Khi nấu luyện trong kim loại sẽ bị lẫn cỏc kim loại lạ hoặc vật lẫn khụng mong muốn cần phải được loại bỏ trước khi đỳc rút được gọi là tinh luyện.
a) Khử tạp chất kim loại:
Phụ thuộc vào bản chất của kim loại lẫn mà cú thể dựng một trong cỏc biện phỏp khử sau:
-ễxy hoỏ: yờu cầu kim loại lạ phải cú ỏi lực hoỏ học với oxy mạnh hơn kim
loại nấu và oxyt tạo ra khụng hoà tan vào kim loại nấu.
-Chắt lọc: Kim loại lạ cú nhiệt độ chảy cao hơn và cú khối lượng riờng chờnh lệch nhiều so với kim loại nấu.
-Cất chõn khụng: Kim loại lạ phải cú ỏp suất hoỏ hơi lớn hơn ỏp suất hoỏ hơi của kim loại nấu.
b) Khử oxyt:
Để khử cỏc oxyt hoà tan trong kim loại nấuthỡ cỏc chất khử cần phải: -Cú ỏi lực hoỏ học với oxy lớn hơn kim loại lỏng.
-Cỏc oxyt tạo ra khụng hoà tan trong kim loại lỏng và khụng tỏc dụng với
tường lũ.
c) Vật lẫn phi kim:
Cỏc oxyt, nitrit, cacbit, sulfit, xỉ lũ là cỏc tạp chất phi kim. Chỳng cú thể thành cụm hoặc phõn tỏn đều trong kim loại lỏng. Cú cỏc biện phỏp làm sạch tạp chất sau:
-Thổi khớ: khớ thổi vào cú thể là khớ trơ như N2, Ar và khớ hoạt tớnh, Cl2
-Xỉ tinh luyện: Dựng cỏc muối núng chảy cú thể hoà tan tốt cỏc vật lẫn để đưa chỳng vào xỉ.
Al3Fe; α(AlSiFe); β(AlSiFe) làm giảm mạnh cơ tớnh của hợp kim. Hỡnh 2.5 đưa ra ảnh tổ chức của hợp kim silumin 12%Si và 1,5%Fe khi đỳc cú pha β(AlSiFe) hỡnh kim thụ to.
Hỡnh 2.5 Tổ chức silumin 12%Si và 1,5%Fe.
Để làm tăng cơ tớnh của hợp kim trong sản xuất đỳc thường dựng biện phỏp biến tớnh. Hỡnh 2.6 đưa ra ảnh tổ chức của silumin trước cựng tinh được biến tớnh bằng hợp kim trung gian AlTi5B, trong đú a là tổ chức của hợp kim khụng biến tớnh, b là cú biến tớnh.
Cú hai nhúm lý thuyết giải thớch cơ chế làm nhỏ hạt tinh thể bằng biến tớnh là nhúm lý thuyết hấp phụ và nhúm lý thuyết tạo mầm. Chất biến tớnh được phõn thành bốn nhúm:
+ Nhúm 1: Cỏc nguyờn tố chuyển tiếp (Bo, Ti, Zn) chủ yếu được sử dụng để biến tớnh cỏc hợp kim dạng dung dịch rắn (nếu chỳng cú càng nhiều lớp điện tử d, f chưa hoàn chỉnh thỡ hiệu quả biến tớnh càng lớn. Tỏc dụng của chất biến tớnh loại này là tạo ra những phần tử cực bộ làm mầm kết tinh cho hợp kim. Vớ dụ: AlB2, Al3Ti, Al3Zn cú cỏc thụng số mạng gần với thụng số mạng nhụm, do đú hiệu quả chất biến tớnh rất tốt, nhất là đối với cỏc hạt dung dịch rắn của nhụm. Đõy là chất biến tớnh thường được đưa vào Al lỏng dưới dạng muối KBF4, K2Ti6, K2ZnF6
+ Nhúm 2: Cỏc hợp chất và muối chứa Phốt pho là chất biến tớnh cú hiệu quả hơn cả đối với cỏc hạt tinh thể Si thứ nhất trong cỏc hợp kim sau cựng tinh. Chỳng tạo ra những phõn tử phốt phit nhụm cực nhỏ cú mạng tinh thể giống như Si, cú thể làm tõm mầm kờt tớnh cho Si mới sinh. Ngoài ra pha Cu3P được tạo ra cú tỏc dụng làm mịn hạt dung dịch rắn – nền hợp kim.
