Nghiên cứu so sánh các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim nhôm

những năm 1970 đến nay, nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm từ hợp kim nhôm, các công nghệ mới đã được tìm tòi, phát triển dựa trên các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng, thành phần v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG THANH NGUYỄN HOÀNG THANH

CHUYÊN NGÀNH :::: CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY CHẾ TẠO MÁY CHẾ TẠO MÁY

Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Thanh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1973 Nơi sinh: Tp Cần Thơ

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy MSHV: 02806657

Khóa (Năm trúng tuyển): 2006

1 TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG TỪ HỢP KIM NHÔM

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Khảo sát các phương pháp chế tạo hợp kim nhơm ở trạng thái bán lỏng

- Nghiên cứu lý thuyết quá trình khuấy đảo cơ

- Nghiên cứu lý thuyết quá trình khuấy đảo cơ điện từ

- So sánh phương pháp khuấy đảo cơ và khuấy đảo cơ điện từ

- Mô phỏng quá trình khuấy đảo cơ bằng phần mềm Ansys

- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến kích thước hạt kết tinh của vật liệu ở trạng thái bán lỏng

- Đề xuất ứng dụng cho hợp kim nhơm A5052 trong thực tế

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/12/2008

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LƯU PHƯƠNG MINH

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

qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn:

Các Thầy Cô đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lưu Phương Minh đã tạo mọi điều kiện

thuận lợi vào hướng dẫn tận tình trong công trình nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Thông đã chỉ dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành các thực nghiệm theo yêu cầu của đề tài cũng như xin cảm ơn quý Thầy, Cô của phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu đã nhiệt tình chỉ dẫn và giúp đỡ trong quá trình kiểm tra kết quả thực nghiệm

Tôi xin cảm ơn các cộng sự: ThS.Bùi Quang Duy, ThS.Nguyễn Việt Hà, Sinh viên lớp Kỹ sư Tài năng Huỳnh Kim Trọng và quý bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực nghiệm và đánh giá mẫu sau thực nghiệm

Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tôi đã động viên tinh thần, giúp đỡ vật chất cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học, nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2008

Tác giả

Nguyễn Hoàng Thanh

even in the future Especially, it is potential technology for the industrialization and modernization in Vietnam

The master thesis “Research and compare the methods of manufacturing semi solid materials” is urgent matter which should considered in Vietnam at the present Beside that, it will provide a small portion of data not only for the improvement of the basic theory but also for the practical applied production process

The thesis includes the main contents follows:

- Overview researches about the manufacturing of the materials in the semi solid state

- Study about the methods to manufacture aluminum alloys in semi solid state

- Study about the theory of mechanical stirring and electromagnetic stirring

- Compare the mechanical stirring methods and electromagnetic stirring methods

- Calculate the component of solid, liquid phases – viscosity of metal/ alloy under semi solid state following to temperature, the object of the researches is the aluminum magnesium alloy A5052

- Make experimented model based on the mechanical stirring

- Simulate the mechanical stirring process by using the software ANSYS based on the experimented model

- Proposal for a practical application on aluminum magnesium alloy A5052 The completed thesis includes 05 chapters, based on the experimented results it confirmed the feasibility and reliability of the mechanical stirring method to manufacture the semi solid materials by mechanical stirring which can be applied in practical production process in Vietnam

The Author

Nguyen Hoang Thanh

1.3 Tổng quan vật liệu ở trạng thái bán lỏng 8

1.3.1 Khái niệm về trạng thái bán lỏng 8

1.3.2 Ứng dụng của vật liệu ở trạng thái bán lỏng 11

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 15

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16

1.6 Kết luận 16

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG 17

2.1 Giới thiệu 17

2.2 Lý thuyết quá trình khuấy đảo cơ 18

2.2.1 Nguyên lý của quá trình khuấy đảo cơ 18

2.2.2 Các thông số cơ bản trong quá trình khuấy 19

2.2.2.1 Mức độ khuấy 19

2.2.2.2 Cường độ khuấy trộn 20

2.2.2.3 Hiệu quả khuấy trộn 21

2.2.3 Các phương trình cơ bản để tính toán trong quá trình khuấy 21

2.2.3.1 Độ nhớt chất lỏng Newton 21

2.2.3.2 Độ nhớt chất lỏng phi Newton 21

2.2.3.3 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng không đồng nhất 22

2.2.3.4 Phương trình cơ bản để xác định công suất khuấy 22

2.2.4.2 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít 28

2.2.4.3 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít kết hợp cánh khuấy 28

