Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm kẽm

Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp phủ cứng nitrit trên cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao, hệ số ma sát

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai và TS Phạm Hồng Tuấn Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

1 PGS TS Nguyễn Thị Phương Mai Đinh Thanh Bình

2 TS Phạm Hồng Tuấn

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý và chia sẻ của mọi người Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể Thầy Cô hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS Phạm Hồng Tuấn, các Thầy cô đã hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành được luận án

Tôi cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Quý thầy cô Bộ môn Cơ khí Chính xác

và Quang học đã chỉ bảo và cho tôi những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em công tác tại Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, tập thể NCS tại Bộ môn đã chia sẻ cũng như tạo điều kiện giúp tôi

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Quang điện tử - Viện Ứng dụng công nghệ, Công ty TNHH MTV Cơ khí 17 - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, Trung tâm đo lường

- Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, đã nhiệt tình hợp tác và giúp đỡ tôi trong hỗ trợ vật tư, thiết bị thực nghiệm và thu thập số liệu nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp quốc phòng, Ban lãnh đạo Khoa Dạy nghề đã tạo điều kiện về chế độ, thời gian, công việc giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ

Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã chia sẻ, động viên giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, Ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Thanh Bình

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ

TẠO LỚP PHỦ CỨNG 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Đúc áp lực 4

1.2.1 Chu trình đúc áp lực 4

1.2.2 Khuôn đúc áp lực 5

1.2.3 Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực 7

1.2.4 Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ 11

1.2.5 Giải pháp nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ 19

1.2.6 Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng nâng cao tuổi bền khuôn và chốt tạo lỗ 23 1.3 Phương pháp chế tạo lớp phủ cứng 31

1.3.1 Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi 31

1.3.2 Phương pháp lắng đọng vật lý từ pha hơi 32

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp PVD 41

1.4.1 Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp PVD trên thế giới 41

1.4.2 Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp PVD tại Việt Nam 45

Kết luận chương 1 48

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ TiN TRÊN CHI TIẾT THÉP SKD61 49

2.1 Quy trình công nghệ tạo lớp phủ 49

2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ tạo lớp phủ bằng phương pháp PVD 49

2.1.2 Nội dung các bước công nghệ 49

2.2 Quá trình chế tạo lớp phủ CrN bằng phương pháp phún xạ 51

2.2.1 Thiết bị chế tạo lớp phủ cứng 51

2.2.2 Tạo lớp phủ CrN 55

2.2.3 Kết thúc lắng đọng lớp phủ 57

2.2.4 Nghiên cứu, xác định bộ thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron 58

2.2.5 Tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ CrN với nền thép SKD61 59

2.3 Công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng phương pháp hồ quang chân không 60

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý và thiết bị chế tạo lớp phủ 60

2.3.2 Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ TiN 61

2.3.3 Áp dụng bộ thông số công nghệ tối ưu của lớp phủ TiN để chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 65

Kết luận chương 2 66

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ TiN TRÊN CHI TIẾT SKD61 67

3.1 Khảo sát ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN bằng phương pháp phún xạ một chiều trên thiết bị chân không B30-VTD 67

3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm 67

3.1.2 Xác định chiều dày và tốc độ lắng đọng lớp phủ CrN 67

3.1.3 Cấu trúc lớp phủ 71

3.1.4 Độ cứng lớp phủ 74

3.1.5 Ứng suất mặt tinh thể 76

3.2 Tối ưu hóa các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 bằng thiết bị B30-VTD 79

3.2.1 Quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao 79

3.2.2 Tối ưu hóa quá trình chế tạo lớp phủ 91

3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo 93

3.3 Khảo sát ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng phương pháp hồ quang chân không trên thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD 95

3.3.1 Tính chất của lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 95

3.3.2 Tính chất của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 99

Kết luận chương 3 101

CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN VÀO THỰC TIỄN SẢN XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 102

4.1 Đặt vấn đề 102

4.2 Điều kiện thực nghiệm 102

4.2.1 Đối tượng nghiên cứu 102

4.2.2 Thiết bị đúc và điều kiện làm việc của khuôn 104

4.2.3 Chế tạo lớp phủ 108

4.3 Thử nghiệm trong sản xuất 111

4.3.1 Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực vòng ôm 111

4.3.2 Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực chi tiết giá đỡ 116

4.3.3 Đánh giá hiệu quả làm việc của các lớp phủ 119

Kết luận chương 4 120

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 127

DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu,

2 CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi Chemical Vapor Deposition

3 PVD Lắng đọng vật lý từ pha hơi Physical Vapor Deposition

5 EDS Phổ kế tán xạ năng lượng tia X Energy Dispersive X-ray

Spectroscopy

Microscopy

10 MFC Điều khiển lưu lượng khí Mass Flow Controler

cực một chiều

DC Cathode Sputtering Deposition

19 CFUBMS Phún xạ magnetron trường kín

không cân bằng

Closed field unbalanced magnetron sputtering

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6] 4

Hình 1.2 Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3] 5

Hình 1.3 Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13] 6

Hình 1.4 Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13] 6

Hình 1.5 Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14] 7

Hình 1.6 Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn tĩnh [40] 8

Hình 1.7 Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) 8

Hình 1.8 Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng) 9

Hình 1.9 Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) 9

Hình 1.10 Dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau 10

Hình 1.11 Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng) 10

Hình 1.12 Dòng kim loại lỏng trong khuôn và tác động vào chốt 10

Hình 1.13 Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62] 11

Hình 1.14 Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62] 11

Hình 1.15 Các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực [51] 12

Hình 1.16 Nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt khuôn [63] 13

Hình 1.17 Cơ chế phát triển vết nứt thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa [51] 15

Hình 1.18 Nhôm dính bám trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) 16

Hình 1.19 Dính bám nhôm trên chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) 16

Hình 1.20 Sự hình thành lớp liên kim trên bề mặt thép H13 [65] 17

Hình 1.21 Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực 20

Hình 1.22 Quy trình tôi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3] 20

Hình 1.23 Quy trình ram thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3] 21

Hình 1.24 Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13 và H13 thấm nitơ [65] 24

Hình 1.25 Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13, H13 thấm nitơ, H13 thấm nitơ + lớp phủ Ti/TiN [64] 24

Hình 1.26 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tỷ lệ dính bám nhôm sau 50 chu kỳ đúc của các chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ và không phủ [59] 26

Hình 1.27 Mất khối lượng bề mặt với chất xói mòn Al2O3 tác động ở góc 300 với vận tốc 145m/s [53] 28

Hình 1.28 Mất khối lượng bề mặt với chất xói mòn Al2O3 tác động ở góc 900 với vận tốc 100 m/s [53] 28

Hình 1.29 Sơ đồ thiết kế lớp phủ tối ưu cho khuôn đúc áp lực nhôm [34] 31

Hình 1.30 Cấu trúc của hai hệ thống mạ ion dùng trong môi trường plasma và chân không [9] 32

Hình 1.31 Sơ đồ hệ phún xạ (a) và hiệu ứng ion đập vào bia (b) [9] 34

Hình 1.32 Sơ đồ hệ phóng điện một chiều [7] 34

Hình 1.33 Sơ đồ hệ phóng điện cao tần [7] 35

Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý của một hệ phún xạ DC magnetron [9] 36

Hình 1.35 Hình dạng điện áp xung [16] 37

Hình 1.36 Sơ đồ phương pháp hệ hồ quang chân không [9] 38

Hình 1.37 Điểm hồ quang di chuyển trên bề mặt catôt để lại các vết ăn mòn [9] 39

Hình 1.38 Sơ đồ mô tả quá trình bốc bay hồ quang diễn ra trong buồng chân không [9] 39

Hình 1.39 Các hạt macro lắng đọng trên bề mặt đế được mạ bằng hồ quang chân không [9] 40

Hình 1.40 Sơ đồ nguyên lý các phương pháp giam giữ điểm catôt trên bề mặt catôt bằng từ trường [9] 40

Hình 1.41 Phổ nhiễu xạ lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ lệ FN2/FAr thay đổi, bias = -250 V [69] 42

Hình 1.42 Độ cứng và ứng suất dư lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ lệ nguyên tử Cr/N (tỷ lệ FN2/FAr) thay đổi, bias = -250 V [69] 42

Hình 1.43 Hệ số ma sát () lớp phủ CrN chế tạo ở điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr thay đổi từ 0,25  4, (a) Chu kỳ mài mòn, (b) Lực mài mòn [69] 43

Hình 1.44 Hệ số mòn (K) của lớp phủ CrN chế tạo ở điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr thay đổi từ 0,25  4 với lực mài mòn thay đổi [69] 43

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ [9] 49

Hình 2.2 Thiết bị chân không B30-VTD 51

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ xung một chiều magnetron sử dụng thiết bị B30-VTD 52

Hình 2.4 Gá mẫu trước khi phủ 53

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn đặc trưng V - A theo lưu lượng của khí Ar [9] 56

Hình 2.6 Đầu magnetron trên thiết bị B30-VTD 56

Hình 2.7 Vùng plasma khi chế tạo lớp phủ CrN trong buồng chân không B30-VTD (Nacentech) 57

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý thiết bị chân không chân không Dreva Arc 400-VTD và gá mẫu 60

Hình 2.9 Thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD 61

Hình 2.10 Các bước của quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ [9] 61

Hình 2.11 Gá mẫu và chi tiết trước khi phủ TiN (Nacentech) 62

Hình 2.12 Cấu tạo catôt rỗng [23] 62

Hình 2.13 Đầu hồ quang AS65M (Nacentech) 63

Hình 3.1 Mẫu thép SKD61 thí nghiệm (a) kích thước mẫu, (b) mẫu sau chế tạo và sơ đồ gá mẫu trong buồng chân không (c) 67

Hình 3.2 Máy mài Calotest (a) và vết mài trên kính hiển vi (b) (Nacentech) 68

Hình 3.3 Nguyên lý máy mài đo chiều dày lớp phủ - Calotest 68

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa tần số xung và tốc độ lắng đọng của lớp phủ CrN [42] 70

Hình 3.5 Kết quả thực nghiệm đo phổ nhiễu xạ XRD lắng đọng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung (f) khác nhau 71

Hình 3.6 Phân tích XRD của lớp phủ Cr và Cr/CrN ở hàm lượng N2 khác nhau [38] 72

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa hệ số cấu trúc Harris và nhiệt độ đế của lớp phủ CrN [42] 72

Hình 3.8 Các mẫu XRD của lớp phủ CrN lắng đọng ở 5 tần số [42] 73

Hình 3.9 Mối liên hệ giữa hệ số cấu trúc Harris với tần số xung của lớp phủ CrN [42] 73

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa hệ số cấu trúc Harris và thiên áp đế của lớp phủ CrN [42] 74

Hình 3.11 Mũi thử và vết đâm trên bề mặt 75

Hình 3.12 Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung độ cứng của lớp phủ CrN 87

