khảo sát ảnh hưởng của tần số rung đến độ điền đầy và tổ chức tế vi hợp kim adc12 trong đúc mẫu hóa khí

Quá trình nghiên cứu và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc: Tác động của rung đến tổ chức tế vi của vật đúc bắt đầu được nghiêm cứu vào khoảng năm 1868.. Chân không trong đúc mẫu hóa

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ RUNG ĐẾN

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Trần Thanh phong MSSV: V1102725 – Lớp: VL11KL Ngành: Kỹ thuật vật liệu Bộ môn: Kim loại và hợp kim

1 Tên đề tài:

KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐẾN ĐỘ ĐIỀN ĐẦY VÀ TỔ CHỨC TẾ

VI HỢP KIM ADC12 TRONG ĐÚC MẪU HÓA KHÍ

2 Nhiệm vụ của luận văn (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

- Tổng quan về công nghệ đúc mẫu hóa khí và tác đụng của rung

-Cơ sở lý thuyết của rung và ảnh hưởng của rung đến quá trình đông đặc

- Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng của rung trong các phương pháp đúc

- Tiến hành thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tần số rung cơ học trong quá trình đông đặc của hợp kim trong công nghệ đúc mẫu hóa khí

- Đánh giá sự thay đổi của độ điền đầy và kích thước hạt dưới các tần số rung khác nhau

- Kết luận ảnh hưởng của rung trong công nghệ đúc mẫu hóa khí và chọn tần số rung tốt nhất với hợp kim trong thí nghiệm

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn:

5 Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà Phần hướng dẫn: Toàn phần

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

TP HCM, ngày … tháng … năm 2016

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:

Người duyệt (chấm sơ bộ) :

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ luận văn:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trang 3

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2016

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người hướng dẫn)

1 Họ và tên SV: Trần Thanh phong MSSV: V1102559

Ngành (chuyên ngành): Kim loại và hợp kim

2 Đề tài:

KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐẾN ĐỘ ĐIỀN ĐẦY VÀ TỔ CHỨC TẾ

VI HỢP KIM ADC12 TRONG ĐÚC MẪU HÓA KHÍ

3 Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà

4 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : trang Số chương : chương Số bảng số liệu : bảng Số hình ảnh : hình Số tài liệu tham khảo : tài liệu Phần mềm tính toán :

Hiện vật (sản phẩm) :

5 Tổng quát về của bản vẽ: Số bản vẽ: bản vẽ A0 Số bản vẽ vẽ tay:……….………… Số bản vẽ trên máy tính: bản vẽ A0

6 Nhận xét:

Trang 4

7 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ

8 Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội Đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu):

9 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB):

10 Điểm (Thang điểm 10): /10

Ký tên (ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trang 5

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2016

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người phản biện)

1 Họ và tên SV: Trần Thanh Phong MSSV: V1102559

Ngành (chuyên ngành): Kim loại và hợp kim

2 Đề tài:

KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN THÀNH PHẦN SƠN MẪU SỬ DỤNG TRONG ĐÚC HỢP KIM NHÔM ADC12 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẪU HÓA KHÍ

3 Họ tên người phản biện:

4 Tổng quát về bản thuyết minh:

Số trang : trang Số chương : chương

Số bảng số liệu : bảng Số hình ảnh : hình

Số tài liệu tham khảo : tài liệu Phần mềm tính toán:

Hiện vật (sản phẩm) : Các mẫu đúc 5 Tổng quát về của bản vẽ: Số bản vẽ: bản vẽ Số bản vẽ vẽ tay:……….Số bản vẽ trên máy tính: bản vẽ 6 Nhận xét:

Trang 6

7 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ

8 Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội Đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu):

9 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB):

10 Điểm (Thang điểm 10): /10

Ký tên (ghi rõ họ tên)

Trang 7

LỜI CẢM ƠN

Trang 8

LỜI NÓI ĐẦU

Trang 9

MỤC LỤC

1 Chương 1: MỞ DẦU 1

1.1 Đại cương về các phương pháp đúc: 1

1.2 Giới thiệu về đúc mẫu hóa khí: 2

1.2.1 Lịch sử ra đời: 2

1.2.2 Nguyên lý và quy trình chung của LFC: 2

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của đúc mẫu hóa khí 3

1.2.4 Xu hướng phát triển: 4

1.3 Rung và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc: 5

1.3.1 Vấn đề tinh luyện hạt trong quá trình đúc: 5

1.3.2 Định nghĩa về rung: 6

1.3.3 Quá trình nghiên cứu và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc: 6

1.3.4 Điều kiện thuận lợi khi ứng dụng rung trong đúc mẫu hóa khí: 7

1.4 Đặt vấn đề: 7

1.5 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu: 8

1.5.1 Nhiệm vụ nghiên cứu: 8

1.5.2 Nội dung nghiên cứu: 8

2 Chương 2: TỔNG QUAN 8

2.1 Tác động của rung đến tổ chức và cơ tính của vật đúc: 8

2.2 Tác động của rung đến độ chảy loãng: 14

2.3 Tác động của rung trong phương pháp đúc mẫu hóa khí: 15

3 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

3.1 Cở sở lý thuyết quan trọng trong qua trình đúc mẫu hóa khí: 16

3.1.1 Đặc điểm của mẫu xốp trong quá trình đúc mẫu hóa khí: 16

3.1.2 Cơ chế điền đấy khuôn trong công nghệ đúc mẫu hóa khí: 18

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đấy trong đúc mẫu hóa khí: 20

3.2 Đặc điểm của rung: 21

3.2.1 Đặc điểm và các thông số của đao động rung: 21

3.2.2 Biểu thức toán học của dao đồng rung: 21

3.2.3 Các đại lượng rung quan trọng cần được xét trong công nghệ đúc: 22

3.3 Lý thuyết kết tinh: 23

3.3.1 Nhiệt động học chuyển pha: 23

Trang 10

3.3.3 Mầm tự sinh (mầm đồng thể): 25

3.3.4 Mầm sinh ra trên vật rắn có sẵn (mầm dị thể): 27

3.4 Hình thành và phát triển tinh thể nhánh cây: 28

3.4.1 Tinh thể nhánh cây: 28

3.4.2 Nguyên nhân hình thành tinh thể nhánh cây: 28

3.5 Ảnh hưởng của rung trong qua trình kết tinh và đông đặc vật đúc: 29

3.5.1 Ảnh hưởng của rung đến phát triển tinh thể nhánh cây: 29

3.5.2 Ảnh hưởng của rung đến quá trình ba động và hình thành cấu trúc tế vi của kim loại: 29

3.6 Tác động của rung đến độ chảy loãng và khả năng điền đầy vật đúc: 30

4 Chương 4: THỰC NGHIỆM 34

4.1 Nguyên liệu dùng trong nghiên cứu: 34

4.1.1 Cát làm khuôn: 34

4.1.2 Mẫu xốp Polystyrene: 35

4.1.3 Hợp kim đúc: 36

4.1.4 Thành phần sơn mẫu: 37

4.2 Trang thiết bị: 41

4.2.1 Nhóm thiết bị dùng cho quá trình đúc mẫu hóa khí và áp dụng rung trong quá trình đúc 41

4.2.2 Nhóm thiết bị dùng cho thí nghiệm soi kim tương: 46

4.3 Phần mềm phân tích kích thước hạt: 47

4.3.1 Các phương pháp phân tích kích thước hạt: 47

4.3.2 Phần mềm ImageJ và ứng dụng: 48

4.4 Quy trình thí nghiêm chung: 49

4.5 Quy trình pha sơn nhúng mẫu: 49

4.6 Quy trình nấu đúc: 51

4.7 Lựa chọn các thông số thí nghiệm: 51

4.7.1 Lựa chọn chiều dày sơn: 52

4.7.2 Lựa chọn nhiệt độ rót, độ chân không, hướng rót kim loại: 52

4.7.3 Lựa chọn tần số rung: 52

4.7.4 Lựa chọn thời gian giữ chân không, rung, và giữ vật đúc trong khuôn: 52

4.7.5 Bảng tổng hợp các thông số thí nghiệm: 53

4.8 Phương pháp đánh giá độ điền đầy: 54

4.9 Phương pháp đánh giá kích thước hạt: 55

Trang 11

4.9.1 Các bước cơ bản đánh giá kích thước hạt: 55

4.9.2 Chọn vị trí soi kim tương: 56

4.9.3 Thí nghiệm soi kim tương: 57

4.9.4 Phân tích ảnh và đo kích thước hạt: 59

5 Chương 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 59

5.1 Đúc thăm đò: 59

5.1.1 Kết quả thí nghiệm thăm dò: 60

5.2 Đúc thực nghiêm: 65

5.2.1 Kết quả thí nghiệm: 65

5.3 Đồ thị ảnh hưởng của rung trong quá trình đúc mẫu hóa khí hợp kim ADC12 : 78 5.4 Ảnh hưởng của rung đến độ điền đầy: 79

