Nghiên cứu công nghệ tạo hình một số hợp kim màu ở trạng thái bán lỏng

Nếu như trước kia kim loại sử dụng trong kỹ thuật tạo hình được nung chảy hoàn toàn thì ngày nay công nghệ tạo hình vật liệu đã tiến lên một bước mới, đó là tạo hình vật liệu ở trạng thá

NGUYỄN VINH DỰ

Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Mã số ngành : 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH

MỘT SỐ HỢP KIM MÀU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS LƯU PHƯƠNG MINH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LƯƠNG HỒNG ĐỨC

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…… tháng 09 năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VINH DỰ Phái : Nam

Sinh ngày 08 tháng 12 năm 1979 Nơi sinh: Thành phố Hồ Chí Minh

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu công nghệ tạo hình một số hợp kim màu ở trạng thái bán lỏng

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng Tham gia thực hiện thí nghiệm sự thay đổi cơ tính và cấu trúc tế vi theo nhiệt độ đối với hợp kim Nhôm A357 và hợp kim Magiê AZ91D Nhận xét các kết quả, rút ra kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20 tháng 01 năm 2006

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:20 tháng 06 năm 2006

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH

PGS.TS Nguyễn Trường Thanh PGS.TS Trần Doãn Sơn PGS.TS Trần Doãn Sơn

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian dài nỗ lực và cố gắng, cuối cùng tôi cũng đã hoàn thành xong luận văn Cao học này Tuy nhiên, luận văn chắc chắn không hoàn thành nếu không có sự tận tình hướng dẫn, chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn “Thiết bị và công

nghệ vật liệu cơ khí” đặc biệt là thầy Nguyễn Trường Thanh

Tôi xin chân thành cảm ơn:

PGS.TS Nguyễn Trường Thanh đã dành nhiều thời gian và công sức để giúp

tôi giải quyết các vấn đề trong quá trình làm luận văn và bổ sung nhiều kiến thức mà tôi còn thiếu sót trong quá trình học tập

GS Nguyễn Thế Hưng- trường Đại học Bách khoa Montréal, Canada đã giúp

đỡ tôi tận tình trong mọi vấn đề từ chuyên môn lẫn trong cuộc sống trong thời gian tôi thực tập tại đây

Tiến sĩ Chee Ang Loong – trung tâm nghiên cứu công nghệ vật liệu Canada

– đã cung cấp, hỗ trợ cho tôi những kiến thức, những tài liệu quý báu về công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng

Ban tổ chức Thành ủy TP.HCM – Ban điều hành chương trình 300 đã

giúp đỡ về tài chính và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi có điều kiện tham quan thực tập tốt nghiệp tại Canada nhằm tiếp cận công nghệ tạo hình tiên tiến này

Các thầy cô trong bộ môn “Thiết bị và công nghệ vật liệu cơ khí” đã nhiệt

tình chỉ dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn này Đồng thời, tôi cũng xin cảm

ơn thầy Lưu Phương Minh cùng các bạn trong nhóm nghiên cứu về công nghệ bán

lỏng của Bô môn đã đóp góp ý kiến để tôi hoàn thiện công trình nghiên cứu của mình

Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị cùng khóa, các bạn đồng nghiệp nước ngoài nơi tôi thực tập đã đóng góp nhiều ý kiến bổ ích giúp tôi hoàn thành luận văn Cao học này

Cuối cùng, tôi muốn nói lời tri ân của mình đến bố mẹ tôi, những người hằng ngày đã theo dõi từng bước đi của tôi, và là chỗ dựa tinh thần cho tôi trong những lúc khó khăn

Mặc dù cố gắng hết sức nhưng vì thời gian có hạn và kiến thức còn nhiều hạn chế nên luận văn này khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và thông cảm từ quý thầy cô và các bạn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2006

Học viên thực hiện

Nguyễn Vinh Dự

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cùng với sự lớn mạnh của ngành cơ khí động lực, ngành công nghiệp đã

có những bước phát triển mạnh mẽ về thiết bị đặc biệt là về công nghệ Nếu như

trước kia kim loại sử dụng trong kỹ thuật tạo hình được nung chảy hoàn toàn thì

ngày nay công nghệ tạo hình vật liệu đã tiến lên một bước mới, đó là tạo hình

vật liệu ở trạng thái bán lỏng Phương pháp tạo hình này đã được phát hiện ra từ

đầu thế kỷ này Kỹ thuật này bắt đầu được phát triển bởi Giáo sư Merton C

Flemings – Viện kỹ thuật Masasuchet, Hoa Kỳ và trong những năm gần đây kỹ

thuật tạo hình này đã được bắt đầu thương mại hóa đưa vào sản xuất công

nghiệp Luận văn này sẽ đề cập đến các vấn đề như: tìm hiểu tổng quan công

nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng, đưa ra những ưu nhược điểm mà

phương pháp tạo hình này có được, trình bày các công nghệ tạo hình mới nhất

đang được áp dụng và triển khai tại các nước tiên tiến đó là công nghệ tạo hình ở

trạng thái bán lỏng: tìm hiểu thực trạng, khả năng ứng dụng, phân tích ưu nhược

điểm của công nghệ mới này, tìm hiểu cơ sở lý thuyết cho quá trình nghiên cứu

công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng Cuối cùng, tiến hành khảo sát sự thay

đổi cơ tính của vật đúc từ hợp kim Nhôm A357, hợp kim Magiê AZ91D đây là

những hợp kim được sử dụng phổ biến trong đúc áp lực- theo nhiệt độ nung Khảo

sát này được thực hiện cùng với các chuyên gia của Viện công nghệ vật liệu

Canada

MỤC LỤC

Lời cảm ơn IV Tóm tắt luận văn VIII Mục lục IX

Chương 1 : Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng 1

1.1 Ưu, nhược điểm của công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng 1

1.2 Công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng 9

1.2.1 Phân loại 9

1.2.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp đúc bán lỏng so với các phương pháp khác 13

1.2.3 Phạm vi ứng dụng 16

1.3 Xu hướng phát triển của ngành công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng 18

1.4 Thực trạng của ngành công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng trên thế giới và ở Việt Nam 20

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 21

1.6 Nội dung nghiên cứu 21

Chương 2: Những vấn đề lý thuyết của công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng 22

