Nghiên cứu ảnh hưởng của rung siêu âm đến khả năng điền đầy, tổ chức và cơ tính hợp kim nhôm khi đúc trong khuôn kim loại

Đề tài này nghiên cứu một phương pháp tác động bên ngoài nhằm cải thiện chất lượng vật đúc, cụ thể là nghiên cứu ảnh hưởng của rung động cơ học tần số cao siêu âm đến khả năng điền đầy t

-

ĐÀO DUY QUÍ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG SIÊU ÂM

ĐẾN KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY,

TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH HỢP KIM NHÔM KHI ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Phạm Quang Trung

chuyên ngànhsau khi luận vănđãđược sửa chữa (nếu có)

Xác nhận của Chủtịch Hộiđồngđánh giá LV vàTrưởngKhoaquảnlý

Tp HCMngày09 tháng01 năm2020.Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tạiTrườngĐại học BáchKhoa,ĐHQG Cán bộ chấm nhận xét 2 :(Ghi rõ họ, tên, học hàm, họcPGS.TS Phạm Sơn Minh vị và chữ ký)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ………Đào Duy Quí MSHV:…1770527 Ngày, tháng, năm sinh: …… 20/03/1993 Nơi sinh: …Bình Định Chuyên ngành: ………Kỹ thuật cơ khí Mã số : 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của rung siêu âm đến khả năng điền đầy, tổ chức

và cơ tính hợp kim nhôm khi đúc trong khuôn kim loại

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Nghiên cứu tổng quan các đề tài và công trình khoa học liên quan đến quá trình xử lý kim loại lỏng và công nghệ đúc có tác động rung cơ học hoặc siêu âm

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình kết tinh, các hiệu ứng của dao động siêu âm trong kim loại lỏng và hệ quả của nó

 Thiết kế mô hình thực nghiệm đúc hợp kim nhôm trong khuôn kim loại dưới tác động rung siêu âm

 Phân tích kết quả thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của siêu âm đến khả năng điền đầy, tổ chức và cơ tính của vật đúc

 Đưa ra đề xuất về thông số và giải pháp công nghệ nhằm ứng dụng vào quy trình sản xuất đúc thực tế trong công nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tiến sĩ Phạm Quang Trung

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa, tôi đã hoàn thành luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của rung siêu âm đến khả năng điền đầy, tổ chức và cơ tính hợp kim nhôm khi đúc trong khuôn kim loại”

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới người thầy đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận văn TS Phạm Quang Trung

Trân trọng cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn trong Bộ môn Thiết bị & Công nghệ vật liệu Cơ khí, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM đã tạo những điều kiện tốt nhất để tác giả thực hiện luận văn

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới quý thầy cô Khoa Cơ khí, phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện thuận lợi, tận tình giúp đỡ, góp

ý về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng là lời cảm ơn rất lớn đến gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp, những người

đã đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cả về vật chất lẫn tinh thần, luôn luôn sát cánh bên tôi cho tới ngày hôm nay

Nội dung luận văn có thể còn tồn tại những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, xem xét thêm nhằm ứng dụng phù hợp vào thực tiễn Tác giả rất mong muốn nhận được sự góp ý hoàn thiện để tiếp tục nghiên cứu các vấn đề có liên quan

Tác giả luận văn

Đào Duy Quí

Đúc trong khuôn kim loại là phương pháp đúc được sử dụng phổ biến cho các hợp kim màu như hợp kim nhôm , magie, kẽm và đồng Hợp kim nhôm được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp với độ quá nhiệt thấp và quy trình công nghệ tương đối đơn giản Các ứng dụng đúc hợp kim nhôm trong khuôn kim loại rất phong phú bao gồm các chi tiết ngành đóng tàu, ô tô, phụ kiện máy bay và các

bộ phận điều khiển Các ứng dụng này yêu cầu nghiên cứu kỹ thuật để cải thiện tổ chức và

cơ tính của vật đúc Hiện nay có nhiều phương pháp nâng cao chất lượng vật đúc bao gồm thay đổi thành phần hợp kim đúc, thay đổi công nghệ rót hoặc cải thiện tổ chức kim loại trong quá trình kết tinh thông qua các tác động bên ngoài, từ đó tăng độ bền và độ dẻo dai cho chi tiết

Tổ chức tế vi của vật đúc ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng vật đúc, trong đó kích thước hạt là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng đến cơ tính của vật đúc Khi đúc trong khuôn kim loại, nếu làm nguội một cách tự do và không bị khống chế bới các yếu tố bên ngoài thì tổ chức của vật đúc hình thành ba vùng tổ chức gồm: vùng vỏ ngoài cùng có tổ chức hạt nhỏ mịn do nguội nhanh, vùng tiếp theo tinh thể kim loại có dạng hình trụ, vùng còn lại ở giữa vật đúc với các hạt tròn thô to, ngoài ra còn có vùng tạp chất ở tâm

Tổ chức này với cấu trúc nhánh cây làm cho cơ tính của vật đúc kém đi Như vậy, nếu muốn nâng cao cơ tính của vật đúc ta cần phải tác động vào quá trình kết tinh nhằm phá tổ chức nhánh cây và làm hạt nhỏ mịn, đồng thời phân tán tạp chất làm đồng đều tổ chức vật đúc Đề tài này nghiên cứu một phương pháp tác động bên ngoài nhằm cải thiện chất lượng vật đúc, cụ thể là nghiên cứu ảnh hưởng của rung động cơ học tần số cao (siêu âm) đến khả năng điền đầy trong khuôn, tổ chức, khuyết tật bên trong và cơ tính của vật đúc bằng hợp kim Trong nghiên cứu này, dao động siêu âm với tần số 20 kHz và công suất 1500W sẽ được đưa vào vật đúc hợp kim nhôm ADC12 trong quá trình đông đặc Thông qua các phương pháp kiểm tra thực nghiệm, kết quả thu được là rung siêu âm giúp cải thiện mức

độ điền đầy kim loại với các tiết diện khuôn nhỏ hẹp, làm thay sự thay đổi của tổ chức nhánh cây, giảm kích thước hạt và nâng cao cơ tính cơ tính của vật đúc

 Chương 1: Giới thiệu sơ lược về phương pháp đúc hợp kim nhôm trong khuôn kim

loại và nguồn dao động siêu âm Các vấn đề liên quan như vật liệu đúc (hợp kim nhôm),

tổ chức và khuyết tật của vật đúc, các thông số quá trình sẽ được trình bày

 Chương 2: Tổng quan về các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên thế giới

nhằm xem xét đánh giá chung về tác động rung cơ học hoặc siêu âm đối với kim loại lỏng

để từ đó xác định mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài

 Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết đúc hợp kim nhôm trong khuôn kim loại và

các hiệu ứng của siêu âm trong kim loại lỏng, bao gồm những vấn đề quan trọng nhất về bản chất của quá trình như quá trình truyền nhiệt, cơ chế tạo mầm và kết tinh, cơ chế làm mịn tổ chức, ảnh hưởng của dao động cơ học đến quá trình đông đặc của hợp kim đúc

 Chương 4: Thiết kế mô hình thực nghiệm và quy trình công nghệ đúc trên hợp kim

nhôm với khuôn kim loại dưới tác động của siêu âm, bao gồm chọn lựa khuôn đúc, xác định các thông số đúc, bố trí thiết bị tạo dao động Các kết quả được đo đạc như khả năng điền đầy khuôn, tổ chức tế vi, cơ tính của vật đúc

 Chương 5: Phân tích kết quả thực nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của siêu âm đến

khả năng điền đầy, tổ chức và cơ tính của vật đúc Tổng hợp kết quả thu được và đề xuất

thông số công nghệ để đạt được cơ tính tốt nhất

 Chương 6 : Tổng kết và đưa ra đề xuất về giải pháp công nghệ nhằm ứng dụng vào

quy trình sản xuất đúc thực tế trong công nghiệp Định hướng phát triển cho các nhiên cứu tiếp theo

Casting in metal molds or die casting is a commonly casting method for non-ferrous alloys such as aluminum, magnesium, zinc and copper alloys Aluminum alloys are mainly used in industry to manufacture complex shaped parts with low overheating and relatively simple technological processes Applications of aluminum alloy casting are abundant including shipbuilding, automotive, aircraft accessories and control These applications require technical research to improve the microstructure and mechanical properties of alloys Currently, there are many methods to improve the quality of casting products, including changing cast alloy components, changing pouring technology or improving metal microstructure during crystallization through external influences, thereby increasing durability and toughness

