Ở giai đoạn cuối cựng của quỏ trỡnh đụng đặc, trong vựng pha lỏng đụng đặc sau cựng sẽ xảy ra phản ứng cựng tinh. Nhƣ vậy Si cựng tinh sẽ nằm ở vựng giữa cỏc hạt tinh thể. Cựng tinh Al-Si là cựng tinh khụng đều, do Si là một pha cú hành vi tạo bề mặt nột rừ rệt, bởi vậy trong cỏc quỏ trỡnh đụng đặc thụng thƣờng Si cựng tinh cú dạng tấm phiến khỏ thụ (hỡnh 5.24). Tuy nhiờn trong trƣờng hợp rheo-diecasting cú thể thấy Si cựng tinh đó chuyển sang dạng sợi hoặc bụng tuyết (cỏc hỡnh từ 5.25 đến 5.30). Kớch thƣớc (đƣờng kớnh) của sợi Si là khỏ nhỏ, chỉ khoảng vài trăm nm. Cũng rất đỏng chỳ ý là hành vi tạo bề mặt của tinh thể Si trong trƣờng hợp này yếu hơn nhiều so với đỳc ỏp lực cao thụng thƣờng (hỡnh 5.32a).
90 Sự hỡnh thành Si cựng tinh ở vựng giữa cỏc hạt -Al đỏnh dấu sự kết thỳc của quỏ trỡnh đụng đặc. Thụng thƣờng việc chuyển hỡnh thỏi của Si cựng tinh từ dạng tấm phiến sang dạng sợi, bụng tuyết cú thể đƣợc thực hiện bằng 2 cỏch:
1) Bổ sung một số nguyờn tố nào đú (biến tớnh bằng con đƣờng húa học) 2) Nguội nhanh (biến tớnh bằng con đƣờng tỏa nhiệt)
a) b)
Hỡnh 5.32. a) Hiển vi quang học cho thấy hành vi tạo bề mặt yếu của Si trong cụng nghệ đỳc lưu biến- ỏp lực, b) Cựng tinh được hỡnh thành trong những vựng khụng gian nhỏ giữa cỏc hạt.
Thời gian gần đõy khỏ nhiều nghiờn cứu đƣợc tập trung vào việc thay đổi hỡnh dỏng của Si cựng tinh. Trong nghiờn cứu này, sự dịch chuyển về hỡnh thỏi đú rừ ràng là do tốc độ nguội cục bộ cao: do sự đụng đặc thứ cấp xảy ra trong quỏ trỡnh rheo-diecasting mà cỏc hạt 3 nhỏ mịn sẽ chia cắt vựng pha lỏng đụng đặc sau cựng thành những “tỳi” nhỏ nằm giữa chỳng. Phản ứng cựng tinh do vậy bị “giam hóm” trong cỏc vựng khụng gian nhỏ giữa cỏc hạt, và tốc độ nguội cục bộ cao sẽ gúp phần tạo ra sự dịch chuyển về hỡnh thỏi.
Hỡnh 5.32b cho thấy khoảng cỏch pha cựng tinh, , là khoảng 1 m. Theo lý thuyết của Jackson-Hunt về sự phỏt triển của cựng tinh thỡ khoảng cỏc pha trung bỡnh, *, và tốc độ phỏt triển của cựng tinh, v, cú mối quan hệ: λ* V = constant, với giỏ trị của constant đối với hợp kim Al chứa 6 – 12% Si nằm trong khoảng 25,2 3,2 m2/3
s1/2. Nhƣ vậy tốc độ phỏt triển của cựng tinh là khoảng 625 m/s, cao hơn nhiều so với giỏ trị cần thiết để chuyển biến về hỡnh thỏi cú thể xảy ra là 270 m/s (theo một số nghiờn cứu thỡ tốc độ phỏt triển của cựng tinh trong trƣờng hợp đỳc ỏp lực cao thụng thƣờng là 242 m/s). Bởi vậy mà Si cựng tinh phỏt triển theo dạng sợi thay vỡ dạng tấm phiến.
91 Cú thể tổng hợp về ảnh hƣởng đồng thời của việc đỳc lƣu biến + ỏp lực tới sự hỡnh thành tổ chức của hợp kim nhƣ sau: nếu xột rằng quan hệ giữa nhiệt độ núng chảy và ỏp suất là tuyến tớnh [48], thỡ trờn hỡnh 5.33 biểu diễn sự thay đổi của nhiệt độ kết tinh cõn bằng TE và ranh giới pha giả ổn định (TM và TM’) theo ỏp suất.