2.1 Một số đặc điểm về hình thái học và cơ tính của kim loại khi tạo hình ở trạng thái bán lỏng 21

2.2 Đặc tính tạo hình của kim loại bán lỏng 26

2.3 Đường cong quan hệ giữa độ biến dạng và ứng suất chảy của kim loại bán

lỏng 29

2.4 Mối quan hệ cốt lõi giữa ứng suất chảy và thành phần rắn fs trong kim loại bán lỏng 31

2.5 Độ nhớt của kim loại bán lỏng 33

2.6 Công thức dự đoán độ nhớt của kim loại bán lỏng 35

2.7 Độ mịn của hạt 37

2.8 Kết luận 46

Chương 3 : Nghiên cứu thực nghiệm sự thay đổi cấu trúc tế vi và cơ tính của một số hợp kim màu theo nhiệt độ trong trong công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng 47

3.1 Thiết bị thí nghiệm 48

3.2 Mẫu thí nghiệm 50

3.3 Phương pháp lấy mẫu thí nghiệm 50

3.4 Đánh giá, bàn luận các kết quả 52

3.4.1 Hợp kim Nhôm A357

3.4.2 Hợp kim Magiê AZ91D

3.5 Kết luận 57

Chương 4: Kết luận và định hướng phát triển 67

4.1 Kết luận 67

4.2 Định hướng phát triển 68

Tài liệu tham khảo 69

Phụ lục 71

Tóm tắt lý lịch trích ngang 78

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH

Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG

1.1 Ưu, nhược điểm của công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng

Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng là một trong những phương pháp tạo hình có từ rất lâu đời, dùng để sản xuất các chi tiết, hàng hóa bằng kim loại Vào những thời kỳ đầu, người ta sử dụng mỗi chi tiết là một khuôn và sau khi kim loại trong khuôn được kết tinh lại, khuôn sẽ được phá hủy nhằm mục đích lấy vật đúc

ra Hiện nay, loại khuôn này vẫn còn được sử dụng phổ biến ở nước ta cụ thể là trong đúc khuôn cát Đối với phương pháp lấy sản phẩm theo cách này gặp phải một số bất lợi ví dụ như: kích thước vật đúc không đồng đều, năng suất thấp do thời gian làm khuôn chiếm một phần trong chu kỳ đúc Để khắc phục nhược điểm này khuôn vĩnh cửu-hay còn gọi là khuôn kim loại được ra đời Phương pháp này cho ra năng suất rất cao và đồng đều về kích thước, nó là tiền đề cho việc phát triển công nghệ tạo hình ở trạng thái lỏng và tiếp theo là tạo hình ở trạng thái bán lỏng ngày hôm nay

Tóm lại, có rất nhiều phương pháp tạo hình ở trạng thái lỏng: đúc khuôn cát, đúc trọng lực, tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng dưới áp lực cao,…

Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng thông thường là phương pháp tạo hình bằng cách sử dụng khuôn kim loại, phương pháp này có khả năng đúc các chi tiết có trọng lượng từ 28g đến 25kg thời gian rất nhanh và kinh tế Thông thường thì phương pháp này được sử dụng để tạo hình các sản phẩm có kích thước nhỏ Tuy nhiên, có một số tài liệu [7] cho rằng có một số chi tiết lớn cũng có thể được sản xuất từ phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng dùng áp lực cao này, ví

dụ: khung cửa xe ôtô, hộp số,… Hợp kim đúc mà phương pháp này sử dụng rất đa dạng như Nhôm, Kẽm, Magiê, Chì, Đồng,…Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng gồm 2 phương pháp: Đúc trong buồng nóng, đúc trong buồng nguội

Hình 1.1 Thiết bị tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng sử dụng buồng nóng

Hình 1.2 Máy tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng sử dụng buồng nóng

Quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng nói chung và đúc áp lực bằng buồng nguội nói riêng có chu kỳ đúc như sau:

• Kim loại lỏng được múc vào shot sleeve (a)

• Cần đẩy hoạt động (b)

Hốc Muỗng

Tấm cố Tấm đẩy

Cần đẩy

Cần đẩy

Xy lanh thủy

Xy lanh thủy lực

Tấm cố định

• Kim loại lỏng được đẩy vào kênh dẫn (c)

• Kim loại lỏng được vào hốc khuôn và giữ cho đến khi kim loại kết tinh bằng áp lực cao (d)

• Mở khuôn (e)

• Đẩy sản phẩm ra ngoài(f)

Hình 1.3 Chu kỳ đúc của máy tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng buồng nguội

Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng là một quy trình có hiệu suất và có tính kinh tế cao Nếu chúng ta sử dụng hết công suất thì đây sẽ là một quy trình tương đối hoàn chỉnh về công nghệ và kỹ thuật

Những vấn đề còn tồn tại trong kỹ thuật tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng

Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng thường được sử dụng để sản xuất các loại sản phẩm cung cấp cho thị trường trên toàn thế giới Mặc dù phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng đã đáp ứng yêu cầu của thị trường về sản

phải một số khuyết điểm lớn như là: rỗ, và quá trình chảy trong khuôn không kiểm soát được và hậu quả là dòng chảy trong khuôn là chảy rối Rỗ và chảy rối thực chất là do 2 nguyên nhân chính đó là trong quá trình kết tinh có rỗ khí và do khí bị quẩn không thoát ra bên ngoài Hầu hết các kim loại ở trạng thái rắn có tỷ trọng lớn hơn khi nó ở trạng thái lỏng kết quả là các lỗ khí sẽ được hình thành trong suốt quá trình kết tinh Mặc khác do tốc độ dòng chảy kim loại trong tạo hình kim loại ở trạng thái lỏng quá cao do đó làm có dòng chảy trong khuôn bị chảy rối và làm khí trong hốc khuôn không thoát được ra ngoài gây nên khuyết tật rỗ khí cho vật đúc