The microstructure of the casting greatly affects the quality of the products, of which particle size is one of the important parameters affecting the mechanical properties In die casting process, if metals or alloys is cooled naturally and not controlled by external factors, the macrostructure of the casting shall form three areas including the outer shell region has fine-grained due to cools rapidly, the next area is a columnar crystal, the rest is

in the center of the casting with large coarse round particles, there is also an impurity zone

in the center This structure with dendrite crystal makes the casting's mechanical properties very poor Thus, to improve the mechanical properties of castings, we need to impact on the crystallization process in order to destroy the dendrite and refine particles, and dispersing impurities for uniform distribution This thesis investigates an external impact method to improve the quality of castings, in particular, the study of the effect of high-frequency mechanical (ultrasonic) vibration on the ability to fill the mold, microstructure and mechanical properties of alloy casting In this study, ultrasonic oscillation with a frequency of 20 kHz and a power of 1500W will be introduced into the casting aluminum alloy ADC 12 during the freezing process Through empirical testing methods, the result

is ultrasonic vibration improves the degree of metal filling with narrow mold sections, modify the dendrite, reducing particle size and improve the mechanical properties of castings

 Chapter 1: Brief introduction of aluminum alloy die casting method and source of

ultrasonic oscillation Related issues such as casting material (aluminum alloy), microstructure and defects of the casting, process parameters will be presented

 Chapter 2: Overview of theoretical and empirical studies around the world to

consider general assessment of the impact of mechanical or ultrasonic vibration on liquid metal from which to determine the objectives and research methods of the thesis

 Chapter 3: Presentation of the theoretical basis of aluminum alloy, gravity die

casting and the effects of ultrasound in liquid metals, including the most important issues of the nature of the process such as heat transfer, nucleation and crystallization mechanism, refinement mechanism, the effect of mechanical oscillation on the solidification process of casting alloy

 Chapter 4: Designing of experiment and casting processes on aluminum alloys with

metal molds under the influence of ultrasound vibration, including molding selection, determining casting parameters, arranging forming ultrasonic equipment Some criteria are considered such as the fill ability, the microstructure and the mechanical properties of the casting

 Chapter 5: Analyzing experimental results and assessing the influence of

ultrasound on the filling ability, organization and mechanical properties of castings Summarize the obtained results and propose technological parameters to achieve the best mechanical properties

 Chapter 6: Reviewing and proposing technological solutions to apply in industrial

casting process Development orientation for the next research will be proposed

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Chữ ký

Đào Duy Quí

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

GIỚI THIỆU 1

1.1 Hợp kim nhôm và tính chất đúc của hợp kim nhôm 1

1.1.1 Hợp kim trước cùng tinh 2

1.1.2 Hợp kim sau cùng tinh 3

1.1.3 Các đặc điểm khi đúc hợp kim nhôm 4

1.2 Nguồn dao động siêu âm 12

1.3 Giả thuyết đề tài 15

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 17

2.1 Khuấy đảo từ 21

2.2 Rung động cơ học 22

2.3 Xử lý kim loại lỏng bằng siêu âm 29

2.4 Nhận xét tình hình nghiên cứu 38

2.5 Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài 39

2.6 Mục tiêu đề tài luận văn 40

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 41

3.1 Quá trình kết tinh khi đúc trong khuôn kim loại 41

3.2 Cơ chế tạo mầm 42

3.2.1 Tạo mầm đồng thể 42

3.2.2 Tạo mầm dị thể 44

3.2.3 Tạo mầm động học 45

3.3 Siêu âm trong kim loại lỏng 45

3.3.1 Hiện tượng xâm thực 47

3.3.2 Luồng dao động siêu âm 51

3.3.3 Cơ chế làm nhỏ mịn tổ chức nhờ siêu âm 52

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 55

4.1 Lựa chọn vật liệu 55

4.2 Thiết bị siêu âm 55

4.3 Thông số siêu âm 59

4.4 Khuôn đúc 59

4.5 Đo nhiệt độ 60

4.6 Phân tích tổ chức thô đại và tổ chức tế vi 61

4.7 Đo độ cứng 61

4.8 Đo độ bền kéo 62

4.9 Đo khả năng điền đầy 63

4.10 Quy trình thực nghiệm 64

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 66

5.1 Khả năng điền đầy 66

5.2 Tố chức thô đại và khuyết tật 70

5.3 Tổ chức tế vi 72

5.3.1 Kích thước hạt 81

5.3.2 Hình thái của Si và Si cùng tinh 83

5.4 Độ cứng 84

5.5 Độ bền kéo 86

5.6 Nhiệt độ quá trình đúc 88

5.7 Kết luận 89

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 91

6.1 Ảnh hưởng của siêu âm đến tổ chức vật đúc 91

6.2 Ảnh hưởng của siêu âm đến cơ tính vật đúc 91

6.3 Ảnh hưởng của siêu âm đến khả năng điền đầy 92

6.4 Ảnh hưởng của siêu âm đến tốc độ nguội và truyền nhiệt 92

6.5 Đề xuất ứng dụng rung khuôn siêu âm vào sản xuất đúc công nghiệp 92

6.6 Hướng phát triển đề tài 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

Hình 1 1 Giản đồ pha Al-Si [1] 1 Hình 1 2 Tổ chức hợp kim trước cùng tinh Al-Si a) Thông thường và b) đã được biến đổi [3] 3 Hình 1 3 Hình thái silic trong hợp kim sau cùng tinh [6] 3 Hình 1 4 Dòng chảy và sự đông đặc của hợp kim nhôm trong kênh: (a) hợp kim với mặt trước đông đặc từ thành khuôn (cấu trúc cột); và (b) hợp kim với các tinh thể phát triển độc lập (cấu trúc đẳng trục) [26] 8 Hình 1 5 Ba cơ chế co ngót: co ở trạng thái lỏng, trong quá trình đông đặc và co ở trạng thái rắn [44] 10 Hình 1 6 Biểu đồ biểu diễn dao động của sóng âm 13 Hình 1 7 Sơ đồ cấu trúc bộ tạo dao động siêu âm 14

Hình 2 1 Hướng của lực dao động F do tương tác của điện trường xoay chiều J và từ trường không đổi B [51] 21 Hình 2 2 Sơ đồ bố trí hệ thống rung cơ học trên khuôn kim loại [60] 23 Hình 2 3 Hình thái silic cùng tinh với a) không rung và b) rung ở tần số 100Hz và biên

độ 149m 24 Hình 2 4 Ảnh hưởng của tần số rung đến tổ chức Macro của mẫu nhôm đúc AC4C với nhiệt độ khuôn 663K [60] 25 Hình 2 5 Kết cấu khuôn và bố trí đo nhiệt độ tại các vị trí trong khuôn bằng cặp nhiệt điện [62] 26 Hình 2 6 Ảnh hưởng của tần số rung đến tốc độ nguội của kim loại tại ba vùng vật đúc a)Vùng trên;b)Vùng giữa;c)Vùng đáy [62] 26 Hình 2 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đúc khuôn kim loại rót trọng lực rung tần số thấp với 2 chế độ làm nguội khác nhau [63] 27 Hình 2 8 Dạng tổ chức nhánh cây khi làm nguội vật đúc trong không khí a) Không rung khuôn;b) Có rung khuôn [63] 28 Hình 2 9 Dạng tổ chức nhánh cây khi làm nguội vật đúc trong lò a) Không rung

khuôn;b) Có rung khuôn [63] 28

mmHg với tần số rung a) 0 Hz và b) 40 Hz [65] 29

Hình 2 11 Tổ chức vật đúc trong điều kiện nhiệt độ rót 8200C, độ chân không -300 mmHg với tần số rung a) 0 Hz và b) 40 Hz [65] 29

Hình 2 12 Tổ chức hạt trong hợp kim Al khi đông đặc với a) không xử lý siêu âm và b) có xử lý siêu âm [70] 30

Hình 2 13 Hình thái Si cùng tinh a) không có tác động siêu âm và b) có rung siêu âm 31

Hình 2 14 Tổ chức hợp kim A356 a) không xử lý siêu âm và b) có rung siêu âm 31

Hình 2 15 Tổ chức thỏi nhôm đúc đông đặc ở nhiệt độ 725oC làm nguội chậm [98] a)Đông đặc bình thường;b) Sử dụng chất tạo mầm Al-5Ti-1B; c)Xử lý rung siêu âm; d)Kết hợp sử dụng chất tạo mầm và rung siêu âm 36

Hình 2 16: Sơ đồ thí nghiệm xử lý siêu âm kim loại lỏng [81] 36

Hình 3 1 Tổ chức hợp kim đúc [Bower T.F and Flemings M.C Trans AIME 239, 1620 (1967)] 41

