Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc lưu biến liên tục tới tổ chức và tính chất hợp kim nhôm a356

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Giải thích MHD Khuấy thuỷ động từ Magnetohydrodynamic stiring SIMA Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất Strain Induced Melt Activated RPM Kết tinh lại và n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Minh Đức

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT

HỢP KIM NHÔM A356

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội - 2015

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Hồng Hải và TS Phạm Quang - hai thày hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cám ơn các thày, cô thuộc Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Viện Đào tạo SĐH, đặc biệt là PTN-CNVL kim loại đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đúng thời hạn bản luận án

Tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu đã luôn ủng hộ tôi trong quá trình thực hiện các đề tài nghiên cứu phục vụ cho luận án

Xin cám ơn các anh, chị, các bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận án

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè, gia đình và người thân đã luôn động viên để tôi có thể sớm hoàn thành luận án

1.1.2 Các dạng công nghệ bán lỏng 18

1.2 Công nghệ đúc lưu biến 21

1.2.2 Nguồn gốc của tính lưu biến 24

1.2.3 Một số nghiên cứu trên thế giới 26

1.2.4 Một số công nghệ đúc lưu biến 27

1.3 Công nghệ đúc lưu biến liên tục 30

1.3.1 Cơ sở lý thuyết tạo mầm dị thể 30

1.3.2 Một số nghiên cứu về đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng làm nguội 34

1.3.3 Một số nghiên cứu về đúc lưu biến liên tục sử dụng máng nghiêng làm

nguội

36

2.1 Đối tượng nghiên cứu 40 2.1.1 Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm

2.1.2 Hợp kim A356

40

43 2.2 Phương pháp nghiên cứu 44 2.2.1 Nghiên cứu cơ bản

2.2.2 Nghiên cứu công nghệ

44

46 2.2.3 Phương pháp đánh giá kết quả 48

3.1 Kỹ thuật thực nghiệm 50 3.1.1 Nấu luyện và xử lí hợp kim

3.1.2 Rót khuôn và chế tạo mẫu

50

52

3.2 Xác định nhiệt độ chảy lỏng và hóa rắn của hợp kim A356 53

3.3 Xác định tỷ phần pha rắn 55 3.3.1 Phương pháp xác định tỷ phần pha rắn trong quá trình đông đặc 55

3.3.2 Kết quả và thảo luận 57 3.4 Xác định tốc độ nguội và tốc độ đông đặc của hợp kim A356 61

3.4.1 Đường cong nguội và tốc độ nguội của hợp kim 61

3.4.2 Tốc độ đông đặc 65

4.2 Mô phỏng quá trình đông đặc của hợp kim A356 trong công nghệ đúc lưu biến

4.2.5 Kết quả mô phỏng và thảo luận 80

4.3 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình đông đặc của hợp kim A356 trong công

nghệ đúc lưu biến liên tục

90

4.3.1 Quy trình nấu đúc lưu biến liên tục 90

4.3.2 Khảo sát các thông số công nghệ 91

CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỢP KIM

A356

95

5.1.2 Ảnh hưởng của thời gian kim loại “lưu trú” trên máng làm nguội 97

5.1.3 Ảnh hưởng của chiều dày đông đặc (chiều dày tấm) 102

5.2.1 Độ bền kéo của mẫu 105 5.2.2 Độ bền kéo của tấm 107

2

KẾT LUẬN 111

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Giải thích

MHD Khuấy thuỷ động từ (Magnetohydrodynamic stiring)

SIMA Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất (Strain Induced Melt Activated) RPM Kết tinh lại và nấu chảy một phần (Recrystallization and Partial

Melting) NRC Phương pháp đúc lưu biến mới (New Rheo-Casting)

MIT Viện Công nghệ Massachusets

SSTT Chuyển biến nhiệt bán lỏng (Semi-Solid Thermal Transformation )

CFD Động lực học chất lỏng tính toán (Computational Fluid Dynamics)

CAD Thiết kế có hỗ trợ của máy tính

α Dung dịch rắn hoà tan ít Si

β Pha liên kim (Al-Fe-Si)

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Độ quá nguội cần thiết để tạo mầm nội sinh 32

Bảng 3.3 Tỷ phần pha rắn trong trường hợp đông đặc không cân bằng

Bảng 4.1 Các thông số nhiệt-lý của hợp kim A356 79

Bảng 4.2 Các thông số nhiệt-lý của con lăn làm nguội (thép SKD) 79

Bảng 4.3 Các thông số công nghệ chính trong đúc lưu biến tạo tấm 94

Bảng 5.3 Tổng hợp giới hạn bền kéo của tấm hợp kim A356 107

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 a) Tổ chức nhánh cây nhận được trong các công nghệ thông thường, b) Tổ

chức dạng cầu tròn (phi nhánh cây) nhận được trong công nghệ bán lỏng 15

Hình 1.2 Hành vi xúc biến/thixotropic của vật liệu ở trạng thái bán lỏng 16

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp New Rheocasting (NRC) 19

Hình 1.8 Sơ đồ minh họa các công nghệ bán lỏng khác nhau 20

Hình 1.9 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến 21

Hình 1.10 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng

Hình 1.11 Ứng suất cắt sau quãng nghỉ khác nhau, hợp kim Sn-15%Pb: a) Quan hệ giữa ứng suất cắt và góc biến dạng, b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời

gian nghỉ

22

Hình 1.12 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-15% Pb

Hình 1.13 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ 24

Hình 1.14 Các đường cong chảy của thể huyền phù dạng cụm bông 25

Hình 1.15 Minh họa về quá trình phát triển cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu, b) nhánh cây phát triển, c) hoa hồng,

d) hoa hồng dầy, e) hạt cầu

25

Hình 1.16 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng

Hình 1.17 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100/s sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối

với hợp kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 27

Hình 1.18 Sơ đồ vùng nhiệt độ kim loại thực hiện rót-đúc gần nhiệt độ đường lỏng 28

Hình 1.19 Phương pháp nhiệt trực tiếp a) sử dụng máng nghiêng, b) quá nhiệt thấp 28

Hình 1.20 Khuôn ống thành mỏng 29

Hình 1.22 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-Nanocasting 30

Hình 1.23 Mặt cắt ngang của thỏi đúc 30

Hình 1.24 Năng lượng tự do của cụm nguyên tử là hàm của bán kính 31

Hình 1.25 Tạo mầm đồng thể và dị thể 32

6

Hình 1.27 Hàm f(θ) với những góc thấm ướt đặc trưng 33

Hình 1.28 So sánh hai quá trình tạo mầm đồng thể và dị thể 34

Hình 1.30 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu và tổ chức tế vi nhận được của E Cardoso

Hình 1.31 Hình ảnh thiết bị và tổ chức hợp kim trong nghiên cứu của Y Birol 36

Hình 1.32 Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi ở giữa thỏi trong trường hợp không có nước làm nguội (hình trên) và có nước làm nguội (hình dưới) trong nghiên cứu

của H Budiman

36

Hình 1.33 Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi đạt được trong nghiên cứu của T Haga 37

Hình 1.34 Sơ đồ công nghệ và cơ tính của hợp kim với những tốc độ kéo khác nhau đối với hợp kim 6111 sau nhiệt luyện ở chế độ T6 trong nghiên cứu của T

Haga

38

Hình 1.35 Sơ đồ thiết bị và hình ảnh tấm được uốn cong 180o sau khi cán xuống 1 mm

và nhiệt luyện ở chế độ T4 trong nghiên cứu của T Haga 38

Hình 1.36 Máy đúc đang vận hành trong nghiên cứu của T Haga 39

Hình 1.37 Ứng dụng của nhôm tấm trong các ngành công nghiệp mũi nhọn trên thế

Hình 2.3 Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (giới hạn bền R M , độ dẻo A5) 42

Hình 2.4 Pha liên kim β (Al-Fe-Si) có dạng hình tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính 42

Hình 2.5 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với

Hình 2.6 Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0,6 oC/s (quan

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2 o C/s 44

Hình 2.12 Sơ đồ phương pháp đo ghi 2 điểm 46

Hình 2.13 Kết quả đo ghi và phân tích nhiệt độ 46

Hình 2.14 Sơ đồ quá trình mô phỏng số 47

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống khử khí 51

Hình 3.9 Các công nghệ bán lỏng có thể được thực hiện trên cơ sở tỷ phần pha rắn

Hình 3.10 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc cân bằng 57

Hình 3.11 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc không cân bằng 57

Hình 3.13 Nhiệt độ kim loại lỏng cuối máng làm nguội trong trường hợp rót ở 650 oC

Hình 3.14 Kết quả tính toán tỷ phần pha rắn bằng phần mềm Jmat-Pro 58

Hình 3.15 Phần pha lỏng bị “kẹt” giữa các phần tử pha rắn 59

Hình 3.16 Tỷ phần pha rắn với những chế độ công nghệ khác nhau 60

Hình 3.17 Ảnh hưởng của tốc độ nguội đến sự hình thành tổ chức hợp kim 61

Hình 3.19 Kết quả đo nhiệt độ cho hơp kim A356 và 6061 cùng chế độ công nghệ 63

Hình 3.20 Tốc độ nguội của hợp kim A356 điền đầy khuôn ở nhiệt độ bán lỏng 63

Hình 3.21 Đường nguội ở tâm và thành khuôn, độ chênh nhiệt độ (∆T) và tốc độ nguội (dT/dt) trong trường hợp nhiệt độ rót 625 o C (trái) và 675 o C (phải)