Hình 1.4 So sánh giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối

Rỗ khí thường ảnh hưởng đến cơ tính của vật đúc, các rỗ khí này sẽ gây ra các ứng suất tập trung và sẽ tạo ra các vết nứt tại các vị trí này Từ những vấn đề đặt ra trên các nhà nghiên cứu về vật liệu cũng như về công nghệ đã tìm hiểu và đưa các các phương án nhằm khắc phục nhược điểm trên của công nghệ tạo hình bằng áp lực mà không làm mất đi tính những ưu điểm vốn có của nó Và phương

Hướng của dòng chảy kim loại

Chảy tầng

Chảy rối

pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã đáp ứng một cách đầy đủ các yêu cầu trên

Hình 1.5 Nguyên nhân gây ra túi khí

1.2 Công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng

a Khái niệm

Nếu như trong phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng, kim loại trước khi đem tạo hình được nấu chảy lỏng hoàn toàn thì tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng, kim loại chỉ được nung đến trạng thái 2 pha: pha rắn và pha lỏng Mặc dù ý tưởng về phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng có cách đây 30 năm nhưng đến giữa thập niên 90 nó mới được thương mại hóa

Công nghệ này được áp dụng cho rất nhiều loại hợp kim, bao gồm: hợp kim Nhôm, hợp kim Magiê, hợp kim Titan, hợp kim Kẽm, hợp kim Đồng cũng như nhiều hợp kim khác, nhưng phổ biến hơn cả là hợp kim Nhôm và Magiê Các hợp kim có thể sử dụng được cho công nghệ này phải có khoảng đông đặc lớn

Hướng của dòng chảy kim loại Túi khí bị quẩn

Bảng 1.1 Khoảng nhiệt độ đông đặc của một số hợp kim Nhôm phổ biến

Hợp kim Nhôm Khoảng nhiệt độ đông đặc, o C

A319 604÷516 A356 613÷557 A357 616÷557 A380 593÷538 A383 582÷516 A390 649÷507

Trong công nghệ này hợp kim được nung đến tạng thái “sền sệt” nên có thể tạo hình, biến dạng hoặc cắt rất dễ dàng

Hình 1.5 Billet của hợp kim Nhôm được nung đến trạng thái bán lỏng

Công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng có ưu điểm hơn so với công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng, cụ thể như sau:

™ Giảm số lượng khí bị quẩn trong vật đúc

Rỗ khí là một hiện tượng vật lý do khí trong khuôn không thoát ra bên ngoài được trong quá trình kim loại điền đầy khuôn, do sự phân hủy của chất làm nguội khuôn (được phun lên bề mặt của khuôn trước khi khuôn được đóng lại) và do sự

hòa tan của khí trong kim loại lỏng xảy ra trong quá trình đông đặc Trong tạo hình bán lỏng này cho chúng ta thấy rằng dòng chảy kim loại có độ nhớt cao cộng với diện tích mặt cắt ngang của miệng phun cũng lớn hơn so với đúc thông thường và tốc độ cần đẩy cũng chậm hơn do đó sẽ cho phép lượng khí thoát ra ngoài sẽ nhiều hơn trước khi khí bị nén lại

™ Giảm sự co rút khi đông đặc

™ Làm thay đổi cấu trúc tế vi của hợp kim

Không giống như các sản phẩm được sản xuất từ những phương pháp tạo hình thông thường, cấu trúc tế vi của sản phẩm được tạo ra từ phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng là cấu trúc không nhánh cây Trong suốt quá trình tạo hình cấu trúc nhánh cây bị bẽ gãy và hình thành cấu trúc có dạng hình cầu Cơ tính của cấu trúc tế vi có dạng hình cầu cao hơn hẳn cấu trúc có dạng nhánh cây ở trong các phương pháp tạo hình khác

Quy trình tạo hình ở trạng thái bán lỏng gồm có 2 quy trình khác nhau: quy trình tạo hình vật liệu trực tiếp và quy trình tạo hình vật liệu gián tiếp Cũng như tên gọi của nó tạo hình gián tiếp hay còn gọi là công nghệ Thixocasting, thì sản phẩm không được tạo ra một cách liên tục mà có sự gián đoạn Đầu tiên vật liệu tạo hình (hay còn goi là billet) được sản xuất sao cho có cấu trúc hình cầu Có nhiều phương pháp để thực hiện được điều này: khuấy đảo từ trường, khuấy đảo cơ học,…Sau đó vật liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ mà ở đó nó đạt đến trạng thái bán lỏng Quy trình trực tiếp hay còn gọi là công nghệ Rheocasting thì không cần qua giai đoạn sản xuất billet và gia nhiệt mà đây là một quy trình liên tục kết hợp với đúc liên tục Sau giai đoạn đúc liên tục kim loại lỏng được khấy đảo từ trường và làm nguội nhanh để có cấu trúc hình cầu, khi kim loại nguội đến trạng thái bán lỏng thì nó được phun ép vào khuôn Quy trình này rút ngắn

Hình1.6 Cấu trúc tế vi của hợp kim Nhôm được sản xuất từ các phương

pháp khác nhau

a Trực tiếp, b Gián tiếp, c Thông thường

Hình 1.7 Cấu trúc tế vi của chi tiết làm từ hợp kim Nhôm của quy trình

tạo hình trực tiếp vật liệu ở trạng thái bán lỏng

1.2 Công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng

1.2.1 Phân loại

Phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng được sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp tạo hình chi tiết từ hợp kim được nung ở nhiệt độ cao Nó gồm có 2 kỹ thuật chính :

9 Tạo hình vật liệu ở trạng thái chảy hoàn toàn (die-casting)

9 Tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng (semi-solid)

Một kỹ thuật tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng mới – đúc bán lỏng - ngày càng được sử dụng phổ biến và được xem như là kỹ thuật tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng tối ưu nhất hiện nay

Kỹ thuật này được phát hiện ra từ năm 1970 bởi Giáo sư C Flemings và sinh viên của ông ta là David Spencer ở học viện MIT (Hoa kỳ) và sau đó kỹ thuật đúc này được thương mại hóa trong công nghiệp cho đến ngày nay

Phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng có 2 công nghệ hiện nay đang được sử dụng đó là :