Hỡnh 5.33. Ảnh hưởng của ỏp suất tới nhiệt độ núng chảy và ranh giới pha giả ổn định trong kim loại và hợp kim
Nếu ban đầu kim loại lỏng cú nhiệt độ cao hơn nhiệt độ núng chảy (điểm A) thỡ để mầm kết tinh cú thể đƣợc hỡnh thành, kim loại lỏng cần phải đƣợc quỏ nguội đến nhiệt độ thấp hơn TM. Điều này cú thể đạt đƣợc bằng cỏch làm nguộivới ỏp suất ban đầu p0 khụng đổi (theo con đƣờng A B2), hoặc bằng cỏch tăng ỏp suất tại nhiệt độ TA khụng đổi (theo con đƣờng A A1).
Ta biết rằng khụng thể làm nguội đồng thời toàn bộ khối kim loại lỏng. Vựng bờn ngoài (tiếp xỳc với thành khuụn) nguội nhanh hơn và sẽ đạt đƣợc độ quỏ nguội để tạo mầm trƣớc so với vựng ở tõm và cản trở vựng bờn trong nguội đi. Nếu tỏc động ỏp suất thỡ cú thể làm cho toàn bộ khối kim loại lỏng đạt đƣợc độ quỏ nguội cựng một lỳc, làm cho tổ chức đƣợc nhỏ mịn, hỡnh thỏi tinh thể cú thể chuyển từ dạng cột sang dạng đều trục là điều rất mong muốn đối với vật liệu kết cấu. Nhƣ vậy, việc làm nhỏ mịn và đồng đều tổ chức bằng con đƣờng thay đổi ỏp suất ở một nhiệt độ khụng đổi cú vẻ dễ dàng hơn là thay đổi nhiệt độ ở một ỏp suất khụng đổi. Nhiệt độ mà ở đú ỏp suất bắt đầu tăng cú một ý nghĩa quan trọng. Thụng thƣờng độ quỏ nguội cần thiết để tạo mầm (khoảng nhiệt độ TM – TM’) đối với kim loại là khoảng vài độ. Bởi vậy, nếu kim loại lỏng đó đạt đƣợc độ quỏ nguội TM = TE – TM, hoặc nếu nhƣ nhiệt độ của nú đó gần bằng TM (điểm B, trạng thỏi bỏn lỏng,
T TB TA A A1 TM’ TM TE B1 B2 B P0 P1 P2 P
92 TB<TE) và TM cú giỏ trị khụng lớn (= TB – TM), thỡ việc tăng độ quỏ nguội vài độ dƣới tỏc động của ỏp suất cú thể làm tăng đỏng kể số lƣợng cỏc mầm kết tinh và làm nhỏ mịn tổ chức. Điều này đặc biệt cú ý nghĩa trong trƣờng hợp đỳc ỏp lực kết hợp với đỳc bỏn lỏng vỡ khi đú kim loại bỏn lỏng đó cú nhiệt độ xung quanh TM.
Tại mỗi nhiệt độ của kim loại lỏng cú một “ngƣỡng” ỏp suất, mà nếu thấp hơn ngƣỡng đú thỡ hiệu quả của ỏp suất đối với quỏ trỡnh tạo mầm là khụng đỏng kể. Ngƣỡng đú càng cao thỡ độ quỏ nguội cần thiết càng nhỏ và mầm càng dễ đƣợc hỡnh thành. Thớ dụ, đối với hợp kim A tại nhiệt độ TA ngƣỡng ỏp suất là p0 (hỡnh 2.3), thỡ việc tăng ỏp suất lờn một khoảng p1 = p1 – p0, cần thiết để đạt đƣợc độ quỏ nguội TM, sẽ lớn hơn rất nhiều so với p2 = p2 – p0 đối với hợp kim B ở nhiệt độ TB (bỏn lỏng). Bởi vậy hiệu quả tỏc động của ỏp lực cú thể trở nờn rừ rệt thậm chớ khi giỏ trị ỏp lực khụng cao, nếu nhƣ kim loại lỏng đó đƣợc làm nguội trƣớc đú đến nhiệt độ gần với TM.
Kết luận: cú thể thấy rằng việc kết hợp giữa đỳc lưu biến và ỏp lực tỏc động lờn kim loại lỏng trong quỏ trỡnh kết tinh cú thể làm tăng độ quỏ nguội, tăng số lượng mầm kết tinh, giảm kớch thước tới hạn của mầm; tất cả những điều đú dẫn tới việc làm nhỏ mịn tổ chức và cải thiện cơ tớnh hợp kim. Đặc biệt việc xử ký bỏn lỏng (đỳc lưu biến) trước khi đỳc ỏp lực sẽ làm tăng hiệu quả của ỏp lực lờn rất rừ rệt.