Góc nghiêng của máng 45 o , chiều dài làm nguội 200 mm

64

Hình 3.22 Tốc độ nguội trong trường hợp đúc từ trạng thái lỏng và bán lỏng 64

Hình 3.23 Đường cong nguội ở tâm và thành khuôn, độ chênh nhiệt độ và tốc độ nguội trong trường hợp góc nghiêng của máng 60o (trái) và 45 o (phải) Nhiệt

độ rót 625 o C, chiều dài làm nguội 200 mm

Hình 4.2 Hình ảnh tổng thể máy đúc lưu biến liên tục nhìn ngang (ảnh trên) và nhìn

từ trên xuống (ảnh dưới)

70

8

Hình 4.10 Mô hình dòng chảy và phần tử khối hữu hạn 74

Hình 4.12 a) Sơ đồ công nghệ đúc và hình học mặt cắt vùng làm nguội 77

Hình 4.14 b) Trường nhiệt độ phân bố trong khoảng (0,1 đến 3,1 s) 82

Hình 4.15 a) Đường nguội tại các điểm trên đường dọc qua tâm tấm đúc 83

Hình 4.15 b) Hình bao vùng bán lỏng và phân bố mật độ cùng độ cứng Hv đo được 84

Hình 4.16 Trường nhiệt độ ứng với tốc độ con lăn khác nhau 85

Hình 4.17 Tỉ phần pha lỏng tại các tốc độ con lăn khác nhau 86

Hình 4.20 Ảnh kiểm soát nhiệt độ kim loại, bể chứa và con lăn 91

Hình 4.21 Hình ảnh các mẻ thí nghiệm bị đặc ngay trong bể kim loại do nhiệt độ bể

Hình 4.22 Sơ đồ cho thấy khả năng thu hẹp dòng chảy khi nhiệt độ bể kim loại thấp 92

Hình 4.24 Hình ảnh tấm đúc bị xếp lớp khi nhiệt độ con lăn quá thấp 92

Hình 4.25 hoặc chỉ tiếp xúc với con lăn dưới, ma sát giảm dẫn đến đứt; b) Tốc độ kéo a) Tốc độ kéo quá lớn, kim loại không kịp dàn hết con lăn, tấm bị thu hẹp

quá nhỏ, kim loại bị “quá” đông không thể đi qua con lăn, cũng dẫn tới đứt

93

Hình 4.26 Sơ đồ mô tả quá trình kéo khi các thông số công nghệ được phối hợp tốt 93

Hình 4.27 Hình ảnh tấm hợp kim A356 sau đúc lưu biến liên tục có bề mặt nhẵn 94

Hình 5.1 Tổ chức tế vi của hợp kim A356 trong trường hợp đúc thông thường 95

Hình 5.5 Tổ chức dạng liền mạng nhánh cây 97

Hình 5.6 Các hạt bị bẻ gãy khi ứng suất cắt tăng và xu hướng tích tụ khi ứng suất

Hình 5.7 Hình ảnh kim loại bị bám dính trên máng khi nhiệt độ rót quá thấp 97

Hình 5.12 Thông số hình dạng của các hạt tinh thể 100

Hình 5.13 Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu 650-60-300 101

Hình 5.14 Sự hình thành các mầm kết tinh lý tưởng nhờ dòng đối lưu 101

Hình 5.15 Đường nguội và tổ chức tế vi nhận được tại các điểm 1(b), 3(c) và 5(d) 102

Hình 5.22 Đồ thị so sánh giới hạn bền kéo của các mẫu hợp kim A356 106

Hình 5.23 Đường cong thử kéo của tấm hợp kim A356 đúc khi chưa lắp máng nghiêng

Hình 5.25 Vị trí lấy mẫu thử kéo (cắt theo chiều ngang và chiều dọc tấm) 109

Hình 5.26 Sơ đồ mô tả dạng tổ chức nhánh cây cưỡng bức 109

Hình 5.28 Sơ đồ mô tả hướng truyền nhiệt phụ và tính không đẳng hướng của tổ chức

10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Phương pháp đúc thỏi, sau đó cán tạo tấm truyền thống tốn nhiều thời gian và chi phí, tốc độ nguội thấp nên tổ chức hạt thô to Nếu đúc tấm mỏng thì tốc độ nguội cao hơn, vì vậy phương pháp đúc tấm mỏng ngày càng phát triển trên thế giới

Như đã biết, có thể tăng cơ tính của hợp kim bằng cách thay đổi hình thái của tổ chức tế

vi hợp kim từ dạng nhánh cây sang dạng cầu Ngày này có nhiều phương pháp cầu hóa

khác nhau, một trong nhưng phương pháp đó là phương pháp đúc lưu biến được các nhà

khoa học quan tâm nhiều Đó là dạng tạo hình vật liệu ở trạng thái hỗn hợp rắn-lỏng, đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng khá sớm trên thế giới và sau đó ở Việt Nam, đầu tiên trong kỹ thuật luyện kim bột, sau đó là kỹ thuật đúc Trong kỹ thuật đúc thì phương pháp này gọi là đúc bán lỏng được nghiên cứu mạnh trong vài thập niên qua và gần đây được triển khai tương đối có hệ thống tại trường ĐHBK Hà Nội với tên gọi là đúc lưu biến

Công nghệ đúc lưu biến liên tục là một công nghệ mới và tiên tiến, kết hợp giữa đúc lưu

biến và đúc liên tục, không những tạo ra được sản phẩm tấm, mà vật đúc chế tạo bằng cách này có chất lượng tốt nhờ có tổ chức hạt gần cầu, tránh được các khuyết tật đúc, cơ tính và tính công nghệ được cải thiện Ngoài ra, tấm đúc có thể được dùng như một thành phẩm/bán thành phẩm, giúp giảm thiểu các bước công nghệ tiếp theo như cán, ép…, do đó giảm tổn hao năng lượng và thân thiện môi trường

Nghiên cứu về công nghệ đúc lưu biến liên tục sử dụng máng nghiêng và con lăn làm nguội được công bố đầu tiên bởi Toshio Haga [29] có sử dụng 2 con lăn cùng kích thước Nếu hợp kim lỏng với độ quá nhiệt nhỏ được rót vào khuôn có nhiệt độ thấp và được giữ ở khoảng nhiệt độ bán lỏng thì sẽ tạo ra tổ chức tế vi phi nhánh cây, tương đối đều trục và nhỏ mịn Khi đúc lưu biến, thông thường một trục graphit được dùng để tạo mầm dị thể cho pha rắn sơ cấp của hỗn hợp rắn-lỏng và khuấy đều để bẻ gẫy các nhánh cây Còn trong đúc lưu biến liên tục không cần đến trục khuấy, thay vào đó là một máng nghiêng có thể tạo một lượng lớn mầm dị thể trong trạng thái bán lỏng Đây là cơ sở lý thuyết cho một số phương pháp công nghệ dùng máng nghiêng làm nguội tạo mầm dị thể do T Haga đề xuất [20-30]

Nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp mũi nhọn trên thế giới Cùng với các loại hợp kim nhôm đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo (máy bay, ôtô, xe máy…), nhôm tấm nhẹ, dễ tạo hình, với độ bền kết cấu tốt còn được ứng dụng nhiều trong ngành xây dựng, thiết kế nội thất và các vật dụng sinh hoạt, ví dụ như mái vòm, tấm ốp tường, vách cách âm, bọc bảo ôn, chao đèn, khung bàn ghế, dụng cụ nội trợ, Việc nghiên cứu-ứng dụng kỹ thuật đúc lưu biến-liên tục cho hợp kim nhôm A356 cần thiết và phù hợp với nhu cầu hình thành một ngành công nghiệp hỗ trợ trong chiến lược hiện đại hóa ngành chế tạo máy của Việt Nam hiện nay và tương lai, cũng như với xu hướng phát triển loại vật liệu này nói chung trên thế giới

Trong mấy năm gần đây, nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu, Viện Khoa hoc và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thực hiện thành

công các đề tài trong chương trình nghiên-cứu phát triển vật liệu tiên tiến của thành phố và nhà nước, nhằm phát triển và ứng dụng các phương pháp đúc bản lỏng cho hợp kim nhôm công nghiệp [49,51] Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu chọn được nhiệt độ rót kim loại lỏng hợp lý để tạo ra một lượng dồi dào các tâm mầm dị thể, trong một khoảng thời gian

đủ để cản trở nhánh cây phát triển và pha lỏng không bị quá nguội, thì có thể tạo được một hỗn hợp rắn-lỏng trực tiếp từ kim loại lỏng mà không cần trục khuấy

Xuất phát từ đó, hướng “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc lưu biến liên tục đến tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm A356” đã được chọn làm đề tài

- Ổn định và triển khai áp dụng công nghệ để chế tạo tấm mỏng từ hợp kim nhôm đa ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hợp kim nhôm A356 được lựa chọn là đối tượng nghiên cứu công nghệ đúc lưu biến liên tục và làm cơ sở cho việc áp dụng chế tạo tấm hợp kim nhôm

- Phạm vi nghiên cứu: quá trình nghiên cứu thực nghiệm phương pháp đúc lưu biến liên tục và áp dụng chế tạo tấm hợp kim nhôm A356 được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp, đánh giá tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc lưu biến liên tục cho hợp kim A356 để lựa chọn những vấn đề công nghệ cần hoàn thiện/phát triển