2.2.4.4 Quá trình khuấy đảo cơ sử dụng trục khuấy có điều khiển nhiệt độ 29

2.2.4.5 Quá trình khuấy đảo cơ trong buồng đúc 30

2.2.5 Tổ chức tế vi của các vật đúc từ trạng thái bán lỏng bằng phương pháp khuấy đảo cơ 31

2.2.6 So sánh các phương pháp khuấy đảo cơ 32

2.3 Lý thuyết quá trình khuấy đảo từ 34

2.3.1 Nguyên lý của quá trình khuấy đảo từ 34

2.3.2 Các cơ sở về điện động lực 34

2.3.2.1 Lực Lorentz 34

2.3.2.2 Các dạng chế tạo của các cuộn cảm 36

2.3.3 Các dòng khuấy và cơ sở lý thuyết dòng chảy trong khuấy đảo từ 39

2.3.4 Các phương pháp khuấy đảo từ bằng từ trường cuộn dây 42

2.3.5 Tổ chức tế vi của các vật đúc từ trạng thái bán lỏng bằng phương pháp khuấy đảo từ 45

2.3.6 So sánh các phương pháp khuấy đảo từ 48

2.4 Kết luận và đề xuất mô hình vật lý 49

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG TỪ HỢP KIM A5052 52

3.1 Giới thiệu về hợp kim A5052 52

3.1.1 Ứng dụng của hợp kim A5052 trong thực tế 52

3.2.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình khuấy đảo cơ 59

3.2.1.1 Nhiệt độ khuấy, độ nhớt của kim loại lỏng 59

3.2.1.2 Tốc độ khuấy 60

3.2.1.3 Thời gian khuấy 60

3.2.1.4 Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy 60

3.2.2 Tính toán thành phần rắn của hợp kim A5052 theo nhiệt độ 61

3.2.2.1 Thành phần rắn của hợp kim A5052 theo công thức cánh tay đòn 64

3.2.2.2 Thành phần rắn của hợp kim A5052 theo công thức Scheil 65

3.2.3 Tính toán độ nhớt của hợp kim A5052 ở trạng thái bán lỏng 67

3.3 Dự kiến thông số thiết bị thực nghiệm 69

3.3.1 Lựa chọn kích thước nồi nấu và bố trí cánh khuấy 69

3.3.2 Lựa chọn số vòng quay thực nghiệm 69

3.4 Kết luận 70

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .72

4.1 Mô phỏng 72

4.1.1 Mô hình mô phỏng 72

4.1.2 Thông số đầu vào của quá trình mô phỏng 74

4.1.3 Kết quả mô phỏng 74

4.2.1.1 Thiết bị nấu và khuấy để lấy mẫu 77

4.2.1.2 Thiết bị kiểm tra 79

4.2.2 Quá trình thực nghiệm 79

4.2.2.1 Kiểm tra quá trình khuấy trong nước 79

4.2.2.2 Thực nghiệm trên hợp kim nhôm A5052 để lấy mẫu 80

4.2.2.3 Kết quả kiểm tra thành phần hoá trước và sau khi nấu 82

4.2.2.4 Kết quả soi kim tương 83

4.2.2.5 Kết quả đo độ cứng HB 88

4.2.2.6 Kết quả kiểm tra bền kéo 89

4.2.2.7 Kiểm tra sự tương thích của kết quả thực nghiệm 90

4.2.3 Đề xuất mô hình công nghệ sản xuất trong thực tế 97

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99

5.1 Kết luận 99

5.1.1 Kết quả đạt được 99

5.1.2 Hạn chế của đề tài 100

5.2 Hướng phát triển nghiên cứu của đề tài 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO

và ứng dụng trong thực tế do chúng có nhiệt độ chảy thấp, dễ tạo hình, dễ gia công cũng như chúng còn có tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau

Nhiều hợp kim nhôm có cơ tính tương đương thép nhưng trọng lượng chỉ bằng một phần ba trọng lượng của thép nên trong nhiều trường hợp, hợp kim nhôm là không thể thay thế được ví dụ như:

ƒ Ứng dụng vật liệu hợp kim nhôm trong công nghiệp quốc phòng, công nghệ chế tạo máy bay, tàu vũ trụ và các thiết bị hàng không khác

ƒ Ứng dụng trong công nghệ sản xuất ôtô

ƒ Ứng dụng trong ngành dệt đối với các chi tiết hoạt động ở tốc độ và độ chính xác cao

ƒ Ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển, điện công nghiệp và tự động hoá… Nhôm và hợp kim nhôm có nhiều ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hàng đầu và cả trong lĩnh vực y học vì chúng có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau Trong nhiều trường hợp, hợp kim nhôm sẽ còn giữ vững vai trò quan trọng của mình trong nhiều ngành công nghiệp và thậm chí còn phát triển xa hơn nữa Ngoài ra, phần lớn hợp kim nhôm là không độc hại đối với sức khỏe của con người nên còn được ứng dụng trong các ngành sản xuất thiết bị y

tế, dụng cụ và thiết bị cầm tay

Với sự hỗ trợ tích cực từ sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học cơ bản

và các ngành công nghiệp khác, nhiều nghiên cứu được thực hiện và đã hình thành một cơ sở lý thuyết khổng lồ cũng như các công nghệ sản xuất điển hình trong thực

tế về chế tạo vật liệu từ nhôm và hợp kim nhôm Từ cuối những năm 1960 và đầu

những năm 1970 đến nay, nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm từ hợp kim nhôm, các công nghệ mới đã được tìm tòi, phát triển dựa trên các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng, thành phần vật liệu và tổ chức tế vi của vật liệu nhằm tối ưu hoá các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim nhôm là hoàn toàn chiếm ưu thế, khẳng định tính ứng dụng và ưu điểm của mình một cách nhất định

Trên cở sở đó, công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã ra đời đồng thời khẳng định được tính vượt trội của nó bằng các sản phẩm chất lượng cao, ít khuyết tật, thời gian tạo hình ngắn và tuổi thọ của khuôn cũng được kéo dài hơn những phương pháp chế tạo vật liệu truyền thống trước đây Đây thực sự là công nghệ có hiệu quả và nhiều triển vọng đối với quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ở Việt Nam

Trong điều kiện công nghiệp hoá hiện đại hóa ở nước ta, ngành Cơ khí luôn được xem là nền tảng để làm đòn bẩy cho các ngành công nghiệp khác phát triển như ngành đóng tàu, sản xuất ô tô, ngành dệt và tương lai là ngành đường sắt và metro thì việc nghiên cứu ứng dụng các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng là rất cần thiết và hữu ích

