Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến-áp lực (rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm A356

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hồng Hải TS Nguyễn Văn Chƣơng, ngƣời thầy tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vật liệu Công nghệ đúc, phòng Thí nghiệm tập trung Công nghệ Vật liệu Kim loại, môn khác thuộc Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Trung tâm đào tạo bồi dƣỡng sau đại học, giúp đỡ suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Công nghệ động viên tạo điều kiện để hoàn thành luận án Tôi xin cảm ơn ông Pieter giám đốc phát triển phần mềm MaGma khu vực Đông Nam giúp đỡ mô thiết kế công nghệ đúc áp lực- bán lỏng Xin cảm ơn Anh, Chị Bạn đồng nghiệp phòng Thí nghiệm Công nghệ Hợp kim đúc, phòng Kiểm định Vật liệu, phòng Thí nghiệm Khuôn kim loại thuộc Viện Công nghệ giúp đỡ nhiều việc hoàn thành phần thực nghiệm luận án Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất đồng nghiệp, bạn bè, gia đình ngƣời thân tình cảm quý giá, động viên khích lệ mong muốn sớm hoàn thành luận án I LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả Nguyễn Tiến Tài Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải TS Nguyễn Văn Chương II MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC BẢNG IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ X MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đúc áp lực 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển phƣơng pháp đúc áp lực 1.1.2 Đặc điểm trình đúc áp lực cao 12 1.2 Công nghệ đúc bán lỏng 15 1.2.1 Các dạng công nghệ đúc bán lỏng 15 1.2.1.1 Đúc xúc biến 15 1.2.1.2 Đúc lƣu biến 16 1.2.2 Các phƣơng pháp công nghệ tạo vật liệu bán lỏng 17 1.2.3 Phối hợp đúc lƣu biến- đúc áp lực (Rheo diecasting- RDC) 21 1.3 Tình hình nghiên cứu nƣớc 24 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26 2.1 Ảnh hƣởng áp lực đến tổ chức tính chất hợp kim 26 2.1.1 Ảnh hƣởng áp lực đến tính chất nhiệt lý 26 2.1.2 Ảnh hƣởng áp lực đến cân pha 28 2.1.3 Ảnh hƣởng áp lực tới thông số trình kết tinh 29 2.1.4 Những thay đổi cấu trúc kim loại hợp kim kết tinh dƣới áp lực 30 2.2 Đặc điểm trình điền đầy khuôn đúc áp lực 32 2.2.1 Dòng chảy tầng 32 2.2.2 Dòng chảy rối 33 2.2.3 Dòng chảy phân tán 33 2.3 Mô hình dòng chảy phƣơng pháp tính toán động lực học chất lỏng 33 2.3.1 Phần tử chất lỏng 34 2.3.2 Phƣơng trình đặc trƣng dòng chảy 34 2.3.3 Phƣơng trình liên tục 34 2.3.4 Phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng 35 2.3.5 Phƣơng trình bảo toàn mômen 35 2.3.6 Điều kiện nhiệt độ biên (Temperature boundrary condition) 35 III 2.3.7 Trao đổi nhiệt miền biên vùng rắn 35 2.3.8 Điều kiện truyền nhiệt đối lƣu (convection boundary condition) 36 2.3.9 Điều kiện truyền nhiệt xạ 36 2.3.10 Điều kiện truyền nhiệt kết hợp đối lƣu xạ 36 2.4 Mô hình k- 36 2.5 Cơ sở lý thuyết lƣu biến 38 2.6 Cơ sở lý thuyết trình tạo mầm [6] 40 2.6.1 Tạo mầm nội sinh (đồng thể) 40 2.6.2 Tạo mầm ngoại sinh (dị thể) [6] 42 2.7 Đặc điểm hợp kim Al-Si 44 CHƢƠNG III ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu 47 3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 49 3.2.1 Các trang thiết bị sử dụng để nghiên cứu 49 3.2.1.1 Thiết bị nấu luyện 49 3.2.1.2 Thiết bị khuấy trục graphite 49 3.2.1.3 Thiết bị kiểm tra nhiệt độ 50 3.2.1.4 Thiết bị đúc áp lực 51 3.2.1.5 Phần mềm mô số 51 3.2.2 Các phƣơng pháp phân tích đánh giá 53 3.2.2.1 Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức 53 3.2.2.2 Thiết bị đo độ cứng tế vi 53 3.2.2.