Tính cấp thiết của luận án Phương pháp đúc thỏi, sau đó cán tạo tấm truyền thống tốn nhiều thời gian và chi phí, tốc độ nguội thấp nên tổ chức hạt thô to. Nếu đúc tấm mỏng thì tốc độ nguội cao hơn, vì vậy phương pháp đúc tấm mỏng ngày càng phát triển trên thế giới. Như đã biết, có thể tăng cơ tính của hợp kim bằng cách thay đổi hình thái của tổ chức tế vi hợp kim từ dạng nhánh cây sang dạng cầu. Ngày này có nhiều phương pháp cầu hóa khác nhau, một trong nhưng phương pháp đó là phương pháp đúc lưu biến được các nhà khoa học quan tâm nhiều. Đó là dạng tạo hình vật liệu ở trạng thái hốn hợp rắn lỏng, đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng khá sớm trên thế giới và sau đó ở Việt Nam, đầu tiên là trong kỹ thuật luyện kim bột, gần đây là trong kỹ thuật đúc. Công nghệ đúc lưu biến liên tục là một công nghệ mới và tiên tiến, kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc liên tục, không những tạo ra được sản phẩm tấm, mà vật đúc chế tạo bằng cách này có chất lượng tốt nhờ có tổ chức hạt gần cầu, tránh được các khuyết tật đúc, cơ tính và tính công nghệ được cải thiện. Nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp mũi nhọn trên thế giới.
1 MỞĐẦU Tínhcấp thiếtcủa luậnán Phương pháp đúc thỏi, sau cán tạo truyền thống tốn nhiềuthời gian chi phí, tốc độ nguội thấp nên tổ chức hạt thơ to Nếu đúctấm mỏng tốc độ nguội cao hơn, phương pháp đúc mỏngngàycàng pháttriển giới Như biết, tăng tính hợp kim cách thay đổihình thái tổ chức tế vi hợp kim từ dạng nhánh sang dạng cầu.Ngày có nhiều phương pháp cầu hóa khác nhau, nhưngphương pháp làphương pháp đúc lưu biếnđược nhà khoa họcquan tâm nhiều Đó dạng tạo hình vật liệu trạng thái hốn hợp rắn-lỏng, nghiên cứu, phát triển ứng dụng sớm giớivà sau Việt Nam, kỹ thuật luyện kim bột, gần đâylàtrong kỹthuậtđúc Công nghệ đúc lưu biến liên tụclà công nghệ tiên tiến, kếthợp giữađúclưubiếnvàđúcliêntục,khôngnhữngtạorađượcsảnphẩm tấm, mà vật đúc chế tạo cách có chất lượng tốt nhờ có tổchức hạt gần cầu, tránh khuyết tật đúc, tính tính cơngnghệđượccảithiện Nhơm hợp kim nhôm ứng dụng rộng rãi ngànhcôngnghiệp mũ i nhọn t r ê n th ếg i i Cùng vớ i l o i hợ p ki m nh ômđặcchủngphụcvụchongànhcôngnghiệpchếtạo(máybay,ôtô,xemáy…), nhôm nhẹ, dễ tạo hình, với độ bền kết cấu tốt cịn ứngdụngnhiềutrongngànhxâydựng,thiếtkếnộithấtvàcác vậtdụngsinhhoạt, ví dụ mái vịm, ốp tường, vách cách âm, bọc bảo ôn, chaođèn, khung bàn ghế, dụng cụ nội trợ, Việc nghiên cứu-ứng dụng kỹthuậtđúc lưu biến-liêntục chohợp kim nhôm A356cầnthiếtv p h ù hợpvới nhucầuhìnhthànhmộtngànhcơngnghiệphỗtrợtrongchiếnlược đại hóa ngành chế tạomáy Việt Nam vàt n g lai, với xu hướng phát triển loại vật liệu nói chung thếgiới Xuất phát từ đó, hướng “Nghiên cứu ảnh hưởng thông sốcông nghệ đúc lưu biến liên tục đến tổ chức tính chất hợp kimnhơmA356” đượcchọnlàmđề tàicho luận ánNCS Mụcđíchcủaluậnán - Khảosát,xácđịnhcácthơngsốcơbảncủaqtrìnhđơngđặccủahợpkimA356là mcơsởchoviệcnghiêncứucơngnghệđúclưubiếnliêntục - Xác định thơng số cơng nghệ đúc lưu biến liên tục áp dụng cho hợpkim nhôm A356 đạt yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánhcây,kích thướcnhỏmịn cơtínhđượccảithiện - Ổn định triển khai áp dụng công nghệ để chế tạo mỏng từ hợpkimnhômđa ứng dụngtrongcôngnghiệp đờisống Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễncủaluậnán Ýnghĩakhoahọc - Về lý thuyết: Góp phần hồn thiện sở lý thuyết công nghệ đúclưu biến liên tục cho hợp kim A356, làm rõ mối quan hệ yếu tốcơngnghệ, tổ chứctế vivà tính hợp kim - Về công nghệ: Đã xác lập ổn định thông số công nghệ củaphương pháp đúc lưu biến liên tục để chế tạo mỏng từ hợp kimnhôm; ảnh hưởng thông số công nghệ đến hìnhthànhhợp kimbán lỏng,đếntổchứctế vivà cơtính hợpkim Ýnghĩathựctiễn Kết nghiên cứu luận án làm tài liệu tham khảo để hồnthiện cơng nghệ quy mơ lớn hơn, nhằm áp dụng triển khai sản xuất cácchitiếttừhợpkimnhơmphụcvụngànhxâydựngnhưmáivịm,tấmốptường,ốp trầnnhà, vách cách âm, Ngồi ra, hợp kim nhơm chế tạo kỹ thuật đúc lưu biến liêntục, nhờ có đặc tính nhẹ, dễ tạo hình biến dạng, bền cơ-nhiệt dẫnnhiệtt ố t c ò n c ó t h ể đ ợ c s d ụ n g r ộ n g r ã i t r o n g c ô n g n g h i ệ p v đ i sống Phươngpháp nghiên cứu - Thuthập, tổng hợp tài liệu có cơng nghệ bán lỏng tácgiả nước Lập tổng quan, đánh giá lựa chọn phương án(cơngnghệ, thiếtbị, vậtliệu)thích hợpcho mục đíchluậnán - Thống kê, tổng hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đốitượngvậtliệuđãlựachọnchonghiêncứu Thiếtk ế , c h ế t o , t h n g h i ệ m v h o n t h i ệ n t h i ế t b ị c ô n g n g h ệ v chếtạovậtliệu -Khảosátảnhhưởngcủatừngyếutốthựcnghiệm,xáclậpquyluậtvàsosánh vớidự báolý thuyết kếtquả đãcơng bố củacác tác giả -Kiểmtrađánhgiátổ chứctếvivà tính vậtliệu - Tổng hợp, xử lý phân tích kết thực nghiệm để xác định sốliệuvề thông sốcơng nghệ nhằmtốiưu hố q trình Nhữngđiểmmớicủa luậnán - Đãứngdụngkỹthuậtđo2điểmvàquytắcđịnbẩykhơngcânbằngđểxácđịnhcácthơ ngsốquantrọngcủaqtrìnhđơngđặcnhưtỷphầnpharắn,tốcđộnguội,tốcđộđơngđặc - Đãpháthiệnsựđổidấucủatốcđộnguộikhiđúclưubiếnchứngtỏcósựtạomầmmãnhli ệt - Đãmơphỏngqtrìnhđúclưubiếnliêntụctheo2giaiđoạn(tĩnhvàđộng),nhờđócáckếtquảmơphỏnglàcơsởtincậyđểho ànthiệncơngnghệ - Đãpháthiệnsựphụthuộcrõrệtcủatổchứcvàotốcđộnguộitrongtrườnghợptấmmỏn g(2-5mm) - Đãpháthiệnsựsaikháckhơngđángkểvềcơtínhtheochiềungangvàchiềudọctấm,c hứngtỏhướngtruyềnnhiệtchínhlàvềphíacácconlăn - Cuốicùng,đãthực thànhcơngcơngnghệđúclưubiếnliêntụcđểđúctấmmỏnglàcơngtrìnhnghiêncứuđầutiênvàduynhấttạiViệtnamchođếnthờiđiểmnày CHƯƠNG1.TỔNGQUAN 1.Cơng nghệ bánlỏng Độnhớt th ôn g số qu an t rọng n hấ t h ợ p ki m trongcô ng ng hệ bán lỏngvàphụthuộcvàotốcđộcắtvàthờigian.Spencervàcáccộngsự người phát hành vi hợp kim bánlỏng vào đầu năm 70 khảo sát nứt nóng thước đo lưubiến Nếu vật liệu bị khuấy liên tục trình nguội từ trạng tháilỏng hồn tồn tới trạng thái bán lỏng độ nhớt thấp hơnnhiều so với làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà khôngkhuấy.V i ệ c k h u ấ y s ẽ b ẻ g ã y c c n h n h c â y đ ã x u ấ t h i ệ n , l m c h o t ổ chức tế vi trạng thái bán lỏng bao gồm hạt cầu bao quanhbởiphal ỏn g Đ ó l tổ ch ứ c tế vi cần đ tđ ượ c t r on gc ôn gn