Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 2)

Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 2) cung cấp cho học viên những kiến thức về kết tinh của kim loại và hợp kim trong khuôn đúc, động học quá trình đông đặc,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Trang 1

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH

VẬT ĐÚC

PHẦN 2

1 PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ

Trang 2

4 KẾT TINH CỦA KIM LOẠI

VÀ HỢP KIM TRONG KHUÔN ĐÚC

• Từ khoá: Crystallization; Solidification

Trang 3

4.1 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐÔNG ĐẶC CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

4.1.1 Mở đầu

Kim loại nguyên chất:

- Kết tinh ở T không đổi: đường lỏng (TL) và đường đặc (TS) trùng nhau

- KL đông đặc có hướng:

pha rắn từ bề mặt tiến dần

vào tâm nhiệt của vật đúc

Trang 4

4.1.1 Mở đầu

Hợp kim: nói chung, kết tinh xảy ra trong

một khoảng nhiệt độ: “khoảng đông đặc” (gọi tắt: “khoảng đông”)

Trong khoảng đông, hai pha rắn và lỏng

cùng tồn tại: “vùng 2 pha”

Bề mặt phân cách rắn – lỏng: “bề mặt kết

tinh” hay “sóng kết tinh”

Trang 5

PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ 5

Trang 7

4.1.3 Đông đặc thể tích

Đông đặc thể tích: vùng 2 pha choán hầu

như toàn bộ chiều dày thành vật đúc: VĐ đông đặc gần như đồng thời trên toàn thể tích

Trang 8

- Sự phát triển của các tâm mầm

- Sự hình thành và phát triển của nhánh cây

Nghiên cứu quá trình kết tinh là NC sự

hình thành tổ chức của VĐ

Trang 10

 Trong quá trình kết tinh,

k thay đổi liên tục

Trang 11

 trong quá trình kết tinh, pha rắn ngày

càng giàu B  Thiên tích trong VĐ

Trang 12

4.2.4 Độ quá nguội

 KL nguyên chất ở trạng thái lỏng được làm

nguội dù với tốc độ rất chậm thì T kết tinh thực

tế vẫn thấp hơn T kết tinh lý thuyết

  KLL có thể tồn tại ở T thấp hơn T kết tinh lý thuyết T0 KLL lúc này được

gọi là KLL quá nguội

  T= T0-T: độ quá nguội

Trang 14

4.3.1.Sự hình thành mầm nội sinh

Giả sử có 1 cụm nguyên tử với bán kính r, thể tích V, diện tích bề mặt F đang hình

thành trong KLL quá nguội

Năng lượng tự do của hệ sẽ thay đổi một lượng G do 2 nguyên nhân:

Trang 15

1 Giảm năng lƣợng tự do thể tích G V

- Pha rắn có năng lượng tự do nhỏ hơn

pha lỏng  năng lượng tự do giảm:

Trang 16

2 Tăng năng lƣợng tự do bề mặt G F

Xuất hiện pha mới (rắn) có diện tích bề

mặt F làm năng lượng tự do tăng:

GF= F

 - scbm của mầm

Trang 18

Khi  T= const Đường biểu diễn  G=f(r) có cực đại  Gmax tại rth

- Những mầm có r< rth không thể phát triển lên

được do khi r tăng thì  G cũng tăng

- Chỉ những mầm có r> rth mới có thể phát triển

lên được

Trang 19

4.3.2.Sự hình thành mầm ký sinh

(Ngoại sinh, ngoại nhập)

Thực tế, quá trình kết tinh của KLL xảy ra với T nhỏ hơn rất nhiều so với độ quá

nguội cần cho mầm tự sinh

Nguyên nhân: do các phần tử rắn có mặt

trong KLL, mầm được tạo nên trên chúng

Bằng các tính toán tương tự, năng lượng cần thiết để tạo mầm ký sinh có rth:

G’max=(2-3cos+cos3) Gmax/4= c.Gmax -góc thấm ướt của mầm lên phần tử rắn

Trang 20

4.3.2 Sự hình thành mầm ký sinh

 thay đổi từ 0  1800  cos

 thay đổi từ 1  -1  c thay

đổi từ 0  1:

- Khi = 1800; cos= -1; c=1

- Khi = 00; cos= 1; c= 0

 trong mọi trường hợp, sự

tạo mầm ký sinh đều có lợi

hơn sự tạo mầm tự sinh do:

G’max  Gmax

Trang 21

So sánh tạo mầm tự sinh và ký sinh

Trang 22

4.3.2.Sự hình thành mầm ký sinh

 Nguồn gốc các phần tử rắn trong KLL:

- Các hợp chất hóa học có nhiệt độ nóng chảy

cao trong bản thân KLL

Thí dụ: khử ôxy trong thép lỏng bằng nhôm 

Al2O3

- Các khí hòa tan trong KLL tạo nên các ôxit, nitrit

có nhiệt độ nóng chảy cao

- Cố tình đưa vào KLL các chất đặc biệt để tạo

mầm ký sinh

- Các vết nứt, chỗ lồi lõm trên thành khuôn, chất sơn khuôn

Trang 24

Sơ đồ quá trình tạo mầm và

phát triển thành hạt tinh thể

Trang 26

4.4 KẾT TINH NHÁNH CÂY

4.4.1 Mở đầu

 Trong một số điều kiện, KL có thể kết tinh theo

cơ chế nhánh cây:

- Đầu tiên, mầm phát triển theo một hướng xác

định tạo thành trục chính của tinh thể

- Sau đó, trục thứ 2 phát triển từ trục chính, rồi

đến trục thứ 3, trục thứ 4 …

- KLL còn lại lấp đầy khoảng không giữa các trục

- Khi khoảng cách giữa các nhánh cây đạt đến

một giá trị nhất quá trình kết tinh kết thúc

Trang 27

4.4.1 Mở đầu

Trang 28

4.4.1 Mở đầu

Trang 29

4.4.2 Nguyên nhân KL kết tinh kiểu

nhánh cây

 Giả sử bề mặt kết tinh (BMKT) dịch chuyển theo chiều x do dòng nhiệt dịch chuyển theo chiều

ngược lại

 Nếu dòng nhiệt nhỏ, BMKT dịch chuyển chậm

 nhiệt lượng kết tinh (NLKT) sinh ra không làm thay đổi đáng kể sự phân bố T đã có của KLL 

T tăng liên tục về phía KLL Nếu trên BMKT xuất hiện phần nhô ra về phía pha lỏng thì nó sẽ rơi vào vùng có Tq>TL  bị hòa tan lại vào KLL:

không thể kết tinh kiểu nhánh cây

Trang 30

nhánh cây

Trang 31

nhánh cây

Trang 32

nhánh cây

Nếu KL nguội với tốc độ đủ lớn :

- Nhiệt kết tinh không kịp truyền đi để san

bằng nhiệt độ

- Xuất hiện hiện tượng tích tụ chất tan trên

BMKT

 xuất hiện vùng quá nguội trạng thái:

nếu có KL kết tinh nhô khỏi BMKT nó sẽ

rơi vào vùng có độ quá nguội lớn và sẽ

phát triển nhanh sâu vào trong KL  trục

chính của nhánh cây

Trang 33

nhánh cây

Trang 34

4.4.3 Hệ quả quá trình kết tinh

Trang 35

3 dạng cấu trúc đúc cơ bản

Trang 36

4.5 KẾT TINH CÙNG TINH

Khi làm nguội KLL có thành phần cùng

tinh đến T chuyển biến cùng tinh  từ pha lỏng sẽ tiết ra đồng thời các pha rắn khác nhau tạo nên tổ chức cùng tinh

Nói chung: những quy luật kết tinh của KL nguyên chất đều có thể áp dụng cho hợp kim cùng tinh (HKCT)

Trang 37

Trang 38

Trang 39

4.6.ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH KẾT TINH

 Điều khiển được độ hạt của tinh thể khi kết

tinh  điều chỉnh được các tính chất (chủ

yếu là cơ tính) của VĐ theo ý muốn

Trang 40

3 Tăng tốc độ nguội khi kết tinh

Trang 41

mịn: đây là cơ sở lý luận của QT biến tính

 Biến tính là đưa vào KLL một lượng nhỏ các

chất (chất biến tính)  thay đổi kích thước và

đôi khi hình dạng của các tinh thể sơ cấp  thay đổi cơ tính (đôi khi cả các tính chất khác) của

