Kết quả mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh truyền nhiệt

5.2.1. Trƣờng nhiệt độ của vật đỳc

Cú thể thấy ứng với ỏp suất khớ quyển, nhiệt độ của kim loại vào thời điểm 3s ở hỡnh 5.13 chia thành hai vựng rừ rệt. Vựng nhiệt độ cao (màu đỏ) cú nhiệt độ là 5830

C (8560K), vựng nhiệt độ thấp phớa trờn cựng của mẫu thử và vị trớ rónh dẫn (tƣơng ứng màu xanh và màu vàng xậm), nhƣ vậy mẫu thử đụng đặc khụng đồng thời, đõy chớnh là đặc trƣng của đỳc trọng lực. Hợp kim A356 đụng đặc hoàn toàn tại 5550

C (8280K). So với trƣờng hợp khi đỳc dƣới ỏp suất cao 185 MPa hỡnh 5.14 và ỏp suất 205 MPa hỡnh 5.15, tại thời điểm 3s quỏ trỡnh kết tinh dƣới ỏp lực cao, toàn bộ mẫu thử nhiệt độ đồng đều khoảng 5690

C (8420K) gần sỏt với nhiệt độ đụng đặc hoàn toàn. Theo tài liệu [47], tớnh cho hệ hợp kim Al-Si, nhiệt độ núng chảy tăng 6,6.10-2 0C/MPa, nờn khi đỳc dƣới ỏp lực cao (185 MPa) nhiệt độ núng chảy của hợp kim Al-Si sẽ tăng lờn khoảng 120

C. Vỡ vậy, trong khoảng thời gian ộp tĩnh là 3s mẫu thử đó đƣợc đụng đặc hoàn toàn dƣới ỏp lực cao nhanh chúng, đõy chớnh là đặc trƣng của đỳc ỏp lực cao.

Tại thời điểm 7s khi đỳc dƣới ỏp suất cao 185 MPa hỡnh 5.14 và ỏp suất 205 MPa hỡnh 5.15, nhiệt độ ở vị trớ cao nhất là 4970C (7700K), nhiệt độ này chi tiết mẫu thử đó đạt đƣợc độ bền cần thiết lỳc này cú thể mở khuụn và đẩy sản phẩm kết thỳc một chu trỡnh đỳc.

78

Hỡnh 5.13. Trường nhiệt độ của vật đỳc với ỏp suất 1atm, nhiệt độ rút là 6100C

79

Hỡnh 5.15. Trường nhiệt độ của vật đỳc với ỏp suất 205MPa, nhiệt độ rút là 6100C

5.2.2. Phõn bố nhiệt độ trờn mặt cắt và biến thiờn nhiệt độ tại cỏc vị trớ tõm mẫu mẫu

Khi rút kim loại lỏng A356 vào khuụn với nhiệt độ rút là 6100C, ở ỏp suất khớ quyển, trờn biểu đồ phõn bố nhiệt độ trờn mặt cắt của mẫu đỳc hỡnh 5.16, tại thời điểm 3s cho thấy đƣờng nhiệt độ đi qua mặt cắt C-C (P3- hỡnh 5.17) vựng xa nhất của mẫu đỳc nhiệt độ chỉ khoảng 3830

C (6600K).

Hỡnh 5.16. Phõn bổ nhiệt độ trờn mặt cắt của mẫu đỳc tại thời điểm 3s với ỏp suất

1atm, nhiệt độ rút là 6100

C

Hỡnh 5.17. Biến thiờn nhiệt độ tại cỏc vị trớ tõm của mẫu đỳc đến thời điểm 7s với ỏp

suất 1atm, nhiệt độ rút là 6100

80 Cũng ở chế độ đỳc này, trờn hỡnh 5.17 biểu diễn biến thiờn nhiệt độ tại vị trớ tõm mẫu đỳc, tại điểm P3 vào thời điểm sau khi rút là 1s thỡ kim loại đó đụng đặc. Nhƣ vậy ở ỏp suất khớ quyển với mẫu đỳc đó lựa chọn kim loại khú điền đầy đến vựng trờn cựng P3.

Khi rút kim loại lỏng A356 vào khuụn với nhiệt độ rút là 6100

C, với ỏp lực ộp tĩnh là 185Mpa ở biểu đồ phõn bố nhiệt độ trờn cỏc mặt cắt hỡnh 5.18 và hỡnh 5.19 ở thời điểm 3s cho thấy đƣờng nhiệt độ đi qua cỏc mặt cắt A-A (P1), B-B (P2), C-C (P3) khụng cú sự chờnh lệch nhiệt độ lớn tại cỏc vị trớ trờn, nhiệt độ đạt khoảng 5690

C (8420K).