Hình 3.13 Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến độ cứng của lớp phủ CrN 87

Hình 3.14 Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến độ cứng của lớp phủ CrN 88

Hình 3.15 Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến ứng suất mặt (200) của lớp phủ CrN 89

Hình 3.16 Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến ứng suất mặt (200) của lớp phủ CrN 90

Hình 3.17 Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến ứng suất mặt (200) của lớp phủ CrN 90

Hình 3.18 Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi lưu lượng khí N2 và tần số xung 92

Hình 3.19 Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi nhiệt độ đế và tần số xung 92

Hình 3.20 Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 92

Hình 3.21 Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến độ cứng (a) và ứng suất mặt (200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 94

Hình 3.22 Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến độ cứng (a) và ứng suất mặt (200)( b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 94

Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến độ cứng (a) và ứng suất mặt (200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 94 Hình 3.24 Kết quả thực nghiệm đo phổ tán xạ năng lượng EDS bề mặt lớp phủ TiN

(Nacentech) 96

Hình 3.25 Ảnh SEM bề mặt lớp phủ TiN (Nacentech) 96

Hình 3.26 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu phủ TiN (Nacentech) 97

Hình 3.27 Máy đo hệ số ma sát trượt VF 98

Hình 3.28 Kết quả đo hệ số ma sát trượt của TiN và SKD61 ở tải 100 g (Nacentech) 99

Hình 3.29 Phổ tán xạ năng lượng EDS lớp phủ CrN 99

Hình 3.30 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu phủ CrN 100

Hình 3.31 Hệ số ma sát trượt của lớp phủ CrN có lưu lượng khí N2 thay đổi và SKD61 với nhôm 100

Hình 4.1 Mẫu đo cơ tính lớp phủ 103

Hình 4.2 Chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm 103

Hình 4.3 Chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ 103

Hình 4.4 Máy đúc áp lực buồng lạnh ZDC - 250T (Z117 - Bộ Quốc phòng) 104

Hình 4.5 Khuôn đúc áp lực chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) 105

Hình 4.6 Sản phẩm của khuôn đúc vòng ôm 106

Hình 4.7 Máy đúc áp lực buồng nóng ZDC - 150 (Z117 - Bộ Quốc phòng) 106

Hình 4.8 Khuôn đúc áp lực giá đỡ 107

Hình 4.9 Chi tiết chốt gá trên bộ gá quay trước khi phủ CrN 108

Hình 4.10 Chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính trước khi phủ TiN 109

Hình 4.11 Chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính sau khi phủ TiN 109

Hình 4.12 Gá chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính trước khi phủ CrN 110

Hình 4.13 Chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính sau khi phủ CrN 110

Hình 4.14 Sơ đồ chốt thử nghiệm trên khuôn đúc áp lực vòng ôm 111

Hình 4.15 Dòng kim loại tác động lên chốt trong quá trình làm việc 113

Hình 4.16 Chiều sâu vết mòn trên chốt không phủ 113

Hình 4.17 Vết mòn chốt ở các vị trí khác nhau trên khuôn 114

Hình 4.18 Bề mặt chốt có phủ CrN bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron ở các góc tác động của dòng nhôm lỏng 115

Hình 4.19 Bề mặt chốt có phủ CrN bằng phương pháp hồ quang chân không ở các góc tác động của dòng nhôm lỏng 116

Hình 4.20 Sơ đồ bố trí chốt thử nghiệm trên khuôn đúc áp lực giá đỡ 116

Hình 4.21 Kích thước và vị trí xảy ra mòn 117

Hình 4.22 Hỏng trên chi tiết chốt giá đỡ phủ TiN 119

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tuổi thọ khuôn khi đúc các hợp kim và các dạng hỏng [63] 12

Bảng 1.2 Thành phần hóa học thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3] 19

Bảng 1.3 Tính chất lớp phủ PVD và lớp thấm nitơ thể khí [59] 25

Bảng 1.4 Lớp phủ và hệ lớp phủ được chế tạo [57] 26

Bảng 1.5 Kết quả thử rạch và mài của các lớp phủ [57] 27

Bảng 1.6 Chiều dày, thành phần và độ cứng tế vi các lớp phủ [53] 28

Bảng 1.7 Thông số công nghệ tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp phún xạ magnetron [1] 46

Bảng 1.8 Thông số công nghệ chế tạo lớp chuyển tiếp Ti bằng phương pháp phún xạ một chiều magnetron [12] 47

Bảng 1.9 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp phún xạ một chiều magnetron [12] 47

Bảng 1.10 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp hồ quang chân không [12] 47

Bảng 2.1 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 (Nacentech) 59

Bảng 2.2 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 sử dụng thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech) 64

Bảng 2.3 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 sử dụng thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech) 65

Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến chiều dày và tốc độ lắng đọng của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 (Nacentech) 69

Bảng 3.2 Thông số, chế độ lắng đọng Cr và CrN trên thép 1010 [38] 69

Bảng 3.3 Thông số lắng đọng phún xạ xung DC magnetron lớp phủ CrN [42] 70

Bảng 3.4 Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech) 75

Bảng 3.5 Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với tần số xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) 75

Bảng 3.6 Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) 76

Bảng 3.7 Độ cứng nền và lớp phủ CrN với hàm lượng N2 thay đổi [38] 76

Bảng 3.8 Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech) 77

Bảng 3.9 Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng khí N2 và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) 78

Bảng 3.10 Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với tần số xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) 78

Bảng 3.11 Các giá trị 0, ∆ 82Bảng 3.12 Ma trận thực nghiệm kế hoạch trực giao bậc 2 (k=3) và kết quả 84Bảng 3.13 Giá trị các hệ số b trong mô hình thực nghiệm kế hoạch trực giao bậc 2 85Bảng 3.14 Giá trị độ cứng và ứng suất mặt (200) tại các điểm thí nghiệm theo phương trình hồi quy bậc 2 trực giao 86Bảng 3.15 Kết quả tối ưu công nghệ chế tạo lớp phủ CrN 93Bảng 3.16 Cơ tính lớp phủ CrN với đế thép SKD61 khi được phủ với bộ thông số tối ưu 93Bảng 3.17 Kết quả thực nghiệm đo số lượng hạt macro trên bề mặt lớp phủ TiN (Nacentech) 97Bảng 4.1 Điều kiện đúc chi tiết vòng ôm (holder M/C) trên máy đúc ZDC - 250T 105Bảng 4.2 Điều kiện đúc chi tiết giá đỡ trên máy đúc ZDC - 150 107Bảng 4.3 Các chốt được phủ và không được phủ qua thử nghiệm trong khuôn đúc áp lực sản phẩm nhôm ADC6 112Bảng 4.4 Mòn trên chốt ở các vị trí khác nhau trong khuôn 113Bảng 4.5 Số lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thử nghiệm chốt có phủ

và không phủ trên khuôn giá đỡ 116Bảng 4.6 Kích thước lỗ 3,34 trên chốt sau thử nghiệm 118Bảng 4.7 Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các loại lớp phủ ứng dụng cho khuôn đúc áp lực 119

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án

Các lớp phủ cứng (hard coatings) mỏng trên cơ sở các vật liệu crôm (Cr) hay titan (Ti) được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các bề mặt khỏi sự cào xước, mài mòn, tăng tuổi thọ,

và trang trí Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp phủ CrN có độ cứng cao (1800  2100 HV), khả năng chống mài mòn, hầu như không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hóa học, hệ số ma sát tương đối nhỏ (~0,45)

Một ưu điểm nổi bật của lớp phủ CrN là khả năng chịu nhiệt cao Trong khi lớp phủ TiN (titanium nitride, một loại lớp phủ cứng rất phổ biến) chỉ làm việc an toàn ở nhiệt độ

400  450 0C, lớp phủ CrN có thể làm việc được ở mức 700  750 0C

Trên thế giới hiện nay, lớp phủ cứng được sử dụng phổ biến trong chế tạo khuôn mẫu

để tăng cao tuổi thọ, tăng chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu được công bố hầu hết tập trung vào các tính năng cơ bản của lớp phủ trên vật liệu nền mẫu và trong điều kiện phòng thí nghiệm Công nghệ ứng dụng các lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu crôm lên bề mặt khuôn mẫu là bí quyết riêng của các công ty và không hề được công bố

Hiện nay, các nghiên cứu để nâng cao tính năng của lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu crôm tiếp tục nhận được sự quan tâm bởi tiềm năng ứng dụng lớn Lớp phủ CrN bổ sung thêm một số kim loại khác như nhôm (Al) hay vanadi (V) vào thành phần của lớp phủ nhằm tạo ra các vật liệu có độ dẻo cao hơn hoặc có hệ số ma sát nhỏ hơn Ngoài ra, một hướng nghiên cứu khác là tạo lớp phủ đa lớp như CrN/TiN để phủ lên dụng cụ cắt gọt, hay CrN/Cr

để tăng khả năng bám dính của lớp phủ đối với vật liệu nền

Đối với nước ta, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công nghệ cao, có giá trị gia tăng cao, có tầm ảnh hưởng lớn đối công nghiệp cơ khí chế tạo và phụ trợ, và với sự phát triển kinh tế xã hội nói chung Hầu hết những loại khuôn có độ chính xác cao sử dụng trong công nghiệp phụ tùng ô tô, xe máy … các doanh nghiệp đều phải nhập ngoại với giá thành lên tới hàng trăm triệu đồng/bộ

Mặc dù có nhiều tiến bộ nhưng công nghệ xử lý bề mặt khuôn còn ở mức thấp với các phương pháp nhiệt luyện, thấm nitơ … dẫn đến ma sát tại các bề mặt lớn, tuổi thọ khuôn không cao, không có khả năng gia công các bề mặt có độ chính xác cao

Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp phủ cứng nitrit trên

cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao,

hệ số ma sát nhỏ, giảm mòn do ma sát không hình thành lẹo dao khi gia công…Đề tài nghiên cứu ứng dụng các lớp phủ cứng cho khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao tuổi bền, giảm ma sát mài mòn, và chống bám dính cho bề mặt Đây lại là sản phẩm có sản lượng lớn, thị phần cao tại Việt Nam, trong lĩnh vực dân sự và quốc phòng an ninh

Lý do lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến

cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm”nhằm nâng cao chất lượng

sản phẩm và tuổi bền khuôn đúc từ thép SKD61, cũng như tìm ra được bộ thông số công nghệ tối ưu khi chế tạo lớp phủ trên bề mặt khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm

2 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

a Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Nghiên cứu công nghệ PVD nhằm tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn làm

từ vật liệu SKD61

- Tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính khi chế tạo lớp phủ CrN cho chốt trên khuôn đúc áp lực nhôm - kẽm là lưu lượng khí N2, tần số xung và nhiệt độ đế

- Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất

b Đối tượng nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron và phương pháp hồ quang chân không

- Tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm

c Phương pháp nghiên cứu:

Kết hợp ứng dụng lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng

- Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ CrN đã chỉ ra mức

độ ảnh hưởng lớn nhất của lưu lượng khí tiếp theo là tần số xung và nhiệt độ đế

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Đưa công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm có thể là cơ sở áp dụng vào khuôn đúc áp lực khác nhau

- Phương trình hồi quy thực nghiệm xây dựng được có thể dùng để lựa chọn thông

số công nghệ chế tạo lớp phủ trên chốt trong khuôn đúc áp lực phù hợp điều kiện sản xuất

- Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trong luận án có thể làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và trong giảng dạy

4 Những kết quả mới

- Đã xây dựng được công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc

áp lực sản phẩm nhôm - kẽm

- Đã tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính tạo lớp CrN bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron là lưu lượng khí N2 = 7,23 cm3/phút, tần số xung = 120,5 kHz và nhiệt độ đế = 294,6 0Ctrên cơ sở hai phương trình hồi quy thực nghiệm

- Đã đánh giá các thông số của lớp phủ: độ cứng, hệ số ma sát, chiều dày, hợp thức, cấu trúc tinh thể, ứng suất dư mặt tinh thể tương ứng với các chế độ công nghệ khác nhau của hai phương pháp chế tạo phún xạ và hồ quang chân không

- Đã áp dụng kết quả của luận án vào thực tiễn sản xuất phủ lớp CrN, TiN trên chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ

có độ chính xác cao thì lớp phủ cứng là bắt buộc Vì thế, nghiên cứu chế tạo và sử dụng lớp phủ cứng nhằm nâng cao tuổi bền và chất lượng khuôn mẫu thực sự là một nhu cầu cấp thiết

và mang lại hiệu quả kinh tế xã hội lớn…

1.2 Đúc áp lực

1.2.1 Chu trình đúc áp lực

Đúc áp lực có thể sử dụng máy đúc buồng ép nóng hoặc máy đúc buồng ép nguội Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh, do pittông ép tạo ra Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây nên Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất khác nhau trong suốt một chu trình đúc Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn như trên hình Hình 1.1 [6]

Hình 1.1 Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6]

Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót Vận tốc của pittông ép và áp lực trong buồng ép còn nhỏ Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong buồng ép và xilanh thuỷ lực

Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép Tốc độ của pittông tăng lên và đạt giá trị cực đại v2 Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của dòng chảy trong buồng ép

Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn Do thiết diện rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép lại tăng lên Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà

áp suất ép tiếp tục tăng lên Sau khi các dao động áp suất tắt dần, áp suất đạt giá trị không đổi Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh

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

1.2.2 Khuôn đúc áp lực

Cấu tạo khuôn đúc áp lực

Khuôn đúc áp lực có cấu tạo phức tạp bao gồm nhiều bộ phận và chi tiết có chức năng riêng Cấu tạo khuôn và các bộ phận, chi tiết chính trong khuôn đúc áp lực thể hiện trong Hình 1.2 Vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt với các chi tiết khuôn trong (phụ lục 1, trang 128) Quá trình chế tạo khuôn ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc của khuôn bởi một số yếu tố: khả năng gia công, gia công bề mặt bằng tia lửa điện, xử lý nhiệt, độ ổn định kích thước, xử lý bề mặt, khả năng hàn [18],[21] Các bề mặt lòng khuôn I, II trên khuôn

chính (3) và bề mặt chốt tạo lỗ (5) trên Hình 1.2 được gọi chung là bề mặt khuôn khi làm

việc Các bề mặt này có cùng điều kiện làm việc, chịu tác động dòng kim loại lỏng có nhiệt

độ, vận tốc và áp lực đúc cao Trong trường hợp xét tác động của dòng chảy theo các hướng lên bề mặt khuôn mới cần phân biệt bề mặt lòng khuôn và bề mặt chốt tạo lỗ

Hình 1.2 Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3]

Điều kiện làm việc của khuôn khi đúc áp lực

Đúc áp lực là một quá trình sản xuất hàng loạt lớn, tạo ra vật đúc có hình dạng phức tạp, dung sai kích thước và chất lượng bề mặt cao Chế tạo từ 100.000  300.000 vật đúc trên một khuôn trong một loạt thông thường của khuôn Trong đúc nhôm áp lực, nhôm nóng chảy ở nhiệt độ từ 670  710 0C được phun vào khuôn, ở vận tốc từ 30  100 m/s, với áp lực phun là từ 50  80 MPa [20], [21], [71]

Trong chu kỳ đúc của khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm, nhiệt độ bề mặt khuôn thay đổi nhanh trong thời gian ngắn qua các giai đoạn: nhôm lỏng phun vào khuôn, nhôm đông

I

II

đặc, phun nước làm mát và dung dịch dầu bôi trơn (chống dính nhôm với bề mặt khuôn) Chu kỳ nhiệt trên bề mặt khuôn thay đổi theo chu kỳ đúc được thể hiện trong Hình 1.3, [13]

Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn được nung nóng từ 400  450 0C trong thời gian  1 giây

và giảm nhiệt từ 150  200 0C trong  20 giây [13], Hình 1.4 Quá trình làm mát khuôn cũng

có sự khác biệt giữa bề mặt và lõi khuôn Lõi khuôn được làm mát bởi hệ thống nước làm mát tuần hoàn bên trong, bề mặt khuôn được phun nước cùng chất bôi trơn bề mặt Hình 1.5.a cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt khuôn trong một chu kỳ đúc tăng từ 204 

510 0C trong  11 giây, tiếp theo nhiệt độ giảm từ 510  120 0C trong  40 giây, sau đó tăng lên 204 0C trong  13 giây; tại vị trí 12,7 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ tăng từ 220  320

0C trong  10 giây, sau đó giảm về 220 0C trong  44 giây; tại vị trí 38,1 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ thay đổi nhỏ xung quanh 230 0C trong  44 giây [14] Trong một chu kỳ đúc nhiệt độ thay đổi theo thời gian với khoảng thay đổi lớn nhất ở bề mặt khuôn và giảm dần ở các vị trí dưới bề mặt khuôn Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến ứng suất nhiệt, mức độ thay đổi kiểu ứng suất và độ lớn ứng suất cũng khác nhau với các vị trí từ bề mặt khuôn vào đến lõi khuôn Khi nung nóng, ứng suất xuất hiện trên bề mặt khuôn là ứng suất nén có giá trị - 317 MPa, khi làm mát ứng suất bề mặt khuôn chuyển từ nén sang kéo có giá trị 255 MPa, khi kết thúc làm mát bề mặt khuôn tồn tại ứng suất kéo là 138 MPa, Hình 1.5.b, [14]

Hình 1.3 Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13]

Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc Tuy nhiên, tác động về biến thiên nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của khuôn Những thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất

Hình 1.4 Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13]

Hình 1.5 Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14]

1.2.3 Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực

Vai trò của chốt tạo lỗ

Chốt tạo lỗ được sử dụng trong khuôn đúc áp lực để tạo ra các lỗ trên sản phẩm Tùy thuộc vào yêu cầu của lỗ trên sản phẩm (lỗ công nghệ hoặc lỗ không gia công) chốt tạo lỗ cũng có đặc điểm khác nhau Các lỗ công nghệ được sử dụng để định vị, gá đặt hoặc dẫn hướng cho các chốt của đồ gá khi gia công chi tiết Các lỗ không gia công trên sản phẩm thường được sử dụng theo yêu cầu chi tiết khi thiết kế Đối với hai dạng lỗ trên thì chất lượng

bề mặt và hình dáng hình học của lỗ được quyết định bởi bề mặt chốt tạo lỗ độ bền của chốt trong quá trình làm việc Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực có vai trò quan trọng đến sự hình thành và chất lượng cuối cùng của lỗ trên sản phẩm

Hình 1.6 Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn tĩnh [40]

Kết cấu, điều kiện làm việc chốt

a Kết cấu chốt

Kết cấu chốt tạo lỗ được chia làm hai phần chính là phần làm việc nằm trong lòng khuôn và phần cố định nằm trong tấm khuôn chính Hình dáng chủ yếu của chốt thường là hình trụ, một số khác là hình vuông hoặc chữ nhật tùy theo thiết kế lỗ trên chi tiết đúc Phần làm việc của chốt trong khuôn được chế tạo côn thu về phía đầu chốt đảm bảo đẩy chi tiết đúc dễ dàng Phần cố định của chốt gồm phần trượt và phần chống xoay đối với chốt cố định hoặc kẹp chặt đối với chốt trượt

Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm

Hình 1.7 Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng)

Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm có kích thước chế tạo như trên Hình 1.7, gồm

có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên tấm khuôn chính của khuôn động, đường tâm của chốt vuông góc với mặt phân khuôn Phần (I) có kích thước côn với góc 10và chiều dài L = 11+0,3mm, đảm bảo thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau khi đông đặc được dễ dàng Phần (II) gồm thân chốt và đuôi chốt, đuôi chốt có phần vát để định vị và chống xoay chốt trong khuôn, đồng thời phần bậc của chốt là phần gá giữ cố định chốt trong quá trình đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn Chốt được lắp đặt và

bố trí như trên Hình 1.9

Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ

Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ có kích thước chế tạo thể hiện trên Hình 1.8 Chốt có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên khối trượt của khuôn động, đường tâm của chốt song song với mặt phân khuôn Phần (II) chế tạo rãnh có kích thước 5x3,53 mm ở phần đuôi để định vị, chống xoay và kẹp chặt, đảm bảo thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau đông đặc và đưa chốt ra khỏi khuôn Chốt được lắp đặt và bố trí như trên Hình 1.11

Hình 1.8 Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng)

b Điều kiện làm việc của chốt trong khuôn

Trong quá trình làm việc, bề mặt chốt chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc Tuy nhiên, tác động về biến thiên nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của chốt Điểm khác biệt trong quá trình làm việc của chốt tạo lỗ và bề mặt lòng khuôn được thể hiện bởi tác động của dòng kim loại lỏng và khả năng thoát nhiệt khi đúc chi tiết Dòng chảy trên bề mặt khuôn là dòng tiếp tuyến với bề mặt khuôn Dòng chảy có hướng vuông góc với

bề mặt chốt, tại vị trí va đập xảy ra nhiễu động của dòng chảy Trong quá trình chi tiết đúc giảm từ nhiệt độ lỏng về nhiệt độ đông đặc thì khả năng thoát nhiệt của chốt rất kém do không có hệ thống làm mát giống như khuôn Những thay đổi nhiệt độ bề mặt chốt đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất

Tác động của dòng lỏng lên chốt trong quá trình đúc

Hình 1.9 Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc

phòng)

