Tài liệu Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm a356. (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC TIẾN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC BÁN LỎNG VỚI HỢP KIM NHÔM A356 Chuyên ngành: Công nghệ Vật liệu vô cơ Mã số: 62.52.90.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2013 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc – Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỒNG HẢI Phản biện 1: …………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………… Phản biện 3: ………………………………………… Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Vào hồi …… giờ, ngày …. tháng ….. năm……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án Các loại vật liệu dạng bột nhão (thixotropic) như thuốc bôi mi mắt, mật ong, một số loại sơn khi bị cắt sẽ chảy, sau đó lại có thể đặc lại. Độ nhớt của chúng phụ thuộc vào tốc độ cắt và thời gian. Nếu vật liệu bị khuấy liên tục trong quá trình nguội từ trạng thái lỏng hoàn toàn tới trạng thái bán lỏng thì độ nhớt của nó sẽ thấp hơn nhiều so với khi nó được làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Việc khuấy sẽ bẻ gãy các nhánh cây đã xuất hiện trước đó, làm cho tổ chức tế vi ở trạng thái bán lỏng bao gồm các hạt tròn được bao quanh bởi pha lỏng. Đó chính là tổ chức tế vi cần đạt được trong công nghệ bán lỏng. Khi cấu trúc bán lỏng đó được chuyển về trạng thái không chuyển động, các hạt cầu sẽ tích tụ và độ nhớt sẽ tăng lên. Nếu vật liệu được cắt, các khối tích tụ đó sẽ bị vỡ và độ nhớt giảm. Ở trạng thái bán lỏng, với khoảng từ 30 đến 50% pha lỏng, nếu hợp kim được đưa về trạng thái không chuyển động, nó sẽ tự chịu được trọng lượng của mình và có thể cầm được như chất rắn. Ngay khi bị cắt, chúng sẽ chảy với một độ nhớt tương đương độ nhớt của dầu máy nặng. Hành vi này được gọi là xúc biến (hành vi thixotropic) và được ứng dụng trong công nghệ bán lỏng. Công nghệ bán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệ khác trong công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ và phần lớn các chi tiết máy trong công nghiệp ô tô, xe máy. Ở châu Âu, các hệ thống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ, và thanh ngang trong hệ thống cấp dầu của bộ nổ đang được chế tạo bằng công nghệ này. Ở Mỹ, thí dụ, là các chi tiết máy cho xe leo núi và xe trượt tuyết, còn ở châu Á sự tập trung được đặt vào việc sản xuất các chi tiết trong công nghiệp điện tử như vỏ máy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng hợp kim magiê bằng con đường đúc xúc biến (thixomolding). Hiện nay, nhu cầu sử dụng các loại hợp kim và đặc biệt là các sản phẩm từ hợp kim có đặc tính kỹ thuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước là rất lớn. Trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô…Vì vậy, việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc bán lỏng sẽ tạo ra bước đột phá trong việc nâng cao chất lượng các sản phẩm hợp kim, làm cơ sở cho việc phát triển các ngành công nghiệp này và hình thành một hướng phát triển mới trong việc chế tạo, sản xuất các chi tiết cho các ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng, công nghiệp ôtô xe máy và các sản phẩm cơ khí có đặc tính tiên tiến khác. Xuất phát từ những cơ sở trên, NCS đã chọn hướng nghiên cứu là: ” Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356”. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt được yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏ mịn và cơ tính được cải thiện. - Làm cơ sở triển khai áp dụng công nghệ bán lỏng cho hợp kim A356 trong công nghiệp ô tô, xe máy và công nghiệp quốc phòng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: để nghiên cứu và làm cơ sở cho việc áp dụng công nghệ bán lỏng, NCS lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356 - Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với phương pháp đúc lưu biến. Nội dung nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc hợp kim ở trạng thái bán lỏng. - Cơ sở lý luận - Thực nghiệm khoa học và kết quả - Kết luận. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có về công nghệ bán lỏng. - Thống kê, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực nghiệm trên đối tượng. - Nghiên cứu, phân tích kết quả thực nghiệm, các kết quả của các tác giả đi trước để áp dụng cho nghiên cứu. - Tổng hợp các kết quả xử lý, phân tích kết hợp các tài liệu thu thập để xác định bộ số liệu, các thông số công nghệ nhằm tối ưu hoá quá trình. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa học - Xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ bán lỏng ở nước ta. - Xây dựng được các thông số công nghệ của phương pháp khoảng nhiệt độ thích hợp để chế tạo hợp kim bán lỏng, thời gian để [4] Development and Processing, Belarus National Academy of Sciences (2011), ISBN 978-985-6441-16-8. Nguyễn Ngọc Tiến, Nguyễn Hồng Hải, Phạm Mai Khánh. Ảnh hưởng của khuấy điện từ đến tốc độ nguội và sự hình thành pha hoá bền Mg2Si của hợp kim A356. Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại số 45,12.2012. - Thời gian khuấy tối ưu: (30 ÷ 50)s. • Với phương pháp tạo mầm: - Nhiệt độ khuấy: (610 ÷ 618) 0C. - Tốc độ quay trục khuấy: 175 vòng/phút. - Thời gian khuấy tối ưu: (10 ÷ 15)s. • Nhiệt độ của khuôn cho cả hai trường hợp tốt nhất nên trong khoảng (150÷200)0C. Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu, luận án còn có những phát hiện mới gồm: Trong quá trình khuấy điện từ, nhiệt độ của hợp kim lỏng có sự thay đổi không đáng kể. Xuất hiện pha hoá bền trong hợp kim sau khi đúc lưu biến. Điều này không quan sát thấy trong các quá trình đúc thông thường. Quá trình khuấy làm thay đổi hình dáng và giảm đáng kể kích thước pha liên kim chứa sắt do hiệu ứng tạo rỗng, làm giảm ảnh hưởng xấu của các pha này đến cơ tính của hợp kim. Phát hiện có sự tồn tại của Si thứ nhất trong tổ chức của hợp kim trước cùng tinh. Từ những kết quả nghiên cứu có được, NCS xin kiến nghị cần có những nghiên cứu sâu sắc và đầy đủ hơn về những phát hiện mới đã nêu trên. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ [1] [2] [3] Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Ngọc Tiến, Đỗ Minh Đức. Nghiên cứu xác định tốc độ nguội, tốc độ đông đặc và tỷ phần pha rắn của hợp kim nhôm trong qúa trình đúc bán lỏng. Hội thảo về Nghiên cứu, Phát triển va Ứng dụng Công nghệ Vật liệu (KC.02/06-10)- Hà Nội 27/11/2009. Nguyen Hong Hai, Tran Duc Huy, Nguyễn Ngoc Tien. Grain Refinement Aluminum Silicon Alloy by Electromagnetic Stirring. 