Tiểu luận: về quá trình đúc áp lực

MỤC LỤC Danh mục hình ảnh bảng biểu Chương 1: Tình hình nghiên cứu ngồi nước Tình hình nghiên cứu ngồi nước Đúc áp lực khuôn kim loại phương pháp tạo phôi (sản phẩm) cách cho kim loại lỏng điền đầy lòng khn (bằng kim loại) áp lực cao, đảm bảo kim loại lỏng điền đầy nhanh chóng hết tồn lòng khn nhanh nhất, hạn chế khuyết tật đúc Sau tồn khn kim loại lỏng làm nguội trước lấy sản phẩm khỏi khuôn Khuôn đúc áp lực chịu nhiều tác động khắc nghiệt môi trường kim loại lỏng chất làm nguội tuổi thọ khn yếu tố quan tâm ngành đúc áp lực Bên cạnh việc sử dụng vật liệu làm khuôn tốt hơn, tối ưu dòng chảy kim loại khn, thay đổi chất làm nguội chống dính khn việc xử lý bề mặt khuôn xu nhiều người quan tâm Một số hãng sản xuất khn gần đến hồn thiện cơng nghệ phủ lớp phủ cứng lên bề mặt khuôn nhiên, việc lựa chọn phương án phủ phần lớn dựa theo kinh nghiệm, lập thành bảng tra cứu Một số tác giả nước bước đầu nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng lớp phủ cứng đến tính chất khn, nhiên việc chứng minh đầy đủ, đưa công thức tường minh cho việc lựa chọn lớp phủ hay chứng minh lý thuyết cho việc tăng tuổi thọ khn sau có lớp phủ phạm vi chưa quan tâm mức 1.1 Tình hình nghiên cứu nước Hiện có số cơng trình nghiên cứu số tác giả nước ảnh hưởng lớp phủ cứng đến số thông số kỹ thuật dụng cụ cắt gọt hay khuôn nghiên cứu phương pháp chế tạo đánh giá lớp phủ cứng bề mặt Tuy nhiên mảng kiến thức chế tác động chất việc tăng độ cứng lớp phủ bị bỏ ngỏ Chương 2: Lý thuyết trình đúc áp lực 2.1 Nguyên lý đúc áp lực Đúc áp lực phương pháp đúc khuôn kim loại mà kim loại lỏng đưa vào lòng khn đơng đặc áp lực cao Quá trình đúc chia thành giai đoạn Đầu tiên, hai nửa khn đóng lại cấu đóng khn, lực kẹp khn thường vào khoảng 65-1000 Bước thứ hai, kim loại “bắn” vào lòng khn với vận tốc 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 khuôn đông đặc áp lực cao Bước thứ tư, dỡ sản phẩm khỏi lòng khuôn Bước thứ năm, phun dung dịch làm nguội chống dính lên bề mặt khn Đóng khn Nạp kim loại lỏng vào xilanh Xi lanh chuyển động chậm Xi lanh chuyển động nhanh Giữ khuôn xi lanh chờ đông đặc Mở khuôn Phun nước Đẩy sản phẩm Phun dung dịch Phun khí Gắp sản phẩm Lùi xi lanh Hình 1: Sơ đồ mơ tả q trình đúc áp lực 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 phương pháp đúc áp lực 2.2 Quá trình điền đầy kim loại lỏng khn Để nghiên cứu q trình điền đầy kim loại khn 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 đốn q trình điền đầy kim loại lỏng khuôn đúc áp lực với sản phẩm khác nhau: Nắp che vi sai ô tô (Hình 3a), hộp điện (Hình 3b), nắp khóa cửa (Hình 3c) nhận thấy q trình điền đầy khn đúc áp lực q trình khơng liên tục, xuất hiện tượng kim loại lỏng bắn tóe lòng khn a b c Hình 3: Kết mơ q trình điền đầy