Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến- áp lực (rheo-diecasting) cho hợp kim nhôm A356

1. Tính cần thiết của luận án MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng các các sản phẩm từ hợp kim có đặc tính kỹ thuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nƣớc rất lớn, trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, máy động lực… mà đa số các chi tiết này đều đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đúc áp lực cao do áp lực có ảnh hƣởng rất tốt đến sự hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim. Tuy nhiên, trong công nghệ đúc áp lực cao do vận tốc dòng chảy cao từ 20 đến 60 m/s, tạo nên dòng chảy rối, nên những vị trí có độ dày lớn thƣờng là nơi chứa các khuyết tật dạng khí. Những vị trí ụ dày, thông thƣờng là chỗ lắp ráp với các chi tiết khác nên đòi hỏi phải có độ sít chặt, độ bền cao. Các khuyết tật dạng khí xuất hiện ở đây chỉ đƣợc phát hiện khi đã gia công hoàn chỉnh, và sản phẩm bị coi là hàng phế phẩm. Để ngăn ngừa sự hình thành rỗ khí thì triệt để nhất là đúc trong chân không, song quá trình này rất tốn kém, đòi hỏi những thiết bị đắt tiền không phù hợp với thực tế sản xuất tại Việt nam. Nếu dòng chảy rối chuyển thành dòng chảy tầng thì sẽ ít bị cuốn khí hơn. Tuy nhiên, để đảm bảo đƣợc quá trình điền đầy trong khuôn là chảy tầng thì phải giảm vận tốc dòng chảy, hạ nhiệt độ của hợp kim đến vùng bán lỏng. Ở trạng thái bán lỏng độ nhớt của hợp kim sẽ tăng, khả năng điền đầy khuôn kém. Hiện tƣợng độ nhớt của hợp kim tăng cao khi giảm nhiệt độ xuống dƣới đƣờng lỏng có thể đƣợc khắc phục bằng cách khuấy ở trạng thái bán lỏng, vì vật liệu khi bị khuấy liên tục ở trạng thái bán lỏng sẽ có độ nhớt thấp hơn nhiều so với khi đƣợc làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Nhƣ vậy, khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng (đƣợc gọi là đúc lƣu biến-áp lực hay rheo-diecasting) thì có thể đạt đƣợc các hiệu quả sau: - Tăng hiệu quả tác động của áp lực trong quá trình kết tinh. - Vẫn đảm bảo đƣợc sự điền đầy khuôn do độ nhớt của kim loại lỏng không tăng khi nhiệt độ hạ thấp. - Dòng chảy rối và phân tán sẽ chuyển thành dòng chảy tầng nên ít cuốn khí hơn. Từ những điều nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn hƣớng nghiên cứu là: “Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến- áp lực (rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm A356”.

III

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC BẢNG IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ X

MỞ ĐẦU 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 9

1.1 Đúc áp lực 9

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của phương pháp đúc áp lực 9

1.1.2 Đặc điểm của quá trình đúc áp lực cao 12

1.2 Công nghệ đúc bán lỏng 15

1.2.1 Các dạng công nghệ đúc bán lỏng 15

1.2.1.1 Đúc xúc biến 15

1.2.1.2 Đúc lưu biến 16

1.2.2 Các phương pháp công nghệ tạo vật liệu bán lỏng 17

1.2.3 Phối hợp giữa đúc lưu biến- đúc áp lực (Rheo diecasting- RDC) 21

1.3 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26

2.1 Ảnh hưởng của áp lực đến tổ chức và tính chất của hợp kim 26

2.1.1 Ảnh hưởng của áp lực đến các tính chất nhiệt lý 26

2.1.2 Ảnh hưởng của áp lực đến cân bằng pha 28

2.1.3 Ảnh hưởng của áp lực tới các thông số của quá trình kết tinh 29

2.1.4 Những thay đổi về cấu trúc của kim loại và hợp kim khi kết tinh dưới áp lực 30

2.2 Đặc điểm của quá trình điền đầy khuôn trong đúc áp lực 32

2.2.1 Dòng chảy tầng 32

2.2.2 Dòng chảy rối 33

2.2.3 Dòng chảy phân tán 33

2.3 Mô hình dòng chảy và phương pháp tính toán động lực học chất lỏng 33

2.3.1 Phần tử chất lỏng 34

2.3.2 Phương trình đặc trưng dòng chảy 34

2.3.3 Phương trình liên tục 34

2.3.4 Phương trình bảo toàn khối lượng 35

2.3.5 Phương trình bảo toàn mômen 35

2.3.6 Điều kiện nhiệt độ biên (Temperature boundrary condition) 35

IV

2.3.7 Trao đổi nhiệt trên miền biên của vùng rắn 35

2.3.8 Điều kiện truyền nhiệt đối lưu (convection boundary condition) 36

2.3.9 Điều kiện truyền nhiệt bức xạ 36

2.3.10 Điều kiện truyền nhiệt kết hợp đối lưu và bức xạ 36

2.4 Mô hình k- 36

2.5 Cơ sở lý thuyết về lưu biến 38

2.6 Cơ sở lý thuyết về quá trình tạo mầm [6] 40

2.6.1 Tạo mầm nội sinh (đồng thể) 40

2.6.2 Tạo mầm ngoại sinh (dị thể) [6] 42

2.7 Đặc điểm của hợp kim Al-Si 44

CHƯƠNG III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

3.1 Đối tượng nghiên cứu 47

3.2 Phương pháp nghiên cứu 49

3.2.1 Các trang thiết bị sử dụng để nghiên cứu 49

3.2.1.1 Thiết bị nấu luyện 49

3.2.1.2 Thiết bị khuấy bằng trục graphite 49

3.2.1.3 Thiết bị kiểm tra nhiệt độ 50

3.2.1.4 Thiết bị đúc áp lực 51

3.2.1.5 Phần mềm mô phỏng số 51

3.2.2 Các phương pháp phân tích đánh giá 53

3.2.2.1 Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức 53

3.2.2.2 Thiết bị đo độ cứng tế vi 53

3.2.2.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS 54

3.2.2.4 Đo tỷ trọng 54

3.2.2.5 Đánh giá cơ tính 54

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 56

4.1 Tính toán thiết kế công nghệ khuôn đúc Lưu biến- áp lực 56

4.1.1 Tính toán rãnh dẫn 56

4.1.2 Tính toán hệ thống thông hơi cho khuôn Lưu biến- áp lực [7] 57

4.2 Mô phỏng số quá trình công nghệ đúc Lưu biến- áp lực 58

4.2.1 Mô hình vật liệu 59

4.2.2 Thông số công nghệ 59

4.3 Thực nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm A356 60

4.3.1 Chuẩn bị chất sơn bảo vệ nồi nấu 60

4.3.2 Chuẩn bị chất sơn dụng cụ (gáo múc, chụp khử khí, que khuấy) 60

4.3.3 Chuẩn bị lò nấu 60

4.3.4 Chuẩn bị vật liệu 60

4.3.5 Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện 61

V

4.3.6 Nấu luyện và biến tính hợp kim nhôm đúc áp lực 61

4.4 Thực nghiệm chế tạo phôi mẫu đúc Lưu biến- áp lực 62

4.4.1 Chuẩn bị thiết bị khuấy bán lỏng 62

4.4.2 Chuẩn bị thiết bị đúc áp lực 62

4.4.2.1 Các thao tác lắp bộ khuôn 62

4.4.2.2 Chuẩn bị hỗn hợp sơn tách khuôn 63

4.4.2.3 Chuẩn bị dầu bôi trơn đầu pisttông 63

4.4.2.4 Lập trình chế độ đúc áp lực 63

4.4.3 Chế tạo mẫu thử 65

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 69

5.1 Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn 69

5.1.1 Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,5 69

5.1.2 Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,7 73

5.1.3 Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,8 75

5.2 Kết quả mô phỏng các quá trình truyền nhiệt 77

5.2.1 Trường nhiệt độ của vật đúc 77

5.2.2 Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt và biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm mẫu 79

