Nghiên cứu ảnh hưởng của rung siêu âm đến khả năng điền đầy, tổ chức và cơ tính hợp kim nhôm khi đúc trong khuôn kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO DUY QUÍ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG SIÊU ÂM ĐẾN KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY, TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH HỢP KIM NHƠM KHI ĐÚC TRONG KHN KIM LOẠI CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM Cán hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Phạm Quang Trung (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : Tiến sĩ Nguyễn Thanh Hải (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phạm Sơn Minh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 09 tháng 01 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ……………Đào Duy Quí MSHV:…1770527 Ngày, tháng, năm sinh: …… 20/03/1993 Nơi sinh: …Bình Định Chuyên ngành: ……………Kỹ thuật khí Mã số : 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng rung siêu âm đến khả điền đầy, tổ chức tính hợp kim nhơm đúc khn kim loại II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu tổng quan đề tài cơng trình khoa học liên quan đến trình xử lý kim loại lỏng cơng nghệ đúc có tác động rung học siêu âm  Nghiên cứu sở lý thuyết trình kết tinh, hiệu ứng dao động siêu âm kim loại lỏng hệ  Thiết kế mơ hình thực nghiệm đúc hợp kim nhôm khuôn kim loại tác động rung siêu âm  Phân tích kết thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng siêu âm đến khả điền đầy, tổ chức tính vật đúc  Đưa đề xuất thông số giải pháp cơng nghệ nhằm ứng dụng vào quy trình sản xuất đúc thực tế công nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tiến sĩ Phạm Quang Trung Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa, tơi hồn thành luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng rung siêu âm đến khả điền đầy, tổ chức tính hợp kim nhôm đúc khuôn kim loại” Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới người thầy tận tình hướng dẫn suốt q trình thực nghiên cứu hồn thành luận văn TS Phạm Quang Trung Trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Bộ môn Thiết bị & Cơng nghệ vật liệu Cơ khí, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM tạo điều kiện tốt để tác giả thực luận văn Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới quý thầy cô Khoa Cơ khí, phịng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa tạo điều kiện thuận lợi, tận tình giúp đỡ, góp ý chun mơn suốt trình học tập nghiên cứu Cuối lời cảm ơn lớn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người đóng vai trị quan trọng việc hỗ trợ vật chất lẫn tinh thần, luôn sát cánh bên ngày hơm Nội dung luận văn tồn vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, xem xét thêm nhằm ứng dụng phù hợp vào thực tiễn Tác giả mong muốn nhận góp ý hồn thiện để tiếp tục nghiên cứu vấn đề có liên quan Tác giả luận văn Đào Duy Quí i Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung TĨM TẮT NGHIÊN CỨU Đúc khn kim loại phương pháp đúc sử dụng phổ biến cho hợp kim màu hợp kim nhôm , magie, kẽm đồng Hợp kim nhôm sử dụng chủ yếu công nghiệp để chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp với độ q nhiệt thấp quy trình cơng nghệ tương đối đơn giản Các ứng dụng đúc hợp kim nhôm khuôn kim loại phong phú bao gồm chi tiết ngành đóng tàu, tơ, phụ kiện máy bay phận điều khiển Các ứng dụng yêu cầu nghiên cứu kỹ thuật để cải thiện tổ chức tính vật đúc Hiện có nhiều phương pháp nâng cao chất lượng vật đúc bao gồm thay đổi thành phần hợp kim đúc, thay đổi công nghệ rót cải thiện tổ chức kim loại trình kết tinh thơng qua tác động bên ngồi, từ tăng độ bền độ dẻo dai cho chi tiết Tổ chức tế vi vật đúc ảnh hưởng lớn đến chất lượng vật đúc, kích thước hạt thơng số quan trọng ảnh hưởng đến tính vật đúc Khi đúc khuôn kim loại, làm nguội cách tự không bị khống chế bới yếu tố bên ngồi tổ chức vật đúc hình thành ba vùng tổ chức gồm: vùng vỏ có tổ chức hạt nhỏ mịn nguội nhanh, vùng tinh thể kim loại có dạng hình trụ, vùng lại vật đúc