Hỡnh 5.18. Phõn bổ nhiệt độ trờn mặt cắt của vật đỳc tại thời điểm 3s với ỏp lực

185MPa, nhiệt độ rút là 6100C

Hỡnh 5.19. Biến thiờn nhiệt độ tại cỏc vị trớ tõm của vật đỳc đến thời điểm 7s với ỏp lực

185MPa, nhiệt độ rút là 6100C

Hỡnh 5.20. Phõn bổ nhiệt độ trờn mặt cắt của vật đỳc tại thời điểm 3s với ỏp lực

205MPa, nhiệt độ rút là 6100C

Hỡnh 5.21. Biến thiờn nhiệt độ tại cỏc vị trớ tõm của vật đỳc đến thời điểm 7s với ỏp lực

205MPa, nhiệt độ rút là 6100C

Trờn hỡnh 5.20 và hỡnh 5.21, tại cỏc vị trớ tõm của mẫu đỳc P1, P2, P3 nhiệt độ đạt khoảng 5670C (8400K) cho tới khoảng thời gian là 3s ứng với ỏp lực ộp tĩnh là 205 MPa. Sự phõn bố nhiệt độ trong mẫu cũng tƣơng tự trƣờng hợp ỏp lực ộp tĩnh 185 MPa. Cú thể giải thớch rằng do tốc độ nguội rất cao (thụng thƣờng khoảng 103K/s) nờn quỏ trỡnh đụng đặc là rất khụng cõn bằng, lƣợng pha lỏng cũn lại lớn nờn việc đồng đều húa nhiệt độ là một điều kiện rất thuận lợi để phỏt triển cỏc hỡnh thành tinh thể đều trục hoặc cầu trũn. Điều này cú thể đƣợc giải thớch nhƣ sau: dũng nhiệt q, đƣợc truyền đi trong quỏ trỡnh đụng đặc chủ yếu là dẫn nhiệt và tuõn theo định luật Fourier: q = -.gradT ở đõy  là hệ số dẫn nhiệt và

81 gradT là gradient nhiệt độ (gradT = T/z). Sự

chờnh lệch nhiệt độ, T, lớn dẫn đến dũng nhiệt lớn và bắt buộc tinh thể phải lớn lờn theo một hƣớng (constrained growth), tạo ra cỏc tinh thể nhỏnh cõy dạng cột (hỡnh 5.22). Việc làm đồng đều húa nhiệt độ khiến cho tinh thể cú thể phỏt triển theo mọi hƣớng và đõy là điều kiện rất quan trọng cho việc hỡnh thành cỏc hỡnh thỏi tinh thể đều trục (equi-axed) và cầu trũn.

5.3. Tổ chức tế vi của mẫu đỳc Lƣu biến-ỏp lực

Hợp kim A356 đƣợc nấu luyện trong lũ điện trở dung tớch 150kg, nhiệt độ kim loại sau khử khớ và biến tớnh là 6600

C.

Bảng 5.1. Thành phần húa học của hợp kim A356

Nguyờn tố, % Cu Mg Mn Si Fe Zn Ti Al Mỏc A356 theo tiờu chuẩn  0,2 0,25- 0,45  0,1 6,5- 7,5  0,2  0,1  0,2 Cũn lại Mẫu 1 (phụ lục 1.1) 0,0105 0,3684 0,0033 7,1172 0,0490 0,0178 0,1334 Cũn lại Mẫu 2 (phụ lục 1.2) 0,0171 0,3625 0,0116 7,1458 0,0561 0,0182 0,1271 Cũn lại Mẫu 3 (phụ lục 1.3) 0,0132 0,4166 0,0118 7,2454 0,0522 0,0317 0,1425 Cũn lại Mẫu 4 (phụ lục 1.4) 0,0154 0,3872 0,0194 7,3527 0,0485 0,0276 0,1638 Cũn lại Mẫu 5 (phụ lục 1.5) 0,0181 0,4179 0,0165 6,9984 0,0493 0,0176 0,2087 Cũn lại Trờn bảng 5.1 cho thấy, hàm lƣợng cỏc nguyờn tố hợp kim chớnh nhƣ Si, Mg, Ti đều nằm trong dải cho phộp của tiờu chuẩn của hợp kim A356 [37].

Kết quả nghiờn cứu ảnh hƣởng của ỏp lực ộp tĩnh là 185; 190; 195; 200; 205 MPa đến tỉ trọng của hợp kim A356.