- Tìm hiểu, phân tích và xác định cơ sở lý luận của công nghệ đúc lưu biến liên tục cho hợp kim A356 để thực hiện nghiên cứu cơ bản về hợp kim A356

- Mô hình hóa và mô phỏng số quá trình đông đặc khi đúc lưu biến liên tục hợp kim A356 gồm 2 giai đoạn: đúc lưu biến và đúc liên tục

- Xác định các thông số công nghệ cơ bản của quá trình đúc lưu biến – liên tục

5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có về công nghệ bán lỏng của các tác giả trong và ngoài nước Lập luận tổng quan, đánh giá và lựa chọn phương án (công nghệ, thiết bị, vật liệu) thích hợp cho mục đích luận án

12

- Thống kê, tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về đối tượng vật liệu

đã lựa chọn cho nghiên cứu

- Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và hoàn thiện thiết bị công nghệ và chế tạo vật liệu

- Mô hình hóa và mô phỏng số

- Khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố thực nghiệm, xác lập quy luật và so sánh với dự báo lý thuyết và kết quả đã công bố của các tác giả

- Kiểm tra đánh giá tổ chức tế vi và cơ tính vật liệu

- Tổng hợp, xử lý và phân tích kết quả thực nghiệm để xác định bộ số liệu về các thông

số công nghệ nhằm tối ưu hoá quá trình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Ý nghĩa khoa học

- Về lý thuyết: Góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết của công nghệ đúc lưu biến liên tục cho hợp kim A356, làm rõ mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ, tổ chức tế vi và cơ tính hợp kim

- Về công nghệ: Đã xác lập và ổn định các thông số công nghệ của phương pháp đúc lưu biến liên tục để chế tạo tấm mỏng từ hợp kim nhôm; cũng như ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sự hình thành hợp kim bán lỏng, đến tổ chức tế vi và cơ tính hợp kim

• Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tài liệu tham khảo để hoàn thiện công nghệ ở quy mô lớn hơn, nhằm áp dụng triển khai sản xuất các chi tiết từ hợp kim nhôm phục vụ ngành xây dựng như mái vòm, tấm ốp tường, ốp trần nhà, vách cách âm,

Ngoài ra, hợp kim nhôm tấm chế tạo bằng kỹ thuật đúc lưu biến liên tục, nhờ có các đặc tính nhẹ, dễ tạo hình biến dạng, bền cơ-nhiệt và dẫn nhiệt tốt còn có thể được sử dụng rộng rãi làm trong công nghiệp và đời sống

7 Những điểm mới của luận án

- Đã ứng dụng kỹ thuật đo 2 điểm và quy tắc đòn bẩy không cân bằng để xác định các thông số quan trọng của quá trình đông đặc như tỷ phần pha rắn, tốc độ nguội, tốc độ đông đặc

- Đã phát hiện sự đổi dấu của tốc độ nguội khi đúc lưu biến chứng tỏ sự tạo mầm mãnh liệt

- Đã mô phỏng quá trình đúc lưu biến liên tục theo 2 giai đoạn (đúc lưu biến và đúc liên tục), phát hiện sự liên hệ giữa tỷ trọng và độ cứng, tổ chức và tốc độ nguội, nhờ đó các kết quả mô phỏng là cơ

sở tin cậy để hoàn thiện công nghệ

- Đã phát hiện sự phụ thuộc rõ rệt của tổ chức vào tốc độ nguội, đặc biệt trong trường hợp tấm mỏng (2 mm)

- Đã phát hiện sự sai khác không đáng kể về cơ tính theo chiều ngang và chiều dọc tấm, chứng tỏ hướng truyền nhiệt chính là về phía các con lăn

- Cuối cùng, đã thực hiện thành công công nghệ đúc lưu biến liên tục để đúc tấm mỏng - là công trình nghiên cứu đầu tiên và duy nhất tại Việt nam cho đến thời điểm này

8 Bố cục của luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Phụ lục, luận án gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Đối tượng, phương pháp và thiết bị nghiên cứu

Chương 3: Nghiên cứu cơ bản về hợp kim nhôm A356

Chương 4: Nghiên cứu công nghệ đúc lưu biến liên tục

Chương 5: Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc lưu biến liên tục đến tổ chức và cơ tính của hợp kim A356

14

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Công nghệ bán lỏng

Độ nhớt là thông số quan trọng nhất của hợp kim trong công nghệ bán lỏng và phụ thuộc vào tốc độ cắt và thời gian Spencer và các cộng sự [55,56] là những người đầu tiên phát hiện ra hành vi này trong hợp kim bán lỏng vào đầu những năm 70 khi khảo sát sự nứt nóng bằng thước đo lưu biến Nếu vật liệu được khuấy liên tục trong quá trình nguội từ trạng thái lỏng hoàn toàn tới trạng thái bán lỏng thì độ nhớt của nó sẽ thấp hơn nhiều so với khi nó được làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy Việc khuấy sẽ bẻ gãy các nhánh cây thường đã xuất hiện, như vậy làm cho tổ chức tế vi ở trạng thái bán lỏng bao gồm các hạt tròn được bao quanh bởi pha lỏng (hình 1.1) [14]

Hình 1.1 a) Tổ chức nhánh cây nhận được trong các công nghệ đúc thông thường,

b) Tổ chức dạng cầu (phi nhánh cây) nhận được trong công nghệ đúc bán lỏng [ 7 ]

Đó chính là tổ chức tế vi cần đạt được trong công nghệ bán lỏng Khi cấu trúc bán lỏng đó được chuyển về trạng thái rắn, các hạt cầu sẽ tích tụ và độ nhớt sẽ tăng lên Nếu vật liệu được cắt, các khối tích tụ đó sẽ bị vỡ và độ nhớt giảm Ở trạng thái bán lỏng, với khoảng từ 30 đến 50 % pha lỏng, nếu hợp kim được đưa về trạng thái tĩnh (bất động), nó sẽ

tự chịu được trọng lượng của mình và có thể cầm được như chất rắn Khi bị cắt, chúng sẽ chảy với một độ nhớt tương đương độ nhớt của dầu máy nặng Hành vi này được gọi là

hành vi xúc biến (thixotropic), được ứng dụng trong công nghệ bán lỏng và được minh hoạ

ở hình 1.2: hợp kim có thể được cắt và phết như một miếng bơ

Hình 1.2 Hành vi xúc biến của vật liệu ở trạng thái bán lỏng [ 14 ]

Lĩnh vực công nghệ bán lỏng đã tồn tại hơn 30 năm và được sự quan tâm ngày càng tăng, nhờ các kết quả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng phong phú được ghi nhận tại các hội nghị khoa học định kỳ về công nghệ đúc và luyện kim của các châu lục và thế giới [70] Công nghệ bán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệ khác trong công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô, xe máy (chế tạo phần lớn các chi tiết máy)

Ở châu Âu, các hệ thống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ và thanh ngang trong hệ thống cấp dầu của bộ nổ đang được chế tạo bằng công nghệ này Ở Mỹ, đó là các chi tiết máy cho xe leo núi và xe trượt tuyết Còn ở châu Á lại tập trung vào sản xuất các chi tiết trong công nghiệp điện tử như vỏ máy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng hợp kim magiê nhờ đúc xúc biến (thixomolding) Hình 1.3 [10] cho thấy một số chi tiết được sản xuất bằng phương pháp tạo hình bán lỏng xúc biến (thixoforming) tại công ty Stampal cho

xe ô tô Alfa

Hình 1.3 Các chi tiết ô tô Alfa của công ty Stampal:

a) Thanh đỡ sau nặng 8,7 kg, hợp kim A357;

b) Khớp nối, làm bằng hợp kim A357 thay cho gang 

1.1.1 Các biện pháp tạo tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây)

a 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 dạng và hạt cầu không hoàn toàn tròn mà vẫn còn dư một số tinh thể dạng “hoa hồng” [13,18,20,36,38,41,46,63,65,69]

16

b Phun bột (Spray forming): Là một phương pháp tương đối đắt, dùng để chế tạo các

hợp kim không thể chế tạo bằng con đường khác, thí dụ hợp kim Al-Si với trên 20 % Si Ph

d Đúc gần nhiệt độ đưởng lỏng (Liquidus/near liquidus casting): Đây là một phương

pháp mới dựa trên việc điều khiển các điều kiện đông đặc Phươn

ew Rheocasting - NRC) của UBE dựa trên nguyên tắc: kim loại lỏng gần nhiệt độ đường

lỏng được rót vào nồi nghiêng và mầm được tạo trên thành nồi Kích thước tổ chức nhỏ

mịn vì nhiệt độ gần đường lỏng Một kỹ thuật khác là phương pháp nhiệt trực tiếp (Direct thermal method) - phương pháp máng nghiêng, trong đó kim loại lỏng được rót vào khuôn

qua một máng nghiêng Quá trình tạo mầm xảy ra trên máng và tinh thể hình trụ nhận được khá mịn Với phương pháp đúc gần nhiệt độ đường lỏng, tốc độ tạo mầm lớn có thể đạt được trong toàn bộ thể tích khối kim loại lỏng bị quá nguội [5,17,39,40,45,65,66]

e Quá trình MIT mới (new MIT process):

Đây là sự phối hợp giữa khuấy và đúc gần nhiệt

Hình 1.4 Phương pháp MIT mới [1]

đông đặc (hình 1.4) [1] Trục khuấy cũng có

tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại

lỏng có nhiệt độ cao hơn đường lỏng đôi chút

Sau khi khuấy vài giây, nhiệt độ kim loại lỏng hạ

xuống mức ứng với tỷ phần pha rắn khoảng vài

phần trăm và trục khuấy được rút ra [19,47,58]

g Làm nhỏ mịn hạt bằng cách biến tính:

Hợp kim có thể có tổ chức hình cầu, song khó có

đảm bảo là cấu trúc có dạng cầu đều đặn và

nhỏ mịn và thể tích phần pha lỏng bị bẫy trong

các hạt cầu nhìn chung tương đối cao

h Chuyển biến nhiệt bán lỏng (Semi-Solid Thermal Transformation - SSTT): Cấu trúc

hạt cầu có thể đạt được bằng cách nung nóng tổ chức nhánh cây tới nhiệt độ bán lỏng trong một khoảng thời gian nhất định Tuy nhiên kích thước hạt nhận được hơi thô (≈ 100 μm)

Trong các phương pháp trên thì các phương pháp a, c, d, e, h thuộc về dạng công nghệ

bán lỏng

1.1.2 Các dạng công nghệ bán lỏng

Có 2 họ công nghệ chính là lưu biến (rheo-) và xúc biến (thixo-)

a Phương pháp đúc lưu biến

(rheocasting) dùng cách khuấy hợp kim

trong khi đông đặc để tạo thành trạng

thái sệt/nhão (slurry), sau đó đem rót

trực tiếp kim loại lỏng nhão này vào

khuôn Việc khuấy trộn kim loại chủ

yếu nhằm hình thành một tốc độ trượt

rất cao giữa các phần tử rắn và cường

độ dòng xoáy này sẽ làm cho các phần

tử rắn kết tinh theo dạng hình cầu Thiết

bị khuấy có thể dùng cánh khuấy hoặc

máy hai trục xoắn song song (hình 1.5)

Sau khi khuấy, kim loại đã có tổ chức

hình cầu thì tiến hành đúc rót vào khuôn

để chế tạo chi tiết Tuy nhiên, với công

nghệ này, kim loại kết tinh trong điều

kiện áp suất bình thường nên chất lượng

vật đúc chưa được cải thiện nhiều

Bởi vậy đã xuất hiện phương pháp đúc lưu biến cải tiến (New Rheocasting - NRC) Ph

cơ bản của phương pháp này là:

nh

ương tự như xylanh ép của máy đúc áp

ích hợp để tạo thành trạng thái bán lỏng và

Hình 1.5 Máy đúc lưu biến [25]

ương pháp này là sự kết hợp của phương pháp đúc ép thẳng đứng truyền thống với phương pháp gia công kim loại lỏng để chế tạo ra kim loại có tổ chức hạt dạng cầu (hình 1.6) [11]

Nguyên lý

a) Nấu chảy hợp kim, tinh luyện, biến tí

b) Rót hợp kim vào nồi chứa có kích thước t

lực Làm nguội có kiểm soát nhiệt độ kim loại trong nồi chứa để tạo ra trạng thái bán lỏng

và tổ chức kim loại hình cầu hoặc gần cầu Khi kim loại lỏng chạm vào thành nồi chứa, nhiệt độ lập tức giảm xuống nhiệt độ bán lỏng Không được quá nhiệt kim loại lỏng quá nhiều vì sẽ làm tan rã các mầm đã hình thành

c) Gia nhiệt cho nồi chứa đến nhiệt độ th

giữ ở nhiệt độ này

18

d) Rót kim loại vào xylanh máy ép áp lực cao để chế tạo chi tiết Quá trình điền đầy khuôn diễn ra chậm chạp và theo hướng từ dưới lên tương tự như đúc áp lực thấp Kiểu điền đầy khuôn này sẽ tạo ra chế độ chảy tầng trong khuôn và không khí sẽ bị đẩy ra khỏi hốc khuôn, tránh được hiện tượng rỗ khí

Công nghệ này được áp dụng để đúc các hợp kim màu có nhiệt độ nóng chảy thấp Đặc điểm nổi bật nhất của đúc lưu biến là tạo ra được tổ chức kim loại dạng cầu hoặc gần cầu Bởi vậy, cơ tính của vật liệu được cải thiện rõ rệt

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp New Rheocasting (NRC)[11]

b Họ công nghệ xúc biến (Thixo-) có:

Đúc xúc biến/Thixocasting/Thixomolding: Hợp kim ban đầu ở trạng thái rắn được xử lý

sao cho khi đạt được trạng thái bán lỏng thì tổ chức của nó là phi nhánh cây Khi “rót” khuôn thì tỷ phần pha rắn là khoảng 50 % Đây là một phương pháp được hãng Magnetti Marelli ở Ý áp dụng để chế tạo ray nhiên liệu

Tạo hình xúc biến/Thixoforming là một phương pháp mà ở đó vật liệu phù hợp được

nung tới trạng thái bán lỏng và được ép vào khuôn Thông thường tỷ phần pha lỏng chiếm 30-50 % trước khi được ép vào khuôn Quá trình này được hãng Stampal (Ý) sử dụng để đúc các chi tiết ô tô, xe máy Nó cũng được hãng Vforge, US sử dụng để đúc xi lanh, van trong hệ thống phanh, bơm

thích hợp được nung tới trạng

thái bán lỏng và được đặt giữa

hai nửa khuôn Hai nửa khuôn

sau đó được ép vào nhau bởi

một búa thuỷ động Sự điền

đầy khuôn trực tiếp như vậy sẽ

cho phép tiết kiệm nguyên liệu

do không cần có hệ thống rót Hình 1.7 Máy ép xúc biến [10]

Sự khác nhau giữa đúc lưu biến, đúc xúc biến và dập xúc biến được minh hoạ trên hình 1.8 Có thể thấy quá trình xúc biến (thixo-) phức tạp hơn do có khâu nung trung gian, bởi vậy tốn thời gian, năng lượng, làm cho giá thành vật đúc tang Hiện nay các nghiên cứu ứng dụng đều tập trung chủ yếu vào các quá trình lưu biến (rheo-)

Hình 1.8 Sơ đồ minh họa các công nghệ bán lỏng khác nhau

c Các phương pháp khác

Đúc nano (Nano-Casting): Là sự phát triển theo quá trình đúc lưu biến với tốc độ nguội

cao hơn Tổ chức kim loại đạt được sau khi đông đặc có dạng hạt cầu nhỏ mịn

Đúc compozit (Compo-Casting): Cơ sở của phương pháp này là khuấy trộn các vật liệu

gốm, graphit với kim loại ở trạng thái bán lỏng Vật liệu được làm nóng trở lại đến nhiệt độ chảy lỏng sau đó mới rót vào khuôn Phương pháp này được ứng dụng để chế tạo vật liệu compozit nền kim lọai (thí dụ, hệ nhôm-graphit làm piston) Ngoài graphit còn có thể sử dụng các gốm như Al2O3, TiC, TiO2, …

d Các ưu điểm chính của công nghệ bán lỏng

- Hiệu quả về năng lượng: Kim loại không cần phải đưa tới trạng thái lỏng trong một thời gian dài

- Năng suất lao động cũng tương tự như đúc áp lực, thậm chí cao hơn

- Điền đầy khuôn êm, không cuốn khí và rỗ co nhỏ làm cho các vật đúc được xít chặt và toàn vẹn (kể cả các vùng thành mỏng), cho phép áp dụng phương pháp này cho hợp kim bền cao có thể nhiệt luyện được

- Nhiệt độ xử lý thấp hơn làm giảm sốc nhiệt cho khuôn, kéo dài tuổi thọ khuôn và cho phép sử dụng các vật liệu làm khuôn phi truyền thống, cho phép chế tạo các loại hợp kim

có nhiệt độ nóng chảy cao như thép dụng cụ và stellite (hợp chất của coban, crôm, vonfram, molipđen) thường khó tạo hình bằng các phương pháp khác

- Giảm va đập giữa dòng kim loại với khuôn nên có khả năng chế tạo khuôn bằng phương

pháp tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping)

20

- Tổ chức nhỏ mịn, đồng đều nên các tính chất được cải thiện

- Sự giảm độ co khi đông đặc làm cho kích thước chính xác hơn, giảm bớt các nguyên công gia công cơ khí, giảm chi phí gia công cơ và chi phí vật liệu

- Chất lượng bề mặt thích hợp với việc mạ

e Nhược điểm

- Chi phí nguyên liệu ban đầu có thể cao và số lượng các nhà cung cấp là hạn chế

- Sự hiểu biết và kinh nghiệm về công nghệ này vẫn cần tiếp tục hoàn thiện để có thể dễ dàng ứng dụng nó cho các chi tiết mới

- Điều này dẫn đến chi phí chế tạo khuôn cao hơn Đòi hỏi nhân lực có trình độ và tay nghề cao hơn so với các phương pháp công nghệ truyền thống

- Kiểm soát nhiệt độ: Tỷ phần pha rắn và độ nhớt ở trạng thái bán lỏng rất phụ thuộc vào nhiệt độ Hợp kim có khoảng kết tinh hẹp đòi hỏi phải được khống chế nhiệt độ chính xác Hàng triệu chi tiết đã được chế tạo hàng năm bằng công nghệ bán lỏng Các chi tiết bằng hợp kim nhôm được chế tạo bởi phương pháp tạo hình xúc biến và NRC, phục vụ cho công nghiệp ô tô, xe máy Đúc xúc biến được ứng dụng ở Nhật để chế tạo các chi tiết nhẹ bằng hợp kim magiê như vỏ điện thoại di động, máy tính xách tay, camera

