết quả là cỡ hạt giảm đi Áp lực tác dụng lên kim loại lỏng đang đông đặc (hợp kim nhôm được giữ ở nhiệt độ lớn hơn đường lỏng 10o C, sau đó được đưa

về trạng thái bán lỏng (tốc độ nguội khoảng 40 C/phút), là tổng của 2 thành phần: phần tĩnh và phần dao động (hình 1.20 [15]) Như vậy, nếu biên độ áp lực điện từ lớn hơn áp suất không khí thì áp lực trong chất lỏng sẽ là âm ở một phần của mỗi chu kỳ (hình 1.20d) Trong hình 1.20

(a) làm nhỏ yếu (thô) P = 0,25bar;

(b) làm nhỏ do hiệu ứng tốc độ cắt P = 0,52bar;

(c) tác dụng đồng thời của tốc độ cắt và tạo rỗng P=0,84bar;

(d) ưu thế của hiệu quả tạo rỗng tạo ra tổ chức tế vi nhỏ mịn;

(1) Độ lớn áp lực điện từ;

(2) Áp lực tĩnh;

(3) Ứng suất tạo ra trong kim loại lỏng

Đường chấm chấm tương ứng với sự bắt đầu làm nhỏ mịn hạt đáng kể tạo bởi dao động dòng chảy; phần gạch chéo là vùng ngưỡng tới hạn của tạo rỗng Việc tạo rỗng trong kim loại phụ thuộc rất nhiều vào lượng khí dễ hoá hơi và không hoà tan trong kim loại lỏng; trong trường hợp hợp kim nhôm thì hydro là yếu tố quyết định Độ hoà tan của khí hydro trong hợp kim nhôm phụ thuộc cả 2 yếu tố là áp suất riêng phần của khí và nhiệt độ mẻ nấu Tại nhiệt độ không đổi, nồng độ cân bằng của khí tỷ lệ với căn bậc 2 của áp suất riêng phần Ví dụ: ở 650o C thì mức hydro là 0.3 ppm và áp suất cân bằng tương ứng là 0.29bar Việc tạo rỗng xảy ra mãnh liệt nhất tại vùng áp suất âm của mỗi chu kỳ hoặc loạt chu kỳ

bay hơi Trong hoàn cảnh đó, các lỗ rỗng có thể xất hiện tại một số điểm trong chất lỏng và trên bề mặt khuôn, 50 lần trong 1 giây

Hình 1.21 Tổ trúc tế vi của hợp kim nhôm A356 (a),(b) đúc thường với tốc độ nguội (a) 50 o

C/phút và (b) 0,5 o C/phút; từ (c) đến (f) có dao động điện từ: (c) P=0,3bar; (d) và (e) P=0,52bar

(độ phóng đại khác nhau; (f) P=0,35bar trong 10 phút sau đó P=1,16bar trong 15s [15]

Từ hình 1.21 cho thấy sự khác nhau về tổ chức tế vi trong các điều kiện đông đặc khác nhau (có

và không có khuấy điện từ)

Hình 1.20 Tác dụng của độ lớn áp lực [15]

1.4.4 Đúc gần nhiệt độ đường lỏng

Từ lâu người ta đã nhận thấy

rằng việc rót hợp kim có độ quá

nhiệt nhỏ vào khuôn có nhiệt độ

thấp sẽ tạo ra tổ chức đều trục nhỏ

mịn Việc tạo ra một dòng đối lưu

và việc thải nhiệt nhanh khi tiếp

xúc với thành khuôn nguội sẽ tạo

điều kiện cho quá trình này Hiện

nay, một điều được thừa nhận

chung nữa là nếu khối kim loại

đuợc rót ở nhiệt độ thấp và được

giữ ở khoảng nhiệt độ bán lỏng

(Tđ/Tl) thì tổ chức tế vi phi nhánh

cây sẽ đạt được Như vậy khuôn

nguội có thể đóng vai trò của buồng ép nguội trong trường hợp đúc áp lực cao Đây là cơ

sở cho một số phương pháp công nghệ dưới đây

Phương pháp “đúc lưu biến mới” (NRC)

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp này đã được trình bày trên hình 1.3 [4] Các mầm kết tinh được tạo ra trong quá trình nghiêng nồi: kim lọai lỏng thấm ướt thành nồi (nguội) và quá trình tạo mầm ngoại sinh xảy ra Các mầm kết tinh sau đó được phân bố khắp bể kim loại khi nồi quay trở lại vị trí thẳng đứng để chuẩn bị bắn kim loại (bán lỏng) vào khuôn Phương pháp này đã được hãng UBE ứng dụng thành công tại Nhật bản