• Rheocasting: là một quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng khép kín từ giai đoạn nấu luyện nhôm đến giai đoạn tạo hình vật liệu Ở kỹ thuật này nguyên liệu sau khi được nấu luyện bằng quy trình đúc liên tục sẽ được giảm nhiệt độ từ nhiệt độ nóng chảy xuống đến nhiệt độ mà nguyên liệu ở trạng thái bán lỏng

Quy trình Rheocasting có ưu điểm là tiết kiệm được nhiệt lượng rất nhiều khi không phải nung trở lại nguyên liệu đầu vào, nhưng trong thời đại đòi hỏi sự chuyên môn hóa cao thì quy trình này không còn phù hợp, mặt khác quy trình này đòi

• Thixocasting: Là quy trình tạo hình vật liệu từ nhiệt độ thường lên đến nhiệt độ mà ở đó nguyên liệu ở trạng thái bán lỏng Ưu điểm của quy trình này là chi phí sản xuất hợp lý do không phải đầu thư thiết bị dàn trải và cấu trúc tế vi của sản phẩm sau khi tạo hình tốt hơn so với quy trình Rheocasting

Về nguyên tắc cả hai phương pháp đều giống nhau nhưng chỉ khác nhau về cách thức tiếp liệu và xử lý nguyên liệu tại đầu vào

Kỹ thuật tạo hình ở trạng thái bán lỏng (semi- solid hay Thixocasting)

Kim loại được nung đến khoảng 50%-80% chảy loãng, và nhờ áp lực của pittông của thiết bị tạo hình kim loại bán lỏng đã được nung này được đưa vào khuôn

Hình 1.8 Mô hình đúc thixocasting

Hình 1.9 Sơ đồ quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng bằng

phương pháp đúc bán lỏng

Kỹ thuật đúc Thixomolding

Thixomolding hay còn gọi là kỹ thuật phun kim loại bán lỏng vào khuôn là một kỹ thuật mới hiện nay và ngày nay kỹ thuật này được phát triển một cách mạnh mẽ, nhanh chóng nhờ những tính chất ưu việt của nó

Đây là kỹ thuật kết hợp giữa hai kỹ thuật phun ép nhựa và kỹ thuật tạo hình ở trạng thái bán lỏng Bước đầu tiên kim loại được nung đến 45-50% chảy loãng, làm cho cấu trúc hợp kim có dạng hình cầu và cuối cùng tạo hình cho cho hợp kim – giai đoạn này tương tự như kỹ thuật phun ép nhựa

Sản xuất billet

Nung nóng billet đến

trạng thái bán lỏng

Đưa kim loại nóng

chảy vào khuôn

• Hợp kim bị kích thích bởi từ trường nhằm tạo ra cấu trúc tế vi của kim lọai có dạng hình cầu

• Làm nguội nhanh đểlàm nhỏ hạt

• Hợp kim được phun qua hệ thống miệng phun vào khuôn

• Chi tiết được đưa ra ngoài khi đã kết tinh

Hình 1.10 Sơ đồ quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng bằng

phương pháp Thixomolding

Hình 1.11 Máy thixomolding

nguyên chất

Cấp liệu vào máy

đúc và gia nhiệt

Kim loại

ở trạng thái bán lỏng

Đưa kim loại nóng

chảy vào khuôn

• Phoi Mg được đưa vào bộ phận cấp liệu

• Được bảo vệ bằng khí Argon

• Gia nhiệt để đưa hợp kim đúc đến gần nhiệt độ chảy

• Cùng với việc gia nhiệt cho kim loại thì vít xoắn phải quay nhằm cung cấp lực cắt cần thiết

• Hợp kim được phun qua hệ thống miệng phun và vào khuôn

• Chi tiết được đưa ra ngoài khi đã kết tinh

Máy thixomolding là tên thương mại của công ty hóa chất Dow được giới thiệu đầu tiên vào năm 1990 và sự phát triển mạnh mẽ trong thương mại đây là thước đo cho sự lớn mạnh của kỹ thuật này Máy Thixomolding có vài điểm khác

so với máy ép nhựa ở những điểm quan trọng sau:

™ Máy có khả năng chịu được nhiệt độ cao khoảng 590oC

™ Máy phải đủ cứng để chống lại tốc độ phun cao

Bộ phận cấp liệu, có thiết bị bảo vệ bằng khí Argon nhằm ngăn ngừa nguyên liệu bi oxi hoá và ngăn không cho không khí đi vào buồng nung

1.2.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp đúc bán lỏng so với các phương pháp khác

Theo nghiên cứu [12] của Tiến sĩ Marie-Laure Cimetier và tiến sĩ Ang Loong viện công nghệ vật liệu Canada, phương pháp tạo hình ở trạng thái lỏng (die-casting) ít được áp dụng do đặc điểm của kỹ thuật tạo hình này có 1 số nhược điểm như :

Chee-¾ An toàn :

Khả năng xảy ra cháy, nổ và bắn kim loại lỏng ra ngoài là rất lớn ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng của nhân viên vận hành máy khi thao tác

¾ Chất lượng sản phẩm :

• Chi tiết sau khi đúc bằng kỹ thuật nấu chảy hoàn toàn sẽ có rỗ bọt khí nhiều hơn, lỗ co nhiều hơn chất lượng bề mặt xấu hơn khi sử dụng kỹ thuật tạo hình ở tráng thái bán lỏng (semi-solid)

• Cấu trúc tế vi của vật đúc ở phương pháp bán lỏng cũng tốt hơn

• Dòng chảy của kim loại lỏng trong kỹ thuật đúc chảy hoàn toàn là chảy rối không có lợi cho chất lượng sản phẩm

ĐÚC CHẢY HOÀN TOÀN

Chảy rối

ĐÚC BÁN LỎNG

Chảy tầng

Hình 1.12 Quá trình chuyển động của kim loại lỏng trong 2 quá trình

tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng : Đúc bán lỏng và đúc chảy lỏng hoàn toàn

¾ Chi phí

Nhiệt độ Đúc cao, nhiệt độ nung phải lớn hơn điểm chảy của hợp kim Vì thế sẽ mất rất nhiều nhiệt lượng để nung hợp kim Ngoài ra khi đưa kim loại chảy lỏng vào khuôn sẽ làm giảm tuổi thọ của khuôn và sẽ làm khuôn dễ bị shock nhiệt