3rd Regional AUN/SEED-Net Scientific Conference on Natural Resources and Materials Engineering, Malaysia, 11/2010. Hai Nguyen Hong, Duc Do Minh, Tien Nguyen Ngoc, Tai Nguyen Tien. Semi-solid Rheocasting (SSR) of Al-Si alloy. Advanced Method and Technologies for Materials tạo hợp kim bán lỏng, ảnh hưởng của các yếu tố đến sự hình thành hợp kim bán lỏng, tổ chức tế vi và cơ tính đạt được. *) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng triển khai để sản xuất các chi tiết trong ngành chế tạo ô tô – bánh xe, vỏ động cơ, một số các chi tiết trước đây phải chế tạo từ gang bền cao hoặc trong ngành chế tạo xe máy – nắp hông máy và các chi tiết bằng hợp kim nhôm khác. Những điểm mới của luận án Bên cạnh kết quả nghiên cứu tổng quát là cửa sổ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim A356, quá trình nghiên cứu còn có thêm một số phát hiện đặc biệt: - Trong quá trình khuấy điện từ, nhiệt độ của hợp kim lỏng có sự thay đổi không đáng kể. - Hình thành pha hoá bền trong hợp kim sau khi đúc. Điều này trong đúc thông thường không thấy xuất hiện. - Sự tạo rỗng trong quá trình khuấy điện từ làm giảm đáng kể kích thước pha liên kim chứa sắt, ít ảnh hưởng xấu đến cơ tính của hợp kim. - Phát hiện có sự tồn tại của Si thứ nhất trong hợp kim trước cùng tinh. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây) 1) Khuấy thuỷ động từ (MHD) 2) Phun bột 3) Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất (SIMA) và Kết tinh lại và nấu chảy một phần (RAP) 4) Đúc gần nhiệt độ đường lỏng 5) Quá trình MIT mới (new MIT process) [6] 6) Làm nhỏ mịn hạt bằng cách biến tính: hợp kim có thể có tổ chức hình cầu, song khó có thể đảm bảo là cấu trúc có dạng cầu đều đặn và nhỏ mịn và thể tích phần pha lỏng bị bẫy trong các hạt cầu nhìn chung tương đối cao. 7) Chuyển biến nhiệt bán lỏng (SSTT) Trong các phương pháp trên thì các phương pháp 1, 3, 4, 5, 7 thuộc về dạng công nghệ bán lỏng. 1.2. Cơ sở lý thuyết về lưu biến Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt τ, tỷ lệ với tốc độ cắt γ, và hệ số tỷ lệ là độ nhớt η. Vật liệu bán lỏng (vật liệu thixotropic) là chất lỏng phi Newton, tức là ứng suất cắt không tỷ lệ với tốc độ cắt. Độ nhớt khi đó được gọi là độ nhớt biểu kiến và phụ thuộc vào tốc độ cắt và tỷ phần pha rắn (hình 1.10a). Một số chất lỏng phi tuyến cũng bộc lộ tính đàn nhớt, tức là chúng tích trữ một loại năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi. Vật liệu bán lỏng không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi ứng suất bị dỡ bỏ. Nếu chất lỏng bộc lộ ứng suất chảy và có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt, nó được gọi là vật liệu Bingham (hình 1.9[1]). Khi đó: • τ = τ y + k.