Phương pháp nhiệt trưc tiếp

Dùng máng nghiêng

Phương pháp này có nguyên tắc giống NRC (tạo mầm ngoại sinh trên trên thành kim loại nguội), song ở đây không sử dụng thành khuôn mà sử dụng máng nghiêng (hình 1.23 [16])

+ Phương pháp đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng có nước làm nguội: Kim loại lỏng được rót vào khuôn dưới qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như vậy máng nghiêng và nước làm nguội có tác dụng làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kết tinh Máng nghiêng rất dễ lắp đặt vào bất kỳ một thiết bị đúc nào Trong đúc bán lỏng tỉ phần rắn cần thiết vào khoảng 30-50%, tuy nhiên, với phương pháp máng nghiêng có thể áp dụng với tỉ phần rắn thấp hơn 30% do đặc thù của quá trình sản xuất là các sản phẩm thành mỏng có thể đúc với tỷ phẩn rắn nhỏ Sau khi rót kim loại lỏng vào nửa khuôn dưới qua máng, nhiệt độ được kiểm tra, đến khi đạt nhiệt độ, sẽ dập nửa khuôn trên

+ Phương pháp đúc quá nhiệt thấp: Độ quá nhiệt của kim loại khoảng 10oC Các mầm tinh thể phân bố ở bề mặt khuôn dưới, và khuôn trên được ép vào khuôn dưới trước khi kim loại đóng rắn Khi độ quá nguội kim loại thấp thì các cụm nguyên tử không nóng chảy lại

và có thể phát triển trở thành tâm mầm kết tinh; khi rất nhiều mầm kết tinh được hình thành cùng một lúc trong toàn bộ bể kim loại, tổ chức đông đặc nhỏ mịn và tinh thể có dạng hạt cầu

Hình 1.22 Nhiệt độ kim loại sau khi rót như hàm của độ

quá nhiệt, nhiệt độ và bề mặt khuôn

Hình 1.23 Phương pháp nhiệt trực tiếp a) sử dụng máng nghiêng; b) quá nhiệt thấp [16]

(a).Phương pháp đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng có nước làm nguội

(b) Phương pháp đúc lưu biến quá nhiệt thấp

Trong giai đoạn này sẽ tồn tại một gradient nhiệt độ thấp Khi tổ chức tế vi mong muốn

và tỷ phần pha rắn đã đạt được khuôn được làm nguội nhanh trong nước, kim loại gần như được tôi do khuôn có thành mỏng và dẫn nhiệt tốt Tổ chức tế vi đạt được có dạng cầu tròn song tương đối thô (khoảng 70 μm) – hình 1.25 [17]

Hình 1.24 Khuôn ống thành mỏng [5] Hình 1.25 Tổ chức tế vi [17]

Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [18]

Phương pháp H-NCM Phương pháp này được đặt tên tác giả là Hong-nanocasting NCM) – hình 1.26 Nội dung của nó là: 1) ngăn ngừa sự hình thành lớp vỏ kim loại đông

(H-đặc ở giai đoạn đầu của quá trình đông (H-đặc tại thành khuôn bằng cách khuấy mạnh và kiểm

(b) (a)

Lò nấu Tay máy

Máy đúc áp

lực

Thiết bị khuấy bán lỏng

soát nhiệt độ; 2) nhờ đó đạt được sự phân bố đồng đều nhiệt độ trong toàn bộ khối kim loại; 3) hàng loạt mầm kết tinh được hình thành đồng thời khi đạt được một độ quá nguội nhất định, nhờ đó tổ chức đạt được nhỏ mịn và có dạng cầu tròn [18]

1.5 Lựa chọn công nghệ nghiên cứu

Trên cơ sở khảo sát và phân tích các nghiên cứu, các hệ thống thiết bị đúc bán lỏng như trên và trên một thực tế là ở Việt nam hiên nay, hầu hết các chi tiết máy động lực, ô tô, xe máy đều được đúc áp lực thì sự lựa chọn công nghệ nghiên cứu sẽ dựa trên các nguyên tắc sau:

Thứ nhất là, kết hợp giữa đúc lưu biến và áp lực (Rheo-die casting):

Đây là sự phát triển tiếp theo của phương pháp rheocasting, dựa trên một thực tế là từ những năm 90 việc sử dụng hợp kim nhôm trong công nghiệp ô tô (con) tăng gấp đôi và ô

tô tải nhẹ tăng gấp ba Hiện nay 85% vật đúc nhôm được sử dụng trong ngành ô tô xe máy, trong đó phần lớn là chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực cao Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là cuốn khí do dòng chảy rối gây rỗ trong vật đúc, do đó khó chế tạo các chi tiết cần độ xít chặt cao, đồng thời không thể nhiệt luyện sau đó Việc kết hợp giữa đúc áp lực cao và đúc lưu biến chính là để khắc phục nhược điểm này Việc

so sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp khác nhau được thể hiện trên hình 1.27