Một số phương án công nghệ đang xuất hiện (thí dụ, quá trình MIT mới) Hiện nay các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển khả năng tạo ra các hợp kim đúc có đặc tính cao Phương pháp mô hình hoá sự điền đầy khuôn, đồng thời cần việc tìm kiếm các số liệu thực nghiệm có thể được sử dụng trong quá trình mô hình hoá đang là những vấn đề thời sự

1.2 Công nghệ đúc lưu biến

1.2.1 Cơ sở lý thuyết

Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt τ tỷ lệ với tốc độ cắt γ = dγ/dt, và hệ số tỷ lệ là

độ nhớt η Chất lỏng xúc biến (thixotropic) là chất lỏng phi Newton, tức là ứng suất cắt không tỷ lệ với tốc độ cắt Độ nhớt khi đó được gọi là độ nhớt biểu kiến và phụ thuộc vào tốc độ cắt và tỷ phần pha rắn (hình 1.9) Một số chất lỏng phi tuyến cũng bộc lộ tính đàn nhớt, tức là chúng tích trữ một loại năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi Vật liệu xúc biến (thixotropic) không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi ứng suất bị dỡ bỏ

Hình 1.9 Quan hệ giữa tốc độ cắt,

tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [28]

Nếu chất lỏng bộc lộ ứng suất chảy và có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt, nó được gọi là vật liệu Bingham (hình 1.10 [28]) Khi đó:

ở đây k là hệ số liên quan tới độ nhớt Mô hình Herchel-Bulkley là mô hình mà ở đó hành

vi là phi tuyến sau chảy, tức là:

n; (1.2)

y kγτ

trong đó τy là ứng suất chảy tĩnh ; n là tham số

Koke và Modigell đã sử dụng ứng suất cắt được kiểm soát bởi đồng hồ lưu biến để đo trực tiếp ứng suất chảy trong hợp kim Sn-15%Pb Họ đã phân biệt giữa ứng suất chảy tĩnh khi chất lỏng ở trạng thái nghỉ trước khi chịu ứng suất cắt và ứng suất chảy động khi chất lỏng chịu cắt liên tục Kết quả đựơc thể hiện trên hình 1.11 [28] Có thể thấy ứng suất chảy tăng khi thời gian nghỉ trước biến dạng tăng do sự tăng mức độ kết tụ

đối với một số dạng hành vi lưu biến [28]

Hình 1.11 Ứng suất cắt sau những quãng nghỉ khác nhau (t r ) đối với hợp kim Sn-15%Pb

a) Quan hệ giữa ứng suất cắt và góc biến dạng; b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời gian nghỉ

Nhiệt độ 195 o C, tỷ phần pha rắn 0,5; tốc độ nguội 1 o C / phút [28]

22

Mô hình Herchel-Bulkley được sử dụng để mô tả các chất lỏng không có

điểm chảy dẻo (yield point) và thể hiện mối tương quan về năng lượng giữa ứng suất cắt τ

và tốc độ cắt

n

y kγτ

γ Nếu số mũ là 1 thì điều đó sẽ dẫn đến biểu thức dành cho chất lỏng

Newton với hằng số k bằng độ nhớt η Ở hình 1.9, độ nhớt giảm đi khi tốc độ cắt tăng, đó

là vật liệu chịu cắt có giá trị n < 1 (shear thinning materials); còn độ nhớt tăng lên khi tốc

độ cắt tăng, đó là vật liệu chịu cắt có n > 1 (shear thickening materials) Vật liệu xúc biến

chủ yếu là loại vật liệu có độ nhớt giảm khi chịu cắt, độ nhớt tăng trở lại khi được giữ ở

trạng thái tĩnh Người ta cho rằng khi tốc độ cắt rất cao và rất thấp thì chất lỏng xúc biến

trở thành chất lỏng Newton Điều này được thể hiện ở mô hình Cross (hình 1.12):

−+

∞ kγn

ηηηη

1

trong đó khi γ → 0, η → η0 và khi γ → ∞, η → η∞ Hình 1.12 [27] cho thấy các số

liệu nhận được từ một số nghiên cứu cho hợp kim Sn-15%Pb với các tỷ phần pha rắn khác

nhau

Hình 1.12 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim

Sn-15% Pb theo các tác giả khác nhau [27]

Độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ Đối với chất lỏng Newton (ví dụ lưới chất

lỏng trong khối nhão bán lỏng), độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng Nhiệt độ cũng ảnh hưởng

tới tổ chức tế vi Như vậy, trong khối nhão bán lỏng, tỷ phần pha rắn giảm khi nhiệt độ

tăng, hậu quả là ảnh hưởng tới độ nhớt (hình 1.11) Thêm vào đó, tổ chức tế vi sẽ trở nên

thô hơn do khuếch tán khi nhiệt độ tăng

Đối với vật liệu xúc biến sau trạng thái nghỉ, sẽ cần một bước nhảy về tốc độ, ứng suất

cắt sẽ đạt được giá trị tối đa, sau đó giảm dần cho tới khi đạt giá trị cân bằng ứng với tốc

độ cắt (hình 1.13) Tốc độ cắt càng cao sau mỗi bước thì độ nhớt cân bằng càng thấp Độ nhớt cực đại sẽ tăng khi thời gian nghỉ tăng

1.2.2 Nguồn gốc của tính lưu biến

Hệ kim loại bán lỏng có nhiều điểm chung với thể huyền phù/vẩn dạng cụm bông Với tốc độ cắt γ ứng với điểm ‘a’, tổ chức tế vi bao gồm hệ các cụm bông lớn Nếu tốc độ cắt

tăng từ γ1 tới γ2, các cụm bông sẽ bị bẻ gẫy cho tới khi kích thước của chúng ứng với

đường cong dòng chảy đi qua điểm ‘b’ Nếu sau đó tốc độ cắt lại giảm xuốngγ1, các phần

tử riêng biệt bắt đầu va chạm và kết tụ cho tới khi kích thước cân bằng đạt giá trị phù hợp với tốc độ cắt thấp (hình 1.13 và 1.14)

Hình 1.13 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [23]

Trong các hệ kim loại bán lỏng, sự kết tụ xuất hiện do các phần tử va chạm với nhau (hoặc do quá trình cắt làm chúng tiếp xúc với nhau, hoặc ở trạng thái nghỉ, do quá trình thiêu kết) và nếu chúng định hướng một cách thuận lợi, sẽ tạo ra các biên “Định hướng thuận lợi” có nghĩa là, nếu các phần tử định hướng sao cho năng lượng biên giới thấp, thì điều đó sẽ thuận lợi hơn về mặt năng lượng cho sự kết tụ so với trường hợp hình thành các biên có năng lượng cao Nếu một mạng 3D được hình thành trong toàn bộ thể tích, vật chất bán lỏng sẽ tự chịu được trọng lượng của nó và có thể được xử lý như vật rắn Khi tốc độ cắt tăng, mối liên kết đó giữa các phần tử bị phá vỡ và kích thuớc trung bình của các cụm giảm đi Một khi mối liên kết lại hình thành, các phần tử đã kết tụ sẽ được thiêu kết, với kích thước của chỗ thắt (neck size) tăng lên theo thời gian

Độ nhớt ở trạng thái tĩnh phụ thuộc vào sự cân bằng giữa tốc độ hình thành cấu trúc và tốc độ phá vỡ cấu trúc Nó cũng phụ thuộc vào hình thái của phần tử Hình dạng phần tử càng gần với hình cầu thì độ nhớt ở trạng thái tĩnh càng thấp Thêm vào đó, nếu chất lỏng

bị bẫy giữa các phần tử rắn, nó sẽ không đóng góp cho dòng chảy

24

Như vậy, mặc dù tỷ phần pha lỏng có thể

đạt một giá trị nào đó, được quyết định bởi

nhiệt độ (thực sự thì tỷ phần pha lỏng được dự

đoán bởi nhiệt động học không đạt được ngay

tức thời khi bị nung nóng trở lại từ trạng thái

rắn), trong thực tế, tỷ phần pha lỏng hiệu quả có

thể nhỏ hơn bởi lẽ một phần bị bẫy lại giữa các

phần tử rắn

Có nhiều điểm giống nhau và khác nhau

giữa tính xúc biến (đặc tính của vật liệu bán

lỏng) trong các hệ kim loại bán lỏng và trong

các hệ xúc biến khác Điều này liên quan tới

bản chất của các lực giữa các phân tử Nhìn

chung, các lực giữa các phân tử là lực hấp dẫn Van der Waals; lực đẩy không gian do các phân tử macro được hấp thụ; lực đẩy tĩnh điện do sự có mặt của điện tích cùng dấu trên các phân tử và chất điện môi; lực hấp dẫn tĩnh điện giữa các điện tích khác dấu tại các vị trí khác nhau trên phân tử (ví dụ sự hấp dẫn cạnh/mặt giữa các phân tử đất sét) Trong khối nhão kim loại bán lỏng không có một lực nào như vậy

Hình 1.14 Các đường cong chảy của

thể huyền phù dạng cụm bông [28]