khn đúc Để kiểm chứng kết mơ phỏng, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phun thời gian ngắn, chất phương pháp dừng trình phun kim loại vào lòng khn trước điền đầy, kết việc dừng đột ngột kim loại bị đơng đặc đối chiếu tình trạng “sản phẩm” với kết mô để xác nhận tính đắn việc mơ Hình 4: Đối chứng kết mô sản phẩm 10% 25% Hai thí nghiệm chứng tỏ: - Kết đúc thật không phân mảnh nhiều kết mơ phỏng, khơng có mảnh rời khỏi “sản phẩm”, có biên giới trơn, mịn so với kết mô - Kết đúc không đối xứng mô phỏng, điều minh chứng cho việc khẳng định q trình điền đầy có tính “ngẫu nhiên” Đồng thời, nhóm thực loạt thí nghiệm khác ảnh hưởng nhiệt độ hợp kim đúc khn để kiểm chứng Trong Hình 5a, nhiệt độ kim loại đúc nhiệt độ hoàn toàn nóng chảy kim loại đúc (TAL) cơng với số gia nhiệt độ với số gia nhiệt độ +10°C, 0°C, -10°C, -15°C, -20°C, sản phẩm Qua kết mô phỏng, nhận thấy nhiệt độ kim loại lỏng đưa vào khn cao, tính linh động cao “tự do”, kim loại lỏng “tự do” vào khuôn thường thể trạng thái phun bắn tóe Trong đó, nhiệt độ thấp, sản phẩm liền khối biên trơn mịn Đối chiếu với sản phẩm thực khẳng định nhiệt độ đưa kim loại lỏng vào khn thí nghiệm trạng thái TAL -10 a b Hình 5: Kết mô với điều kiện nhiệt độ khác sản phẩm a Kết đối chiếu với thay đổi nhiệt độ kim loại đúc b Kết đối chiếu với thay đổi nhiệt độ khuôn Trong Hình 5b, nhiệt độ khn mơ 127°C, 77°C, 27°C Cũng thay đổi nhiệt độ hợp kim đúc, nhiệt độ khn tăng lên, tính linh động hợp kim đúc tăng lên, kim loại phun vào khuôn tự rời rạc Qua kết mô thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đưa số kết luận: - Kim loại lỏng khỏi miệng phun nhanh phân mảnh, mảnh nhanh chóng đến cuối khuôn điền ngược trở lại khuôn dẫn đến lượng lớn khong khí khn khơng được, gây rỗ xốp trogn sản phẩm - Kim loại lỏng sau phun vào có xu hướng trượt theo phương tiếp tuyến bề mặt tiếp xúc - Trạng thái ngẫu nhiên kim loại phun vào thách thức nghiên cứu, chưa có lý giải đầy đủ 2.3 Điều kiện xảy lòng khn đúc áp lực Với phân tích trình đúc áp lực nêu phần trước, nhận thấy điều kiện xảy lòng khn đúc áp lực 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 sản phẩm thấp) Gradien nhiệt độ cao (khoảng 100°/mm) Những điều kiện khắc nghiệt nguyên nhân làm giảm nhanh tuổi thọ khuôn đúc áp lực 2.4 Các dạng sai hỏng khn đúc áp lực Các nghiên cứu đa số chấp nhận khn đúc áp lực có dạng sai hỏng chính, xảy tùy thuộc điều kiện cụ thể khn vị trí khn: - Xói mòn: kết dòng kim loại lỏng chảy với vận tốc cao lòng khn - Mỏi nhiệt: Là kết việc biến thiên liên tục nhiệt độ bề mặt khuôn (tăng ép vào giảm phun chất làm mát chống dính vào lòng khn) - Hàn dính ăn mòn: xảy có liên kết hóa học vật liệu đúc bề mặt khuôn - Vỡ, nứt gãy khuôn: Dạng hỏng thường xảy vị trí góc, cạnh khn - Biến dạng khn: Dạng hỏng thường xảy vị trí mặt phân khuôn số vách mỏng vị trí có dòng chất lỏng va đập vào Ăn mòn hàn dính Kim loại lỏng Biến dạng Khn Nứt vỡ Mỏi nhiệt Xói mòn Hình 6: Các dạng hỏng khuôn Chương 3: Các nghiên cứu dạng sai hỏng khuôn đúc áp lực giải pháp 3.1 Xói mòn Nhóm tác giả R Shivpuri, Y.