Hình 1.13 Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng trong

quá trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng

Nhiệt độ, oC

Đang

Mất nhiệt

Năng lượng tiết kiệm

Quá nhiệt

Đang chảy

9 Ngoài ra công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng (semi-solid) khắc phục những nhược điểm mà kỹ thuật tạo hình ở trạng thái chảy hoàn toàn mắc phải : rỗ khí, cơ tính tốt hơn

9 Phế phẩm thấp

9 Tạo hình được các chi tiết có chiều dày từ 0,35÷25 mm

9 Thay thế các sản phẩm nhựa bằng kim loại nhẹ chẳng hạn như Magiê bởi những lý do sau :

™ Độ nhớt thấp bằng 50% nhựa

™ Độ cứng và modul đàn hồi cao hơn cụ thể là 45 của Magiê so với 2,2÷ 6,7 của nhựa

™ Có thể sản xuất được các chi tiết thành mỏng hơn nhựa 0,35mm so với 1mm của nhựa

™ Góc nghiêng thoát phôi là 0 o ÷1,5o so với 2 o ÷3o của nhựa

™ Độ chính xác cũng cao hơn ±0,001 so với ±0,002 của nhựa

™ Giảm tỉ lệ rỗ trong khoảng 1,4 % đến 1,7% và có thể giảm đến mức dưới 1% trong khi phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng thông thường tỉ lệ rỗ là 2,5% ÷3%

Bảng 1.2 So sánh giữa phương pháp tạo hình ở trạng thái lỏng và

trạng thái bán lỏng

Đặc điểm Tạo hình vật liệu

ở trạng thái lỏng

Tạo hình vật liệu ở

trạng thái bán lỏng

Phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng được ứng dụng rộng

rãi để sản xuất các sản phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm ô tô: như

bộ chế hoà khí, hộp số, các thiết bị điện như: công tắc, cầu dao,…cùng với sự

phát triển của ngành viễn thông việc sử dụng hợp kim Magiê dùng cho việc sản

xuất các chi tiết linh kiện điện tử đã được tính tới do tính chất ưu việt của hợp

kim này Dưới đây là những công ty hàng đầu thế giới sử dụng công nghệ bán

lỏng trong sản xuất các chi tiết điển hình của mình

Bảng 1.3 Phạm vi áp dụng tại các công ty lớn trên thế giới [11]

Mini-note book PC‘s

Toshiba, NEC, Mitsubishi, Panasonic, Compad, Sony, Sharp, Epson, Gataway, Casio, Fujitsu, Hitachi, JVC

Pioneer

Kệ để Tivi Panasonic

Hình 1.14 Một số sản phẩm của tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng

1.3 Xu hướng phát triển của ngành công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng

Theo phương pháp gia công truyền thống – gia công cắt gọt- để tạo một chi tiết thành phẩm từ phôi ban đầu phải trải qua rất nhiều nguyên công từ gia công thô đến gia công tinh Trong khi đó sản phẩm hình thành từ phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng đòi hỏi độ chính xác cao nhưng chỉ cần trải qua một vài nguyên công gia công tinh, mà năng suất lại rất cao Ngày nay, phương pháp tạo hình này được hoàn thiện hứa hẹn rất nhiều triển vọng đặc biệt trong ngành cơ khí động lực Chính vì vậy tại các nước phát triển, việc đầu tư cho ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng rất được quan tâm Từ máy móc thiết bị đến các cơ sở nghiên cứu được đầu tư lớn nhằm đưa ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng trở thành một ngành công nghiệp mũi nhọn Hình 1.15, 1.16 dưới đây minh họa thực trạng ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng ở Mỹ, những dự báo trong tương lai và sản lượng hằng năm về tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng ở Canada [14]

Hình 1.15 Thực trạng ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng ở Mỹ và

những dự báo trong tương lai [14]

Hình 1.16 Biểu đồ sản lượng hằng năm về tạo hình vật liệu ở

trạng thái bán lỏng ở Canada [14]

Hình 1.17 Sản lượng xuất khẩu các chi tiết bằng Magiê sản xuất từ

phương pháp bán lỏng ở Mỹ từ năm 1990 đến 2001

Bánh xeBlock máy

Các loai vanThắng xenăm

Sản lượng (ngàn tấn)

năm

1.4 Thực trạng của ngành công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng ở Việt Nam

Nền công nghiệp nước ta đang trên đà phát triển, cả nước đang chuẩn bị hội nhập AFTA và WTO Chính vì vậy sự cạnh tranh sẽ gay gắt, việc sống còn của các nhà sản xuất là phải ưu tiên áp dụng công nghệ cao, tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có tại chỗ để tăng năng suất và chất lượng, giảm giá thành, tạo

ra các sản phẩm có hàm lượng chất xám cao hay còn gọi là sản phẩm tri thức Công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng là công nghệ cao, đáp ứng được phần nào điều đó

Đối với xe gắn máy và xe hơi đang thịnh hành ở nước ta, thực hiện chủ trương nội địa hóa các chi tiết dùng trong lắp ráp xe máy, xe hơi, động cơ thủy cỡ nhỏ tiến tới thay thế hoàn toàn các chi tiết trên hiện nay chưa đạt yêu cầu, nhất là đối với các sản phẩm từ hợp kim Nhôm và Magiê bằng công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng

Đứng trước những thử thách trên, ngành đúc trong nước đã có những chuẩn

bị tương đối tốt như nhập các thiết bị đúc kỹ thuật cao như máy tạo hình vật liệu

ở trạng thái lỏng để có thể cạnh tranh với hàng từ các nước khác, đặc biệt là Trung Quốc, Thái Lan,…hoặc là chỉ có một số công ty sản xuất của Nhật đưa thiết bị và công nghệ lỏng vào Việt Nam nhưng chỉ dừng lại ở việc phục vụ cho sản xuất, còn triển khai rộng rãi còn là một khó khăn do yếu tố bí mật công nghệ