Cái có thể thực sự xuất hiện trong quá trình

hình thành cấu trúc tương tự sự bám dính trong

hiện tượng mòn Khi ứng suất cắt xuất hiện, các

phần tử bắt buộc phải tiếp xúc với nhau Nếu có

lợi về mặt năng lượng cho biên giới rắn-rắn hình

thành, hai phần tử rắn sẽ được giữ ở trạng thái

tiếp xúc Trong nhiều hệ xúc biến, lực Brown

(nhiệt) ngẫu nhiên là đáng kể Đối với các phân

tử có các hình dạng khác nhau, sự ngẫu nhiên

thường trực đó ảnh hưởng tới hàm phân bố

hướng kính, tức là sự xắp xếp các phân tử trong

không gian được nhìn từ tâm của bất kỳ một

phân tử nào Lực Brown phụ thuộc đáng kể vào

kích thước và khi kích thước phần tử nhỏ hơn 1

μm lực Brown có vai trò lớn Tuy nhiên, trong

khối nhão kim loại bán lỏng kích thước của các

phần tử riêng biệt ít nhất cũng khoảng 20 μm, do

đó lực Brown không có vai trò lớn

Một lực khác tác động đến các phần tử là lực

dẻo dính; nó tỷ lệ với sự khác nhau cục bộ về lưu

tốc giữa phần tử rắn và chất lỏng xung quanh Rất nhiều hệ xúc biến cho thấy tính “thuận nghịch”, tức là khối nhão có đặc tính nhớt ở trạng thái tĩnh ứng với tốc độ cắt cho trước và với tỷ phần pha rắn đã định, không phụ thuộc vào quá trình cắt trước đó Tuy nhiên, trong

Hình 1.15 Minh hoạ về quá trình phát

triển cấu trúc trong quá trình đông đặc

có khuấy mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu; b) nhánh cây phát triển; c) hoa hồng; d) hoa hồng dầy; e) hạt cầu [23]

các khối nhão hợp kim bán lỏng, sự hình thành hình dạng (và kích thước) của phần tử theo thời gian và quá trình khuấy là không thuận nghịch (hình 1.15 [23]) Độ nhớt đo được khi

đó có khả năng phụ thuộc vào quá trình cắt và xử lý nhiệt trước đó Sự phụ thuộc đó làm cho việc mô hình hoá trở nên khó khăn hơn

1.2.3 Một số nghiên cứu lý thuyết trên thế giới

a Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng

Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) có thể được sử dụng để dự đoán quá trình điền đầy khuôn Trong quá trình tạo hình bán lỏng khối bột nhão trải qua một sự tăng đột ngột tốc độ cắt từ trạng thái nghỉ tới 100/s hoặc hơn khi nó đi vào khuôn Sự thay đổi đó xảy ra

trong khoảng ít hơn 1 s Như vậy, việc đo phản xạ (response) lưu biến chuyển tiếp trong

điều kiện tốc độ cắt thay đổi nhanh là một điều tối cần thiết cho việc mô hình hoá quá trình điền đầy khuôn và thiết kế khuôn chính xác cho công nghiệp Điều này có thể được khảo sát bằng 2 dạng thực nghiệm Thứ nhất, qua sự thay đổi nhanh chóng tốc độ cắt trong đồng

hồ lưu biến và thứ hai, bằng thí nghiệm nén nhanh, ví dụ, ngay trong máy tạo hình bán

lỏng hoặc trong đồng hồ nhớt khi rèn giọt (drop forge viscometer)

b Sự thay đổi nhanh tốc độ kéo trong đồng hồ lưu biến

Các nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp thực hiện bởi Kumar, Quaak, Peng và Wang, Mada và Ajersch, Azzi và đồng sự, Koke và Modigell, Liu và đồng sự [7] Hai loại thời gian nghỉ được định lượng: 1) thời gian phá vỡ và 2) thời gian kết tụ Thời gian phá vỡ là thời gian đặc trưng để khối bột nhão có thể đạt được các điều kiện ở trạng thái ổn định sau khi tốc độ cắt thay đổi từ giá trị thấp hơn tới giá trị cao hơn, trong khi thời gian kết tụ là sau khi tốc độ cắt thay đổi từ giá trị cao hơn đến giá trị thấp hơn Các nhà nghiên cứu này

đã tìm ra rằng thời gian phá vỡ nhanh hơn thời gian kết tụ Điều này đã được dự đoán, bởi

lẽ việc phá vỡ các mối “liên kết” giữa các phần tử rắn dạng cầu kết tụ có vẻ như dễ dàng hơn là việc hình thành các mối liên kết trong quá trình giảm tốc độ cắt Quaak sử dụng hai quãng thời gian đặc

trưng trên để mô tả

Hình 1.16 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong

cấu trúc vật liệu bán lỏng khi tốc độ cắt tăng và giảm [7]

26

cơ sở về sự hình thành tổ chức tế vi Ngay lập tức sau khi thay đổi tốc độ cắt, cấu trúc vẫn

giữ nguyên hình thái (đẳng cấu trúc - isostructure) Tiếp theo là một quá trình rất nhanh,

sau đó là một quá trình chậm liên quan tới khuếch tán, làm cho tổ chức bị thô ra và cầu hoá

Nghiên cứu của Liu và các đồng sự đã thực hiện với tốc độ cắt (capture rate) nhanh nhất

≈ 1 kHz Tốc độ này nhanh hơn rất nhiều so với các tác giả khác (200 Hz, 9 Hz) và cho phép bắt được các quá trình rất nhanh Kết quả đối với bước nhảy tốc độ cắt từ 0 đến 100/s sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau được chỉ ra trên hình 1.17

Hình 1.17 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100/s sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau

đối với hợp kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 [7]

Với thời gian nghỉ dài hơn, đỉnh của ứng suất ghi được cũng tăng lên Có thể thấy thời gian nghỉ trước bước nhảy về tốc độ cắt càng dài thì thời gian phá vỡ càng ngắn, như vậy

sự tăng thời gian nghỉ sẽ làm tăng kích thước của phần tử rắn và mức độ kết tụ Các số liệu cho thấy trong quá trình thay đổi tốc độ cắt, trong vòng khoảng 0,15 s cấu trúc bán lỏng sẽ bị bẻ gãy từ trạng thái ban đầu của nó Bất kể tốc độ cắt ban đầu là như thế nào thì thời gian phá vỡ vẫn giảm theo sự tăng của tốc độ cắt cuối cùng

Đường cong ứng suất cắt-tốc độ cắt có thể được làm cho hợp với mô hình dày lên do cắt

của Herschel-Bulkley với số mũ của dòng chảy n = 2,07 Koke và Modigell cho rằng phát

hiện đó có tầm quan trọng lớn cho việc mô phỏng các quá trình công nghiệp

Các số liệu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim nhôm là rất ít ỏi do phần lớn các đồng

hồ lưu biến hiện có trên thị trường không hoạt động ở nhiệt độ bán lỏng của hợp kim nhôm

1.2.4 Một số công nghệ đúc lưu biến

a Đúc gần nhiệt độ đường lỏng

Từ lâu người ta đã nhận thấy rằng việc rót hợp kim có độ quá nhiệt nhỏ vào khuôn có nhiệt độ thấp sẽ tạo ra tổ chức đều trục nhỏ mịn Việc tạo ra một dòng đối lưu và việc thải nhiệt nhanh khi tiếp xúc với thành khuôn nguội sẽ tạo điều kiện cho quá trình này

Hiện nay, một điều được thừa nhận

chung nữa là nếu khối kim loại đuợc rót ở

nhiệt độ thấp và được giữ ở khoảng nhiệt

độ bán lỏng (solidus-liquidus) như hình

1.18 thì sẽ đạt được tổ chức tế vi phi

nhánh cây

Hình 1.18 Sơ đồ vùng nhiệt độ kim loại

thực hiện rót-đúc gần nhiệt độ đường lỏng

Như vậy khuôn nguội có thể đóng vai

trò của buồng ép nguội trong trường hợp

đúc áp lực cao Đây là cơ sở cho một số

phương pháp công nghệ dưới đây

c Phương pháp nhiệt trưc tiếp (direct thermal method)

Dùng máng nghiêng

Phương pháp này có nguyên tắc giống NRC (tạo mầm ngoại sinh trên trên thành kim loại nguội), song ở đây không sử dụng thành khuôn mà sử dụng máng nghiêng (hình 1.19)

- Phương pháp đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng có nước làm nguội: Kim loại lỏng

được rót vào khuôn dưới qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như vậy máng nghiêng và nước làm nguội có tác dụng làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kết tinh

(a)

(b)

Hình 1.19 Phương pháp nhiệt trực tiếp [53]: (a) Phương pháp đúc lưu biến sử dụng

máng nghiêng có nước làm nguội (b) Phương pháp đúc lưu biến quá nhiệt thấp

28

Máng nghiêng rất dễ 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 30 % do đặc thù của quá trình sản xuất là các sản phẩm thành mỏng có thể đúc với tỷ phẩn rắn nhỏ Sau khi rót kim loại lỏng vào nửa khuôn dưới qua máng, nhiệt độ được kiểm tra, đến khi đạt nhiệt độ, sẽ dập nửa khuôn trên

- Phương pháp đúc quá nhiệt thấp: Độ quá nhiệt của kim loại khoảng 10 oC 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 (hình 1.20); 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 đường lỏng/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

Hình 1.20 Khuôn ống thành mỏng [15] Hình 1.21 Tổ chức tế vi [69]

Trong giai đoạn này sẽ tồn tại một gradient nhiệt độ thấp Khi tổ chức tế vi mong muốn

và tỷ phần pha rắn đã đạt được, khuôn được làm nguội nhanh trong nước, kim loại gần như được tôi do khuôn có thành mỏng và dẫn nhiệt tốt Tổ chức tế vi đạt được có dạng cầu tròn song tương đối thô, khoảng 70 μm (hình 1.21)