γ ; (1.1) ở đây k là hệ số liên quan tới độ nhớt. Mô hình Herchel-Bulkley là mô hình mà ở đó hành vi là phi tuyến sau chảy, tức là: • τ =τ y + kγ n ; (1.2) Trong τγ là ứng suất chảy tĩnh ; n là tham số. Ở hình 1.9, độ nhớt giảm đi khi chịu cắt (shear thinning materials) sẽ có giá trị của n nhỏ hơn 1 và độ nhớt tăng lên khi chịu cắt (shear thickening materials) sẽ có n lớn hơn 1. Vật liệu bán lỏng chủ yếu là loại vật liệu độ nhớt giảm đi khi chịu cắt, độ nhớt tăng trở lại khi được giữ ở trạng thái tĩnh.. Độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ. Đối với chất lỏng Newton (ví dụ lưới chất lỏng trong khối bột nhão bán lỏng), độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới tổ chức tế vi. 1.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến Trong các hệ kim loại bán lỏng, sự kết tụ xuất hiện do các phần tử va chạm với nhau (hoặc do quá trình cắt làm chúng tiếp xúc với nhau, hoặc, ở trạng thái nghỉ, do quá trình thiêu kết) và, nếu chúng định hướng một cách thuận lợi, sẽ tạo ra các biên. Khi tốc độ cắt vượt trội và tích tụ. Do đó, kết hợp giữa khía cạnh chế tạo vật liệu và công nghệ tạo hình thì nhiệt độ khuôn thích hợp sẽ là (150 ÷ 200)0 C. 4. Thời gian khuấy tạo mầm tốt nhất là nằm trong khoảng (10 ÷ 15)s. 5. Việc kết hợp giữa các tham số quan trọng nhất của quá trình đúc lưu biến là: tỷ phần pha rắn (được kiểm soát bởi nhiệt độ khuấy) và tốc độ nguội (được kiểm soát bởi nhiệt độ khuôn và chiều dày thành khuôn), cường độ khuấy (trong trường hợp khuấy điện từ) và thời gian khuấy (trong trường hợp khuấy bằng trục graphite), cũng như các thông số công nghệ khác là rất quan trong để đạt được tổ chức tế vi mong muốn. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau quá trình tổng hợp, nghiên cứu lý thuyết và triển khai thực nghiệm khoa học, luận án đã đạt được một số kết quả chính như sau: Về lý thuyết: kết quả nghiên cứu cho thấy: Mối quan hệ giữa độ nhớt của vật liệu thixotropic với tốc độ cắt là mối quan hệ phi tuyến. Khi tăng tốc độ cắt, độ nhớt của vật liệu thixotropic giảm; nếu tỷ phần pha rắn càng cao thì mức độ giảm của độ nhớt càng lớn. Quá trình tạo thành tổ chức phi nhánh cây thuận lợi hơn khi tăng tốc độ cắt, thời gian cắt và giảm tốc độ nguội. Các phương pháp đúc lưu biến có các ưu điểm: tổ chức tế vi nhận được có dạng phi nhánh cây, tạo điều kiện tốt cho quá trình bù co do đó không có rỗ xốp ở vùng thành dày và không có khuyết tật ở vùng thành mỏng, dòng chảy tầng khi đúc áp lực nên quá trình đúc không cuốn khí nhờ vậy giảm rỗ co, tuổi thọ khuôn cao, thời gian đông đặc giảm, có thể nhiệt luyện và hoá già, có thể chế tạo các vật đúc có hình dạng phức tạp, cơ tính tốt. Về thực nghiệm: kết quả nghiên cứu với hợp kim A356 cho thấy chế độ công nghệ bán lỏng tối ưu là: • Với phương pháp khuấy từ: - Tần số khuấy: (60 ÷ 100) Hz. - Nhiệt độ khuấy: (590 ÷ 610)oC. được đè tài đã xây dựng được “cửa sổ công nghệ” của quá trình như được trình bày trên hình 4.57. Hình 4.57 Cửa sổ công nghệ của quá trình 4.4. Kết luận 1. Phương pháp đúc bán lỏng (khuấy điện từ và tạo mầm) có thể cho phép nhận được tổ chức hạt cầu thay cho tổ chức nhánh cây, kích thước hạt nhỏ mịn (15 ÷ 30 μm). 2. Tỷ phần pha rắn giữ một vai trò quan trọng trong quá trình đúc bán lỏng. Trong trường hợp khuấy điện từ, hiệu quả khuấy sẽ đạt được khi tỷ phần pha rắn lớn hơn điểm liền mạng nhánh cây (hình 4.59 [25]); Thực nghiệm cho thấy tỷ phần pha rắn tối ưu là khoảng 40%, ứng với nhiệt độ khuấy 590o C đối với hợp kim A356. Trong trường hợp tạo mầm mạng nhánh cây chưa hình thành, tỷ phần pha rắn nhỏ hơn nhiều (~ 10%), nhiệt độ rót ngay dưới nhiệt độ đường lỏng (~6100 C). 