5.5 Ảnh hưởng của rung đến kích thước hạt: 79

6 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

Trang 12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thị phần đúc mẫu hóa khí trong giai đoạn 1960-2020[5] 5

Hình 2.1 Ảnh hương của rung đến tổ chức tế vi của hợp kim AC4C trong nghiên cứu của Naoki Omura[10] 9

Hình 2.2 Nhiệt độ khuôn trong suốt quá trình đông đặc (a); Thay đổi kích thước hạt (b) trong nghiên cứu của Naoki Omur[11] 10

Hình 2.3 Độ giảm kích thước hạt trong nghiên cứu của P.A.O Adegbuyi[12] 11 Hinh 2 Hình dạng và cách đặt mẫu trong thí nghiệm của T Ciućka[14] 11

Hình 2.5 Tác động của rung đến tổ chức hợp kim LM13 trong nghiên cứu của Viralkumar R.Patel (a) không rung; (b) rung 15Hz[17] 13

Hình 2.6 Thay đổi kích thước hạt dưới tác động của rung trong thí nghiệm của S.S Mishra đưới [15] 13

Hình 2.7 Độ bề cơ học của mẫu vật đúc trong thí nghiệm của Vatsala Chaturvedi (a) Tính chống mài mòn; (b) Độ bền kéo[19] 14

Hình 2.8 Thay đổi kích thước hạt dươi tác động của rung trong thí nghiêm của Zhao Zhong[20] 15

Hình 2 Hình thành rỗ khí lớn khi rung ở tần số cao[20] 16

Hình 3.1 Công thức phân tử và cấu trúc không gian của Polystyrene[21] 16

Hình 3.2 Cơ chế tiếp xúc (trái) Cơ chế khoảng trống (phải)[23] 19

Hình 3.4 Cơ chế sụp[23] 19

Hình 3.5 Biểu đồ dao động rung[24] 21

Hình 3.6 Quan hệ giữa biên độ và tần số [9] 23

Hình 3.7 Biến đổi năng lượng tự do của hệ[25] 24

Hình 3.8 Kích thước tới hạn[25] 25

Hình 3.9 Tốc độ sinh mầm và phát triển mầm phụ thuộc độ quá nguội.[25] 27

Hình 3.10 Mầm dị thể[25] 27

Hình 3.11 Tinh thể nhánh cây và nguyên nhân hình thành[25][6] 28

Hình 3.13 Giản đồ Al-Si và đường nguội của hợp kim ADC [27] 31

Hình 3.14 Tổ chức các cùng tinh hợp kim ADC12[29] 32

Hình 3.16 Các cùng tính trên biên giới hạt α-Al.[30] 33

Hình 3.17 Phân tích thành phần pha trên biên giới hạt α-Al.[30] 34

Hình 4.1 Hình dạng hạt cát [7] 35

Hình 4.2 Hình dạng mẫu xốp dùng trong thí nghiêm 36

Hình 4.3 Nhựa thông(trái) và keo silicon(phải) 39

Trang 13

Hình 4.4 Mật mía (trái);Butanol (phải) 40

Hình 4.5 Khuôn ép mẫu 42

Hình 4.6 Lò điện trở 43

Hình 4.7 Sơ đồ thiết bị rung trong công nghệ đúc mẫu hóa khí[20] 43

Hình 4.8 Thiết bị rung (trái) và biến tần (phải) 44

Hình 4.9 Hòm khuôn 44

Hình 4.10 Thiết bị hút chân không 45

Hình 4.11 Ống pha sơn (trái) và Cân điện tử (phải) 45

Hình 4.12 Cân đồng hồ và mấy khấy 46

Hình 4.13 Cốc đo độ nhớt 46

Hình 4.14 Cưa kim loại (trái); máy mài thô (phải) 47

Hình 4.15 Máy đánh bóng (trái); kính hiển vi quang học 47

Hình 4.16 Phần mềm ImageJ 48

Hình 4.17 Quy trình thí nghiệm chung 49

Hình 4.18 Sơn sau khi khấy và cách đo độ nhớt 50

Hình 4.19 Phơi mẫu xốp sau khi nhúng 51

Hình 4.20 Chọn mặt soi kim tương 56

Hình 4.21 Cấu trúc thỏi đúc[25] 57

Hình 5.1 Hai mẫu đúc thăm dò: mẫu (a) mẫu không rung 0Hz; mẫu (b) mẫu rung 30Hz 60

Hình 5.2 Ảnh soi kim tương mẫu không rung (MKR) 61

Hình 5.3 Ảnh mẫu không rung (MKR) sau phân tích imageJ 61

Hình 5.4 Biêu đồ phân bố kích thước hạt mẫu không rung (MKR) 62

Hình 5.5 Mẫu rung (MR),30Hz 62

Hình 5.6 Ảnh mẫu rung sau phân tích bằng imageJ 63

Hình 5.7 Biểu đô phân bố kích thước hạt mẫu rung (MR) 64

Hình 5.8 Thay đổi kích thước hạt trong thí nghiệm thăm dò 64

Hình 5.9 Ảnh 8 mẫu vật đúc trong thực nghiệm 65

Hình 5.10 Ảnh soi kim tương Mẫu 1 66

Hình 5.11 Ảnh Mẫu 1 phân tích bằng imageJ 66

Hình 5.12 Biêu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 1 67

Hình 5.13 Ảnh soi kim tương mẫu 2 67

Trang 14

Hình 5.14 Ảnh Mẫu 2 phân tích bằng ImageJ 68

Hình 5.18 Biểu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 3 70

Hình 5.33 Biểu đồ phân bố kích thước hạt mẫu 8 78

Trang 15

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Chuyển biến của Polystyrene đưới tác dụng của nhiệt độ[22] 17