gh ệ b ánlỏng Có2họcơngnghệchínhlàlưubiến(rheo-)vàxúcbiến(thixo-) a Phương pháp đúc lưu biến(rheo-) dùng kỹ thuật khuấy kim loạilỏng đông đặc để tạo thành trạng thái sệt (slurry), sau đemrót trực tiếp kim loại lỏng nhão vào khuôn Việc khuấy trộn kim loạichủ yếunhằmtạoramộttốcđộtrượtrấtcaogiữacácphầntửvàcườngđộ dịng xốy làm cho phần tử rắn kết tinh theo dạng hình cầu.Tuy nhiên, với công nghệ này, kim loại kết tinh điều kiện áp suấtbình thường nên chất lượng vật đúc chưa cải thiện nhiều Bởi vậyđã xuất phương pháp đúc lưu biến cải tiến (New Rheocasting -NRC) Phương pháp kết hợp phương pháp đúc ép thẳng đứngtruyềnt h ố n g v i p h n g p h p g i a c ô n g k i m l o i l ỏ n g đ ể c h ế t o k i m loạicó cấu trúc dạng cầu Nguyênlý cơbản phương pháp Nấuchảyhợpkim,tinhluyện,biếntính Rót hợp kim vào nồi chứa có kích thước tương tự xylanh ép củamáy đúcáplực.Làm nguội cóđiềukiệnnhiệt độkim loại trongn i chứađểtạo trạngtháibánlỏng vàtổ chứckimloạihình cầu/gầncầu Gia nhiệt nồi chứa đến nhiệt độ thích hợp để tạo thành trạng thái bánlỏngvà giữ ởnhiệtđộnày Rótkimloạivào xylanhmáyép áplực caođể chếtạo chitiết b Họcơngnghệxúcbiến(Thixo-)có: Đúc xúc biến(Thixocasting): Hợp kim ban đầu trạng thái rắn đượcxử lý cho đạt trạng thái bán lỏng tổ chức phinhánhcây.Khi“rót”vào khnthìtỷphầnpha rắn làkhoảng 50 % Tạo hình xúc biến(Thixoforming) phương pháp vậtliệu phù hợp nung tới trạng thái bán lỏng ép vào khuôn.Thông thườngtỷphần phalỏng chiếm30-50 % trướckhiđượcép Dập xúc biến(Thixoforging) q trình mà phơi thích hợpđược nungtớitrạngtháibánlỏngvàđượcđặtgiữahainửakhn.Hainửa khn sau ép vào búa thuỷ động Sự điền đầykhntrựctiếpnhưvậysẽchophéptiếtkiệmngunliệudo khơngcầncóhệ thống rót 1.2.C n g nghệđúclưubiến 1.2.1 Cơsởlýthuyết Trong chất lỏng Newton, ứngsuất cắttỷ lệ thuận với tốc độcắt,vàhệsốtỷlệlàđộnhớt .Chấtlỏngxúcbiến(thixotropic)làch ấtlỏngphiNewton,t ứ c l ứ n g s u ấ t c ắ t Hình1.9.Quanhệgiữatốcđộ khơng tỷ lệ thuận với tốc độ cắt.Độ cắt,tỷphầnpharắnvàđộnhớtbiểukiến nhớt gọi độnhớt biểu kiến [28] phụ thuộc vàotốcđ ộ c ắ t v t ỷ p h ầ n p h a r ắ n (hình 1.9) Một số chất lỏng phi tuyến bộc lộ tính đàn nhớt, tức chúngtích trữ lượng học gọi lượng đàn hồi Vật liệu xúcbiến không tích trữ lượng đàn hồi khơng bộc lộ tính đàn hồi khiứng suấtbịdỡbỏ Nếu chất lỏng bộc lộ ứng suất chảy có mối quan hệ tuyến tính giữaứngsuấtcắtvà tốcđộcắt,nóđượcgọilà vậtliệuBingham(hình 1.10) Khiđó: y k; (1.1) ởđâyklà hệ số liên quan tớiđộ nhớt Mơ hìnhHerchel-Bulkleylàmơhìnhmàởđóhànhvi làphituyếnsauchảy,tức là: k y n; (1.2) trongđóylàứngsuấtchảytĩnh;nlàthamsố y k nđượcsửdụngđểmơtảcác MơhìnhHerchelBulkley chất lỏng khơngcó điểm chảy dẻo (yield point) thể mối tươngquanvềnănglượnggiữaứngsuấtcắtvàtốcđộcắt.Nếusốmũlà1thì dẫn đến biểu thức cho chất lỏng Newton với sốkbằng độnhớt Ở hình 1.9, độ nhớt giảm đikhi tốc độ cắt tăng, vật liệu chịucắt(shearthinningm a t e r i a l s , ) sẽc ó g i t r ị n n h ỏ h n N ế u độ nhớt tăng lên tốc độ cắttăng,vậtliệuchịucắt(shearthickeni ngmaterials)sẽcón lớn Vật liệu xúc biến chủ yếu làloạivậtliệucóđộn h t g i ả m chịu cắt, độ nhớt tăng trở lạikhi giữ trạng thái tĩnh.Ngườit a c h o r ằ n g k h i t ố c đ ộ cắt cao thấp Hình 1.10 Quan hệ ứng suất cắtchấtlỏngxúcbiếntrởthànhchấtlỏ tốcđộ cắt độ nhớt-tốc độ cắt đối ngNewton.