Trong phạm vi đề tài, luận văn này chủ yếu nghiên cứu so sánh các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim Nhôm và thực nghiệm chế tạo vật liệu Nhôm – Manhê A5052 ở trạng thái bán lỏng nhằm có một sự so sánh tổng quát về hiệu quả của các phương pháp này trên cơ sở lý thuyết, thực nghiệm

và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng

Đề tài nghiên cứu này giúp cho các nhà sản xuất hợp kim nhôm trong nước có thể lựa chọn và ứng dụng phương pháp phù hợp nhất với đặc thù doanh nghiệp của mình cũng như cung cấp một phần nhỏ dữ liệu cho các nghiên cứu khoa học về chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng trong tương lai

Spencer dưới sự hướng dẫn của M.C Flemings) Từ đó đến nay, các nghiên cứu về chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng được các Viện nghiên cứu , các ngành công nghiệp xem như là một đề tài hấp dẫn

Vào năm 1990, UBE Industries, Ltd một tập đoàn công nghiệp đa ngành của Nhật Bản đã nghiên cứu và phát triển công nghệ Rheocasting chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng (New Rheocasting – NRC)

Có hai phương pháp chính chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng: Thixocasting

và Rheocasting Trong đó, Thixocasting tạo hình kim loại từ thanh cấp liệu ở trạng thái bán lỏng; còn Rheocasting là phương pháp tạo hình bằng cách nấu chảy hợp kim, làm nguội và khuấy đảo liên tục đến trạng thái bán lỏng

Tuy nhiên, theo một bài báo của P Kapranos với tiêu đề “Phương pháp tạo hình thực gần đúng – bằng công nghệ kim loại ở trạng thái bán lỏng”, (Near net shaping

by semi-solid processing), thì thống kê từ thực tế năm 2000 cho thấy chỉ 1% của 2,5 triệu tấn nhôm đúc ở Bắc mỹ, châu Âu và Nhật Bản (tức vào khoảng 25.000 tấn) là từ phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng đi từ pha rắn (Thixocasting)

Vào đầu năm 2002, Viện công nghệ Massachusetts (MIT) – Hoa kỳ - đề xuất thiết bị đúc trong khuôn từ công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng mới vượt trội hơn hẳn phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng trước đây và được xem như một công nghệ giàu tiềm năng Bản quyền được MIT cấp cho các công ty là công nghệ rheocasting đặc biệt, được biết đến qua tên gọi Công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ trạng thái lỏng (Semi-Solid Rheocasting – SSR) cho việc đúc nhôm trong khuôn nhanh trên toàn cầu

Hình 1-1 Máy Rheocasting

Hình 1-2 Vật liệu ở trạng thái bán lỏng đùn ra từ máy Rheocasting

Từ 20-24 tháng 10 năm 2002, hội nghị của ngành đúc toàn thế giới tổ chức tại KynogJu, Hàn quốc Tại hội nghị, C.Vives đã trình bày phương pháp khuấy đảo điện từ cho thiết bị đúc liên tục (new electromagnetic Rheocasting)

Từ 11-13 tháng 9 năm 2006, hội nghị quốc tế lần thứ 9 về công nghệ đúc bán lỏng và composite nền kim loại được tổ chức tại Busan, Hàn Quốc đã thu hút sự tham gia của 180 nhà khoa học đến từ 23 quốc gia trên thế giới Tại hội nghị đã có

103 bài báo cáo với các chủ đề chính:

ƒ Phương pháp Rheocasting (22 bài)

ƒ Ứng xử lưu biến, mô hình hóa và mô phỏng (21 bài)

ƒ Ứng dụng đúc bán lỏng cho các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao (13 bài)

ƒ Ứng dụng đúc bán lỏng cho các hợp kim dập (7 bài)

Từ nội dung báo cáo, cũng có thể thấy Rheocasting đang thắng thế trong phương pháp đúc bán lỏng Các nghiên cứu về Rheocasting rất nhiều và tập trung 2 nội dung:

ƒ Tối ưu các quy trình đúc có sẵn

ƒ Nghiên cứu, phát triển các quy trình đúc mới và đảm bảo tính kinh tế

Ngoài ra, hướng “Ứng dụng đúc bán lỏng cho các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao” cũng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu nhưng nhìn chung việc triển khai của hướng này vấp phải hai vấn

đề lớn: tuổi thọ thiết bị và chất lượng vật đúc

Chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng còn là phương pháp ứng dụng rất triển vọng đối với các ngành công nghiệp khác như công nghệ chế tạo composite nền kim loại và công nghệ hàn…

Vật liệu ở trạng thái bán lỏng được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các sản phẩm trong nhiều lĩnh vực khác nhau như : ngành sản xuất ô-tô, ngành sản xuất thiết bị điện, linh kiện điện tử

Dưới đây là các Công ty hàng đầu thế giới dùng công nghệ bán lỏng để sản xuất các chi tiết điển hình:

Bảng 1-1 Phạm vi ứng dụng của công nghệ bán lỏng tại các công ty lớn trên

Điện thoại di động NEC, Ericcson, Panasonic, NTT, Pioneer

Máy quay phim kỹ thuật số Fuji film, Nikon, Texas Instruments, Epson,

Sanyo, Sony

Các bộ phận của ô-tô Ford, GMC, Toyota

Hình 1-3 Thực trạng ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng ở Mỹ

và các dự báo trong tương lai

Nắp xy lanh Bánh xe Block máy

Van các loại

Phanh xe Các bộ phận truyền lực và hộp số

Năm

Hình 1-4 Biểu đồ sản lượng hàng năm về công nghệ tạo hình từ vật liệu ở trạng

thái bán lỏng ở Canada từ năm 1993 đến năm 1998

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Vào những năm 1996 – 1997, Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Trọng Giảng đã có các công trình nghiên cứu về thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền kim loại ở trạng thái bán lỏng của Hợp kim Al-7%Si-0,3% Mg với hạt gia cố là SiC: “Phân tích thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền kim loại (MMC) ở trạng thái bán lỏng ” và “ Thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền hợp kim Nhôm ở trạng thái bán lỏng ” công bố năm 1996

Những nghiên cứu trong nước về vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã hình thành hơn hai thập kỷ, tuy nhiên chưa được đầu tư phát triển nên hiện nay hầu hết các cơ

sở đúc nhôm và hợp kim nhôm trong nước vẫn chưa ứng dụng các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng, hầu hết các cơ sở đúc nhôm và hợp kim nhôm vẫn theo phương pháp truyền thống là cải tạo chất lượng vật đúc từ nhôm và hợp kim nhôm bằng phương pháp ủ

Ngày 18-11-2007, tại thành phố Hồ chí minh, đã diễn ra hội thảo về công nghệ tạo phôi và nhiệt luyện (theo báo SGTT), tại hội thảo, PGS-TS Đặng Vũ Ngoạn - Đại học Bách khoa TP.HCM - cho biết thị trường đúc sẽ phát triển rất đa dạng do

nhu cầu của các ngành công nghiệp liên quan như cơ khí chế tạo (máy động lực, máy gia công chế biến nông sản ), sản xuất xe hơi, đóng tàu biển, tàu sông, vật liệu cho ngành xây dựng và đặc biệt trong 10 - 15 năm tới, khi đường sắt và metro hình thành sẽ tạo ra nhu cầu lớn những sản phẩm mới về đúc

Một trong hai phương pháp đúc hiện đại có tiềm năng phát triển mạnh được giới thiệu tại hội thảo là phương pháp đúc bán lỏng do Viện công nghệ Massachusetts sáng chế, được áp dụng để chế tạo các chi tiết bằng hợp kim nhôm cho công nghiệp quốc phòng, hàng không, xe hơi, dân dụng

Hiện nay, Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt cho Đại học Bách khoa Hà nội

triển khai đề tài mã số KC.02.23/06-10 trong năm 2009: “Nghiên cứu ứng dụng

công nghệ đúc bán lỏng để chế tạo các sản phẩm từ hợp kim nhôm bền cao trong

ngành chế tạo máy động lực, ô tô, xe máy” (theo quyết định số 1587/QĐ-BKHCN

ngày 28/07/2008) Ngoài ra, Viện Công Nghệ Hà Nội cũng đang nghiên cứu đúc tạo hình thân bơm bánh răng từ hợp kim nhôm bằng công nghệ đúc bán lỏng nhưng nghiên cứu này cũng chỉ xoáy sâu vào phương pháp tạo hình là chính

Qua đó, chúng ta thấy được hướng nghiên cứu ứng dụng của các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng là rất mới ở Việt nam, tuy nhiên cũng đánh giá được mức độ đầu tư nghiên cứu ứng dụng các phương pháp này trong thực tế là rất lớn

1.3 Tổng quan về vật liệu ở trạng thái bán lỏng

1.3.1 Khái niệm về trạng thái bán lỏng

“Kim loại“ trong phần này được hiểu với nghĩa kim loại và hợp kim

Khi kim loại ở trạng thái rắn bị nung nóng hơn nhiệt độ của đường đặc, kim loại bắt đầu chảy, pha lỏng xuất hiện Trạng thái này gọi là “ trạng thái đặc sệt ”

Khi kim loại ở trạng thái lỏng được làm nguội đến khi thấp hơn nhiệt độ của đường lỏng, kim loại bắt đầu đông đặc, pha rắn xuất hiện

trạng thái lỏng xuống bán lỏng, đều có hai pha : pha rắn và pha lỏng, nên nhiều nhà nghiên cứu đều gọi chung là trạng thái bán lỏng, tuy nhiên, cơ tính của “trạng thái đặc sệt” và “ trạng thái bán lỏng” thì hoàn toàn khác nhau, sự khác nhau này trở nên rất nhỏ khi chúng ở cùng nhiệt độ Khi nhiệt độ giảm thì pha rắn trong kim loại/ hợp kim tăng, còn khi nhiệt độ tăng thì pha lỏng trong kim loại tăng, vì thế, khi cả hai hướng chế tạo vật liệu này đạt cùng một mức tỷ lệ giữa pha lỏng/pha rắn bằng nhau thì cơ tính của vật liệu ở trạng thái bán lỏng là tương tự nhau

Hình 1-5 Khoảng nhiệt độ mà kim loại ở trạng thái đặc sệt và bán lỏng

Hình 1-6 Hai xu hướng cơ bản chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng xét trên giản

đồ trạng thái 2 cấu tử của hợp kim Nhôm [22]

Hình 1-7 Hợp kim nhôm ở trạng thái bán lỏng

Hình 1-8 Nguyên lý phá vỡ thiên tích nhánh cây

(a) Khi không có lực khuấy cấu trúc nhánh cây được hình thành [8]

(b) Lực khuấy kết hợp với dòng chảy tầng tạo thành tinh thể dạng hoa thị.(c) Lực khuấy kết hợp với dòng chảy rối tạo thành tinh thể dạng hình cầu