3. Nhiệt độ khuôn: tổ chức sẽ càng nhỏ mịn khi tốc độ nguội càng cao (nhiệt độ khuôn càng thấp). Tuy nhiên vì rót ở nhiệt độ bán lỏng (rất thấp, nằm giữa Tl và Tđ) nên về mặt công nghệ nếu nhiệt độ khuôn quá thấp sẽ xảy ra các hiện tượng như không điền đầy, giáp mí Hình 4.59 Liền mạng v.v...Ngoài ra khi nhiệt độ khuôn nhánh cây thấp cùng tinh có thể phát triển tăng, mối liên kết đó giữa các phần tử bị phá vỡ và kích thuớc trung bình của các cụm giảm đi. Một khi mối liên kết lại hình thành, các phần tử đã kết tụ sẽ được thiêu kết, với kích thước của chỗ thắt tăng lên theo thời gian. 1.4. Một số nghiên cứu trên thế giới 1.4.1. Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng Động lực học chất lỏng tính toán có thể được sử dụng để dự đoán quá trình điền đầy khuôn. . Trong quá trình tạo hình bán lỏng Hình 1.9 Quan hệ ứng suất khối bột nhão trải qua một sự tăng cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc đột ngột tốc độ cắt từ trạng thái -1 độ cắt đối với một số dạng nghỉ tới 100 s hoặc hơn khi nó đi hành vi lưu biến [1] vào khuôn. Sự thay đổi đó xảy ra trong khoảng ít hơn 1s. Điều này có thể được khảo sát bằng 2 dạng thực nghiệm. Thứ nhất, qua sự thay đổi nhanh chóng tốc độ cắt trong đồng hồ lưu biến và thứ hai, bằng thí nghiệm nén nhanh, ví dụ, ngay trong máy tạo hình bán lỏng hoặc trong đồng hồ nhớt khi rèn giọt. Các số liệu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim nhôm là rất thưa thớt do phần lớn các đồng hồ lưu biến hiện có trên thị trường không hoạt động ở nhiệt độ bán lỏng của hợp kim nhôm 1.4.2. Khuấy hoặc rung bằng hệ thống cơ âm Người ta cho rằng hiệu quả làm nhỏ mịn hạt của dao động cưỡng bức được thể hiện ở 2 yếu tố. Thứ nhất là dao động cưỡng bức tạo điều kiện tốt cho kim loại lỏng thấm ướt thành khuôn, nhờ vậy mà quá trình trao đổi nhiệt giữa chúng trở nên dễ dàng hơn. . 2. Cơ tính ở trạng thái đúc đã đạt rất cao. Điều này rất có ý nghĩa khi kết hợp giữa đúc bán lỏng với đúc áp lực vì thông thường các vật đúc áp lực không nhiệt luyện được. 3. Đối với hợp kim A356 thì chế độ công nghệ tốt nhất là Tần số khuấy: (60 ÷ 100) Hz Nhiệt độ khuấy: (590 ÷ 610)o C Thời gian khuấy: (30 ÷ 50) s Chế độ công nghệ này có thể phù hợp với sản xuất công nghiệp do: 4.3.2. Khuấy bằng trục graphit Các mẫu được khuấy với tốc độ trung bình của trục graphite là 175, 200 và 225 vòng/phút, đường kính trục 35 cm. Hình 1.14 Minh hoạ về quá trình phát triển cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu; b) nhánh cây phát triển; c) hoa hồng; d) hoa hồng dầy; e) hạt cầu [7] Hình 1.15 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng khi tốc độ cắt tăng và giảm [12] 1. Công nghệ MIT cải tiến đã được thực hiện có kết quả cho hợp kim A356 ở quy mô thí nghiệm trên thiết bị tự tạo trong nước. V ề mặt công nghệ, phương pháp khuấy trục graphit khá thuận lợi với quy trình đơn giản, rót ở nhiệt độ cao, thiết bị dễ chế tạo và rẻ. Hình 4.49 Đường cong thử 2. Mục tiêu cầu hóa tổ kéo của mẫu số 89 chức hạt hợp kim đã được giải quyết về cơ bản và quá trình mịn hóa tổ chức hạt với kích thước trung bình < 50 μm là hiện thực. Tổ chức hạt cầu nhỏ mịn khá đồng đều, có thể đạt tới < 20 μm. Quá trình này phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ và thời gian khuấy tạo mầm dị thể trên trục khuấy, cũng như vào nhiệt độ khuôn. 