Hình 3 2 Sự thay đổi năng lượng tự do của hệ rắn – lỏng với bán kính mầm [102] 43

Hình 3 3 Tốc độ tạo mầm theo nhiệt độ [102] 44

Hình 3 4 Năng lượng cần thiết cho tạo mầm trong kim loại lỏng [102] 44

Hình 3 5 Trường nhiệt độ và dòng vật liệu khi xử lý siêu âm a) hợp kim 1070 và b) hợp kim 7055 ( vùng I- không xử lý siêu âm, vùng II – có xử lý siêu âm [70] 49

Hình 4 1 Mô hình đầu rung siêu âm 20 kHz 57

Hình 4 2 Mode dao động ở tần số 19761 Hz có hướng dao động dọc trục với biên độ 100m 57

Hình 4 3 Kết quả đo tần số cộng hưởng thực tế 58

Hình 4 4 Hệ thống bố trí đúc trong khuôn kim loại có rung siêu âm 58

Hình 4 5 Khuôn đúc mẫu bậc 60

Hình 4 6 Máy đo nhiệt độ bằng hồng ngoại EXTECH VIR50 61

Hình 4 7 Các vị trí đo độ cứng Vicker 62

Hình 4 9: Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM – E8/E8M-08 62

Hình 5 1 Tỷ lệ điền đầy theo tiết diện khuôn của các mẫu đúc 660oC 69

Hình 5 2 Tỷ lệ điền đầy theo tiết diện khuôn của các mẫu đúc 700oC 69

Hình 5 3 Tổ chức thô đại của mẫu đúc có siêu âm (a) và không siêu âm (b) ở 700°C 72

Hình 5 4 Tổ chức thô đại của mẫu đúc có siêu âm (a) và không siêu âm (b) ở 660°C 72

Hình 5 5 Tổ chức hạt vùng vỏ vật đúc ở 700oC với a)Không siêu âm và b) có siêu âm (độ phóng đại 200X) 81

Hình 5 6 Tổ chức hạt vùng vỏ vật đúc ở 660oC với a)Không siêu âm và b) có siêu âm (độ phóng đại 200X) 82

Hình 5 7 Tổ chức hạt vùng tâm vật đúc ở 700oC với a)Không siêu âm và b) có siêu âm (độ phóng đại 100X) 82

Hình 5 8 Tổ chức hạt vùng tâm vật đúc ở 660oC với a)Không siêu âm và b) có siêu âm (độ phóng đại 100X) 83

Hình 5 9 Hình dạng pha Si và Si cùng tinh (các pha mày tối, dạng mảng và sợi) a) không siêu âm và b) có siêu âm 84

Hình 5 10 Kết quả đo độ cứng mẫu đúc ADC12 ở nhiệt độ 660°C 85

Hình 5 11 Kết quả đo độ cứng mẫu đúc ở nhiệt độ 700°C 85

Hình 5 12 Phân bố độ cứng trên mặt cắt ngang của mẫu đúc ở 660oC 86

Hình 5 13 Phân bố độ cứng trên mặt cắt ngang của mẫu đúc ở 700oC 86

Hình 5 14 Mẫu thử kéo và vị trí đứt gãy 87

Hình 5 15 Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng của mẫu đúc ở nhiệt độ 660oC a) có siêu âm và b) không siêu âm 87

Hình 5 16 Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến dạng của mẫu đúc ở nhiệt độ 700oC a) có siêu âm và b) không siêu âm 88

Hình 5 17 So sánh độ bền kéo của mẫu đúc có siêu âm và không siêu âm với hai mức nhiệt độ 660 và 700oC 88

Hình 5 18 Sự thay đổi nhiệt độ của khuôn đúc khi rót kim loại lỏng ở 660oC 89

Hình 5 19 Sự thay đổi nhiệt độ của khuôn đúc khi rót kim loại lỏng ở 700oC 89

Bảng 2 1 Khảo sát các nghiên cứu ứng dụng rung động trong quá trình đông đặc kim loại

[60] 17

Bảng 2 2 Tóm tắt các nghiên cứu xử lý siêu âm và cơ chế làm nhỏ mịn tổ chức 35

Bảng 2 3 Tóm tắt các nghiên cứu về ảnh hưởng của xử lý siêu âm đến hợp kim nhôm 37

Bảng 4 1 Thành phần hợp kim ADC12 (%khối lượng) 55

Bảng 4 2 Thông vật liệu chế tạo đầu rung siêu âm – thép 40X 56

Bảng 4 3 Hằng số vật liệu của nhôm lỏng [12] 59

Bảng 4 4 Thành phần vật liệu thép CT3 (%khối lượng) 60

Bảng 4 5 Bảng chế độ thực nghiệm 65

Bảng 5 1 Mẫu đúc ở nhiệt độ rót 660oC có và không rung siêu âm 67

Bảng 5 2 Mẫu đúc ở nhiệt độ rót 700oC có và không rung siêu âm 68

Bảng 5 3 Khuyết tật rỗ khí và rỗ co trong mẫu đúc không siêu âm và có siêu âm theo từng nhiệt độ rót 70

Bảng 5 4 Tổ chức tế vi hợp kim đúc ADC12 không rung siêu âm ở nhiệt độ 700oC 73

Bảng 5 5 Tổ chức tế vi hợp kim đúc ADC12 có rung siêu âm ở nhiệt độ 700oC 75

Bảng 5 6 Tổ chức tế vi hợp kim đúc ADC12 không rung siêu âm ở nhiệt độ 660oC 77

Bảng 5 7 Tổ chức tế vi hợp kim đúc ADC12 có rung siêu âm ở nhiệt độ 660oC 79

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1 UST Xử lý kim loại lỏng bằng siêu âm ultrasonic melt treatment

GIỚI THIỆU

1.1 Hợp kim nhôm và tính chất đúc của hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực do khả năng chống ăn mòn tốt, tỷ trọng thấp, độ bền, độ dẻo dai, chống đứt gãy cao Tùy thuộc vào các nguyên tố hợp kim được thêm vào mà có thể tạo ra các loại hợp kim nhôm khác nhau, mỗi loại có phẩm chất vượt trội ứng dụng trong từng lĩnh vực cụ thể Ví dụ, các hợp kim Al-Cu loại 2xxx và các hợp kim Al-Zn-Mg-Cu loại 7xxx thường được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vì độ bền tương đối cao Hợp kim Al-Mg loại 5xxx có khả năng chống ăn mòn rất phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường ăn mòn, ví dụ: xây dựng

và đóng tàu Hợp kim nhôm đúc Al-Si và hợp kim Al-Mg-Si loại 6xxx được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô do khả năng đúc, khả năng hàn và cơ tính tốt

Hình 1 1 Giản đồ pha Al-Si [1]

Hợp kim nhôm Al-Si là hợp kim phổ biến dùng trong sản xuất đúc nhôm Hợp kim này

có nhiều ưu điểm bao gồm: tính chảy loảng tốt nên dễ đúc, dễ gia công cắt gọt, và khả năng chống mài mòn Do đó loại hợp kim này có thể sử dụng trong nhiều công nghệ đúc như đúc áp lực cao, đúc trong khuôn kim loại tĩnh, đúc khuôn cát, khuôn mẫu cháy Căn

cứ vào giản đồ pha Al-Si (Hình 1 1) ta có thể xác định thành phần các pha trong hợp kim theo nhiệt độ và đánh giá tổ chức đúc

Các hợp kim nhôm đúc có thể được phân loại dựa trên hàm lượng Silic của chúng thành

ba nhóm: hợp kim trước cùng tinh, trong đó hàm lượng silic nằm trong khoảng từ 5 đến 10%; hợp kim cùng tinh với hàm lượng silic nằm trong khoảng từ 11 đến 13%; và hợp kim sau cùng tinh có hàm lượng silic nằm trong khoảng từ 14 đến 20% [2]

Nhiệt độ và thành phần cùng tinh tương ứng là 577oC và 12,6% silic Ở nhiệt độ cùng tinh, dung dịch rắn nhôm và silic chứa 1,65% Silic và 0,17% Nhôm [3]

1.1.1 Hợp kim trước cùng tinh

Hợp kim trước cùng tinh Al-Si có khả năng đúc tốt, chống ăn mòn và độ kín áp lực tốt Hợp kim Al-Si cho thấy một số đáp ứng khi xử lý nhiệt Pha Al có thể siêu bão hòa Si bằng cách làm nguội nhanh Độ bền có thể tăng bằng cách bổ sung Đồng, Magiê hoặc Niken Bổ sung Đồng giúp tăng cường độ bền và cải thiện khả năng cắt gọt nhưng giảm