HK nhưng không làm thay đổi thành phần của

HK

Trang 42

Tác dụng của chất biến tính

1 Tạo mầm kết tinh ngoại nhập

Thí dụ: - Đưa Ce, Y … vào thép lỏng

- Đưa TiC, TiN, Ce, Zr … vào hợp

kim nhôm

2 Làm thay đổi sức căng bề mặt giữa

pha lỏng và pha rắn để ngăn cản sự

lớn lên của tinh thể

Thí dụ: đưa Mg vào gang lỏng

Trang 43

của gang

Trang 44

a Biến tính gang

Biến tính gang là cho một số chất vào

gang lỏng nhằm:

- Tăng số tâm mầm kết tinh

- Làm thay đổi số lượng, hình dạng và kích thước graphit

- Làm thay đổi cách thức tiết ra graphit

Biến tính gang không làm thay đổi tổ chức nền kim loại

Trang 45

Cơ chế tác dụng của chất biến tính gang

1 Cơ chế tạo tâm mầm mới

- Chất biến tính phải có kiểu mạng và thông

số mạng gần giống kiểu mạng và thông số

mạng của graphit

- Thí dụ: dùng CaC2 làm chất biến tính

2 Cơ chế làm thay đổi sức căng bề mặt

- Biến tính bằng Mg: graphit có dạng cầu

- Biến tính bằng Fe-Si, SiC: thúc đẩy quá

trình graphit hóa

Trang 46

b Biến tính thép

Mục đích:

- Hạt tinh thể nhỏ mịn

- Tạp chất nhỏ mịn và phân bố đều

Tác dụng cơ bản của chất biến tính:

- Đóng vai trò của mầm ngoại sinh

- Làm thay đổi sức căng bề mặt giữa các

pha

- Làm giảm Gmax  giảm rth

Trang 47

Một số chất biến tính thép

Al:

- Là chất khử ôxy mạnh  [O] trong thép

giảm mạnh  sức căng bề mặt giữa mầm

và thép lỏng giảm  nhiều mầm hơn 

Trang 48

4.6.3 Sử dụng các tác động vật lý

Gồm: rung cơ học, siêu âm, từ trường, điện trường

Tác động:

- Làm hình thành và biến mất các lỗ hổng, tạo nên

áp suất rất cao ở vùng xung quanh  tăng nhiệt độ

 tăng độ quá nguội  làm nhỏ hạt

- Tạo nên ba động năng lượng  thuận lợi cho việc hình thành mầm  hạt nhỏ mịn

- Bẻ gẫy các nhánh cây, các tinh thể thô to  tạo

nhiều mầm  hạt nhỏ mịn

Trang 50

4.6.4 Làm nguội nhanh

b Chế tạo hợp kim vô định hình bằng

phương pháp nguội nhanh

 Khi làm nguội KLL với tốc độ rất lớn:

- KLL tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn T0 rất nhiều

- Độ sệt tăng cao  hệ số khuếch tán giảm mạnh

 các nguyên tử có độ linh động rất thấp

- Không xảy ra quá trình kết tinh KLL mà hầu như vẫn giữ nguyên cấu trúc không trật tự của KLL trước đó

 Vng > 105 – 10 6 độ K/s

Trang 51

Làm nguội nhanh trên đĩa đồng

Trang 52

4.6.4 Làm nguội nhanh

Trang 53

5 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH

ĐÔNG ĐẶC

Trang 54

5.1 THỜI GIAN ĐÔNG ĐẶC CỦA

VẬT ĐÚC

 Thời gian đông đặc của VĐ T TS là thời gian cần

thiết để VĐ đông đặc hoàn toàn sau khi rót

 T TS phụ thuộc hình dạng và kích thước VĐ, được

xác định theo công thức Chvorinov:

Trang 56

Trường nhiệt độ khuôn – vật đúc

Trang 57

5.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

QUÁ TRÌNH ĐÔNG ĐẶC 5.2.1 Vật liệu làm khuôn

Khuôn có độ dẫn nhiệt càng cao  khoảng cách giữa 2 sóng kết tinh càng hẹp (càng thu hẹp vùng 2 pha)