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) phổ EDS 54 3.2.2.4 Đo tỷ trọng 54 3.2.2.5 Đánh giá tính 54 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 56 4.1 Tính toán thiết kế công nghệ khuôn đúc Lƣu biến- áp lực 56 4.1.1 Tính toán rãnh dẫn 56 4.1.2 Tính toán hệ thống thông cho khuôn Lƣu biến- áp lực [7] 57 4.2 Mô số trình công nghệ đúc Lƣu biến- áp lực 58 4.2.1 Mô hình vật liệu 59 4.2.2 Thông số công nghệ 59 4.3 Thực nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm A356 60 4.3.1 Chuẩn bị chất sơn bảo vệ nồi nấu 60 4.3.2 Chuẩn bị chất sơn dụng cụ (gáo múc, chụp khử khí, que khuấy) 60 4.3.3 Chuẩn bị lò nấu 60 4.3.4 Chuẩn bị vật liệu 60 4.3.5 Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện 61 IV 4.3.6 Nấu luyện biến tính hợp kim nhôm đúc áp lực 61 4.4 Thực nghiệm chế tạo phôi mẫu đúc Lƣu biến- áp lực 62 4.4.1 Chuẩn bị thiết bị khuấy bán lỏng 62 4.4.2 Chuẩn bị thiết bị đúc áp lực 62 4.4.2.1 Các thao tác lắp khuôn 62 4.4.2.2 Chuẩn bị hỗn hợp sơn tách khuôn 63 4.4.2.3 Chuẩn bị dầu bôi trơn đầu pisttông 63 4.4.2.4 Lập trình chế độ đúc áp lực 63 4.4.3 Chế tạo mẫu thử 65 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 69 5.1 Kết mô trình điền đầy khuôn 69 5.1.1 Kết mô trình điền đầy khuôn với tỷ lệ chiều dày rãnh dẫn h chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,5 69 5.1.2 Kết mô trình điền đầy khuôn với tỷ lệ chiều dày rãnh dẫn h chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,7 73 5.1.3 Kết mô trình điền đầy khuôn với tỷ lệ chiều dày rãnh dẫn h chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,8 75 5.2 Kết mô trình truyền nhiệt 77 5.2.1 Trƣờng nhiệt độ vật đúc 77 5.2.2 Phân bố nhiệt độ mặt cắt biến thiên nhiệt độ vị trí tâm mẫu 79 5.3 Tổ chức tế vi mẫu đúc Lƣu biến-áp lực 81 5.3.1 Sự hình thành pha 81 5.3.2 Sự hình thành tinh 89 5.4 Nghiên cứu phân tích cấu trúc 92 5.5 Kết nghiên cứu tỉ trọng hợp kim A356 96 5.5.1 Các chế độ công nghệ 96 5.5.2 Kết xác định tỷ trọng 96 5.5.2.1 Kết xác định tỷ trọng theo chiều dọc mẫu 98 5.5.2.2 Kết xác định tỷ trọng ba vị trí mẫu 100 5.6 Kết nghiên cứu độ cứng hợp kim A356 102 5.7 Kết nghiên cứu độ bền kéo hợp kim A356 105 CHƢƠNG ỨNG DỤNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM 108 6.1 Chế thử sản phẩm Thân bơm 108 6.1.1 Tính toán rãnh dẫn 108 6.1.2 Tính toán rãnh 109 6.1.3 Thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực chi tiết thân bơm BRA50 109 V 6.1.4 Kết chế tạo chi tiết thân bơm BRA50 111 6.2 Chế thử nắp hông động RV125 113 6.2.1 Tính toán rãnh dẫn 114 6.2.2 Tính toán rãnh 114 6.2.3 Thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 114 6.2.4 Kết chế tạo chi tiết nắp hông RV125 116 KẾT LUẬN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC 125 PHỤ LỤC 126 VI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT HPDC SSM MHD SIMA RAP NRC SSTT RDC   Đúc áp lực Công nghệ bán lỏng Khuấy thủy động lực từ Kích hoạt pha lỏng dƣới ứng suất Kết tinh lại nấu chảy phần Đúc lƣu biến Chuyển biến nhiệt bán lỏng Đúc lƣu biến- áp lực Ứng suất cắt, [Pa]  Tốc độ cắt, [s-1] k  N  N Rkm e  Tđ Tl T   fs fl FCC AL M Tk Tkh MIT Vkh tkh V1 V2 Tp x (1-x) LA LB dp D δ η R Hệ số liên quan đến độ nhớt Ứng suất chảy tĩnh, [Pa] Tham số Độ nhớt, [Pas] Tần số, [Hz] Giới hạn bền kéo, [MPa] Sự dịch chuyển Góc thấm ƣớt, [0] Nhiệt độ đƣờng đặc, [0 C] Nhiệt độ đƣờng lỏng, [0 C] Độ giảm nhiệt độ, [0 C] Dung dịch rắn hoà tan Si Pha liên kim (Al5FeSi) Tỷ phần pha rắn, [%] Tỷ phần pha lỏng, [%] Lập phƣơng tâm mặt Ký hiệu mẫu có áp lực Ký hiệu mẫu khuôn mỏng Ký hiệu nhiệt độ khuôn, [0 C] Ký hiệu nhiệt độ khuấy, [0 C] Ký hiệu mẫu khuấy trục graphit Ký hiệu tốc độ khuấy, [vòng/phút] Ký hiệu thời gian khuấy, [s] Thể tích trạng thái lỏng, [m3] Thể tích trạng thái rắn, [m3] Độ chênh nhiệt độ nóng chảy dƣới tác động áp suất, [0 C] Nồng độ mol cấu tử A Nồng độ mol cấu tử B Ẩn nhiệt nóng chảy cấu tử A Ẩn nhiệt nóng chảy cấu tử B Độ chênh áp suất [MPa] Hệ số khuếch tán Chiều dài bƣớc nhảy nguyên tử Độ nhớt kim loại lỏng Hằng số khí VII ε Cb Ct N B C0 Mức độ thiên tích nội hạt Nồng độ nguyên tố hợp kim biên hạt Nồng độ nguyên tố hợp kim tâm hạt Mật độ lệch tƣơng đối Hằng số tích phân Nồng độ nguyên tố hợp kim VIII DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy tác động áp suất [47] 