1.3.2 Ứng dụng của vật liệu ở trạng thái bán lỏng

Khi đúc theo phương pháp thông thường, cấu trúc tinh thể của vật đúc có dạng nhánh cây và thường có một lượng kim loại lỏng còn sót lại và kết tinh sau cùng Hậu quả làm yếu cơ tính vật đúc là:

ƒ Hàm lượng nguyên tố trong pha lỏng và pha rắn khác nhau gây nên hiện tượng thiên tích làm cơ tính vật đúc không đồng đều Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, hậu quả này không nghiêm trọng và có thể xử lý được bằng cách ủ để làm đồng đều thành phần vật đúc

ƒ Phần pha lỏng kết tinh sau cùng không được bù ngót sẽ tạo thành những rỗ xốp li ti Hậu quả này khó xử lý và nó làm giảm mạnh cơ tính của vật đúc

Hình 1-9 Quá trình kết tinh của vật đúc theo phương pháp đúc thông thường

(a) (b) (c)

Cho đến nay đúc bán lỏng là phương pháp duy nhất không làm xuất hiện thiên tích nhánh cây trong vật đúc

Hình 1-10 Cấu trúc tế vi hợp kim nhôm A356 chế tạo từ trạng thái bán lỏng [15]

Hình 1-11 So sánh hình ảnh tổ chức của hợp kim nhôm (Al-7Si-0,5 Mg) [15]

a) Đúc theo phương pháp thông thường b) Đúc bán lỏng

Phương pháp tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng thường là đúc áp lực cao trong khuôn kim loại Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo các sản phẩm có kích thước nhỏ (từ 28g đến 25kg), tuy nhiên, có một số tài liệu cho rằng

có một số chi tiết lớn cũng được tạo hình bằng đúc áp lực cao vật liệu ở trạng thái bán lỏng Ví dụ như : Khung cửa xe ô-tô, hộp số, nắp động cơ, hộp số Các hợp kim thường được sử dụng là hợp kim Nhôm, Kẽm, Ma-nhê, Chì

Hình 1-12 Cấu trúc tế vi của chi tiết làm từ hợp kim Nhôm theo phương pháp tạo

hình trực tiếp từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng [21]

Bảng 1-2 So sánh cơ tính hợp kim Nhôm A357 theo các phương pháp đúc [64]

Phương pháp đúc Làm nguội kéo (MPa) Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn Độ giãn dài (%)

• T5: Tôi sau biến dạng nóng, hóa già nhân tạo [5 giờ tại 177oC]

• T6(a): Tôi, hóa già nhân tạo [4 giờ tại 529 oC, làm nguội đột ngột trong nước, 8 giờ tại

20 oC, 4 giờ tại 154oC]

• T6(b): Tôi, hóa già nhân tạo [12 giờ tại 529 oC, làm nguội đột ngột trong nước, 8 giờ tại

20 oC, 6 giờ tại 154 0C]

• A/C: Air cooling – làm nguội trong không khí

• T51: Khử ứng suất bằng phương pháp kéo giãn, sau khi xử lý nhiệt hoặc tôi

Nhìn chung, các phương pháp tạo hình chi tiết từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng

có các ưu điểm nổi bật như :

ƒ An toàn : Khả năng xảy ra cháy nổ và bắn kim loại ra ngoài là thấp hơn rất nhiều so với tạo hình từ trạng thái lỏng

ƒ Chất lượng sản phẩm : chi tiết sau đúc bằng kỹ thuật nấu chảy hoàn toàn sẽ

có rỗ khí và rỗ co nhiều hơn, chất lượng bề mặt, cấu trúc tế vi cũng như cơ tính kém hơn so với phương pháp tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát bằng thực nghiệm, nghiên cứu so sánh các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim nhôm, mô phỏng quá trình chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng nhằm ứng dụng vào điều kiện thực tế của các ngành công nghiệp tại Việt nam, qua đó có thể mở thêm những lĩnh vực ứng dụng mới của vật liệu bán lỏng trong tương lai

* Mục tiêu hỗ trợ

Đề tài so sánh các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim Nhôm nhằm có một cái nhìn tổng quát và khẳng định xu thế phát triển tất yếu của các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng của ngành tạo hình vật liệu kim loại hiện nay đồng thời cung cấp một phần nhỏ dữ liệu thực nghiệm đối với vật liệu nghiên cứu, làm cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng và tối ưu hoá các phương pháp này trong tương lai

Đề tài nghiên cứu sẽ giúp cho các nhà sản xuất hợp kim nhôm trong nước có thể lựa chọn và ứng dụng phương pháp phù hợp nhất với điều kiện sản xuất đặc thù của doanh nghiệp của mình

Hình 1-14 Sản lượng xuất khẩu các chi tiết HK Manhê sản xuất từ phương pháp tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng - ở Mỹ từ năm 1990 đến năm 2001

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài: các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ pha lỏng (Rheology), cụ thể là hai phương pháp:

ƒ Khuấy đảo cơ

ƒ Khuấy đảo bằng điện từ trường

Phạm vi giới hạn của đề tài: nghiên cứu trong phạm vi hợp kim Nhôm – Manhê

mà cụ thể là hợp kim Nhôm A5052 Các công việc chi tiết gồm:

- Tập trung vào các phương pháp tính toán thiết kế, tính toán tỷ lệ rắn- lỏng của hợp kim theo nhiệt độ, độ nhớt của hợp kim ở trạng thái bán lỏng

- Tiến hành thực nghiệm, thu nhận kết quả trong điều kiện máy móc và thiết

bị đo hiện có trong nước

Phương pháp nghiên cứu:

* Xây dựng mô hình vật lý: dùng phần mềm AutoCAD, Pro-Engineer

* Xây dựng mô hình toán và mô phỏng bằng phần mềm Ansys

* Kiểm tra cơ lý tính (đo độ cứng và thử bền trên các máy chuyên dụng)

* Phương pháp kim tương (quan sát tổ chức tế vi của vật liệu)

1.6 Kết luận

Công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng là xu hướng phát triển của ngành chế tạo phôi trong tương lai Đây thực sự là công nghệ có nhiều triển vọng đặc biệt là đối với quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ở Việt Nam

Hiện nay, có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng trên thế giới, tuy nhiên các phương pháp này còn mới đối với Việt nam nên việc nghiên cứu ứng dụng các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng phù hợp với điều kiện hiện có của Việt nam, qua đó bổ sung cơ sở dữ liệu cho các công trình nghiên cứu về sau này trên đối tượng hợp kim Nhôm – Manhê (cụ thể là hợp kim A5052)

là rất cần thiết và hữu ích

Phôi đúc của hợp kim A5052 Nắp đồng hồ gas

Pát treo của ròng rọc Khớp nối truyền lực

Hình 3-1 Các sản phẩm làm từ hợp kim A5052 [tạp chí khoa học từ internet]

Hình 3-2 Gia công phôi vật liệu A5052 trên máy tiện [tạp chí khoa học từ internet]

Kết quả phân tích trên mẫu thực tế tại phòng KT&QLCL - Công ty Nakyco :

Bảng 3-2 Kết quả phân tích trên mẫu thực tế của hợp kim A5052 thực nghiệm

% Al

96.4

% Si 0.152

% Fe 0.326

% Cu 0.0209

% Mn 0.0400

% Mg 2.71

% Zn 0.0149

% Ni 0.00254

% Cr

0.276

% Pb 0.00461

% Sn

<0.0010

% Ti 0.0166

% Be

<0.00050

% Ca 0.00417

3.1.3.2 Cơ tính của Hợp kim A5052

Bảng 3-3 Bảng thông số cơ tính của hợp kim A5052 theo tiêu chuẩn ASTM

Khối lựơng riêng (g/cm3) 2.68 Hiệu suất giãn nở nhiệt tuyến tính

Thuộc tính cắt (trượt) Sức bền cắt (trượt) (MPa) 198

Mô đun đàn hồi kéo (GPa) 69.3

Mô đun đàn hồi trượt (GPa) 25.6 Tính đàn hồi

Hình 3-3 Giản đồ trạng thái Al-Mg [16]

3.1.4 Cơ sở chọn hợp kim A5052 làm đối tượng nghiên cứu của đề tài

a Các nghiên cứu về hợp kim A5052

Hợp kim Nhôm A5052 là rất phổ biến và dễ tìm tại thị trường Việt nam, tuy nhiên, trong nước hiện nay, chưa có công trình nghiên cứu chế tạo hợp kim A5052

ở trạng thái bán lỏng đi từ trạng thái lỏng (công nghệ Rheocasting)

Hiện nay, những hợp kim được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu bán lỏng không nhiều, trong đó chủ yếu là một số hợp kim nhôm đúc và rất ít hợp kim nhôm biến dạng Mặc dù, các hợp kim nhôm đúc ứng dụng trong công nghệ đúc bán lỏng

đã chứng tỏ cơ tính tốt hơn nhiều so với các công nghệ đúc thông thường, tuy nhiên, trong một số ứng dụng đòi hỏi độ bền khá cao, đặc biệt là độ bền mỏi thì các hợp kim đúc bán lỏng vẫn chưa thể đáp ứng được Trong những trường hợp như thế, hợp kim nhôm biến dạng là một lựa chọn thích hợp Thế nhưng, lại có những

trở ngại lớn trong việc chế tạo các hợp kim nhôm biến dạng bán lỏng là độ nhạy quá cao của thành phần rắn đối với nhiệt độ, tính chảy loãng thấp so với các hợp kim nhôm đúc chứa Si

Trên thế giới hiện nay, chỉ có một công trình nghiên cứu chế tạo hợp kim A5052 ở trạng thái bán lỏng theo công nghệ Thixocasting “Studies on drawing of the aluminium A5052 alloy in the thixocast condition” (Nghiên cứu kết quả về Hợp kim Nhôm A5052 ở điều kiện bán lỏng đi từ trạng thái rắn) được công bố vào năm

2004 Với tổ chức tế vi đạt được khá tốt

(a) (b) Hình 3-4 Tổ chức tế vi của hợp kim A5052 trong các điều kiện khác nhau [18]

(b) Phương pháp bán lỏng đi từ trạng thái đặc (thixocast) bằng cách nung chảy cục bộ tại 634 0C/ 10 phút

b Khoảng nhiệt độ giữa pha rắn và lỏng

Công nghệ bán lỏng đã chứng minh được một số ưu điểm so với kỹ thuật đúc, rèn, và kỹ thuật luyện kim bột nhưng sự chấp nhận của công nghệ bán lỏng trên quy mô thương mại vẫn bị giới hạn Trong các chương trình nghiên cứu và phát triển (R&D) công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng, thì một số của chúng đã thất bại Những lý do chính đối với sự thất bại là khó khăn trong việc

chế tạo vật liệu bán lỏng [21]

( mô hình Sheil )

T, o C ( mô hình cân bằng )