Hình 1.27 So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau

Thứ hai là, bảo đảm sự linh hoạt của hệ thống bằng cách tích hợp giữa các thiết bị mới

và các thiết bị có sẵn

Thiết bị chính sử dụng thực hiện quá trình nghiên cứu này là thiết bị đúc lưu biến, máy đúc áp lực và lò nấu Hai trong ba thiết bị này đang được dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp ở nước ta hiện nay Còn lại, thiết bị đúc lưu biến là:

1 Máy khuấy điện từ

2 Thiết bị tạo mầm kiểu MIT

1.5.1 Khuấy điện từ

Từ năm 1950, Sigfried Junghanas đã sử dụng các máy khuấy điện từ tại các thiết bị đúc liên tục Nhưng các cơ sở vật lý - nhất là các định luật điện động học - còn ra đời sớm hơn, chúng dựa trên những thí nghiệm của Farađây (1831) và có thể coi như được hoàn tất bằng việc công bố những phương trình sóng Maxwell (1855) và phương trình lực Lorentz (1899) Trong kỹ thuật, các phương trình điện động lực học đã tỏ ra rất có ích: chúng miêu

tả các động cơ điện, sự lan truyền của ánh sáng, sự gia nhiệt cảm ứng, sóng vô tuyến, Plasma và đèn sợi đốt

Toàn bộ nội dung của kỹ thuật điện động lực học có thể được tóm tắt bằng 4 phương trình vi phân tuyến tính Trái lại, các dòng chảy rối như xuất hiện trong các thiết bị đúc liên tục, đòi hỏi phải giải các phương trình vi phân phi tuyến tính và do đó về mặt toán học khó giải quyết hơn nhiều Ngày nay, chỉ khả năng của những chiếc máy tính hiện đại và những quy trình giải số tiên tiến đối với các phương trình vi phân mới tạo ra mối quan tâm của các nhà vật lý đối với các vấn đề cơ sở của các dòng xoáy

1.5.1.1 Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc

- Các lực điện từ có tác dụng bẻ gẫy các nhánh cây có hình cổ chai và phân tán chúng vào bể kim loại lỏng nhờ việc tạo một dòng đối lưu cưỡng bức (hình 1.3) và tạo rỗng làm tâm mầm kết tinh cho các nhánh cây đều trục

- Ngoài ra dao động cưỡng bức tạo điều kiện tốt cho kim loại lỏng thấm ướt thành khuôn, nhờ vậy mà quá trình trao đổi nhiệt giữa chúng trở nên dễ dàng hơn

Nhiều thí nghiệm cho thấy rung, khuấy có hiệu quả nhất là vào giai đoạn đầu của quá trình đông đặc, nhưng phải sau điểm liền mạng nhánh cây, để các nhánh cây ở vùng thành khuôn có thể bị bẻ gẫy và được phân tán vào bể kim loại lỏng làm tâm mầm kết tinh cho tinh thể đều trục Quá trình rung, khuấy kéo dài cho đến khi nhiệt độ kim loại lỏng chưa xuống thấp hơn một mức nhất định, một mặt để các nhánh cây phân tán không bị chảy lại hết, mặt khác để chuyển động của chúng trong bể kim loại lỏng vẫn còn tương đối dễ dàng

Hình 1.28 Sơ đồ minh hoạ của quá trình làm nhỏ mịn hạt tinh thể

1.5.1.2 Các cơ sở điện động lực học của quá trình khuấy

nó nam châm và sắt hút nhau Trái lại, ở nhôm ta nhận thấy một lực phụ thuộc tốc độ, tác động theo hướng ngược lại với chuyển động của nam châm Lực này là lực Lorentz

Hình 1.29 [19] cho thấy khi có dòng điện chạy qua một dây dẫn đặt trong từ trường, sẽ

có một lực vuông góc với hướng dòng điện và hướng của từ trường tác động lên dây Ta có

L

M S

thể tóm tắt hiện tượng khuấy điện từ như sau: nếu một nam châm và một dây dẫn điện chuyển động tương đối với nhau thì trong dây dẫn sẽ cảm ứng tạo thành các dòng xoáy Theo hình 1.29 thì khi đó giữa dây dẫn và nam châm có lực tương tác Tốc độ tương đối,