Điềunàyđ ợ c thể vớimộtsố dạnghànhvilưu biến[28] mơ hình Cross (hình1.12): Phi Newton Vật liệu Newton Phi Newton Phi Newton Phi Newton 0 n 1k (1.3) màởđókhi 0, 0vàkhi ,.Hình1.12chothấycácsốliệunh ậnđượctừmộtsốnghiêncứuchohợpkimSn-15%Pb vớicác tỷphần pha rắnkhác Hình1.12.Mơhì nh Cross phùhợp với độ nhớtbiểukiếncủ ahợpkimS n 15%Pbt h e o c ác tác giả khácnhau[27] Độnhớtphụthuộc đángkể vàonhiệtđộ Đốivớ ichấtlỏng Newton (vídụ lướichấtlỏngtrongkhốinhãobánlỏng),độnhớtgiảmkhinhiệtđộ tăng Nhiệt độ ảnh hưởng tới tổ chức tế vi Như vậy, khốinhão bán lỏng, tỷ phần pha rắn giảm nhiệt độ tăng, hậu ảnhhưởng tới độ nhớt Thêm vào đó, tổ chức tế vi trở nên thô dokhuếch tánkhinhiệtđộ tăng 1.2.2 Mộtsốcôngnghệđúclưubiến a Đúcgầnnhiệtđộđườnglỏng b Phươngpháp “đúclưubiếnmới” (NewRheocasting -NRC) c Phươngphápnhiệttrưctiếp(Directthermalmethod) d Phương phápH-NCM 1.3 Cơngnghệđúc lưubiếnliên tục Hiện có nhiều cơng nghệ đúc mỏng khác côngnghệ đúc lưu biến liên tục quan tâm nhiều Đó cơng nghệ đúcgần nhiệtđộđường lỏng Phương pháp lựa chọn phương pháp nhiệt trực tiếp dùngmáng nghiêng Phương pháp có nguyên tắc giống NRC (tạo mầmngoại sinh trên thành kim loại nguội), song không sử dụngthành khuôn mà sử dụng máng nghiêng Kim loại lỏng rót vàokhn qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như mángnghiêng có nước làm nguội làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kếttinhdịthể Rót qua máng nghiêng phương pháp đúc lưu biến cho mộtdòngc h ả y l i ê n t ụ c đ p ứ n g c ô n g n g h ệ đ ú c l i ê n t ụ c T r o n g c ô n g n g h ệ đúcb n l ỏ n g t ỉ p h ầ n r ắ n d a o đ ộ n g t r o n g k h o ả n g 40%;còntrong phươngphápmángnghiêng tỉphầnrắn thấphơn10 %dođặcthù củaquátrình tạo mầmdịthể 1.3.1 Cơsởlý thuyếttạomầmdịthể 1.3.2 Một số nghiên cứu đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng làmnguộitrên thếgiới Có thể thấy việc rót qua máng nghiêng đáp ứng yêu cầucủaquá trìnhđúc lưu biến liên tục: - Tạomầmdịthể, - Tạomộtdịng chảyliên tục Nhóm nghiên cứu T Haga (Nhật Bản) cho máng làm nguội làthiết bị đơn giản để đúc bán lỏng theo cơng nghệ lưu biến Sơ đồthiếtbịnghiên cứu nêu trênhình 1.29 Hình1.29.Sơ đồthiếtbịnghiên cứucủa T.Haga[29] Nhóm tác giả E Cardoso Legoretta, H V Atkinson, H Jones (Vươngquốc Anh)cũngkhảosátkhảnăngsửdụngmángnghiêngđốivớihợpkim A356 Sơ đồ thiết bị trình bày hình 1.30 Tổ chức đạt ởcuối máng làm nguội có dạng cầu trịn, kích thước hạt(60÷70)m,hàmhình dạngFtrong khoảng từ2đến Hình1.30.Sơđồnghi êncứuvàtổchứctếvith eoE.CardosoLegore tta[42] Tác giả Yucel Birol nghiên cứu trình đúc lưu biến trênmángnghiêng để t ạo hình bánlỏng (t hixo form ing )cho hợp kim AlSi sau tinh A390 Chiều dài máng làm nguội 30 cm Chi tiết không bịrỗ, độ cứng 144 HB sau chế độ T6 Hình ảnh thiết bị tổ chứctếvitrình bàytrên hình 1.31 Hình 1.31 Thiếtbịvàtổc h ứ c hợpkimtrongng hiêncứucủa Y.Birol[11] 1.3.3 Một số