Bảng 3.2 Lượng khí và cặn nhớ sinh ra [22] 17

Bảng 3.3 Hàm lượng cặn nhớ [22] 18

Bảng 3.5 Thành phàn hợp kim ADC12 : 31

Hình 3.15 Tổ chức nhánh cây α-Al hợp kim ADC12[29] 33

Bảng 4.1 Kích thước mẫu xốp 36

Bảng 4.2 Tính chất vật lý của hợp kim[33] 37

Bảng 4.3 Một số dung môi thông dụng:[34] 38

Bảng 4.4 Nồng độ cho phép của một số dung môi phổ biến: [34] 39

Bảng 4.6 Tóm tắc thiết bị dùng trong đúc mẫu hóa khí 41

Bảng 4.7 Thiết bị dùng trong thí nghiệm soi kim tương 46

Bảng 4.8 Thông số độ nhớt và thời gian nhúng: 52

Bảng 4.9 Giá trị thông số rung trong các thí nghiêm: 53

Bảng 4.10 Các thông số cố định 54

Bảng 5.1 Kích thước hạt mẫu không rung Dm: 62

Bảng 5.2 Kích thước hạt mẫu rung (MR) D,µm 63

Bảng 5.3 Kết quả phân tích độ điền đầy của thí nghiêm: 66

Bảng 5.4 Kích thước hạt Mẫu 1 D(µm): 67

Bảng 5.5 Kích thước hạt Mẫu 2 D(µm) 68

Bảng 5.6 Kích thước hạt mẫu 3 D(µm): 69

Bảng 5.8 Kích thước Mẫu 5 D(µm) 73

Bảng 5.9 Kích thước hạt Mẫu 6 D(µm) : 75

Bảng 5.11 Kích thước hạt Mẫu 8 D(µm): 78

Bảng 5.12 Thay đổi kích thước hạt dưới ảnh hưởng của rung: 78

Trang 16

1 Chương 1: MỞ DẦU 1.1 Đại cương về các phương pháp đúc:

Định nghĩa: Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn có hình dạng và kích thước xác định Sau khi kim loại lỏng đông đặc trong khuôn ta thu được vật đức có hình dạng giống với khuôn đúc.[1]

Nếu sản phẩm đúc đưa ra sử dụng ngay mà không cần gia công cơ khí thì gọi là chi tiết đúc, còn nếu sản phẩm phải qua gia công cơ khí: cắt gọt, gia công áp lực… để có được các tính chất theo yêu cầu sử dụng thì gọi là phôi đúc [1]

Mọi vật liệu như: gang, thép, hợp kim màu, vật liệu phi kim khi nấu chảy đều đúc được Có thể tạo ra các chi tiết lớn và phức tạp mà các phương pháp khác không đáp ứng được

Đúc có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế Tuy nhiên ở nước ta vẫn chưa khai thác hết tiềm năng của nó như: các lợi ích trong công nghiệp phụ trợ…[1]

Các phương pháp đúc hiện nay có thể chia thành hai nhóm:

- Nhóm có mặt phân khuôn: đúc khuôn cát sét, cát nước thủy tinh, các nhựa, đúc khuôn kim loại, đúc áp lực…

- Nhóm không có mặt phân khuôn (đúc khuôn đầy): đúc mẫu chảy, đúc mẫu hóa khí…

Các phương pháp đúc trong khuôn có mặt phân khuôn vẫn chiếm ưu thế trong sản xuất đúc hiện nay do có nhiều ưu điểm và sự quen thuộc trong sản suất Đặc biệt là đúc trong khuôn cát sét, là công nghệ đầu tiên và được sử dụng rộng rãi từ hàng ngàn năm qua

Tuy nhiên các phương pháp đúc có mặt phân khuôn đều có nhược điểm quan trọng là rất khó khăn trong việc xác định được mặt phân mẫu, chiều lấy mẫu hoặc vật đúc ra khỏi khuôn các vật đúc phức tạp Nhược điểm về công nghệ rất khó khắc phục khác trong công nghệ đúc có mặt phân khuôn sử dụng vật liệu làm khuôn bằng cát và chất dính, là sự sai lệch giữa các hòm khuôn trong quá trình ráp khuôn

Do các nhược điểm trên mà phương pháp đúc không mặt phân khuôn đã

ra đời và đươc ứng dụng ngày càng rộng rãi như: đúc mẫu chảy, đúc mẫu hóa khí Đặc biệt là đúc mẫu hóa khí có tiềm năng rất lớn so với phương pháp kia

do tính năng suất và tính kinh tế cao của nó

Trang 17

1.2 Giới thiệu về đúc mẫu hóa khí:

1.2.1 Lịch sử ra đời:

Công nghệ đúc mẫu hóa khí (lost foam casting-LFC) còn có nhiều cái tên khác như: evaporative pattern casting, cavityless casting, evaporative foam casting, khuôn đầy (full mold), Styrocast, Foamcast, Styrocast, Policast, foam vaporisation casting…[2]

Người đã phát minh ra phương pháp dùng mẫu làm bằng xốp cho đúc kim loại là H.F Shroyer khoảng năm 1950 và ông đã nhận được bằng phát minh vào ngày 15 tháng 4 năm 1958 Theo phương pháp này, mẫu được làm từ khối vật liệu expanded polystyrene (EPS) dùng khuôn cát tươi có chất kết dính Mẫu xốp đóng vai trò hóc khuôn như phương pháp đúc khuôn cát sét Khi rót kim loại vào khuôn, dưới sức nóng của kim loại lỏng, mẫu xốp bị phân hủy và mất đi, kim loại lỏng thay thế vị trí của mẫu và đông đặc tạo ra vật đúc có hình dạng như mẫu xốp bang đầu Phương pháp này được gọi tên là đúc khuôn đầy (full mould process).[2][3]

Năm 1961, công ty công ty Grunzweig và Hartmann (Đức) mua bản quyền công nghệ này và cải tiến để đến năm 1962 đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất

Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế, do sử dụng khuôn cát tươi có chất dính đã làm cản trở việc thoát khí từ quá trình phân hủy mẫu xốp Khí sẽ bị “kẹt” trong lòng kim loại lỏng dẫn tới các khuyết tật đúc như: bọt khí, rỗ khí, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng vật đúc.[4]

Năm 1964, M.C Flemmings đã sử dụng cát không chất dính để làm khuôn cho phương pháp này, cải tiến này đã cải thiện đáng kể chất lượng vật đúc và phương pháp này chính thức có tên là lost foam casting (LFC) Với mẫu xốp được làm từ các hạt nhựa polystyrene.[2]

1.2.2 Nguyên lý và quy trình chung của LFC:

a Nguyên lý:

Nguyên lý của phương pháp đúc này là lợi dụng tính dễ tạo hình thành mẫu, dễ hóa hơi của vật liệu xốp khi tiếp xúc với kim loại lỏng để tạo ra vật đúc.[3]

b Quy trình chung của phương pháp:

Công nghệ đúc mẫu hóa khí gồm các bước cơ bản như sau:

Trang 18

Bước 1: Chế tạo mẫu, mẫu có thể chế tạo liền khối bằng cách ép khuôn các hạt nhựa, hoặc ráp lại từ những mẫu xốp nhỏ, sau đó mẫu được sơn bằng chất sơn mẫu và làm khô.[2]

Bước 2: Đặt mẫu vào hòm khuôn, cho cát đầy khuôn và rung lèn chặt cát Chế độ rung hợp lý nhầm tạo độ bền vừa phải cho khuôn nhưng không quá chặt tránh hiện tượng khí phát sinh không thoát ra đươc.[2]

Bước 3: Rót kim loại lỏng vào khuôn và chờ vật đúc đông đặc Trong quá trình rót kìm loại vào khuôn, mẫu xốp bị phân hủy tạo ra các sản phẩm khác nhau, một số ngưng tựu tạo ra cặn nhớt, một số khác hóa hơi và thoát ra ngoài qua các lỗ nhỏ trên bề mặt sơn mẫu và đi vào cát làm khuôn Lượng khí sinh ra quá nhiều và không thoát kịp qua lớp sơn mẫu có thể tạo áp lực lên kim loai lỏng làm giảm độ diền đầy khuôn, hoặc có thể làm bắn tóe kim loại, phá hủy khuôn… Để giúp khí thoát ra dễ dàng có thể sử dụng chân không Tuy nhiên, chân không quá lớn có thể làm cháy dính cát làm giảm chất lượng vật đúc [2]

Bươc 4: Phá khuôn, tách vật đúc ra khỏi cát, làm sạch và hoàn thành 1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của đúc mẫu hóa khí

a Ưu điểm:

Tiết kiệm thời gian trong khâu chuẩn bị sản xuất, có năng suất cao hơn các phương đúc truyền thống Giảm chi phí cho khâu chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo khuôn, tránh hiện tượng bavia do không có mặt phân khuôn.[3]