độ dẫn điện và cường độ từ trường càng lớn thì lực này càng lớn Như vậy, nếu ta di chuyển một nam châm vĩnh cửu như trên hình 1.30 qua bề mặt của một dây kim loại, thì trước tiên sẽ có một lực tác động vào vỏ cứng của dây

Hình 1.29 Tương tác giữa từ trường chuyển động

và một dây dẫn điện [19]

Hình 1.30 Tác động lực giữa dây dẫn có dòng

điện chạy qua và nam châm

Nếu nhiệt độ của lớp vỏ cao hơn điểm Curie và do đó lớp vỏ này không có từ tính, thì từ trường có thể thâm nhập vào phần bên trong của dây Kim loại (nhôm, thép…) lỏng là vật liệu dẫn điện và do đó bị từ trường kéo theo như biểu diễn trên hình 1.31

Nguyên lý làm việc của thiết bị

Ứng dụng vào việc khuấy kim loại lỏng

nguyên lý làm việc của thiết bị là áp dụng

đồng thời từ trường tĩnh Bo và dòng điện hình

sin có tần số N thấp, cường độ i = I sin ωt

trong quá trình đông đặc của hợp kim nhôm

được chứa trong một thùng với chiều rộng,

chiều cao và chiều dài lầnlượt ký hiệu là a, h

và L Dòng điện và từ trường được áp đặt từ

bên ngoài theo phương nằm ngang và vuông

góc với nhau (hình 1.32[15]) Dòng xoay

chiều với mật độ dòng điện j = Jsinωt gây ra

một từ trường tuần hoàn b = B sin (ωt + φ) có

cùng tần số và từ trường được áp đặt từ bên

ngoài theo phương nằm ngang và vuông góc

với nhau (hình 1.32[15]) Trên quan điểm

thuỷ động lực, dòng kim loại lỏng có thể coi như gồm 3 chuyển động: 2 dòng xoay chiều

có tần số N và 2N, một dòng tuần hoàn không ổn định có thể phân tích thành một thành phần ổn định và một thành phần ngẫu nhiên Từ trường Bo được áp đặt từ bên ngoài sẽ tương tác với dòng điện có mật độ J và sẽ tạo ra một lực điện từ có tính chu kỳ theo chiều thẳng đứng J x Bo có tần số N; lực này sẽ làm cho kim loại lỏng đang đông đặc dao động

Hình 1.31 Nam châm vĩnh cửu được cho di chuyển dọc theo một thỏi đúc để khuấy

f: mật độ lực j: mật độ dòng B: độ cảm ứng

Kết quả là lực điện từ thẳng đứng

tác dụng lên toàn khối kim loại

lỏng sẽ bằng:

F = BoILsinωt (I – cường độ,

L – chiều dài khối hợp kim lỏng,

a – chiều rộng) gây ra áp lực rung

điện từ P = BoIL/a sin ωt Trong

trường hợp lý tưởng, ở những nơi

kim loại đang đông đặc không

tương tác với thành khuôn, toàn

bộ chất lỏng hoặc bán lỏng sẽ

được rung đều dưới tác động của

lực điện từ J x Bo Giá trị của các

thông số chính, theo những phép

tính đơn giản sẽ là: sự dịch

chuyển

e = JBo/ρω2; lưu tốc u =

JBo/ρω; gia tốc γ = JBo/ρ, trong

đó ρ là khối lượng riêng của kim

loại lỏng

Độ sâu thâm nhập của một từ

trường thay đổi sẽ phụ thuộc

nhiều vào tần số Ở tần số lưới thì

tỷ phần pha rắn trên dưới 10% và trục khuấy được rút ra Mục tiêu của phương pháp này

là đạt một tổ chức nhỏ mịn ở (hoặc gần) nhiệt độ đường lỏng nhờ việc tạo các mầm dị thể sau đó phân bố chúng vào bể kim loại lỏng, chứ không phải bẻ gẫy các nhánh cây như trong phương pháp khuấy điện từ Nếu bể kim loại lỏng chứa các hạt rắn, hoặc tiếp xúc với thành khuôn hoặc lớp màng ôxit thì quá trình tạo mầm có thể trở nên dễ dàng hơn nếu như

số lượng nguyên tử hoặc năng lượng hoạt hoá cần thiết cho việc tạo mầm giảm đi Điều này được biết đến như sự tạo mầm dị thể (hình 1.36 [21])

