Nghiên cứu và lập quy trình công nghệ chế tạo chi tiết hợp kim nhôm ở trạng thái bán lỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU VÀ LẬP QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG GVHD: ThS NGUYỄN VINH DỰ SVTH : TRỊNH XUÂN NGỌC NGUYỄN THANH TÚ ĐẶNG VŨ NAM TRƯƠNG ANH LƯU SKL004649 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ́ KHOA ĐÀO TAỌ CHÂT LƯƠNGG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ LẬP QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG SVTH : TRỊNH XUÂN NGỌC NGUYỄN THANH TÚ ĐẶNG VŨ NAM TRƯƠNG ANH LƯU Khoá : 2012 Ngành : Công nghệ chế tạo máy GVHD: TH.S NGUYỄN VINH DỰ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho em gửi lời cảm ơn đến trường ĐaịHocc̣ Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phơ HồChíMinh Trường đa ̃cho em môṭmôi trường hocc̣ tâpc̣ vànghiên cứu rất tôt Em xin gửi lời cảm ơn đến Trung Tâm Nghiên Cứu và Chuyển Giao Công Nghệ Thành Phơ Hồ Chí Minh Đăcc̣ biêṭem mn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Vinh Dự, người trực tiếp hướng dẫn và giúp em hoàn thành luận văn tôt nghiệp với đềtài “Nghiên cứu và lập quy trình cơng nghệ chế tạo chi tiết hợp kim nhơm trạng thái bán lỏng ” Thầy hướng dẫn và định hướng trước cho em biết kiến thức cần thiết để làm luận văn tôt nghiệp tôt Thầy hết lòng giúp đỡ em bắt đầu làm luận văn tôt nghiệp Thầy cung cấp tài liệu cho em nghiên cứu, hướng dẫn, giải thích kĩ vấn đề mà em không hiểu Điều quan trọng hết là lời động viên tinh thần, em gặp khó khăn thầy khơng giải thích mà cịn động viên giúp em có thêm động lực học tập Em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô đãtrưcc̣ tiếp giảng daỵ truyền đaṭkiến thức khoa hocc̣ cho em, là nền tảng vững giúp em nghiên cứu và hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn đến tất cảcác baṇ bèđãnhiêṭtinhh̀ đóng góp ýkiến giúp đỡem quátrinhh̀ tìm kiếm tài liêụ đểhoàn thành luâṇ văn Cuôi em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình em Họ là nguồn động lực tinh thần và hỗtrơ c̣em vềtài chinhh́ giúp em an tâm nghiên cứu và học tập i TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong sản xuất chế tạo ngày nay, công nghệ tạo hình không phoi rèn, đúc dần thay thế trình tạo hình cắt gọt Cơng nghệ đúc rèn tiên tiến có nhiều ưu điểm việc sản xuất hàng loạt chi tiết thành mỏng, hình dạng rất phức tạp Những năm gần đây, trình xuất và nhận rất nhiều quan tâm nhà nghiên cứu cơng ty chế tạo Đó là trình tạo hình trạng thái bán lỏng Quá trình này kế thừa ưu điểm vơn có cơng nghệ đúc, rèn thơng thường mà khắc phục hầu hết nhược điểm hai công nghệ này Trong công nghệ tạo hình bán lỏng đề xuất thì thixoforming là trình ứng dụng nhiều nhất Luận văn này tập trung vào việc áp dụng kỹ thuật nung cảm ứng vào công đoạn gia nhiệt lại phôi trình thixoforming và xác định thơng sơ q trính ép bán lỏng Nội dung luận văn xoay quanh công việc tìm hiểu phương pháp nung cảm ứng và đưa giải pháp gia nhiệt và vận dụng chúng vào sản xuất thực tế Luận văn tiến hành tính tốn và mơ hành vi hợp kim nhôm A356 trình ép bán lỏng Cùng với là tiến hành thiết kế khn đơn giản cho trình ép bán lỏng này Hy vọng tương lai không xa công nghệ thixoforming thật