Mẫu nhẹ, rẻ tiền, để tạo hình Với mẫu nhỏ: sản xuất hàng loạt bằng phường pháp ép trong khuôn kim loại ở 200-250oC Với mẫu lớn, phức tạp không thể ép trong khuôn thì có thể chế tạo từng bộ phận nhỏ của mẫu bằng cách dùng dây điện trở nung đỏ sau đó dán lại bằng keo chuyên dụng hoặc nhiệt.[3]

Không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn, không cần dùng hai hay nhiều hòm khuôn và các thao tác liên quan.[3]

Quá trình thiết kế đơn giản do không cần dùng rãnh dẫn Đúc các chi tiết phức tạp, khó tiềm được mặt phân mẫu một cách dễ dàng vì không có mặt phân khuôn.[3]

Về nguyên tắc, có thể đúc các vật đúc có kích thước và hình dạng bất kỳ, không bị hạn chế (đã đúc được các vật đúc lên đến 20 tấn).[3]

Không cần ruột và đầu gác ruột đối với các vật đúc phức tạp.[3]

Trang 19

Vật đúc không bị các vấn đề về lệch khuôn, hỗn hợp làm khuôn… Lượng dư gia công ít, độ chính xác cao hơn các phương pháp đúc truyền

thống.[3]

Phương pháp không cần sử dụng chất dính nên cát không bị nhiễm bẩn, do đó có thể tái sử dụng nhiều lần Khí sinh ra do quá trình phân hủy xốp được thu lại qua hút chân không nên giảm gây ô nhiễm trường và tác hại đến công nhân.[3]

Có thể sử dụng cho mọi loại hình sản xuất: đơn chiếc, loạt nhỏ, hàng loạt.[3]

Có thể đúc tất cả các hợp kim và kim loại, đắc biệt là thép và gang, do nhiệt độ rót cao mẫu xốp phân hủy nhanh và chuyển gần như hoàn toàn thành khí Điều này giúp việc thót các chất phân hủy ra ngoài lớp sơn mẫu

dễ dàng.[3]

b Nhược điểm:

Cần có thiết bị bị đúc chuyên dùng (tuy nhiên chi phí đầu tư vẫn thấp hơn nhiều phương pháp khác).[3]

Hộp mẫu dùng để ép mẫu xốp đắt tiền.[3]

Cần có thời gian chuẩn bị dài để có thể sản xuât chi tiết mới.[3]

Có thể gặp một số vấn đề khi đúc hợp kim có hàm lượng cacbon thắp Tuy nhiên, vấn đề này đã có nhiều cách khắc phục.[3]

1.2.4 Xu hướng phát triển:

Giữa năm 1950 và 1990, phương pháp hầu như không có sự phát triển Theo tính toán, phương pháp này chỉ đóng góp 1% sản lượng đúc thép và gang, 5% sản lương đúc nhôm.[5]

Từ năm 1990, phương pháp này đã có bước phát triển đáng kể trong việc ứng dụng và triển vọng rất khả quan Theo mong đợi thì đên năm 2010, sẽ

có 29% sản lượng đúc nhôm và 15% sản lượng đúc gang sẽ ứng dụng phương pháp đúc này Nguyên nhân của sự phát triển này phần lớn là do sự thành công

của Hiệp hội đúc trong khuôn mẫu hóa khí (Lost Foam Consortium-LFC) và Hiệp hội đúc Hoa Kỳ (American Foundrymen's Society) trong việc phổ biến

kiến thức về phương pháp.[3][5]

Trang 20

Hình 1.1 Thị phần đúc mẫu hóa khí trong giai đoạn 1960-2020[5]

Theo một nghiên cứu được tiến hành bởi Trung tâm Công nghệ Đúc

mẫu hóa khí (Lost Foam Technology Center) của trường dại học Alabama ở

Birmingham Năm 1994, đã có 40,000 tấn chi tiết nhôm được sản xuất bằng phương pháp đúc mẫu hóa khí Tăng 25% lên 50,000 vào năm 1997 Mong đợi tăng 64% lên tới 82,000 tấn trong năm 2000 Tốc độ của sự tăng trưởng là 105% trong vòng hơn sáu năm.[5]

Thặm chí sự mong đợi tăng trưởng trong đúc gang còn cao hơn Tăng 100% từ năm 1994 đến 1997, từ 20,000 tấn lên đến 40,000 tấn, và hơn gắp đôi đến năm 2000 lên đến 85,000 tấn Tổng tăng trưởng là 325% trong vòng sáu năm.[5]

1.3 Rung và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc:

1.3.1 Vấn đề tinh luyện hạt trong quá trình đúc:

Như chúng ta đã biết kích thước hạt trong chi tiết có sự tương quan mật thiết với cơ tính của chi tiết Các nghiên cứu trước đây đối với các chi tiết kim loại đã chỉ ra rằng: hạt càng nhỏ thì cơ tính càng cao, bao gồm: độ bền kéo, bền uốn, độ cứng, chống mài mòn, ma sát…

Do đó, các phương pháp làm nhỏ hạt trong đúc vẫn không ngừng được nghiên cứu và ứng dụng Mục tiêu của các phương pháp là hạt càng nhỏ càng tốt và chi phí tiêu hao thấp, cũng như thân thiện với môi trường

Các nguyên lý cơ bản để tinh luyện hạt trong quá trình đúc bằng cách cải thiện điều kiện đông đăc:[6]

 Tăng tốc độ tạo mầm (n) và số lượng mầm được sinh ra.[6]

Trang 21

 Giảm tốc độ phát triển mầm (v), có thể thực hiện bằng cách tăng năng lượng bề mặt ở biên giới rắn-lỏng.[6]

 Tăng tốc độ nguội khi kết tinh.[6]

Một số phương pháp tinh luyên hạt:

1.3.2 Định nghĩa về rung:

Rung là một dạng dao động có tính điều hòa Rung ứng dụng trong công nghệ đúc được phân loại dựa vào nguồn tạo rung Các dạng của rung: rung

cơ học, rung siêu âm, rung điện từ

Trong luận văn này sẽ nghiên cứu về ảnh hưởng của rung cơ học trong quá trình đông đặc của hợp kim nhôm silic

1.3.3 Quá trình nghiên cứu và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc:

Tác động của rung đến tổ chức tế vi của vật đúc bắt đầu được nghiêm cứu vào khoảng năm 1868 Trong một nghiên cứu của Chernov thấy rằng rung

cơ học trong quá trình đông đặc của thép tao ra các hạt austenite nhỏ mịn hơn Các cuộc nghiên cứu gần đầy của AbuDheir và Dommaschk đều cho thấy rung

có ảnh hương tích cực đến kích thước và hình thái của tinh thể Silic trong hợp kim Al-Si.[7]

Các nghiên cứu về tác động của rung đến độ chảy loãng của kim loại lỏng cũng được thực hiên từ rất sớm Năm 1955, Levinson tình cờ phát hiện kim loại lỏng trong khuôn kim loại đã thoát ra ngoài qua một lỗ kim rất nhỏ trên vết hàn của khuôn, khi khuôn chiệu tác động của rung Và cũng trong năm đó, Wachter đã nghiên cứu ảnh hưởng của rung với kim loại nóng chảy và đã thấy rằng kim loại lỏng đã tăng tính chảy loãng một cách đáng kể.[8]

Trang 22

Năm 1962, Flemings thấy rằng rung đã làm tăng khoảng cách mà kim loại lỏng đi được trong lỗ nhỏ (tăng tính chảy loãng).[8]

Năm 1980, Campbell đã cung cấp một đánh giá quan trọng của hơn

200 nghiên cứu về tác động của rung trong quá trình đông đặc

Theo các nghiên cứu sau này như: Campbell, 1988; Merton C 1964;

và Chandraschariah, 1982 thì rung có ảnh hương lớn đế độ điền đầy khuôn Nó

có tác dụng bằng cách kiểm soát các yếu tố liên quan đến dòng chảy và truyền nhiệt, bao gồm cả quá nhiệt, thành phần hợp kim và chế độ của đông đặc.[8]