27 Bảng 2.2 Ảnh hưởng áp lực tới trọng lượng riêng kim loại hợp kim [47] 28 Bảng 2.3 Độ nguội cần thiết để tạo mầm nội sinh 42 Bảng 3.1 Thành phần hợp kim A 356 48 Bảng 4.1 Chiều dày rãnh khuôn đúc 58 Bảng 4.2 Khối lượng riêng không khí phụ thuộc nhiệt độ 58 Bảng 4.3 Các thông số nhiệt lý vật đúc 59 Bảng 4.4 Các thông số nhiệt lý khuôn kim loại 59 Bảng 5.1 Thành phần hóa học hợp kim A356 81 Bảng 5.2 Ảnh hưởng áp lực ép tĩnh đến tỷ trọng hợp kim A356 98 Bảng 5.3 Độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực , áp lực ép tĩnh 200MPa 102 Bảng 5.4 So sánh độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực đúc Áp lực, áp lực ép tĩnh 200MPa 103 Bảng 5.5 Độ bền kéo độ dãn dài mẫu đúc với công nghệ chế tạo khác 105 IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Rỗ khí xuất vị trí bơm dầu nắp hông động Hình 1.2 Bọt khí vị trí trục tay quay đường bơm dầu Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống chân không hóa khuôn ép, buồng ép khử khí kim loại lỏng chân không Hình 1.4 Sơ đồ trình ô xy Hình 1.5 Mô hình dòng chảy rối (a), dòng chảy tầng (b) Hình 1.6 Dòng chảy đúc áp lực a, đúc Lưu biến- áp lực b [32] Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849 Hình 1.8 Máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877 10 Hình 1.9 Sơ đồ máy đúc áp lực công ty H.H Franklin chế tạo năm 1904 10 Hình 1.10 Các sản phẩm đúc áp lực cao lĩnh vực xe máy 11 Hình 1.11 Block động diesel cho động diesel turbo xe Honda Accord 2005, sản xuất công nghệ đúc Lưu biến- áp lực [28] 11 Hình 1.12 Sản phẩm nắp hông động Diezel 12 Hình 1.13 Các sản phẩm dạng thanh, 12 Hình 1.14 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội 13 Hình 1.15 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng 13 Hình 1.16 Đồ thị vận tốc áp suất buồng ép [9] 14 Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ đúc lưu biến xúc biến 15 Hình 1.18 Quá trình đúc xúc biến (Thixo-casting) [12] 16 Hình 1.19 Quá trình đúc lưu biến 16 Hình 1.20 Sơ đồ mô tả hình thành tinh thể dạng vê cạnh [12] 16 Hình 1.21 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt 17 phương pháp công nghệ bán lỏng khác 17 Hình 1.22 Phương pháp nhiệt trực tiếp [44] 18 Hình 1.23 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT [43] 20 Hình 1.24 Tổ chức tế vi hợp kim A356 đạt phương pháp MIT Kích thước hạt trung bình ~ 100m [43] 20 Hình 1.25 Sơ đồ minh họa bước phương pháp đúc GISS [27] 20 Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống đúc rheo-diecasting dùng vít tải [21] 21 Hình 1.27 So sánh tính đạt phương pháp đúc khác [21] 21 Hình 1.28 Mô tả phương pháp ―Đúc áp lực- GISS‖[27] 22 Hình 1.29 Sơ đồ hệ thống thiết bị phương pháp Hong-nanocasting [29] 23 Hình1.30 Sơ đồ trình đúc lưu biến-áp lực với kênh dẫn uốn khúc 23 Hình1.31 Mẫu kiểm tra độ bền kéo 23 X 2,9kg hợp kim nhôm A356 đƣợc đánh giá thông qua tỷ trọng tuyệt đối (ρ) Khi đúc thân bơm BRA50 phƣơng pháp đúc áp lực với vận tốc dòng chảy 30m/s, áp suất ép tĩnh p3= 200 MPa cho thấy tỷ trọng đạt  2,21 g/cm3 Khi tiến hành đúc thân bơm BRA50 phƣơng pháp đúc Lƣu biến- áp lực vận tốc dòng chảy 5,5 m/s, áp suất ép tĩnh p3= 200 MPa cho thấy tỷ trọng đạt  2,6 g/cm3, hình 6.6 (b) gần giá trị tiêu chuẩn ASTM 2,67 g/cm3 [34] Hình 6.6 Khuyết tật rỗ xốp vật đúc đúc áp lực (a) không rỗ xốp (b) đúc Lưu biến- áp lực so sánh với kết mô 112 Hình 6.7 Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p3= 185 MPa Hình 6.8 Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p3= 200 MPa Khi tiến hành đúc thân bơm BRA50 phƣơng pháp đúc Lƣu biến- áp lực vận tốc dòng chảy 5,5 m/s, áp suất ép tĩnh p3= 185 MPa bề mặt bên ngoài, bên thân bơm nhiều nếp nhăn nhƣ trình bày (hình 6.7) Khi tăng áp suất ép tĩnh lên p3= 200 MPa chế độ đúc bề mặt vật đúc nhẵn đẹp nhƣ đƣợc trình bày hình 6.8 Nhƣ vậy, áp suất ép tĩnh ảnh hƣởng đến tỷ trọng mà ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt vật