5.3 Tổ chức tế vi của mẫu đúc Lưu biến-áp lực 81

5.3.1 Sự hình thành pha nền 81

5.3.2 Sự hình thành cùng tinh 89

5.4 Nghiên cứu phân tích cấu trúc 92

5.5 Kết quả nghiên cứu về tỉ trọng của hợp kim A356 96

5.5.1 Các chế độ công nghệ 96

5.5.2 Kết quả xác định tỷ trọng 96

5.5.2.1 Kết quả xác định tỷ trọng theo chiều dọc mẫu 98

5.5.2.2 Kết quả xác định tỷ trọng tại ba vị trí trên mẫu 100

5.6 Kết quả nghiên cứu về độ cứng của hợp kim A356 102

5.7 Kết quả nghiên cứu về độ bền kéo của hợp kim A356 105

CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM 108

6.1 Chế thử sản phẩm Thân bơm 108

6.1.1 Tính toán rãnh dẫn 108

6.1.2 Tính toán rãnh hơi 109

6.1.3 Thiết kế khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết thân bơm BRA50 109

VI

6.1.4 Kết quả chế tạo chi tiết thân bơm BRA50 111

6.2 Chế thử nắp hông động cơ RV125 113

6.2.1 Tính toán rãnh dẫn 114

6.2.2 Tính toán rãnh hơi 114

6.2.3 Thiết kế khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 114

6.2.4 Kết quả chế tạo chi tiết nắp hông RV125 116

KẾT LUẬN 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC 1 125

PHỤ LỤC 2 126

SIMA Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất

RAP Kết tinh lại và nấu chảy một phần

NRC Đúc lưu biến mới

SSTT Chuyển biến nhiệt bán lỏng

 Dung dịch rắn hoà tan ít Si

 Pha liên kim (Al5FeSi)

fs Tỷ phần pha rắn, [%]

fl Tỷ phần pha lỏng, [%]

FCC Lập phương tâm mặt

AL Ký hiệu mẫu có áp lực

M Ký hiệu mẫu trong khuôn mỏng

Tk Ký hiệu nhiệt độ khuôn, [0

x Nồng độ mol của các cấu tử A

(1-x) Nồng độ mol của các cấu tử B

LA Ẩn nhiệt nóng chảy của cấu tử A

LB Ẩn nhiệt nóng chảy của cấu tử B

dp Độ chênh áp suất [MPa]

D Hệ số khuếch tán

δ Chiều dài bước nhảy của nguyên tử

η Độ nhớt của kim loại lỏng

VIII

ε Mức độ thiên tích nội hạt

Cb Nồng độ nguyên tố hợp kim ở biên hạt

Ct Nồng độ nguyên tố hợp kim ở tâm hạt

N Mật độ lệch tương đối

B Hằng số tích phân

C0 Nồng độ nguyên tố hợp kim

IX

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy dưới tác động của áp suất [47] 27

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của áp lực tới trọng lượng riêng của kim loại và hợp kim [47] 28

Bảng 2.3 Độ quá nguội cần thiết để tạo mầm nội sinh 42

Bảng 3.1 Thành phần hợp kim A 356 48

Bảng 4.1 Chiều dày rãnh hơi trên khuôn đúc 58

Bảng 4.2 Khối lượng riêng của không khí phụ thuộc nhiệt độ 58

Bảng 4.3 Các thông số nhiệt lý của vật đúc 59

Bảng 4.4 Các thông số nhiệt lý của khuôn kim loại 59

Bảng 5.1 Thành phần hóa học của hợp kim A356 81

Bảng 5.2 Ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh đến tỷ trọng của hợp kim A356 98

Bảng 5.3 Độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực , áp lực ép tĩnh 200MPa 102

Bảng 5.4 So sánh độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực và đúc Áp lực, áp lực ép tĩnh 200MPa 103

Bảng 5.5 Độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu đúc với công nghệ chế tạo khác nhau 105

X

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Rỗ khí xuất hiện tại vị trí bơm dầu của nắp hông động cơ 5

Hình 1.2 Bọt khí tại vị trí trục tay quay và đường bơm dầu 6

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống chân không hóa khuôn ép, buồng ép và khử khí kim loại lỏng trong chân không 6

Hình 1.4 Sơ đồ quá trình ô xy 6

Hình 1.5 Mô hình dòng chảy rối (a), dòng chảy tầng (b) 7

Hình 1.6 Dòng chảy trong đúc áp lực a, và đúc Lưu biến- áp lực b [32] 7

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849 9

Hình 1.8 Máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877 10

Hình 1.9 Sơ đồ máy đúc áp lực của công ty H.H Franklin chế tạo năm 1904 10

Hình 1.10 Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy 11

Hình 1.11 Block động cơ diesel cho động cơ diesel turbo xe Honda Accord 2005, được sản xuất bởi công nghệ đúc Lưu biến- áp lực [28] 11

Hình 1.12 Sản phẩm nắp hông động cơ Diezel 12

Hình 1.13 Các sản phẩm dạng thanh, càng 12

Hình 1.14 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội 13

Hình 1.15 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng 13

Hình 1.16 Đồ thị vận tốc và áp suất buồng ép [9] 14

Hình 1.17 Sơ đồ công nghệ đúc lưu biến và xúc biến 15

Hình 1.18 Quá trình đúc xúc biến (Thixo-casting) [12] 16

Hình 1.19 Quá trình đúc lưu biến 16

Hình 1.20 Sơ đồ mô tả sự hình thành tinh thể dạng vê cạnh [12] 16

Hình 1.21 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các 17

phương pháp công nghệ bán lỏng khác nhau 17

Hình 1.22 Phương pháp nhiệt trực tiếp [44] 18

Hình 1.23 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT mới [43] 20

Hình 1.24 Tổ chức tế vi của hợp kim A356 đạt được bằng phương pháp MIT mới Kích thước hạt trung bình ~ 100m [43] 20

Hình 1.25 Sơ đồ minh họa các bước trong phương pháp đúc GISS [27] 20

Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống đúc rheo-diecasting dùng vít tải [21] 21

Hình 1.27 So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau [21] 21

Hình 1.28 Mô tả phương pháp ―Đúc áp lực- GISS‖[27] 22

Hình 1.29 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [29] 23

Hình1.30 Sơ đồ quá trình đúc lưu biến-áp lực với kênh dẫn uốn khúc 23

Hình1.31 Mẫu kiểm tra độ bền kéo 23

XI

Hình 1.32 Sơ đồ hệ thống công nghệ đúc Lưu biến- áp lực 25

Hình 2.1 Sự dịch chuyển của giản đồ pha dưới tác động của áp suất 27

Hình 2.2 Ảnh hưởng của áp suất tới giản đồ pha Al-Si [47] 29

Hình 2.3 Dòng chảy tầng 32

Hình 2.5 Dòng chảy phân tán 33

Hình 2.4 Dòng chảy rối 33

Hình 2.6 Phần tử chất lỏng trong không gian 3 chiều [13] 34

Hình 2.7 Mô hình dòng chảy và phần tử khối hữu hạn [13] 34

Hình 2.8 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến[26] 38

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi lưu biến [25] 39

Hình 2.10 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [46] 40

Hình 2.11 Năng lượng tự do của cụm nguyên tử như hàm của bán kính 41

Hình 2.12 Tạo mầm đồng thể và dị thể 42

Hình 2.13 So sánh giữa 2 quá trình tạo mầm đồng thể và dị thể 43

Hình 2.14 Góc thấm ướt  giữa mầm và vật rắn dị thể 43

Hình 2.15 Hàm f() với những góc thấm ướt đặc trưng 44

Hình 2.16 Giản đồ pha Al-Si và các dạng tổ chức 45

Hình 2.17 Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (độ bền R m , độ dẻo A5) [11] 45

Hình 2.18 Pha liên kim  (Al-Fe-Si) có dạng hình tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính 46

Hình 3.1 Các họ hợp kim nhôm[14] 47

Hình 3.2 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6 0 C/s[35] 48

Hình 3.3 Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0.6 0 C/s (quan sát vùng cùng tinh)48 Hình 3.4 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0.2 0 C/s 48

Hình 3.5 Lò điện trở dung tích 150kg/mẻ cho nấu hợp kim nhôm 49

Hình 3.6 Thiết bị tạo mầm bằng trục graphite 50

Hình 3.7 Đồng hồ đo nhiệt độ không tiếp xúc Raytek: RAYRPM40LU3 51

Hình 3.8 Đồng hồ đo nhiệt độ trực tiếp SEIKO: TC-550 51

Hình 3.9 Máy đúc áp lực ZDC420TPS 51

Hình 3.10 Sơ đồ quá trình mô phỏng số 52

Hình 3.11 Thiết bị hiển vi quang học LeicaDM4000M 53

Hình 3.12 Thiết bị đo độ cứng tế vi FM – 700 53

Hình 3.13 Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS 54

Hình 3.14 Thiết bị cân tỷ trọng 54

Hình 3.15 Mẫu đúc áp lực 55

XII

Hình 3.16 Mẫu kiểm tra độ bền kéo, độ cứng 55

Hình 3.17 Máy thử kéo vạn năng Super ―L‖, Model 400 của hãng Tinius Olsen (Mỹ) 55

