ĐIỀU KHIỂN TRONG ĐÚC BÁN LỎNG 4.2.1. Những tính chất của vật liệu bán lỏng
Khi chọn một hợp kim dùng cho để chế tạo protector đúc bán lỏng kết tinh có điều khiển, có 4 tính chất sau đây cần quan tâm:
4.2.1.1. Hợp kim có khoảng đông đặc đủ rộng
Khoảng đông đặc [28] được định nghĩa như khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa đường rắn và lỏng, ký hiệu là ΔTS-L:
ΔTS-L = Tlỏng – Trắn (7)
Trong công nghệ kết tinh có điều khiển, khoảng đông đặc được coi là khoảng nhiệt độ mà tại đó hợp kim có thể được xử lý để chế tạo vật liệu kết tinh có điều khiển bằng các phương pháp tạo đối lưu cưỡng bức như khuấy cơ, khuấy điện từ….Khoảng đông đặc cần rộng để tiện cho việc xử lý. Tuy nhiên, khoảng đông đặc quá rộng cũng không tốt, sẽ làm giảm khả năng kết tinh và tính chảy loãng cũng
kém đi. Kim loại tinh khiết và hợp kim cùng tinh có khoảng đông bằng không nên tính công nghệ trong đúc bán lỏng rất kém. Khoảng đông đặc chủ yếu được xác định bởi thành phần hóa học của hợp kim.
Ta hoàn toàn có thể điều chỉnh khoảng đông đặc của hợp kim bằng cách thêm vào một số các nguyên tố hợp kim hóa. Ví dụ ta cho thêm Al, Sn, Sb vào hợp kim để tăng khoảng nhiệt độ kết tinh của hợp kim Zn.
4.2.1.2. Độ nhạy của thành phần rắn đối với nhiệt độ thấp
Đối với một thành phần hợp kim cho trước, thể tích thành phần rắn vs của khối bán lỏng được xác định theo nhiệt độ xử lý. Độ nhạy theo nhiệt độ của vs có thể được định nghĩa như là độ dốc của đường cong fs – T, ký hiệu là S [28]:
df s S
dT
(K-1) (8)
Bởi dfs/dT luôn âm, để đơn giản người ta lấy giá trị tuyệt đối của dfs/dT để đánh giá độ nhạy theo nhiệt độ của thành phần rắn. Hợp kim được chọn chế tạo bán lỏng nên có độ nhạy nhỏ, điều này phụ thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim. Trong hầu hết những hợp kim thông dụng, khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ đường lỏng thì độ nhạy S sẽ tăng đáng kể.
4.2.1.3. Khả năng hình thành một cấu trúc có hình thái hạt
cầu kích thước nhỏ mịn
Một khối bán lỏng chất lượng tốt cần có một thành phần rắn được kiểm sóat thích hợp, trong đó các hạt rắn có dạng cầu, kích thước nhỏ mịn và phân bố đồng đều trong một nền lỏng có tính chảy loãng tốt. Mong muốn một hình thái hạt rắn có dạng cầu, kích thước nhỏ mịn trong quá trình xử lý bán lỏng cũng phụ thuộc vào thành phần hóa học của hợp kim.
4.2.1.4. Tính đúc dễ dàng
Trong quá trình đúc kết tinh có điều khiển ở trạng thái bán lỏng, khối bán lỏng được ép vào trong khuôn kim lọai, sau đó thành phần lỏng sẽ đông đặc trong khuôn. Như vậy, các quy luật của công nghệ đúc thông thường vẫn đúng cho thành phần lỏng, do đó mà tính đúc của hợp kim hay đúng hơn là tính đúc của pha lỏng
đóng vai trò quan trọng không kém trong công nghệ đúc bán lỏng. Thành phần hóa học của pha lỏng trong khối kim loại bán lỏng có thể hoàn toàn khác pha lỏng . Do đó, tính chảy loãng tốt của pha lỏng cần được đảm bảo, điều này phụ thuộc vào việc lựa chọn thành phần hóa học thích hợp trong quá trình thiết kế hợp kim mới.
4.2.2. Quá trình hình thành vật liệu bán lỏng
Kim loại bán lỏng được tạo bằng cách thực hiện đồng thời hai quá trình làm nguội và khuấy đảo kim loại lỏng. Hiện nay trên thế giới có hai phương pháp chế tạo vật liệu bán lỏng là phương pháp khuấy đảo cơ và khuấy đảo từ [29] : quá trình khuấy đảo thực hiện bằng cơ hoặc bằng từ trường. Khi làm nguội, kim loại bắt đầu kết tinh tại bề mặt vách của bộ phận chứa (nồi, xy lanh) và cấu trúc nhánh cây bắt đầu được hình thành tại đây, tuy nhiên cấu trúc nhánh sẽ bị bẻ gẫy do sự khuấy đảo và các tinh thể sẽ được phân tán trở lại kim loại lỏng. Trong suốt quá trình làm nguội và khuấy đảo, quá trình hình thành và bẻ gẫy nhánh cây được lặp đi lặp lại và xảy ra sự hòa trộn giữa tinh thể rắn vào kim loại lỏng, kết quả là hình thành kim loại ở trạng thái bán lỏng. Hình 4.1.