với hạt trịn thơ to, ngồi cịn có vùng tạp chất tâm Tổ chức với cấu trúc nhánh làm cho tính vật đúc Như vậy, muốn nâng cao tính vật đúc ta cần phải tác động vào trình kết tinh nhằm phá tổ chức nhánh làm hạt nhỏ mịn, đồng thời phân tán tạp chất làm đồng tổ chức vật đúc Đề tài nghiên cứu phương pháp tác động bên nhằm cải thiện chất lượng vật đúc, cụ thể nghiên cứu ảnh hưởng rung động học tần số cao (siêu âm) đến khả điền đầy khuôn, tổ chức, khuyết tật bên tính vật đúc hợp kim Trong nghiên cứu này, dao động siêu âm với tần số 20 kHz công suất 1500W đưa vào vật đúc hợp kim nhôm ADC12 q trình đơng đặc Thơng qua phương pháp kiểm tra thực nghiệm, kết thu rung siêu âm giúp cải thiện mức độ điền đầy kim loại với tiết diện khuôn nhỏ hẹp, làm thay thay đổi tổ chức nhánh cây, giảm kích thước hạt nâng cao tính tính vật đúc ii Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung Nội dung luận văn gồm phần sau:  Chương 1: Giới thiệu sơ lược phương pháp đúc hợp kim nhôm khuôn kim loại nguồn dao động siêu âm Các vấn đề liên quan vật liệu đúc (hợp kim nhôm), tổ chức khuyết tật vật đúc, thông số trình trình bày  Chương 2: Tổng quan nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm giới nhằm xem xét đánh giá chung tác động rung học siêu âm kim loại lỏng để từ xác định mục tiêu phương pháp nghiên cứu đề tài  Chương 3: Trình bày sở lý thuyết đúc hợp kim nhơm khuôn kim loại hiệu ứng siêu âm kim loại lỏng, bao gồm vấn đề quan trọng chất trình trình truyền nhiệt, chế tạo mầm kết tinh, chế làm mịn tổ chức, ảnh hưởng dao động học đến q trình đơng đặc hợp kim đúc  Chương 4: Thiết kế mơ hình thực nghiệm quy trình cơng nghệ đúc hợp kim nhôm với khuôn kim loại tác động siêu âm, bao gồm chọn lựa khuôn đúc, xác định thơng số đúc, bố trí thiết bị tạo dao động Các kết đo đạc khả điền đầy khn, tổ chức tế vi, tính vật đúc  Chương 5: Phân tích kết thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng siêu âm đến khả điền đầy, tổ chức tính vật đúc Tổng hợp kết thu đề xuất thơng số cơng nghệ để đạt tính tốt  Chương : Tổng kết đưa đề xuất giải pháp công nghệ nhằm ứng dụng vào quy trình sản xuất đúc thực tế công nghiệp Định hướng phát triển cho nhiên cứu iii Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung ABSTRACT Casting in metal molds or die casting is a commonly casting method for non-ferrous alloys such as aluminum, magnesium, zinc and copper alloys Aluminum alloys are mainly used in industry to manufacture complex shaped parts with low overheating and relatively simple technological processes Applications of aluminum alloy casting are abundant including shipbuilding, automotive, aircraft accessories and control These applications require technical research to improve the microstructure and mechanical properties of alloys Currently, there are many methods to improve the quality of casting products, including changing cast alloy components, changing pouring technology or improving metal microstructure during crystallization through external influences, thereby increasing durability and toughness The microstructure of the casting greatly affects the quality of the products, of which particle size is one of the important parameters affecting the mechanical properties In die casting process, if metals or alloys is cooled naturally and not controlled by external factors, the macrostructure of the casting shall form three areas including the outer shell region has fine-grained due to cools rapidly, the next area is a columnar crystal, the rest is in the center of the casting with large coarse round particles, there is also an impurity zone in the center This structure with dendrite crystal makes the casting's mechanical properties very poor Thus, to improve the mechanical properties of castings, we need to impact on the crystallization process in order to destroy the dendrite and refine particles, and dispersing impurities for uniform distribution This thesis investigates an external impact method to improve the quality of castings, in particular, the