Việc tính toán hình học thuần tuý cho thấy khi biên giới rắn/lỏng của kim loại bị thay thế một phần bởi một vùng biên giới rắn/rắn với năng lượng thấp giữa tinh thể và chất rắn ngoại lai thì quá trình tạo mầm sẽ dễ dàng hơn rất nhiều Hiệu quả tác động nói trên được

ký hiệu bởi hàm f(θ) và đượctính bằng biểu thức:

4

cos1.cos

Hình 1.32 Nguyên lý tạo dao động điện từ cưỡng bức tới

kim loại đang đông đặc [15]

Hình 1.33 Sơ đồ nguyên lý: (a) nhìn từ trên, (b) nhìn từ

trước [15]

của góc thấm ướt Trong trường hợp mầm lý tưởng (một nhánh cây tách ra), tức là có kiểu mạng, hằng số mạng hoàn toàn giống nhau giữa 2 pha và không bị lớp màng ôxít (hoặc các chất nhiễm bẩn) bao phủ bề mặt thì sẽ xảy ra sự thấm ướt hoàn toàn, θ = 0, f(θ) = 0, mầm

sẽ lớn lên ngay lập tức, ngay cả khi độ quá nguội bằng 0 (hình 1.36)

Hình 1.36 Hàm f(θ) với những góc thấm ướt đặc trưng [21]

Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý phương

pháp MIT mới [16]

Hình 1.35 Tạo mầm đồng thể và dị thể

CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ HỢP KIM NHÔM VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356, thuộc họ silumin

Trong nghiên cứu của luận án, sử dụng hệ ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (Aluminium Association viết tắt là AA[23])

Việc lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim A356 dựa trên một số lý do chính như đặc tính, công nghệ chế tạo và phạm vi sử dụng của hợp kim A356 cụ thể gồm:

- Hợp kim có lưu động tính cao đi kèm với độ bền cao hoặc một số hợp kim có độ dẻo dai cao

- Khoảng nhiệt độ đông đặc khá rộng

- Độ bền kéo lớn

- Công nghệ chế tạo hợp kim có thể được thực hiện bằng các phương pháp truyền thống tương đối đơn giản như khuôn cát hoặc đúc áp lực Hiện nay trên thế giới đã ứng dụng những công nghệ mới với kỹ thuật đúc phức tạp như mẫu cháy, mẫu chảy, đúc bán lỏng, kết hợp xử lý nhiệt Trong đó công nghệ đúc bán lỏng là phương pháp đang được quan tâm hiện nay và đây cũng là nội dung nghiên cứu của luận án

- Hợp kim nhôm đúc A356 nói riêng là một trong những họ hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất vì với sự có mặt của hàm lượng Si cao góp phần làm tăng lưu động tính của hợp kim Đồng thời phản ứng giữa Si và các nguyên tố trong hợp kim tạo ra các pha hoá bền Những ứng dụng điển hình gồm công nghiệp chế tạo otô (khung xe, hộp sô, vỏ động cơ, vành xe, các linh kiện…), công nghiệp hàng không vũ trụ (máy bay, bộ phận cánh lái tên lửa)…

2.1.1 Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm

Nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống và sinh hoạt của con người Tuy vậy, về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ” Nhôm được tìm ra năm 1808 Công lao ấy thuộc về Davy Nhờ các phản ứng hoá học ông đã tách được nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng và gọi tên là Alumin

Bắt đầu từ năm 30 của thế kỷ 19 người ta đã sản xuất nhôm trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp hoá học Tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ, tính từ năm 1854 đến

1890 toàn thể giới sản xuất được khoảng 200 tấn nhôm Vào những năm cuối của thế kỷ 19 tức là từ năm 1890 nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm (Al2O3) nóng chảy trong criolit (Na3AlF6) Nhờ phương pháp mới này sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng Chỉ trong vòng 9 năm từ 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 28.000 tấn nhôm Riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt tới 270.000 tấn Năm 1968 sản lượng nhôm là 8.386.200 tấn Từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15%, những năm gần đây chỉ tăng 5%/năm Về mặt trữ lượng, nhôm nhiều hơn sắt Theo tính toán, nhôm chiếm khoảng 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất

Nhôm là kim loại nhóm III, số thứ tự 13 trong bản tuần hoàn Mendeleev Cấu hình điện

tử của nhôm là : 1s22s22p63s2 3p1 Với khối lượng riêng bằng 2,7 g/cm3, so với sắt, nhôm nhẹ hơn khoảng gần 3 lần Chỉ tiêu này rất quan trọng đối với các lĩnh vực, khi đòi hỏi sự giảm khối lượng của chi tiết và của cả hệ thống đến mức nhỏ nhất, ví dụ, ngành hàng không, vũ trụ, hoặc các phương tiện giao thông vận tải