Độ dốc của đường cong f s - T HỢP KIM

634,9

507,0 522,0 519,0 298,0

532

471,4

133,6 131,8 52,5 337,7 120,1

163,5

640,6 653,8 571,5 635,7 652,1

665,4

515,8 640,8 535,4 578,8 590,5

517,7

124,8 13,0 36,1 56,9 61,6

147,7

0,0339 0,149 0,0676 0,0335 0,0707

0,031

0,014 0,084 0,0244 0,0188 0,0331

525,1 557,2 557,2 510,2 450,1 468,2

107,4 58,4 57,7 151,2 158,6 176,6

632,5 615,6 614,9 661,4 608,7 644,8

527,8 567,5 560,7 510,2 508,0 612,8

104,7 48,1 54,2 151,2 100,7 32,0

0,0192 0,0118 0,0117 0,06 0,016 0,0586

0,0078 0,201 0,121 0,0241 0,0094 0,0349

Do kim loại ở trạng thái sệt nên quá trình đông đặc diễn ra rất nhanh, vì vậy, hợp kim dùng để đúc bán lỏng (Rheocast) cần có các tính chất sau:

+ Khoảng nhiệt độ kết tinh phải phù hợp, nếu khoảng nhiệt độ kết tinh ngắn, kim loại đông đặc rất nhanh, rất khó thực hiện quá trình đúc Ngược lại, nếu

khoảng kết tinh quá dài, quá trình đông đặc diễn ra chậm, hạt sẽ phát triển trở lại, năng suất thấp

+ Kim loại phải có tính dẻo cao để tránh bị rạn nứt khi đúc tạo hình

+ So với vật liệu đúc áp lực cao, thì vật liệu đúc bán lỏng có khoảng kết tinh rộng hơn để đảm bảo quá trình đúc tạo hình được khi vật liệu ở trạng thái sệt

Khoảng nhiệt độ đông đặc, chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa pha rắn và pha lỏng, được ưa chuộng nhiều nhất là vào khoảng 60 0C, thấp nhất ΔT = 25 0C đối với hợp kim Nhôm biến dạng và ΔT = 40 0C cho hợp kim Nhôm đúc, tuy nhiên đã có trường hợp nghiên cứu chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng với ΔT = 35 0C đối với các hợp kim khác như hợp kim của Titan

Đối với hợp kim A5052, khoảng nhiệt độ giữa pha rắn và lỏng: ΔT = 42 0C

là hoàn toàn phù hợp để nghiên cứu, bên cạnh đó, chỉ có một công trình nghiên cứu

về hợp kim A5052 ở trạng thái bán lỏng “Studies on drawing of the aluminium A5052 alloy in the thixocast condition” (Nghiên cứu kết quả về Hợp kim Nhôm A5052 ở điều kiện bán lỏng đi từ trạng thái rắn) được công bố và đạt được các tổ chức tế vi khá tốt, điều này cho thấy việc chế tạo vật liệu bán lỏng đi từ pha lỏng (Rheology) đối với hợp kim Nhôm A5052 là rất mới và hoàn toàn có khả năng thực hiện được

3.2 Xác định thông số của quá trình

3.2.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình khuấy đảo cơ

3.2.1.1 Nhiệt độ khuấy, độ nhớt của kim loại lỏng

Nhiệt độ của kim loại ở trạng thái bán lỏng quyết định thành phần pha rắn, lỏng trong kim loại cũng như độ nhớt của kim loại, công suất của hệ thống khuấy

và hiệu quả của quá trình khuấy

Nếu nhiệt độ của kim loại ở trạng thái bán lỏng cao gần sát đường lỏng lúc này độ nhớt thấp, liên kết giữa các hạt tinh thể yếu và dễ dàng bị phá vỡ, cho nên các hạt dễ khuếch tán đều hiệu quả khuấy cao Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao biên giới hạt kém bền, khi ngưng khuấy các hạt sẽ nhanh chóng phát triển trở lại Ngược lại,

Tốc độ khuấy quyết định mức độ chảy rối của dòng kim loại, khả năng phá

vỡ liên kết hạt và đảo đều chúng trong môi trường kim loại lỏng, đây là yếu tố chính quyết định kích thước hạt Nếu tốc độ quá chậm khả năng phá vỡ liên kết và khuấy đảo đều kém, khi đông đặc hạt sẽ to và không đồng đều Nếu tốc độ khuấy quá nhanh kim loại va đập mạnh văng lên thành hạt tiếp xúc với không khí bị ôxy hoá tạo thành màng ôxýt bao bọc xung quanh hạt gây khó khăn cho quá trình phá

vỡ cấu trúc bên trong Khi tốc độ khuấy nhanh kim loại sẽ tiếp xúc nhiều với không khí gây dao động nhiệt lớn khó khống chế nhiệt độ theo ý muốn

3.2.1.3 Thời gian khuấy

Thời gian khuấy là khoảng thời gian để kim loại phá vỡ liên kết và khuấy đảo đều toàn bộ kim loại chứa trong nồi Nếu thời gian quá ngắn sẽ không đủ để bẻ gãy số lượng lớn các liên kết và không đủ để khuấy đều được toàn bộ kim loại chứa trong nồi Nếu thời gian khuấy quá dài kim lượng kim loại tiếp xúc với không khí

bị ôxy hoá nhiều gây ảnh hưởng xấu và làm giảm năng suất

Thời gian khuấy của thiết bị thực nghiệm sẽ chọn theo quá trình mô phỏng

3.2.1.4 Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy

Phương pháp khuấy đảo và dạng cánh khuấy quyết định chế độ khuấy trộn

và chất lượng khuấy trộn Mô hình thực nghiệm được thiết kế theo kiểu cánh khuấy dạng vis nghiêng xoắn không liên tục (có thể xem là dạng cánh chân vịt suy biến) nhằm khuấy đảo kim loại theo 2 chiều, một chiều làm cho dòng kim loại chuyển động xoay quanh trục, một chiều đảo dòng kim loại từ bên trên xuống đáy nồi Trục khuấy được bố trí nhiều cánh khuấy gián đoạn làm tăng khả năng chảy rối của dòng kim loại, tạo lực va đập mạnh tăng khả năng phá vỡ liên kết làm nhỏ hạt Hai trục

khuấy song song quay ngược chiều nhau để tránh trường hợp chuyển động đồng tốc của dòng kim loại và bộ phận khuấy