Hình 3.18 Mẫu đo độ cứng 55

Hình 3.19 Mẫu đo tỷ trọng 55

Hình 4.1 Mô hình khuôn đúc áp lực, vật đúc 60

Hình 4.2 Bảng điều khiển của máy đúc áp lực cao 420 tấn 63

Hình 4.3 Các giai đoạn chuyển động chính của piston 64

Hình 4.4 Thiết bị khuấy bán lỏng bằng trục graphite 67

Hình 4.5 Mẫu thử sau đúc 68

Hình 4.6 Mẫu thử đã gia công 68

Hình 5.1 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=79%, h/H=0,5 69

Hình 5.2 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=89%, h/H=0,5 70

Hình 5.3 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=94%, h/H=0,5 70

Hình 5.4 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=84%, h/H=0,5 71

Hình 5.5 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=88%, h/H=0,5 72

Hình 5.6 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=93%, h/H=0,5 72

Hình 5.7 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=77%, h/H=0,7 73

Hình 5.8 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=92%, h/H=0,7 74

Hình 5.9 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=94%, h/H=0,7 74

Hình 5.10 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=90%, h/H=0,8 75

Hình 5.11 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=95%, h/H=0,8 76

Hình 5.12 Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=97%, h/H=0,8 76

Hình 5.13 Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là 610 0 C 78

Hình 5.14 Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 185MPa, nhiệt độ rót là 610 0 C 78

Hình 5.15 Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 205MPa, nhiệt độ rót là 610 0 C 79

Hình 5.16 Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của mẫu đúc tại thời điểm 3s với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là 610 0 C 79

Hình 5.17 Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của mẫu đúc đến thời điểm 7s với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là 610 0 C 79

Hình 5.18 Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực 185MPa, nhiệt độ rót là 610 0 C 80

Hình 5.19 Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của vật đúc đến thời điểm 7s với áp lực 185MPa, nhiệt độ rót là 610 0 C 80

Hình 5.20 Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực 205MPa, nhiệt độ rót là 610 0 C 80

Hình 5.21 Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của vật đúc đến thời điểm 7s với áp lực 205MPa, nhiệt độ rót là 610 0 C 80

XIII

Hình 5.22 Các tinh thể nhánh cây dạng cột 81

Hình 5.23 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim A356 rót từ trạng thái lỏng (675 0 C) 82

Hình 5.24 Ảnh tổ chức tế vi x500, Đúc áp lực T k = 155 0 C, T r =660 0 C, P t =200MPa 83

Hình 5.25 Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C, T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =185MPa 84

Hình 5.26 Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C, T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =190MPa 84

Hình 5.27 Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C, T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =195MPa 85

Hình 5.28 Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C, T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =200MPa 85

Hình 5.29 Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C, T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =205MPa 86

Hình 5.30 Ảnh tổ chức (x1000): MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C,T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =205MPa 87

Hình 5.31 a) Sự hình thành tổ chức nhánh cây trong quá trình đông đặc thông thường, b) Sự hình thành tổ chức khi mầm tạo ra nhiều và lớn lên cạnh tranh 88

Hình 5.32 a) Hiển vi quang học cho thấy hành vi tạo bề mặt yếu của Si trong công nghệ đúc lưu biến- áp lực, b) Cùng tinh được hình thành trong những vùng không gian nhỏ giữa các hạt 90

Hình 5.33 Ảnh hưởng của áp suất tới nhiệt độ nóng chảy và ranh giới pha giả ổn định trong kim loại và hợp kim 91

Hình 5.34 Hành vi ứng suất-biến dạng của vật liệu ròn và dẻo 93

Hình 5.35 a) Phá hủy cực dẻo; nút thắt cổ chai lớn (một điểm); b) Phá hủy dẻo vừa phải; nút thắt cổ chai thấy rõ; c) phá hủy ròn: không thắt cổ chai 93

Hình 5.36 Các giai đoạn phá hủy dai 93

Hình 5.37 Cấu trúc đặc trưng của phá hủy dẻo: a) ―lúm đồng tiền‖; b) ―gỗ mục‖ 93

Hình 5.38 Mặt gẫy hình quạt 94

Mũi tên chỉ vị trí vết nứt xuất hiện 94

Hình 5.39 a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển xuyên qua tinh thể trong trường hợp phá hủy ròn xuyên tinh; b) Ảnh SEM mặt gãy của gang bền cao 94

Hình 5.40 a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển dọc theo biên giới hạt trong trường hợp phá hủy ròn theo biên giới hạt; b) Ảnh SEM mặt gãy theo biên giới hạt 95

Hình 5.41 Mặt gẫy của mẫu MIT-200, V kh = 200v/ph, T k = 155 0 C, 95

T kh = 625 0 C, T r = 610 0 C, P t =200MPa 95

Hình 5.42 Phân tích EDS 95

Hình 5.43 Các dạng xốp vi mô điển hình trong vật đúc nhôm 97

Hình 5.44 Sự hình thành rỗ khí vi mô trong vật đúc nhôm với hàm lượng khí cao 97

XIV

Hình 5.45 Mẫu kiểm tra tỷ trọng 98

Hình 5.46 Tỷ trọng của mẫu đúc Lưu biến-áp lực , Áp lực với các áp suất ép tĩnh khác nhau 98

Hình 5.47 Quan hệ phụ thuộc của hệ số thấm vào nhiệt độ vùng 2 pha hợp kim nhôm (1-Al9 và 2-Al4Si)[3] 99

Hình 5.48 Việc lọc qua các tinh thể nhánh cây a) khó khăn hơn nhiều (trở lực lớn) so với qua các hạt cầu tròn b) 100

Hình 5.49 Tỷ trọng tại 3 vùng trên mẫu đúc Lưu biến-áp lực và mẫu đúc Áp lực, áp suất ép tĩnh 200 MPa: (a) kết quả mô phỏng, (b, c) kết quả thực nghiệm 100

Hình 5.50 Độ cứng của mẫu đúc Lưu biến-áp lực tại 3 vị trí với áp lực ép tĩnh 200MPa 102

Hình 5.51 Độ cứng tại vị trí P1 103

Hình 5.52 Độ cứng tại vị trí P3 104

Hình 5.53 Độ cứng tại vị trí P2 104

Hình 5.54 Độ bền kéo của các mẫu đúc với công nghệ chế tạo khác nhau 105

Hình 5.55 Chụp ảnh SEM mẫu đúc áp lực x5000 lần, mũ tên chỉ các bọt khí 106

Hình 5.56 Chụp ảnh kim tương mẫu đúc áp lực x1000 lần, Si cùng tinh dạng tấm 106

Hình 5.57 Mẫu đúc áp lực và lưu biến- áp lực được nhiệt luyện ở nhiệt độ T = 520 0 C, thời gian 2h107 Hình 6.1 Thiết kế rãnh dẫn chi tiết thân bơm BRA50 109

Hình 6.2 Nửa khuôn động thân bơm BRA 50 110

Hình 6.3 Nửa khuôn tĩnh thân bơm BRA 50 110

Hình 6.4 Bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 110

Hình 6.5 Sản phẩm thân bơm trước (a) và sau hiệu chỉnh rãnh thoát hơi (b) 111

Hình 6.6 Khuyết tật rỗ xốp trên vật đúc khi đúc áp lực (a) và không còn rỗ xốp (b) khi đúc Lưu biến- áp lực được so sánh với kết quả mô phỏng 112

Hình 6.7 Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p 3 = 185 MPa 113

Hình 6.8 Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p 3 = 200 MPa 113

Hình 6.9 Bộ khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 115

Hình 6.10 Bộ khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 đã chế tạo 115

Hình 6.11 Hình ảnh chi tiết RV 125 đúc bằng phương pháp Lưu biến- áp lực 116

Hình 6.12 Vị trí gia công que thăm dầu nắp hông RV125: a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp lực, không còn bọt xốp; b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp 117

Hình 6.13 Vị trí trục khởi động nắp hông RV125: a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp lực, không cònbọt xốp; b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp 117

Hình 6.14 Vị trí gia công đường bơm dầu nắp hông RV125; a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp lực, không còn bọt xốp;b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp 117

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của luận án

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các các sản phẩm từ hợp kim có đặc tính kỹ thuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước rất lớn, trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục

vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, máy động lực… mà đa số các chi tiết này đều được chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực cao do áp lực có ảnh hưởng rất tốt đến sự hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim Tuy nhiên, trong công nghệ đúc áp lực cao do vận tốc dòng chảy cao từ 20 đến 60 m/s, tạo nên dòng chảy rối, nên những vị trí có độ dày lớn thường là nơi chứa các khuyết tật dạng khí Những vị trí ụ dày, thông thường là chỗ lắp ráp với các chi tiết khác nên đòi hỏi phải có độ sít chặt, độ bền cao Các khuyết tật dạng khí xuất hiện ở đây chỉ được phát hiện khi đã gia công hoàn chỉnh, và sản phẩm bị coi là hàng phế phẩm

Để ngăn ngừa sự hình thành rỗ khí thì triệt để nhất là đúc trong chân không, song quá trình này rất tốn kém, đòi hỏi những thiết bị đắt tiền không phù hợp với thực tế sản xuất tại Việt nam