Thế điện hóa của lớp 3p rất nhỏ khoảng 5,98eV, do đó nhôm có khả năng dẫn điện tốt

Độ dẫn điện của nhôm chỉ bằng 62% so với đồng Tuy nhiên, do khối lượng riêng của đồng lớn hơn nhôm khoảng 3,3 lần nên với các đặc tính về điện giống nhau, truyền dòng điện có cường độ như nhau, dây dẫn nhôm chỉ nhẹ bằng nửa dây dẫn đồng và bị nung nóng

ít hơn Nhờ lớp oxyt Al2O3 có cấu trúc xít chặt tạo thành trên bề mặt nhôm và hợp kim nhôm chống ăn mòn khá tốt

Tuy nhiên, do chiều dầy khá mỏng

(khoảng vài angstron), nên lớp nhôm

oxyt tự nhiên có khả năng bảo vệ

chống ăn mòn kém Bằng kỹ thuật

anốt hoá, người ta có thể nhận được

màng oxyt Al2O3 dày hàng chục

micrômét, có khả năng bảo vệ cao

Nhôm và hợp kim nhôm với lớp

màng anốt hoá này có thể ứng dụng

làm các cấu kiện trong ngành xây

dựng (khung cửa, tấm ốp …) mà

không cần các biện pháp bảo vệ phụ

thêm Mạng tinh thể của nhôm thuộc

loại lập phương tâm mặt, do vậy nhôm tương đối dẻo Ở trạng thái ủ nhôm kém bền (σb =

60 MPa) và chịu biến dạng nóng cũng như biến dạng nguội tốt Nhôm nguyên chất nóng chảy ở 660o C Đây là một thuận lợi cho quá trình nấu luyện hợp kim khi đúc Hợp kim nhôm được phân loại theo các nguyên tố hợp kim trong nó Hợp kim Al-Si-Mg (đối tượng nghiên cứu) thuộc họ hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện (hình 2.1)

Hợp kim nhôm-silic còn gọi là silumin là họ hợp kim được dùng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% số hợp kim đúc được dùng trong công nghiệp giao thông vận tải bởi nó có tỉ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ, khả năng dẫn nhiệt tốt (151 ÷ 163 W/mK), giãn nở nhiệt nhỏ, chống ma sát tốt và chịu được nhiệt độ cao Các silumin được phân thành hai loại cơ bản silumin đơn giản và silumin phức tạp Silumin đơn giản thành phần chỉ gồm Al và Si Silumin phức tạp được hợp kim hoá thêm một số nguyên tố khác như Cu, Mg, Mn… Giản

đồ trạng thái Al-Si được trình bày trên hình 2.2

Theo giản đồ trạng thái, ta thấy về tổ chức, silumin có các thành phần như sau :

• α : dung dich rắn, hoà tan ít silic

• [α + cùng tinh (α + Si)]: hợp kim silumin trước cùng tinh

• Cùng tinh (α + Si) gồm có những hạt Si hình kim trên nền α

• Sau cùng tinh [Si1(thô to) + cùng tinh (α + Si)]

Hình 2.1 Các họ hợp kim nhôm [23]

Tinh thể Si thứ nhất (Si I) thô to kết tinh ở dạng khối đa diện chỉ xuất hiện khi %Si > 12% Tinh thể Si rắn, giòn làm giảm cơ tính nhiều nhưng lại làm tăng khả năng chống ma sát Si là nguyên tố hợp kim cơ bản nó làm cho hợp kim có tính chảy loãng cao, tính đúc và tính rèn tốt Hệ số giãn nở nhiệt thấp của hợp kim Al-Si rất thích hợp trong công nghiệp sản xuất piston, bởi vì các hạt Si có độ cứng khá cao, rất tốt cho khả năng chịu mài mòn Lượng Si lớn nhất trong hợp kim đúc vào khoảng 20-24%, nhưng nếu chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột thì có thể lên tới 40-50% Ảnh hưởng của Si đến cơ tính của hợp kim được trình bày trên hình 2.3

Đưa thêm Mg (từ 0,3% đến 1%)cho phép cải thiện đáng kể cơ tính của hợp kim Al-Si Các vật đúc từ hợp kim Al-Si-Mg đều được nhiệt luyện hóa bền Silumin có thêm một lượng nhỏ Mg khoảng 0,3 ÷ 0,9% sẽ có khả năng nhiệt luyện vì Mg có tác dụng thúc đẩy quá trình hoà tan của Si vào nhôm Pha Mg2Al tiết ra ở dạng phân tán khi hóa già sẽ nâng cao cơ tính của chi tiết Sau nhiệt luyện, độ bền tăng khá nhiều (có thể gấp đôi) nhưng độ dẻo có giảm Dùng nhiều Mg thì độ dẻo kém Chẳng hạn như các silumin phức tạp ADC9, ADC14 (Aluminum Die Casting - JIS) có chứa 0,15% Mg dùng để chế tạo các chi tiết không qua biến tính và hóa già Độ bền, độ dẻo tương đối cao, tính đúc tốt Magiê làm tăng