đúc 6.2 Chế thử nắp hông động RV125 Nhu cầu động RV125 tháng từ 1500 2000 Trong đó, tỉ lệ xuất chiếm từ 5060%, nƣớc: Indonesia, Srilanka, Hàn Quốc, Nhật Động chủ yếu dùng nông nghiệp máy phát điện Đây sản phẩm động diezen đƣợc ƣa chuộng thị trƣờng Một số chi tiết động đƣợc nội địa hóa nhƣ: Bơm cao áp, vòi phun nhiên liệu, piston, sơ mi, nắp xy lanh,…đã đáp ứng đƣợc yêu cầu suất, kỹ thuật nhƣ công nghệ chế tạo Tuy nhiên, nắp hông động chế tạo, sản xuất theo công nghệ đúc áp lực truyền thống chƣa hoàn toàn đảm bảo ổn định chất lƣợng Vì vậy, cần nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc lƣu biến-áp lực vào việc chế tạo nắp hông động RV125 để giải vấn đề Nắp hông chi tiết động RV125, nằm phía bên phải động Nó đóng vai trò quan trọng việc che chắn bảo vệ động định vị số chi tiết động nhƣ: bơm cao áp, cần điều tốc, cần ga, bơm dầu nhớt, ống dẫn dầu, van điều áp, trục khởi động 113 Yêu cầu kỹ thuật chi tiết nắp hông động RV125 Bề mặt chi tiết nhẵn đẹp, trọng lƣợng phôi đúc: 2,4 kg; độ bền kéo > 160 MPa; thử áp lực khí đƣờng bơm cao áp > 6at; tổng diện tích hình chiếu bề mặt (tính cho nửa khuôn cối): 726 cm2; kích thƣớc bao lớn phôi đúc: 22cmx33cm; kích thƣớc bao lớn dự kiến khuôn: 600mmx600mm; đƣờng kính buồng nạp Ø80mm 6.2.1 Tính toán rãnh dẫn Khối lƣợng nắp hông động RV125 2,4kg, đậu đậu tràn 0,34kg Áp dụng công thức 4.1 [7], ta tính toán đƣợc tổng diện tích rãnh dẫn: Trong đó: tdd = 0,136s (Lnạp = 0,204 m; v2 = 1,5 m/s); ρm = 2.670 kg/m3; mp = 0,34 kg; mvd = 2,4 kg, Lựa chọn Vnap = 5m/s Thay thông số vào công thức 4.1 ta đƣợc fd [7]: 2,4  0,34  0,001509m2 2670* * 0,136 fd  Nhƣ diện tích rãnh dẫn fd = 1509 mm2; (diện tích miệng phun chỗ thắt) 6.2.2 Tính toán rãnh Áp dụng công thức thực nghiệm 4.4 [7]; tính toán đƣợc fh nhƣ sau: Ta có: Vvđ = 899*10-6 m3; Tk = 8830 K; Thời gian điền đầy tdd = 0,136 s; áp suất khí khuôn pk = 0,16 MPa = 16.315,5 kg/m2, đổi 1MPa = 101.971,6 kg/m2; (pk: lấy theo thực nghiệm); gia tốc trọng trƣờng g = 9,81 m/s2; ρk = 0,04 (theo bảng 4.2 [7]) ta có fh[7]: f n  0,65* 9,81 0,04*899*106 * 883 1, 43  1 16315,5 * 0,136*    1,6  1, 71  1    1,6  12,23*106 m2 Nhƣ tổng thiết diện rãnh fh = 12,23 mm2 6.2.3 Thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 Từ kết tính toán tiết diện rãnh dẫn, rãnh sở vẽ chi tiết nắp hông RV125 3D, thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực với thông số nhƣ sau: - Chọn với tỷ lệ co hợp kim nhôm đúc khuôn áp lực 0,6%, kích thƣớc gia công cộng lƣợng dƣ 1,5 mm, lỗ trụ Ф10÷20 cộng lƣợng dƣ gia công 1mm chiều côn thoát ruột 1o 114 - Căn vào kết mô phỏng, chọn tỷ lệ chiều dày rãnh dẫn h chiều dày thành vật đúc H, h/H=0,8, chiều dày đáy trung bình thành nắp hông 6mm, nên chiều dày rãnh dẫn 4,8mm - Chọn tiết diện ngang rãnh rãnh hai bên là: 4x0,2mm Ta thiết kế đƣợc khuôn đúc Lƣu biến- áp lực cho cho chi tiết nắp hông RV125 nhƣ trình bày hình 6.9 Hình 6.9 Bộ khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 Từ vẽ thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125, tiến hành gia công, chế tạo đƣợc khuôn hoàn chỉnh nhƣ đƣợc trình bày hình 6.10 Hình 6.10 Bộ khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 chế tạo 115 6.2.4 Kết chế tạo chi tiết nắp hông RV125 Với thông số kỹ thuật nhƣ sau: Tổng chiều dài hành trình piston 479 mm, đƣợc chia làm giai đoạn: chiều dài giai đoạn (kim loại lỏng điền đầy buồng nạp, L1) 280 mm với vận tốc v1 = 1,2 m/s, áp suất ép p1 = 90 MPa; chiều dài giai đoạn (kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn, L2) 429 mm với vận tốc v2 = 1,5 m/s, áp suất ép p2 = 90 MPa chiều dài giai đoạn (kim loại đông đặc dƣới áp suất lớn, L3) 479 mm với vận tốc v3 = m/s, áp suất ép p3 = 205 MPa Chi tiết nắp hông RV125 với trọng lƣợng vật đúc 2,4 kg, trọng lƣợng hệ thống rót, đậu tràn 1,2 kg Tiến hành chế tạo sản phẩm phƣơng pháp đúc Lƣu biến- áp lực, chi tiết nắp hông RV125 có bề mặt nhẵn đẹp nhƣ đƣợc trình bày hình 6.11 Hình 6.11 Hình ảnh chi tiết RV 125 đúc phương pháp Lưu biến- áp lực Tuy nhiên, sản phẩm đúc áp lực chế độ đúc ổn định, bề mặt vật đúc nhẵn đẹp nhƣng vị trí có thành dày cục thƣờng có khuyết tật xốp, khí Vì vậy, cần phải kiểm tra vị trí xảy khuyết tật đúc nhƣ ụ tâm nhiệt, trụ chuyển tiếp khu vực có yêu cầu chất lƣợng cao nhƣ đƣờng thăm dầu, bơm cao áp, tay quay cần khởi động Tiến hành cắt ngang qua vị trí nêu để kiểm tra khuyết tật Kết thu đƣợc mặt cắt sít chặt, hẳn so với phƣơng pháp đúc áp lực thông thƣờng, trình bày hình 6.12; 6.13; 6.14 với sản phẩm RV125 Vị trí thăm dầu có bề dày 14mm, để gia công ren để lắp ráp với que thăm dầu Khi đúc phƣơng pháp đúc áp lực xuất bọt xốp có kích thƣớc khoảng 1÷1,2 mm hình 6.12.(b) không bọt xốp đúc phƣơng pháp đúc Lƣu biến- áp lực hình 6.12 (a) 116 a) b) Hình 6.12 Vị trí gia công que thăm dầu nắp hông RV125: a) chế tạo phương pháp Lưu biếnáp lực, không bọt xốp; b) chế tạo phương pháp đúc áp lực, bọt xốp Tại vị trí tay quay thƣờng xuất bọt xốp độ dày lớn; thông thƣờng sau gia công xong phát đƣợc khuyết tật Sản phẩm phế phẩm khuyết tật dẫn đến việc phá hủy phớt chặn dầu Khi tiến hành đúc phƣơng pháp Lƣu biếnáp lực bọt xốp bị loại bỏ (hình 6.13a), khi chế tạo phƣơng pháp đúc áp lực xuất bọt xốp lớn đên vài mm (hình 6.13b) a) b) Hình 6.13 Vị trí trục khởi động nắp hông RV125: a) chế tạo phương pháp Lưu biến- áp lực, không cònbọt xốp; b) chế tạo phương pháp đúc áp lực, bọt xốp Đƣờng bơm dầu đòi hỏi phải chịu áp suất cao, sau gia công kiểm tra kín thử áp suất khí lên đến atm, vị trí thƣờng xuất bọt xốp đƣờng bơm dầu có kích thƣớc tiết diện ngang lớn khoảng Ø15mm Khi tiến hành đúc phƣơng pháp Lƣu biến- áp lực bọt xốp bị loại bỏ (hình 6.14 a); chế tạo phƣơng pháp đúc áp lực xuất bọt xốp khoảng 1,5mm (hình 6.14 b) a) b) Hình 6.14 Vị trí gia công đường bơm dầu nắp hông RV125; a) chế tạo phương pháp Lưu biến- áp lực, không bọt xốp;b) chế tạo phương pháp đúc áp lực, bọt xốp 117 Độ sít chặt chi tiết nắp hông RV125 có khối lƣợng theo thiết kế 2,4kg hợp kim nhôm A356 đƣợc đánh giá thông qua tỷ trọng tuyệt đối (ρ) Khi tiến hành đúc nắp hông RV125 phƣơng pháp đúc áp lực, với vận tốc dòng chảy 30m/s, áp suất ép tĩnh p3 = 200 MPa, khối lƣợng phôi 2,27 kg, tỷ trọng đạt  2,525 g/cm3 Khi tiến hành đúc nắp hông RV125 phƣơng pháp đúc Lƣu biến- áp lực vận tốc dòng chảy 5m/s, áp suất ép tĩnh p3 = 200 MPa, khối lƣợng phôi 2,38 kg, tỷ trọng đạt  2,647 g/cm3gần giá trị tiêu chuẩn ASTM 2,67 g/cm3 [34] Kết luận: Khi đúc phƣơng pháp đúc lƣu biến- áp lực phải tăng tiết diện rãnh dẫn tăng áp suất ép tĩnh Phƣơng pháp đúc Lƣu biến- áp lực cho phép đúc sản phẩm có kết cấu phức tạp độ dày thành trung bình đến 20mm Vận tốc kim loại vào hốc khuôn nhỏ (~ 2-5 m/s), dòng chảy tầng, khí, giảm độ co, bọt xốp Nhiệt độ kim loại lỏng thấp (~ 6000 C), tăng tuổi thọ khuôn, chu trình đúc đƣợc rút ngắn 118 KẾT LUẬN Đã thực đầy đủ nội dung nghiên cứu đề Kết nghiên cứu cho thấy việc kết hợp đúc lƣu biến đúc áp lực cho phép thực công nghệ đơn giản, không tốn kém, dễ vận hành mà đạt đƣợc hiệu cao Kết mô cho thấy công nghệ đúc lƣu biến-áp lực dòng chảy tầng điền đầy khuôn đạt đƣợc phối hợp tốt yếu tố công nghệ khuôn lƣu tốc dòng chảy: - Khi tỷ lệ chiều dày rãnh dẫn chiều dày thành vật đúc, h/H = 0,5 để đảm bảo dòng chảy tầng vận tốc tối đa dòng chảy, vmax = 2,2 m/s; - Với h/H = 0,7 vmax = 3,6 m/s; - Với h/H = 0,8 vmax = m/s; Kết mô cho thấy: khác với đúc thông thƣờng, trình đúc lƣu biếnáp lực nhiệt độ khối kim loại bán lỏng đƣợc đồng hóa: kết xác định trƣờng nhiệt cho thấy nhiệt độ mặt cắt chênh vài độ, trong trƣờng hợp đúc thông thƣờng chênh 2000C Điều tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành tinh thể trục, cầu tròn Quá trình đông dặc hình thành tổ chức hợp kim công nghệ đúc lƣu biến-áp lực (rheo-diecasting) đƣợc làm rõ: kết tinh đông đặc công nghệ đúc lƣu biến-áp lực xảy theo giai