+ Nhúm 3: Cỏc hợp kim và muối của Na. Một trong những phương phỏp biến tớnh cú hiệu quả là làm nhỏ mịn cấu trỳc cựng tinh (α + Si) do việc một mặt tạo ra hợp chất 3 nguyờn Al-Si-Na làm thành phần cựng tinh trở nờn phức tạp α + Si + (Al-Si-
Na) thay cho cựng tinh 2 nguyờn (α + Si), mặt khỏc Na hấp phụ lờn mầm kết tinh
làm cho hạt lớn lờn đều theo mọi hướng. Natri được cho vào hợp kim chủ yếu dưới dạng muối (NaF, NaCl, Na3AlF6…).
+ Nhúm 4: Berili là một số nguyờn tố chuyển tiếp như Mn, Cr, Cl cú tỏc dụng làm biến đổi thành phần cấu trỳc và kớch thớch của cỏc pha chứa Fe như: Al3Fe. Gần đõy người ta đó ngiờn cứu chất cú thể kộo dài thời gian tỏc dụng biến tớnh là Sr (Stronsi), cú hàm lượng tốt nhất trong khoảng 0,005-0,05%.
làm sạch kim loại, tỏch được chất lẫn phi kim, cú nghĩa là cú tỏc dụng tinh luyện tốt ,làm nhỏ mịn hạt tinh thể khiến cơ tớnh tăng.
2.2.6 Co ngút và nứt, cong vờnh
Hợp kim nhụm cú độ co thể tớch lớn (6-8%), lỳc nguội từ nhiệt độ rút đến nhiệt độ đụng đặc. Nếu rút khụng điền đầy tốt, khụng bổ ngút đủ thỡ sản phẩm dễ bị xốp hoặc nứt. Vỡ vậy ngoài việc đảm bảo tốc độ rút thớch hợp cần đặt đậu ngút vào cỏc vị trớ cú tập trung cỏc nỳt nhiệt lớn.
Nhiệt độ rút cú ảnh hưởng lớn đến khả năng điền đầy khuụn, nhiệt độ rút
thấp vật đỳc sẽ khuyết thiếu, nhiệt độ rút cao thỡ sẽ gõy ngút lớn và hợp kim dễ
nhiễm khớ. Tốc độ rút vật đỳc từ hợp kim nhụm phải đảm bảo sao cho điền đầy
thành mỏng nhưng khụng quỏ lớn, vỡ tiến tới độ rút lớn sẽ gõy ra bắn toộ kim loại, cuốn khớ, xỉ.
Nứt núng, nứt nguội và cong vờnh xuất hiện trong vật đỳc là do ứng suất.
Ứng suất do quỏ trỡnh làm nguội vật đỳc gõy ra, nếu độ bền của kim loại ở trạng thỏi dẻo nhỏ thỡ ứng suất hơi nhỏ cũng đủ gõy ra nứt núng. Nứt nguội thường xuất hiện ở chổ thành mỏng. Cú thể xảy ra nứt nguội khi đỳc trong khuụn quỏ cứng (khuụn kim loại cú độ cụn nhỏ, bỏn kớnh gúc lượn nhỏ, do cản co khi ứng suất trong vật đỳc khụng đủ lớn sẽ gõy ra biến dạng cong vờnh).
2.3 SỰ KẾT TINH VÀ ĐễNG ĐẶC CỦA HỢP KIM SILUMIN 2.3.1. Quỏ trỡnh kết tinh 2.3.1. Quỏ trỡnh kết tinh
Khi hạ nhiệt độ kim loại lỏng xuống nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lý
thuyết (TS), quỏ trỡnh kết tinh xẩy ra. Sự kết tinh được thực hiện nhờ hai quỏ trỡnh nối tiếp nhau là giai đoạn tạo mầm kết tinh và giai đoạn phỏt triển mầm thành hạt tinh thể.
Mầm là cỏc phần tử rắn trong kim loại cú kớch thước đủ lớn để lớn lờn thành hạt tinh thể. Theo đặc tớnh phỏt sinh mầm cú hai loại : Mầm tự sinh và mầm khụng tự sinh.
