Tiểu luận: về quá trình đúc áp lực

Tình hình nghiên c u trong n ứ ướ c Hiện nay có một số công trình nghiên cứu của một số tác giả trong nước về ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến một số thông số kỹ thuật của dụng cụ cắt gọt

MỤC LỤC

Danh m c hình nh và b ng bi u ụ ả ả ể

Ch ươ ng 1: Tình hình nghiên c u trong và ngoài n ứ ướ c

1 Tình hình nghiên c u ngoài n ứ ướ c

Đúc áp lực trong khuôn kim loại là phương pháp tạo phôi (sản phẩm) bằng cách cho kim loại lỏng điền đầy lòng khuôn (bằng kim loại) bằng áp lực cao, đảm bảo kim loại lỏng điền đầy nhanh chóng hết toàn bộ lòng khuôn nhanh nhất, hạn chế khuyết tật đúc Sau đó toàn bộ khuôn và kim loại lỏng được làm nguội trước khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

Khuôn đúc áp lực chịu nhiều tác động khắc nghiệt của môi trường kim loại lỏng cũng như chất làm nguội do đó tuổi thọ của khuôn là một yếu tố rất được quan tâm trong ngành đúc áp lực

Bên cạnh việc sử dụng vật liệu làm khuôn tốt hơn, tối ưu dòng chảy kim loại trong khuôn, thay đổi chất làm nguội và chống dính khuôn thì việc xử lý bề mặt khuôn đang là một xu thế được nhiều người quan tâm

Một số hãng sản xuất khuôn hiện nay đã gần đi đến hoàn thiện công nghệ phủ các lớp phủ cứng lên bề mặt khuôn tuy nhiên, hiện nay việc lựa chọn phương án phủ phần lớn dựa theo kinh nghiệm, và đã lập thành các bảng tra cứu

Một số tác giả nước ngoài đã bước đầu nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tính chất của khuôn, tuy nhiên việc chứng minh đầy đủ, hoặc đưa ra các công thức tường minh cho việc lựa chọn lớp phủ hay chứng minh bằng lý thuyết cho việc tăng tuổi thọ của khuôn sau khi có lớp phủ vẫn đang là phạm vi chưa được sự quan tâm đúng mức

1.1 Tình hình nghiên c u trong n ứ ướ c

Hiện nay có một số công trình nghiên cứu của một số tác giả trong nước về ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến một số thông số kỹ thuật của dụng cụ cắt gọt hay khuôn hoặc nghiên cứu về phương pháp chế tạo cũng như đánh giá lớp phủ cứng trên các bề mặt Tuy nhiên mảng kiến thức về cơ chế tác động và bản chất của việc tăng độ cứng của lớp phủ vẫn đang bị bỏ ngỏ

Đóng khuôn

Giữ khuôn và xi lanh chờ đông đặc

Xi lanh chuyển động chậmXi lanh chuyển động nhanh Nạp kim loại lỏng vào xilanh

Phun nước Phun dung dịch Phun khí Lùi xi lanh

Ch ươ ng 2: Lý thuy t v quá trình đúc áp l c ế ề ự

2.1 Nguyên lý đúc áp l c ự

Đúc áp lực là phương pháp đúc trong khuôn kim loại mà kim loại lỏng được đưa vào lòng khuôn và đông đặc dưới áp lực cao Quá trình đúc được chia

ra thành 5 giai đoạn Đầu tiên, hai nửa khuôn được đóng lại bằng cơ cấu đóng khuôn, lực kẹp khuôn thường vào khoảng 65-1000 tấn Bước thứ hai, kim loại được “bắn” vào lòng khuôn với vận tốc và áp suất cao (vận tốc dòng kim loại lỏng khoảng 30-100 m/s, áp suất ép khoảng 50-80 MPa) Bước thứ ba, kim loại lỏng trong khuôn được đông đặc dưới áp lực cao Bước thứ tư, dỡ sản phẩm ra khỏi lòng khuôn Bước thứ năm, phun dung dịch làm nguội và chống dính lên

bề mặt khuôn

Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình đúc áp lực

a b c

a Sơ đồ nguyên lý hệ thống nạp

liệu đúc áp lực buồng nóng b Sơ đồ nguyên lý hệ thống nạp liệu đúc

áp lực buồng lạnh Hình 2: Hai nguyên lý nạp liệu của phương pháp đúc áp lực

2.2 Quá trình đi n đ y kim lo i l ng trong khuôn ề ầ ạ ỏ

Để nghiên cứu về quá trình điền đầy kim loại trong khuôn đúc áp lực,

\nhóm nghiên cứu Paul W.Cleary, Joseph Ha, Mahesh Prakash, Thang Nguyen

sử dụng phương pháp thủy động học hạt mịn (SPH: Smoothed-particle hydrodynamics) tiên đoán về quá trình điền đầy của kim loại lỏng trong khuôn đúc áp lực với 3 sản phẩm khác nhau: Nắp che bộ vi sai ô tô (Hình 3a), hộp điện (Hình 3b), nắp khóa cửa (Hình 3c) đã nhận thấy quá trình điền đầy khuôn đúc