Nếu dòng chảy rối chuyển thành dòng chảy tầng thì sẽ ít bị cuốn khí hơn Tuy nhiên,

để đảm bảo được quá trình điền đầy trong khuôn là chảy tầng thì phải giảm vận tốc dòng chảy, hạ nhiệt độ của hợp kim đến vùng bán lỏng Ở trạng thái bán lỏng độ nhớt của hợp kim sẽ tăng, khả năng điền đầy khuôn kém

Hiện tượng độ nhớt của hợp kim tăng cao khi giảm nhiệt độ xuống dưới đường lỏng

có thể được khắc phục bằng cách khuấy ở trạng thái bán lỏng, vì vật liệu khi bị khuấy liên tục ở trạng thái bán lỏng sẽ có độ nhớt thấp hơn nhiều so với khi được làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy Như vậy, khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng (được gọi là đúc lưu biến-áp lực hay rheo-diecasting) thì có thể đạt được các hiệu quả sau:

- Tăng hiệu quả tác động của áp lực trong quá trình kết tinh

- Vẫn đảm bảo được sự điền đầy khuôn do độ nhớt của kim loại lỏng không tăng khi nhiệt độ hạ thấp

- Dòng chảy rối và phân tán sẽ chuyển thành dòng chảy tầng nên ít cuốn khí hơn

Từ những điều nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu là: “Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến- áp lực (rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm

A356”

2

2 Mục đích nghiên cứu

- Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản của quá trình rheo-diecasting tới

sự hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim A356

- Ứng dụng công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực” (rheo-diecasting) vào việc chế tạo các sản

phẩm từ hợp kim nhôm có độ bền cao trong ngành chế máy động lực”

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hợp kim nhôm A356

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu, đánh giá trên các mẫu thử và ứng dụng để chế tạo một

số sản phẩm trong ngành chế tạo máy bằng phương pháp đúc “Lưu biến- áp lực”

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực”

- Nghiên cứu mô phỏng tính chất của dòng chẩy trong quá trình điền đầy khuôn bằng dòng kim loại ở trạng thái bán lỏng

- Nghiên cứu quá trình đông đặc và hình thành tổ chức của hợp kim trong công nghệ diecasting

rheo Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc Lưu biếnrheo áp lực (rheorheo diecasting) đến các đặc tính cơ học (độ bền, độ cứng, tỷ trọng) của hợp kim A356

(rheo Nghiên cứu ứng dụng công nghệ rheo(rheo diecasting để chế tạo một số sản phẩm trong ngành máy động lực

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu đã công bố kết hợp với thực tế về công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực”

- Nghiên cứu mô phỏng bằng các phần mềm MAGMAsoft và ANSYS

- Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu:

+ Chế tạo các mẫu thử bằng phương pháp công nghệ “Lưu biến- áp lực”

+ Phân tích đánh giá tổ chức, kiểm tra cơ, lý, tính các mẫu thử đã được chế tạo bằng phương pháp công nghệ “Lưu biến- áp lực”

3

+ Sử dụng thiết bị phân tích quang phổ để xác định thành phần hóa học của hợp kim nhôm A356

+ Dùng máy đúc áp lực để chế tạo mẫu thử và sản phẩm đặc trưng

+ Dùng các thiết bị kiểm định để xác định cơ tính của hợp kim (độ bền kéo, độ cứng)

+ Dùng hiển vi điện tử SEM và kỹ thuật EDS để phân tích, đánh giá cấu trúc của hợp kim

+ Dùng kính hiển vi quang học để đánh giá tổ chức tế vi của hợp kim

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

*) Ý nghĩa khoa học

- Là nghiên cứu đầu tiên về công nghệ Lưu biến- áp lực (rheo-diecasting) ở Việt Nam, là cơ sở cho việc đổi mới công nghệ, ứng dụng tiến bộ KHKT Kết quả nghiên cứu của luận án là định hướng về thiết kế công nghệ khuôn đúc “Lưu biến- áp lực” và là cơ

sở để lựa chọn vận tốc dòng chảy điền đầy hốc khuôn phù hợp cho mỗi loại sản phẩm có chiều dày thành vật đúc khác nhau

- Cho thấy ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh tới kích thước hạt: khi tăng áp lực ép tĩnh đến 205 MPa đã xuất hiện nhóm hạt Al – α3 rất nhỏ mịn (khoảng 2-7 µm); không quan sát thấy nhóm hạt này khi áp lực ép tĩnh dưới 200 MPa; ngoài ra tỷ trọng hợp kim cao hơn tới 2% so với khi áp lực ép tĩnh < 200 MPa Đó là những đóng góp bổ sung vào khoa học đúc lưu biến – áp lực

7 Những điểm mới của luận án

1 Đã chỉ ra được khi đúc với áp lực ép tĩnh > 200 MPa thì xuất hiện các hạt có kích thước nhỏ mịn Việc phân tích tổ chức tế vi đã phát hiện ra ảnh hưởng rõ rệt của áp lực tới sự hình thành tổ chức: một độ quá nguội ở mức trên 2 K đã hình thành góp

4 Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực mang lại những yếu tố thuận lợi nhằm tạo ra tổ chức phi nhánh cây nhỏ mịn và loại bỏ một dạng khuyết tật cơ bản của phương pháp đúc áp lực là rỗ khí; đó là:

- Tạo mầm dị thể trên trục khuấy

- Tạo dòng chảy tầng khi điền đầy khuôn

- Đồng đều hóa nhiệt độ của khối kim loại lỏng

- Tạo một độ quá nguội bổ sung làm giảm kích thước tới hạn của mầm

5 Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực mang lại những yếu tố thuận lợi nhằm giảm thiểu một dạng khuyết tật điển hình của các sản phẩm đúc nói chung và đúc áp lực nói riêng là xốp tế vi bằng các yếu tố:

- Giảm cuốn khí do dòng chảy tầng

- Giảm lực cản cho quá trình ”nuôi” nhờ việc tạo ra các tinh thể dạng cầu tròn thay vì dạng nhánh cây

- Thúc đẩy quá trình ”nuôi” nhờ áp lực

8 Kiến nghị

Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng hệ thống tự động hóa còn thô sơ và chưa có thiết bị rót tự động Đề nghị có các nghiên cứu sâu hơn về việc kiểm soát nhiệt độ tự động trên khuôn đúc áp lực và buồng nạp cũng như thời gian rót vật liệu bán lỏng vào buồng nạp

5

ĐẶT VẤN ĐỀ

Một cách để cải thiện hiệu quả sử dụng nguyên nhiên liệu cho ngành công nghiệp ô tô

đã được áp dụng trong sản xuất đúc nhôm hàng loạt là giảm trọng lượng của chi tiết đúc [45] Công nghệ đúc áp lực cao (HPDC – High Pressure Die Casting) đã đáp ứng được nhu cầu này trong sản xuất chi tiết đúc khối lượng nhẹ Có thể thấy rằng công nghệ đúc áp lực cao cho phép đúc các chi tiết có thành mỏng, phức tạp với bề mặt chi tiết đúc bóng đẹp và lượng dư gia công ít [18] Các sản phẩm đúc áp lực cao thường có bề dày từ 0,8 mm đến 10

mm, nhưng trên thực tế thì bề dày 2 mm đến 6 mm sẽ cho kết quả đúc tốt nhất Tuy nhiên, trong phương pháp đúc áp lực cao kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn đi qua rãnh dẫn với vận tốc cao, dẫn tới dòng chảy trong khuôn là dòng phân tán hoặc dòng chảy rối và đây chính là nguyên nhân tạo ra các oxit, rỗ xốp gây khó khăn cho quá trình xử lý nhiệt sau đó Một thí dụ khá điển hình là tại một công ty chế tạo phụ tùng ô tô, xe máy của nước ngoài chi tiết nắp hông động cơ bị rỗ khí tại các vị trí có ụ dày (hình 1.1)

Hình 1.1 Rỗ khí xuất hiện tại vị trí bơm dầu của nắp hông động cơ

Hiện tượng rỗ xốp cũng thường xảy ra tại một số Công ty đúc áp lực hoạt động tại Việt nam; thí dụ sản phẩm nắp hông động cơ Diesel RV125 bị bọt khí tại vị trí trục tay quay, đường bơm dầu như trình bày ở hình 1.2