độ bền rõ rệt, đặc biệt là sau khi nhiệt luyện nhưng lại làm giảm tính đúc Trong trường hợp cho thêm đồng (từ 3%-5%) sự có mặt một lượng nhỏ magiê sẽ cải thiện thêm khả năng

hóa bền bằng nhiệt luyện

Sắt là tạp chất nguy hiểm trong

silumin Trong hầu hết các hợp kim

phải đảm bảo lượng Fe ở mức ít nhất

có thể, bởi vì Fe làm thô tổ chức, làm

giảm mạnh tính đúc và tính chống ăn

mòn Khi đúc trong khuôn cát và

khuôn kim loại Fe được giới hạn <

0,7% Với hợp kim silumin có chứa

sắt, pha liên kim Al5FeSi (hình 2.4)

có dạng sắc nhọn sẽ làm cơ tính

giảm đi rất nhiều

Khả năng nhiệt luyện

Đối với hợp kim AlSi, tác dụng

khi nhiệt luyện không lớn lắm do bản

thân Al và Si không tạo thành những

hợp chất có tác dụng tăng bền Vai

trò này thường nhờ tới các chất khác

như Mg…Khi được hợp kim hóa

bằng Mg thì sẽ tạo thành hợp chất Mg2Si là pha hóa bền Hợp kim AlSi cùng tinh hoặc gần cùng tinh có độ quá bão hòa Si thấp nên hiệu quả hóa bền khi nhiệt luyện thấp, do đó ít khi nhiệt luyện Hơn nữa, làm nhỏ mịn tinh thể Si khi kết tinh hiệu quả hơn nhiều do đó người

ta ít chú ý đến nhiệt luyện

2.1.2 Hợp kim A356

Hợp kim A356 thường được dùng chế tạo các chi tiết bơm hàng không, phụ tùng đường ống ngành hàng không, vỏ hộp tốc độ tự động, các bộ phận điều khiển, bộ xylanh làm nguội bằng nước Hợp kim A356 cũng được dùng chế tạo các chi tiết đòi hỏi tính đúc, tính hàn tốt, chịu áp lực, chịu ăn mòn, có thể chế tạo khuôn vĩnh cửu có độ bền cao

Hợp kim A356 có thành phần như trong bảng 2.1

Hình 2.3 Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin

(độ bền kéo Rm, độ dẻo A5) [23]

r

Hình 2.4 Pha liên kim β (Al 5 Fe Si) có dạng hình tấm

thô làm giảm đáng kể cơ tính

Bảng 2.1 Thành phần hợp kim A356

% ≤ 0.2 0.25-0.45 ≤ 0.1 6.5-7.5 ≤ 0.2 ≤ 0.1 ≤ 0.2

Tính chất nhiệt lý

- Nhiệt độ chảy lỏng T l = 615o C, Nhiệt độ đông đặc T đ = 555o C,

- Khối lượng riêng 2,685 g/cm3 tại nhiệt độ 20o C

- Nhiệt dung riêng: 963 J/kg.k ở nhiệt độ 100o C

Hình 2.5 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong Hình 2.6 Tổ chức của mẫu hợp kim A356

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2 o C/s [25]

Hình chữ Trung quốc là pha Al15(Mn,Fe)3Si2, tinh thể hình kim lớn mầu nâu tối là Al5FeSi, những hạt kết tủa nhỏ mầu tối là Mg2Si

2.2 Kỹ thuật thực nghiệm

2.2.1 Nấu luyện và xử lý hợp kim

Hợp kim A356 tương đối dễ nấu luyện và dễ đúc do có tính chảy loãng cao Nhưng cũng như các hợp kim khác, A356 cũng rất dễ tác dụng với ô xy, hydro và hơi nước ở nhiệt độ cao nên khi nấu chảy phải chú ý che phủ bề mặt kim loại lỏng bằng xỉ hoặc chất trợ dung

Hợp kim được nấu luyện trong lò nấu điện trở của Đức, có sử dụng bộ điều khiển tự động, có khả năng điều chỉnh nâng nhiệt độ và hạ nhiệt độ theo chế độ đặt từ trước (hình 2.8)