áp lực là một quá trình không liên tục, xuất hiện hiện tượng kim loại lỏng bắn tóe trong lòng khuôn

Hình 3: Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn khi đúc

Để kiểm chứng các kết quả mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phun trong thời gian ngắn, bản chất của phương pháp là dừng quá trình phun kim loại vào lòng khuôn trước khi điền đầy, kết quả của việc dừng đột ngột này là kim loại bị đông đặc chúng ta có thể đối chiếu tình trạng “sản phẩm” này với kết quả mô phỏng để xác nhận tính đúng đắn của việc mô phỏng

Hình 4: Đối chứng kết quả mô phỏng và sản phẩm ở 10% và 25%

Hai thí nghiệm này chứng tỏ:

- Kết quả đúc thật không phân mảnh nhiều như kết quả mô phỏng, không

có các mảnh rời ra khỏi “sản phẩm”, có biên giới trơn, mịn hơn so với kết quả mô phỏng

- Kết quả đúc không đối xứng như mô phỏng, điều này minh chứng cho việc khẳng định về quá trình điền đầy có tính “ngẫu nhiên”

Đồng thời, nhóm cũng thực hiện 2 loạt thí nghiệm khác về ảnh hưởng nhiệt

độ hợp kim đúc và khuôn để kiểm chứng

Trong Hình 5a, nhiệt độ kim loại đúc lần lượt là nhiệt độ hoàn toàn nóng chảy của kim loại đúc (TAL) công với số gia nhiệt độ với số gia nhiệt độ +10°C, 0°C, -10°C, -15°C, -20°C, và sản phẩm Qua các kết quả mô phỏng, chúng ta nhận thấy khi nhiệt độ kim loại lỏng đưa vào khuôn càng cao, tính linh động của

nó càng cao và càng “tự do”, khi kim loại lỏng “tự do” này vào khuôn thường thể hiện ở trạng thái phun và bắn tóe Trong khi đó, khi nhiệt độ thấp, sản phẩm càng liền khối và biên của nó càng trơn mịn Đối chiếu với sản phẩm thực có thể khẳng định nhiệt độ khi đưa kim loại lỏng vào khuôn trong thí nghiệm là trạng thái TAL -10

Hình 5: Kết quả mô phỏng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau và sản phẩm

a Kết quả đối chiếu với sự thay đổi nhiệt độ kim loại đúc

b Kết quả đối chiếu với sự thay đổi nhiệt độ khuôn

Trong Hình 5b, nhiệt độ khuôn được mô phỏng ở 127°C, 77°C, 27°C Cũng như khi thay đổi nhiệt độ hợp kim đúc, khi nhiệt độ khuôn tăng lên, tính linh động của hợp kim đúc cũng tăng lên, kim loại phun vào khuôn tự do hơn và rời rạc hơn

Qua các kết quả mô phỏng và thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một số kết luận:

- Kim loại lỏng đi ra khỏi miệng phun rất nhanh và phân mảnh, các mảnh này nhanh chóng đi đến cuối khuôn và điền ngược trở lại khuôn dẫn đến một lượng lớn khong khí trong khuôn không thoát ra ngoài được, gây rỗ xốp trogn sản phẩm

- Kim loại lỏng sau khi phun vào có xu hướng trượt theo phương tiếp tuyến

bề mặt tiếp xúc

- Trạng thái ngẫu nhiên của kim loại khi phun vào vẫn là một thách thức nghiên cứu, chưa có lý giải đầy đủ hơn

2.3 Đi u ki n x y ra trong lòng khuôn đúc áp l c ề ệ ả ự

Với các phân tích về quá trình đúc áp lực đã nêu ở phần trước, chúng ta có thể nhận thấy điều kiện xảy ra trong lòng khuôn đúc áp lực rất khắc nghiệt, cụ thể ta có:

- Vận tốc dòng chảy cao (khoảng 30-100m/s)

- Nhiệt độ bề mặt cao (xấp xỉ nhiệt độ nóng chảy vật liệu đúc)