Hạn chế trên khiến cho phương pháp đúc áp lực chủ yếu chỉ được ứng dụng để chế tạo các chi tiết kết cấu thành mỏng, bề mặt nhẵn đẹp, kích thước chính xác và không đòi hỏi độ bền quá cao Xốp khí tại những vị trí ụ dầy chính là nguyên nhân làm giảm độ bền đáng kể và chi tiết đúc không thể nhiệt luyện được Để khắc phục nhược điểm này trong công nghệ đúc áp lực người ta thường phải đúc rót trong chân không, (hình 1.3) nhưng chi phí rất tốn kém Một cách khác được gọi là “quá trình ôxy” Bản chất của nó là người ta thay thế không khí trong khuôn bằng ô xy (hình 1.4) Kết quả là các ôxyt kim loại được hình thành với kích thước cực nhỏ và ít có hại hơn so với rỗ khí

akyrad) hay ép cục bộ nhƣng đều rất tốn

kém hoặc làm cho kết cấu của máy đúc

áp lực trở nên rất phức tạp

Nếu đúc áp lực với kim loại ở

trạng thái bán lỏng thì dòng chảy sẽ

chuyển thành dòng chảy tầng do kim loại

ở dạng sệt và sẽ ít bị cuốn khí hơn Tuy

nhiên nhƣ vậy sẽ phải hạ nhiệt độ của

hợp kim đến vùng bán lỏng và ở trạng

thái này độ nhớt của hợp kim sẽ tăng,

khả năng điền đầy trong khuôn kém

Để độ nhớt của hợp kim không tăng cao

khi giảm nhiệt độ xuống dưới đường

lỏng thì cần:

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống chân không hóa khuôn ép, buồng ép và khử khí kim loại lỏng trong chân không

Hình 1.4 Sơ đồ quá trình ô xy

7

- khuấy kim loại ở trạng thái bán lỏng để bẻ gãy các nhánh cây nếu tỷ phần pha rắn tương đối lớn

- đúc ở nhiệt độ gần liquidus (chủ yếu là tạo mầm dị thể)

Như vậy khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng thì rỗ khí có thể được khắc phục bởi 2 lý do:

- Áp lực sẽ phân tán các phần tử ô xýt nhôm đều trong toàn bộ khối kim loại

- Dòng chảy rối và phân tán sẽ chuyển thành dòng chảy tầng nên ít cuốn khí hơn Điều này đã được chứng minh trong một thí nghiệm được mô tả ở hình 1.5

Hình 1.5 Mô hình dòng chảy rối (a), dòng chảy tầng (b)

Việc so sánh dòng chảy rối (hình 1.5 a) trong trường hợp đúc từ trạng thái lỏng và dòng chẩy tầng (hình 1.5 b) trong trường hợp đúc bán lỏng cho thấy trong trường hợp đúc bán lỏng khí bị cuốn ít hơn nhiều (mũi tên) khi dòng chảy vượt qua một vật cản Khi chi tiết đúc là tấm phẳng như hình 1.6 a, cũng có thể thấy rằng trong trường hợp đúc áp lực với dòng chảy dòng phân tán khả năng cuốn khí và tạo xốp trong chi tiết đúc sẽ xảy ra Trong trường hợp đúc lưu biến- áp lực quá trình điền đầy xảy ra từ dưới lên trên, khí sẽ được thoát ra ngoài qua các kênh thoát khí, chi tiết đúc sẽ ít bị bọt xốp khí hơn (hình 1.6 b [32])

Hình 1.6 Dòng chảy trong đúc áp lực a, và đúc

Lưu biến- áp lực b [32]

Đó là lý do vì sao phương pháp công nghệ đúc lưu biến (rheocasting) thường được kết hợp với công nghệ đúc áp lực (diecasting) để cho ra đời một phương pháp mới là “Lưu biến- áp lực” (RDC- rheo-diecasting) cho kết quả rất tốt

9

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Đúc áp lực

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của phương pháp đúc áp lực

Đúc áp lực là một phương pháp sản xuất phôi nhằm tạo ra các chi tiết có kích thước chính xác do chuyển động của dòng kim loại lỏng dưới tác dụng của áp suất Đúc áp lực là một phương pháp đúc đặc biệt mà ở đó kim loại lỏng điền đầy khuôn dưới tác dụng của áp lực thay vì cho trọng lực như trong các phương pháp đúc thông thường khác Cũng giống như các ngành kỹ thuật khác, người ta không biết chắc chắn thời gian xuất hiện của ngành đúc áp lực mà chỉ có thể ước lượng thời gian ra đời của nó vào khoảng đầu thế

kỷ 19, mặc dù một vài ý tưởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn nữa vì có

sự liên hệ với việc sản xuất máy in Máy đúc áp lực đầu tiên Sturgiss được phát minh vào năm 1849 (hình 1.7); máy này có buồng nấu chảy kim loại được đặt phía dưới

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849

Vào năm 1877, Dusenbery dựa trên nguyên lý của máy Sturgiss để hình thành nên thế hệ máy mới có bổ sung thêm một pitông rỗng có gắn van một chiều cho phép kim loại lỏng có thể chảy từ khoang trên xuống khoang dưới (hình 1.8)

Đặc biệt kể từ năm 1904 ngành đúc áp lực thực sự phát triển khi mà công ty H.H Franklin bắt đầu cho xuất hiện những máy đúc áp lực có gắn các thiết bị tự động (hình 1.9); từ đây ngành đúc áp lực đã chuyển sang một bước ngoặt mới song hành với ngành công nghiệp xe máy, xe hơi và những ngành công nghiệp này đã trở thành khách hàng lớn của ngành đúc áp lực Vào những thời gian đầu, người ta sử dụng hợp kim chì, thiếc để làm nguyên liệu cho đúc áp lực bởi vì các hợp kim này dễ dàng đúc ở nhiệt độ thấp, hơn nữa chúng có khả năng chống ăn mòn tốt, nhưng lại có nhược điểm là rất mềm và khả

Buồng

áp lực

Cần điều khiển

Pitông trụ trượt

Đầu phun

Đóng miệng phun

Cửa điều khiển

10

năng chịu kéo thấp Ngày nay hai hợp kim này không còn được sử dụng trong ngành đúc

áp lực nữa Để khắc phục nhược điểm của chúng thì vào năm 1906 người ta sử dụng hợp kim kẽm để thay thế Vào năm 1914 cùng với sự phát triển của ngành sản xuất động cơ xe máy và ô tô người ta đã nghiên cứu và đưa vào sử dụng hợp kim nhôm do nó có những ưu điểm sau: có khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao, tính đúc tốt và là kim loại tương đối nhẹ…

Hình 1.8 Máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877

Cổ phun

Nồi nấu Đường khí

Thanh nối

Cổ phun

Bộ phận nung

11

Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp kim khác Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm sản phẩm nhôm đúc áp lực đạt giá trị tới 2.5 tỷ USD Đúc áp lực rất phù hợp với việc đúc hàng loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ, thường nặng dưới 5kg [1] (cũng có trường hợp đúc chi tiết nặng tới 50kg [2] nhưng giá thành rất cao) Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc Sản phẩm đúc áp lực cao rất đa dạng về hình dáng và kết cấu, phục

vụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như chế tạo chi tiết máy, thiết bị điện, y tế, giáo dục, hàng không,… và chúng được phân loại theo nhóm như sau:

Hình 1.10 Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy

Hình 1.11 Block động cơ diesel cho động cơ diesel turbo xe Honda Accord 2005, được sản xuất

bởi công nghệ đúc Lưu biến- áp lực [28]

1.1.2 Đặc điểm của quá trình đúc áp lực cao

Đúc áp lực có thể mô tả như sau: kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng áp lực cao thông qua một bộ xylanh-piston nạp hay còn gọi là buồng nạp, hoặc buồng ép Áp lực lớn, tốc độ nguội nhanh, sẽ làm cho sản phẩm đạt tổ chức hạt nhỏ mịn, tăng cơ tính và khả năng chịu mài mòn

Có 2 kiểu công nghệ đúc áp lực là đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) và đúc áp lực buồng nóng (hot chamber) Trong trường hợp đúc áp lực buồng nguội (hình 1.14.) bộ xylanh-piston nạp-ép của thiết bị đúc nằm bên ngoài, nhận kim loại lỏng thông qua gáo rót

13

Xylanh này được coi là buồng nguội vì có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kim loại nóng chảy vì chỉ tiếp xúc với nhiệt khi chứa kim loại lỏng Hợp kim nhôm thường được đúc với buồng nguội [3] vì có thể sử dụng áp lực đúc lớn, thiết bị lại có tuổi thọ cao do không phải liên tục tiếp xúc với nhiệt độ cao

Còn trong trường hợp đúc áp lực buồng nóng thì bộ phận xylanh– piston nạp được đặt ngay trong khối kim loại nóng chảy (hình 1.15) hoặc đặt trong một hệ thống lò nung và nối thẳng với bộ phận lò nấu chảy [8] Như vậy bộ xylanh–piston có nhiệt độ bằng với nhiệt độ kim loại lỏng Trong trường hợp này bộ xylanh–piston có tuổi thọ thấp do luôn làm việc ở nhiệt độ cao

Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh do piston ép tạo ra Lực làm piston chuyển động do một bơm thuỷ lực gây nên Tốc độ dịch

Hình 1.15 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng Hình 1.14 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội

14

chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của piston thay đổi rất khác nhau trong suốt 1

chu trình đúc Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn như hình 1.16 [7]

Hình 1.16 Đồ thị vận tốc và áp suất buồng ép [9]

Giai đoạn 1: Piston ép đã đi qua và bịt lỗ rót Vận tốc v 1 của piston ép và áp lực p 1

trong buồng ép còn nhỏ Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng ma sát trong buồng ép và xi lanh thuỷ lực

Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép Tốc độ của piston tăng lên

và đạt giá trị cực đạiv 2 Giá trị của áp suất p 2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của dòng chảy trong buồng ép

Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn Do tiết diện rãnh dẫn

thu hẹp lại nên vận tốc piston giảm xuống v 3 nhưng áp suất ép lại tăng lên p 3 Kết thúc giai đoạn này, piston dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà áp suất ép tiếp

tục tăng lên Sau khi các dao động áp suất tắt dần, áp suất đạt giá trị không đổi p 4 Đây là

áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh

Giai đoạn 4: Giai đoạn ép tĩnh Áp suất có thể đạt tới 5 – 500 MPa, tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực đó sẽ truyền vào vật đúc và kim loại kết tinh dưới áp lực cao

1.2.1.1 Đúc xúc biến

Quá trình đúc xúc biến được thể hiện ở hình 1.18 Đầu tiên là chế tạo thanh cấp liệu

có tổ chức và độ hạt theo yêu cầu Thông thường, thanh cấp liệu được chế tạo bằng phương pháp đúc liên tục với kim loại lỏng trong khuôn được khuấy trộn theo nguyên lý từ thủy động lực Đường kính thanh cấp liệu từ 75 - 150mm (3”-6”) Sau đó, thanh cấp liệu được cắt thành từng đoạn nhỏ và nung cảm ứng đến nhiệt độ tồn tại trạng thái bán lỏng, rồi được chuyển đến máy đúc và ép vào khuôn với lực ép lớn [12]

Khuấy tạo

bán lỏng

Phôi có tổ chức hình cầu

Nấu chảy lại

Nấu chảy lại

Vật liệu bán lỏng

Đúc lưu biến

Đúc xúc biến

Rèn xúc biến

16

Hình 1.18 Quá trình đúc xúc biến (Thixo-casting) [12]

Ưu điểm của phương pháp: dễ tự động hóa và hoàn toàn loại bỏ sự cuốn khí vào khuôn Nhược điểm của phương pháp: chi phí đầu tư cao, thanh cấp liệu khó chế tạo và sản phẩm thừa (phế phẩm, hệ thống rót,…) không thể tái sử dụng cho các lần đúc sau Tuy nhiên xét về khía cạnh loại bỏ rỗ khí thì đây là phương pháp triệt để nhất

1.2.1.2 Đúc lưu biến

Một thí dụ của quá trình đúc lưu biến được thể hiện ở hình 1.19 Sau khi nấu luyện, hợp kim được làm nguội kết hợp khuấy trộn, sau đó được chuyển đến máy đúc và tạo hình với lực ép lớn

Hình 1.19 Quá trình đúc lưu biến

Hiện tượng bẻ gẫy nhánh cây bằng lực khuấy trong phương pháp đúc lưu biến được thể hiện ở hình 1.20: lực khuấy tạo điều kiện thuận lợi để hình thành tinh thể dạng cầu làm tăng cơ tính vật đúc

Hình 1.20 Sơ đồ mô tả sự hình thành tinh thể dạng vê cạnh [12]

Hình 1.20 [12] cho thấy: khi không có lực khuấy tinh thể nhánh cây được hình thành Lực khuấy bẻ gẫy các nhánh cây giúp tạo thành tinh thể dạng “hoa thị” hoặc dạng vê cạnh

Ưu điểm của phương pháp lưu biến so với đúc xúc biến: đúc được nhiều loại hợp kim, sản phẩm thừa (phế phẩm, hệ thống rót,…) có thể dùng làm hồi liệu, có thể kết hợp với phương pháp đúc áp lực nên giảm chi phí đầu tư ban đầu Nhược điểm: khả năng tự động hóa không cao bằng đúc xúc biến

nấu chảy gầu rót làm nguội giữ nhiệt điền đầy vật đúc

Nhánh cây hoa thị vê cạnh Không khuấy có khuấy khuấy mạnh hơn

a) Đúc xúc biến b) Đúc lưu biến

Hình 1.21 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các

phương pháp công nghệ bán lỏng khác nhau

1.2.2 Các phương pháp công nghệ tạo vật liệu bán lỏng

Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu bán lỏng Sau đây là các phương pháp chính:

1 Khuấy thuỷ động từ (magnetohydrodynamic stiring-MHD)

Đó là việc khuấy bằng trường điện từ (và như vậy không làm nhiễm bẩn, không cuốn khí và cánh khuấy không bị mòn như trong trường hợp khuấy cơ học) ở trạng thái bán lỏng

để bẻ gãy các nhánh cây Nhiều chi tiết bằng hợp kim nhôm được sản xuất cho đến nay sử

dụng MHD do hãng Pechiney và SAG cung cấp Có một số vấn đề còn tồn tại trong phương pháp này, thí dụ sự không đồng đều về hình dáng và hạt cầu không hoàn toàn tròn

mà vẫn còn dư một số tinh thể dạng ―hoa hồng‖

2 Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất (Strain induced melt activated - SIMA), kết tinh lại và nấu chảy một phần (recrystallization and partial melting - RAP)

Đây là hai phương pháp có những nét tương tự Vật liệu được chuốt (extrusion), khi được nung nóng tới trạng thái bán lỏng, quá trình kết tinh lại sẽ xảy ra; kim loại lỏng đi vào biên giới hạt kết tinh lại và tạo ra một lớp vỏ bọc hình cầu Phương pháp SIMA sử dụng biến dạng nóng còn RAP - biến dạng “ấm” Ưu điểm của các phương pháp này là tổ

18

chức nhận được có dạng cầu hơn so với MHD Nhược điểm chủ yếu là có thể xảy ra sự không đồng nhất trong tổ chức do mức độ biến dạng trên thiết diện ngang khác nhau, ngoài ra quá trình chuốt là khó khăn và đắt đối với các thỏi đường kính lớn

3 Đúc gần nhiệt độ liquidus (Liquidus/near liquidus casting)

Đây là một phương pháp mới dựa trên việc điều khiển các điều kiện đông đặc Phương pháp đúc lưu biến mới (New Rheocasting – NRC) của UBE dựa trên nguyên tắc: rót kim loại ở nhiệt độ trên liquidus một chút vào nồi thép, sau đó kiểm soát quá trình nguội để đạt được tổ chức dạng cầu trước khi bắn vào khuôn [33] Các mầm kết tinh được tạo ra trong quá trình nghiêng nồi: kim loại lỏng thấm ướt thành nồi (nguội) và quá trình tạo mầm ngoại sinh xảy ra Các mầm kết tinh sau đó được phân bố khắp bể kim loại khi nồi quay trở lại vị trí thẳng đứng để chuẩn bị bắn kim loại (bán lỏng) vào khuôn

Ở đây không cần chế tạo phôi có đặc tính thixotropic và hồi liệu có thể được sẵn sàng tái sử dụng trong xưởng Hall và đồng sự đã chứng minh rằng NRC là phương pháp

có chi phí thấp hơn thixoforming, do chi phí cho vật liệu ban đầu thấp hơn

4 Phương pháp nhiệt trực tiếp (direct thermal method)

Phương pháp máng nghiêng, kim loại lỏng được rót vào khuôn qua một máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Quá trình tạo mầm được xảy ra trên máng và tinh thể hình trụ nhận được khá mịn Với phương pháp đúc gần nhiệt độ liquidus, tốc độ tạo mầm lớn có thể đạt được trong toàn bộ thể tích khối kim loại lỏng bị quá nguội (hình 1.22a) [44]

Hình 1.22 Phương pháp nhiệt trực tiếp [44]

a) sử dụng máng nghiêng; b) quá nhiệt thấp

Máng nghiêng rất dễ khi lắp đặt vào bất kỳ một thiết bị đúc nào Trong đúc bán lỏng

tỉ phần rắn cần thiết vào khoảng 30-50%, tuy nhiên, với phương pháp máng nghiêng có thể

áp dụng với tỉ phần rắn thấp hơn 10% do đặc thù của quá trình là tạo mầm dị thể Nhược điểm chính của phương pháp này là kim loại có thế bám dính trên máng khiến khả năng

a: Phương pháp đúc lưu biến

sử dụng máng nghiêng

có nước làm nguội

b: Phương pháp đúc lưu biến quá nhiệt thấp

19

tạo mầm giảm Ngoài ra kim loại được làm nguội không đều: lớp tiếp xúc trực tiếp với máng được làm nguội tốt hơn lớp ở trên Tuy nhiên đây là phương pháp duy nhất để tạo một dòng chảy liên tục (ứng dụng trong công nghệ đúc liên tục)

