8. Bố cục của luận án
1.1. Công nghệ tạo hình bán lỏng
1.1.3. Các công nghệ tạo hình bán lỏng
Công nghệ tạo hình bán lỏng là sự kết hợp của công nghệ tạo cấu trúc phôi ở trạng thái bán lỏng có tổ chức tế vi dạng cầu và công nghệ tạo hình. Tên gọi của công nghệ tạo hình bán lỏng là sự kết hợp của hai quá trình này. Căn cứ vào việc có hay không bước làm nguội hợp kim xuống dưới nhiệt độ đường rắn để thu được phôi có tổ chức tế vi dạng hoa thị như trên hình 1.4, người ta có thể chia công nghệ tạo hình bán lỏng làm hai nhóm như sau [86]:
Hình 1.4. Sơ đồ các chu trình bán lỏng [86]
Chu trình xúc biến (Thixo-routes) hay công nghệ tạo hình xúc biến, về cơ bản công nghệ này gồm 3 bước như sau [86]:
- Bước 1 liên quan đến việc chuẩn bị phôi đầu vào có chiều dài và trọng lượng thích hợp, phôi có tổ chức tế vi dạng cầu hoặc có khả năng chuyển đổi thành dạng cầu khi gia nhiệt lần hai.
- Bước 2 là quá trình nung nóng lần hai phôi đến nhiệt độ bán lỏng để tạo ra trạng thái bán lỏng cho vật liệu.
- Bước 3 là tạo hình chi tiết bằng cách sử dụng khuôn và máy ép.
Lưu ý: Phôi được chuẩn bị tổ chức tế vi (bước 1) có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp như: đúc lưu biến, đúc phun kim loại lỏng (Spray forming), các phương pháp làm nhỏ hạt hoặc phôi được biến dạng nguội, v.v..
Chu trình lưu biến (Rheo-routes) hay công nghệ tạo hình lưu biến, là công nghệ tập trung vào việc chuẩn bị “trạng thái sệt” cho hợp kim bán lỏng từ trạng thái lỏng và chuyển nó trực tiếp vào khuôn. Trong chu trình này, không có bước làm nguội hợp kim xuống dưới nhiệt độ đường đặc. Vì vậy, thuật ngữ “trạng thái sệt” (Slurry on Demand – SoD) được hình thành từ công nghệ này, liên quan đến việc chuẩn bị tổ chức của vật liệu với tỷ phần pha lỏng phù hợp, một cách liên tục (ngay trong quá trình làm nguội) cho quá trình tạo hình bán lỏng. Hình ảnh minh hoạ của hai chu trình trên được thể hiện trên hình 1.5. Tuỳ thuộc vào tỷ phần pha lỏng và trạng thái ban đầu của phôi ở dạng lỏng hay dạng rắn để phân biệt các phương pháp tạo hình như sau:
Hình 1.5. Sơ đồ một số phương pháp tạo hình bán lỏng
Thiết bị đúc lưu biến sử dụng phương pháp khuấy trong quá trình đông đặc nhằm phân mảnh tổ chức nhánh cây, tạo tổ chức dạng cầu cho pha rắn trong hỗn hợp rắn lỏng, làm phôi cho quá trình đúc lưu biến [4] (1- Rheocasting). Phôi ở trạng thái bán lỏng được tạo hình ngay trong quá trình đúc lưu biến.
Trong quá trình đúc xúc biến (2- Thixocasting), phôi đã được chuẩn bị tổ chức (có thể sử dụng phương pháp đúc lưu biến trên để tạo phôi), được gia nhiệt lần 2 đến trạng thái bán lỏng trước khi tạo hình bằng công nghệ đúc.
Trong quá trình dập xúc biến (3- Thixoforging), hợp kim được biến dạng nguội (hóa bền mạnh) định hướng nhằm tạo cấu trúc hạt mảnh kéo dài. Với cấu trúc này, khi nung đến nhiệt độ thích hợp, hợp kim sẽ dễ dàng kết tinh lại để tạo thành cấu trúc hạt đồng trục và mịn. Khi ở nhiệt độ bán lỏng, cấu trúc hạt mịn và đồng trục do kết tinh lại sẽ trở thành các hạt rắn dạng cầu, mịn trong hỗn hợp rắn lỏng.
Công nghệ tạo hình truyền thống có hai mục đích chính:
- Cải thiện cơ tính của sản phẩm (mịn hoá các hợp chất liên kim, mịn hạt, làm thay đổi tổ chức tế vi có lợi cho cơ tính của sản phẩm).
- Tạo hình được sản phẩm với hình dạng và kích thước yêu cầu.
Trong tạo hình xúc biến, tư tưởng chính của công nghệ là tạo ra tổ chức dạng cầu có kích thước nhỏ (kích thước hạt 100 μm) của pha rắn trong phôi ở bước chuẩn bị tổ chức tế vi [50], [102]. Tỷ lệ và hình thái của pha rắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng không phụ thuộc vào lực tạo hình. Ngoài ra, trong quá trình tạo hình xúc biến, lực tạo hình không làm thay đổi hình thái cầu hoá của pha rắn. Do vậy, mục tiêu chính của quá trình tạo hình truyền thống là cải thiện cơ tính của hợp kim (theo khía cạnh luyện kim) đã không còn ý nghĩa trong công nghệ tạo hình xúc biến. Lực tạo hình chỉ cần đảm bảo đủ để hợp kim có thể điền đầy lòng khuôn với tỷ lệ pha rắn, pha lỏng đồng đều ở tốc độ ép tương đối thấp và khắc phục sự co ngót của hợp kim xảy ra trong quá trình đông đặc.
Trong phạm vi nghiên cứu, luận án tập trung vào tạo hình xúc biến, bởi nó có thể tạo ra chi tiết có cơ tính cao và đồng đều với tổ chức tế vi dạng cầu trong toàn bộ thể tích sản phẩm.