Trên Hình 1.9 mô tả dòng kim loại lỏng vào khuôn khi đúc sản phẩm vòng ôm Trên khuôn động bố trí để đúc được sáu sản phẩm trong một lần đúc Dòng kim loại lỏng có vận tốc lớn từ đậu rót theo rãnh dẫn đến các vị trí hốc khuôn tạo sản phẩm Khi vào hốc khuôn, dòng kim loại tác động trực tiếp và vuông góc với bề mặt chốt, lúc này bề mặt phía trước của chốt ngăn cản và làm thu hẹp dòng chảy vào hốc khuôn Trên Hình 1.10 thể hiện dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau Rãnh dẫn kim loại vào hốc khuôn

có tiết diện thu hẹp tạo làm tăng áp lực tác động lên bề mặt chốt Tại vị trí dòng kim loại tác động vuông góc với bề mặt chốt thường gây ra hiện tượng giảm cơ tính, lún hoặc lõm bề mặt sau một số chu kỳ đúc nhất định Vị trí dòng tác động tiếp tuyến với bề mặt chốt thường

bị xói mòn do dòng chảy, tại vị trí này tiết diện dòng chảy tiếp tục bị thu hẹp, áp lực dòng tăng lên, tuy nhiên lúc này là dòng chảy trên bề mặt

Hình 1.10 Dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau

Hình 1.11 Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc

phòng)

Hình 1.12 Dòng kim loại lỏng trong khuôn và tác động vào chốt

a) Vật đúc; b) Vật đúc được cắt qua mặt phân khuôn; c) Chốt tạo lỗ trong khuôn

Tác động của chu kỳ nhiệt lên chốt trong quá trình làm việc

Hình 1.13 Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62]

Thay đổi nhiệt độ chốt tạo lỗ và nhiệt khuôn có sự khác nhau rất lớn về khoảng biến thiên và nhiệt độ lớn nhất trong một chu kỳ đúc ổn định, Hình 1.14 [62] Khoảng biến thiên nhiệt độ của khuôn từ 280  380 0C và của chốt tạo lỗ từ 200  580 0C Do trong quá trình đúc khuôn được làm mát liên tục bằng hệ thống nước tuần hoàn liên tục nhằm giữ ổn định nhiệt độ khuôn Chốt tạo lỗ không được làm từ lúc đóng khuôn đến khi sản phẩm được đưa

ra khỏi khuôn Chốt được làm mát thông qua quá trình phun nước làm mát và dung dịch bôi trơn khuôn có áp lực lớn lên bề mặt khuôn và chốt trước khi chu trình đúc lặp lại, do vậy tốc

độ giảm nhiệt của chốt cũng rất nhanh Trên Hình 1.14 cho thấy trong một chu kỳ đúc nhiệt

độ lớn nhất của khuôn là 380 0C thấp hơn nhiều nhiệt độ của chốt là 580 0C

Hình 1.14 Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62]

Trong một chu kỳ đúc, bề mặt chốt tạo lỗ chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc như dòng chảy, biến thiên nhiệt độ, lớn hơn nhiều bề mặt khuôn Ngoài ra, các tác động

cơ học, tương tác hóa lý của kim loại lỏng với bề mặt chốt và ma sát với bề mặt lỗ khi đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn

1.2.4 Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ

Khuôn đúc làm việc chịu tác động của chu kỳ nhiệt và tải cơ học, do đó vật liệu khuôn, chốt tạo lỗ đòi hỏi phải có các cơ tính tốt trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao Tuổi thọ của khuôn đúc được thể hiện qua số lượng vật đúc đạt được, Bảng 1.1 [63] Tuổi thọ khuôn, chốt tạo lỗ chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ làm việc hay nhiệt độ hợp kim đúc Tuổi thọ khuôn đối với một vật liệu cụ thể cũng có thể thay đổi do thiết kế vật đúc, thiết kế khuôn cho sản phẩm đúc, chất lượng bề mặt gia công cuối cùng, tốc độ sản xuất, điều khiển

quá trình đúc, vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt khuôn, mức độ chấp nhận kích thước và bề mặt khuôn bị thay đổi Từ Bảng 1.1 cho thấy: Khi đúc các hợp kim có nhiệt độ cao thì tuổi thọ trung bình của khuôn giảm, tuổi thọ của các chốt tạo lỗ trong khuôn cũng thấp hơn khuôn từ

2 đến 10 lần

Hình 1.15 Các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực [51]

Chu kỳ đúc diễn ra rất ngắn, bề mặt khuôn chịu tác động nhiều nhất trong tất cả các giai đoạn (phun kim loại lỏng, tăng áp, vật đúc đông đặc, rút khuôn lấy vật đúc, phun dung dịch làm mát và bôi trơn) Cơ, nhiệt tác động và dòng kim loại nóng chảy là nguyên nhân gây ra: (a) mỏi cơ, nhiệt, bởi tác động nhiệt trên bề mặt của khuôn; (b) ăn mòn và hàn dính

do quá trình oxy hóa nhôm với bề mặt khuôn (c) xói mòn do dòng kim loại lỏng; (d) hỏng khốc liệt do sốc nhiệt; (e) nhiệt làm nóng vật liệu khuôn, làm cho tính chất cơ học bất ổn Hình 1.15 là các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực trong quá trình làm việc, [51]

Bảng 1.1 Tuổi thọ khuôn khi đúc các hợp kim và các dạng hỏng [63]

Hợp kim

đúc

Nhiệt độ đúc ( 0 C) Dạng hỏng

Tuổi thọ trung bình (số lần đúc) Khuôn Lõi (chốt tạo lỗ)

Mỏi nhiệt Xói mòn Nứt Lún/lõm

100.000  400.000 50.000  200.000

Mỏi nhiệt Xói mòn Nứt Lún/lõm

60.000  200.000 40.000  150.000

Mỏi nhiệt Xói mòn Nứt Lún/lõm

5.000  50.000 1.000  5.000

Mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Mỏi nhiệt là vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ do ứng suất nhiệt

từ nhiều chu kỳ đúc sau đó phát triển dần dần Trong một chu kỳ đúc, lớp vật liệu bề mặt khuôn chịu tác động nhiệt thay đổi do quá trình nung nóng của vật liệu đúc và làm mát bề mặt khuôn Sự thay đổi nhiệt tạo ra ứng suất thay đổi trên bề mặt dẫn đến biến dạng lớp bề mặt và hình thành vết nứt Vết nứt do mỏi nhiệt còn được gọi là nứt nhiệt, có thể thấy trên Hình 1.16

Hình 1.16 Nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt khuôn [63]

Các vết nứt do mỏi nhiệt được tạo ra bởi chu kỳ ứng suất, ứng suất kéo và biến dạng dẻo của vật liệu Nếu thiếu một trong các yếu tố trên thì không tạo ra vết nứt hoặc thúc đẩy vết nứt phát triển Biến dạng dẻo vật liệu tạo ra vết nứt và ứng suất kéo thúc đẩy vết nứt phát triển

Các yếu tố ảnh hưởng đến mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ bao gồm:

- Chu kỳ nhiệt của khuôn đúc: Nung nóng khuôn trước khi đúc, nhiệt độ bề mặt

khuôn, thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao, tốc độ làm mát khuôn Bề mặt khuôn cần được nung nóng trước khi tiến hành đúc, điều này làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa kim loại đúc và bề mặt khuôn Đối với đúc hợp kim nhôm, nhiệt độ nung nóng sơ bộ khuôn tối thiểu

là 180 0C giúp cho độ dai va đập khuôn cao gấp hai lần so với không nung nóng Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất công việc này thường bị bỏ qua, do đó tốc độ hình thành nứt do mỏi nhiệt diễn ra nhanh hơn và tuổi thọ khuôn giảm Nhiệt độ bề mặt khuôn ảnh hưởng lớn đến

sự xuất hiện của mỏi nhiệt Thép khuôn có khả năng làm việc bình thường ở nhiệt độ 600 0C với sự giãn nở nhiệt và ứng suất ở mức độ trung bình, nhưng ở nhiệt độ cao hơn nguy cơ nứt nhiệt trở nên đáng kể Nhiệt độ bề mặt khuôn được xác định thông qua nhiệt độ sấy sơ bộ, nhiệt độ đúc kim loại, thiết kế vật đúc, thiết kế khuôn đúc và tính chất vật liệu khuôn Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao làm tăng sự quá nhiệt và dão của vật liệu khuôn Điều này làm giảm độ bền cơ học của bề mặt khuôn, dẫn đến giảm khả năng chịu tải và tác động nhiệt Tốc độ làm mát khuôn nhanh sẽ dẫn đến ứng suất bề mặt lớn và dẫn đến vết nứt xuất hiện sớm hơn, làm giảm tuổi thọ khuôn nhanh hơn

- Tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ: Hệ số giãn nở nhiệt, độ

dẫn nhiệt, giới hạn bền nóng, chịu nhiệt độ cao, độ bền dão, độ dai Hệ số giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bề mặt khuôn Độ dẫn nhiệt cao làm giảm gradien nhiệt và giảm ứng suất nhiệt Giới hạn bền nóng của vật liệu khuôn cao làm giảm biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, chống nứt nhiệt giúp nâng cao tuổi thọ khuôn Khả năng chịu nhiệt độ cao của vật liệu

khuôn thể hiện thông qua chống biến mềm trong quá trình tiếp xúc nhiệt độ cao Nếu vật liệu khuôn có giới hạn bền nóng cao trở nên mềm trong quá trình sử dụng, điều đó có nghĩa nứt nhiệt bắt đầu tăng tốc Độ bền dão là khả năng của vật liệu khuôn chịu được tác động của nhiệt độ và lực cơ học Trong quá trình làm việc, vật liệu khuôn bị biến mềm nhanh bởi tác động của các lực cơ học, trong thực tế các vết nứt nhiệt cũng có thể được tạo ra ở nhiệt