Phương pháp đúc quá nhiệt thấp (hình 22b) [44]: Độ quá nhiệt của kim loại khoảng

100C Các mầm tinh thể phân bố ở bề mặt khuôn dưới, và khuôn trên được ép vào khuôn dưới trước khi kim loại đóng rắn Khi độ quá nguội kim loại thấp thì các cụm nguyên tử không nóng chảy lại và có thể phát triển trở thành tâm mầm kết tinh; khi rất nhiều mầm kết tinh được hình thành cùng một lúc trong toàn bộ bể kim loại, tổ chức đông đặc nhỏ mịn và tinh thể có dạng hạt cầu

Dùng ống mỏng nguội nhanh (DTM): kim loại lỏng có độ quá nhiệt nhỏ được rót vào khuôn kim loại thành mỏng [16]; nhiệt được hấp thụ rất nhanh ban đầu sẽ tạo điều kiện để rất nhiều mầm được tạo ra Độ thấm nhiệt nhỏ của khuôn sẽ đảm bảo cho cân bằng nhiệt dưới nhiệt độ liquidus của hợp kim sẽ nhanh chóng đạt được; nhờ tốc độ toả nhiệt tự nhiên thấp vào môi trường nên một giai đoạn đẳng nhiệt sẽ được giữ trong một khoảng thời gian

nhất định và cho phép quá trình cầu hoá xảy ra Tổ chức tế vi đạt được có dạng cầu tròn

song tương đối thô (khoảng 70 m) [16] do tốc độ nguội tương đối chậm Phương pháp

này không kết hợp được với công nghệ đúc áp lực

5 Phương pháp MIT mới (new MIT process)

Đây là sự phối hợp giữa khuấy và đúc gần nhiệt độ đông đặc (hình 1.23) Trục khuấy

có tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại lỏng có nhiệt độ cao hơn liquidus đôi chút Sau khi khuấy vài giây nhiệt độ kim loại lỏng hạ xuống mức ứng với tỷ phần pha rắn vài chục phần trăm và trục khuấy được rút ra, sau đó đúc trên máy đúc áp lực cao Tổ chức

tế vi đạt được đối với hợp kim A356 khá tròn đều, tuy nhiên hơi thô (khoảng 100 m) – hình 1.24 [43] Việc khuấy kim loại lỏng bằng trục graphit như vậy còn mang lại một lợi

ích nữa là làm đồng đều nhiệt độ trong khối kim loại lỏng, một điều kiện thuận lợi cho việc

hình thành các hình thái tinh thể đều trục hoặc cầu tròn Phương pháp này có thể kết hợp

được với công nghệ đúc áp lực để tạo ra phương pháp đúc lưu biến- áp lực

6 Chuyển biến nhiệt bán lỏng (semi-solid thermal transformation - SSTT)

Cấu trúc hạt cầu có thể đạt được bằng cách nung nóng tổ chức dendrite tới nhiệt độ

bán lỏng trong một khoảng thời gian nhất định Tuy nhiên kích thước hơi thô (~ 100 m),

do tốc độ nguội chậm.

20

7 Phương pháp bán lỏng bằng sục khí (Gas Induced Semi-Solid- GISS)

Trong phương pháp GISS sơ đồ minh họa hình 1.25 [27], trục garaphit được sử dụng

để thổi khí vào trong kim loại lỏng Quá trình này có 2 công dụng: (1) tạo sự khuấy trộn,

và (2) giải phóng nhiệt nhanh chóng Hợp kim lỏng được làm nguội rất nhanh, và một vài hạt tinh thể dạng cầu được hình thành ở dưới nhiệt độ nóng chảy Sau khi đạt được tỷ phần pha rắn mong muốn, thiết bị thổi khí được rút ra Phương pháp GISS có thể được sử dụng với hợp kim bất kỳ để có thể tạo ra trạng thái bán lỏng như: hợp kim nhôm đúc, nhôm rèn

và hợp kim kẽm đúc Phương pháp này cũng có ưu điểm giống phương pháp MIT là làm cho nhiệt độ khối kim loại lỏng được đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo các hạt đều trục hoặc cầu tròn Quy trình GISS tạo được vật liệu bán lỏng với tỷ lệ pha rắn thấp

(< 0,25) Phương pháp này có thể kết hợp được với công nghệ đúc áp lực để tạo ra phương

Hình 1.25 Sơ đồ minh họa các bước trong phương pháp đúc GISS [27]

21

1.2.3 Phối hợp giữa đúc lưu biến- đúc áp lực (Rheo diecasting- RDC)

Đây là sự phát triển tiếp theo của phương pháp rheocasting, dựa trên một thực tế là từ những năm 90 việc sử dụng hợp kim nhôm trong công nghiệp ô tô (con) tăng gấp đôi và ô

tô tải nhẹ tăng gấp ba Hiện nay 85% vật đúc nhôm được sử dụng trong ngành ô tô xe máy, trong đó phần lớn là chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực cao Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là cuốn khí do dòng chảy rối gây rỗ trong vật đúc, do đó khó chế tạo các chi tiết cần độ sít chặt cao, đồng thời không thể nhiệt luyện sau đó

Việc kết hợp giữa đúc áp lực cao và đúc lưu biến chính là để khắc phục nhược điểm

này Phương pháp công nghệ đúc bán lỏng (Semi-Solid Casting, SSC) và công nghệ đúc áp

lực được bắt đầu phát triển vào những năm 1970 Trong những năm gần đây, công nghệ bán lỏng đã được phát triển theo hướng đơn giản hóa và giảm chi phí để có thể ứng dụng rộng rãi hơn Do đó, một số quy trình đúc lưu biến mới đã được nghiên cứu và phát triển,

ví dụ như công nghệ phun bán lỏng mới (Semi-Solid injection Process, SSP) [35,39,42], đúc lỏng [23,31], quá trình đúc lưu biến mới (New Rheo Casting process, NRC) [38], công nghệ đúc bán lỏng liên tục (Continuous Rheoconversion Process, CRP) [40], công nghệ tạo mầm [17], đặc biệt là công nghệ đúc áp lực lưu biến (Rheo-DieCasting, RDC) [19,20], công nghệ đúc bán lỏng (Semi-Solid Rheocasting, SSR TM

) [22] đã đang được nghiên cứu ứng dụng trong ngành chế tạo ô tô, xe máy

Dưới đây là một số phương pháp rheo-diecasting đang được nghiên cứu ứng dụng

Các nhà khoa học Anh tại trường đại hoc Brunel đã đề xuất phương án tạo hợp kim bán lỏng chịu lực cắt cao trong một cơ cấu vít tải ruột gà và cấp thẳng vào buồng nạp của

Khung máy

Khuôn

Buồng nạp

Vít tải tạo bán lỏng Dòng

22

máy đúc áp lực cao hình 1.26 [21] Việc so sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp khác nhau được thể hiện trên hình 1.27 [21] Phương pháp này có hiệu quả cắt, phá vỡ nhánh cây tốt nhưng do vít tải ruột gà làm việc (chuyển động) trong môi trường nhiệt độ cao nên dễ bị hỏng, xói mòn v.v

Gần đây, một công nghệ đơn giản và hiệu quả gọi là phương pháp Gas Induced Semi-Solid (GISS) đã được phát minh Phương pháp này được phát triển và thương mại hóa bởi công ty GISSCO – Thái Lan [27] Quá trình sục khí trơ sạch bằng trục garaphit tạo

sự khuấy trộn, giảm nhiệt độ và kim loại bán lỏng được tạo ra Hiện tại, quy trình GISS tạo được vật liệu bán lỏng với tỷ lệ pha rắn thấp (< 0,25) Phương pháp GISS được kết hợp với

phương pháp đúc áp lực để tạo thành phương pháp “Đúc áp lực- GISS‖ (The GISS Die

Casting Proces) Hình 1.28 thể hiện quy trình của phương pháp ―Đúc áp lực- GISS‖[27]

Nhược điểm chính của phương pháp này là kim loại có thể bị bắn tóe trong quá trình vận

chuyển và sục khí

Hình 1.28 Mô tả phương pháp ―Đúc áp lực- GISS‖[27]

Các nhà khoa học Hàn quốc tại trường đại học Yonsei, Seoul, Hàn Quốc cũng đưa ra phương pháp tương tự, cho phép lắp đặt thiết bị một cách linh hoạt hơn hoặc có thể tích hợp với những thiết bị có sẵn hình 1.29 [29] Phương pháp này được đặt tên tác giả là

Hong-nanocasting (H-NCM)