5.3.1. Sự hỡnh thành pha nền

Trờn hỡnh 5.23 là ảnh tổ chức tế vi của hợp kim A356 rút từ trạng thỏi lỏng (6750 C) với hỡnh thỏi tinh thể nhỏnh cõy rừ rệt. Trờn hỡnh 5.24 là tổ chức khi đỳc bằng phƣơng phỏp đỳc ỏp lực và trờn cỏc hỡnh 5.25 ữ 5.29 bằng phƣơng phỏp đỳc Lƣu biến-ỏp lực với ỏp lực ộp tĩnh khỏc nhau. Nhƣ đó biết, hỡnh dỏng và kớch thƣớc tổ chức tế vi tạo thành khi kết tinh

Hỡnh 5.22. Cỏc tinh thể nhỏnh cõy dạng cột

82 phụ thuộc vào điều kiện sinh mầm và phỏt triển của chỳng, tốc độ và hƣớng tỏa nhiệt, nhiệt độ cũng nhƣ hàm lƣợng tạp chất. Sự hỡnh thành và phỏt triển của tổ chức tế vi xảy ra trong đỳc thụng thƣờng theo hỡnh thỏi nhỏnh cõy (hỡnh 5.23) và tập trung tạp chất trờn biờn giới giữa cỏc hạt và ở khu vực giữa cỏc nhỏnh cõy (màu đen). Tại đú cỏc rỗ xốp xuất hiện do co ngút và do khú chuyển kim loại lỏng đến mặt kết tinh. Cỏc điều kiện truyền nhiệt khi kết tinh ảnh hƣởng đỏng kể đến hỡnh dỏng tổ chức. Cỏc tinh thể phỏt triển chủ yếu theo hƣớng ngƣợc với hƣớng truyền nhiệt dẫn tới sự hỡnh thành cỏc tinh thể cú dạng hỡnh trụ dài.

Hỡnh 5.23. Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim A356 rút từ trạng thỏi lỏng (6750 C)

Trong trƣờng hợp đỳc ỏp lực thụng thƣờng, nhƣ đó núi ở trờn, do cú sự đồng đều húa về nhiệt độ nờn tổ chức đó trở nờn gọn hơn với hỡnh thỏi đều trục, tuy nhiờn hạt khụng đồng đều và cũn khỏ thụ (~ 60 m), vẫn cũn khỏ nhiều hạt -Al thứ nhất dạng nhỏnh cõy (mũi tờn – hỡnh 5.24).

Khi sử dụng phƣơng phỏp bỏn lỏng kết hợp với đỳc ỏp lực, tổ chức tế vi nhận đƣợc cú hỡnh dạng phi nhỏnh cõy và tƣơng đối đồng đều (hỡnh 5.25). Do kết hợp khuấy nhằm làm tăng tốc độ tạo mầm, đồng đều húa nhiệt độ kết hợp với nhiệt độ rút thấp (6100

C), gần với nhiệt độ đụng đặc của hợp kim đó làm giảm, thậm chớ làm mất vựng tinh thể dạng cột.

83

Hỡnh 5.24. Ảnh tổ chức tế vi x500, Đỳc ỏp lực Tk = 1550 C, Tr=6600C, Pt=200MPa

Trong đỳc thụng thƣờng dƣới tỏc động của trọng lực cỏc kim loại cú khối lƣợng riờng lớn trong hợp kim cú xu hƣớng chỡm xuống phớa dƣới hoặc cỏc kim loại cú hoạt tớnh cao cú xu hƣớng tạo thành hợp chất dẫn tới thiờn tớch vựng làm vật đỳc khụng cú tớnh đồng nhất. Trong đỳc ỏp lực dƣới tỏc động của ỏp lực ộp dũng kim loại lỏng bị xỏo trộn mạnh làm mất nhƣợc điểm này. Đặc biệt ảnh hƣởng của ỏp đến tốc độ nguội và hƣớng kết tinh trờn cơ sở so sỏnh trƣờng nhiệt độ và tỷ phần pha lỏng trong cỏc trƣờng hợp ỏp suất khỏc nhau 1, 50 và 100 atm đó đƣợc cỏc tỏc giả cụng bố trong [41,9]. Tỏc động của ỏp suất đó làm vỡ cỏc hạt tinh thể kết tinh trƣớc đú, phõn bố chỳng vào thể tớch loại lỏng và dẫn tới nõng cao số lƣợng tõm mầm kết tinh. Nhờ vậy kớch thƣớc tổ chức nhận đƣợc tƣơng đối nhỏ đồng đều và đồng nhất (giảm thiờn tớch vựng) trong toàn bộ vật đỳc. Kớch thƣớc hạt trung bỡnh nhận đƣợc khi sử dụng cụng nghệ này là  35àm.