đoạn: - Kết tinh lần đầu xảy gáo rót với hình thành mầm dị thể, kết tạo hạt 1 có kích thƣớc ~ 35 m - Các mảnh vỡ nhánh (các hạt 2) đƣợc tạo buồng ép có kích thƣớc trung bình ~ 20 m tỷ phần thể tích ~ 10% Đây tổ chức không mong muốn nhƣng không tránh đƣợc Trong trình đúc lƣu biến-áp lực tỷ phần thể tích hạt 2 giảm đáng kể so với đúc áp lực thông thƣờng - Quá trình kết tinh thứ cấp xảy khuôn Do tiếp xúc với khuôn nguội độ nguội mức 1-2 K đƣợc hình thành tạo hạt mịn, 3, có kích thƣớc khoảng m Dƣới tác dụng áp lực độ nguội bổ sung mức - 2,5K đƣợc hình thành góp phần tạo loạt hạt có kích thƣớc nhỏ mịn (2 – m) Sự cải thiện tổ chức đẫn đến cải thiện rõ rệt đặc tính học hợp kim: Độ bền kéo mẫu đúc lƣu biến – áp lực đạt giá trị 255-284 MPa, cao nhiều so với đúc áp lực thông thƣờng đáp ứng tiêu chuẩn ASM (Mỹ) Ngoài dạng khuyết tật 119 điển hình vật đúc nói chung đúc áp lực nói riêng xốp tế vi (co khí, xốp đƣờng tâm) đƣợc khắc phục cách bản; kết tỷ trọng tăng 0,0474g/m 3, tức khoảng 2% Tỷ trọng tăng nhiều tăng áp suất ép: áp suất ép tăng từ 185 lên 205 MPa tỷ trọng trƣờng hợp đúc lƣu biến-áp lực tăng 0,026 g/m3 so so với 0,021 g/cm3 đúc áp lực thông thƣờng, tức nhiều 24% Cuối cùng, tỷ trọng đồng khu vực bên tâm: trƣờng hợp đúc lƣu biến-áp lực độ chênh lớn 0,34% so với 1,27 % trƣờng hợp đúc áp lực thông thƣờng, tức gần lần Tất điều nói cho thấy xốp tế vi, thƣờng đƣợc hình thành tâm vật đúc, giảm đáng kể Kết nghiên cứu đƣợc ứng dụng để chế thử số sản phẩm ngành máy động lực: kết chế thử cho thấy sản phẩm chế tạo phƣơng pháp đúc Lƣu biếnáp lực có độ sít chặt tốt, không xuất rỗ xốp vị trí ụ dày, không bị nhăn vị trí thành mỏng Phƣơng pháp đúc lƣu biến- áp lực cho phép đúc sản phẩm có độ dày thành trung bình đến 20mm Vận tốc kim loại vào hốc khuôn nhỏ (~ 2-5 m/s), dòng chảy tầng, khí, giảm độ co, bọt xốp Nhiệt độ kim loại lỏng thấp (~ 6000 C), tăng tuổi thọ khuôn, chu trình đúc đƣợc rút ngắn Có thể ứng dụng công nghệ đúc Lƣu biến-áp lực để chế tạo sản phẩm ngành máy động lực - máy nông nghiệp thay cho chi tiết gang có trọng lƣợng lớn 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hai Nguyen Hong, Duc Do Minh, Tien Nguyen Ngoc, Nguyen TienTai, (2011), Semi-solid Rheocasting (SSR) of Al-Si alloy Advanced Method and Technologies for Materials Development and Processing, Belarus National Academy of Sciences, pp.209-215 ISBN 978-985-6441-16-8 Nguyễn Tiến Tài, Đỗ Minh Đức, Nguyễn Hồng Hải Phạm Quang, (2013), Ảnh hưởng áp suất đến tổ chức tế vi tính chất học hợp kim A356 chế tạo phương pháp đúc Lưu biến- Áp lực Tạp chí Khoa học Công nghệ, tập 51 số 5A, pp.194-200, ISSN 0866-708X Nguyễn Tiến Tài, Đỗ Minh Đức, Nguyễn Hồng Hải Phạm Quang, (2013), Tối ưu hóa đặc tính dòng chảy chế tạo khuôn đúc áp lực cao phần mềm thiết kế Pro/Engineer Tạp chí Khoa học Công nghệ, tập 51 số 5A, pp.201-207, ISSN 0866-708X Do Minh Duc, Nguyen Tien Tai, Nguyen Hong Hai and Pham Quang, (2014), Analyse of Pressure Efect on Solidification Process during Semi-Solid Casting by Computational Fluid Dynamics (CFD), Proc Of the 15th International Symposium on Eco-materials Processing and Design (ISEPD2014), pp.404-408, ISBN 978-895708-236-2 Nguyen Hong Hai, Nguyen Tien Tai and Do Minh Duc, (2015), Research and application of Rheo- Diecasting process for thick- wall components, The 13th Asian Foundry Congress (AFC- 13), Asia foundies- Challenges and opportunities in modern developments in the foundry, pp.397-403 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Belopukhov A K., (1985), Công nghệ đúc áp lực, Moskva [2] Belostoski M D, (1989), Một số vấn đề phát triển đúc áp lực, Tạp chí sản xuất đúc số [3] Belov V M., Iudkovski S F, (1987), Đúc áp lực chi tiết hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao, Tạp chí sản xuất đúc số 12 [4] Lê Công Dƣỡng, (1996), Vật liệu học NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Hồng Hải, (2010), đề tài mã số KC02-23/06-10 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc bán lỏng để chế tạo sản phẩm từ hợp kim nhôm có độ bền cao ngành chế tạo máy động lực, ô tô, xe máy‖ [6] Nguyễn Hồng Hải, (2006), Cơ sở lý thuyết trình đông đặc số ứng dụng Nxb Khoa học & Kỹ thuật, [7] Nguyễn Hữu Dũng, (2006), Các phương pháp đúc đặc biệt, NXB KH&KT Hà Nội [8] Nguyễn Ngọc Hà, (2006), Các phương pháp công nghệ đúc đặc biệt Nhà xuất Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [9] Nguyễn Đức Thành, Phạm Quang, Đỗ Văn Cƣờng Nguyễn Hồng Hải, (2011), Phân tích ảnh hưởng áp suất tới trình đông đặc công nghệ đúc bán lỏng phương pháp tính toán động lực học dòng chảy, Hội nghị KH CN lần thứ 12, ĐHQG HCM, [10] Nguyễn Ngọc Tiến, (2013), đề tài NCS “Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim A356” Thƣ viện Tạ Quang Bửu- Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội [11] Nguyễn Khắc Xƣơng, (2003), Vật liệu kim loại màu NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [12] http://www.vidpolcasting.com/home.asp?act=detailsv&id=49 “Công nghệ đúc bán lỏng” [13] (2006), Phƣơng pháp tính toán động lực học chất lỏng (Computational fluid dynamics, CFD) FLUENT 6.3 User’s Guide, © Fluent Inc, Tài liệu tiếng Anh [14] Brandes E A, (1983), Smithells metals reference book: Ch.14 General physical properties, Ch 26 Aluminium casting alloys, ©Butterworths & Co Ltd., Sixth edition, ISBN: 0-408-71053-5 [15] CHEN Zheng-zhou, MAO Wei-min, WU Zong-chuang, (2010); Mechanical properties and microstructures of Al alloy tensile samples produced by serpentine channel pouring rheo-diecasting process; China Received 30 August 2010; accepted [16] D.J Browne, M.J.Hussey, A.J Carr, (2006), Towards optimisation of the thermal method of rheocasting University College Dublin Department of Mechanical Engineering, Ireland [17] Doutre D, Hay G, Wales P, Gabathuler J P, (2004), A new process for semi-solid forming, Can Metall Q, 43(2): pp 265−272 [18] Dr Matt Dargusch, (2003), Porosity Reduction in a High Pressure Die Casting Through The Use of Squeeze Pins Transactions Congress Sessions 22nd International Die Casting Congress and Exposition [19] Fan Z, Bevis M J, Ji S, (1999), Process and apparatus for manufacturing castings from immiscible metallic liquids, UK GB9922696.1 [20] Fan Z, Fang S, Ji S, (2005), Microstructure and mechanical properties of rheodiecast (RDC) aluminum alloys, Mater Sci Eng A, 412, pp 298−306 122 [21] Fan Z, (2004), Rheo-Diecasting of Al-alloys Brunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University, Uxbridge, UK Materials Forum Volume 28 [22] Flemings M C, Martinez R A, Figueredo A M, (2002), Metal alloy compositions and process, US 20020096231 BiBTeX, EndNote, RefMan [23] Forn A, Espinosa I, Baile M T, Ruperez E, (2008), Anodizing of A356 T6 alloys obtained by sub-liquidus casting, Solid State Phenomena, 141−143: pp.755−760 [24] H Combeau and al (1998) Solidification Course Savanah, Georgia, USA [25] H.V Atkinson, (2005), Modelling the semisolid processing of metallic alloys Progress in Materials Science, Volume 50, Issue 3, Pages 293-412 (March 2005) [26] IDRA Report, (2008), Reduction of Porosity and Cycle Time of ADC10 Die Castings Using SSR technology [27] J Wannasin, (2012), Semi-solid Die Casting using the Gas Induced (GISS) Semisolid Technique, Department of Mining & Materials Engineering; Prince of Songkla University Hat Yai, Songkhla, Thailand [28] Jessada Wannasin* and Sangop Thanabumrungkul, (2008) Development of a semisolid metal processing technique for aluminium casting applications, Department of Mining and Materials Engineering, Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Hat Yai, Songkhla, 90112 Thailand [29] J.M.Kim†, J.G.Sim, D.S.Kim* and C.P.Hong, (2005), Development of new semi-solid Die-Casting (Nano-cast Method) Center for Computer-Aided Materials Processing (CAMP), Dept of Metallurgical Engineering, Yonsei University, Shinchon-dong 134, Seodaemun-ku, Seoul, 120-749 Korea [30] Kai W, Chang-ming L, Yan-bo Z., Mao-hua Z., (2010), Microstructural characteristics of near-liquidus cast AZ91D alloy during semi-solid die casting, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 20(2): pp.171−177 [31] M Hitchcock, Y Wang, Z Fan, 2006, Secondary solidification behaviour of the Al—Si—Mg alloy prepared by the rheo-diecasting process Brunel University, Uxbridge, Middlesex UB8 3PH, UK [32] M Thirugnanam, (2013), Modern High Pressure Die-casting Processes for Aluminium Castings; Transactions of 61th Indian foundry congress 2013 [33] Matjaz Torkar Bojan Breskvar, Matjaz Godec, Paola Giordano, Aianluigi Chiarmetta, (2006), Microstructural evaluation of an NRC-processed automative component UDK 629.114.6:620.18 Professional article ISSN 1580-2949 [34] Metal handbook 8th Edition Americal Society of Metals [35] Miwa K, Rachmat R S, Tammura T., (2006), Effect of solid fraction on microstructure and casting faults of AZ91D in new type semi-solid injection process, Solid State Phenomena, 116−117: pp 441−444 [36] Lennar Backerud, (1990), Solidification charateristics of alumium alloys.Volume 2.Foundry alloys AFS/SKANALUMINIUM [37] LIU D, ATKINSON H V, KAPRANOS P, JIRATTITICHAROEAN W, JONES H, (2003), Microstructural evolution and tensile mechanical properties of thixoformed high performance aluminium alloys [J] Materials Science and Engineering A, 361: 213−24 [38] Lukasson M, Apelian D., Dasgupta R., (2002), Alloy characterization for the new UBE rheocasting process, AFS Trans, 110: pp.271−284 [39] Omuran N, Murkami Y., Li M, Tamura T, Miwa K, (2008), Effect of volume fraction solid and injection speed on mechanical properties in new type semi-solid injection process, Solid State Phenomena, 141−143; pp 761−766 123 [40] Pan Q Y, Findon M, Aplian D, (2004), The continuous rheoconversion process (CRP): A novel SSM approach, The 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, S2P 2004 Limassol, Cyprus: Worcester Polytechnic Institute, pp.122−129 [41] Pham Quang, Nguyen Hong Hai and Do Minh Nghiep, (2011), Theoretical and numerical models on temperature during semi-solid casting by computational fluid dynamic (CFD), Advanced Technologies for Materials Production and Processing, Belarus, pp 225-232, ISBN: 978-985-6441-23-6 [42] Rachmat R S., Tamura T., Miwa K., (2006), Fluidity and microstructures characteristics of AZ 91D by using new type semi-solid injection process, Solid State Phenomena, 116−117: pp 534−537 [43] (2005), Rheo-Light Rheocasting: an innovative & ecological process for lighf and cost effective applications in different industrial sectors Centro Ricerche FIAT [44] Toshio Haga, P Kapranos, (2002), Simple Rheocasting processes Journal of Materials Processing Technology 130–131 (2002) 594–598 [45] WINTERBOTTOM W L, (2000), Semi-solid forming applications: High volume automotive products Metallurgical Science and Technology, 18: 5−10 [46] Xin Lin, Tao Li, Weidong Huang, (2006), Influence of rapid shear-rate change on microstructure formation during semi-solid processing Solid State Phenomena Vols 116-117 pp 155-158 Tài liệu tiếng Nga [47] А.И.Батышев, (1990), Кристаллизация металлов и сплавов под давлением “Металлургия” [48] Ю.А Степанов, (1970), Специальные виды литья “Машиностроение” 124 PHỤ LỤC CÁC PHIẾU PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC HỢP KIM NHÔM A356 Phụ lục 1.1: Phiếu phân tích “Mẫu 1” Phụ lục 1.2: Phiếu phân tích “Mẫu 2” Phụ lục 1.3: Phiếu phân tích “Mẫu 3” Phụ lục 1.4: Phiếu phân tích “Mẫu 4” Phụ lục 1.5: Phiếu phân tích “Mẫu 5” 125 PHỤ LỤC CÁC PHIẾU ĐO TỶ TRỌNG HỢP KIM NHÔM A356 Phụ lục 2.1: Phiếu đo tỷ trọng mẫu đúc lƣu biến- áp lực Phiếu 201/15 Phiếu 202/15 Phụ lục 2.2: Phiếu đo tỷ mẫu đúc áp lực Phiếu 143/15 Phiếu 203/15 126