CHEN Zheng-zhou và các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo mẫu hợp kim nhôm A356 bằng công nghệ đúc áp lực- lưu biến có kênh dẫn uốn khúc (SCRC) [15] Thiết bị SCRC bao gồm hai bộ phận chính, một là bộ phận tạo bán lỏng có kênh dẫn uốn khúc bằng graphit và một máy đúc áp lực buồng nguội nằm ngang (J1116D-160t) Các kênh dẫn uốn khúc trực tiếp được cố định trên buồng ép, như thể hiện trong hình 1.30 Các mẫu thử kéo

và kích thước chính của chúng được thể hiện trong hình 1.31 Tổng khối lượng của bốn

23

mẫu thử kéo và rãnh dẫn khoảng 0,5 kg Thực chất thì đây là sự phát triển của phương pháp máng nghiêng nhưng đúc từng mẻ một (thay vì cho đúc liên tục)

Hình 1.29 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [29]

Tuy nhiên các nghiên cứu trên mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá hình thái (cầu tròn) và kích thước (nhỏ mịn) của tổ chức được hình thành Các vấn đề sau chưa được đề cập tới:

1 Các điều kiện để dòng chảy rối chuyển thành dòng chẩy tầng

2 Các điều kiện hình thành những hạt tinh thể vô cùng nhỏ mịn quan sát thấy khi áp

Máy đúc

áp lực

Thiết bị khuấy bán lỏng

Hình1.30 Sơ đồ quá trình đúc lưu

biến-áp lực với kênh dẫn uốn khúc Hình1.31 Mẫu kiểm tra độ bền kéo

24

1.3 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

PGS.TS Nguyễn Hồng Hải đã thực hiện đề tài mã số KC02-23/06-10 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc bán lỏng để chế tạo các sản phẩm từ hợp kim nhôm có độ bền cao trong ngành chế tạo máy động lực, ô tô, xe máy” mà NCS là thành viên Đề tài đã xác định được cửa sổ công nghệ của các quá trình khuấy điện từ và khuấy bằng trục graphite Nhiệt

độ rót thấp, nằm trong khoảng 590 – 6100

C, thời gian đông đặc giảm Do rót ở nhiệt độ thấp nên khuôn sẽ ít bị sốc nhiệt hơn, do đó tuổi thọ của khuôn sẽ cao hơn nhiều Tuổi thọ khuôn cao hơn còn do tránh được dòng chảy rối và phân tán gây xói mòn khuôn rất mạnh Giảm thời gian bôi trơn và lượng dầu bôi trơn Cuối cùng là chất lượng sản phẩm được cải thiện Một khuyết tật điển hình của phương pháp đúc áp lực là rỗ khí giảm hẳn [5] Tuy nhiên, vì đây là đề tài, nên mặc dù đã giải quyết được những vấn đề thực tế song cũng chưa

đủ thời gian để đề cập sâu tới các vấn đề lý thuyết như đã nêu ở trên

Tiến sỹ Nguyễn Ngọc Tiến đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim A356” [10] bằng các phương pháp khuấy từ và tạo mầm cho kết quả rất khả quan Tuy nhiên nghiên cứu chỉ dừng lại ở quá trình đúc lưu biến chứ chưa đề cập

xe máy đều được đúc áp lực thì sự lựa chọn hệ thống thiết bị của Nghiên cứu sinh sử dụng

để nghiên cứu sẽ dựa trên các nguyên tắc sau:

1 Kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực (Rheo-diecasting)

2 Bảo đảm sự linh hoạt của hệ thống bằng cách tích hợp giữa các thiết bị chế tạo mới

và các thiết bị có sẵn

3 Kế thừa và phát triển những kết quả nghiên cứu mà NCS đã đạt được khi thực hiện

đề tài KC02-23/06-10

25

Sơ đồ hệ thống được trình bày trên hình 1.32 Phương pháp đúc lưu biến được lựa chọn là phương pháp MIT mới Cơ sở lý thuyết của nó là tạo mầm dị thể, với tỷ phần pha rắn  10%, có ưu điểm là thời gian công nghệ ngắn, các thông số công nghệ được kiểm soát dễ dàng, chi phí ban đầu thấp và dễ dàng tích hợp vối các thiết bị sẵn có (lò nấu, máy đúc áp lực cao)

Như vậy, chỉ cần kết hợp giữa thiết bị tạo vật liệu bán lỏng với máy đúc áp lực và lò

nấu là có được công nghệ “Đúc Lưu biến- áp lực” Điều này cho phép giảm chi phí đầu tư

ban đầu nếu ứng dụng trong công nghiệp và làm cho quá trình sản xuất trở nên linh hoạt (có thể chỉ đúc áp lực hoặc kết hợp giữa đúc áp lực với đúc bán lỏng)

Lò nấu

Công nhân thao tác

Thiết bị rheocsting

Máy đúc

áp lực

Hình 1.32 Sơ đồ hệ thống công nghệ đúc Lưu biến- áp lực

26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Ảnh hưởng của áp lực đến tổ chức và tính chất của hợp kim

Các quá trình liên quan tới sự kết tinh và đông đặc dưới áp lực có thể được chia thành 3 loại:

1 Áp lực dưới 200 MPa, thường được ứng dụng trong công nghiệp, chủ yếu nhằm thay đổi hệ số trao đổi nhiệt giữa kim loại đang đông đặc và khuôn, đồng thời làm giảm độ xốp trong vật đúc

2 Áp lực đủ để điều khiển quá trình kết tinh một cách đẳng nhiệt

3 Áp lực tới 3 GPa, tác động tức thời (trong khoảng 0,2s) nhằm tạo ra quá nguội và quá trình kết tinh nhanh sau đó

2.1.1 Ảnh hưởng của áp lực đến các tính chất nhiệt lý

Áp lực đặt lên kim loại lỏng trong quá trình kết tinh có ảnh hưởng đáng kể tới các thông số nhiệt lý như nhiệt độ nóng chảy, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt nóng chảy v.v…

Sự tăng nhiệt độ nóng chảy của kim loại và hợp kim có thể được tính theo phương trình Clapeyron [47]:

L

V V T dp

(2.1)

ở đây dT là sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy (kết tinh) gây ra bởi sự thay đổi áp suất dp; TM

là nhiệt độ nóng chảy (kết tinh); V1 và V2 là thể tích 1 kg pha rắn và pha lỏng, tương ứng;

L là ẩn nhiệt kết tinh Phương trình Clapeyron [47] có thể được viết dưới dạng:

H

V T P

27

Hình 2.1 Sự dịch chuyển của giản đồ pha dưới tác động của áp suất

Bảng 2.1 Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy dưới tác động của áp suất [47]

Kim loại T M, 0 C

dT/dp x 10 -2 , 0 C/MPa

Hệ số co khi đông đặc

Tính theo phương trình Clapeyron Thực nghiệm

Đường lỏng, P > 1atm

Đường lỏng, P = 1atm

Đường đặc, P = 1atm Đường đặc, P > 1atm

Thành phần

28

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của áp lực tới trọng lượng riêng của kim loại và hợp kim [47]

Kim loại hoặc

2.1.2 Ảnh hưởng của áp lực đến cân bằng pha

Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy (kết tinh) của kim loại và hợp kim là một trong những biểu hiện của ảnh hưởng của áp lực tới cân bằng pha Ở đây không những có thay đổi về lượng, mà còn có thay đổi về chất: có thể xuất hiện các pha mới hoặc thay đổi tính chất các pha cũ Việc nghiên cứu giản đồ pha có xét tới áp suất có một ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc tìm ra các hợp kim mới hoặc biến tính các hợp kim cũ

Đối với các hệ hợp kim 2 nguyên, thí dụ Al-Si, có thể sử dụng các phương trình logic của Shreder [47]:

T T

L x

B B A A

1221

ln

112ln

(2.3)

ở đây x và (1-x) là nồng độ theo mol của các cấu tử A và B; LA và LB là ẩn nhiệt nóng chảy của các cấu tử A và B; T là nhiệt độ đang xét Nếu tính cho hệ hợp kim Al-Si, xét rằng nhiệt độ nóng chảy của Al tăng 6,6.10-2 0

C/MPa và nhiệt độ nóng chảy của Si giảm 5,8.10-2 0

C/MPa, thì điểm cùng tinh sẽ dịch chuyển 0,03 %/MPa về phía Si, tức là cùng tinh sẽ giầu Si hơn Vùng tồn tại dung dịch rắn đơn pha (vùng -Al) được mở rộng, tức là khi đông đặc dưới áp lực ta có thể nhận được các hợp kim đơn pha giầu nguyên tố hợp kim hơn; chúng có cấu trúc và tính chất khác với các hợp kim đông đặc trong các điều kiện áp suất thông thường

Sự thay đổi giản đồ pha Al-Si tùy thuộc vào áp suất được trình bày trên hình 2.2 [47] Có thể thấy rõ sự dịch chuyển đáng kể điểm cùng tinh về phía Si khi áp suất tăng