-L Chu, K Venkatesan, J.R Conrad, K Sridharan, M Shamim, R.P Fetherston nghiên cứu q trình mòn chế hỏng khn đúc áp lực thí nghiệm đặt chốt (lõi) lòng khn (Hình 7) để theo dõi lượng mòn q trình đúc áp lực Hình 7: Sơ đồ bố trí chốt khn thử cấu trúc chốt thử Trong thí nghiệm này, nhóm thiết kế khn thử có lòng khn hình hộp chữ nhật, bố trí hàng chốt, hàng chốt thứ bố trí vị trí miệng phun hệ thống dẫn, nơi có vận tốc dòng kim loại lỏng cao nhất, hàng chốt thứ bố trí sát vách phía bên khn, nơi có vận tốc dòng kim loại lỏng thấp Vận tốc dòng kim loại lỏng thử nghiệm 50m/s miệng phun Hợp kim đúc sử dụng thí nghiệm 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 H13, có độ cứng 46HRC Lượng mòn xác định cách xác định độ hụt khối lượng 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 10 Mối quan hệ lượng mòn số lần bắn (đúc) thể đồ thị hình Hình 8: Biểu đồ quan hệ lượng mòn số lần đúc Qua biểu đồ nhóm tác giả rút nhận xét: - Các chốt hàng có lượng mòn tương đương Điều có nghĩa chốt có vị trí có vận tốc dòng kim loại phun qua tương đương lượng mòn tương đương - Lượng mòn chốt hàng thứ lớn lượng mòn chốt hàng thứ 2, điều chứng tỏ lượng mòn khn đúc áp lực tỷ lệ với vận tốc kim loại phun qua - Lượng mòn bắt đầu thể cách rõ rệt từ 600 lần đúc trở Đồng thời với thí nghiệm trên, nhóm tác giả phủ lớp kim loại lên bề mặt chốt công nghệ cấy ion nguồn plasma Vật liệu phủ lựa chọn W, Mo, Pt Sauk hi phủ thử nghiệm khn đúc, nhóm tác giả có biểu đồ lượng mòn Hình 11 Hình 9: Lượng mòn chốt đối chứng với H13 sau 1000 lần đúc Nhóm phân tích tiên đốn ngun nhân tăng khả chống mài mòn lớp phủ W sau: - Lớp phủ W có độ cứng bề mặt cao có nghĩa tạo tỷ số γ/p nhỏ Trong γ lượng bề mặt p độ cứng bề mặt Qua phân tích, nhóm nhận thấy tỷ số nhỏ khả chống mài mòn tăng - Hệ số dẫn nhiệt W cao vật liệu khác Cũng nghiên cứu vấn đề mòn, nhóm tác giả Z.W Chen M.Z Jahedi thực thí nghiệm theo dõi lượng mài mòn hàn dính bề mặt khn Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu thực bố trí chốt làm vật liệu H13 lòng khn hai trạng thái khác nhau: rãnh dẫn (Hình 10a) lòng khn (Hình 10b) Bề mặt chốt sau đúc đánh giá kính hiển vi điện tử quét (SEM) 12 Hình 10: Khn theo dõi q trình mòn hàn dính kim loại Sau q trình theo dõi, nhóm nghiên cứu nhận thấy ngắn hạn khơng tìm thấy dấu vết việc xuất vết xước mài mòn bề mặt chốt Trong đó, bề mặt chốt xuất dấu hiệu việc hàn dính kim loại đúc từ lần đúc khoảng 100-200 Từ đó, nhóm đưa kết luận: Trong ngắn hạn, xói mòn khơng xảy trước