Trong quá trình khuấy đảo, các hạt tinh thể bứt ra khỏi liên kết nhánh cây và chuyển động tự do dưới tác dụng của các lực được tạo ra từ cơ cấu khuấy [18].
Hình 4.1. Nguyên lý tạo hạt hình cầu khi khuấy vật liệu ở trạng thái bán lỏng Các lực này luôn thay đổi hướng, điểm đặt lực và không cân bằng trong suốt quá trình khuấy sẽ làm cho hạt chuyển động xoay quanh trục của nó theo chiều và phương khác nhau, gây biến dạng hình dáng hạt, tạo nên hạt có dạng hình cầu. Các hạt này tồn tại bởi độ bền biên giới hạt ở trạng thái bán lỏng và làm nguội nhanh.
4.2.3. Quá trình hòa tan hydro và oxy trong nấu luyện hợp kim
Zn
4.2.3.1. Quá trình hòa tan hydro vào hợp kim Zn nóng chảy
Quá trình nung nóng chảy kim loại, hydro có thể khuếch tán và hòa tan vào dung dịch kim loại nóng chảy. Theo tác giả Curdiumov A.V [30], nguồn hydro có trong dung dịch kim loại là do sự phân hủy hơi nước chứa trong môi trường lò nung, là kết quả của quá trình đốt cháy các khí hydrocac bon và dầu mỏ chứa trong nguyên liệu kim loại, trong than xỉ, trong chất xúc tác, trong lớp lót lò và các dụng cụ của nồi nung. Khi có sự tiếp xúc giữa kim loại nóng chảy và hơi nước, sẽ diễn ra quá trình oxy hóa kim loại đồng thời hòa tan hydro. Hydro giai đoạn đầu xuất hiện ở dạng nguyên tử, vì thế rất dễ dàng di chuyển vào dung dịch kim loại. Các nguồn hydro khác khi nung chảy là các hydrocacbon chứa trong các loại nhiên liệu lỏng và khí. Một trong các hydrocacbon đơn giản nhất là khí metan, khí metan phân ly khi nhiệt độ lớn hơn 500ºC sẽ giải phóng hydro nguyên tử.
Khí hydro hòa tan trong kim loại nóng chảy tuân theo quy luật Syverts và Borelyus [30]. Đối với Zn nóng chảy, mức độ hòa tan hydro (cm3/100g) đối với nhiệt độ (T, K) và áp suất (pH2, Pa), bảng 4.2,được biểu diễn bằng công thức sau:
Lg(H) = -1180/T + 1/2(lgPH2) + 0,115
Khả năng hòa tan hydro ở áp suất 105 Pa trong một số kim loại trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau có các thông số đặc trưng như sau:
Bảng 4.2. Khả năng hoà tan H2 (cm3/100g) khi áp suất 105 Pa trong các kim loại
Kim loại Mg Zn Cu Ni Fe
Kim loại rắn ở nhiệt độ nóng chảy 20 0,05 3 20 12 Kim loại nóng chảy ở nhiệt độ
nóng chảy
30 0,7 5 40 25
Kim loại nóng chảy khi đun quá độ nóng chảy 1000C
40 1,0 7 45 30
Không phải tất cả các kim loại ở dạng nóng chảy có thể hòa tan hydro với số lượng 0,1cm3/100g. Nhiều kim loại dễ nóng chảy ở trạng thái nóng chảy hấp thụ rất
ít hydro và hydro trong các trường hợp này có thể coi là khí trơ đối với các kim loại dễ nóng chảy này. Như vậy, đối với Zn, sự hòa tan của hydro là không đáng kể.
4.2.3.2. Quá trình hòa tan oxy vào hợp kim Zn nóng chảy
Đa số kim loại ở thể nóng chảy hay ở thể rắn đều tương tác với oxi. Theo Pikunov M.V [31], sản phẩm cuối cùng của các tương tác đó là tạo thành oxit.
Các kim loại dễ nóng chảy bao gồm cả Zn không hòa tan oxi khi ở trạng thái nóng chảy, chúng tương tác với oxi và tạo thành các màng oxit không hòa tan. Oxi hòa tan trong Sn, Bi, Pb và Zn với số lượng nhỏ, vì vậy ở quá trình nóng chảy bình thường nó không có giá trị.