- Tốc độ biến thiên nhiệt độ cao (do chu kỳ đúc một sản phẩm thấp)

- Gradien nhiệt độ cao (khoảng 100°/mm)

Những điều kiện khắc nghiệt này là nguyên nhân làm giảm nhanh tuổi thọ của khuôn đúc áp lực

2.4 Các d ng sai h ng chính c a khuôn đúc áp l c ạ ỏ ủ ự

Các nghiên cứu hiện nay đa số chấp nhận khuôn đúc áp lực có 5 dạng sai hỏng chính, xảy ra tùy thuộc điều kiện cụ thể của từng khuôn và vị trí trong khuôn:

- Xói mòn: là kết quả của dòng kim loại lỏng chảy với vận tốc cao trong lòng khuôn

- Mỏi nhiệt: Là kết quả của việc biến thiên liên tục của nhiệt độ bề mặt khuôn (tăng khi ép vào và giảm khi phun chất làm mát và chống dính vào lòng khuôn)

Ăn mòn và hàn dính

Biến dạng

Nứt vỡ

Mỏi nhiệt Xói mòn

Kim loại lỏng

Khuôn

- Hàn dính và ăn mòn: xảy ra khi có liên kết hóa học giữa vật liệu đúc và

bề mặt khuôn

- Vỡ, nứt gãy khuôn: Dạng hỏng này thường xảy ra tại các vị trí góc, cạnh khuôn

- Biến dạng khuôn: Dạng hỏng này thường xảy ra tại vị trí mặt phân khuôn

và một số vách mỏng hoặc các vị trí có dòng chất lỏng va đập vào

Hình 6: Các dạng hỏng của khuôn

Ch ươ ng 3: Các nghiên c u v các d ng sai h ng trên khuôn ứ ề ạ ỏ đúc áp l c và gi i pháp ự ả

3.1 Xói mòn

Nhóm tác giả R Shivpuri, Y.-L Chu, K Venkatesan, J.R Conrad, K Sridharan, M Shamim, R.P Fetherston khi nghiên cứu quá trình mòn và cơ chế hỏng của khuôn đúc áp lực đã thí nghiệm đặt các chốt (lõi) trong lòng khuôn (Hình 7) để theo dõi lượng mòn trong quá trình đúc áp lực

Hình 7: Sơ đồ bố trí chốt trong khuôn thử và cấu trúc chốt thử

Trong thí nghiệm này, nhóm đã thiết kế một khuôn thử có lòng khuôn là một hình hộp chữ nhật, trong đó bố trí 2 hàng chốt, hàng chốt thứ nhất bố trí ngay vị trí miệng phun của hệ thống dẫn, nơi có vận tốc dòng kim loại lỏng cao nhất, hàng chốt thứ 2 bố trí sát vách phía bên kia của khuôn, nơi có vận tốc dòng kim loại lỏng thấp nhất Vận tốc dòng kim loại lỏng thử nghiệm là 50m/s tại miệng phun Hợp kim đúc được sử dụng trong thí nghiệm là A390 có thành phần 16-17% Si, 4-5% Cu, 0,6-1,1% Fe có nhiệt độ nóng chảy 660°C Vật liệu chế tạo chốt là H13, có độ cứng 46HRC Lượng mòn được xác định bằng cách xác định độ hụt khối lượng của chốt

Thông số công nghệ thử nghiệm:

- Nhiệt độ nung hợp kim đúc: 704°C

- Áp lực tổng: 6,895MPa

- Thời gian điền đầy: 4s

- Thời gian giữ đông đặc: 8-10s

- Chu kỳ đúc: 35s

Mối quan hệ lượng mòn và số lần bắn (đúc) được thể hiện như đồ thị ở hình 8

Hình 8: Biểu đồ quan hệ lượng mòn và số lần đúc

Qua biểu đồ trên nhóm tác giả đã rút ra 3 nhận xét:

- Các chốt cùng hàng thì có lượng mòn tương đương nhau Điều đó có nghĩa là các chốt có vị trí có vận tốc dòng kim loại phun qua tương đương nhau thì lượng mòn cũng tương đương nhau

- Lượng mòn của các chốt hàng thứ nhất lớn hơn lượng mòn của các chốt hàng thứ 2, điều đó chứng tỏ lượng mòn trên khuôn đúc áp lực tỷ lệ với vận tốc kim loại phun qua