độ dẻo và khả năng chống ăn mòn [4] Hợp kim Al-7% Si có tính đúc rất tốt và khả năng chống mài mòn [5] Nếu hàm lượng Sắt được giữ ở mức tối thiểu, hợp kim này cũng thể hiện độ dẻo tốt

Tổ chức tế vi của hợp kim Al-7% Si bao gồm các cấu trúc nhánh cây α-Al và các hạt silic cùng tinh Do là dung dịch rắn hòa tan có hạn, silic nổi lên trong tổ chức cùng tinh

Tổ chức tế vi phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ đông đặc và sự hiện diện của các nguyên

tố điều chỉnh như Titanium và Stontium Tốc độ đông đặc thấp tạo ra các mảng silic lớn, các ô nhánh cây lớn và khoảng cách nhánh chi phụ lớn, trong khi tốc độ đông đặc nhanh tạo ra các ô nhánh cây nhỏ, và khoảng cách nhánh phụ nhỏ, và silic cùng tinh có hình thái sợi Hình 1 2 cho thấy các cấu trúc đại diện của hợp kim Al-7% Si không biến đổi

và biến đổi

Hình 1 2 Tổ chức hợp kim trước cùng tinh Al-Si a) Thông thường và b) đã

được biến đổi [3]

1.1.2 Hợp kim sau cùng tinh

Hợp kim Al-Si sau cùng tinh có độ chảy loãng, khả năng chống mài mòn tốt và độ giãn

nở nhiệt thấp Việc bổ sung Đồng và Magiê vào các hợp kim này làm cho chúng có thể

xử lý nhiệt và tăng cường các tính chất ở nhiệt độ cao Hình thái của silic phụ thuộc rất nhiều vào gradient nhiệt độ, và sự hiện diện của các tác nhân tạo mầm cũng như tạp chất Một số hình thái của silic đã được xác định Phổ biến nhất trong số đó là dạng ngôi sao, đa diện, dạng tấm, và nhánh cây ( Hình 1 3) Hình thái của tổ chức cùng tinh trong hợp kim sau cùng tinh và trước cùng tinh thì tương đối giống nhau

Hình 1 3 Hình thái silic trong hợp kim sau cùng tinh [6]

Nhu cầu về hợp kim nhôm vẫn đang tăng lên Nhưng quan trọng hơn, là sự yêu cầu ngày càng cao về chất lượng của các sản phẩm hợp kim nhôm Mặc dù một số kỹ thuật xử lý

biến dạng và xử lý nhiệt được phát triển để đáp ứng yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về chất lượng sản phẩm, nhưng tiền đề quan trọng nhất để áp dụng các kỹ thuật này là chất lượng ban đầu của các sản phẩm đúc phải tốt Do đó, việc đúc chi tiết hoàn hảo mà không có khuyết tật là mục tiêu của các kỹ sư và công nhân đúc hiện nay cũng như trong nhiều thế kỷ qua

Đúc nhôm thường có thể được phân loại gồm đúc hình dạng hoặc đúc phôi Đúc hình dạng có nhiều loại, chẳng hạn như đúc áp lực, đúc mẫu chảy và đúc khuôn kim loại rót trọng lực, được sử dụng để sản xuất các chi tiết có hình dạng khác nhau Đúc phôi hoặc thỏi chủ yếu tạo phôi cho quá trình biến dạng sau đó như cán, kéo, ép, dập Công nghệ đúc phôi được sử dụng phổ biến nhất là đúc liên tục

Một số loại khuyết tật đúc có thể xảy ra khi quy trình đúc không thích hợp đối với đúc hình dạng và cả đúc phôi, ví dụ nứt, thiên tích, rỗ xốp Những khuyết tật này làm giảm chất lượng sản phẩm đúc, cũng như chất lượng của các bán thành phẩm trong quá trình biến dạng tiếp theo Do đó, tính chất đúc của hợp kim nhôm là rất quan trọng quyết định chất lượng cuối cùng của các sản phẩm hợp kim nhôm

1.1.3 Các đặc điểm khi đúc hợp kim nhôm

1.1.3.1 Tổ chức đúc

Nhôm đúc, khi ở dạng nguyên chất, thường là đa tinh thể với kích thước hạt lớn hơn 1

mm, thể hiện độ bền cơ học kém, đây là khía cạnh quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp Việc hóa bền kim loại có thể thu được bằng nhiều cách, ví dụ bằng cách làm biến cứng dung dịch rắn, biến cứng do biến dạng, biến cứng kết tinh hoặc làm nhỏ mịn

tổ chức hạt Làm nhỏ mịn tổ chức có nhiều lợi thế về mặt công nghệ bởi vì nó thường không ảnh hưởng xấu đến độ dẻo dai, trái với hầu hết các phương pháp hóa bền khác Kiểm soát tổ chức trong đúc nhôm đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ Kích thước

và phân bố của các hạt liên kim, kích thước nhánh cây hoặc khoảng cách giữa các nhánh cây, kích thước các hạt đẳng trục và sự xuất hiện của các hạt dạng trụ là rất quan trọng

để xác định chất lượng cuối cùng của sản phẩm đúc [1]

đó kích thước hạt liên quan chặt chẽ đến giới hạn chảy được biểu thị bằng toán học bởi mối quan hệ Hall-Petch, như thể hiện trong phương trình :

1/2 0

Trong đó y là giới hạn chảy, x ứng suất ma sát mạng, ky là hệ số độ bền và D là kích thước hạt trong cấu trúc tế vi [7]

Ngoài ra, sự phân bố đồng đều và nhỏ mịn của các hạt đẳng trục cũng mang lại nhiều

cơ tính tốt và và tính công nghệ khác cho hợp kim nhôm, chẳng hạn như tăng độ dẻo dai cũng như cải thiện chất lượng đúc bằng cách giảm co ngót, nứt và thiên tích [8] Đây là

lý do tại sao nhiều kỹ thuật làm nhỏ mịn hạt đã được phát triển cho các ứng dụng công nghiệp

Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức hạt của hợp kim nhôm là thông qua sự tạo mầm hoặc phát triển mầm trong quá trình đông đặc Một trong những yếu tố phổ biến là sự hiện diện của các hạt mầm trong kim loại lỏng được cố tình thêm vào hoặc có sẵn trong kim loại

Để làm nhỏ mịn hạt trong hợp kim nhôm, kim loại lỏng thường được kết hợp với chất tạo mầm bằng cách bổ sung các chế phẩm hóa học thông qua các hợp kim tổng hợp Al-Ti-B và Al-Ti-C [8], [ 9], hoặc bằng sự phân mảnh của các nhánh chính của tổ chức nhánh cây và tổ chức liên kim gây ra bởi các phương pháp vật lý cơ học, phổ biến nhất trong số đó là khuấy điện từ [10], [ 11] và xử lý kim loại lỏng bằng siêu âm [12], [ 13] Các hạt này có thể hoạt động như các vị trí tạo mầm cho các hạt α-Al trong quá trình đông đặc trong điều kiện đúc thích hợp và dẫn đến cấu trúc hạt mịn, đồng đều

Khả năng thúc đẩy sự tạo mầm, phát triển mầm và làm nhỏ mịn hạt hiệu quả phụ thuộc vào loại và hình dạng của các hạt này cũng như độ quá nguội trong quá trình đông đặc [14] Thứ nhất, các hạt nên có tiềm năng tạo mầm dị thể tương đối tốt cho kim loại nền Một tinh thể nhỏ ký sinh giữa các hạt mầm và nền kim loại cần thiết cho việc làm mịn hạt Thứ hai, số lượng các hạt phải đủ để tạo đủ mầm, vì hiệu quả của các hạt được thêm vào thường rất thấp trong điều kiện đúc điển hình [15] Số lượng hạt ngày càng nhiều trong kim loại lỏng thường dẫn đến hiệu quả càng tốt Cuối cùng nhưng không kém phần

quan trọng, quá trình làm nguội khi đông đặc phải đủ lớn để kích hoạt các hạt này thành các vị trí tạo mầm Theo lý thuyết tạo mầm dị thể, khi nhiệt độ giảm, pha rắn bắt đầu hình thành trên các hạt nền và tiếp tục phát triển cho đến khi pha rắn đạt tới biên giới của hạt [16]