Sự tương tác giữa các hợp kim nóng chảy đối với oxi hòa tan rất phức tạp và dẫn tới các kết quả khác nhau phụ thuộc vào các hợp kim cơ bản và các thành phần hợp kim. Hợp kim trên nền cơ bản là các kim loại dễ nóng chảy khi nung chảy cùng với môi trường khí chứa oxi, trên bề mặt dung dịch nóng chảy xuất hiện màng oxit không hòa tan. Tuy nhiên, sự tương tác của oxi với Zn là không đáng kể.
4.2.4. Tác động của quá trình khuấy đảo cơ
Quá trình khuấy đảo cơ là quá trình khuấy đảo trực tiếp kim loại lỏng thông qua chuyển động của bộ phận khuấy được nhúng vào trong kim loại lỏng và thông thường là trục khuấy. Mục đích của khuấy đảo cơ là tạo ra độ đồng nhất của dung dịch khuấy, trong quá trình tạo vật liệu bán lỏng thì quá trình khuấy tạo ra hệ đồng nhất giữa pha lỏng và pha rắn đảm bảo độ ổn định nhiệt độ trong buồng khuấy. Hình 4.2.
Kết cấu của hệ thống khuấy phải đảm bảo dòng kim loại chảy rối và được khuấy đảo đều trong nồi chứa, không tạo lực li tâm làm mất tính đồng đều của kim loại, kim loại không chuyển động đồng tốc với bộ phận khuấy.
Khi ở dạng kết tinh tự do, lực liên kết giữa các hạt làm cho độ nhớt tăng. Để phá vỡ được cấu trúc nhánh cây thì lực khuấy được tạo ra phải thắng được lực liên kết giữa các hạt - phần tử. Khi thực hiện quá trình khuấy, lực liên kết giữa các phần tử bị phá vỡ, dòng kim loại chuyển động theo chế độ chảy rối làm cho độ nhớt của vật liệu lúc đó sẽ giảm dần.
Hình 4.2. Mô tả nguyên lý khuấy đảo cơ
Khi lực liên kết giữa các phần tử bị phá vỡ hoàn toàn, các hạt chuyển động tự do trong nền kim loại lỏng thì độ nhớt sẽ không giảm nữa. Sự phá vỡ liên kết giữa các hạt là hiệu quả của quá trình khuấy, chúng phụ thuộc vào tốc độ khuấy, thời gian khuấy, nhiệt độ khuấy, kết cấu của hệ thống khuấy. Hình 4.3.
Hình 4.3. Cơ chế bẻ gãy cấu trúc nhánh cây để tạo ra cấu trúc tế vi dạng hạt
g
.
: Chế độ trượt khi có quá trình đông đặc
s
.
: Chế độ trượt mà không có phần tử rắn tích tụ M : Thành phần rắn xếp chặt lớn nhất
Khi khuấy đảo, các phần tử rắn tách ra thành từng cụm lớn gồm nhiều hạt nhỏ, các hạt này tiếp tục chuyển động, chịu va đập dưới tác dụng của lực khuấy dần dần bị phá vỡ thành những hạt bé hơn, quá trình cứ tiếp tục diễn ra làm cho kích thước hạt nhỏ dần cho đến khi không thể chia nhỏ được nữa, số lượng hạt cũng được tăng lên theo quá trình phân chia này. Đồng thời các phần tử rắn khi chuyển
động xoay quanh trục của nó làm cho cấu trúc dạng que, dạng hình cánh sao, hình hoa thị bị cuộn tròn lại thành phần tử hạt có dạng hình cầu hoặc bị chia nhỏ ra thành hạt có kích thước nhỏ hơn.
4.2.5. Các phương pháp khuấy đảo cơ
4.2.5.1. Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy
Quá trình khuấy đảo cơ này do Flemings [11] và các cộng sự sáng chế. Thiết bị của một hệ thống khuấy đảo cơ bằng cánh khuấy rất đơn giản gồm một cánh khuấy dẫn động bởi mô tơ có công suất phù hợp để tạo ra lực khuấy đủ lớn để có thể phá hủy cấu trúc tinh thể nhánh cây và khuếch tán những tinh thể nhánh cây bị phá hủy trong kim loại lỏng. Trong phương pháp này, những cấu trúc nhánh cây được tạo ra trong quá trình làm nguội và sau đó bị phá huỷ, những tinh thể này được coi như là những tinh thể mầm cho những phần tử hình cầu. Hình 4.4, 4.5.
Hình 4.4. Mô tả quá trình khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy
Đối với phương pháp này, kim loại lỏng được khuấy đảo mãnh liệt cùng lúc chúng được làm nguội, hiệu quả và chất lượng hạt đồng đều của phương pháp này phụ thuộc vào biên dạng động học của cánh khuấy, tốc độ và lực khuấy.