phổ biến Việt Nam! ii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nếu phương pháp tạo hình vật liệu trạng thái lỏng, kim loại trước đem tạo hình nấu chảy lỏng hoàn toàn thì tạo hình vật liệu trạng thái bán lỏng, kim loại nung đến trạng thái hai pha: pha rắn và pha lỏng với tỉ lệ phù hợp Công nghệ tạo hình kim loại trạng thái bán lỏng xuất từ đầu năm 1970, Giáo sư Flemings và cộng nghiên cứu trạng thái dòng chảy kim loại trạng thái bán lỏng Quá trình đưa vào công nghiệp lần đầu tiên công ty Alumax và ITT-TEVES, với ứng dụng ô-tô chi tiết khung gầm, xilanh thắng, vành xe…Vào cuôi năm 1980, giai đoạn phát triển sâu bắt đầu Châu Âu Với phương pháp khuấy từ trường triển khai nhà sản xuất Pechiney (Pháp), Ormet (Mỹ) và SAG (Áo), nguồn phôi ban đầu - với kích thước thay đổi và chất lượng đảm bảo trở nên thực tế Những công nghệ nung nóng với thiết bị đúc áp lực điều khiển trực tiếp tạo nền tảng cho việc chế tạo thiết bị thích hợp với sản xuất Từ mở đường cho ứng dụng sản xuất hàng khôi lĩnh vực khung gầm (hãng xe Porsche, DaimlerChrysler, Alfa Romeo) và phận thân xe (hãng Audi, Fiat, DiamlerChrysler) và cả sản xuất loạt nhỏ lĩnh vực khác Tuy nhiên, cạnh tranh tăng lên với chất lượng cải thiện nhanh chóng và hiệu quả kinh tế cao trình đúc lỏng hoàn toàn, sô hoạt động nghiên cứu bị ngưng lại khoảng thời gian Nhược điểm về chi phí sản x́t giảm nhờ ý tưởng cải tiến trình rheocasting truyền thông, giúp trì sô ứng dụng tạo hình trạng thái bán lỏng Ví dụ, hãng STAMPAL thay đổi trình sản xuất sô chi tiết từ phương pháp thixocasting truyền thông sang phương pháp Rheocasting Dưới trình bày sơ lược vài phương pháp tạo hình trang thái bán lỏng 1.1 Tổng quan cơng nghệ tạo hình trạng thái bán lỏng 1.1.1 Giới thiệu sơ lược trạng thái bán lỏng Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu trạng thái bán lỏng Khi kim loại gia nhiệt lên nhiệt độ đường đặc (Hình 1.1), kim loại bắt đầu chảy và pha lỏng xuất hiện, trạng thái này gọi là trạng thái “mushy” Nếu tiếp tục gia nhiệt nhiệt độ đường lỏng, kim loại se ̃ chuyển sang trạng thái lỏng hoàn toàn Tuy nhiên, để đạt trạng thái bán lỏng (tức là tỉ lệ pha rắn, pha lỏng gần và pha rắn có cấu tạo dạng hạt mịn) thì đôi với trạng thái “mushy”, nhiệt độ phải phân bô đồng đều toàn thể tích phơi Ngược lại với trạng thái “mushy”, tức là làm nguội kim loại từ trạng thái lỏng hoàn toàn Quá trình nhiệt độ giảm xuông nhiệt độ đường lỏng, cịn nhiệt độ đường đơng đặc, lúc này có xuất pha rắn, trạng thái này gọi là trạng thái “semisolid” (Hình 1.2) Chú ý trình làm nguội và đông đặc trạng thái “semisolid” này là không cho hình thành cấu trúc nhánh và thành phần bán lỏng phải phân bơ đều Hình 1.2 Thành phần rắn lỏng kim loại trạng thái mushy/semi-solid So sánh trạng thái “mushy” và trạng thái “semisolid”:  Giông nhau: tỉ lệ pha lỏng và rắn phân bô đều toàn thể tích phơi  Khác nhau: Bảng 1.1 Bảng so sánh trạng thái “mushy” và trạng thái “semisolid” [1] Trạng thái Mushy - Trạng thái mushy có tỷ lệ pha rắn cao và biến dạng giông khôi đất sét - Pha lỏng trạng thái mushy sinh tan chảy phần hạt rắn, xảy biên giới hạt và pha lỏng thường tồn gây tách biệt hạt rắn Thông thường, người ta dùng thuật ngữ “semisolid”, tạm dịch là trạng thái bán lỏng để miêu tả hai trạng thái Trong vùng từ nhiệt độ đường đặc đến nhiệt độ đường lỏng, hai trạng thái “mushy” và “semisolid” có tỷ lệ rắn lỏng tương đồng và lúc tính vật liệu gần giơng Hình 1.3 Các dạng tinh thể đúc thông thường và đúc bán lỏng [2] (a) Tinh thể nhánh (b) Tinh thể dạng gần cầu Không giông sản phẩm đươcc̣ sản xuất từ phương pháp taọ hinhh̀ thông thường đúc khuôn kim loai,c̣ đúc áp lưcc̣ trangc̣ thái lỏng, đúc khuôn cát,…cấu trúc tếvi sản phẩm đươcc̣ taọ từ phương pháp taọ hinhh̀ vâṭliêụ trangc̣ thái bán lỏng làcódangc̣ hinhh̀ cầu nên chất lượng sản phẩm cao hẳn cấu trúc códangc̣ nhánh ởtrong phương pháp taọ hinhh̀ khác 1.1.2 Các phương pháp tạo hình vật liệu trạng thái lỏng Phương pháp Rheocasting Quá trình đúc Rheoforming thể hình 1.3 Đầu tiên là nấu luyện hợp kim cần đúc tới trạng thái lỏng hoàn toàn, sau ta tiến hành làm nguội kết hợp khuấy trộn hợp kim Khi hợp kim làm nguội đến trạng thái bán lỏng, chuyển đến thiết bị đúc và tạo hình với lực ép lớn Hình 1.3 Quá trình đúc Rheoforming Việc tạo tinh thể dạng hạt cầu gần cầu là quan trọng trình đúc lưu biến này : Hình 1.4 Nguyên lý phá vỡ thiên tích nhánh [1] (a) Tinh thể nhánh ban đầu (b) Tinh thể nhánh phát triển (c) Tinh thể hình (d) Tinh thể hình phát triển (e) Tinh thể dạng gần cầu Trong trình đúc, thường xuất dạng tinh thể hình 1.4 Với tinh thể nhánh hình thành khơng có lực kh́y Tinh thể dạng “hình bơng” hình thành lực khuấy kết hợp dòng chảy tầng Tinh thể dạng hình cầu hình thành lực kh́y kết hợp dịng chảy rơi Nhưng đơi với trình đúc theo phương pháp Rheoforming, việc khuấy (hình 1.5) giúp phá vỡ thiên tích nhánh (hình 1.4) và hình thành tinh thể dạng hình cầu, từ cho tổ chức hạt mịn, làm tăng tính cho vật đúc Có thể khuấy trộn và khuấy trộn điện từ Nhưng phương pháp khuấy trộn từ trường sử dụng phổ biến tạo độ đồng đều cao và đặc biệt là thân thiện với mơi trường Hình 1.5 Các phương pháp khuấy trộn : a) lô, b) liên tục, c) khuấy điện từ [2] Hình 5.17 Tạo liệu cho q trình mơ  Sau và giao diện phần mềm, chọn thư mục lưu và chọn mơ phỏng: Hình 5.18 Chạy chương trình 5.4 Kết mô 105 Ta mô với vận tôc chày sau đây: 2.5mm/s, 9mm/s, 5mm/s, 25mm/s, ứng với vận tôc máy ép cần lực ép để đầy kim loại khỏi khuôn, trình mô cho ta xấp xỉ sơ cần Đây là q trình tính tốn và mơ đơn giản, là sở cho trình phức tạp Quá trình mô cho thấy nhiệt độ tăng vùng nào trình ép, ảnh hưởng nhiệt độ khuôn đến trình ép, 0 ta mô nhiệt độ khuôn 250 C và nhiệt độ khuôn 563 C 5.4.1 Kết mô ứng suất và lực Kết quả mơ ứng śt: Tại góc khuôn tập trung ứng suất nhiếu nhất góc bo và ứng suất chủ yếu tập trung vùng côn trở lên, điều này với lý thuyết về hành vi dòng chảy vật liệu trình đùn Yêu cầu về ứng suất trình ép là ứng suất điểm phải có chênh lệch không lớn Tôc độ ép càng nhanh thì ứng śt vị trí góc bo càng lớn, không nên đùn nhanh với hợp kim nhơm A356 Vùng tập trung ứng śt là vùng côn và phần kim loại chưa đẩy container Phần kim loại khỏi khuôn chịu lực cản lực ma sát nên ứng suất bé 106 Hình 5.19 Ứng śt với vận tơc mm/s Hình 5.20 Ứng śt với vận tơc mm/s 107 Hình 5.21 Ứng śt với vận tơc 15mm/s Hình 5.22 Ứng śt với vận tơc 25mm/s Hình 5.23 Ứng śt điểm