- Lượng mòn bắt đầu thể hiện một cách rõ rệt từ 600 lần đúc trở đi

Đồng thời với thí nghiệm trên, nhóm tác giả đã phủ một lớp kim loại lên

bề mặt chốt bằng công nghệ cấy ion bằng nguồn plasma Vật liệu phủ được lựa chọn là W, Mo, Pt Sauk hi phủ và thử nghiệm trên khuôn đúc, nhóm tác giả đã

có biểu đồ về lượng mòn như Hình 9

Hình 9: Lượng mòn trên chốt đối chứng với H13 sau 1000 lần đúc

Nhóm đã phân tích và tiên đoán nguyên nhân tăng khả năng chống mài mòn của lớp phủ W như sau:

- Lớp phủ W có độ cứng bề mặt cao cũng có nghĩa là sẽ tạo ra tỷ số γ/p nhỏ Trong đó γ là năng lượng bề mặt và p là độ cứng bề mặt Qua phân tích, nhóm nhận thấy tỷ số này càng nhỏ thì khả năng chống mài mòn càng tăng

- Hệ số dẫn nhiệt của W cao hơn các vật liệu khác

Cũng nghiên cứu về vấn đề mòn, nhóm tác giả Z.W Chen và M.Z Jahedi cũng thực hiện thí nghiệm theo dõi lượng mài mòn và hàn dính trên bề mặt khuôn Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện bố trí các chốt làm bằng vật liệu H13 trong lòng khuôn ở hai trạng thái khác nhau: ngay trên rãnh dẫn (Hình 10a) và trong lòng khuôn (Hình 10b) Bề mặt chốt sau khi đúc được đánh giá trên kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Hình 10: Khuôn theo dõi quá trình mòn và hàn dính kim loại

Sau quá trình theo dõi, nhóm nghiên cứu nhận thấy trong ngắn hạn không tìm thấy dấu vết của việc xuất hiện vết xước do mài mòn trên bề mặt chốt Trong khi đó, bề mặt chốt xuất hiện dấu hiệu của việc hàn dính kim loại đúc từ lần đúc khoảng 100-200

Từ đó, nhóm đã đưa ra kết luận: Trong ngắn hạn, xói mòn không xảy ra trước khi xảy ra hàn dính, còn trong dài hạn, cơ chế xảy ra của xói mòn chưa được nghiên cứu một cách chính xác và đầy đủ

Tiểu kết:

- Xói mòn tỷ lệ với vận tốc dòng kim loại lỏng trong khuôn

- Trong ngắn hạn hầu như không xảy ra xói mòn khuôn

- Trong dài hạn, lượng mòn xảy ra tuy nhiên chưa có nghiên cứu đầy đủ về

cơ chế xảy ra

- Có thể giảm lượng xói mòn bằng một số giải pháp xử lý bề mặt

3.2 M i nhi t ỏ ệ

Nhóm tác giả Anders Persson, Sture Hogmark, Jens Bergström trong thí nghiệm với 3 loại vật liệu chịu nhiệt thông thường dung để làm khuôn đúc áp lực gồm H13, QRO 90, Hotvar, đồng thời phủ CrN, TiAlN, CrC lên bề mặt khuôn của 3 loại vật liệu này để thí nghiệm Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 700 và 850°C Chu kỳ gia nhiệt và làm lạnh lần lượt là 14,4s và 26,4s Kết quả về các vết nứt nhiệt được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét

Kết quả đo lường khi soi trên kính hiển vi điện tử quét được thể hiện như trên Hình 11 và Hình 12

Hình 11: Chiều dài lớn nhất, chiều dài trung bình vết nứt và mật độ vết nứt vật

liệu QRO 90

Hình 12: Chiều dài lớn nhất, chiều dài trung bình vết nứt và mật độ vết nứt vật

liệu H13 (Orvar) và Hotvar

Sauk hi phân tích các số liệu thống kê, nhóm nghiên cứu đưa ra được một

số kết luận:

- Khi kim loại làm khuôn không được phủ, các vết nứt mỏi nhiệt xuất hiện với mật độ ít hơn khi có phủ nhưng kích thước của các vết nứt đó lớn hơn Trong khi đó, nếu vật liệu làm khuôn được phủ các lớp phủ cứng lên

bề mặt, mật độ vết nứt tăng lên đồng thời kích thước các vết nứt đó giảm xuống

- Mật độ và kích thước vết nứt thay đổi theo vật liệu nền và vật liệu phủ

- Lớp phủ CrN có tính chống mỏi nhiệt cao nhất trong số các lớp phủ được đưa ra thí nghiệm

- Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu đúc tăng lên, mật độ và kích thước vết nứt đều tăng

