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

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 c

MỞ ĐẦU 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 hốn hợp lỏng, đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng khá sớm trên thế giới

rắn-và sau đó ở Việt Nam, đầu tiên là trong kỹ thuật luyện kim bột, gần đây

là trong kỹ thuật đúc

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

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

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 cho luận án NCS

Mục đích của luận án

- Khảo sát, xác định các thông số cơ bản của quá trình đông đặc của hợp kim A356 làm cơ sở cho việc nghiên cứu công nghệ đúc lưu biến liên tục

- Xác định thông số công nghệ đúc lưu biến liên tục áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏ mịn và cơ tính được cải thiện

- 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

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

 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 trong công nghiệp và đời sống

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 tổng quan, đánh giá và lựa chọn phương án (công nghệ, thiết bị, vật liệu) thích hợp cho mục đích luận án

- 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

- 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

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 có sự tạo mầm mãnh liệt

- Đã mô phỏng quá trình đúc lưu biến - liên tục theo 2 giai đoạn (tĩnh và động), 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 trong trường hợp tấm mỏng (2-5 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

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

a Phương pháp đúc lưu biến (rheo-) dùng kỹ thuật khuấy kim loại

lỏng trong khi đông đặc để tạo thành trạng thái sệt (slurry), sau đó đem rót trực tiếp kim loại lỏng nhão này vào khuôn Việc khuấy trộn kim loại chủ yếu nhằm tạo ra một tốc độ trượt rất cao giữa các phần tử và cường

độ dòng xoáy sẽ làm cho các phần tử rắn kết tinh theo dạng hình cầu 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) Phương pháp này là sự kết hợp phương pháp đúc ép thẳng đứng

truyền thống với phương pháp gia công kim loại lỏng để chế tạo kim loại có cấu trúc dạng cầu

Nguyên lý cơ bản của phương pháp là

 Nấu chảy hợp kim, tinh luyện, biến tính

 Rót hợp kim vào nồi chứa có kích thước tương tự như xylanh ép của máy đúc áp lực Làm nguội có điều kiện nhiệt độ kim loại trong nồi chứa để tạo trạng thái bán lỏng và tổ chức kim loại hình cầu/gần cầu

 Gia nhiệt nồi chứa đến nhiệt độ thích hợp để tạo thành trạng thái bán lỏng và giữ ở nhiệt độ này

 Rót kim loại vào xylanh máy ép áp lực cao để chế tạo chi tiết

b Họ công nghệ xúc biến (Thixo-) có:

Đúc xúc biến (Thixocasting): 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” vào khuôn thì tỷ phần pha rắn là khoảng 50 %

Tạo hình xúc biến (Thixoforming) là một phương pháp trong 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

Dập xúc biến (Thixoforging) là một quá trình mà ở đó phôi 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

không tỷ lệ thuận 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 bộc lộ tính đàn nhớt, tức là chúng tích trữ một năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi Vật liệu xúc biến không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi ứng suất bị dỡ bỏ

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)

Hình 1.9 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [28]

Khi đó:





  y  k ; (1.1)

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

y k 



    ; (1.2) trong đó y là ứng suất chảy tĩnh; n là tham số

Mô hình Herchel-Bulkley   y  k  nđược 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  và tốc độ cắt Nếu số mũ là 1

thì sẽ dẫn đến biểu thức cho chất lỏng Newton với hằng số k bằng độ

nhớt 

Ở hình 1.9, độ nhớt giảm đi

khi tốc độ cắt tăng, vật liệu chịu

cắt (shear thinning materials,)

sẽ có giá trị n nhỏ hơn 1 Nếu

độ nhớt tăng lên khi tốc độ cắt

tăng, vật liệu chịu cắt (shear

thickening materials) sẽ có n

lớn hơn 1

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

Phi Newton

Phi Newton Phi Newton

Vật liệu Phi Newton

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 Thêm vào đó, tổ chức tế vi sẽ trở nên thô hơn do khuếch tán khi nhiệt độ tăng

1.2.2 Một số công nghệ đúc lưu biến

a Đúc gần nhiệt độ đường lỏng

b Phương pháp “đúc lưu biến mới” (New Rheocasting - NRC)

c Phương pháp nhiệt trưc tiếp (Direct thermal method)

d Phương pháp H-NCM

1.3 Công nghệ đúc lưu biến liên tục

Hiện nay có nhiều công nghệ đúc tấm mỏng khác nhau nhưng công nghệ đúc lưu biến liên tục được quan tâm nhiều Đó là công nghệ đúc gần nhiệt độ đường lỏng

Phương pháp được lựa chọn là phương pháp nhiệt trực tiếp 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 Kim loại lỏng được rót vào khuôn qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua Như vậy máng nghiêng có nước làm nguội sẽ làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kết tinh dị thể

Rót qua máng nghiêng là phương pháp đúc lưu biến duy nhất cho một dòng chảy liên tục đáp ứng công nghệ đúc liên tục Trong công nghệ

đúc bán lỏng tỉ phần rắn dao động trong khoảng 5-40 %; còn 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

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

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

- Tạo mầm dị thể,

- Tạo một dòng chảy liên tục

Nhóm nghiên cứu T Haga (Nhật Bản) cho rằng máng làm nguội là thiết bị đơn giản nhất để đúc bán lỏng theo công nghệ lưu biến Sơ đồ thiết bị nghiên cứu nêu trên hình 1.29

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

Nhóm tác giả E Cardoso Legoretta, H V Atkinson, H Jones (Vương quốc Anh) cũng khảo sát khả năng sử dụng máng nghiêng đối với hợp kim A356 Sơ đồ thiết bị trình bày trên hình 1.30 Tổ chức đạt được ở cuối máng làm nguội có dạng cầu tròn, kích thước hạt  (60÷70) m,

sau cùng tinh A390 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

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 6111 với 2 trục quay có đường kính không bằng nhau (250 và 1000

mm, rộng 100 mm)

Các tác giả T Haga, M Ikawa, H Watari, S Kumai, H Sakaguchi [21,54] nghiên cứu khả năng đúc liên tục thẳng đứng tấm nhôm từ hợp kim 6016 dày 3 và 3,4 mm, rộng 100 mm bằng con lăn với tốc độ cao (có thể đạt 60 m/phút) Tổ chức tế vi sau nhiệt luyện T4 nhỏ mịn, giới hạn bền kéo 230-242 MPa, độ giãn dài tương đối 26-33 %

Các tác giả T Haga, H Inui, H Sakaguchi, H Watari và S Kumai [25] cũng đã nghiên cứu khả năng đúc liên tục thẳng đứng tấm nhôm

Hình 1.33 Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi nhận được khi rót hợp kim từ trạng thái khác nhau của T Haga [30] Ảnh trái: rót từ kim loại lỏng, ảnh phải: rót từ trạng thái bán lỏng

bằng con lăn từ hợp kim nhôm tái chế A356 và 6063 Kích thước tấm:

dày 3 mm, được kéo với tốc độ 60 m/min

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356, thuộc họ silumin

Nghiên cứu này sử dụng hệ ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của

Hoa Kỳ Hợp kim A356 có thành phần như trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim A356

%  0,2 0,25-0,45  0,1 6,5-7,5  0,2  0,1  0,2

2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Đo ghi nhiệt độ tự động

- Phân tích nhiệt vi sai

- Kỹ thuật đo ghi 2 điểm

- Mô phỏng số

- Nghiên cứu thực nghiệm

- Hiển vi quang học

- Hiển vi điện tử quét (SEM)

- Kiểm tra cơ tính

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CƠ BẢN

VỀ HỢP KIM NHÔM A356

3.1 Kỹ thuật thực nghiệm

3.1.1 Nấu luyện và xử lý hợp kim

Quy trình nấu luyện gồm: sấy nhôm và dụng cụ, nấu chảy hợp kim

nhôm, khử khí, tinh luyện, vớt xỉ và che phủ, sục khí N2 (Ar), rót ở

các nhiệt độ 625, 650, 675 và 700 o

C

3.2 Xác định nhiệt độ đường lỏng và rắn hợp kim A356

3.2.1 Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và theo giản đồ pha

3.2.2 Kết quả và thảo luận

a Kết quả phân tích nhiệt vi sai

- Nhiệt độ đường rắn T S = 545 oC

- Nhiệt độ đường lỏng T L = 616 oC

- Khoảng nhiệt độ kết tinh T n = 71 oC

b Kết quả xác định theo giản đồ pha

- Nhiệt độ đường rắn T S = 553 oC

- Nhiệt độ đường lỏng T L = 615 oC

- Khoảng nhiệt độ kết tinh T n = 62 oC

3.3 Xác định tỷ phần pha rắn

3.3.1 Phương pháp xác định tỷ phần pha rắn khi đông đặc

a Trường hợp đông đặc cân bằng

S L

L S

C C

C C f

c Xác định tỷ phần pha rắn theo đường nhiệt độ thực tế

Hợp kim đạt được cùng một tỷ phần pha rắn (75 %) ở những thời gian khác nhau: nhiệt độ rót càng cao quãng thời gian đó càng dài: 44, 53 và