độ không đổi kết hợp với tác động lực cơ học theo chu kỳ Độ dai của vật liệu khuôn là khả năng chống lại biến dạng dẻo và không bị nứt Độ dai ổn định với giới hạn bền nóng và chu

kỳ nhiệt nhất định, khi vết nứt nhiệt phát triển thì độ dai vật liệu khuôn giảm

- Ứng suất tăng: Các vị trí khuôn có gân, gờ, các lỗ, góc trong khuôn và độ nhám bề

mặt khuôn Các vị trí gân, gờ, lỗ, góc có sự thay đổi hình dáng hình học so với bề mặt phẳng trong khuôn, làm tăng gradien nhiệt và biến dạng tạo ra sự tập trung ứng suất Trong thực tế sản xuất, nứt nhiệt tập trung tại các vị trí này làm giảm tuổi thọ khuôn Độ nhám bề mặt khuôn ảnh hưởng đến sự bắt đầu vết nứt bởi sự tập trung ứng suất Tuy nhiên, độ nhám bề mặt không đòi hỏi quá cao để đảm bảo chất bôi trơn dính bám tốt và phân bố đều trên toàn

bộ bề mặt

Các nghiên cứu [14],[18],[20],[21],[22],[24],[25],[26],[51],[56] cho thấy: Vết nứt hình thành chủ yếu do ứng suất (do quá trình chế tạo, xử lý nhiệt bề mặt, quá trình sửa chữa, chu kỳ nhiệt, áp lực đúc), sau khoảng 2500 lần bắn khuôn Các vết nứt tập trung nhiều ở cổng phun với mật độ, độ dài, chiều sâu và giảm dần tại các vị trí xa cổng phun Trong khuôn các vị trí tập trung ứng suất tại cạnh hay góc bán kính nhỏ Kim loại lỏng có nhiệt độ, vận tốc dòng chảy cao, áp lực điền đầy khuôn lớn là tác động làm thay đổi cấu trúc, tổ chức tế vi vật liệu của bề mặt khuôn, giảm tính chất cơ học như độ cứng, độ bền Chu kỳ nhiệt với gradien nhiệt lớn, quá trình giãn nở và co của vật liệu khuôn làm phát sinh ứng suất, biến dạng gây hỏng cục bộ; do đó vết nứt xuất hiện Theo thời gian làm việc, vết nứt phát triển,

và tăng tốc khi kim loại lỏng điền đầy vết nứt và quá trình oxi hoá vết nứt cũng làm cho vết nứt phát triển Nứt trên bề mặt khuôn tạo ra gân (vết nhăn) trên vật đúc, làm giảm chất lượng

Sự phát triển vết nứt được thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa bề mặt làm việc và bề mặt của vết nứt Hình 1.17a Nguyên tử sắt từ lớp bề mặt thép khuếch tán vào bề mặt và oxy Khoảng trống trong lớp bề mặt thép được điền đầy với các thành phần hợp kim (Ni và Mo) Hình 1.17b Trên bề mặt của khuôn và các vết nứt một lớp oxit sắt thường được hình thành,

do sự có mặt của khí oxy và môi trường nhiệt độ cao Ngoài ra có mặt oxit nhôm và silic, là kết quả của phản ứng giữa oxy không khí và hợp kim nhôm Trong trường hợp thép

mactenxit, coban và niken khuếch tán về phía thép của ranh giới, nơi tập trung của chúng là cao hơn Hình 1.17b Ảnh hưởng tiêu cực của các lớp oxit là giãn nở nhiệt thấp, khối lượng lớn hơn và dòn Sự có mặt của nitơ và hợp kim nhôm bên trong các vết nứt, làm tăng ứng suất kéo ở đầu vết nứt (trong giai đoạn làm mát của chu kỳ), gây ra sự phát triển của các vết nứt Hình 1.17c Ứng suất kéo trong giai đoạn làm mát của chu kỳ, nguyên nhân hình thành vết nứt cục bộ trong các lớp oxit và trong điền đầy vết nứt Hình 1.17c Điều này gây mở rộng vết nứt do dòn của lớp oxit và sự khác biệt trong giãn nở nhiệt giữa các lớp oxit và lớp thép dưới bề mặt Các vết nứt này hoạt động như các kênh để đưa hợp kim nhôm và khí oxy vào các vết nứt Hình 1.17c Khí oxy không trong môi trường nhiệt độ cao gây ra quá trình oxy hóa của đầu vết nứt

Hình 1.17 Cơ chế phát triển vết nứt thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa [51]

Khuôn đúc hỏng khi ứng suất lớn hơn độ bền của thép Những ứng suất là: (a) ứng suất dư, được tạo ra trong quá trình gia công khuôn, mài, xử lý nhiệt không tối ưu, và lỗi thiết kế khuôn; (b) ứng suất trong khi đúc, tức là ứng suất nhiệt-cơ học Để giữ khuôn có tuổi thọ dài, những ứng suất nên giữ ở mức thấp có thể Ứng suất dư có thể tối thiểu, nếu khuôn được thiết kế tối ưu, gia công và xử lý nhiệt được thực hiện một cách chính xác Trong hoạt động của khuôn, một điều phải ngăn chặn sốc nhiệt cao, vị trí vật liệu có nhiệt độ quá cao, áp lực không đồng đều, có thể dẫn đến khuôn bị phá huỷ thảm khốc Khuôn liên tục bị nung nóng và làm lạnh trong chu kỳ hoạt động Điều này tạo ra gradient nhiệt và theo đó là ứng suất nhiệt, mà theo chu kỳ thay đổi cường độ và hướng của nó, tạo ra mỏi nhiệt của vật liệu khuôn Các vết nứt bề mặt được tạo ra, lan truyền và tăng lên theo chu kỳ, tạo ra vết (gân) trên bề mặt vật đúc Như vậy khuôn phải được thay thế hoặc các vết nứt phải được sửa chữa bằng cách hàn Nứt bề mặt phụ thuộc rất lớn vào khả năng chống mỏi nhiệt của vật liệu khuôn, phụ thuộc vào vật liệu làm khuôn, xử lý nhiệt khuôn, và các thông số quá trình đúc Khả năng chống mỏi nhiệt giảm khi nhiệt độ hoạt động cao hơn thông số khuôn đúc, trong đó tạo ra gradient nhiệt là nghiêm trọng Khả năng chống mỏi nhiệt cũng giảm trong vật liệu với

độ bền nhiệt thấp của cơ tính và nếu xử lý nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ ủ thấp hơn [22]

Ăn mòn, xói mòn bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Ăn mòn bởi kim loại đúc nóng chảy

Trong quá trình đúc, kim loại nóng chảy được phun (bắn) vào khuôn với áp lực phun

và tốc độ dòng chảy lớn Trong trường hợp bề mặt khuôn không có lớp bảo vệ, kim loại nóng chảy sẽ khuếch tán vào bề mặt khuôn Đồng thời, các nguyên tố trong vật liệu khuôn (đặc biệt là Fe) sẽ khuếch tán vào kim loại nóng chảy Các quá trình này có thể tạo ra sự hòa tan của vật liệu khuôn và các hợp chất liên kim loại giữa kim loại khuôn và kim loại đúc

Khi tạo ra hợp chất liên kim thì kim loại đúc sẽ dính bám trên bề mặt khuôn Hình 1.18 cho thấy nhôm dính trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm trong quá trình đúc Hình 1.19 là ảnh hưởng của dính bám nhôm trên chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vòng ôm trong sản xuất

Hình 1.18 Nhôm dính bám trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng)

Hình 1.19 Dính bám nhôm trên chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc

phòng) Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn

Nhiệt độ của vật liệu đúc: Một số vật liệu đúc có nhiệt độ giới hạn cao hơn nhiệt độ đúc, khi đó tốc độ ăn mòn tăng lên Kẽm bắt đầu phản ứng với thép khuôn ở nhiệt độ khoảng

480 0C, nhôm ở 720 0C

Thiết kế khuôn: Nếu kim loại nóng chảy được phun vào khuôn ở tốc độ quá cao sẽ dẫn đến chất bôi trơn (chống dính) trên bề mặt khuôn có thể bị cuốn trôi, khi đó kim loại lỏng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt khuôn Vận tốc dòng kim loại lớn do thiết kế cổng phun kim loại của khuôn không chính xác

Xử lý bề mặt khuôn: Việc xử lý bề mặt khuôn cũng rất quan trọng Nếu tránh được

sự hình thành liên kim giữa kim loại khuôn và kim loại đúc sẽ giảm được ăn mòn bề mặt khuôn Bề mặt khuôn được thấm nitơ hoặc ứng dụng lớp phủ bề mặt tạo ra được sự bảo vệ nhất định, giảm ăn mòn khuôn

Xói mòn bởi kim loại đúc nóng chảy

Xói mòn là một dạng mòn cơ học trên bề mặt khuôn ở nhiệt độ cao, chủ yếu do dòng

chảy của kim loại lỏng Xói mòn bề mặt khuôn phụ thuộc vào vận tốc của dòng kim loại lỏng phun vào khuôn, nhiệt độ và thành phần kim loại Vận tốc dòng vượt quá 55 m/s làm tăng đáng kể mức độ xói mòn bề mặt khuôn Nhiệt độ cao của kim loại đúc khi tiếp xúc bề mặt khuôn làm cho bề mặt khuôn bị nung nóng trở lại Các hạt cứng, tạp chất trong nhôm hoặc nhôm có thành phần silic lớn hơn 12,7% làm tăng khả năng xói mòn Thông thường ăn mòn và xói mòn là hai dạng hỏng kết hợp xảy ra trên bề mặt khuôn, phụ thuộc vào vận tốc

và nhiệt độ của dòng kim loại chảy vào khuôn Ở vận tốc cao thì xói mòn bề mặt khuôn chiếm ưu thế hơn Khả năng chống ram lại (giảm độ cứng của các hạt cacbit) và giới hạn bền nóng cao của vật liệu khuôn cũng có tác dụng làm giảm xói mòn, ăn mòn và nâng cao tuổi thọ khuôn

Nghiên cứu về cơ chế dính bám nhôm và xói mòn bề mặt khuôn [60],[71],[65],[44], [45],[61] cho thấy: Tương tác hoá lý giữa kim loại lỏng với bề mặt khuôn đúc ở nhiệt độ cao hình thành lớp liên kim loại (AlxFeySiz) ở lớp chuyển tiếp nhôm lỏng-thép khuôn Hình thái của lớp liên kim phụ thuộc vào thành phần của hợp kim đúc và thép khuôn, nhiệt độ của hợp kim đúc và thời gian tiếp xúc Đó là quá trình khuếch tán trạng thái rắn hoặc phản ứng và khuếch tán vào kim loại lỏng, được thúc đẩy bởi nhiệt độ và gradient nồng độ, hình thành lớp hàn dính Quá trình hoà tan lớp liên kim vào nhôm lỏng làm giảm khối lượng thép khuôn

Ăn mòn và hàn dính hình thành ngay từ đầu quá trình đúc; đầu tiên là hàn dính, tiếp theo là lớp hàn dính bị hoà tan [65] Quá trình này xảy ra ngay từ khi khuôn bắt đầu làm việc, tại những vị trí trong khuôn nơi kim loại lỏng va đập trực tiếp và góc cạnh tiếp xúc nhiều với kim loại lỏng Quá trình này làm cho điều kiện ma sát của thép khuôn xấu đi, để lại trên bề mặt vật đúc các vết xước

Sự hình thành liên kim loại được chia thành bốn giai đoạn Năng lượng tự do của bốn giai đoạn, FeAl, FeAl2, Fe2Al5 và FeAl3 như sau:

Fe(a) + Al(a) ⇒ FeAl(s), G0 = -490.6 kcal/mol

FeAl(a) + Al ⇒ FeAl2(s), G0 = -140.3 kcal/mol

FeAl2(a) + Al ⇒ Fe2Al5(s), G0 = -84.83 kcal/mol

Fe2Al5(a) + Al ⇒ FeAl3(s), G0 = -120.65 kcal/mol

Hình 1.20 Sự hình thành lớp liên kim trên bề mặt thép H13 [65]

Có hai cách có thể hình thành được lớp liên kim tại bề mặt chuyển tiếp, khuếch tán trạng thái rắn hoặc phản ứng và khuếch tán vào kim loại lỏng Sự khuếch tán trạng thái rắn

sẽ xảy ra khi nhôm lỏng quá bão hoà lắng đọng trên bề mặt thép khuôn Khuếch tán trạng thái rắn nhôm-sắt này được thúc đẩy bởi nhiệt độ và gradient nồng độ Nó là một quá trình chậm và do đó không xảy ra trong khi đúc, nơi một chu kỳ phun điển hình diễn ra trong mili

giây Mặt khác, phản ứng hóa học và khuếch tán vào kim loại lỏng có thang thời gian nhỏ hơn nhiều, và rất có thể cơ chế chủ yếu sau hình thành liên kim loại và hàn dính Sự chuyển động của lỏng-rắn, khuếch tán xảy ra trước mất mát khối lượng hoặc hoà tan Hình 1.20 là lớp liên kim trên bề mặt thép H13

Sự hình thành và phát triển của lớp liên kim loại trong khuôn trường hợp không có một rào cản khuếch tán có thể được giải thích như sau:

- Giai đoạn 1: Trong khi phun kim loại lỏng và đông đặc, khuếch tán nhôm và các nguyên tử sắt xảy ra trên bề mặt chuyển tiếp để tạo thành lớp liên kim FexAlySiz tại bề mặt chuyển tiếp Silic thay đổi hệ số động học và độ hòa tan của sắt trong nhôm

- Giai đoạn 2: Một chu kỳ đúc mới bắt đầu và kim loại lỏng được vào lòng khuôn Động lực cho sự khuếch tán là thấp do sự có mặt trước của lớp liên kim loại Có đủ động lực cho các lớp liên kim tiếp tục phát triển Động lực cho hoà tan trong giai đoạn này là cao nhưng vẫn thấp hơn so với khuếch tán

- Giai đoạn 3: Trong các chu kỳ tiếp theo, độ dày của các lớp liên kim FexAlySiz đạt đến giới hạn tới hạn, động lực cho sự khuếch tán đã giảm đáng kể và trở thành động lực cho hoà tan trở nên ưu thế Hàn dính hoà tan trong kim loại nóng chảy

- Giai đoạn 4: Mất mát khối lượng đã diễn ra trên bề mặt khuôn nhưng là tự do của lớp liên kim loại Động lực cho sự khuếch tán tăng do mất FexAly vào kim loại lỏng nhưng vẫn không đáng kể so với động lực cho hoà tan Động lực cho hoà tan giảm với tăng độ dày lớp liên kim loại

- Giai đoạn 5: Quá trình tuần hoàn của sự phát triển hàn dính và hoà tan vẫn tiếp tục trong khi bề mặt khuôn liên tục mất sắt vào kim loại lỏng

Sự phát triển hàn dính và hòa tan trong hợp kim nhôm đúc sử dụng khuôn đúc bằng thép dựa trên các nghiên cứu: Tương tác hóa lý giữa thép khuôn và nhôm lỏng đầu tiên hình thành lớp liên kim và sự mất mát khối lượng thép khuôn bởi sự hòa tan của lớp liên kim loại Lớp liên kim loại hình thành dựa trên nhiệt động học và khái niệm giảm năng lượng tự do Gibb’s Một mô hình đã được đề xuất dựa trên sự khuếch tán và hòa tan của thép khuôn trong nhôm lỏng để tạo thành lớp liên kim và mất mát khối lượng Được khẳng định qua phân tích cấu trúc tế vi và kiểm tra phun khuôn cho thấy điều kiện ma sát của thép khuôn xấu đi bởi lớp liên kim loại Thấm ni tơ ngăn cản hình thành lớp liên kim loại có kết quả trong giảm hàn dính bề mặt tự do

Lún/lõm bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Vết lún/lõm trên bề mặt khuôn thông thường do độ cứng nóng vật liệu khuôn thấp

Ở nhiệt độ cao, độ bền và độ cứng của vật liệu khuôn sẽ giảm Lún/lõm trên khuôn sẽ tăng lên khi tăng nhiệt độ làm việc của khuôn Điều này đặc biệt quan trọng đối với khuôn đúc khi đúc các hợp kim nhôm, magie và đồng

Nứt tổng hợp của khuôn

Nứt tổng hợp là quá trình hình thành vết nứt lớn, tổng hợp nhiều dạng sai hỏng, được hình thành ở giai đoạn cuối tuổi thọ khuôn, khi này khuôn phải được sửa chữa hoặc thay thế Sốc nhiệt tạo ra nứt tổng hợp trên bề mặt khuôn trong quá trình làm việc, nứt xảy ra do bề mặt khuôn bị quá nhiệt Đây là nguyên nhân thường gặp nhất dẫn đến hỏng toàn bộ bề mặt khuôn Thực tế trong khuôn các ứng suất lan truyền theo mọi hướng, vì vậy vật liệu khuôn

cần có độ bền cao với khả năng tích lũy được các ứng suất kéo mà không bị nứt ở các vị trí tập trung ứng suất

Các dạng hỏng và mức độ hỏng là khác biệt ở các vị trí, bộ phận khác nhau trong khuôn đúc do tác động khắc nghiệt của điều kiện làm việc Tuy nhiên, trong khuôn chi tiết chịu tác động nhiều và mạnh nhất là các chốt tạo lỗ cho chi tiết đúc Vì chốt tạo lỗ thường không được kết nối với hệ thống làm mát của khuôn, nhiệt ở phần làm việc của chốt có thể cao tới 600 0C Bề mặt chốt ở vị trí tạo lỗ cho vật đúc thường xuyên bị bao bọc bởi kim loại lỏng, khả năng truyền nhiệt trong quá trình hình thành vật đúc chậm Khi lấy vật đúc ra khỏi khuôn, tạo ra lực ma sát giữa vật đúc và chốt tại vị trí tạo lỗ Khi phun dung dịch làm mát và bôi trơn, vị trí này toả nhiệt nhanh hơn so với các bề mặt phẳng của khuôn, mức độ thay đổi nhiệt độ lớn Thực tế sản xuất cho thấy, tuổi thọ chốt tạo lỗ ngắn hơn rất nhiều so với tuổi thọ khuôn Sự dính bám nhôm lỏng và tác động cơ nhiệt gây ra hỏng bề mặt chốt đồng thời cũng gây ra hỏng bề mặt lỗ trên vật đúc

1.2.5 Giải pháp nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ

Giải pháp về vật liệu chế tạo

Các tính chất quan trọng nhất cần thiết của vật liệu chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ là khả năng chống mỏi nhiệt và khả năng chống biến mềm ở nhiệt độ cao Khả năng chống biến mềm là cần thiết để chịu được tác động ăn mòn của kim loại nóng chảy dưới áp lực và tốc

độ phun cao Hiệu suất của khuôn đúc áp lực có liên quan đến nhiệt độ đúc của kim loại đúc, các gradient nhiệt trong khuôn đúc và tần số tiếp xúc với nhiệt độ cao Trong quá trình đúc khuôn áp lực cao bằng nhôm, khuôn đúc phải chịu được các điều kiện vận hành khắc nghiệt như áp suất cao và dao động nhiệt độ nhanh, theo thời gian hỏng hóc khuôn xảy ra Do đó thép làm khuôn đúc áp lực có các yêu cầu sau:

- Tính bền nhiệt cao tức là khả năng bảo đảm bề mặt làm việc của khuôn không bị biến dạng dẻo, tính năng này có thể đánh giá qua chỉ tiêu giới hạn chảy ở nhiệt độ cao hoặc

độ cứng ở nhiệt độ cao không nhỏ hơn 45  50 HRC

- Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt của thép có quan hệ mật thiết với độ dai của nó Thông thường yêu cầu ở nhiệt độ thường độ dai của thép không nhỏ hơn 35 J/cm2, ở nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ hơn 50 J/cm2

- Độ bền mỏi nhiệt cao: Thông thường thép có tính bền nhiệt và độ dai càng cao, hệ

số giãn nở nhiệt càng nhỏ thì độ bền mỏi nhiệt càng cao

- Có khả năng chống dính bám, ăn mòn và xói mòn bởi dòng kim loại lỏng

Bảng 1.2 Thành phần hóa học thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3]

Thành phần hóa học %

0,32  0,42 0,8  1,2 ≤ 0,5 4,5  5,5 1,0  1,5 0,8  1,2 Vật liệu của khuôn, chốt tạo lỗ được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt Về vật liệu, xử lý nhiệt, xử lý

bề mặt của các linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu được thể hiện trong (phụ lục 1, trang 128) Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm được sản xuất chủ yếu bằng thép SKD61,

Giải pháp về xử lý nhiệt khuôn, chốt tạo lỗ

Xử lý nhiệt là phương pháp truyền thống (tôi + ram) để nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ trong sản xuất Xử lý nhiệt qua công đoạn thể hiện trong Hình 1.21 nhưng đặc biệt điều quan trọng là phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường Nếu điều kiện nhiệt độ tôi, ram bị sai lệch thì sẽ dẫn đến bất thường trong tổ chức, bất thường về

độ cứng, dẫn đến thoát cacbon của bề mặt và trở thành nguyên nhân của tình trạng sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ của khuôn

Hình 1.21 Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn, chốt tạo lỗ

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình nhiệt luyện khuôn Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn Hình 1.22

Hình 1.22 Quy trình tôi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3]

Để đạt được độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 có thể tôi ở các nhiệt độ khác nhau

từ 950 0C đến 1100 0C Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao hơn, thời gian dài hơn Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì tính cứng nóng

và độ bền nóng sẽ được cải thiện

Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 1080 0C) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm Trái lại, nung tôi ở nhiệt độ thấp quá (dưới

1000 0C) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn

Kết quả nghiên cứu cho thấy nung tôi SKD61 tốt nhất ở 1020  1070 0C Giới hạn dưới dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt khi nung tôi dài Giới hạn trên dùng cho các khuôn nhỏ, thành mỏng dưới 20 mm Môi trường làm nguội khi tôi khuôn SKD61 tốt nhất

là dầu nóng Dùng quạt thổi gió lạnh để tôi cũng có thể áp dụng cho khuôn nhỏ Song đối với khuôn lớn, thổi gió lạnh không đủ để làm nguội nhanh trong lõi do đó độ cứng trong lõi thấp, chất lượng sẽ kém đi