84

Hỡnh 5.25. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100C, Pt=185MPa

Hỡnh 5.26. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=190MPa

85

Hỡnh 5.27. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=195MPa

Hỡnh 5.28. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=200MPa

86

Hỡnh 5.29. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250C, Tr = 6100 C, Pt=205MPa

Trờn cỏc hỡnh 5.25 ữ 5.29 khi thay đổi ỏp lực ộp tĩnh lần lƣợt là: 185; 190; 195; 200; 205 MPa, cú thể thấy rừ sự xuất hiện của 3 nhúm hạt: nhúm cỏc hạt 1 cú kớch thƣớc khoảng 35àm gần nhƣ khụng thay đổi, nhúm cỏc hạt 2 nhƣ cỏc mảnh vỡ của nhỏnh cõy và nhúm cỏc hạt 3 cú kớch thƣớc rất nhỏ mịn (khoảng 2-7m). Áp lực ộp tĩnh càng lớn nhúm cỏc hạt 3 càng nhỏ và cú kớch thƣớc khoảng 2-7àm, cú thể giải thớch rằng đõy là phần kim loại lỏng sau khi đó đƣợc điền đầy hốc khuụn đƣợc kết tinh dƣới ỏp lực cao, tốc độ nguội cao (khoảng 103

K/giõy). Đõy chớnh là quỏ trỡnh đụng đặc thứ cấp rất quan trọng, bởi lẽ khi đi vào khuụn cũn tới khoảng 80% kim loại ở trạng thỏi lỏng [31].

Sự kết tinh đầu tiờn (thứ nhất) trong quỏ trỡnh RDC thƣờng xảy ra ở gỏo rút khuấy bằng trục graphit theo phƣơng phỏp MIT và sự kết tinh này dẫn đến việc hỡnh thành cỏc hạt α1, quỏ trỡnh này liờn quan đến sự tạo mầm dị thể trờn trục graphit và phõn bố cỏc mầm này vào bể kim loại lỏng nhờ lực ly tõm và chuyển động xoỏy cƣỡng bức do trục graphit tạo ra Cỏc mầm dị thể trong quỏ trỡnh đụng đặc thứ nhất đƣợc hỡnh thành trong một quỏ trỡnh nguội liờn tục và với một độ quỏ nguội tƣơng đối nhỏ. Nhờ chuyển động xoỏy mạnh và ảnh hƣởng của sức căng bề mặt mà cỏc hạt cú hỡnh cầu,loại bỏ việc hỡnh thành cỏc tinh thể nhỏnh cõy.

Sự kết tinh thứ cấp bắt đầu khi hỗn hợp bỏn lỏng đƣợc rút vào xi lanh ộp (buồng nạp). Khụng giống nhƣ sự kết tinh bờn trong gầu rút, sự kết tinh thứ cấp xảy ra khụng cú

87 ảnh hƣởng của chuyển động xoỏy, cắt và đối lƣu. Do nhiệt độ tƣơng đối thấp của xi lanh ộp (1500 C), cỏc mầm kết tinh dị thể cũng đƣợc hỡnh thành ở thành xi lanh.

Hỡnh 5.30. Ảnh tổ chức (x1000): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=205MPa

Tuy nhiờn tổ chức nhỏnh cõy sẽ hỡnh thành trong trƣờng hợp này vỡ khụng cú lực khuấy và cắt. Cỏc nhỏnh cõy, do bị phõn mảnh khi đi qua rónh dẫn cú diện tớch hẹp hơn nhiều so với thành vật đỳc nờn cú kớch thƣớc tƣơng đối nhỏ (cỏc hạt α2, nhƣ đƣợc minh hoạ trong hỡnh 5.30, với kớch thƣớc trung bỡnh α2 là 20m). Sự tồn tại của cỏc hạt 2 nhỡn chung là khụng mong muốn vỡ chỳng cú dạng dendrite cú thể cản trở quỏ trỡnh điền đầy khuụn và gõy ra cỏc loại khuyết tật giữa nhỏnh cõy. Tuy nhiờn sự tồn tại của chỳng là khụng thể trỏnh đƣợc. Nhỡn chung tỷ phần thể tớch của cỏc hạt 2 phụ thuộc vào thời gian và tốc độ khuấy trƣớc đú. Trong trƣờng hợp đỳc ỏp lực cao thụng thƣờng tỷ phần thể tớch của cỏc hạt 2 cú thể lờn tới 20% [31]. Tuy nhiờn trong trƣờng hợp RDC, tỷ phần thể tớch của chỳng là rất nhỏ (dƣới 10% - hỡnh 5.30) nhờ việc khuấy trƣớc đú đó làm đồng đều nhiệt độ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phỏt triển cỏc tinh thể đều trục, cầu trũn, nhƣ đó phõn tớch ở phần 5.1.2. Cú thể dự đoỏn đƣợc rằng thời gian càng dài và tốc độ khuấy càng lớn thỡ tỷ phần thể tớch của 2 càng nhỏ. Kim loại lỏng sau đú đƣợc điền đầy hốc khuụn vẫn cú nhiệt độ và thành phần hợp kim khỏ đồng đều do cú lực khuấy mạnh trƣớc đú.