Khuôn có hệ số tích nhiệt càng lớn  càng thu hẹp vùng 2 pha

 Khuôn có khả năng lấy nhiệt của KL

càng nhanh, càng mạnh  càng thu hẹp vùng 2 pha

Trang 58

5.2.2 Hợp kim đúc

Các yếu tố làm thu hẹp vùng 2 pha:

- Hệ số dẫn nhiệt của hợp kim thấp

- Hợp kim có nhiệt độ đông đặc cao

- Hợp kim có khoảng đông hẹp

Trang 59

5.2.3 Tốc độ nguội (vng)

vng nhỏ: kết tinh trong điều kiện gần như cân bằng  tinh thể phát triển tự do và đều theo mọi hướng  hạt thô, đều trục

vng đủ cao: vùng 2 pha hẹp  tinh thể dạng trụ

Trang 60

5.3 ĐÔNG ĐẶC CỦA KL TRONG

KHUÔN ĐÚC

5.3.1 Đặc điểm chung

Khi rót khuôn, KLL thải nhiệt chủ yếu qua khuôn  phần KLL sát thành khuôn được nguội với tốc độ nguội rất lớn và càng vào tâm VĐ, tốc độ nguội càng giảm dần

Trang 61

5.3.2 Tổ chức vật đúc

1 Lớp ngoài cùng (lớp da đúc):

 KLL được nguội rất nhanh;

trong vùng tiếp xúc thành khuôn

có vô số tâm mầm ngoại sinh

được hình thành

 Những hạt tinh thể nhỏ mịn có

trục định hướng bất kỳ

 Cơ tính cao, chịu mài mòn tốt,

có khả năng chống ăn mòn cao

4

1 2 3

Trang 62

to

Trang 65

5.3.2 Tổ chức vật đúc

Trang 66

Khi làm nguội rất nhanh

Tổ chức VĐ hầu như chỉ tồn tại vùng 1

KL có nhiều tính chất siêu việt

Trang 67

5.3.3 Phương thức điều chỉnh

tốc độ nguội

Thay đổi chiều dày thành khuôn

Sử dụng vật liệu làm khuôn có hệ số dẫn nhiệt khác nhau

Thay đổi nhiệt độ rót

Làm nguội cưỡng bức khuôn

Trang 69

5.4.1 Thiên tích trong tinh thể

Không đồng đều về thành phần hóa học của hợp kim ngay trong từng tinh thể:

- Tinh thể dạng hạt: phần tâm (kết tinh trước) giàu các nguyên tố khó chảy hơn ngoài

- Tinh thể nhánh cây: Trục chính chứa nhiều

nguyên tố khó chảy hơn các trục thứ cấp và

phần ở giữa các trục nhánh cây

Trang 70

Nguyên nhân: sự khuếch tán không hoàn

toàn của các nguyên tố trong quá trình kết tinh

Các yếu tố ảnh hưởng đến thiên tích

trong tinh thể:

- Tính chất của hợp kim (thể hiện qua GĐTT)

- Điều kiện nguội: nguội càng chậm càng ít thiên tích trong tinh thể

Trang 71

Trang 72

5.4.2 Thiên tích tỉ trọng (thiên tích lớp)

Không đồng đều về thành phần hóa học ở phần trên và phần dưới của vật đúc

Nguyên nhân: sự khác biệt đáng kể về tỉ

trọng của pha rắn đã kết tinh và phần KLL còn lại:

Pha rắn đã kết tinh nổi lên (nếu nhẹ hơn

pha lỏng còn lại) hoặc lắng xuống

Thường quan sát thấy khi đúc các HK đồng trong điều kiện nguội chậm hoặc đúc li tâm

Trang 73

5.4.2 Thiên tích tỉ trọng

Các biện pháp phòng tránh

Khuấy trộn hợp kim trước khi rót

Tăng tốc độ nguội trong quá trình kết tinh

Biến tính bằng một số nguyên tố nhằm:

- Làm quá trình kết tinh xảy ra sớm

- Tạo thành khung xương ngăn cản quá trình lắng hoặc nổi

Ví dụ: Cu  HK Pb-Sb; Ni  HK Cu-Pb

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	2,11 MB