1.3.4 Điều kiện thuận lợi khi ứng dụng rung trong đúc mẫu hóa khí:

Với đặc điểm của rung là một dao động, là một quá trình truyền đi của năng lượng thì khi áp dụng trong đúc cần thỏa hai yêu cầu quan trọng sau:

 Khuôn phải đủ độ bền tránh bị phá hủy dưới tác động của rung

 Vật liệu làm khuôn phải liên kết chặt chẽ với nhau thành một khối, tránh tương tác va đập giữa các hạt vật liệu làm khuôn làm mất năng lượng của rung

Do đó, ta thấy rằng chỉ có khuôn kim loại và khuôn cát có sử dụng chân không mới đáp ứng được yêu cầu Khuôn cát sét có chất dính thì độ bền khuôn không cao dễ bị phá hủy, cũng như va đập giữ cát hạt cát làm mất năng lượng rung Khuôn áp lực có thể áp dụng nhưng hiệu quả không cao vì tốc độ nguội đã rất lớn, và có thể làm giảm tuổi thọ sử dụng khuôn

Khuôn cát có sử dụng chân không có thể áp dụng rung vì khi hút chân không, áp suất chân không tác dụng lực làm các hạt cát dính chặt vào nhau tạo thành một khối vững chắt Điều này thỏa cả hai yêu cầu trên

Phương phát đúc mẫu hóa khí cũng là phương pháp dùng khuôn cát

có sử dụng chân không Chân không trong đúc mẫu hóa khí vừa hút các sản phẩm khí phân hủy mẫu xốp ra ngoài, vừa liên kết hỗn hợp làm khuôn thành một khối nên hoàn toàn phù hợp ứng dụng rung trong quá trình đúc

1.4 Đặt vấn đề:

Rung có khả năng ứng dụng rất lớn trong công nghệ đúc đo tác động tinh luyên hạt và tăng khả năng điền đầy khuôn Hai vấn đề rất quang trọng trong các vấn đề mà công nghệ đúc đặt ra

Song song đó thì phương pháp đúc mẫu hóa khí là phương pháp đúc có tiềm năng ứng dụng rộng rải và có khả năng thay thế các phương pháp truyền

Trang 23

thống trong tương lai Và đặc biệt thì phương pháp này hoàn toàn phù hợp với việc áp dụng rung trong quá trình đông đặc

Vậy nên vấn đề đặt ra hiện nay, là chúng ta nên nghiên cứu để khai thác hết tiềm năng ứng dụng rung vào phương phương pháp đúc mẫu hóa khí

1.5 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu:

1.5.1 Nhiệm vụ nghiên cứu:

Mặt dù rung vẫn còn rất nhiều ảnh hưởng đến quá trình đông đặc vật đúc trong phương pháp đúc mẫu hóa khí Nhưng trong luận văn này chỉ xét ảnh hưởng của rung đến kích thước hạt và độ điền đầy của vật đúc Đồng thời chỉ sử dụng nguồn tạo rung là thiết bị rung cơ học

1.5.2 Nội dung nghiên cứu:

Tổng quang các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng của rung lên quá trình đông đặc của vật đúc, trong các phương pháp đúc nói chung và

phương pháp đúc mẫu hóa khí nói riêng

Chọn các thông số thí nghiệm và thành phần sơn mẫu thích hợp Đúc thăm đò tác dụng ảnh hưởng của rung lên quá trình đông đặc của hợp kim nghiên cứu trong đúc mẫu hóa khí

Tiến hành đúc thực nghiệm để xem xét chi tiết ảnh hưởng của rung ở các mức tần số khác nhau

Tiến hành thí nghiệm soi kim tương để đánh giá kích thước hạt của các mẫu vật đúc ở thí nghiệm trên Đồng thời đánh giá độ điền đầy của các mẫu

Phân tích kết quả và xác định ảnh hưởng của rung lên quá trình đúc mẫu hóa khí

Đưa ra nhận xét và kết luận về ứng dụng rung trong đúc mẫu hóa khí

2 Chương 2: TỔNG QUAN

Đưới đấy là các nghiên cứu về ảnh hưởng của rung trong các quá trình đúc

2.1 Tác động của rung đến tổ chức và cơ tính của vật đúc:

- Nghiên cứu 1: Nghiên cứu được thực hiện bởi Jayesh Deshpande năm

2006[9] về ảnh hưởng của rung cơ học đến kích thước hạt, hình thành và phát

Trang 24

nhôm, nghiên cứu được tiến hành trên hợp kim nhôm Silic Al-7%Si, B390, và hợp kim nhôm đồng B206 Các thông số rung cơ học áp dụng: tần số rung 8Hz

÷60Hz, biên độ tối đa 2.03mm, gia tốc tối đa 3.2g, các mẫu thí nghiệm ở gia tốc 0g, 1.5g, 2g, 3g để so sánh Kết quả nghiên cứu cho thấy:

 Theo sự tăng lên của gia tốc rung thì có sự tăng lên của tỷ lệ đông đặc rắn/lỏng và đồng thời sự đối lưu kim loại lỏng tăng tạo điều kiện cho đông đặc đồng thời Giảm thời gian đông đăc và giảm vùng cùng tinh Giảm các khuyết tật nức do ứng suất nhiệt thông qua giảm chênh lệch nhiệt độ giữa các

phần

 Rung không ảnh hưởng đến nhiệt độ hình thành tinh thể nhánh cây nhưng làm giảm tinh thể nhánh cây trong tổ chức tế vi, tăng phân rắn ở nhiệt độ đông đặc như với hợp kim B206 phần rắn ở nhiệt độ hình thành tinh thể nhánh cây tăng lên từ 9,99% đến 25% ở gia tốc rung cao nhất 3g Khi tăng

gia tốc thì hạt min hơn

- Nghiên cứu 2: Nghiên cứu tác động của rung cơ học trong phương pháp

đúc áp lực hợp kim nhôm AC4C Nghiên cứu được thực hiện bởi Naoki Omura

và các đồng nghiệp năm 2009 Mẫu đúc có hình trụ kích thước: đường kích 25mm và chiều dài 210mm để tiện cho kiểm tra độ bền kéo Các mức tần số rung áp dụng: 0Hz, 112Hz, 132Hz, 148Hz, 157Hz Kết quả nghiên cứu về kích thước hạt và xốp co đều giảm theo chiều tăng của tần số rung Độ bền kéo tăng

từ 150u/ MPa khi không rung lên 180 u / MPa ở tần số rung cao nhất

157Hz.[10]

Hình 2.1 Ảnh hương của rung đến tổ chức tế vi của hợp kim AC4C trong

nghiên cứu của Naoki Omura[10]

Trang 25

- Nghiên cứu 3: Là một nghiên cứu thứ hai của Naoki Omura trong năm

2009 về tác động của rung đến tốc độ ngượi và tinh thể nhánh cây của hợp kim AC4C trong phương pháp đúc áp lực Tần số rung áp dụng trong khoảng

0Hz÷120Hz Kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ ngượi tăng khi áp dụng rung trong quá trình đông đặc và tăng nhanh theo chiều tăng của tần số rung Khi không áp dụng rung thời gian đông đắc của các vùng trong mẫu rất khác nhau, thời gian đông đặc của kim loại ở đáy mẫu là thấp 33s Khi có tác động của rung ở tần số cao nhất 120Hz thì thời gian đông đặc gần bằng nhau và giảm còn

Hình 2.2 Nhiệt độ khuôn trong suốt quá trình đông đặc (a); Thay đổi kích thước

hạt (b) trong nghiên cứu của Naoki Omur[11]