123 s ứng với nhiệt độ rót lần lượt là 625, 650 và 675 oC Ngoài ra, có thể thấy rằng tỷ phần pha rắn tăng rất nhanh ở giai đoạn đầu, sau đó tăng chậm ở giai đoạn sau Đây là điều cần chú ý khi nghiên cứu công nghệ bán lỏng

3.4 Xác định tốc độ nguội và tốc độ đông đặc của hợp kim A356

3.4.1 Đường cong nguội và tốc độ nguội của hợp kim

 k

m

L m S

T T

T T f

Tốc độ nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian Quá trình nguội chậm (cân bằng) có tốc độ nguội  0 Quá trình nguội nhanh có tốc độ nguội > 103 độ/s Tốc độ nguội được ký hiệu là dT/dt [độ/s]

a Đo ghi đường cong nguội bằng thiết bị TempScan (Omega-Mỹ)

Tốc độ nguội cực đại ( -15 độ/s) đạt được khi kim loại bắt đầu tiếp xúc với khuôn nguội, sau đó giảm dần do khuôn bị nóng lên Khi mầm kết tinh được hình thành, do ẩn nhiệt kết tinh toả ra mạnh nên nhiệt độ tăng (hình 3.19, 3.20) Tốc độ nguội chịu ảnh hưởng khá rõ rệt của các thông số công nghệ

b Ảnh hưởng của nhiệt độ rót

- Ở Trót = 625 oC chênh lệch nhiệt độ ở tâm và thành khuôn (trung bình

100 oC) lớn hơn nhiều so với khi rót ở 675 oC (trung bình 30 oC), do đó

mầm được tạo ra nhiều hơn trường hợp Trót = 625 oC khiến nhiệt độ giảm chậm do tỏa ẩn nhiệt kết tinh

- Ở T rót = 625 oC trong khoảng từ 20 đến 35 s tốc độ nguội đã đổi dấu

và có giá trị dương, với giá trị tối đa  0,4 độ/s, chứng tỏ nhiệt độ kim

loại lỏng đã tăng trở lại

- Tốc độ nguội tối đa (dT/dt)max không vượt quá 1 độ/s

c Ảnh hưởng của thời gian làm nguội

Ở trường hợp góc nghiêng của máng là 60o

, thời gian tiếp xúc ngắn,

do kim loại chảy nhanh hơn so với góc nghiêng của máng là 45o Bởi

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

độ công nghệ

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

vậy, tuy mầm có được tạo ra nhưng cũng chỉ đủ để duy trì tốc độ nguội bằng 0 Nếu xét tới khả năng bám dính của kim loại lỏng trên máng làm nguội thì việc chọn góc nghiêng của máng là 60o sẽ là hợp lý

Việc tạo mầm trên máng làm nguội xảy ra mãnh liệt khi nhiệt độ rót

đủ thấp và được phản ánh ở việc tốc độ nguội đổi dấu từ âm sang dương (nhiệt độ tăng) hoặc duy trì không đổi ( 0) một khoảng thời gian dài Điều này không quan sát thấy khi nhiệt độ rót cao, tốc độ nguội luôn có giá trị âm

3.4.2 Tốc độ đông đặc

- Tốc độ nguội của hợp kim khi chảy qua máng làm nguội là khá cao,

do đó để tính tỷ phần pha rắn, f S,cần phải dùng phuơng trình Sheil (hay còn gọi là quy tắc đòn bẩy không cân bằng)

- Tốc độ nguội có thể đổi dấu (nhiệt độ tăng trở lại và đạt giá trị dương) nếu quá trình tạo mầm là đủ nhanh, ẩn nhiệt kết tinh tỏa ra đủ lớn để làm tăng nhiệt độ Điều này chỉ dạt được trong quá trình đúc bán lỏng và không quan sát thấy trong trường hợp đúc từ trạng thái lỏng

- Tốc độ đông đặc cũng có xu hướng giống tốc độ nguội: ở giai đoan đầu tốc độ đông đặc trong quá trình đúc bán lỏng lớn hơn rất nhiều so với đúc từ trạng thái lỏng (trong 10 giây đầu tốc độ đông đặc trung bình trong trường hợp rót ở 650 o

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

Đã sử dụng mô hình dòng chảy và phương pháp tính toán động lực

học chất lỏng Các phần mềm mô phỏng đã sử dụng là:

- Phần mềm ABAQUS

- Phần mềm FLUENT

- Phần mềm GAMBIT

4.2.4 Thiết lập mô hình công nghệ

a Xây dựng mô hình và chia lưới