Thường áp dụng hai phương pháp chí nh là tăng độ quá nguội và biến tí nh. Tăng độ quá nguội
Khi tăng độ quá nguội ∆To, tốc độ sinh mầm n và tốc độ phát triển dài của mầm v đều tăng (hình 1.26) nhưng n tăng nhanh hơn do đó vẫn làm hạt nhỏ đi.
Để tăng độ quá nguội khi đúc người ta phải làm nguội nhanh bằng cách thay đổi vật liệu làm khuôn. Trong thực tế có các phương pháp đúc tương ứng với tốc độ làm nguội như sau:
Hình 1.26. ảnh h!ởng của độ quá nguội ∆T đến n và v.
- Làm nguội trong khuôn cát là phương pháp đúc nguội chậm nhất, nhất là trong khuôn đ∙ được sấy khô (trong khuôn tươi nguội nhanh hơn đôi chút).
- Thay vật liệu làm khuôn bằng kim loại như gang, thép, đồng có tí nh dẫn nhiệt cao hơn nhờ đó tốc độ nguội tăng lên một cách đáng kể. Như vậy đúc trong khuôn kim loại (vĩnh cửu) không những không phải làm lại khuôn, cho năng suất cao hơn mà còn nâng cao chất lượng vật đúc.
- Làm nguội thêm khuôn kim loại bằng nước, làm tăng thêm tốc độ nguội và độ quá nguội như đúc ly tâm, đúc áp lực, đúc liên tục... cho năng suất rất cao và
chất lượng tốt.
Tăng tốc độ nguội để làm nhỏ hạt khi đúc khá đơn giản, hiệu quả, được áp dụng rất rộng r∙i cho các sản phẩm nhỏ và hình dạng đơn giản. Hạn chế của nó là do khi làm nguội quá nhanh tạo ra độ chênh nhiệt độ quá lớn giữa các phần của vật đúc với hình dạng phức tạp, không điều hòa (có thành quá dày và quá mỏng), gây ra ứng suất có thể làm biến dạng, thậm chí nứt. Phương pháp này không có hiệu quả với vật đúc (có tiết diện) lớn.
Các phương pháp làm nguội kể trên chỉ đạt được tốc độ nguội vài trăm đến nghìn độ oC/s (< ∆T1o trên hình 1.26). Nếu tăng độ quá nguội lên cao hơn nữa từ
∆T1o đến ∆T2o (ví dụ khoảng trên dưới 104 oC/s cho kim loại, > 105 oC/s cho hợp kim) chỉ làm cho n tăng, còn v lại giảm đi, sẽ nhận được các hạt rất nhỏ mịn - vi tinh thể (hạt cỡ micromet), siêu vi tinh thể (hạt cỡ nanomet). Còn khi tăng độ quá nguội lớn hơn ∆T2o, các nguyên tử không thể khuếch tán tạo nên tinh thể mà tạo nên trạng thái thủy tinh, vô định hình. Để đạt được các hiệu ứng đó sản phẩm tạo ra phải rất mảnh, bằng cách phun tạo bột từ pha lỏng, tia băng mỏng trên đĩa nguội bằng đồng, bốc hơi trong chân không. Ba loại vật liệu mới này có những tí nh chất cơ, lý, hóa rất đa dạng, đang được nghiên cứu. Biến tí nh (modification)
Biến tí nh là phương pháp cho vào kim loại lỏng trước khi rót khuôn (thường là cho vào thùng rót) một lượng rất nhỏ (hầu như không ảnh hưởng đến thành phần hóa học) chất đặc biệt gọi là chất biến tí nh có tác dụng làm nhỏ hạt, thậm chí đôi khi thay đổi cả hình dạng hạt. Cơ chế làm nhỏ hạt của chất biến tí nh như sau.
1) Khi hòa tan vào kim loại lỏng nó kết hợp với tạp chất hoặc khí hòa tan để tạo ra các hợp chất khó chảy, không tan, ở dạng các phần tử rắn nhỏ, lơ lửng, phân tán đều trong thể tí ch, chúng giúp cho sự tạo mầm ký sinh. Phần lớn các chất biến tí nh tác dụng theo cơ chế này. Ví dụ, cho nhôm vào thép lỏng với lượng nhỏ (khoảng vài trăm gam cho 1 tấn thép lỏng) chỉ đủ để kết hợp với ôxy, nitơ thành ôxyt (Al2O3), nitrit (AlN) khó chảy tạo nên các phần tử rắn nhỏ mịn, phân tán đều, là bề mặt để mầm ký sinh phát triển, nhờ vậy tạo ra hạt nhỏ đều trong cả thể tí ch lớn (khi làm nguội nhanh hiệu quả này chỉ đạt được ở lớp bề mặt, còn trong lõi kết tinh sau với độ quá nguội nhỏ vẫn có hạt lớn hơn). Biến tí nh hợp kim magiê bằng manhêzit (khoảng 1% mẻ nấu) cỡ hạt giảm từ 0,2 ữ 0,3mm (cấp 1) xuống 0,01ữ 0,02mm (cấp 8).
2) Khi hòa tan vào kim loại lỏng nó bị hấp phụ vào bề mặt mầm, làm giảm tốc độ phát triển dài v của mầm. Ví dụ, khi đúc hợp kim Al - Si người ta cho vào hợp kim lỏng một lượng nhỏ muối natri, khi hòa tan nó làm chậm sự phát triển của các tinh thể silic, làm chúng rất nhỏ mịn (xem tổ chức tế vi các hình 6.7a và b), cải thiện rõ rệt cơ tí nh. Số chất biến tí nh tác dụng theo cơ chế này không nhiều.
Ngoài ra còn có loại chất biến tí nh có tác dụng làm thay đổi hình dạng tinh thể tạo thành nhờ đó cải thiện rất mạnh tí nh chất như trường hợp tạo ra grafit hình cầu trong gang độ bền cao - một loại vật liệu kim loại quan trọng trong sản xuất cơ khí (xem mục 5.6.3). Cuối cùng cần nhấn mạnh một điểm khá mấu chốt là chất biến tí nh chỉ được đưa vào kim loại lỏng vài phút trước khi rót khuôn, nếu sớm quá (kim loại chưa kịp kết tinh) các phần tử tạo thành nổi lên đi vào xỉ, nếu chậm quá lại không kịp phản ứng.
1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc
Các sản phẩm đúc thường có hình dạng phức tạp, do vậy ở đây chọn thỏi đúc là loại có dạng đơn giản nhất để khảo sát, lấy đó làm cơ sở để xác định cho các trường hợp khác.