Chế độ ram cũng ảnh hưởng tới tính cứng nóng nhưng theo chiều hướng ngược lại: Nhiệt độ ram lớn hơn 600 0C tính cứng nóng giảm mạnh do hiện tượng tiết cacbit làm nền thép nghèo nguyên tố hợp kim đi, do đó tính cứng nóng giảm

Ram ở nhiệt độ thấp (500, 550 0C) độ cứng giảm chậm theo thời gian, nhưng khả năng chống mài mòn kém vì không tận dụng được độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit

dư thành mactenxit khi ram Kết quả tốt nhất là ram 2 lần ở nhiệt độ từ 570  590 0C, Hình 1.23

Hình 1.23 Quy trình ram thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3]

Phân tích các kết quả trên có thể nhận thấy rằng tôi và ram thép SKD61 ở các chế độ khác nhau có thể cho cùng một giá trị độ cứng (ví dụ từ 48  53 HRC) ở nhiệt độ thường nhưng độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao thay đổi theo thời gian rất khác nhau Hơn nữa nung tôi ở nhiệt độ thấp, chi phí năng lượng giảm đi, giảm nguy cơ gây nứt khi tôi

Giải pháp về công nghệ chế tạo vật liệu

Hiện nay, kiểm soát thành phần theo mác vật liệu đòi hỏi trình độ cao về luyện kim cũng như thiết bị nấu luyện hiện đại tạo ra sự đồng đều các nguyên tố hợp kim và loại bỏ được các tạp chất phi kim ảnh hưởng đến tính chất cơ học như P, S, O trong thép là rất khó khăn.Giải pháp về gia công chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ

Hầu hết khuôn và chốt tạo lỗ được gia công chủ yếu trên các máy công cụ chính xác (CNC) như tiện, phay, mài Quá trình gia công chế tạo khuôn và chốt phải đảm bảo chất lượng bề mặt cuối cùng đáp ứng yêu cầu làm việc Bề mặt cuối cùng ảnh hưởng đến chất lượng, cũng như độ chính xác của sản phẩm đúc, do vậy chi phí sản xuất khuôn và chốt cũng ảnh hưởng rất nhiều đến chi phí sản xuất đúc, gây ảnh hưởng đến giá thành vật đúc

Công nghệ gia công bề mặt bằng tia lửa điện gần đây đã được áp dụng cho gia công chế tạo khuôn và chốt tốc độ gia công, năng suất cũng như chất lượng bề mặt được nâng cao Tuy nhiên, phương pháp này làm nóng chảy một lớp mỏng vật liệu bề mặt trong quá trình gia công, gây ảnh hưởng chuyển biến tổ chức của vật liệu dưới lớp bề mặt, do đó làm giảm hiệu suất làm việc của vật liệu

Giải pháp về xử lý bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Ngoài phương pháp nhiệt luyện (tôi và ram) truyền thống, để nâng cao chất lượng bề mặt khuôn và chốt, hiện nay đã áp dụng phương pháp xử lý bề mặt như thấm cacbon hoặc nitơ để nâng cao độ cứng, chống mài mòn cho khuôn và chốt Phương pháp góp phần làm giảm ma sát bề mặt với nhôm trong quá trình làm việc, nâng cao tuổi bền khuôn và chốt Chiều dày lớp thấm tốt nhất trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 mm Nếu chiều dày nhỏ hơn, khuôn chóng bị mòn, tuổi thọ thấp, nếu lớn quá cũng không tốt vì lớp thấm dễ bị bong tróc Trong thành phần cơ cấu, lớp thấm cần có một lượng pha nitơrit hợp kim có độ cứng cao để tăng tính chống mài mòn Tuy nhiên, nếu lượng pha này nhiều quá, lớp thấm sẽ bị giòn

Thấm nitơ là giai đoạn cuối cùng trong sản xuất khuôn Sau một quá trình làm việc, khuôn bị mòn đi hoặc sự đồng đều độ cứng trên bề mặt khuôn không đảm bảo làm giảm chất lượng sản phẩm Vì vậy, sau một số chu kỳ vận hành, hoặc sau một số lượng sản phẩm nhất định (tùy theo hình dáng và kích thước chi tiết để định lượng sản phẩm), khuôn được phục hồi bằng cách chỉnh hình (nếu cần) và thấm nitơ lại Tiếp theo, khuôn còn được làm việc và thấm lại cho đến khi chất lượng khuôn không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật nữa Một khuôn thường được thấm nitơ phục hồi nhiều lần Thực tế cho thấy, có khuôn có thể thấm lại và sử dụng được hàng chục lần, có khuôn chỉ được vài lần đã hỏng Vấn đề đặt ra là có thể thấm lại bao nhiêu lần để khuôn có thể làm việc với số chu kỳ lớn nhất và không bị sứt, vỡ, biến dạng trong quá trình làm việc

Đặc điểm của khuôn đã qua sử dụng và thấm nitơ nhiều lần

Trong quá trình làm việc do ma sát với nhôm lỏng, bề mặt khuôn dần bị mài mòn đi Càng sâu vào phía trong càng mềm, do đó tốc độ mài mòn càng nhanh

Thấm nitơ không những tạo ra lớp bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt mà còn làm tăng thể tích bù lại lượng mất đi do mài mòn

Bất lợi khi thấm nitơ là nitơ khuếch tán dần từ bề mặt vào lõi nên chiều dày lớp thấm của các khuôn cũ thấm lại tăng lên rất nhiều (tất nhiên không tăng tuyến tính theo thời gian) Chiều dày lớp thấm quá lớn làm giảm khả năng chịu uốn và chịu dai va đập của khuôn Ngoài ra, hiện tượng tiết nitơrit ở những vùng có nhiệt độ thích hợp làm cho hàm lượng nitơ tập trung rất cao, dễ gây bong tróc dưới tác động cơ nhiệt

Do khuôn bị nung nóng nhiều giờ trong quá trình làm việc và thấm nitơ lại, nên độ cứng của lõi dần giảm đi; nghĩa là chênh lệch độ cứng bên trong của khuôn và lớp bề mặt ngày càng lớn Khi đúc áp lực cao, nền mềm bị lún xuống, dẫn đến gãy vỡ lớp thấm hoặc

sứt khuôn, hoặc khuôn có thể bị biến dạng khi chịu lực ép

Trong quá trình làm việc, do bề mặt khuôn tiếp xúc với nhôm, nhôm khuếch tán vào

bề mặt khuôn Sự có mặt của nhôm làm cho quá trình thấm thuận lợi hơn, tạo ra nhiều nitơrit nhôm trên bề mặt khuôn làm tăng độ cứng và chiều dày lớp thấm Có nhôm thấm nitơ sẽ dễ dàng hơn, song nhiều quá thì dễ gây tập trung Al-N ở gần bề mặt dễ gây bong tróc Để giữ được độ bền, tính cứng nóng của khuôn đòi hỏi phải nhiệt luyện đúng chế độ Ngoài ra khuôn còn bị giảm độ cứng lõi do bị nung nóng gia nhiệt trước mỗi chu kỳ đúc và trong quá trình đúc Quá trình đó thường thực hiện trong môi trường không bảo vệ nên khuôn bị ôxy hoá dưới lớp thấm nitơ làm lớp thấm dễ bị bong tróc

Nhưng trên hết, như đã phân tích, khuôn bị giảm độ cứng, độ bền nhiều nhất trong quá trình thấm lại nitơ vì quá trình đó khuôn bị nung nóng ở nhiệt độ cao, thời gian khá dài

Cấu trúc lõi mềm với vỏ cứng trên bề mặt khi chịu lực ép, nền mềm bị lún xuống, lớp thấm cứng trên bề mặt kém biến dạng sẽ bị bị bong, nứt vỡ là điều khó tránh khỏi Điều đáng quan tâm là do đã thấm lại nhiều lần, chiều dày lớp thấm quá lớn (gấp đôi so với yêu cầu) làm lớp thấm càng dễ bị bong tróc hơn

Giải pháp bảo dưỡng kỹ thuật trong quá trình sử dụng

Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn và chốt tiếp xúc với kim loại lỏng xảy ra hiện tượng dính bám và phá hủy bề mặt xảy ra theo chu kỳ đúc Việc bảo dưỡng khuôn theo chu kỳ làm việc đòi hỏi phải được thực hiện đúng quy trình cũng như thời gian làm việc nhất định Các vị trí xảy ra hỏng, dính kim loại lỏng cần được hàn sửa hoặc làm sạch bằng mài

để đảm bảo độ chính xác kích thước khuôn cũng như chi tiết đúc Thực tế sản xuất việc tuân thủ bảo dưỡng khuôn theo chu kỳ sản xuất không được chú trọng đồng thời quá trình hàn sửa bề mặt cũng gây ra biến dạng nhiệt cục bộ vị trí hàn sửa, gây mất đồng đều bề mặt trong quá trình làm việc, các vị trí hàn sửa thường hỏng nhanh hơn các vị trí khác Việc làm sạch các lớp kim loại bám trên bề mặt thường làm cho vị trí dính bám kim loại mòn nhanh hơn

do quá trình mài vào lớp vật liệu khuôn Quá trình bảo dưỡng phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề công nhân sản xuất

1.2.6 Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng nâng cao tuổi bền khuôn và chốt

tạo lỗ

Nghiên cứu giảm ăn mòn, hàn dính bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ

Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng trong công nghiệp [31], [19] với các ứng dụng: dụng cụ cắt, khuôn dập nguội của Ni, Ti và hợp kim Khuôn đúc ép bán lỏng cho các vật liệu màu như nhôm, đồng và hợp kim của chúng Đúc bằng áp lực nhôm và hợp kim nhôm; cho các hợp kim đúc có nhiệt độ nóng chảy từ 350  500 0C Giảm ăn mòn và mòn bề mặt của khuôn và các dụng cụ trong ngành công nghiệp nhựa Cải thiện các bề mặt khuôn dập vuốt sâu làm bằng thép hợp kim dụng cụ với lớp phủ CrN nhiệt độ thấp Dụng cụ chống mài mòn cao với lớp phủ CrN dày và lớp phủ kép (TiN + CrN) trong ngành công nghiệp giấy, dệt, nhựa và gốm sứ Mòn các chi tiết của động cơ, máy nén khí và các dụng cụ thủy lực Cải thiện các bi cho các van bi lớn trong các nhà máy công nghiệp hóa chất về vấn đề chống ăn mòn Cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu nhạy nhiệt có nhiệt độ nhỏ hơn 200 0C Thay thế mạ crôm cứng thông thường bằng lớp phủ CrN chế tạo bằng phương pháp PVD