Hình 2.8 Lò nấu điện trở Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống khử khí

Khối lượng kim loại tối đa trong mỗi mẻ nấu là 3,5 kg

- Thời gian của một mẻ nấu, tính từ lúc nâng nhiệt đến lúc rót khoảng 3 h

- Trên nắp lò có thiết kế lỗ nhỏ để có thể cắm ống sục khí

- Kim loại lỏng được khử khí và tinh luyện bằng một hỗn hợp muối có thành phần 15% Na3AlF6, 40% NaF, 45% NaCl, thông thường cần lượng nhỏ khoảng 10-15 gram nung khô khoảng 1000C từ 15 phút trở lên

1 Bình Nitơ 2.,3,4 Các van

5 Đồng hồ lưu lượng

6 Ống dẫn

7 Ống thép không gỉ

8 Lò nấu

- Trước khi đưa sang thiết bị khuấy bán lỏng kim loại được sục khí nitơ khoảng 2-3 phút (hình 2.9)

Kim loại lỏng sau đó được khuấy bán lỏng ở các thiết bị như hình 2.12 và 2.13 Trước khi rót kim loại đã xử lý ở trạng thái bán lỏng vào khuôn, ta tiến hành sấy khuôn lên nhiệt

độ định trước trong một lò sấy riêng có điều khiển nhiệt độ (hình 2.10) Trên hình 2.11 là một trong những loại khuôn đã được sử dụng để chế tạo mẫu thử cơ tính

Hình 2.10 Lò sấy khuôn Hình 2.11 Khuôn kim loại đúc mẫu thử cơ tính

Máy khuấy được kiểm soát các thông số hoàn toàn tự động Nhiệt độ được kiểm soát và điều chỉnh bởi một cặp nhiệt có nối với thiết bị đóng ngắt Máy có thể được đặt 2 chế độ:

1 Tự động dừng khuấy theo thời gian Trong trường hợp này thời gian khuấy sẽ được đặt trước

2 Tự động dừng khuấy theo nhiệt độ Trường hợp này nhiệt độ dừng khuấy được đặt trước bằng cặp nhiệt được nối với hệ thống đóng ngắt

2.2.2 Hệ thống đo ghi nhiệt độ kỹ thuật số

Nhiệt độ kim loại và khuôn được đo và ghi tự động qua bộ thu nhận tín hiệu OMEGA TEMPSCAN 1100 có khả năng ghi nhận tín hiệu từ can nhiệt và truyền dữ liệu vào máy

Hệ thống này cho phép ghi nhiệt độ kim loại lỏng tại từng thời điểm đo với bước thời gian nhỏ nhất là 0,1s, qua đó có thể tìm được thời điểm thích hợp để bắt đầu và kết thúc khuấy kim loại Ngoài ra, từ nhiệt độ đo được có thể vẽ chính xác đồ thị biểu diễn đường cong nguội, trên cơ sở đó nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng nhiệt độ khuấy và chế độ làm nguội đến tổ chức và tính chất của hợp kim

Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống ghi đo nhiệt độ Hình 2.16 Hệ thống ghi đo nhiệt độ kỹ thuật số

2.2.3 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA

Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó người ta khảo sát các tính chất vật

lý, hoá học của mẫu như: nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi, biến đổi về kích thước…Trong phương pháp này nhiệt độ được đo liên tục theo thời gian (nhiệt độ thay đổi theo các quy luật nhiệt động học) Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất sẽ có một hiệu ứng nhiệt tương ứng, từ đó ta có thể xác định được các chuyển biến xảy ra trong mẫu

Hình 2.17 Nguyên lí của DTA

S: Mẫu phân tích, R: Mẫu chuẩn Hình 2.18 Đường cong DTA

Trên hình 2.19 là thiết bị DTA NETZSCH STA 409 PC/PG đã sử dụng trong nghiên cứ Thiết bị này cho phép phân tích đồng thời DTA và TGA

- Nhiệt độ làm việc của máy thay đổi từ : (-120 ÷1650 oC)

-Tốc độ nung nóng và làm nguội cho phép từ: (0.01 ÷ 50 oC/s)

2.2.4 Mô phỏng số

Từ khi các máy tính tốc độ cao xuất hiện, mô hình toán và mô phỏng số đã trở thành một cách tiếp cận nhanh nhất với các quá trình thực tế có liên quan tới biên chuyển động Điều này giải thích vì sao mô hình hoá và mô phỏng mô phỏng số quá trình đông đặc

Máy tính

Máy đo TEMP Scan

Khuôn

Dây can nhiệt

Cáp dữ liệu