nghiên cứu đúc lưu biến liên tục sử dụng mángnghiênglàmnguội Tác giả T Haga nghiên cứu q trình đúc nhơm A356 bằngphương pháp bán lỏng liên tục sử dụng lăn kích thước nhau:đường kính 300 mm, rộng 100 mm Sơ đồ thiết bị tổ chức tế vi đạtđượctrình bàytrên hình 1.33 Hình 1.33 Sơ đồ thiết bị tổ chức tế vi nhận rót hợp kim từtrạng thái khác T Haga [30] Ảnh trái: rót từ kim loại lỏng,ảnhphải:róttừ trạng tháibán lỏng TácgiảT.Haga,H.Sakaguchi,H.Inui,H.WatarivàS.Kumai[24]đã nghiêncứuthiếtkếmáyđúclưubiếnliêntụchợpkimnhơmAl-16Sivà 6111 với trục quay có đường kính khơng (250 1000mm,rộng 100 mm) Các tác giả T Haga, M Ikawa, H Watari, S Kumai, H Sakaguchi[21,54] nghiên cứu khả đúc liên tục thẳng đứng nhôm từ hợpkim6016dày3và3,4mm,rộng100mmbằngconlănvớitốcđộcao(có thể đạt 60 m/phút) Tổ chức tế vi sau nhiệt luyện T4 nhỏ mịn, giớihạnbềnkéo230-242 MPa, độ giãn dàitương đối26-33% CáctácgiảT.Haga,H.Inui,H.Sakaguchi,H.WatarivàS Kumai [25]c ũ n g đ ã n g h i ê n c ứ u k h ả n ă n g đ ú c l i ê n t ụ c t h ẳ n g đ ứ n g t ấ m nhôm bằngconlăntừhợpkimnhơmtáichếA356và6063.Kíchthướctấm:dày3mm, kéo vớitốcđộ 60 m/min CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨ U 2.1 Đốitượngnghiêncứu Đối tượng nghiên cứu hợp kim nhôm A356, thuộc họ silumin.Nghiên cứu sử dụng hệ ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn củaHoa Kỳ HợpkimA356 cóthành phần bảng2.1 Bảng2.1.Thành phần hóahọc củahợp kimA356 Ng tố % Cu 0,2 Mg 0,25-0,45 Mn 0,1 Si 6,5-7,5 Fe 0,2 Zn 0,1 Ti 0,2 2.2 Phươngphápnghiêncứu - - Đoghinhiệtđộ tự động Phântíchnhiệtvisai Kỹthuậtđo ghi2điểm Mơphỏng số Nghiêncứuthựcnghiệm Hiển vi quanghọc Hiểnviđiện tửquét(SEM) Kiểmtracơtính CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ BẢNVỀHỢPKIM NHÔMA356 3.1 Kỹthuậtthựcnghiệm 3.1.1 Nấuluyệnvàxửlýhợp kim Quy trình nấu luyện gồm: sấy nhơm dụng cụ, nấu chảy hợp kimnhơm, khử khí, tinhluyện, vớt xỉ vàchephủ, sụckhí N2(Ar), rót ởcácnhiệtđộ 625, 650,675và 700oC 3.2 Xácđịnh nhiệtđộđường lỏngvàrắn hợpkimA356 3.2.1 Phươngpháp thựcnghiệm Phươngphápphântích nhiệtvisaivàtheo giản đồ pha 3.2.2 Kếtquảvàthảo luận a Kếtquả phân tích nhiệtvisai - Nhiệtđộ đườngrắnTS=545oC - NhiệtđộđườnglỏngTL= 616oC - KhoảngnhiệtđộkếttinhTn=71oC b Kếtquảxác địnhtheo giảnđồ pha - NhiệtđộđườngrắnTS=553oC - NhiệtđộđườnglỏngTL= 615oC - KhoảngnhiệtđộkếttinhTn=62oC 3.3 Xácđịnh tỷphầnpha rắn 3.3.1 Phươngpháp xácđịnh tỷ phầnpha rắnkhiđôngđặc a Trườnghợpđôngđặccânbằng C C f L S CL CS - Tạinhiệtđộ635oC:fS= % - Tạinhiệtđộ610oC:fS= 12% - Tạinhiệtđộ585oC:fS= 47% b Trườnghợpđôngđặckhôngcânbằng T T 1/1k L fS 1m Tm T (3.2) (3.4) - Tạinhiệtđộ610oC:fS= 11% - Tạinhiệtđộ585oC:fS= 44% - Tạinhiệtđộ505oC:fS= 76% c Xácđịnh tỷphần pharắntheo đường nhiệtđộthựctế Hợp kim đạt tỷ phần pha rắn (75 %) thời giankhác nhau: nhiệt độ rót cao quãng thời gian dài: 44, 53 và123 s ứng với nhiệt độ rót 625, 650 675 oC Ngồi ra, cóthể thấy tỷ phần pha rắn tăng nhanh giai đoạn đầu, sau tăngchậmởgiaiđoạnsau.