Ở trên chỉ là những thực trạng của ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng ở Việt Nam, còn về công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng vẫn còn trong giai đoạn phôi thai, hiện nay chưa có Viện, hay đơn vị nào trong nước nghiên cứu về vấn đề này Được sự giúp đỡ của các giáo sư của trường Đại học Bách khoa Montréal, Canada, hiện nay bộ môn Công nghệ và thiết bị vật liệu

thuộc khoa Cơ khí trường Đại học Bách khoa TP.HCM đang tiến hành từng bước triển khai công nghệ tạo hình này trước mắt nhằm phục vụ cho nghiên cứu và lâu dài là chuyển giao công nghệ cho các đơn vị sản xuất Nhìn chung, công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng còn rất mới mẻ và xa lạ đối với Việt Nam chúng ta

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích đề tài này muốn đi vào nghiên cứu các đặc tính công nghệ của một số hợp kim màu ở trạng thái bán lỏng, nhằm đề xuất một phương pháp tạo hình tiên tiến, có chất lượng tốt, và có năng suất cao Đồng thời, nó cũng làm cơ sở để Việt Nam chúng ta bắt kịp những công nghệ mới mà hiện nay các nước phát triển đang áp dụng

1.6 Nội dung nghiên cứu

¾ Nghiên cứu tổng quan và đề xuất các hướng nghiên cứu về công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng

¾ Những vấn đề lý thuyết của công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng

¾ Nghiên cứu thực nghiệm sự thay đổi cấu trúc tế vi và cơ lý tính của hợp kim Nhôm A357 và hợp kim Magiê AZ91D theo nhiệt độ

ra là điều gì đã xảy ra khi kim loại chỉ bị nung nóng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ đông đặc? Ở đây, chúng ta sẽ đề cập đến hình thái học và cơ tính của kim loại khi ở trong khoảng nhiệt độ từ đường nhiệt độ đông đặc đến đường nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn Ở trong khoảng nhiệt độ này trong kim loại sẽ tồn tại 2 pha tách biệt rõ ràng: pha rắn và pha lỏng

Hình 2.1 Khoảng nhiệt độ mà kim loại ở trạng thái bán lỏng

Trạng thái chảy

Trạng thái rắn nóng

Trạng thái bán lỏng

Nhiệt độ

Phần trăm pha rắn bằng 0% Phần trăm pha rắn bằng 100%

Khi nhiệt độ tăng thì pha lỏng trong kim loại ở trạng thái bán lỏng sẽ tăng hay nói cách khác là pha rắn trong bán lỏng sẽ tăng khi nhiệt độ giảm cho nên cả hai kim loại loại trên đều có tỉ lệ về pha rắn và pha lỏng tương tự nhau thì cơ tính sẽ tương tự nhau

Thành phần pha lỏng trong kim loại ở trạng thái bán lỏng một phần chảy

ra từ kim loại rắn, và một phần chảy ra từ biên giới của hạt nên chúng ta thấy pha lỏng thường xuyên hiện diện ở biên giới hạt này

Thành phần pha rắn thì tồn tại trong các hạt rắn còn sót lại và thành phần rắn tồn tại riêng lẻ ở mỗi hạt

Hình 2.2 Thành phần rắn và lỏng trong kim loại khi ở trạng thái bán lỏng

Thành phần rắn trong kim loại khi ở trạng thái bán lỏng một phần có được trong quá trình đông đặc của kim loại nóng chảy Khi kim loại nóng chảy được làm nguội, quá trình đông đặc bắt đầu xảy ra từ ngoài vào trong và cấu trúc nhánh cây của vật đúc bắt đầu phát triển Nếu ngay tại thời điểm này chúng ta ứng dụng lực cơ học hay lực từ trường để khuấy đảo thì cấu trúc nhánh cây bị phá hủy và hình thành cấu trúc hạt rắn

Thành phần rắn cao

Thành phần lỏng Thành phần lỏng

Thành phần rắn

™ Kim loại lỏng (1 phần)

™ Hạt rắn (sau khi bị chảy đảo) phân tán trong kim loại lỏng ⇒ bán lỏng

Bởi vì cùng tồn tại hai trạng thái rắn và trạng thái lỏng nên tính chất của kim loại bán lỏng tương đối khác với kim loại ở trạng thái rắn ở những điểm sau:

1 Bởi vì thành phần lỏng vẫn tồn tại tại biên giới hạt, nên việc liên kết lực giữa những hạt lân cận là rất yếu và thỉnh thoảng lực liên kết này bằng 0 Do lực liên kết giữa các hạt thấp nên quan hệ trượt giữa những hạt xoay và hạt tự xoay xảy ra rất dễ dàng trong kim loại bán lỏng đều này gợi cho chúng ta 1 điều rằng: biến dạng và dòng chảy trong kim loại bán lỏng xảy ra dưới một lực làm việc thấp

2 Thành phần tỷ lệ rắn (fs) được định nghĩa là phần trăm trọng lượng của thành phần rắn và được hiển thị bằng ký hiệu ϕ Đây là hệ số rất quan trọng để diễn tả trạng thái của bán lỏng khi ϕ thay đổi trong khoảng 60%÷95% (fs=0,6÷0,95) thì biến dạng của bán lỏng và dòng chảy trong kim loại ở trạng thái bán lỏng giống như là một dòng nham thạch, khi ϕ nhỏ hơn 60% thì dòng chảy bán lỏng chảy dạng sền sệt thậm chí nó có thể chảy dưới trọng lực của nó khi ϕ>95% thì biến dạng của nó giống như kim loại rắn

3 Kim loại ở trạng thái bán lỏng (gọi tắt là kim loại loại bán lỏng) có ϕ < 90% thì có thể khuấy đảo và trộn lẫn các kim loại khác chẳng hạn như: hạt sứ, (hình 2.3)