xảy hàn dính, dài hạn, chế xảy xói mòn chưa nghiên cứu cách xác đầy đủ 13 Tiểu kết: - Xói mòn tỷ lệ với vận tốc dòng kim loại lỏng khn - Trong ngắn hạn khơng xảy xói mòn khn - Trong dài hạn, lượng mòn xảy nhiên chưa có nghiên cứu đầy đủ chế xảy - Có thể giảm lượng xói mòn số giải pháp xử lý bề mặt 3.2 Mỏi nhiệt Nhóm tác giả Anders Persson, Sture Hogmark, Jens Bergstrưm thí nghiệm với loại vật liệu chịu nhiệt thơng thường dung để làm khuôn đúc áp lực gồm H13, QRO 90, Hotvar, đồng thời phủ CrN, TiAlN, CrC lên bề mặt khuôn loại vật liệu để thí nghiệm Các thí nghiệm thực nhiệt độ 700 850°C Chu kỳ gia nhiệt làm lạnh 14,4s 26,4s Kết vết nứt nhiệt quan sát kính hiển vi điện tử quét Kết đo lường soi kính hiển vi điện tử quét thể Hình 11 Hình 12 Hình 11: Chiều dài lớn nhất, chiều dài trung bình vết nứt mật độ vết nứt vật liệu QRO 90 14 Hình 12: Chiều dài lớn nhất, chiều dài trung bình vết nứt mật độ vết nứt vật liệu H13 (Orvar) Hotvar Sauk hi phân tích số liệu thống kê, nhóm nghiên cứu đưa số kết luận: - Khi kim loại làm khuôn không phủ, vết nứt mỏi nhiệt xuất với mật độ có phủ kích thước vết nứt lớn Trong đó, vật liệu làm khuôn phủ lớp phủ cứng lên bề mặt, mật độ vết nứt tăng lên đồng thời kích thước vết nứt giảm xuống - Mật độ kích thước vết nứt thay đổi theo vật liệu vật liệu phủ - Lớp phủ CrN có tính chống mỏi nhiệt cao số lớp phủ đưa thí nghiệm - Nhiệt độ nóng chảy vật liệu đúc tăng lên, mật độ kích thước vết nứt tăng 15 Nhóm tác giả M MUHIČ, J TUŠEK, F KOSEL, D KLOBČAR, M PLETERSKI quan sát vết nứt mỏi nhiệt 12 vị trí khn (Hình 13) thống kê nhe Hình 14, Hình 15 Hình 16 Hình 13: Các vị trí khảo sát hình ảnh phóng đại vị trí 16 Hình 14: Thời điểm xuất vết nứt vị trí khn Hình 15: Giá trị trung bình cực đại chiều sâu vết nứt vị trí Hình 16: Giá trị trung bình cực đại chiều dài vết nứt vị trí 17 Sauk hi phân tích hình ảnh vết nứt vị trí khn biểu đồ trên, nhóm nghiên cứu đưa kết luận: - Các vết nứt xuất trước 2000 chu kỳ nhiệt - Hiện tượng nứt mỏi nhiệt xuất nhiều khu vực lân cận miệng vào kim loại lỏng, nơi có gradient nhiệt cao - Vết nứt xảy nhanh vị trí tập trung ứng suất cạnh góc có bán kính cong nhỏ - Vết nứt phát triển theo số lần thực đúc Tiểu kết: - Các vết nứt nhiệt phụ thuộc vào vật liệu làm khuôn lớp phủ khuôn - Các vết nứt nhiệt phụ thuộc vào ứng suất xảy khuôn bề mặt khuôn - Nhiệt độ kim loại lỏng đưa vào khn ảnh hưởng đến kích thước, mật độ tốc độ hình thành vết nứt - Gradient nhiệt ảnh hưởng đến số lượng kích thước vết nứt - Lượng vết nứt kích thước phát triển theo số chu kỳ nhiệt (số lần đúc) - Hình dạng khn ảnh hưởng đến việc hình thành vết nứt 3.3 Ăn mòn hàn dính Ăn mòn hàn dính nghiên cứu cách rời rạc cho trường hợp cụ thể, chế xảy phức tạp, không cố định cặp vật liệu cụ thể Chưa có nghiên cứu xác đầy đủ cho vấn đề 3.4 Nứt gãy biến dạng Hai dạng hỏng nguyên nhân học gây ra, phụ thuộc chủ yến vào trạng thái học hệ thống vật liệu làm khuôn, không thuộc phạm vi nghiên cứu 3.5 Nghiên cứu khác vấn đề hỏng bề mặt khuôn Hai tác giả A.E Miller D.M Maijer viết [1] phân tích được: dạng hỏng phối hợp ăn mòn-xói mòn có mức độ ảnh hưởng lớn đến bề mặt khn Lượng mòn dạng hỏng phối hợp lớn nhiều so với tổng dạng hỏng xảy bề mặt khuôn 18 Kết luận Qua phân tích nhóm nghiên cứu, ta nhận thấy q trình diễn lòng khn q trình phức tạp, dạng hỏng xảy bề mặt khuôn đa số phân chia thành dạng bao gồm: Xói mòn (mài mòn), mỏi nhiệt, ăn mòn hàn dính Xói mòn khơng xảy ngắn hạn chưa rõ chế xác đầy đủ, nhiên thí nghiệm chứng minh xử lý bề mặt (nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, phủ, …) nâng cao khả chống mài mòn khn đúc áp lực Các vết nứt mỏi nhiệt xảy bề mặt khn tích lũy theo thời gian Khi nhiệt độ đúc cao, tốc độ xuất phát triển vết nứt tăng lên Các lớp phủ cứng làm giảm kích thước vết nứt nhiệt mật độ vết nứt tang lên vết nứt xảy nhanh Ăn mòn hàn dính có chế phức tạp, tùy thuộc vào cặp vật liệu cụ thể Các xử lý bề mặt nâng cao khả hạn chế dạng hỏng lớp phủ Ngoài ra, dạng hỏng kết hợp dạng hỏng xảy có mức độ gây hỏng khn lớn tính riêng rẽ dạng hỏng 19 Tài liệu tham khảo [1] A.E Miller D.M Maijer – Investigation of erosive-corrosive wear in the low pressure die casting of aluminum A356 – Materials science & engineering – July 2006 [2] Anders Persson, Sture Hogmark, Jens Bergström – Themal fatigue cracking of surface engineered hot work tool steels – Surface & coatings technology – June 2004 [3] M MUHIČ, J TUŠEK, F KOSEL, D KLOBČAR, M PLETERSKI – Thermal fatigue cracking of die-casting dies – Metalurgija 49 (2010) [4] Paul W.Cleary, Joseph Ha, Mahesh Prakash, Thang Nguyen – Short shots and industrial case studies: Understanding fluid flow and solidification in high pressure die casting [5] R Shivpuri, Y.-L Chu, K Venkatesan, J.R Conrad, K Sridharan, M Shamim, R.P Fetherston – An evaluation of metallic coating for erosive wear resistance in die casting applications – Wear 192 (1996) [6] Z.W Chen, M.Z Jahedi – Die erosion and its effect on soldering formation in high pressure die casting of aluminum alloys – Materials & Design – April 1999 20 ... ngỏ Chương 2: Lý thuyết trình đúc áp lực 2.1 Nguyên lý đúc áp lực Đúc áp lực phương pháp đúc khuôn kim loại mà kim loại lỏng đưa vào lòng khn đơng đặc áp lực cao Quá trình đúc chia thành giai đoạn... tả q trình đúc áp lực 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 phương pháp đúc áp lực. .. có lý giải đầy đủ 2.3 Điều kiện xảy lòng khn đúc áp lực Với phân tích q trình đúc áp lực nêu phần trước, nhận thấy điều kiện xảy lòng khn đúc áp lực khắc nghiệt, cụ thể ta có: - Vận tốc dòng