Đâylà điềucầnchúýkhinghiêncứucôngnghệbán lỏng 3.4 Xácđịnh tốcđộ nguộivàtốc độ đông đặccủa hợpkimA356 3.4.1 Đườngcongnguội vàtốc độnguộicủa hợpkim Tốc độ nguội tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian Quá trình nguội chậm (cân bằng) có tốc độ nguội0 Q trình nguội nhanh có tốc độnguội>103độ/s Tốcđộ nguộiđược kýhiệu làdT/dt[độ/s] a Đoghiđườngcong nguộibằng thiếtbịTempScan(Omega-Mỹ) Hình 3.19 Kếtquả đonhiệtđộchohơpkimA3 56 6061 chếđộ cơngnghệ Hình3.20.T ố c đ ộ ngu ộicủahợpk i m A356 điền đầy khuôn ởnhiệtđộ bán lỏng Tốc độ nguội cực đại (-15 độ/s) đạt kim loại bắt đầu tiếpxúc với khn nguội, sau giảm dần khn bị nóng lên Khi mầmkết tinh hình thành, ẩn nhiệt kết tinh toả mạnh nên nhiệt độtăng (hình 3.19, 3.20) Tốc độ nguội chịu ảnh hưởng rõ rệt cácthôngsố công nghệ b Ảnhhưởng củanhiệtđộrót - ỞTrót= 625oC chênh lệch nhiệt độ tâm thành khn (trung bình100oC) lớn nhiều so với rót 675 oC (trung bình 30oC), đómầmđ ợ c t o r a n h i ề u h n t r n g h ợ p T rót=6 o Ck h i ế n n h i ệ t đ ộ giảmchậmdo tỏa ẩn nhiệtkếttinh - ỞT rót=625 o Ctrongkhoảngtừ20đến35stốcđộnguộiđãđổidấuvàcógiátrị dương,vớigiátrịtốiđa0,4 độ/s, chứng tỏ nhiệt độ kimloạilỏng tăng trởlại - Tốcđộ nguộitốiđa(dT/dt)maxkhơng vượtq1độ/s c Ảnhhưởngcủa thờigianlàmnguội Ởtrườnghợpgócnghiêngcủamánglà60 o,thờigiantiếpxúcngắn,doki m loạichảy nhanh hơ ns ov i góc ng hi ê ng củ am án g l à4 o.Bở i vậy, mầm có tạo đủ để trì tốc độ nguội Nếu xét tới khả bám dính kim loại lỏng máng làm nguội việcchọn góc nghiêng máng 60osẽ hợp lý Việc tạo mầm trênmáng làm nguội xảy ram ã n h l i ệ t k h i n h i ệ t đ ộ r ó t đủ thấp phản ánh việc tốc độ nguội đổi dấu từ âm sang dương(nhiệt độ tăng) trì khơng đổi (0) khoảng thời gian dài.Điều không quan sát thấy nhiệt độ rót cao, tốc độ nguội ln cógiátrịâm 3.4.2 Tốcđộ đơng đặc - Tốc độ nguội hợp kim chảy quam n g l m n g u ộ i l k h c a o , để tính tỷ phần pha rắn,fS, cần phải dùng phuơng trình Sheil (haycịngọilà quytắc địn bẩykhơng cân bằng) - Tốc độ nguội đổi dấu (nhiệt độ tăng trở lại đạt giá trị dương)nếu trình tạo mầm đủ nhanh, ẩn nhiệt kết tinh tỏa đủ lớn để làmtăng nhiệt độ Điều dạt trình đúc bán lỏng vàkhôngquan sátthấytrong trường hợpđúc từtrạng tháilỏng - Tốc độ đơng đặc có xu hướng giống tốc độ nguội: giai đoanđầutốcđộđơngđặctrongqtrìnhđúcbánlỏnglớnhơnrấtnhiều sovới đúc từ trạng thái lỏng (trong 10 giây đầu tốc độ đông đặc trung bìnhtrongtrườnghợprótở650 o Clà3,8%.s -1,cịnkhirótở675 o Clà1,25 %.s-1) CHƯƠNG4 NGHIÊNCỨUCƠNGNGHỆĐÚCLƯUBIẾNLIÊNTỤC 4.1 Thiếtbịnghiêncứu Thiết bị đúc lưu biến liên tục gồm phận sau đây: cụmđúc lưu biến, cụm ổn nhiệt, cụm đúc liên tục, băng lăn đỡ sản phẩm, tủđiềukhiển 4.2 Mơ q trình đơng đặc hợp kim A356 côngnghệđúc lưu biến liên tục Đãs d ụ n g m h ì n h d ò n g chảy p h n g p h p t í n h t o n đ ộ n g l ự c họcch ấtlỏng Các phần mềmmô đãsử dụng là: - PhầnmềmABAQUS - PhầnmềmFLUENT - PhầnmềmGAMBIT 4.2.4 Thiếtlậpmơhình cơngnghệ a Xâydựngmơ hìnhvà chialưới - Giai đoạn đúc lưu biến (mơ hình tĩnh): Là giai đoạn qtrìnhvớigiảthiếtkimloạiđượcchảytừnồirótxuốngđầythùngch ứavàtiếp xúc vớicon lăn làmnguội(hình 4.12b) - Giai đoạn đúc liên tục (mơ hình động): Là giai đoạn xác định đượcchiều dày lớp đông đặc kim