Sự hỡnh thành cỏc hạt 3 chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ nguội của phần kim loại lỏng cũn lại, chứ gần nhƣ khụng phụ thuộc vào việc khuấy trƣớc đú. Với tốc độ nguội cao

1

2

88 (khoảng 103 0

C/giõy) nhờ nhiệt đƣợc truyền qua khối khuụn kim loại, mầm kết tinh sẽ hỡnh thành trong cả phần kim loại lỏng cũn lại với tốc độ tạo mầm cao và một điều quan trọng là tất cả cỏc mầm này đều đƣợc duy trỡ và phỏt triển. Do rất nhiều mầm đƣợc tạo ra cựng lỳc nờn cỏc mầm hỡnh thành trong phần kim loại lỏng cũn lại sẽ cạnh tranh với nhau để lớn lờn và quỏ trỡnh đụng đặc cú thể kết thỳc ngay cả trƣớc khi cỏc mầm đạt đƣợc kớch thƣớc ổn định và nếu nhƣ vậy, chỳng sẽ phỏt triển tiếp theo dƣới dạng nhỏnh cõy. Điều này cú thể đƣợc giải thớch nhƣ sau.

Để phỏt triển ổn định cỏc mầm kết tinh phải đạt đƣợc kớch thƣớc tới hạn (cần lƣu ý là kớch thƣớc tới hạn của mầm đồng thể và dị thể là nhƣ nhau). Kớch thƣớc tới hạn đú đƣợc tớnh theo cụng thức [6]: g r  2 0 ; ở đõy  là sức căng bề mặt rắn lỏng và g là độ chờnh về năng lƣợng tự do Gibss giữa một mole pha lỏng và rắn.

Sau khi đạt đƣợc kớch thƣớc tới hạn, trong những điều kiện thụng thƣờng mầm sẽ phỏt triển đến kớch thƣớc ổn định và sau khi đạt đƣợc giới hạn ổn định chỳng sẽ bị mất ổn định và bắt đầu từ cỏc mặt sớt chặt sẽ phỏt triển ra cỏc nhỏnh cõy (Hỡnh 5.31a). Nếu rất nhiều mầm đƣợc hỡnh thành cựng một lỳc, chỳng cú thể chỉ phỏt triển đến, hoặc thậm chớ chƣa kịp phỏt triển đến giới hạn ổn định (hỡnh 5.31b)

Hỡnh 5.31. a) Sự hỡnh thành tổ chức nhỏnh cõy trong quỏ trỡnh đụng đặc thụng thường, b) Sự hỡnh thành tổ chức khi mầm tạo ra nhiều và lớn lờn cạnh tranh

Quỏ trỡnh này sinh ra cỏc hạt hỡnh cầu nhỏ và mịn α3. Đƣờng kớnh kớch thƣớc hạt trung bỡnh α3 là ≤ 7 μm (hỡnh 5.30), kớch thƣớc này nhỏ hơn nhiều lần kớch thƣớc của hạt chớnh α1 (đƣờng kớnh trung bỡnh α1 là 35 m) đƣợc sinh ra bởi sự kết tinh đầu tiờn ở gầu rút. Một điều dễ dàng nhận ra là độ đồng đều về nhiệt độ và thành phần của kim loại lỏng đúng vai trũ quan trọng đến sự hỡnh thành tổ chức. Khi mà sự đồng đều về nhiệt độ và thành phần hợp kim đạt đƣợc, và khi độ quỏ nguội lớn, cỏc mầm hỡnh thành nhiều và lớn lờn cạnh tranh, quỏ trỡnh phỏt triển kết thỳc ngay khi đạt đƣợc giới hạn ổn định (vỡ khụng cũn khụng gian để phỏt triển – hỡnh 5.31 b), nhỏnh cõy chƣa hỡnh thành. Điều này lý giải sự khụng phụ thuộc của kớch thƣớc hạt α3 vào tốc độ khuấy và thời gian khuấy.