suôt trình ép v=8mm/s 108  Nhận xét: Khi ép càng nhanh ứng suất điểm càng có khác biệt Khi ép càng nhanh vùng ứng suất lớn dịch chuyển dần xuông dưới, điều này không tôt Ứng suất chi tiết ổ định nhiều so với ngoài mặt biên  Kết quả mơ lực: Hình 5.24 Giản đồ lực – thời gian với V = mm/s Hình 5.25 Giản đồ lực – thời gian với V = 8mm/s 109 Hình 5.26 Giản đồ lực – thời gian với V=15mm/s Hình 5.27 Giản đồ lực – thời gian với V= 25mm/s 5.4.2 Kết mô vận tốc và hướng thớ vật liệu  Vận tôc phôi ra: Như nói chương 2, vận tơc vật liệu góc khn ln rất bé khơng chảy, kết quả mô bên gần với kết quả tính tốn 110 Hình 5.28 Trường vận tơc với vận tơc chày mm/s Hình 5.29 Trường vận tơc với vận tơc chày 8mm/s 111 Hình 5.30 Trường vận tơc với vận tơc chày 15 mm/s Hình 5.31 Trường vận tôc với vận tôc chày 25mm/s 5.4.3 Nhiệt độ trình đùn ép Rõ ràng, nhiệt độ chi tiết phải đồng đều chênh lệch vài độ, nếu chênh lệnh nhiều thì là thất bại việc kiểm soát nhiệt độ Hơn việc kiểm sốt nhiệt độ có ý nghĩa rất quan với cấu trúc tế vi phôi, phôi sau có chênh nhiệt độ lớn vùng khơng có tổ hạt chức đồng đều nữa, vì yêu cầu đặt là 112 tính chi tiết sau ép bán lỏng phải tôt phương pháp thông thông thường, vậy, việc biết nhiệt độ tăng vùng nào giúp ta kiểm soát nhiệt độ cách xác Hình 5.32 cho thấy trường nhiệt độ ép với vận tơc thấp Hình 5.32 Nhiệt độ ép với vận tôc thấp 3mm/s Tại vùng tập trung ứng suất nhiệt độ tăng lên cách đồng đều toàn thể tích vùng chứa phôi Phần phôi giảm cách đồng đều Nhiệt độ phôi 0 trường hợp này giảm xuông khoảng 10 C (571 C) Nhiệt độ tăng cao nhất vùng cơn, điều này là xác vì phân tử là linh động nhất và chịu ma sát lớn nhất Rõ ràng ép chậm làm giảm nhiệt độ phôi 113 Hình 5.33 Nhiệt độ với vận tơc 8mm/s Nhiệt độ trường hợp này giảm không đáng kể khoảng – C Tuy nhiên nhiệt độ cao nhất lại tập trung gần góc dịng chảy với vận tơc lớn gặp phần gấp khúc làm tăng độ linh động phần tử nhôm mang nhiệt cách đáng kể Ở vận tôc ép 9mm/s nhiệt phân bô đều so với vận tôc ép 15mm/s 5.5 Một số kết luận Ta đưa bảng so sánh kết quả tính tốn và kết quả mơ lực và vận tôc như sau: Bảng 5.2: bảng kết quả so sánh lực (tấn) Vận tôc mm/s 15 114 25 45,3 40,1 11,48  Nhận xét: kết quả mô là không khác nhiều so với kết quả tính tốn Kết quả sai lệch cho thấy tính đắn phương pháp tính tốn  Nhiệt độ suôt trình đùn ép tăng nhiệt độ phôi giảm  Khi ép với tôc độ chậm 3mm/s thì nhiệt độ phôi giảm có nhiều thời gian để phơi tỏa nhiệt môi trường Khi ép với tôc độ cao thì nhiệt độ giảm không kể vì q trình ép diễn rất nhanh khơng có nhiều thời gian để phôi tỏa nhiệt, nhiệt độ tập trung cục sô vùng gấp khúc hay góc  Tơc độ ép thực nghiệm đem lại kết quả xác nhất là khoảng mm/s Có thể mở rộng cho vận tơc ép sau : 8mm/s, 11.5mm/s  Đây là sở cho trình thực nghiệm  Như với vận tôc 8mm/s lực chọn không nhỏ 33.5 tấn 115 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM Thực nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm A356 6.1.1 Chuẩn bị chất sơn bảo vệ nồi nấu - Thành phần nước sơn: 130 gr ZnO, 63 cm3 nước thuỷ tinh, 25 gr bột amiăng hoà với lít nước - Cách trộn: Cho nước vào thùng, sau cho ZnO, thuỷ tinh lỏng vào thùng trộn đều (nếu khơng có bột amiăng