loại cho lăn bắt đầu chuyểnđộng mà không làm sai hỏng sản phẩm đầu mỏng kim loại(hình 4.13) Mơhình hìnhhọcvàchia lướitrên phần mềmABAQUS Hình4.12b Mơ h ìn h chialướiAbaqus MơhìnhhìnhhọcvàchialướitrênGAMBIT Hình 4.13 Mơ hìnhchialướiGambit b Mơhìnhvậtliệu c Thôngsốcôngnghệvàtruyềnnhiệt Giaiđoạn đúclưu biến - Nhiệtđ ộ k i m l o i t r o n g b ể c h ứ a : ( n h i ệ t đ ộ k i m l o i đ ầ u v o ) : Tđv=878 K(605oC)và903K(630oC) - Nhiệtđộ môitrường:303K(30oC) - Nhiệtđộban đầu lăn làmnguội:Tcl=303 K(30oC) Giaiđoạn đúcliên tục - Nhiệtđộ conlăn làmnguội:Tcl=393K(120oC) - Nhiệtđộ thùng graphit:873K(600oC)và753 K(480oC) 4.2.5 Kếtquảmô phỏngvàthảo luận a Giaiđoạnđúclưubiến(trởnhiệtlítưởng) Khin g h i ê n c ứ u q u t r ì n h c ô n g n g h ệ đ ú c g i a i đ o n đ ầ u , t ứ c l chưaxétđếntốcđộcủaconlăn,cóthểthấyqtrìnhkếttinhxảyranhưởcácphươngphápđúcthơngthường.Khirótkimloại vàokhn,banđầu kim loại chưa kết tinh, nhiệt độ nhiệt độ rót, sau mộtthời gian định, trình trao đổi nhiệt, kim loại bắt đầu kết tinhtừ vùng biên vào bêntrong vậtđúc (hình 4.14b) Hình 4.14b Trường nhiệt độphânbốtrongkhoảng(0,1đế n 3,1s), tỷ phần pha lỏng(2,9đến3,1s)vàđườngngu ộitheomặtcắtngangtrong vùng bán lỏng (tại cácđiểm 1,2,3,4 tính từ tâmvậtđúc): Tđv=6 oC, Tcl=120oC b Giaiđoạnđúcliên tục(kéotấm) Phân bố nhiệt độ với tốc độđúckhácnhau Kếtquảmơphỏngchothấyđểđịnh hình nhơm tốc độ kéo làkhá chậm (0,65 ÷ 1,3 m/ph), có thểdo q trình mơ thựchiệnvớitấm khádầy (5mm)vànhiệt độ bể chứa kim loại cao(600oC) Tỷphầnphavớitốcđộđ ú c khác Vớit ố c đ ộ v = , m / p h , t ứ c tốc độconlănrấtnhỏ,kimloạikếttinh nhanh, tỷ phần pha lỏnggiảmnhiều,đặcbiệttạibiênvàđầu Hình 4.17 Tỉ phần pha lỏng tạicáctốcđộconlănkhácnhau vật đúc,n ằ m t r o n g k h o ả n g ( , ÷ , ) t r o n g k h i t i v ị t r í t â m v ậ t đúc kimloạivẫn trạng tháibán lỏng Khi tăng tốc độ lên gấp đôiv= 1,3 m/ph, trường phân bố nhiệt độtương tự Tuy nhiên tỷ phần pha lỏng giảm chậm so vớiv= 0,65m/ph Nếu tốc độ lớn nữav= (2,6; 3,9; 6,5) m/ph thấy tỷ phần phalỏng giảm không đáng kể, kết tinh xảy chậm với tốc độnhỏ, dotỷphần pha lỏng cịnlớn (hình4.17) Phânbốnhiệtđộvà tỷphầnpha cácmặtcắt Quan sát mặt cắt thấy với tốc độ kéo nhỏ,v= 0,65m/ph, thời gian kim loại tiếp xúc với lăn lớn (khoảng 10 s), tốc độnguội cao nên đầu nhiệt độ giảm mạnh nhất, kim loại tạortdínhbám,nhưng dotốcđộnguộilớn(nguộinhanh)nêndạngnhánhcâydễhìnhthànhvàcũngdễtạorathiêntích.Nếuchọntốcđộđúclớn (v= 6,5 m/ph) tốc độ nguội chậm hơn, tỷ phần pha lỏng đầu rấtlớn,khiđókimloạirakhỏiconlăncóthểcịnchảylỏng,dễbámdínhvàkhơ ng thể tạohình thànhdạng 4.3 Nghiên cứu thực nghiệm q trình đơng đặc hợp kim A356trongcông nghệđúc lưu biến liên tục 4.3.1 Quytrìnhnấu -đúc lưubiếnliên tục 4.3.2 Khảosátcácthơngsốcơngnghệ a Nhiệtđộ bểchứa kim loại Kết nghiên cứu cho thấy nhiệt độ hợp lý bể kim loại lỏng nằmtrong khoảng (450 ÷ 470)oC dày mm thấp hơn(400oC)trongtrường hợp tấmdày5mm b Thờigian đôngđặcbanđầu(thờigian chờ) Kết nghiên cứu cho thấy quãng thời gian dày 5mm khơng vượt q s, cịn mỏng khởi động lănsau s c Nhiệtđộcon lăn