Thông thường, độ quá nguội cao có thể đạt được với tốc độ làm nguội cao trong quá trình đúc, hoặc sự phân tách chất tan trong kim loại lỏng trong quá trình đông đặc ( được gọi là sự quá nguội theo cấu trúc) Điều này ảnh hưởng đến độ mịn hạt, có thể được định lượng bởi hệ số giới hạn tăng trưởng (GRF) Q, là một yếu tố quan trọng khác để kiểm soát tổ chức đúc trong hợp kim nhôm [17], [ 18], [ 19] GRF đại diện cho năng lượng thiên tích của tất cả các nguyên tố trong quá trình đông đặc trong hợp kim Những nguyên tố này tách ra làm thay đổi nồng độ trong pha lỏng ở bề mặt rắn/lỏng vượt quá nồng độ cân bằng theo sơ đồ pha, ngăn cản sự tăng trưởng của nó và đồng thời dẫn đến

sự hình thành một khu vực bị hạn chế về mặt cấu trúc ở phía trước ranh giới rắn lỏng, làm kích hoạt các mầm xuất hiện ở đó [17], [ 18], [ 19] Năng lượng thiên tích của một

số nguyên tố phổ biến trong hợp kim nhôm được tóm tắt trong tài liệu [20]

Thông qua (GRF) Q, quan hệ đơn giản giữa kích thước hạt đúc d và thành phần hợp kim cho một tập hợp các điều kiện đúc không đổi được đề xuất bởi Easton và St John [21], [ 22], [ 23] như phương trình:

1.1.3.2 Độ chảy loãng và khả năng điền đầy

Khi đúc nhôm, độ chảy loãng là khái niệm mô tả khả năng kim loại lỏng chảy qua các tiết diện khuôn và điền vào tất cả các khe hở của khuôn, tạo nên hình dạng sắc nét và chân thực của chi tiết thiết kế [25] Do đó, độ chảy loãng của nhôm lỏng sau khi đổ vào khuôn là rất quan trọng quyết định sản phẩm đúc được tạo hình đúng cách, chất lượng tốt và không có khuyết tật

Để định lượng độ chảy loãng, nhiều phương pháp đo thử nghiệm đã được sử dụng, chẳng hạn như thử nghiệm trong khuôn rãnh xoắn ốc [26], thử nghiệm độ chảy loãng trong chân không [26] , trong khuôn rãnh thẳng [27] Thông thường các thử nghiệm tiến hành bằng cách cho kim loại lỏng chảy vào một kênh hẹp Việc đo chiều dài trong kênh được lấp đầy bởi dòng kim loại trước khi đông đặt thường được sử dụng để thể hiện độ chảy loãng của kim loại lỏng

Nói chung, các tính chất bên trong kim loại lỏng như độ nhớt, sức căng bề mặt, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng đều xác định độ chảy loãng của kim loại lỏng [4] Tuy nhiên, các tính chất vật lý này khó xác định và sử dụng trong các quá trình đúc thực tế để ước tính

độ chảy loãng Do đó, trong đúc nhôm, các yếu tố được xét ảnh hưởng đến độ chảy loãng chủ yếu tập trung vào các thông số đúc thực tế và chất lượng của kim loại lỏng

Để phân tích các sự ảnh hưởng của yếu tố này đến độ chảy loãng trong đúc nhôm, trước tiên chúng ta hãy xem xét các chế độ đông đặc đặc trưng trong rãnh khuôn thử nghiệm [26] Đối với hợp kim có mặt trước đông đặc từ thành khuôn (ví dụ cấu trúc dạng cột), như được minh họa (trong Hình 1 4 (a)), dòng kim loại có thể tiếp tục chảy trong kênh cho đến khi kim loại đông đặc hai phía đối diện gặp nhau Trong trường hợp này, gần như 100% kim loại đông đặc tại vị trí dòng chảy dừng lại và thường thì vị trí này ở gần

vị trí đầu vào Còn trong quá trình kết tinh độc lập (ví dụ: cấu trúc đẳng trục), (như Hình

1 4 (b)), dòng chảy kim loại lỏng bị hạn chế bởi sự phát triển của các tinh thể tự do ở đầu dòng chảy Khi các hạt bắt đầu chạm vào nhau với tỷ lệ phần rắn 40-60%, vùng đầu dòng kim loại bị cứng lại, gây cản trở dòng kim loại lỏng

Hình 1 4 Dòng chảy và sự đông đặc của hợp kim nhôm trong kênh: (a) hợp kim với mặt trước đông đặc từ thành khuôn (cấu trúc cột); và (b) hợp kim với

các tinh thể phát triển độc lập (cấu trúc đẳng trục) [26]

Do các chế độ đông đặc khác nhau này, thành phần hợp kim là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chảy loãng [1], [ 26] Độ chảy loãng cao thường gặp với kim loại nguyên chất và với các hợp kim có thành phần cùng tinh Khoảng đông đặc lớn dẫn đến độ chảy loãng kém

Độ quá nhiệt và chất lượng kim lỏng cũng ảnh hưởng đến độ chảy loãng Độ quá nhiệt cao dẫn đến độ chảy loãng tốt hơn do làm chậm quá trình đông đặc [28], [ 29] Chất lượng của kim loại lỏng rất quan trọng để tăng độ chảy loãng Màng oxit hình thành trên

bề mặt nhôm nóng chảy và lẫn vào kim loại lỏng có thể làm tăng đáng kể sức căng bề mặt và giảm khả năng điền đầy các chi tiết có tiết diện nhỏ trong quá trình đúc định hình [30], [ 31]

Ngoài các đặc tính của kim loại, tính chất của khuôn đóng một vai trò quan trọng trong tính linh hoạt của nhôm nóng chảy Khuôn có độ khuếch tán nhiệt thấp hơn thường dẫn đến độ chảy loãng tốt hơn Tương tự như vậy, việc sử dụng khuôn gia nhiệt trước làm giảm tốc độ mất nhiệt, do đó, làm tăng độ chảy loãng của kim loại lỏng [32] Các đặc tính khuôn khác, chẳng hạn như độ nhám của bề mặt, lớp phủ trên khuôn cũng ảnh hưởng đến khả năng điền đầy Bề mặt khuôn mịn làm tăng khả năng điền đầy thông qua việc giảm lực ma sát Một lớp phủ thích hợp trên khuôn thường mang lại hiệu quả tích cực cho khả năng điền đầy [33] Tuy nhiên, trong quá trình đúc khuôn cát, lớp phủ cũng

1.1.3.3 Khuyết tật đúc

a) Thiên tích:

Thiên tích là một trong những khuyết tật lớn trong các vật đúc và phôi lớn, bởi vì sự không đồng đều thành phần có thể rất khác nhau trong thỏi đúc ở các vị trí xa nhau và không thể giảm thiểu thông qua các quá trình sau khi kết thúc đông đặc [25] Sự thay đổi nồng độ của các nguyên tố hợp kim trong toàn bộ mặt cắt ngang của thỏi đúc dẫn đến sự biến đổi tính chất nhiệt và cơ tính, làm suy giảm chất lượng của sản phẩm cuối cùng [35]

Nguyên nhân cơ bản gây nên thiên tích là sự phân vùng các nguyên tố hòa tan giữa các pha lỏng và rắn trong quá trình đông đặc [25] Hệ số phân vùng k, (CS / CL, trong đó CS

và CL là nồng độ các chất trong pha rắn và lỏng trong trạng thái cân bằng ) là một chỉ số

về xu hướng tách biệt của các nguyên tố hợp kim Tỷ lệ này càng xa 1, thì sự phân tách các nguyên tố càng trở nên nghiêm trọng

Hầu hết các nguyên tố hợp kim trong hợp kim nhôm có độ hòa tan trong pha rắn thấp hơn trong pha lỏng (k <1) Do đó, trong quá trình đông đặc, các nguyên tố này bị đẩy vào pha lỏng Sau đó, sự chuyển động tương đối giữa pha lỏng (đã được tách ra) và pha rắn trong quá trình đông đặc dẫn đến thiên tích [25], [ 36], [ 37]

Bên cạnh loại nguyên tố hợp kim, mức độ thiên tích cũng được kiểm soát đáng kể bởi các thông số quá trình và cấu trúc trong hợp kim nhôm Chẳng hạn trong đúc liên tục, tốc độ đúc [38], [ 39], [ 40], độ quá nhiệt của kim loại lỏng [39], kích thước phôi/thỏi đúc [41], hệ thống cấp kim loại [42] và các chất tinh luyện [37], [ 43] đều ảnh hưởng đến mức độ thiên tích trong đúc Thông thường, việc giảm tốc độ đúc, giới hạn kích thước phôi và tối ưu hóa hệ thống rót kim loại có tác dụng tốt trong việc giảm thiên tích, còn các yếu tố như độ quá nhiệt và các chất tinh luyện đôi khi có tác dụng ngược lại

b) Co ngót và co rút nhiệt

Là một trong những đặc điểm chính trong quá trình đúc, sự co lại của hợp kim nhôm trong và sau khi đông đặc có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm đúc Sau khi được đổ vào khuôn, kim loại lỏng bắt đầu co lại ở trạng thái lỏng do nhiệt độ giảm