Đồng thời đối với các mẫu không rung thì bề mặt mẫu trơ láng, còn các mẫu có áp dụng rung, bề mặt mẫu bắt đầu sần sùi Vấn đề này được giải thích

do khi rung bề mặt khuôn dao động với tốc độ cao tác động lên bề mặt vật đúc khi đang đông đặc.[11]

- Nghiên cứu 4: Nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần hợp kim và tần

số rung đến kích thước hạt và cơ tính của hợp kim Al-Cu Nghiên cứu được thực hiện bởi P.A.O Adegbuyi và các đồng nghiệp năm 2010 Nghiên cứu thực hiện trên 3 hợp kim: Al-8%Cu, Al-4%Cu, Al-2%Cu và tần số rung cho các mẫu: 0Hz, 10Hz, 20Hz, 35Hz, 50Hz Kết quả cho thấy tác động của rung làm tăng độ bền kéo và độ dai va đập của các mẫu, và mẫu có thành phần Cu càng cao thì cơ tính càng cao Độ bề kéo tăng theo chiều tăng của tần số, độ dai va đập đạc giá trị cự đại trong khoảng 20Hz÷35Hz cho các hợp kim Kích thước

hạt cũng giảm theo chiều tăng tần số.[12]

Trang 26

Hình 2.3 Độ giảm kích thước hạt trong nghiên cứu của P.A.O Adegbuyi[12]

- Nghiên cứu 5: Nghiên cứu về tác động của tần số và biên độ rung trong

quá trình đông đặc đến tính chất của vật đúc hợp kim Mg-Al-Zn Nghiên cứu

được thực hiên bởi Aramide Fatai Olufemi năm 2012 Hợp kim sử dụng AZ91 Thí nghiệm ở 2 mức biên độ 5V, 10V, mỗi mức biên độ có 7 mẫu với tần số

rung áp dụng 0Hz, 4Hz, 8Hz, 12Hz, 16Hz, 20Hz, 24Hz Các mẫu sau đúc sẽ

được đánh giá độ bền kéo, độ dai va đập và độ cứng Kết quả thí nghiệm cho

thấy cơ tính của các mẫu đều tăng theo chiều tăng của tần số rung, đạt cực đại ở 12Hz, đồng thời các mẫu có biên độ rung ở mức 10V đều có cơ tính cao hơn

những mẫu 5V.[13]

- Nghiên cứu 6: Nghiên cứu về ảnh hưởng của biên độ rung và vị trí vật

đúc trong khuôn đến cơ tính và khuyết tật xốp co của vật đúc hợp kim

AC-AlSi17 Nghiên cứu thực hiện bởi T Ciućka năm 2012 Nghiên cứu gồm 36

mẫu, 18 mẫu đánh giá cơ tính, 18 mẫu đánh giá xốp co Biên độ rung ở hai mức

0,4mm và 0,8mm Tần số rung giữ ở 50Hz.[14]

Hinh 2 Hình dạng và cách đặt mẫu trong thí nghiệm của T Ciućka[14]

Trang 27

Kết quả thí nghiệm cho thấy lợi ích của tăng biên độ rung đối với cơ tính và xốp co của vật đúc Các mẫu có rung giảm ít nhất 10% lỗ xốp so với các mẫu không rung, với mẫu nghiên 200 thì tăng lên 33% Độ bề kéo những mẫu có rung tăng 11% và lớn hơn ở biên độ cao hơn.[14]

- Nghiên cứu 7: Nghiên cứu ảnh hưởng của graphite và đông đặc dưới tác

động của rung đến cơ tính của hợp kim nhôm-silic trước cùng tinh Nghiên cứu được thực hiện bởi Dr Haydar Al-Ethari và Elaf Abdulwahid Hasani năm 2013 Hợp kim được thêm 0,3% Graphite và áp dụng rung với tần số 32.5Hz, 100Hz, 124,5Hz, biên độ giữ ở mức cố định 0,5mm Kết quả nghiên cứu cho thấy: độ cứng và độ bề kéo của hợp kim tăng cao khi tăng tần số rung Ở tần số rung cao nhất 124Hz, độ cứng tăng 20%, độ bền kéo tăng 102%, mô đun đàng hồi tăng 20%.[15]

- Nghiên cứu 8: Nghiên cứu về sự phát triển của cùng tinh Silic dưới tác

động của rung cơ học hợp kim LM6 Nghiên cứu được thực hiện bởi Vardhaman

S Mudakappanavar năm 2013 Áp dụng tần số rung 25Hz và biên độ 0.05mm Ảnh chụp tổ chức tế vi có sự thay đổi về tổ chức nhánh cây và kích thước hạt, rung có tác dụng làm gẩy cấu trúc nhánh cây và cùng tinh Silic, làm nhỏ các hạt α-Al Đồng thời rung cũng làm gẫy các kim Silic và phân bố chúng đồng dạng hơn làm tăng cơ tính.[16]

- Nghiên cứu 9: Nghiên cứu về tác động của rung đến tổ chức tế vi và cơ

tính của hợp kim nhôm silic LM13 trong khuôn đúc áp lực Nghiên cứu được thực hiện bởi Viralkumar R.Patel năm 2014 Biên độ rung áp dụng 0,1mm, tần

số rung: 0Hz, 10Hz, 15Hz, 15.5Hz, 20Hz Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước, hình dạng và phân bố của tinh thể Si thay đổi nhỏ mịn hơn với tần số rung cao hơn Độ bền kéo, độ bền nén và độ cứng tăng theo chiều tăng của tần

số rung, độ cứng đạt giá trị cự đại ở 15Hz Nghiên cứu cũng nêu lên nguyên nhân là nhỏ hạt của rung:[17]

 Rung tác động đến tốc độ nguội và các tính chất của nó

 Rung làm tăng sự trao đổi nhiệt trong kim loại lỏng

Trang 28

(a) (b)

Hình 2.5 Tác động của rung đến tổ chức hợp kim LM13 trong nghiên cứu của

Viralkumar R.Patel (a) không rung; (b) rung 15Hz[17]

- Nghiên cứu 10: Nghiên cứu về sự thay đổi kích thước hạt của hợp kim

đưới tác động của rung, được thực hiện bởi S.S Mishra, S.S Sahu, và V Ray (2015) trên hợp kim Al-6%Cu Nghiên cứu trên 4 mẫu ứng với các tần số rung: 0Hz, 40Hz, 80Hz, 150Hz.[15]

Hình 2.6 Thay đổi kích thước hạt dưới tác động của rung trong thí nghiệm

của S.S Mishra đưới [15]

Trang 29

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự tác động mạnh mẻ của rung đến kích thước hạt trên các vùng khác nhau của mẫu Kích thước hạt giảm mạnh theo sự tăng của tần số rung Độ cứng, chống mài mòn, độ bền kéo đều tăng theo tần số rung, tính dẻo giảm [15]

- Nghiên cứu 11: Nghiên cứu về tác động của gia tốc rung đến động

lực quá trình đông đặc của hợp kim nhôm A356 trong khuôn cát tươi và khuôn cát nhựa Nghiên cứu được thực hiện bởi P.Appendino và các đồng nghiệp năm

2015, khoảng gia tốc nghiên cứu 0,1g÷15g cho cả hai loại khuôn Kết quả nghiên cứu cho thấy rung có tác động tichh cực ở cả hai loại khuôn Tuy nghiên gia tốc phù hợp với khuôn cát tươi chỉ ở khoảng 0,1g÷2,5g, do độ bền của khuôn không

cho phép Khuôn cát nhựa có thể chịu được gia tốc rung đến 18g [18]

Ảnh chụp tổ chức tế vi cho thấy ở gia tốc thấp hơn 2.5g, tinh thể nhánh cây gần giống nhau trong các mẫu 3g÷5g tổ chứ có chuyển biến nhưng không đáng kể, trên 5g thì sự tinh luyện hạt tăng nhanh theo gia tốc rung, và tinh thể nhánh cây gần biến mất ở gia tốc rung cao.[18]