làmnguội Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ lăn làm nguội nằm trongkhoảng(110 ÷120)oC phù hợp d Tốcđộ kéo Tốc độ kéo phù hợp cho kim loại lỏng đơng đặc hồn tồn tạivịtríbắtđầu đ i quaconlănlàm nguội.T ại thờ iđi ểm đónhi ệt độcủahợp kim caov đ ộ b ề n t h ấ p , n ế u c h a đ ô n g đ ặ c h o n t o n c ó thể bịđứthoặcbịtách lớp Các thông số công nghệ đúc lưu biến tạo cho trongbảng4.3 Các hợpkim sauđúc cókíchthướcđồngđềuvàc h ấ t lượngbềmặttốt(hình 4.27) Bảng4.3.Các thơng sốcơngnghệ trongđúc lưubiến tạo Hợp kimA356 Chiề udàytấ m,m m Nhiệt độkéo,oC 630-635 Nhiệt độbể kimloại,o C 470 625-630 Thời gianch ờ,s Nhiệt độconlăn,o C Tốc độkéo,m/ ph 115 19 -20 1,5 450 110 17 -18 2,0 605-615 430 110 16 -17 2,5 590-600 400 100-110 11 -13 3,0 Hình 4.27 Hình ảnh hợp kim A356sauđúc lưubiến liên tụccóbề mặtnhẵn CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐCƠNGNGHỆĐÚCLƯUBIẾNLIÊNTỤCĐẾNTỔCHỨC VÀCƠTÍNHCỦAHỢP KIMA356 5.1 Tổchứctếvi 5.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ rót (T rót= 625, 650, 675oC, L = 300mm,α =45o) Khi nhiệt độ rót cao (675 oC) thấp (625oC) so với nhiệtđộ đường lỏng, nhận tổ chức nhánh (hình 5.2 5.4) Cịn ởnhiệtđộróttrungbình(650 o C):tổchứchạtcầu,mịn,đồngđều(30-40m) (hình 5.3) Hình 5.2 Ảnh hiển viđiệnt q u é t t ổ c h ứ c tếvimẫu675-45-300.Không pháthiệnthấycác hạtcầu Hình 5.3 Ảnh hiển Hình 5.4 Ảnh hiển viđiệntửquétt ổ viđiệnt q u é t t ổ c h c h ứ c tế vi mẫu 650-45- ứ c tếvimẫu625-45300.Tổ chức hạt cầu, 300 Khơng phát kíchthướctươngđốiđều hiệnthấycáchạtcầu (20-30m) 5.1.2 Ảnh hưởng thời gian kim loại “lưu trú” máng làmnguội a Ảnh hưởngcủachiều dàimánglàmnguội Trót= 675oC,L= 200và 300mm,α=45o a) b) L= 200mm L= 300mm Hình 5.8 Ảnh tổ chức tế vi hợp kim rót 675oC mẫu:a)675-45-200, b)675-45-300 Ở nhiệt độ cao (675oC) tổ chức nhận ln nhánh cây(hình 5.2 5.8) Chiều dài máng làm nguội khoảng khảo sát là(200 ÷ 300) mm khơng có ý nghĩa, qua máng 300mmt h ì n h i ệ t đ ộ k i m l o i v ẫ n c h a g i ả m đế n n h i ệ t đ ộ t o m ầ m V i ệ c tăng chiều dài máng làm nguội (> 300 mm) dẫn tới tìnhtrạngkimloạibịbámdính máng Trót= 650oC,L=200 và300 mm,α= 45o b) a) L= 300mm L= 200mm Hình 5.9 Ảnh tổ chức tế vi hợp kim rót 650oC mẫu:a)650-45-200, b)650-45-300 Khichiềudà ilàm nguộilà 200mm (hình5 9a) hạttuy đãcódạng phi nhánhcâynhưnghơithơvàkhơngđều,thậmchícịncóthểsótlạinhánh (mũi tên) Cịn với chiều dài máng 300 mm tổ chức hạttrở nên nhỏ mịn đồng (hình 5.4 5.9b), chứng tỏ chiều dàimáng làm nguội phù hợp thời gian tạo mầm dị thể đủ để chúnghình thành phân bố kim loại Kích thước hạt nằm trongkhoảng(20 ÷30)m T= 625oC,L=200 300mm,α= 45o Với nhiệt độ rót thấp (625 oC) chiều dài máng 200 mm tổchức dạng phi nhánh Còn chiều dài máng 300 mm lại dàikhiến tổc h ứ c m n g n h n h c â y đ ợ c h ì n h t h n h đ ã t r n ê n k h v ữ n g chắcvà tổ chứcnhận đượccó dạngnhánh Để đánh giá độ cầu hóa hạt cần sử dụng thơng số hình dạng Cácthơng số hình dạng định nghĩa làF=p2/(4.S), đóplà chuvi/đườngbaovàSlà diện tích hìnhbao Hiệuq u ả c ầ u h ó a t ổ c h ứ c t ố t n h ấ t n h i ệ t đ ộ r ó t o C( < F < 1,5),sau đólàở625 o C(1,5