Sự co rút chất lỏng này thường không ảnh hưởng xấu vì toàn bộ thể tích ở dạng lỏng, và việc bù co kim loại lỏng diễn ra dễ dàng [26]

Khi quá trình nguội diễn ra và kim loại lỏng bắt đầu đông đặc, sự co lại tiếp tục chủ yếu đến từ quá trình đông đặc do sự chênh lệch mật độ của các pha lỏng và rắn gọi là co ngót khi đông đặc Cấu trúc tinh thể của hợp kim đóng vai trò quan trọng [44] Thông thường, các kim loại có cấu trúc tinh thể dày đặc nhất, chẳng hạn như lập phương tâm mặt (ví dụ Al và Cu) và lục giác xếp chặt (ví dụ: Mg và Zn) có giá trị co ngót đông đặc lớn hơn so với các kim loại cấu trúc lập phương tâm khối như Fe Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ các pha lỏng và rắn cũng làm giảm thể tích nhưng ít hơn nhiều so với co ngót đông đặc

Sau khi đông đặc, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của mật độ pha rắn dẫn đến sự co lại hơn nữa, đây là sự co lại do nhiệt Sơ đồ minh họa của ba chế độ co lại này được thể hiện trong Hình 1 5

Hình 1 5 Ba cơ chế co ngót: co ở trạng thái lỏng, trong quá trình đông đặc và

co ở trạng thái rắn [44]

Trong giai đoạn đầu của quá trình đông đặc, khung liên kết giữa các pha rắn chưa được hình thành, sự co rút nhiệt không biểu hiện rõ rệt trong vật đúc nên không gây ra vấn đề

đặc Hầu hết các khuyết tật xảy ra trong giai đoạn này do kim loại lỏng không thể bù co,

và đôi khi cũng do vật liệu không có khả năng chống lại sự phát triển của ứng suất/biến dạng sau điểm cứng, nơi hình thành mạng liên nhánh cây [37], [ 45] Trong số các khuyết tật liên quan đến sự co lại, các khuyết tật phổ biến và có hại nhất là rỗ co, xốp co và nứt nóng, thường xảy ra gần nhiệt độ đường rắn, khi tỷ lệ phần rắn lớn hơn 90 % [26], [ 46] Trong giai đoạn này, kim loại lỏng khó xen kẽ vào giữa các nhánh cây dẫn đến việc hình thành các khoảng trống phân tán hoặc co ngót tế vi giữa các nhánh cây Hơn nữa, sự co thể tích lớn của hợp kim nhôm, kết hợp với độ bền kém của tổ chức nhánh cây, làm cho nứt nóng dễ xảy ra [25]

c) Rỗ khí

Sự hình thành rỗ khí trong và sau khi đông đặc trong hợp kim nhôm là một trong những khuyết tật lớn và ảnh hưởng xấu đến cơ tính [26] Hydro hòa tan (nguyên tử H) trong kim loại lỏng được coi là nguồn gây rỗ xốp chính trong hợp kim nhôm [5] Trong quá trình đông đặc, hầu hết hydro hòa tan tập trung thành dạng phân tử do sự khác biệt đáng

kể về nồng độ hydro trong nhôm lỏng và rắn, do đó tạo điều kiện cho sự hình thành lỗ rỗng trong hợp kim nhôm

Như vậy, độ hòa tan hydro trong hợp kim nhôm nóng chảy là thông số chính quyết định

độ xốp Mỗi yếu tố dẫn đến độ hòa tan hydro tăng hoặc tạo ra nguồn hydro sẽ làm tăng hàm lượng ban đầu của hydro trong kim loại lỏng, do đó làm tăng rỗ khí Các yếu tố này gồm nhiệt độ quá nhiệt cao, có nhiều nguyên tố hợp kim hoạt động bề mặt trong kim loại lỏng [47] (ví dụ: Mg hoặc Li, so với các nguyên tố không hoạt động bề mặt Cu, Zn

và Si ) và môi trường ẩm Tốc độ nguội và đông đặc thấp cũng làm tăng tỷ lệ và kích thước lỗ rỗng hydro do sự khuếch tán tăng cường của các nguyên tử hydro [5] Tốc độ làm nguội cao có thể dẫn đến sự hình thành dung dịch hydro siêu bão hòa trong nhôm rắn Hydro này sau đó có thể kết tụ và hình thành bọt khí thứ cấp liên kết trong pha rắn

Để giảm thiểu tác động bất lợi gây ra bởi khuyết tật rỗ khí, xử lý khử khí là cần thiết trong đúc nhôm công nghiệp Phương pháp phổ biến nhất là đưa các bong bóng khí bổ sung vào kim loại lỏng thông qua việc bơm khí trơ (như Argon hoặc Nitơ) [48] Các bong bóng được hình thành thúc đẩy sự khuếch tán hydro từ nhôm nóng chảy vào các bong bóng do áp suất cục bộ của hydro bên trong thấp hơn Những bong bóng này nổi

lên và thoát khỏi kim loại lỏng, dẫn đến việc loại bỏ hydro Khử khí bằng chân không cũng có thể được sử dụng, tuy nhiên, do yêu cầu kỹ thuật và chi phí cao nên hiếm khi được áp dụng trong công nghiệp

1.2 Nguồn dao động siêu âm

Chúng ta chỉ có thể nghe thấy âm thanh có tần số từ 20 Hz đến ngưỡng 20 kHz, các âm thanh có tần số cao hơn ngưỡng đó được gọi là siêu âm Ngược lại, các âm thanh có tần

số thấp hơn ngưỡng tai người có thể nghe được (thường khoảng dưới 20 Hz) được gọi

là hạ âm Như vậy, siêu âm được hiểu là âm thanh có tần số cao hơn ở ngưỡng 20 kHz Các sóng siêu âm thường được dùng trong công nghiệp như 20 kHz, 30 kHz, 35 kHz,

40 kHz, 70 kHz, và trong đề tài này ta chọn ngưỡng siêu âm là 20 kHz

Siêu âm là một loại dao động cơ học được truyền đi trong một môi trường vật chất nhất định Năng lượng cơ học này tác động vào các phân tử vật chất của môi trường làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, mặt khác do tương tác mà các phân tử bên cạnh nó cũng chụi ảnh hưởng và dao động theo, tạo thành sóng lan truyền cho tới khi hết năng lượng Chính vì vậy siêu âm không thể truyền ở môi trường chân không như các sóng điện từ

Sóng siêu âm là sóng cơ học mang tính chất sóng dọc, tức là giao động cùng chiều với chiều lan truyền sóng Sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường lan truyền như không khí, chất lỏng, chất rắn với tốc độ truyền cao tương đương tốc độ âm thanh

và có bước sóng ngắn Bước sóng là khoảng cách 𝜆 mà sóng truyền đi sau một chu kỳ

T

c cT f

Hình bên dưới (Hình 1 6) là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén

và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh và đáy sóng thể hiện biên

độ cao nhất

Hình 1 6 Biểu đồ biểu diễn dao động của sóng âm Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

 Chu kỳ T (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn

 Tần số f (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

 Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian

 Bước sóng λ (μm): quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng

f : tần số siêu âm

V: thể tích môi trường

v0: biên độ tốc độ

Ta thấy rằng năng lượng sóng tỷ lệ thuận với tần số siêu âm Do đó nếu cùng một biên

độ dao động thì sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn nhiều so với sóng âm Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng càng ngắn thì năng lượng siêu âm càng cao và ngược lại

 Cường độ siêu âm: là năng lượng siêu âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng [49]:

W Ev   A v 1 5 Trong đó:

W: cường độ siêu âm

Công suất và năng lượng sóng siêu âm: công suất đại diện cho cường độ của việc xử lý hoặc từ một góc độ khác, những ảnh hưởng lên môi trường của quá trình xử lý là bao nhiêu Trong siêu âm, quá trình xử lý được thực hiện bằng cách truyền một làn sóng siêu