Hình 2.3 Khuấy đảo và hòa trộn bán lỏng

4 Các hạt tinh thể trong kim loại ở trạng thái bán lỏng có thể dễ dàng tạo thành các dạng hình cầu bởi vì lúc đó liên kết giữa các hạt rất yếu Nếu kim loại bán lỏng được khuấy và làm nguội đồng thời cùng lúc, những hạt này sẽ dễ dàng

bị chia cắt bởi các lực khuấy đảo từ và ⇒ kim loại bán lỏng sẽ có cấu trúc hạt

mịn và nhỏ

5 Khi có kim loại bán lỏng kết hợp lại với nhau nhằm mục đích tận dụng những tính chất đặc biệt của mỗi loại (hình 2.4) Thành phần lỏng của cả hai kim loại bán lỏng “chạy qua chạy lại” cả hai bên và khuếch tán trên toàn bộ bề mặt, thành phần lỏng của cả hai kim loại bán lỏng này hoạt động nhằm mục đích gắn chặt hai chất này lại với nhau

6 Kim loại bán lỏng là một lưu chất có độ nhớt Độ nhớt của kim loại loại này cao hơn kim loại ở trạng thái nấu chảy vì có sự tồn tại các hạt rắn đã được phân tán ở trong nó Độ nhớt này của bán lỏng gia tăng khi (ϕ) tăng

7 Độ nhớt của kim loại bán lỏng bị ảnh hưởng bởi số lượng và kích thước hạt rắn đã được phân tán được xác định bởi tốc độ làm nguội và tốc độ biến dạng kết hợp mới khuấy đảo

8 Kích thước của hạt trở nên nhỏ hơn khi tốc độ biến dạng (của quá trình

khuấy đảo) tăng lên Nói một cách khác trong quá trình khuấy đảo tỷ lệ sinh

mầm và phát triển mầm khá nhanh Vì vậy, điều kiện nhiệt độ là rất quan trọng để đạt được kích thước hạt mong muốn và độ nhớt mong muốn

9- Một điều rất quan trọng trong bán lỏng đó là đạt được độ nhớt thấp và fscao Độ nhớt thấp sẽ cung cấp được một trạng thái lỏng tốt mà trạng thái này không thể thiếu trong quá trình đúc fs cao thì tránh được các khuyết tật và chúng

ta sẽ nhận được một sản phẩm có cấu trúc tế vi và chất lượng tốt

2.2 Đặc tính tạo hình của kim loại bán lỏng

Nói một cách tổng quát, tạo hình kim loại ở trạng thái rắn bao gồm biến dạng vi mô: các hạt tinh thể xoay và trượt với các hạt ở xung quanh nó Trong kim loại rắn, cơ học giữa các hạt này bị ràng buộc rất chặt chẽ và nghiêm khắc làm cho sự biến dạng, trượt, và chuyển động của các hạt rất hạn chế Các hạt trong kim loại rắn khó có khả năng biến dạng, quay tròn, và dịch chuyển một cách tự do Nếu như sự tác động cơ học qua lại và sự ràng buộc cơ học giữa chúng được giải phóng theo sự chảy của các hạt tại biên giới thì sự quay và trượt giữa các hạt rắn có thể được dễ dàng hơn cho nên sự biến dạng ở mức độ vĩ mô của kim loại bán lỏng có thể xảy ra khi có tác dụng lực bên ngoài đủ nhỏ (hình 2.5)

Hình 2.5 Quá trình quay, trượt và chuyển động tịnh tiến của các hạt rắn

trong kim loại ở trạng thái bán lỏng

Đó là lý do mà ứng suất chảy của kim loại bán lỏng rất nhỏ Sự ràng buộc giữa các hạt rắn được chấm dứt một cách nhanh chóng và cơ tính chịu kéo của hệ thống các cấu trúc này biến mất một cách nhanh chóng Khi thể tích của thành phần lỏng gia tăng tương ứng với số hạt rắn xoay, trượt và di chuyển một cách độc lập, thì dòng chảy kim loại bán lỏng giống như một chất sền sệt

fs ảnh hưởng rất đáng kể đến ứng suất chảy của kim loại bán lỏng Từ quan điểm của quy trình tạo hình kim loại thực tế ở trạng thái bán lỏng, đã đưa ra một yêu cầu rõ ràng là ứng suất chảy của kim loại bán lỏng có quan hệ mật thiết đến nhiệt độ của nó Tuy nhiên, có một vài trường hợp không thể biết được một cách trực tiếp thông qua nhiệt độ Vì thế có một vài phương pháp đã được phát triển để có thể biết một cách trực tiếp mối liên hệ giữa nhiệt độ và fs của kim loại bán lỏng

Trong kim loại bán lỏng-mà có tỷ lệ fs tương đối cao- khi biến dạng thì thành phần lỏng thường chảy qua các khe hở hay các kênh dẫn giữa các hạt rắn riêng biệt xuất phát từ sự biến dạng, quay tròn và dịch chuyển của các hạt rắn

Quay Trượt Tịnh tiến Thành phần rắn Thành phần lỏng

qua những khe đá phức tạp Khi fs giảm xuống, thành phần lỏng chảy rất nhẹ nhàng giữa các khe hẹp của tinh thể Trong một số trường hợp, khi tốc độ biến dạng lớn thì chúng ta thấy mạng tinh thể của kim loại bán lỏng sau biến dạng sẽ

bị xô lệch điều này sẽ rất có lợi cho cơ tính của sản phẩm (hình 2.6)

Hình 2.6 Sự dịch chuyển của thành phần lỏng và sự sắp xếp thành phần rắn

của kim loại ở trạng thái bán lỏng trước và sau khi biến dạng

Tuy nhiên, khi tỉ lệ fs cao hơn mức này, thành phần lỏng có xu hướng không thoát khỏi những khe hở giữa các hạt rắn Trong trường hợp này, sự ràng buộc giữa các hạt rắn không còn nhiều nữa Điều này đã được chú ý rằng dù là giữa các hạt rắn có ràng buộc với nhau: sự quay giữa chúng với nhau, mối quan

Sự sắp xếp thành phần rắn Chuyển động của thành phần lỏng

hệ trượt giữa các hạt rắn với nhau thì lực liên kết giữa chúng với nhau đã bị làm yếu đi đến một mức thấp nhất bởi vì có sự hiện diện của thành phần lỏng ở biên giới hạt Điều này có nghĩa là ở kim loại bán lỏng dù là tỉ lệ fs cao nhưng khả năng dãn dài của chúng là rất thấp