+ Mầm tự sinh : Mầm tự sinh là mầm được sinh ra trực tiếp từ kim loại lỏng. Kim loại lỏng cú cấu trỳc trật tự gần. Khi hạ nhiệt độ hoặc cú sự thải nhiệt từ khuụn ra
ngoài hệ thống sẽ mất cõn bằng, năng lượng của hệ thống giảm. Một số cụm nguyờn tử cú trật tự gần sẽ phỏt triển lờn đến một kớch thước tới hạn gọi là mầm. Năng lượng tự do của hệ thống được biểu diễn theo phương trỡnh năng lượng (2-7).
∆G(r) = - n.v. ∆G(v)v + n.S.σ (2-7)
Ở đõy : n – số nhúm nguyờn tử cú sắp xếp trật tự
v – thể tớch của một nhúm
∆G(v) – hiệu số giữa năng lượng tự do của pha lỏng với năng lượng tự do của pha rắn.
S – diện tớch bề mặt của một nhúm nguyờn tử cú sắp xếp trật tự
σ - sức căng bề mặt của pha rắn với pha lỏng.
Nếu coi cỏc nhúm nguyờn tử sắp xếp trật tự gần cú dạng hỡnh cầu với bỏn kớnh r thỡ phương trỡnh (2-7) được viết dưới dạng (2-8)
π . .σ 3 4 ) ( 3 ) ( n r G nS Gr =− ∆ v + ∆ (2-8)
Sự biến thiờn năng lượng tự do ∆G(r) phụ thuộc vào kớch thước mầm r được biểu diễn trờn hỡnh 2.7. Bỏn kớnh r của nhúm nguyờn tử mà ở kớch thước này nú cú thể lớn lờn đũng thời năng lượng tự do của hệ thống giảm thỡ được gọi là bỏn kớnh tới hạn. Dễ dàng xỏc định được bỏn kớnh tới hạn bằng cỏch đạo hàm năng lượng tự do của hệ thống theo r và cho giỏ trị đú bằng khụng ta thu được kớch thước tới hạn của mầm theo phương trỡnh (2-9).
T h. T 2 o ∆ ∆ = ∆ = σ σ ) ( 2 v G rth (2-9)
Hỡnh 2.7 Giản đồ quan hệ giữa năng lượng tự do của hệ với bỏn kớnh mầm
+ Mầm khụng tự sinh (mầm dị thể):
Hỡnh 2.8. Mầm ký sinh
Mầm khụng tự sinh là mầm được tạo nờn từ cỏc hạt rắn cú sẵn trong kim loại lỏng. Trong kim loại lỏng cú cỏc vật thể lạ hỡnh 2.8 sẽ xuất hiện mầm α trờn nền γ
ở dạng chỏm cầu, thỡ năng lượng của mầm như vậy sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với mầm tự sinh hỡnh cầu.
Trong giai đoạn đầu của quỏ trỡnh kết tinh, yếu tố quyết định đến quỏ trỡnh là tốc độ tạo mầm. Tốc độ tạo mầm được xỏc định theo cụng thức (2-10).
kT Gr Ke vm ) ( ∆ − = (2-10)
Ở đõy : ∆G(r) – năng lượng để hỡnh thành mầm cú kớch thước tới hạn.
k - hằng số Bonzman
T – nhiệt độ tuyệt đối
Tốc độ tạo mầm phụ thuộc vào độ quỏ nguội. Khi tăng độ quỏ nguội thỡ tốc độ tạo mầm tăng đến một giới hạn, nếu tiếp tục tăng độ quỏ nguội thỡ tốc độ tạo mầm lại giảm.
2.3.2. Quỏ trỡnh đụng đặc của hợp kim silumin trước cựng tinh
Xột hợp kim hai nguyờn A và B cú giản đồ trạng thỏi như hỡnh 2.9 a thỡ đường cong nguội của hợp kim x cú dạng như hỡnh 2.9b.