âm xuyên qua môi trường, do vậy, công suất của quá trình xử lý được xác định bởi năng lượng (hoặc cường độ) của sóng siêu âm Các nghiên cứu cho thấy công suất mạnh hơn

là nguyên nhân tạo ra những sự thay đổi lớn trong vật liệu, ít nhất lên tới một số giới hạn công suất tối đa nào đó phụ thuộc vào những tính chất của môi trường Về mặt lý thuyết, công suất do sóng siêu âm cao tạo áp suất cao trong môi trường

Biên độ sóng siêu âm: Theo cách truyền thống, để đại diện cho năng lượng hoặc

độ mạnh của sóng siêu âm là biện pháp đo biên độ của dao động cơ học Biên độ dao động được đo như là khoảng dịch chuyển tối đa trong micromet (μm) của đầu dao động khi nó phát dao động vào môi trường

Cường độ: Cường độ âm là một cách để đo công suất truyền đến môi trường từ

bề mặt của đầu sao động, hơn là từ các máy phát siêu âm Nói chung, cường độ âm Pi

(còn gọi là năng lượng bức xạ) đại diện cho công suất, P, phân phối trên một đơn vị diện tích bề mặt A

1.3 Giả thuyết đề tài

Cơ sở của quá trình làm thay đổi tổ chức trong quá trình kết tinh vật đúc: trong quá trình đông đặc, ta truyền dao động siêu âm vào kim loại lỏng (sẽ phân tích kỹ hơn trong luận văn về thông số công nghệ: vị trí đặt, phương đặt, biên độ độ, tần số, ), năng lượng sóng siêu âm sẽ tác động vào kim loại lỏng và quá trình nguội với các ảnh hưởng như sau:

 Sóng siêu âm làm thay đổi tổ chức nhánh cây: dưới tác dụng sóng siêu âm, trong

quá trình kết tinh các cấu trúc tinh thể dạng trụ dài hướng về tâm sẽ bị bẻ gãy liên tục làm cho các hạt tinh thể này không lớn lên được mà bị vỡ ra thành các hạt mịn hơn Đồng thời, với tác dụng sóng siêu âm làm quá trình truyền nhiệt làm nguội vật đúc nhanh đáng kể nên đạt được tổ chức hạt mịn, nhỏ là chủ yếu

 Sóng siêu âm hạn chế các khuyết tật khi đúc: sóng siêu âm mang theo năng lượng

lớn, bước sóng ngắn đi vào kim loại còn ở trang thái lỏng Như vậy, sẽ gây ra hiện tượng

vỡ bọt trong kim loại lỏng giúp hoà trộn các thành phần hợp kim và kim loại nền dẫn đến đồng nhất tránh được hiện tượng thiên tích ở vật đúc Đồng thời, hiện tượng này cũng giúp xỉ, bọt khí và các vết nứt li ti trong quá trình đông đặc bị loại bỏ

 Sóng siêu âm giúp tăng khả năng điền đầy trong khuôn đúc: Trong quá trình đúc

các vị trí có tiết diện nhỏ khó có thể được điền đầy trong khuôn kim loại Dưới tác dụng của dao động siêu âm, ma sát giữa kim loại lỏng và thành khuôn giảm và độ linh động của dòng kim loại lỏng tăng do đó kim loại lỏng dễ dàng len lỏi vào các khe rãnh có tiết diện nhỏ

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Để tạo được một hợp kim có các tính chất như yêu cầu, các nhà sản xuất có thể thay đổi thành phần hợp kim hoặc quy trình sản xuất Các thay đổi có thể được thực hiện bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim, thay đổi tỷ lệ thành phần hoặc thay đổi các thông số trong quá trình chế tạo

Để cải thiện độ cứng và giới hạn chảy của hợp kim nhôm, các phương pháp tác động nhiệt, hóa học và cơ học đã được thực hiện trong quá trình đúc [4], [ 8], [ 12], [ 13] Phương pháp hóa học, là một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi bằng việc bổ sung các chất tinh luyện kích thước hạt vào kim loại lỏng Tuy nhiên, việc sử dụng các chất phụ gia này bị giới hạn trong một số hợp kim và một số trong số chúng tạo thành các hợp chất

có ảnh hưởng bất lợi đến các tính chất cơ học [26] Chúng gây ra nhiễm bẩn kim loại lỏng và chỉ một phần trong số chúng hoạt động như các vị trí tạo mầm trong khi phần còn lại biến thành tạp chất [17] Những tạp chất này sẽ làm giảm chất lượng của kim loại đúc [26] Để vượt qua những thách thức này, các phương pháp nhiệt và cơ học đã được đưa vào các quy trình đúc Những phương pháp này có thể bao gồm kiểm soát tốc

độ nguội, rung hoặc khuấy cơ học, khuấy đảo từ và rung siêu âm [4], [ 8], [ 12], [ 13] Pillai và cộng sự đã công bố một cuộc khảo sát rộng rãi về các phương pháp rung động khác nhau được sử dụng để tác động vào quá trình đông đặc kim loại và ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc sau cùng [50] Bảng 2 1 trình bày tóm tắt khảo sát của họ

Bảng 2 1 Khảo sát các nghiên cứu ứng dụng rung động trong quá trình đông

đặc kim loại [60]

Loại hợp kim nhôm Nguồn rung động Ảnh hưởng của rung động

Kim loại nhôm Siêu âm Khử khí

Nhôm nguyên chất

Rung động thẳng bằng cách chuyển đổi chuyển động quay của động cơ

Làm mịn hạt Giảm sự hình thành cấu trúc cột Giảm thời gian đông đặc

DC, 100 chu kỳ/phút (2Hz) Hợp kim cùng tinh Al-

Si Rung tần số thấp Làm thô hợp kim hiệu chỉnh Na và Mg

Giảm 3 lần rỗ xốp

Độ bền kéo và độ giãn dài cao hơn

Tổ chức cùng tinh hiệu chỉnh chỉ trong khuôn khuấy đảo từ không bổ sung thành phần khác

Al-20Si Tần số thấp Khuấy trộn kim loại lỏng, giảm đáng

kể khí lẫn

Trước cùng tinh Al7Si

và sau cùng tinh Al20Si Khuấy đảo từ

Giảm thiên tích Si trong hợp kim sau cùng tinh

Thúc đẩy phân mảnh nhánh cây trong hợp kim trước cùng tinh

Giảm rỗ xốp hướng tâm do đó phôi có lõi tốt

Al-Ti, Al-Si, Al-Cu

Dao động mạnh tác động vào khuôn

Hình thành hạt mịn, cải thiện bề mặt, điền đầy các vị trí tiết diện mỏng, phân tán rỗ khí và ô xít

Phát triển pha kết tinh thứ cấp

Bị thiên tích do độ quá nguội

500 kg Al Rung siêu âm Cải thiện quá trình khử khí

Thời gian khử khí trong vài phút với việc làm sạch khí kết hợp với rung động so với 30 phút nếu không có rung Giảm xu hướng nứt nóng, giảm độ xốp

Tăng cường tối đa cơ tính sau 10 phút

xử lý

Độ bền kéo tăng từ 164-181Mpa

Độ giãn tương đối tăng từ 2.8-3.1% Giảm tỷ lệ hydro và Oxy xâm nhập từ 1.5 đến 3 lần

Giảm thể tích cùng tinh không cân bằng

Làm mịn tổ chức nhánh cây và phân bố tốt các pha cùng tinh không cân bằng Al–6/11/15 Cu Rung cơ học

Cải thiện độ bền kéo với biên độ rung tăng dần

Hợp kim Al-Zr Xử lý siêu âm

trong đúc liên tục

Làm mịn cấu trúc Phân tán hạt kim loại, hạn chế phụ gia

Hình thành hạt nhánh cây phụ (0.1 mm) so với hạt thô (0.8-1.5 mm) mà không cần xử lý dẫn đến tăng độ dẻo

Al–4.5Cu

Dao động thẳng chuyển đổi từ chuyển động quay của động cơ DC

100 vòng/phút (2Hz)

Vùng hạt mịn mở rộng đặc biệt với gia tốc lớn

Al12.3Si

Thay đổi tần số từ 15-41,7 Hz và biên độ 0,125 -0.5mm

Với thời gian rung tăng dần

Tần số và biên độ tăng dẫn đến làm mịn hạt và giảm ống

Hạt Si cùng tinh và silic chính thô lớn trong hợp kim hiệu chỉnh Natri và không hiệu chỉnh