- Nghiên cứu 12: Nghiên cứu cải thiện cơ tính vật đúc hợp kim

AZ91 bằng rung cơ học trong quá trình đông đặc Nghiên cứu được thực hiện bởi Vatsala Chaturvedi và Upender Pandel năm 2015 Biên độ rung áp dụng trong nghiên cứu 0mm, 1mm (1A), 1,5mm (2A), 2mm (3A) Kết quả nghiên chỉ ra rằng

độ bền kéo và độ cứng tăng lên rất lớn khi áp dụng rung, đạt cực đại tại giá trị

A=1mm và giảm đần khi tăng biên độ.[19]

(a) (b)

Hình 2.7 Độ bề cơ học của mẫu vật đúc trong thí nghiệm của Vatsala

Chaturvedi (a) Tính chống mài mòn; (b) Độ bền kéo[19]

2.2 Tác động của rung đến độ chảy loãng:

- Nghiên cứu 13: Nghiên cứu tác động của rung đến độ chảy loãng

của hợp kim nhôm trong thành mỏng công nghệ đúc mẫu chảy Nghiên cứu

Trang 30

Nghiên cứu cho thấy rung chỉ có tác dụng tăng điền đầy khuôn(tăng độ chảy loãng) khi áp dụng trong quá trình rót Rung có hai tác dụng: tăng hệ số truyền nhiệt làm giảm thời gian đông đặt, đồng thời rung cũng làm giảm độ nhớt của pha bán lỏng và tác dụng này chiếm ưu thế dưới cường độ rung, và nhiệt độ rót

tương đối cao Do dó tăng khả năng điền đầy khuôn.[8]

Thời gian đông đặc ngắn hơn khi không áp dụng rung khoảng 9% Bề mặt vật đúc có rung cũng tốt hơn trong phương pháp đúc này.[8]

2.3 Tác động của rung trong phương pháp đúc mẫu hóa khí:

- Nghiên cứu 14: Nghiên cứu tác động của rung trong quá trình

đông đặc của hợp kim A356 phương pháp đúc mẫu hóa khí Được thực hiện bởi Zhao Zhong và đồng nghiệp năm 2010 Kết quả nghiên cứu cho thấy dưới tác động của rung, các nhánh cây α-Al phát triển dần thành các hạt đồng trục khi tăng gia tốc rung Khi gia tốc rung nằm trong khoảng 1g÷4g phân bố các hạt α đồng dạng và có sự giảm kích thước hạt Các nhánh cây α giảm xuống và cơ tính tăng lên một cách đáng kể so với các mẫu không rung Tuy nhiên, khi mà gia tốc rung cao hơn 4g, bắt đầu sảy ra các khuyết tật đúc như: cháy dính cát và các bọng khí phát triển làm giảm cơ tính của vật đúc Vấn đề này có thể được giải thích do sự hổn loạng của dòng chảy làm các bọt khí không thoát ra ngoài

mà kết lại thành các bong bóng khí lớn hơn.[20]

Hình 2.8 Thay đổi kích thước hạt dươi tác động của rung trong thí

nghiêm của Zhao Zhong[20]

Trang 31

Hình 2 Hình thành rỗ khí lớn khi rung ở tần số cao[20]

Kết luận: Rung cơ học có nhiều tác dụng tích cực khi áp dụng trong quá

trình đông đặc của vật đúc Hai tác dụng chính của rung là: cải thiện cấu trúc của tổ chức tế vi từ đó nâng cao cơ tính của vật đúc Tăng độ chảy loãng của

kim loại lỏng tăng độ điền đầy Các nghiên cứu về tác động của rung đến tổ

chức vật đúc thường sử dụng hợp kim nhẹ như hợp kim của nhôm để nghiên

cứu vì tiết kiệm được năng lượng , thiết bị nấu đúc không quá phức tạp [20]

Tuy nhiên, khi ứng dụng rung trong công nghệ đúc mẫu hóa khí, tồn tại một vấn đề là ở cường độ rung quá lớn, có thể xuất hiên các rỗ khí tô trong vật đúc

Do công nghệ đúc mẫu hóa khí sinh lượng khí lớn hơn nhiều các phương pháp khác Vì vậy cần có biện pháp khử khí hiệu quả tương ứng với cường độ

rung.[20]

3 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cở sở lý thuyết quan trọng trong qua trình đúc mẫu hóa khí:

3.1.1 Đặc điểm của mẫu xốp trong quá trình đúc mẫu hóa khí:

a Sơ lược về nhựa Polystyrene:

Hình 3.1 Công thức phân tử và cấu trúc không gian của Polystyrene[21]

Trang 32

Nhựa Polystyrene có công thức hóa học –(C8H8)n- được chế tạo bằng phương pháp trung hợp Styren

Polystyrene không tan trong nước, tan được trong một số dung môi hửu

cơ như: xêtôn, este, hydrocacbon mạch hở, vòng no hợp chất thơm và dẫn xuất halogel tạo dung dịch sệt.[21]

Polystyrene không độc nhưng Styren và các sản phẩm phân hủy từ Polystyrene tình có tính độc, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, cũng như gây ô nhiểm môi trường Vì vậy, trong quá trình sản xuất cần có biện

pháp sử lý tránh gây ảnh hưởng đến con người và môi trường

a Cơ chế nóng chảy và phân hủy của PolyStyren:

Bảng 3.1 Chuyển biến của Polystyrene đưới tác dụng của nhiệt độ[22]

Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (oC) 80 đến 100 Nhiệt độ biến mềm (oC) 110 đến 120

Nhiệt độ bắt đầu hóa hơi (oC) 275 đến 300 Nhiệt độ cực đại hóa hơi hoàn toàn (oC) 400 đến 420

Theo các nghiên cứu của Shivkumar[22] thì khi phân hủy ở nhiệt độ dưới 500oC sẽ sinh ra các monostyrene, và các mảnh vụn của Polystyrene bảo hòa hay không bảo hòa

Khi phân hủy ở nhiệt độ trên 500oC các sản phẩm trên tiếp tục phân hủy tạo ra các phân tử ở thể khí như toluene, benzene và một lượng đáng kể cặn nhớt

Bảng 3.2 Lượng khí và cặn nhớ sinh ra [22]

Lượng khí sinh ra tại 750 oC (cm3/g) 230 Lượng khí sinh ra tại 1300 oC (cm3/g) 760

Trang 33

3.1.2 Cơ chế điền đấy khuôn trong công nghệ đúc mẫu hóa khí:

Theo Harry E Littleton và john Griffin[23] thì quá trình điền đầy trong đúc mẫu hóa khí được giải thích bằng 4 cơ chế đồng thời xảy ra: Cơ chế tiếp xúc (Contact mode), Cơ chế khoảng trống (gap mode), Cơ chế sụp

(collapse mode) và Cơ chế nhấn chìm (engulf mode)

a Cơ chế tiếp xúc:

Kim loại lỏng sẽ làm phân hủy mẫu xốp ở mặt tiếp xúc, sản phẩm phân hủy gồm khí duy chuyển về phía lớp sơn mẫu, tập trung và tạo một rãnh khoét trên mặt phân cách giữa mẫu xốp và sơn Tại đây xảy ra quá trình thoát sản phẩm phân hủy qua lớn sơn Mặt tiếp xúc sẽ tịnh tiến về hướng mẫu xốp theo vectơ u như hình

Trang 34

Hình 3.2 Cơ chế tiếp xúc (trái) Cơ chế khoảng trống (phải)[23]

b Cơ chế khoảng trống:

Cơ chế này nhầm giải quyết vấn đề khi rãnh khóet chứa chất phân hủy trong trong cơ chế tiếp xúc, không thoát ra ngoài kịp tốc độ tịnh tiến mặt tiếp xúc Khi đó rảnh khóet nằm ở phía sau của mặt kim loại lỏng tịnh tiến và tiếp tục phân hủy thành khí, tạo ra một khoảng không tiếp xúc với lớp sơn Khí trong kim loại lỏng tiếp tục duy chuyển xuyên qua kim loại lỏng và hòa vào khoảng không này

c Cơ chế sụp:

Trong cơ chế này, không còn mặt phẳng tịnh tiến như cơ chế tiếp xúc

mà kim loại lỏng sẽ thâm nhập vào các kẽ hở trên bề mặt mẫu xốp, và làm phân hủy xốp trong các kẽ hở này tạo ra các rãnh hình ngón tay ăn vào mẫu xốp

Hình 3.4 Cơ chế sụp[23]

Trang 35

d Cơ chế nhấn chìm:

Cơ chế này gần giống với cơ chế sụp, khi kim loại lỏng ăn vào mẫu xốp và bao vây một phần mẫu xốp, cắt phần mẫu xốp đó ra khỏi mẫu ban đầu Phần mẫu xốp sẽ phân hủy bên trong lòng kim loại lỏng và tạo ra các bong bóng khí rất to

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đấy trong đúc mẫu hóa khí:

Do đặc điểm của quá trình đúc mẫu hóa khí, các yếu sau đây đều ảnh hưởng đến độ điền đầy: cát làm khuôn, xốp làm mẫu, lớp sơn mẫu, hợp kim sử dụng, độ chân không, rung lèn chặt cát

a Cát làm khuôn: Cát làm đóng vai trò quan trọng không chỉ trong

phương pháp đúc mẫu hóa khí mà trong các phương pháp đúc khác: cát sét, cát nhựa… Trong phương pháp đúc mẫu hóa khí, cát có ảnh hưởng đến tốc độ thoát khí phân hủy mẫu xốp Nếu cát quá nhỏ và kích thước hạt quá phân tán, khi rung lèn chặt thì khoảng trống giữa các hạt cát rất hạn chế dẫn đến tốc độ thoát khí giảm  giảm độ điền đầy và tăng khuyết tật trong vật đúc

b Xốp làm mẫu: Nếu xốp làm mẫu có khối lượng riêng lớn, lượng

khí sinh ra nhiều, dẫn đến khí thoát ra không kịp làm giảm độ điền đầy Xốp có khối lượng riêng lớn chỉ thích hợp làm các mẫu có thành mỏng do độ bền cao

c Lớp sơn mẫu: Lớp sơn mẫu đống vai trò vô cùng quan trọng

trong công nghệ đúc mẫu hóa khí Ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ thoát sản phẩm phân hủy mẫu xốp Sơn quá dày, ít khe hở thoát khí dẫn đến thoát khí kém làm giảm độ điền đầy

d Hợp kim sử dụng: Hợp kim sử dụng có độ chảy loãng và nhiệt

độ rót càng cao thì càng tăng độ điền đầy Nhiệt độ rót của từng hợp kim khó thay đổi nên có thể tăng độ điên đầy cho hợp kim bằng các biện pháp tăng độ chảy loãng

e Độ chân không: Độ chân không càng lớn thì tốc độ thoát khí

càng tăng làm tăng độ điền đầy vật đúc Tuy nhiên nếu độ chân không quá lớn

sẽ sinh ra các khuyết tật cháy dính cát

f Rung lèn chặt: Rung lèn chặt rất quan trọng trong việc đảm bảo

độ bền của hỗn hợp làm khuôn Rung lèn chặt quá lâu và cường độ rung lớn làm giảm khả năng thoát khí dẫn đến giảm độ điền đầy

Kết luận: Các yếu tố trên đều ảnh hưởng đến độ điền đầy hầu như đều thông qua việc ảnh hưởng đến tốc độ và khả năng thoát khí sinh ra Còn một yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đầy là độ chảy loãng hợp kim Để đảm bảo đánh

Trang 36

giá được sự ảnh hưởng của rung đến độ điền đầy một cách khách quan nhất, cần đảm bảo các yếu tố trên ở giá trị cố định trong nghiên cứu

3.2 Đặc điểm của rung:

3.2.1 Đặc điểm và các thông số của đao động rung:

Hình 3.5 Biểu đồ dao động rung[24]

Các thông số cơ bảng của rung bao gồm: chu kỳ T (s), tần số f (Hz), tần số góc (rad/s)

Biểu thức liên hệ của các đại lượng trên:

Biên độ trong tính toán lấy giá trị bằng một nửa của biên độ trên

3.2.2 Biểu thức toán học của dao đồng rung:

Khi xét dao động rung người ta sẽ xét một dạng dao động đơn giản của dao động rung là dao động điều hòa:

Trang 37

 (rad) là pha của rung

Bảng 3.4 Giá trị điển hình của biên độ và tần số[24]:

3.2.3 Các đại lượng rung quan trọng cần được xét trong công nghệ đúc:

Trong công nghệ đúc, người ta thường xét 3 thông số quan trọng sau:

 Biên độ rung

 Tần số rung

 Gia tốc rung

Biên độ và tần số rung tương tự như các biểu thức đã nói ở trên Ta

sẽ xét thông số gia tốc rung

Gia tốc rung G: là đại lượng đặc trung cho sự thay đổi tốc độ rung theo thời gian (dv/dt hoặc d2x/dt2) Để dễ dàng ứng dụng trong quá trình sản xuất, gia tốc thường được quy đổi về giá trị của gia tốc trọng trường “g”

Trang 38

Biểu thức tính gia tốc theo biên độ và tần số:

20511 ,

3.3.1 Nhiệt động học chuyển pha:

Năng lương tự do G của pha luôn giảm theo nhiệt độ, G=H-T.S trong đó

H là entanpi và S là entropi Chuyển pha mới xảy ra nếu pha mới ổn định hơn, tức là có năng lượng tự do nhỏ hơn Sự biến đổi năng lượng tự đo  gv (tính trên một đơn vị thể tích) vào nhiệt độ của năng lượng tự đo pha rắn (g r) và pha lỏng ( gl) [25]

Trang 39

Hình 3.7 Biến đổi năng lượng tự do của hệ[25]

T0 là nhiệt độ kết tinh lý thuyết, tại T0 năng lượng của hai pha bằng nhau, kim loại lỏng ở trạng thái sệt Ở vùng T>T0 chỉ tồn tại pha lỏng, vì

r

l g

 , ở nhiệt độ T<T0 chỉ tồn tại pha rắn

Điều kiện kết tinh là  gr   gl, do đó chuyển pha lỏng rắn chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ T<T0,  T  T0 T được gọi là độ quá nguội.[25]

Động lực của chuyển pha:

l r

3.3.2 Lý thuyết ba động năng lượng:

Sự biến đổi Gcủa hệ trong qua trình kết tinh được đặc trưng bởi tổng ba đại lượng:[25]

 Năng lượng tự do của hệ (mầm và nền) giảm một đại lượng  Gv  V  gv, trong đó V là thể tích của mầm

 Xuất hiện bề mặt phân chia giữ nền và mầm với năng lượng bề mặt  GS  S , S là điện tích bề mặt mầm,  là năng lượng bề mặt (sức căng bề mặt) tính cho một đơn vị diện tích

Trang 40

 Xuất hiện năng lượng đàn hồi do thể tích riêng của nền và mầm khác nhau:  Gdh  V  gdh, trong đó gdh là năng lượng đàn hồi tính cho một đơn vị thể tính mầm

Sự thay đổi năng lượng tự đo khi tạo mầm:

 )

V G G G

3.3.3 Mầm tự sinh (mầm đồng thể):

Mầm tự sinh là những nhóm nguyên tử có kiểu mạng và thành phần hóa học gần giống như pha mới được hình thành trong nền của pha cũ và có thể lớn lên trong quá trình chuyển pha.[9]

Nếu mầm có dạng hình cầu bán kính r và  gdh không đáng kể thì biểu

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	3,59 MB