Nhóm tác giả M MUHIČ, J TUŠEK, F KOSEL, D KLOBČAR, M PLETERSKI đã quan sát các vết nứt mỏi nhiệt tại 12 vị trí trên khuôn (Hình 13)

và thống kê nhe Hình 14, Hình 15 và Hình 16

Hình 13: Các vị trí khảo sát và hình ảnh phóng đại tại các vị trí đó

Hình 14: Thời điểm xuất hiện vết nứt tại các vị trí trên khuôn

Hình 15: Giá trị trung bình và cực đại của chiều sâu vết nứt tại các vị trí

Hình 16: Giá trị trung bình và cực đại của chiều dài vết nứt tại các vị trí

Sauk hi phân tích hình ảnh vết nứt tại các vị trí trên khuôn và các biểu đồ trên, nhóm nghiên cứu đã đưa ra các kết luận:

- Các vết nứt đầu tiên xuất hiện trước 2000 chu kỳ nhiệt

- Hiện tượng nứt mỏi nhiệt xuất hiện nhiều hơn tại khu vực lân cận miệng vào của kim loại lỏng, nơi có gradient nhiệt cao

- Vết nứt xảy ra nhanh tại các vị trí tập trung ứng suất như cạnh và góc có bán kính cong nhỏ

- Vết nứt phát triển theo số lần thực hiện đúc

Tiểu kết:

- Các vết nứt nhiệt phụ thuộc vào vật liệu làm khuôn và lớp phủ trên khuôn

- Các vết nứt nhiệt phụ thuộc vào ứng suất xảy ra trong khuôn cũng như trên bề mặt khuôn

- Nhiệt độ kim loại lỏng đưa vào khuôn ảnh hưởng đến kích thước, mật độ

và tốc độ hình thành các vết nứt

- Gradient nhiệt cũng ảnh hưởng đến số lượng và kích thước vết nứt

- Lượng vết nứt và kích thước của nó phát triển theo số chu kỳ nhiệt (số lần đúc)

- Hình dạng khuôn cũng ảnh hưởng đến việc hình thành các vết nứt

3.3 Ăn mòn và hàn dính

Ăn mòn và hàn dính được nghiên cứu một cách rời rạc cho các trường hợp

cụ thể, cơ chế xảy ra phức tạp, không cố định đối với từng cặp vật liệu cụ thể Chưa có một nghiên cứu chính xác đầy đủ cho vấn đề này

3.4 N t gãy và bi n d ng ứ ế ạ

Hai dạng hỏng này do các nguyên nhân cơ học gây ra, phụ thuộc chủ yến vào trạng thái cơ học của hệ thống và vật liệu làm khuôn, không thuộc phạm vi nghiên cứu của chúng ta

3.5 Nghiên c u khác v v n đ h ng trên b m t khuôn ứ ề ấ ề ỏ ề ặ

Hai tác giả A.E Miller và D.M Maijer trong bài viết [1] của mình đã phân tích được: dạng hỏng phối hợp ăn mòn-xói mòn có mức độ ảnh hưởng lớn đến

bề mặt khuôn Lượng mòn do dạng hỏng phối hợp này lớn hơn nhiều so với tổng của từng dạng hỏng xảy ra trên bề mặt khuôn

K t lu n ế ậ

Qua các phân tích trên của các nhóm nghiên cứu, ta có thể nhận thấy quá trình diễn ra trong lòng khuôn là một quá trình phức tạp, các dạng hỏng xảy ra trên bề mặt khuôn được đa số phân chia thành 3 dạng chính bao gồm: Xói mòn (mài mòn), mỏi nhiệt, ăn mòn và hàn dính

Xói mòn không xảy ra trong ngắn hạn và chưa rõ cơ chế chính xác và đầy

đủ, tuy nhiên các thí nghiệm chứng minh được rằng các xử lý bề mặt (nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, phủ, …) có thể nâng cao được khả năng chống mài mòn của khuôn đúc áp lực

Các vết nứt do mỏi nhiệt xảy ra trên bề mặt khuôn được tích lũy theo thời gian Khi nhiệt độ đúc càng cao, tốc độ xuất hiện và phát triển vết nứt càng tăng lên Các lớp phủ cứng làm giảm kích thước vết nứt nhiệt nhưng mật độ vết nứt tang lên và vết nứt xảy ra nhanh hơn

Ăn mòn và hàn dính có cơ chế phức tạp, tùy thuộc vào cặp vật liệu cụ thể Các xử lý bề mặt có thể nâng cao khả năng hạn chế dạng hỏng này của lớp phủ Ngoài ra, các dạng hỏng kết hợp của các dạng hỏng trên có thể xảy ra và

có mức độ gây hỏng khuôn lớn hơn khi tính riêng rẽ từng dạng hỏng