2.3 Đường cong quan hệ giữa độ biến dạng và ứng suất chảy của kim loại bán lỏng

Trong phần này, một vài kết quả của thí nghiệm nén đúng tâm của kim loại bán lỏng sẽ được giải thích Một số hợp kim Nhôm và hợp kim đồng tiêu biểu sẽ được sử dụng trong thí nghiệm này, các hợp kim này sẽ ở trạng thái bán lỏng và sẽ xác định đường cong ứng suất kéo của các hợp kim này Từ kết quả này, những đặc trưng chung của sự phụ thuộc giữa ứng suất chảy và thành phần pha rắn fs của kim loại bán lỏng sẽ được biết đến

Cối

Chày

Ø120

Phương pháp đo ứng suất chảy của kim loại bán lỏng được trình bày ở hình 2.7 Một mẫu hình trụ có đường kính 16mm và cao từ 18÷22mm được đặt ở trên bộ phận cối, khối hình trụ này được nén giữa mặt trên là tấm chày và mặt dưới là tấm cối Bộ phận không chỉ được sử dụng để ép mẫu và còn ngăn sự làm nguội Mẫu và cối được nung trong lòng cảm ứng điện theo một lịch trình thời gian sao cho tương ứng với tỉ lệ fs mà ta mong muốn và giữ ở nhiệt độ đó sao cho đảm bảo rằng nhiệt độ từ trong ra ngoài của mẫu là như nhau Sau đó mẫu và cối được chuyển qua để tiến hành ép đúng tâm của mẫu dưới một tốc độ biến dạng cố định

Tỉ lệ fs của mẫu thí nghiệm được tính toán từ nhiệt độ của nó bằng cách sử dụng biểu đồ mối liên hệ giữa nhiệt độ và fs của từng loại hợp kim Khi mẫu thí nghiệm chứa 2 thành phần hóa học, giản đồ pha của nó sẽ chỉ ra một cách trực tiếp mối liên hệ giữa nhiệt độ t và tỉ lệ rắn fs Ngược lại, khi kiểm tra mẫu thí nghiệm này thì mẫu này có rất nhiều thành phần hoá học nên không có khả năng cung cấp mối liên hệ giữa nhiệt độ t và tỉ lệ rắn fs Trong trường hợp này, một phương pháp hợp lý và phù hợp nên được phát triển để có thể cung cấp tỉ lệ fscủa kim loại bán lỏng

Hình 2.8 Đường cong ứng suất và biến dạng của kim loại ở trạng thái bán lỏng

Một vài ví dụ trong việc xây dựng đường cong ứng suất kéo của kim loại bán lỏng mà trong đó tỉ lệ fs có thể được xác định bởi giản đồ pha của hợp kim hoặc là ước chừng dựa vào những hiệu chỉnh về đường cong trong thời gian gần đây nhất (hình 2.9) được chỉ ra ở hình 2.8 Theo biểu đồ này cho chúng ta thấy rằng ứng suất chảy trong thí nghiệm này giảm một cách đáng kể khi fs giảm từ 1 đến 0.8 Tương tự như mối quan hệ giữa ứng suất kéo và ứng suất nén được quan sát với mỗi kim loại bán lỏng

2.4 Mối quan hệ cốt lõi giữa ứng suất chảy và thành phần rắn f s trong kim loại bán lỏng

Để hiểu được ảnh hưởng của thành phần lỏng kim loại bán lỏng trong ứng suất chảy của nó, đại lượng ứng suất chảy đã được sắp xếp lại từ quan điểm về mối liên hệ giữa ứng suất chảy và tỉ lệ rắn fs Từ kết quả được đưa ra từ hình 2.9 cho chúng ta quan hệ giữa fs của các thí nghiệm kim loại bán lỏng và trục tung biểu diễn ứng suất chảy σn Ưùng suất chảy σnđược định nghĩa là tỉ số của ứng suất chảy của kim loại bán lỏng ở nhiệt độ thí nghiệm đến ứng suất chảy ở nhiệt độ thường (tương ứng khi fs=100%)

Ban đầu cấu trúc bên trong của kim loại rắn có vài ảnh hưởng đến ứng suất chảy ở trạng thái bán lỏng Khi kích thước hạt lớn một cách khác thường hoặc hình dạng của hạt dài một cách khác thường, thì ứng suất chảy kim loại bán lỏng giảm xuống, nguyên nhân sự giảm fs chậm so sánh với sự giảm của ứng suất chảy kim loại bán lỏng Trong một vài trường hợp tốc độ giảm của ứng suất chảy kim loại bán lỏng thì nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất chảy của kim loại bán lỏng có chứa các hạt tròn và có kích thước nhỏ

Aûnh hưởng của tốc độ kéo trên ứng suất chảy của kim loại bán lỏng nhìn chung là có thể quan sát được Ở hiện tại thì các dữ liệu không đủ vì vậy những sự giải thích về ảnh hưởng của tốc độ kéo trên ứng suất chảy không được thực hiện ở đây Aûnh hưởng của tốc độ kéo trên ứng suất chảy trong quá trình biến dạng ở trạng thái bán lỏng không nghiêm trọng như ảnh hưởng của tốc độ kéo trên ứng suất chảy ở kim loại rắn nóng

2.5 Độ nhớt của kim loại bán lỏng

Độ nhớt của kim loại nóng chảy đã được tìm hiểu một cách nghiêm túc trong một khoảng thời gian dài Vì thế có rất nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đã cố gắng tìm ra cách đo độ nhớt của kim loại nóng chảy và cung cấp những dữ liệu một cách có hệ thống để sử dụng cho việc thiết kế, sản xuất cho nhiều quy trình đúc khác nhau Giá trị của độ nhớt này rất cần thiết cho việc kiểm soát dòng chảy lưu chất kim loại lỏng trong quá trình đúc Mục đích chính của mỗi quá trình đúc đó là sự điền đầy của kim loại lỏng vào các hốc của khuôn, độ nhớt này rất cần thiết trong việc xác định đặc tính dòng chảy của kim loại nóng chảy Hành vi của dòng chảy kim loại nóng chảy được xác định bởi độ nhớt của lưu chất đó Đó là lý do tại sao độ nhớt của kim loại nóng chảy là mục tiêu chính trong quá trình nghiên cứu của công nghệ đúc