2.1 Khuấy đảo từ

Trong kỹ thuật này, các dao động điện từ gồm từ trường đứng yên và điện trường thay đổi Nếu một từ trường đứng yên có mật độ từ thông B và một điện trường thay đổi với tần số f và mật độ dòng J được áp dụng cho kim loại lỏng, một lực điện từ dao động có mật độ F = J.B được tạo ra bên trong kim loại lỏng Lực này đặt các hạt bên trong dòng kim loại chuyển động rung với tần số bằng tần số của điện trường xoay chiều, dao động vuông góc với mặt phẳng của J và B [51] Một lực điện từ khác được hình thành bên trong kim loại lỏng do lực từ được áp dụng và lực cảm ứng, lực này quay và khuấy trộn kim loại lỏng [51] Hình 2 1 minh họa mối quan hệ giữa các lực này

Hình 2 1 Hướng của lực dao động F do tương tác của điện trường xoay chiều

J và từ trường không đổi B [51]

Mizutani và cộng sự [52] đã áp đặt các dao động điện từ lên hợp kim Al-7% Si và nhận thấy rằng khi tăng cường độ rung, các sợi nhánh α-Al chính chuyển dần sang dạng hình cầu có kích thước khoảng 25μm Họ cũng nhận thấy rằng trong hợp kim Al-17% Si, các hạt Si được làm nhỏ mịn đến 5μm với tần số gần 1 kHz Mức độ nhỏ mịn tăng theo tần

số rung [53] Họ cho rằng hiện tượng này đã phá hủy nhánh cây do hiện tượng nổ tế vi

và khuấy trộn trong kim loại lỏng Các nhà nghiên cứu khác [54], [ 55] đã báo cáo rằng

cấu trúc hạt mịn và đồng nhất, kích thược hạt Si cùng tinh giảm, và chất lượng bề mặt vật đúc được cải thiện do rung động điện từ

2.2 Rung động cơ học

Trên thế giới hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về tác động rung cơ học đến quá trình đông dặc của hợp kim đúc Trong đó các nghiên cứu chia thành hai nhóm:

1 Tác dụng rung động cơ học tần số thấp đến quá trình đông đặc

2 Xử lý kim loại lỏng và quá trình đông đặc với tần số cao (tần số siêu âm)

Nghiên cứu về rung cho các ứng dụng luyện kim có thể có từ năm 1878 khi Chernov đề xuất ý tưởng ban đầu là cải thiện chất lượng kim loại đúc bằng dao động đàn hồi [56] Southin đã sử dụng kỹ thuật thí nghiệm tương tự; tuy nhiên công việc của ông tập trung vào các kim loại màu có độ tinh khiết cao như Al, Bi, Cd, Pb, Sn và Zn [57] Ông kiểm soát để có được cấu trúc hạt mịn nhưng chỉ thành công một phần Quá trình được xác định bởi mặt phân cách rắn-lỏng được hình thành trong quá trình hóa rắn Khi bề mặt này có dạng nhánh cây, các dao động hình sin có biên độ thấp (50 Hz) là đủ để làm mịn hạt, nhưng khi bề mặt phân cách dạng phẳng hoặc dạng ô, một sự xáo trộn nghiêm trọng trong kim loại lỏng, chứng tỏ rằng có hiện tượng xâm thực

Trong hệ thống đúc khuôn kim loại với rung động tần số thấp, nguồn dao động được tích hợp với hệ thống khuôn đúc hoặc khuôn đúc được bố trí trên bàn rung Mặc dù việc

sử dụng các rung động cơ học sẽ tác động đến các bậc tự do bị hạn chế, nhưng đây là phương pháp đơn giản và có độ tin cậy của thiết bị tạo rung động

Sokoloff [58] có lẽ là người đầu tiên báo cáo về việc sử dụng rung động cơ học để làm mịn hạt Campbell [59] đã báo cáo rằng rung động cơ học cải thiện cơ tính và độ bền mòn của hợp kim Rung động cơ học cũng có thể làm giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn xu hướng hình thành vùng rỗng xốp trong thỏi đúc

Hình 2 2 Sơ đồ bố trí hệ thống rung cơ học trên khuôn kim loại [60] Pillai và nhóm nghiên cứu đã sử dụng các rung động tần số rất thấp (100 và 200 chu kỳ mỗi phút) để nghiên cứu ảnh hưởng của nó đối với hợp kim A356 và Al-12%Si Họ kết luận rằng các rung động cơ học cải thiện mật độ, độ cứng, độ bền kéo và độ giãn dài của các chi tiết đúc Họ cho rằng điều này là do các bong bóng hydro kết tụ lại và thoát ra khỏi kim loại lỏng do rung động khuôn Do đó độ xốp giảm và độ thấm ướt giữa kim loại lỏng và thành khuôn tăng, dẫn đến thúc đẩy sự truyền nhiệt nhanh hơn và sự phân mảnh của các phần kim loại rắn trên thành khuôn [50] Tuy nhiên, phương pháp mà Pillai sử dụng để tạo ra các rung động tần số thấp (rung tay và nghiêng khuôn) rất không thực tế trong môi trường đúc sản xuất Kokatepe đã áp dụng các dao động có tần số 15 đến 41,7 Hz và biên độ 0,125 đến 0,5 mm khi đúc thỏi hợp kim Al-12.3%Si trong khuôn graphite [61] Họ phát hiện ra rằng với tần số 41,7 Hz, thời gian đông đặc của vật đúc

đã giảm 24%, thể tích co ngót giảm 55% và kích thước hạt giảm 52% so với vật đúc không rung Nhưng Kokatepe và cộng sự cũng báo cáo rằng các rung động gây ra sự lớn lên của silic cùng tinh do tăng độ khuếch tán của silic trong kim loại lỏng khi rung động

và cho rằng hạt mịn quan sát được chủ yếu là sự phân mảnh nhánh cây và các tinh thể phát triển trong giai đoạn đầu của quá trình đông đặc

Abu Dheir và cộng sự đã sử dụng máy lắc điện từ để tạo ra các rung động cơ học trong khuôn kim loại [58] Họ đã rung khuôn ở tần số từ 100Hz đến 2 kHz và biên độ dao động từ 3,73m đến 199 m và ghi lại lịch sử nhiệt tại các điểm khác nhau trong khuôn Quan sát của họ với hợp kim A356 cho thấy rung động đồng nhất hóa sự phân bố nhiệt

độ trong khuôn và thúc đẩy tốc độ làm nguội nhanh hơn Điều này thể hiện ở cấu trúc nhánh cây đồng đều hơn và độ xốp ít hơn trong các vật đúc Abu Dheir và cộng sự đã quan sát sự phân mảnh của cấu trúc nhánh cây trong hợp kim Al-12.5%Si Họ thấy rằng mức độ phân mảnh tăng theo biên độ rung Theo đó, cấu trúc cùng tinh chuyển đổi từ cấu trúc mảng điển hình sang cấu trúc thớ sợi với biên độ tăng lên tới 149 m (Hình 2 3) Trên 149 m, sợi Si cùng tinh kết tụ tạo thành một cấu trúc mảng thô Họ kết luận một số tính chất cơ học nhất định bị ảnh hưởng bởi các rung động bao gồm tăng 19 đến

68 % độ giãn dài và tăng nhẹ độ bền kéo (3%)

Hình 2 3 Hình thái silic cùng tinh với a) không rung và b) rung ở tần số

100Hz và biên độ 149m Nghiên cứu của Naoki Omura và cộng sự [60] đã chỉ ra rằng do rung động cơ học vùng

có tổ chức dạng trụ mở rộng nhưng kích thước hạt của vùng này giảm đi Ở tần số dao

rung khácn nhau, mẫu thử được đúc ở tần số dao động 70 Hz cho thấy độ bền kéo đứt cao hơn và ít bị phân tán hơn

Hình 2 4 Ảnh hưởng của tần số rung đến tổ chức Macro của mẫu nhôm đúc

AC4C với nhiệt độ khuôn 663K [60]

Trong một nghiên cứu khác, Naoki Omura và cộng sự đã tìm ra ảnh hưởng của rung động đến sự thay đổi nhiệt độ của kim loại lỏng (Hình 2 5), kích thước tổ chức nhánh cây của mẫu được đo để xác định tốc độ nguội của kim loại, và kết quả thu được như sau [62]:

1 Do áp đặt rung động cơ học, tốc độ nguội của kim loại lỏng tăng lên

2 Nhiệt độ tối đa của khuôn trong quá trình đúc tăng và thời gian đạt đến nhiệt độ tối đa rút ngắn do rung động cơ học (Hình 2 6)

3 Do rung động cơ học, khoảng cách tổ chức nhánh cây ở vùng ngoài của mẫu giảm Mẫu đúc không có rung có bề mặt mịn hơn nhưng ở tần số rung cao, bề mặt của mẫu đúc trở nên thô