Phương pháp H-NCM

Phương pháp này được đặt tên tác giả là Hong-nanocasting (H-NCM, hình 1.22) Nội

dung của nó là: 1) Ngăn ngừa sự hình thành lớp vỏ kim loại đông đặc ở giai đoạn đầu của quá trình đông đặc tại thành khuôn bằng cách khuấy mạnh và kiểm soát nhiệt độ, 2) Nhờ

đó đạt được sự phân bố đồng đều nhiệt độ trong toàn bộ khối kim loại, 3) Hàng loạt mầm kết tinh được hình thành đồng thời khi đạt được một độ quá nguội nhất định, nhờ đó

tổ chức đạt được nhỏ mịn và có dạng cầu tròn [42]

Máy đúc

áp lực

1.3 Công nghệ đúc lưu biến liên tục

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc tấm mỏng để thay thế cho công nghệ đúc thỏi truyền thống Công nghệ đúc thỏi truyển thống tốn nhiều thời gian và chi phí, tốc độ nguội thấp dẫn đến tổ chức hạt thô to, đặc biệt

là vùng giữa thỏi (hình 1.23) Nếu đúc tấm mỏng tốc độ nguội sẽ lớn hơn, tổ chức nhỏ mịn phù hợp với ứng dụng kết cấu, vì vậy xu hướng đúc tấm mỏng trên thế giới đang phát triển mạnh

ng công nghệ đúc tấm mỏng để thay thế cho công nghệ đúc thỏi truyền thống Công nghệ đúc thỏi truyển thống tốn nhiều thời gian và chi phí, tốc độ nguội thấp dẫn đến tổ chức hạt thô to, đặc biệt

là vùng giữa thỏi (hình 1.23) Nếu đúc tấm mỏng tốc độ nguội sẽ lớn hơn, tổ chức nhỏ mịn phù hợp với ứng dụng kết cấu, vì vậy xu hướng đúc tấm mỏng trên thế giới đang phát triển mạnh

Hiện nay có nhiều công nghệ đúc tấm mỏng

khác nhau nhưng công nghệ đúc lưu biến liên tục

được các nhà khoa học quan tâm nhiều nhất

Công nghệ đúc lưu biến liên tục là công nghệ

mới, tiên tiến để tạo ra tấm nhằm giảm thiểu các

bước công nghệ sau khi đúc như ép, cán, tiết

kiệm năng lượng, giảm giá thành sản phẩm,

v.v…

Hiện nay có nhiều công nghệ đúc tấm mỏng

khác nhau nhưng công nghệ đúc lưu biến liên tục

được các nhà khoa học quan tâm nhiều nhất

Công nghệ đúc lưu biến liên tục là công nghệ

mới, tiên tiến để tạo ra tấm nhằm giảm thiểu các

bước công nghệ sau khi đúc như ép, cán, tiết

kiệm năng lượng, giảm giá thành sản phẩm,

v.v…

Phươ‰’Šž’ được lựa chọn là phươ‰’Šž’

Š‹ệt trực tiếp dùng máng nghiêng (hình 1.19) Phươ‰’Šž’›…א‰—›²–ắc giống NRC (tạo mầm ngoại sinh trên trên thành kim loại nguội), song ở đây không sử dụng thành khuôn mà sử dụng máng nghiêng Kim loại lỏng được rót vào khuôn qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như˜ậy máng nghiêng làm nguội có tác dụng làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kết tinh dị thể Máng nghiêng rất dễ lắp đặt vào bất kỳ một thiết bị đúc nào

Phươ‰’Šž’ được lựa chọn là phươ‰’Šž’

Š‹ệt trực tiếp dùng máng nghiêng (hình 1.19) Phươ‰’Šž’›…א‰—›²–ắc giống NRC (tạo mầm ngoại sinh trên trên thành kim loại nguội), song ở đây không sử dụng thành khuôn mà sử dụng máng nghiêng Kim loại lỏng được rót vào khuôn qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như˜ậy máng nghiêng làm nguội có tác dụng làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kết tinh dị thể Máng nghiêng rất dễ lắp đặt vào bất kỳ một thiết bị đúc nào

Rót qua máng nghiêng là phương pháp đúc lưu biến duy nhất cho một dòng chảy liên tục đáp ứng với công nghệ đúc liên tục Trong công nghệ đúc bán lỏng tỉ phần rắn dao

động trong khoảng 5-40 %; trong phương pháp máng nghiêng tỉ phần rắn thấp hơn 10 %

do đặc thù của quá trình là tạo mầm dị thể

Rót qua máng nghiêng là phương pháp đúc lưu biến duy nhất cho một dòng chảy liên tục đáp ứng với công nghệ đúc liên tục Trong công nghệ đúc bán lỏng tỉ phần rắn dao

động trong khoảng 5-40 %; trong phương pháp máng nghiêng tỉ phần rắn thấp hơn 10 %

do đặc thù của quá trình là tạo mầm dị thể

1.3.1 Cơ sở lý thuyết tạo mầm dị thể

a Tạo mầm đồng thể (tự sinh)

Hình 1.23 Mặt cắt ngang của thỏi đúc

Lò nấu Tay máy

Thiết bị khuấy bán lỏng

Hình 1.22 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [42]

30

Khi một mole (phân tử gam) mầm được hình thành, năng lượng tự do Gibbs của hệ phải giảm đi một lượng bằng ΔG, gồm các thành phần bề mặt, ΔG i, và thể tích, ΔGv:

ΔG = ΔG i + ΔG v = σ A + Δg.V , (1.4)

ở đây σ là năng lượng bề mặt rắn/lỏng, Δg là độ chênh năng lượng tự do Gibbs giữa một đơn vị thể tích pha lỏng và rắn, A và V tương ứng là diện tích bề mặt và thể tích của mầm Nếu giả thiết là mầm có dạng cầu (tỷ lệ A/V là nhỏ nhất) thì

3

44

3

g r

)(Δ =

dr

G d

Hiện tượng tạo mầm tinh

thể từ bể kim loại lỏng (tạo

mầm đồng thể) chủ yếu phụ

thuộc vào hai quá trình: sự

thăng giáng nhiệt dẫn tới sự

thứ hai của sự thay đổi năng

lượng tự do, ΔG i, gắn với

giai đoạn thứ hai và tỷ lệ với

diện tích bề mặt phân cách rắn-lỏng được hình th

Hình 1.24 Năng l ượng tự do của cụ m nguyên tử như hàm

học tồn tại giữa pha lỏng và pha rắn ở điểm chảy, nên giá trị của ΔG V = 0, bởi vậy ΔG vẫn

đơn điệu tăng khi bán kính tăng Ở nhiệt độ thấp hơn điểm chảy cân bằng (hình 1.24c) dấu của ΔG V sẽ đảo bởi lẽ lúc này pha lỏng trở nên giả ổn định, trong khi đó hành vi của ΔG i

vẫn như trong trường hợp a và b Tuy nhiên ΔG V phụ thuộc vào bán kính với số mũ bậc ba, trong khi ΔG i chỉ với số mũ bậc hai Khi giá trị của bán kính nhỏ, giá trị tuyệt đối của ΔG V

nhỏ hơn giá trị tuyệt đối của ΔG i, còn khi giá trị của bán kính lớn ΔG V sẽ tăng nhanh hơn

do nó tỷ lệ với lập phương của bán kính, và bởi vậy ΔG sẽ có giá trị cực trị tại bán kính tới hạn của mầm, r° Những dao động về nhiệt có thể làm cho giá trị bán kính của các cụm nguyên tử xê dịch qua trái hoặc phải trên đường cong ΔG - r (c) do sự bổ sung hoặc tách ra ngẫu nhiên của các nguyên tử khỏi cụm (d) Khi các thăng giáng nhiệt làm cho bán kính của cụm lớn hơn r° nó có thể tiếp tục lớn lên do tổng năng lượng tự do giảm Theo cách

n tạo mầm ngoại sinh (dị thể)

Tạo mầm dị thể (ngoại sinh)

Nếu bể kim loại lỏng ch

hoặc lớp màng ôxit thì quá t

tử hoặc năng lượng hoạt

hoá cần thiết cho việc tạo

mầm giảm đi Điều này

được biết đến như sự tạo

mầm dị thể (hình 1.25b)

Việc tính toán hình học

thuần tuý cho thấy khi biên

giới rắn/lỏng của kim loại

bị thay thế một phần bởi

kim loại lỏng

ΔGdị thể = f(θ) ΔGđồng thể

32

Hình 1.25 Tạo mầm đồng thể và dị thể [3]

Hiệu quả tác động nói trên được đánh giá bởi hàm f(θ) và được tính bằng biểu thức:

, trong đó θ là góc thấm ướt giữa chỏm cầu của mầm rắn đang lớn lên và vật thể rắn (một hạt rắn hoặc thành khuôn) như ở hình 1.26

( ) ( )( )

4

cos 1 cos

Trong điều kiện thấm ướt rắn-rắn tốt (θ nhỏ) giữa mầm tinh thể và vật rắn lạ trong bể

kim loại lỏng có thể xảy ra sự giảm đáng kể số nguyên tử trong một mầm tới hạn n o, và năng lượng tạo mầm tới hạn ΔG° Cần lưu ý rằng giá trị của n o và ΔG°n giảm đi khi giá trị