study of the effect of highfrequency mechanical (ultrasonic) vibration on the ability to fill the mold, microstructure and mechanical properties of alloy casting In this study, ultrasonic oscillation with a frequency of 20 kHz and a power of 1500W will be introduced into the casting aluminum alloy ADC 12 during the freezing process Through empirical testing methods, the result is ultrasonic vibration improves the degree of metal filling with narrow mold sections, modify the dendrite, reducing particle size and improve the mechanical properties of castings iv Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung The thesis content consists of the following basic parts:  Chapter 1: Brief introduction of aluminum alloy die casting method and source of ultrasonic oscillation Related issues such as casting material (aluminum alloy), microstructure and defects of the casting, process parameters will be presented  Chapter 2: Overview of theoretical and empirical studies around the world to consider general assessment of the impact of mechanical or ultrasonic vibration on liquid metal from which to determine the objectives and research methods of the thesis  Chapter 3: Presentation of the theoretical basis of aluminum alloy, gravity die casting and the effects of ultrasound in liquid metals, including the most important issues of the nature of the process such as heat transfer, nucleation and crystallization mechanism, refinement mechanism, the effect of mechanical oscillation on the solidification process of casting alloy  Chapter 4: Designing of experiment and casting processes on aluminum alloys with metal molds under the influence of ultrasound vibration, including molding selection, determining casting parameters, arranging forming ultrasonic equipment Some criteria are considered such as the fill ability, the microstructure and the mechanical properties of the casting  Chapter 5: Analyzing experimental results and assessing the influence of ultrasound on the filling ability, organization and mechanical properties of castings Summarize the obtained results and propose technological parameters to achieve the best mechanical properties  Chapter 6: Reviewing and proposing technological solutions to apply in industrial casting process Development orientation for the next research will be proposed v Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Chữ ký Đào Duy Quí vi Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Phạm Quang Trung MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii GIỚI THIỆU 1.1 Hợp kim nhơm tính chất đúc hợp kim nhơm 1.1.1 Hợp kim trước tinh 1.1.2 Hợp kim sau tinh .3 1.1.3 Các đặc điểm đúc hợp kim nhôm 1.2 Nguồn dao động siêu âm 12 1.3 Giả thuyết đề tài 15 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 17 2.1 Khuấy đảo từ 21 2.2 Rung động học .22 2.3 Xử lý kim loại lỏng siêu âm 29 2.4 Nhận xét tình hình nghiên cứu .38 2.5 Tính cấp thiết lý lựa chọn đề tài 39 2.6 Mục tiêu đề tài luận văn .40 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41 3.1 Quá trình kết tinh đúc khuôn kim loại 41 3.2 Cơ chế tạo mầm 42 3.2.1 Tạo mầm đồng thể 42 3.2.2 Tạo mầm dị thể 44 3.2.3 Tạo mầm động học 45 3.3 Siêu âm kim loại lỏng 45 3.3.1 Hiện tượng xâm thực .47 3.3.2 Luồng dao động siêu âm 51 3.3.3 Cơ chế làm nhỏ mịn tổ chức nhờ siêu âm .52 vii ... TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng rung siêu âm đến khả điền đầy, tổ chức tính hợp kim nhôm đúc khuôn kim loại II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu tổng quan đề tài cơng trình khoa học liên quan đến q... Trung LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa, tơi hồn thành luận văn ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng rung siêu âm đến khả điền đầy, tổ chức tính hợp kim nhơm đúc khn kim loại? ??... không rung siêu âm nhiệt độ 700oC 73 Bảng 5 Tổ chức tế vi hợp kim đúc ADC12 có rung siêu âm nhiệt độ 700oC 75 Bảng Tổ chức tế vi hợp kim đúc ADC12 không rung siêu âm nhiệt độ 660oC 77 Bảng Tổ chức