Hỡnh 2.10Quỏ trỡnh đụng đặc của hợp kim trước cựng tinh
Quỏ trỡnh đụng đặc của hợp kim x được thể hiện trờn hỡnh 2.10. Tại thời điểm xảy ra trờn hỡnh 2.10a vật đỳc được tồn tại 3 vựng: vựng vỏ cựng tinh (A+B) tiếp theo là vung cú pha lỏng với A được kết tinh ra (L+A) và vựng trong cựng là hoàn toàn lỏng. Tại thời điểm xảy ra trờn hỡnh 2.10b, vật đỳc tồn tại 4 vựng là vựng phần vỏ đó đụng đặc hoàn toàn, tiếp theo là vựng kết tinh cựng tinh (A+B), tiếp theo nữa là vựng kim loại lỏng kết tinh ra A (L+A) và vựng trong cựng gồm toàn lỏng. Tại thời điểm xảy ra trờn hỡnh 2.10c, vật đỳc chỉ cũn 3 vựng là rắn, rồi cựng tinh (A+B) và vựng pha lỏng đang kết tinh ra A (L+A). Tại thời điểm xảy ra trờn hỡnh 2.10d, vật đỳc chỉ cũn 2 vựng là vựng rắn và vựng cựng tinh 2 pha (A+B). Tại thời điểm xảy ra trờn hỡnh 2.10e, vật đỳc đó đụng đặc hoàn toàn.
2.3.3 Quỏ trỡnh đụng đặc của hợp kim silumin cựng tinh
Trong điều kiện thực tế, quỏ trỡnh kết tinh sẽ xuất phỏt từ thành khuụn vỡ ở đõy cú cỏc điều kiện rất thuận lợi cho việc hỡnh thành mầm kết tinh. Nhiệt kết tinh sẽ được dẫn qua cỏc tinh thể đó kết tinh và đi vào khuụn hỡnh thành gradient nhiệt
độ trong kim loại lỏng. Kim loại nguyờn chất hay hợp kim cựng tinh kết tinh ở một nhiệt độ khụng đổi. Đường nguội của kim loại nguyờn chất được thể hiện trờn hỡnh 2.11a. Quỏ trỡnh đụng đặc của nú được thể hiện trờn hỡnh 2.11.b. cho thấy: khi rút kim loại sạch nhiệt độ T1 vào khuụn thỡ ngay lập tức tại thời điểm to khụng thể hỡnh thành gradient nhiệt độ trong lũng kim loại lỏng được. Sau một thời gian t1 mới xuất hiện gradient nhiệt độ do cú hiện tượng dẫn nhiệt từ kim loại lỏng vào thành khuụn. Khi nhiệt độ kim loại lỏng sỏt bề mặt khuụn giảm tới nhiệt độ đường lỏng TL thỡ trờn thành khuụn bắt đầu xuất hiện cỏc mầm kết tinh. Những mầm cú hướng phỏt triển thuận lợi, tức là hướng vuụng gúc với thành khuụn sẽ phỏt triển nhanh hơn rất nhiều so với cỏc mầm cũn lại, hỡnh thành cỏc tinh thể định hướng.Tại thời điểm t2, cú rất nhiều cỏc tinh thể định hướng đồng trục phỏt triển hướng vào tõm thỏi đỳc.
Gradient nhiệt độ hầu như khụng đổi trong suốt thời gian đụng đặc. Tổ chức kim
loại sau đỳc cú thể là hạt đều trục xuyờn tõm. Vật đỳc cú tổ chức kiểu nào cũn phụ thuộc vào tốc độ nguội và tớnh chất nhiệt lý của kim loại đỳc.
Phương thức đụng đặc của hợp kim cựng tinh hoàn toàn giống như kim loại
nguyờn chất. Điều khỏc ở đõy là, pha rắn kết tinh ra là cựng tinh 2 pha chứ khụng phải là 1 pha kim loại nguyờn chất.
2.3.4 Cỏc yếu tốảnh hưởng đến quỏ trỡnh đụng đặc
a)Ảnh hưởng của loại khuụn và thành phần hoỏ học của hợp kim đỳc
Hỡnh 2.12 súng kết tinh của hợp kim đỳc trong khuụn cỏt và khuụn kim loại
Hỡnh 2.12 mụ tả sự phõn bố 2 loại súng kết tinh khi đỳc trong khuụn cỏt và khuụn kim loại. Đường a và b: bắt đầu và kết thỳc kết tinh trong khuụn kim loại. Đường c và d: bắt đầu và kết thỳc kết tinh trong khuụn cỏt. Từ hỡnh vẽ, hiển nhiờn thấy, khoảng cỏch giữa 2 súng kết tinh khi đỳc trong khuụn cỏt cú lỳc bằng nửa chiều dài vật đỳc. Ngược lại, khi đỳc trong khuụn kim loại khoảng cỏch giữa 2 súng trờn rất gần nhau và đụng đặc dễ hỡnh thành thừ lớp vỏ cứng ban đầu. Khoảng cỏch giữa 2 súng kết tinh cũn phụ thuộc vào gradient nhiệt độ của hợp kim. Những nhõn tố làm tăng gradient nhiệt độ (hệ số dẫn nhiệt của hợp kim cú giỏ trị thấp, khả năng
nguội của khuụn khỏ cao hoặc nhiệt độ đụng đặc cao) cú xu hướng làm thu nhỏ
vựng bỏn lỏng. Từ đú dễ dàng thấy rằng, vựng bỏn lỏng của hợp kim nhẹ rất rộng vỡ chỳng cú hệ số dẫn nhiệt cao nhưng điểm đụng đặc lại rất thấp. Sự thay đổi hàm lượng cỏc nguyờn tố hợp kim cũng là nguyờn nhõn làm thay đổi khoảng cỏch của
cỏc súng kết tinh. Sự khỏc biệt về khoảng cỏch giữa cỏc mặt súng kết tinh chỉ thể hiện trong khuụn cỏt (hỡnh 2.13).