θ nhỏ, nhưng giá trị của ro thì không Có thể thấy rằng với cùng một số nguyên tử thì bán kính tới hạn trong trường hợp tạo mầm dị thể lớn hơn nhiều (gấp khoảng 3 lần) so với tạo mầm đồng thể, tức là nó đòi hỏi độ quá nguội nhỏ hơn Trong trường hợp bán kính tới hạn bằng nhau thì số nguyên tử cần sắp xếp trong mầm dị thể ít hơn nhiều (xác suất hình thành cao hơn) Quá trình tạo mầm dị thể được quyết định chủ yếu bởi góc thấm ướt θ giữa mầm

và vật rắn dị thể (hình 1.28)

θθ

θθ

σM-L: sức căng bề mặt giữa mầm và pha lỏng

Thấm ướt hoàn toàn

Không có hàng rào năng

lượng cho việc tạo mầm

Không thấm ướt

Tạo mầm đồng thể

Hình 1.28 So sánh hai quá trình tạo mầm đồng thể và dị thể [3]

1.3.2 Một số nghiên cứu về đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng làm nguội

Có thể thấy rằng việc rót qua máng nghiêng đáp ứng được 2 yêu cầu của quá trình đúc lưu biến liên tục:

a) Tạo mầm dị thể,

b) Tạo một dòng chảy liên tục

Đây là cơ sở cho một số phương pháp công nghệ dùng máng nghiêng làm nguội tạo mầm dị thể trong quá trình đúc liên tục: kim loại lỏng được rót vào khuôn dưới qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như đã nói ở trên, trong đúc bán lỏng tỉ phần rắn dao động trong khoảng 5-40 %, tuy nhiên, với phương pháp máng nghiêng có thể áp dụng với

tỉ phần rắn thấp hơn (khoảng 5-10 %) do đặc thù của quá trình sản xuất (dòng chảy liên tục) Dưới đây trình bày một số nghiên cứu trên thế giới về công nghệ đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng và kết hợp đúc lưu biến trên máng nghiêng với đúc liên tục dùng con lăn làm nguội

T Haga trong [29] cho rằng máng làm nguội là thiết bị đơn giản nhất để đúc bán lỏng theo công nghệ lưu biến Thiết bị này giá thành thấp và vận hành đơn giản và đây là các ưu điểm nổi bật của phương pháp máng làm nguội Tuy nhiên, máng làm nguội cũng có các nhược điểm như sự dính bám của kim loại và mối quan hệ giữa các thông số đúc và sự dính bám chưa được nghiên cứu kỹ và đó là vấn đề T Haga đặt ra trong nghiên cứu của mình Sơ đồ thiết bị nghiên cứu được chỉ ra trên hình 1.29

T Haga đã đi tới kết luận rằng các thông số như khoảng cách giữa vòi phun (nozzle) và máng làm nguội, góc nghiêng và chiều dài máng làm nguội đều có ảnh hưởng đến khả năng làm nguội và sự bám dính của kim loại lỏng trên máng Độ nghiêng của máng làm nguội được coi là yếu tố chính Ông đã đề xuất thay thế máng làm nguội (hình 1.29a) bằng con lăn làm nguội (hình 1.29b)

34

Góc  nghiêng 

Máng 

Khoảng cách vòi‐máng

Cặp nhiệt Góc nghiêng 

Khoảng nguội 

Hình 1.29 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu của T Haga trong [29]

E Cardoso Legoretta, H V Atkinson, H Jones [42] cũng đã khảo sát khả năng sử dụng máng nghiêng để tạo phôi cho quá trình đúc xúc biến đối với hợp kim A356 Mục đích của nghiên cứu là khảo sát sự hình thành tổ chức tế vi ở giai đoạn đầu của quá trình Hợp kim A356 được chế tạo bằng phương pháp đúc lưu biến mới (New Rheocasting - NRC) bằng 2 cách: rót trực tiếp vào nồi nghiêng và qua máng làm nguội Sơ đồ thiết bị được trình bày trên hình 1.30 Tổ chức đạt được ở cuối máng làm nguội có dạng cầu tròn, kích thước hạt ≈ (60÷70) μm, hàm hình dạng F trong khoảng từ 2 đến 4

Hình 1.30 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu và tổ chức tế vi nhận được của E Cardoso Legoretta [42]

Yucel Birol cũng đã nghiên cứu quá trình đúc lưu biến trên máng nghiêng để tạo hình bán lỏng cho hợp kim Al-Si sau cùng tinh A390 [11] với các đặc tính tốt như tính chống mài mòn tốt, độ bền cao, giãn nở nhiệt nhỏ Hợp kim được tạo hình ở 844 K, thấp hơn nhiều so với ở trạng thái lỏng Chiều dài máng làm nguội 30 cm Chi tiết không bị rỗ, độ cứng 144 HB sau khi tôi ở chế độ T6 Hình ảnh thiết bị và tổ chức được trình bày trên hình 1.31

α-Al

Si sơ cấp

Si cùng tinh

Hình 1.31 Hình ảnh thiết bị và tổ chức hợp kim trong nghiên cứu của Y Birol [11]

H Budiman, M Z Omar, A Jalar và A G Jaharah [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của máng làm nguội bằng nước đến tổ chức của hợp kim Al-Si bán lỏng Máng được phủ bằng

BN Việc so sánh giữa máng được làm nguội bằng nước và máng không làm nguội cho thấy sự khác biệt về tỷ phần thể tích của α-Al, kích thước hạt, độ cứng tế vi, hàm hình dạng (SF: shape factor, sẽ trình bày kỹ hơn ở chương 5): trường hợp có nước làm nguội

cho tỷ phần thể tích pha α-Al cao hơn (78 so với 71 %), độ cứng tế vi cao hơn (82 so với

74 HV), kích thước hạt nhỏ hơn (29 so với 34 μm) và hàm hình dạng nhỏ hơn (2,92 so với

5,23) Sơ đồ thiết bị nghiên cứu và tổ chức đạt được như trên hình 1.32

NồI  graphit 

Có thể thấy là việc sử dụng máng nghiêng làm nguội đã có kết quá tốt: tổ chức đạt được

có dạng cầu tròn với hàm hình dạng thấp, cơ tính được nâng cao và đã được ứng dụng có

Hình 1.32 Sơ đồ thiết bị có nước làm

nguội (hình trái) và tổ chức tế vi ở giữa thỏi trong trường hợp không có nước làm nguội (hình phải) trong nghiên cứu của H Budiman [15]

Khuôn  thép

Khoảng  rót  

c vào  

Nướ

36

hiệu quả để tạo phôi cho quá trình đúc xúc biến hoặc tạo hình xúc biến Việc kết hợp giữa đúc lưu biến quá máng nghiêng với đúc liên tục cũng đã được nghiên cứu liên tục trong những năm gần đây

T Haga [30] đã nghiên cứu quá trình đúc tấm nhôm A356 bằng phương pháp bán lỏng liên tục sử dụng 2 con lăn kích thước như nhau: đường kính 300 mm, rộng 100 mm Không cần sử dụng chất bôi trơn Tỷ phần pha rắn: 5-10 % Chiều dày tấm: 2-2.5 mm Tốc độ kéo: 30-90 m/phút Sau khi nhiệt luyện giới hạn bền kéo đạt 270 MPa, độ giãn dài tương đối 18 % Tinh thể Al sơ cấp có kích thước < 50 μm, Si trong cùng tinh nhỏ mịn < 5 μm Sau nhiệt luyện T6 tấm nhôm từ hợp kim A356 có tính năng hoàn toàn tương đương với các hợp kim A5052-H34 và A6063-T6 Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi nhận được trình bày trên hình 1.33

Hình 1.33 Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi nhận được trong nghiên cứu của T Haga [30]

Ảnh trái: rót từ kim loại lỏng, ảnh phải: rót từ trạng thái bán lỏng

Bán lỏng

Kim loại lỏng 

Máng 

Các thông số thiết kế chính của máy: con lăn bằng đồng, đường kính 300 mm, rộng 100

mm, không phủ, làm nguội bằng nước; tốc độ kéo 30-120 m/phút; máng làm nguội bằng thép các bon thấp, rộng 100 mm, dài 300 mm, phủ BN, làm nguội bằng nước, nghiêng 60o; nhiệt độ kim loại lỏng 630-650 oC

Để cải thiện việc làm nguội các tác giả T Haga, H Sakaguchi, H Inui, H Watari và S Kumai [24] đã nghiên cứu thiết kế máy đúc lưu biến liên tục hợp kim nhôm Al-16Si và

6016 với 2 trục quay có đường kính không bằng nhau (250 và 1000 mm, rộng 100 mm) Hợp kim bán lỏng được tạo trên máng nghiêng Kích thước Si sơ cấp và Si trong cùng tinh rất nhỏ mịn Tốc độ kéo 5, 10 và 20 m/min (tốc độ kéo 20 m/phút khi chiều dày tấm là 2,8 cm) Độ dai va đập của hợp kim tăng nhờ tổ chức cùng tinh và Si sơ cấp nhỏ mịn Sơ đồ thiết bị và kết quả thử cơ tính được trình bày trên hình 1.34 Các thông số thiết kế và công nghệ chính như sau:

- Con lăn trên bằng thép các bon thấp, đường kính 250 mm, rộng 100 mm, được làm nguội bằng nước, đặt lệch 15o so với con lăn dưới

- Con lăn dưới bằng thép các bon thấp, đường kính 1000 mm, rộng 100 mm, được làm nguội bằng nước

- Tốc độ kéo 5, 10, 20 m/ph đối với 6016 và 10 m/ph đối với Al-16% Si