Hình 4.5. Các dòng chảy tạo ra bởi các biên dạng cánh khác nhau
4.2.5.2. Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít
Phương pháp khuấy bằng trục vít thiết bị gồm hệ thống lò nung điện, hệ thống trục khuấy, phương pháp khuấy bằng trục vít chỉ diễn ra trong khoảng hẹp phụ thuộc vào đường kính của trục khuấy do hiệu quả của 1 trục vít không cao do đó người ta thường bố trí nhiều trục vít cho hệ thống khuấy trong công nghệ chế tạo vật liệu bán lỏng. Theo Flemings [11] quy trình liên tục sẽ tạo ra một hỗn hợp đồng nhất của kim loại rắn - lỏng, pha rắn là những nhánh cây suy biến hoặc hình cầu nhỏ. Thành phần kim loại rắn - lỏng được lấy ra khỏi vùng khuấy ở cùng tốc độ như khi được chuyển từ vùng chảy lỏng vào vùng khuấy. Hình 4.6.
Hình 4.6. Mô tả quá trình khuấy đảo cơ sử dụng 3 trục vít
4.2.5.3. Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít và cánh khuấy khuấy
Đây là phương pháp khuấy kết hợp trục vít và cánh khuấy trong một hệ thống khuấy, cánh khuấy có tác dụng khuấy sơ bộ trong nồi nung, trục vít có tác
dụng chính phá hủy cấu trúc tinh thể nhánh cây thành dạng nhánh cây suy biến hoặc hình cầu và khuếch tán những tinh thể nhánh cây bị phá hủy này vào trong kim loại lỏng. Quá trình phối hợp đồng đều giữa trục khuấy và trục vít về hướng quay và tốc độ quay tạo ra sự chuyển động tương tác liên tục của các tinh thể với nhau, sự tác động liên tục của các hạt kim loại tạo ra các hạt có dạng hình cầu, độ hạt đồng đều và mịn hơn các phương pháp khuấy riêng lẻ. Hình 4.7.
Hình 4.7. Khuấy đảo cơ sử dụng trục vít kết hợp cánh khuấy dạng mỏ neo
4.2.5.4. Quá trình khuấy đảo cơ sử dụng trục khuấy điều
khiển nhiệt độ
Theo phương pháp này [18], kim loại lỏng được làm nguội đến nhiệt độ quy định và được điều chỉnh cùng lúc với quá trình khuấy đảo bằng bộ phận khuấy có điều khiển nhiệt độ. Bộ phận khuấy được nhúng vào trong khối kim loại lỏng trong bồn, thiết bị bơm vận chuyển có thể rút kim loại ở trạng thái bán lỏng chứa trong bồn và nhờ vào các rãnh chia, thiết bị vận chuyển có thể tách kim loại bán lỏng thành hai loại: kim loại bán lỏng có độ nhớt lớn và kim loại bán lỏng có độ nhớt nhỏ hơn.
Phương pháp này tạo ra trạng thái bán lỏng có nhiều hạt mầm tinh thể mịn. Trong quá trình khuấy thì nhiệt độ nung là một yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng khuấy cũng như độ mịn của hạt, do đó phương pháp này đạt được mức độ tối ưu khi phối hợp giữa nhiệt độ khuấy và thiết bị khuấy, bằng cách cài đặt nhiều khoảng nhiệt độ khác nhau và tiến hành nhiều thí nghiệm chúng ta có thể xác định được điểm không tối ưu của quá trình khuấy tạo vật liệu bán lỏng.
Xét thấy, trong điều kiện hiện có của Việt Nam thì việc ứng dụng xu hướng khuấy đảo cơ là phù hợp và khả thi hơn. Bên cạnh đó, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài và khả năng thực hiện được các thực nghiệm và mô hình thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm hiện có, chúng tôi đề xuất chọn phương pháp khuấy đảo cơ theo phương án: Khuấy bằng hai trục lắp nhiều cánh chân vịt (vít không liên tục) quay ngược chiều nhau, hình 4.8, vì các lý do sau :
- Trong điều kiện hiện có với thiết bị thí nghiệm và nồi nấu kim loại nhỏ gọn (mỗi mẻ nấu chỉ được khoảng 8 - 10 kg hợp kim Zn) nên khó có thể bố trí cơ cấu khuấy cồng kềnh.
Hình 4.8. Thiết bị khuấy đảo cơ
- Cánh khuấy mỏ neo kết hợp trục vít xoắn có ưu điểm là có thể hòa tan được phần kim loại bắt đầu đông đặc tại thành nồi khi giảm nhiệt độ, tuy nhiên gây khó khăn thiết kế gia công mô hình cũng như hạn chế không gian thao tác trong không gian chật hẹp như thực tế. Đồng thời mô hình này thực sự không cần thiết nếu ta bắt đầu khuấy ở trạng thái lỏng và múc vật liệu ở trạng thái bán lỏng tại các vị trí tối ưu