Hinh 2.13 Ảnh hưởng của hợp kim và của khuụn đỳc tới sựđụng đặc vật đỳc
Bắt đầu kết tinh trong khuụn kim loại Bắt đầu kết tinh trong khuụn cỏt.
Kết thỳc kết tinh trong khuụn cỏt.
Kết thỳc đụng đặc trong khuụn kim loại.
b. Ảnh hưởng của tớnh chất nhiệt lý của khuụn và hợp kim đỳc
Hỡnh 2.14a cho thấy hệ số dẫn nhiệt λ2 của khuụn đỳc lớn sẽ làm cho quỏ trỡnh truyền nhiệt qua khuụn dễ dàng, nhiệt độ tiếp xỳc vật đỳc - khuụn đỳc giảm nhanh. Do được làm nguội với tốc độ khỏ lớn, trong kim loại lỏng xuất hiện độ quỏ nguội
giỏn tiếp ảnh hưởng đến vựng 2 pha thụng qua thụng số đụng đặc là chiều dày đụng đặc. Vai trũ của khối lượng riờng trong việc hỡnh thành vựng 2 pha thể hiện qua hệ số tớch nhiệt của khuụn, nghĩa là nú làm tăng tốc độ truyền nhiệt của kim loại lỏng ra ngoài mụi trường xung quanh. Hỡnh 2.14b cho thấy hệ số dẫn nhiệt λ1 của vật đỳc tăng lờn sẽ làm cho sự chờnh lệch nhiệt độ giữa tõm và mặt vật đỳc giảm, nờn làm
tăng chiều rộng vựng 2 pha. Hỡnh 2.14c và d cho thấy hợp kim cú nhiệt độ núng
chảy cao cũng cú khoảng đụng đặc rộng cũng tương tự như trường hợp hợp kim cú nhiệt độ đụng đặc thấp. Như vậy, trong cựng những điều kiện kết tinh như nhau, hợp kim nào cú khoảng đụng đặc rộng thỡ cũng cú chiều rộng vựng 2 pha lớn.
Hỡnh 2.14 Ảnh hưởng của tớnh chất nhiệt lý của khuụn và hợp kim đỳc đến quỏ trỡnh đụng đặc của vật đỳc.
2.3.5. Chiều dày đụng đặc của vật đỳc
Giả sử vật đỳc cú khối lượng là q, cú diện tớch bề mặt truyền nhiệt là F, gọi lượng nhiệt QK tryuền cho khuụn để vật đỳc đụng đặc sẽ bao gồm nhiệt quỏ nhiệt và nhiệt kết tinh của kim loại và được xỏc định theo cụng thức (2-11).
π τ k kT Fb T T C L q QK l l s 2 )] ( [ + − = = (2-11)
Ở đõy: Tk – nhiệt độ bề mặt khuụn tiếp giỏp với vật đỳc bk – hệ số tớch nhiệt của khuụn bk = λkckρk
τ - thời gian đụng đặc
L – ẩn nhiệt kết tinh của kim loại lỏng
Cl – nhiệt dung của kim loại
Tl - nhiệt độ đường lỏng
Ts – nhiệt độ đường đặc
Gọi V là thể tớch vật đỳc, ρk là khối lượng riờng của kim loại lỏng, từ (2-11) suy ra chiều dày lớp vỏ đụng đặc (ξ) của vật đỳc được xỏc định theo cụng thức (2- 12) ( ) [ ] τ