Quá trình khuấy phải được bắt đầu tại nhiệt độ đường lỏng và hạ thấp dần xuống nhiệt độ mong muốn, nhằm giảm lực khởi động ban đầu và ngăn cản sự liên

kết hạt xảy ra trong quá trình đông đặc

3.2.2 Tính toán thành phần rắn của hợp kim A5052 theo nhiệt độ

Hiểu rõ quá trình đông đặc của hợp kim là điều cần thiết nhằm xử lý và nâng cao chất lượng của vật đúc đồng thời chính xác hóa việc kiểm soát quá trình Việc này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác nhiệt độ theo dãy không liên tục (rắn/ sệt) bên trong thành phần rắn Tính toán thành phần rắn của hợp kim ở trạng thái bán lỏng là rất phức tạp, trong phương pháp này, các giao diện vận tốc của thành phần rắn, sệt

và lỏng là các biến Phương pháp này giả định trộn hoàn toàn các pha với nhau trong khu vực nhiệt độ của trạng thái sệt Phương trình Scheil và nguyên tắc cánh tay đòn được sử dụng để tính toán – phương pháp này là chính xác và có thể thực hiện dễ dàng

Một trong những vấn đề cơ bản liên quan là xác định trường ứng suất biến thiên theo nhiệt độ Độ chính xác của các ứng suất này phụ thuộc vào tính chính xác về nhiệt độ của các mô hình tương ứng Về tổng quát, giải quyết vấn đế đông đặc của hợp kim liên quan đến tính toán truyền nhiệt, các hạt lơ lửng trong vùng rắn, sệt, lỏng và dòng chảy trong vùng lỏng Các quan hệ giữa pha và thành phần trong vùng sệt Ví dụ, sự cân bằng nhiệt động và giản đồ pha nhiệt động được ứng dụng để xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ và thành phần Các khó khăn là sự không liên tục của các dòng nhiệt và sự di chuyển của giao diện rắn – sệt cũng như

là giao diện giữa sệt – lỏng Sự di chuyển của các biên giới này không được biết trước và phải xác định như là một phần của “dung dịch”

Có nhiều mô hình cho quá trình đông đặc của hợp kim đã được đề xuất Trong hầu hết các phương pháp trước đó, phương pháp enthalpy được sử dụng Yếu tố cơ bản của phương pháp enthalpy là dùng hàm enthalpy và sự không liên

Hình 3-5 Giản đồ trạng thái 2 cấu tử điển hình [50]

Đường cân bằng lỏng và rắn là OL và OS

Điểm E là điểm Eutcetic, đường không cân bằng rắn là S0S’

Công thức Scheil dùng tính toán thành phần rắn:

1/(1 )

1

k m

Tm : Nhiệt độ chảy của kim loại nền

(Đối với hợp kim Nhôm thì Tm là nhiệt độ chảy của Nhôm = 660 0C)

Tliq : Nhiệt độ chảy của hợp kim

(Đối với hợp kim Nhôm A5052 thì Tliq là nhiệt độ chảy của A5052 = 649 0C)

Ssm : đường giới hạn giữa rắn/ sệt

Sml : đường giới hạn giữa sệt/ lỏng

k : hệ số tỷ lệ cân bằng pha rắn và lỏng được tính theo % rắn, lỏng (hình 3-7)

sol liq

nsm , nml: véc-tơ đơn vị tại biên giới rắn/sệt và tại biên giới sệt/ lỏng

Hình 3-6 Đồ thị một chiều của quá trình đông đặc [50]

Hình 3-7 Giản đồ pha của hợp kim và cách tính toán thành phần C*sol và C*liq [50] Ngoài ra, người ta còn có thể tính thành phần rắn theo công thức cánh tay đòn, tuy nhiên nhiều thực nghiệm đã chứng minh được phương trình Scheil chính xác hơn công thức cánh tay đòn [50]

1 1

liq s

3.2.2.1 Thành phần rắn của hợp kim A5052 theo công thức cánh tay đòn

Bảng 3-5 Bảng tính thành phần rắn theo nhiệt độ trên Excel theo công thức cánh tay đòn

k 0.1851 0.1997 0.2125 0.1864 0.2308 0.2363 0.2424 0.2533 0.2563

Đồ thị thành phần rắn - nhiệt độ (theo nguyên tắc cánh tay đòn)

1.000 1.000 600

Bảng 3-6 Bảng tính thành phần rắn theo công thức Scheil

k 0.1851 0.1997 0.2125 0.1864 0.2308 0.2363 0.2424 0.2533 0.2563

0.818

0.868 0.879

Thành phần rắn theo Scheil Thành phần rắn theo nguyên tắc cánh tay đòn

Hình 3-10 Đồ thị so sánh thành phần rắn tính theo phương trình Sheil và nguyên

tắc cánh tay đòn theo nhiệt độ