thì dùng hỗn hợp: 145 gr ZnO, 75 cm3 nước thuỷ tinh lỏng, lít nước thay thế) 6.1.2 Chuẩn bị chất sơn dụng cụ (gáo múc, chụp khử khí, que khuấy) - Thành phần nước sơn: 60% ZnO, 4% sét bentơnít, 36% nước - Cách trộn: Cho nước vào thùng, cho bột ZnO vào trộn đều, sau cho bột bentơnít vào trộn đều 6.1.3 Chuẩn bị lị nấu Nồi nấu làm gang Để tránh tạp chất xâm nhập vào hợp kim nhôm, phải đảm bảo nồi và phải quét lớp sơn bảo vệ trước mỡi mẻ nấu 6.1.5 Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện - Thành phần mi khử khí: 70% NaCl, 30% KCl - Thành phần mi biến tính: 62,5% NaCl; 12,5% KCl; 25% NaF Các hỗn hợp muôi cần trộn sẵn trước, để riêng thùng kín và bảo quản nơi khô Phải đảm bảo sử dụng hỗn hợp muôi sấy kỹ 6.1.6 Nấu luyện và biến tính hợp kim nhơm đúc áp lực Hợp kim nấu luyện lò điện trở thể giếng có điều khiển nhiệt độ Bật lị điện, o đặt nhiệt lị 150÷200 C Sau nồi lò đạt nhiệt độ này, tiến hành quét lớp sơn mỏng bảo vệ nồi o Sấy tiếp lò lên 300 C khoảng 30 phút, chất liệu vào lị Rải hồi liệu nhỏ xng đáy nồi tiến hành chất thỏi nhôm và hợp kim trung gian Al-Si (50o 50) Nâng nhiệt lò lên khoảng 800 C Khi hợp kim chảy, cho thêm dần nhôm thỏi và hợp kim trung gian Al-Si (50-50) vào để đạt khôi lượng mẻ nấu 116 Trong trình này nung sấy loại muôi và dụng cụ thao tác quét lớp sơn bảo vệ Khi kim loại lỏng đạt nhiệt độ khoảng 730÷750 độ C, tiến hành khử khí và biến tính sau: Cho 0,75kg mi/100kg kim loại lỏng, chất khử khí (gói giấy) dìm xuông nhôm lỏng chụp khử khí, di chuyển nhẹ nhàng chụp khử khí khắp nồi, cách đáy 25mm phút Sau khử khí, chờ khoảng 10 phút thì tiến hành biến tính với 0,65kg muôi/100kg kim loại lỏng, thao tác tiến hành với trình khử khí, đợi phút vớt xỉ o Khi kim loại lỏng đạt nhiệt độ khoảng 700÷730 C, cho hợp kim trung gian Al-Ti (8020) vào nồi lị dùng que kh́y có chụp dìm xng sát đáy nồi, di chuyển nhẹ nhàng khắp nồi khoảng thời gian 5-8 phút 6.2 Thực nghiệm chế tạo phôi mẫu đúc áp lực 6.2.1 Chế tạo mẫu thử - Làm bề mặt khn và nung nóng khn điện trở chuẩn bị cho chu trình đúc áp lực o - Khi nhiệt độ khuôn đạt 270 C thì cho dung dịch bảo vệ khuôn vào Dung dịch bảo vệ khuôn giúp nhôm không bị bám vào khuôn gây hư hỏng và tách sản phẩm dễ o - Tiếp tục nung khuôn đạt 270 C, nung phôi đạt nhiệt độ bên ngoài o o khoảng 280 C và nhiệt độ bên đạt 260 C - Cho phôi vào khuôn và tiến hành ép phôi - Tiến hành tách phôi la khỏi khuôn 6.2.2 Kết Sau tiến hành chế tạo mẫu, ta thu kết quả thực nghiệm sau: Hình 6.1 Kết quả thực nghiệm 117 118 ... NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ LẬP QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT HỢP KIM NHÔM Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG SVTH : TRỊNH XUÂN NGỌC NGUYỄN THANH TÚ ĐẶNG VŨ NAM TRƯƠNG ANH LƯU Khoá : 2012 Ngành : Công nghệ chế. .. pháp tạo hình trang thái bán lỏng 1.1 Tổng quan công nghệ tạo hình trạng thái bán lỏng 1.1.1 Giới thiệu sơ lược trạng thái bán lỏng Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu trạng thái bán lỏng. .. và pha lỏng với tỉ lệ phù hợp Công nghệ tạo hình kim loại trạng thái bán lỏng xuất từ đầu năm 1970, Giáo sư Flemings và cộng nghiên cứu trạng thái dòng chảy kim loại trạng thái bán lỏng Quá