Nghiên cứu chống dính bám nhôm trên bề mặt khuôn [65],[68] với thí nghiệm nhúng

các chốt có thấm nitơ và không thấm nitơ trong nhôm lỏng và theo dõi quá trình hình thành nhôm lỏng trên bề mặt các chốt Đồng thời đánh giá lực rút khuôn qua quá trình rút các chốt khỏi khối nhôm rắn và có các nhận xét:

- Đối với chốt có thấm nitơ: Nhôm dính bám ít hơn chốt không thấm; tỷ lệ dính bám giảm khi chiều sâu lớp thấm tăng Tương tác hoá lý giữa thép khuôn và nhôm lỏng dẫn đến

sự hình thành lớp liên kim, gây ra tổn hại kim loại làm khuôn do sự hoà tan của lớp liên kim Điều kiện ma sát của lớp thép bề mặt khuôn xấu đi do hình thành lớp liên kim này

- Lớp thấm nitơ bảo vệ nền khuôn tốt với tương tác hoá học hình thành lớp liên kim trên bề mặt Lực rút khuôn của chốt có thấm nitơ thấp hơn chốt không thấm nitơ, do sự hình thành lớp liên kim trên bề mặt chốt không thấm, Hình 1.24 Lực trượt tỷ lệ với lực ma sát, phụ thuộc vào độ nhám bề mặt Chốt có thấm nitơ không có lớp liên kim, lực rút khuôn thấp,

ổn định trong khoảng 60  80 MPa

Hình 1.24 Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13 và H13 thấm nitơ [65]

Hình 1.25 Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13, H13 thấm nitơ, H13 thấm nitơ + lớp phủ

Ti/TiN [64]

Trong [64] khi ứng dụng lớp phủ chống dính trên bề mặt khuôn đã được thấm nitơ, nhúng các chốt và lặp lại thí nghiệm đánh giá rút khuôn với các chốt có phủ các lớp phủ đa lớp đã đưa ra kết luận:

- Các lớp phủ đa lớp ngăn chặn sự ăn mòn của thép H13 tốt hơn Kết hợp thấm nitơ

và phủ lớp phủ cứng có tác động lớn hơn nhiều so với chỉ dùng lớp phủ cứng đơn giản Bề mặt của nền được cải thiện về độ bền và độ cứng bởi khuếch tán của ion nitơ khi thấm

- Chốt phủ đa lớp cần lực rút khuôn thấp hơn nhiều trong thí nghiệm rút khuôn; lý

do là năng lượng bề mặt cao hơn, lực thấm ướt thấp, do đó ít bám dính kim loại đúc trên mẫu thí nghiệm Hình 1.25

Nghiên cứu lớp phủ CrN và TiN bằng phương pháp PVD trên chốt tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm [28], [59] cho thấy không có sự khuếch tán giữa các hợp kim nhôm vào bề mặt lớp phủ được quan sát Tính chất lớp phủ ứng dụng cho khuôn thể hiện trong Bảng 1.3

Cơ chế hàn dính nhôm trên bề mặt thép khuôn đúc áp lực khi không có lớp phủ: Nhôm phản ứng với sắt tạo thành các liên kim loại ở bề mặt khuôn, nồng độ nhôm gần bề mặt tăng dần Ở giai đoạn này, nhiệt độ nóng chảy của các liên kim loại được hình thành cao hơn nhiều so với nhiệt độ của nhôm nóng chảy, hàn dính không xảy ra; Khi nồng độ nhôm

ở bề mặt khuôn tăng lên đến mức mà nhiệt độ của liên kim được hình thành thấp hơn nhiệt

độ bề mặt của khuôn Tại thời điểm này một số phần của liên kim xảy ra chảy lỏng Nhiệt

độ xảy ra chuyển biến lỏng-rắn của liên kim được gọi là nhiệt độ tới hạn; Phần kim lỏng tăng lên có nhiều nhôm khuếch tán vào khuôn Hàn dính khuôn xảy ra khi các kim loại lỏng ở bề mặt khuôn là đủ lớn, khi đông đặc lớp hàn dính bền trên bề mặt được hình thành Trong khuôn đúc thực tế, nhôm sẽ được cung cấp liên tục và sẽ khuếch tán vào lớp bề mặt làm việc của khuôn khi nhiệt độ được nâng lên trên điểm nóng chảy nhôm, chính vì không có rào cản khuếch tán

là lớp phủ CrN và TiN tạo thành các rào cản khuếch tán, làm giảm sự khuếch tán nhôm đáng

kể Lớp phủ CrN có hiệu quả bảo vệ cao hơn TiN vì CrN tạo ra một rào cản khuếch tán và ngăn chặn sự hình thành hoàn toàn liên kim [29] Nghiên cứu cho thấy năng lượng kích hoạt cho quá trình bắt đầu hàn dính nhôm với lớp phủ TiN = 1,83 eV/nguyên tử, H13 < 1 eV/nguyên tử, với CrN không xuất hiện hàn dính nhôm đến 900 0C Các phản ứng của lớp phủ TiN và CrN trên nền khuôn đúc áp lực với nhôm lỏng trong quá trình làm việc được đưa

ra trong [29] như sau:

Phản ứng giữa lớp phủ TiN với nhôm:

TiN + Al → (Ti, Al)N + Al → (Ti, Al)N + TiAl3

TiN + Al →AlN + Ti : Al → (Ti, Al)N + TiAl3

Phản ứng giữa lớp phủ CrN với nhôm:

CrN + Al → (Cr,Al)N + Cr2N + Al

CrN + Al → CrN + Cr2N + Al + N2

a) Các chốt có lớp phủ; b) Chốt không phủ (tôi + ram); c) Chốt thấm nitơ

Hình 1.26 Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tỷ lệ dính bám nhôm sau 50 chu kỳ đúc của các

chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ và không phủ [59]

Tác giả S Gulizia [59] xét các lớp phủ khác nhau đối với chốt và Hình 1.26 là mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tỷ lệ dính bám nhôm sau 50 chu kỳ đúc của các chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ và không phủ (xử lý theo phương pháp truyền thống tôi + ram) cho thấy: lớp phủ CrN và TiN có độ nhám bề mặt thấp, có hiệu quả cao trong hạn chế dính bám nhôm trên bề mặt trong quá trình làm việc

Từ các nghiên cứu về chống dính bám nhôm trên bề mặt khuôn cho chúng ta nhận xét:

- Khả năng chống dính của bề mặt khuôn phụ thuộc vào tính chất của bề mặt: Tương tác hoá lý của bề mặt với nhôm lỏng và sự hình thành lớp liên kim Thấm nitơ cải thiện khả năng chống dính nhôm cho bề mặt khuôn đúc, ngăn cản sự hình thành lớp liên kim, giảm ma sát bề mặt, nâng cao độ bền, độ cứng bề mặt, giảm lực rút khuôn

- Sự kết hợp thấm nitơ và lớp phủ cứng nâng cao khả năng chống dính bề mặt khuôn

so với các lớp phủ trên nền thép không thấm Các lớp phủ TiN và đặc biệt là CrN có khả năng ngăn ngừa hình thành liên kim với nhôm lỏng, hạn chế dính bám nhôm, bảo vệ bề mặt khuôn tốt

Nghiên cứu giảm mòn và xói mòn bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ

Nghiên cứu về ma sát, mài mòn O Salas, K Kearns [57] đã đánh giá ứng dụng của các lớp phủ khác nhau trên nền thép khuôn bằng các thử nghiệm rạch và mài bề mặt Các lớp phủ đơn lớp, lớp phủ đa lớp với phương pháp chế tạo khác nhau được khảo sát Bảng 1.4

Bảng 1.4 Lớp phủ và hệ lớp phủ được chế tạo [57]

Độ cứng tế vi, thể tích mòn, hệ số ma sát, độ nhám bề mặt được đo và tính toán trong Bảng 1.5 Nghiên cứu đã đưa ra kết luận: Lớp phủ chịu mài mòn tốt và bám dính tốt là: TiAlN, TiN, TiCN, CrN

Bảng 1.5 Kết quả thử rạch và mài của các lớp phủ [57]

a: 1- rất tốt, 2- tốt, 3- trung bình; b: Vết rất nông, khó đo thể tích mòn; c: Khúc xạ bề mặt của mẫu thấp; d: Vết mòn không thấy hoặc khó nhìn thấy; e: Chỉ có một giá trị thu được từ 1000 vòng quay; f: Không có

giá trị độ cứng của TiAlN, lớp phủ bị nứt ngay ở 10 g-f

J.C Avelar-Batista nghiên cứu lớp phủ CrN lắng đọng trên nền thép bằng công nghệ PAPVD (tạo lớp phủ bằng phương pháp vật lý có trợ giúp của plasma) như phún xạ magnetron, chùm điện tử và hồ quang bay hơi [36] có các nhận xét:

- Lớp phủ CrN chịu mài mòn cao và ma sát thấp, tính chất cơ học tốt (độ cứng tương đối cao và mô đun đàn hồi thấp, độ bền cao) ngăn cản quá trình oxy hóa tốt và chống ăn mòn

- Lớp phủ CrN có thể được tạo ra với một dải các độ cứng và cấu trúc pha: Chỉ có một pha duy nhất (CrN hoặc Cr2N) hoặc một cấu trúc pha hỗn hợp có chứa (Cr + Cr2N) hoặc (Cr2N+CrN), chủ yếu phụ thuộc vào áp suất riêng phần nitơ và công nghệ chế tạo Chúng cũng có khả năng chống oxy hóa tốt ngay cả ở nhiệt độ cao lên đến 700  800 0C và khi pha CrN xuất hiện có khả năng chống oxy hóa cao hơn pha Cr2N và Cr

- Tùy thuộc vào công nghệ chế tạo, lớp phủ CrN có thể được tạo ra có cấu trúc pha khác nhau (do đó chống oxy hóa khác nhau), độ nhám bề mặt, độ cứng và cấu trúc lớp phủ khác nhau

Các nghiên cứu về ma sát, mài mòn bề mặt khuôn của [57],[36],[19] thấy rằng:

- Lớp phủ CrN có độ cứng cao, chống ăn mòn hóa tốt và chống mài mòn, xói mòn tốt Muốn làm giảm mòn, xói mòn bề mặt khuôn cần thay đổi tính chất bề mặt khuôn trong quá trình làm việc như: nâng cao độ cứng bề mặt, giảm độ nhám bề mặt, giảm hệ số ma sát

- Chế tạo các lớp phủ cứng trên bề mặt khuôn có khả năng chịu mài mòn, ma sát thấp, có khả năng chống oxi hoá cao

Trong nghiên cứu [53] với thử nghiệm xói mòn dùng hạt oxit nhôm Al2O3 có cỡ hạt

50 m độ cứng cao, góc cạnh sắc, tốc độ cấp hạt là 100 g/phút Tác động theo góc 300 với

bề mặt với tốc độ hạt là 145 m/giây, góc 900 là 100 m/giây với các lớp phủ được chế tạo theo Bảng 1.6