3. Cơ tính của hợp kim A356 đã được cải thiện đáng kể: độ cứng đạt tiêu chuẩn ASM (60-70 HB), giới hạn bền kéo cao nhất Rm = 263 MPa ứng với tốc độ khuấy 175 v/phút, nhiệt độ khuấy 624 oC, nhiệt độ khuôn 50 oC. rên cơ sở các kết quả đạt sẽ có điều kiện phát triển thành các hạt thô to hoặc nhánh cây. Thời gian khuấy phù hợp nhất là nằm trong khoảng 10 – 15 giây. 4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn Nhiệt độ khuôn được thay đổi trong khoảng từ nhiệt độ ban đầu của khuôn sau khi sấy (50o C) đến khoảng nhiệt độ thường quan sát thấy khi đúc áp lực (150 ÷ 250o C). Có thể thấy rằng khi nhiệt độ khuôn quá cao kích thước hạt trở nên thô hơn. Tuy nhiên khi nhiệt độ khuôn thấp, tốc độ nguội cao, cùng tinh phát triển vượt trội do đó có thể tích tụ thành cụm. Tổ chức đều và mịn nhất đạt được khi nhiệt độ khuôn khoảng (150 ÷ 200)o C. 4.3. Đánh giá cơ tính 4.3.1. Khuấy điện từ. Kết quả thử kéo đối với các mẫu khuấy điện từ được thể hình 4.48. Yêu cầu Hình 4.48 So sánh độ bền kéo của các mẫu chưa nhiệt luyện Có thể thấy rằng các mẫu đều có độ cứng HB bằng hoặc cao hơn tiêu chuẩn ASM. Không so sánh được độ bền nén vì không có các số liệu tương tự. Kết luận 1. Công nghệ đúc bán lỏng bằng phương pháp khuấy từ cho kết quả tốt. Cơ tính (độ bền kéo) của các mẫu đều cao bằng hoặc hơn so với tiêu chuẩn ASM là 220 MPa. 1.4.3. Khuấy điện từ Đây là một phương pháp từ thuỷ động lực học mới nhằm truyền dao động (rung) cưỡng bức đến kim loại đang đông đặc... Tạo rỗng là khái niệm dùng để diễn tả sự hình thành các bọt hoặc rỗ khí trong chất lỏng. Các bọt này có thể đầy hơi nước, không khí và cũng có thể gần như rỗng. 1.4.4. Đúc gần nhiệt độ đường lỏng Từ lâu người ta đã nhận thấy rằng việc rót hợp kim có độ quá nhiệt nhỏ vào khuôn có nhiệt độ thấp sẽ tạo ra tổ chức đều trục nhỏ mịn. Đây là cơ sở cho một số phương pháp công nghệ dưới đây. - Phương pháp “đúc lưu biến mới” ( NRC) - Phương pháp nhiệt trưc tiếp Hình 1.22 Nhiệt độ kim loại - Dùng máng nghiêng sau khi rót như hàm của độ quá - Dùng ống mỏng nguội nhiệt, nhiệt độ và bề mặt khuôn nhanh - Phương pháp H-NCM. 1.5. Lựa chọn công nghệ nghiên cứu Thứ nhất là, kết hợp giữa đúc lưu biến và áp lực (Rheo-die casting): Thứ hai là, bảo đảm sự linh hoạt của hệ thống bằng cách tích hợp giữa các thiết bị mới và các thiết bị có sẵn. Thiết bị chính sử dụng thực hiện quá trình nghiên cứu này là thiết bị rheocasting, máy đúc áp lực và lò nấu. Thông số công nghệ khác (nhiệt độ khuấy, tốc độ quay của trục khuấy, nhiệt độ của trục trước khi khuấy v.v…) cần được tìm trong quá trình nghiên cứu. 1.5.1. Khuấy điện từ 1.5.1.1. Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc - Các lực điện từ có tác dụng bẻ gẫy các nhánh cây có hình cổ chai và phân tán chúng vào bể kim loại lỏng nhờ việc tạo một dòng đối lưu cưỡng bức (hình 1.3) và tạo rỗng làm tâm mầm kết tinh cho các nhánh cây đều trục. - Ngoài ra dao động cưỡng bức tạo điều kiện tốt cho kim loại lỏng thấm ướt thành khuôn, nhờ vậy mà quá trình trao đổi nhiệt giữa chúng trở nên dễ dàng hơn. 1.5.1.2. Các cơ sở điện động lực học của quá trình khuấy Lực Lorentz Nguyên tắc của khuấy điện từ, chính xác hơn là của khuấy điện từ cảm ứng, được trình bày thông qua một thí nghiệm biểu thị đơn giản như hình 1.29, 1.30. Hình 1.29 Tương tác giữa từ trường chuyển động và một dây dẫn điện [19] cây hiệu quả khuấy đạt được rõ nhất, tổ chức nhỏ mịn và đều. Khi nhiệt độ xuống quá thấp, lưới nhánh cây đã trở nên vững chắc, lực điện từ cũng mất tác dụng vì không còn đủ để phá vỡ lưới nhánh cây nữa, trong tổ chức bị lẫn các hạt thô to xen lẫn nhánh cây. Như vậy có thể thấy rằng, với cùng các điều kiện khác như nhau thì nhiệt độ khuấy thích hợp nhất nằm trong khoảng 595o ÷ 600o C, ứng với tỷ phần pha rắn là 30 ÷ 35%. 4.2. Phương pháp khuấy bằng trục graphite 4.2.1. Ảnh hưởng của tốc độ quay của trục khuấy. - Tổ chức nhánh cây không tồn tại. Hạt hầu như có dạng đồng trục/dạng cầu tương đối đồng đều, kích thước hạt trung bình đạt ≈ (30÷40) μm. - Kích thước hạt đều giảm dần theo chiều tăng của nhiệt độ khuấy, đặc biệt ở tốc độ khuấy ≈ 175 v/phút, nhiệt độ khuấy = 625 oC, Tk = 50 oC kích thước hạt nhỏ nhất ≈ (10÷20) μm. Hình 1.30 Tác động lực giữa dây dẫn có dòng điện chạy qua và nam châm. 1.5.2. Khuấy bằng trục graphit (new MIT process) Đây là sự phối hợp giữa khuấy và đúc gần nhiệt độ đông đặc (hình 1.34 [6]). Trục khuấy cũng có tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại lỏng có nhiệt độ cao hơn đường lỏng đôi chút. Sau khi khuấy vài giây nhiệt độ kim loại lỏng hạ xuống mức ứng với tỷ phần pha rắn trên dưới 10% Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý phương và trục khuấy được rút pháp MIT mới [16] ra. 10 μm Hình 4.25 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 90: MIT-1753, Vkh =175 v/ph.,Tk = 250 °C, Tkh = 620. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước khá nhỏ (~ 20-30 μm) 10 μm Hình 4.26 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 88: MIT175-1,Vkh =175 v/ph., Tk = 250 °C, Tkh = 625 °C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ mịn (~ 20 μm) 4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy Có thể thấy thời gian khuấy quá ngắn (5s) không có tác dụng rõ rệt, trong khi nếu thời gian khuấy quá dài (20s) các tâm mầm kết tinh có sẵn trong kim loại lỏng (nguyên tố hợp kim, chất lẫn v.v..) Việc mô phỏng được tiến hành cho hợp kim A356 cho thấy: 1. Trong giai đoạn quá nhiệt (nhiệt độ > 619o C) thì tốc độ nguội rất lớn. Trong giai đoạn toả nhiệt kết tinh ( khoảng nhiệt độ 619 ÷ 548 o C) tốc độ nguội chậm hơn do ẩn nhiệt kết tinh toả ra . Khi đã đông đặc hoàn toàn ( nhiệt độ < 548 o C) thì tốc độ nguội lại tăng một chút. 2. Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế khá trùng hợp CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BÁN LỎNG 4.1. Phương pháp khuấy điện từ Việc nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng bằng phương pháp khuấy điện từ được chia làm 2 bước: - Bước 1: mẫu được khuấy bán lỏng từ khi đạt nhiệt độ đến khi đông đặc hoàn toàn, sau đó để nguội cùng cốc khuấy bằng ống graphite (tốc độ nguội rất chậm) - Bước 2: mẫu được khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn chế tạo mẫu thử cơ tính hoặc khuôn dập trên một thiết bị tự tạo nhằm khảo sát ảnh hưởng của áp lực đến sự hình thành tổ chức. 4.1.1. Khuấy bán lỏng sau đó để nguội cùng cốc khuấy Kim loại được nấu trong lò điện trở Nabertherm sau đó được khuấy trong cốc rót. Cường độ từ trường càng lớn (tăng dần từ mức 2 đến mức 5), tổ chức nền nhận được càng nhỏ mịn và đồng đều, mức độ “cầu hoá” ngày càng rõ rệt. Rõ ràng là cường độ từ trường đã ảnh hưởng rất rõ đến tổ chức nhận được. Nhiệt độ khuấy càng cao tổ chức nhận được càng thô, nhiều khuyết tật. Với cùng một mức cường độ từ trường, nhiệt độ khuấy càng cao kích thước hạt càng thô to, dạng cầu của tinh thể càng không rõ. Qua đó thấy rằng cường độ từ trường khuấy càng mạnh, nhiệt độ khuấy phù hợp thì tổ chức nhận được càng nhỏ mịn, đồng đều, mức độ “cầu hoá” càng cao. 4.1.2. Khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn Tỷ phần pha rắn có ảnh hưởng rõ rệt đến tổ chức tế vi; khi tỷ phần pha rắn thấp (nhiệt độ cao) việc khuấy điện từ không có hiệu quả, trong tổ chức còn lẫn các hạt thô; chỉ từ trên điểm liền mạng nhánh CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT VỀ HỢP KIM NHÔM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356, thuộc họ silumin. Nghiên cứu này sử dụng hệ ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (Aluminium Association viết tắt là AA[23]) 2.1.1. Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm Nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống và sinh hoạt của con người. Tuy vậy, về mặt lịch sử nhôm thuộc loại nguyên tố “trẻ”. Nhôm được tìm ra năm 1808. Nhôm là kim loại nhóm III, số thứ tự 13 trong bản tuần hoàn Mendeleev. Cấu hình điện tử của nhôm là : 1s22s22p63s2 3p1. Với khối lượng riêng bằng 2,7 g/cm3, so với sắt, nhôm nhẹ hơn khoảng gần 3 lần. Hợp kim nhôm được phân loại theo các nguyên tố hợp kim trong nó. Hợp kim Al-Si-Mg (đối tượng nghiên cứu) thuộc họ hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện (hình 2.1). Hình 2.1 Các họ hợp kim nhôm [23] 2.1.2. Hợp kim A356 Hợp kim A356 thường được dùng chế tạo các chi tiết bơm hàng không, phụ tùng đường ống ngành hàng không, vỏ hộp tốc độ tự động, các bộ phận điều khiển, bộ xylanh làm nguội bằng nước... Hợp kim A356 cũng được dùng chế tạo các chi tiết đòi hỏi tính đúc, tính hàn tốt, chịu áp lực, chịu ăn mòn, có thể chế tạo khuôn vĩnh cửu có độ bền cao. Hợp kim A356 có thành phần như trong bảng 2.1. Bảng 2.1 Thành phần hợp kim A 356 Nguyên Cu Mg Mn Si tố % ≤ 0.2 0.25÷0.45 ≤ 0.1 6.5÷7.5 Fe Zn Ti ≤ 0.2 ≤ 0.1 ≤ 0.2 Đặc điểm tổ chức Hợp kim A356 sau khi đúc có tổ chức nhánh cây. Một phần cùng tinh cũng được tiết ra. Khi làm nguội với tốc độ thấp, có thể quan sát thấy các pha liên kim Al15(Mn,Fe)3Si2, Al5FeSi và Mg2Si. 2.2. Kỹ thuật thực nghiệm 2.2.1. Nấu luyện và xử lý hợp kim Hợp kim được nấu luyện trong lò nấu điện trở của Đức, có sử dụng bộ điều khiển tự động, có khả năng điều chỉnh nâng nhiệt độ và hạ nhiệt độ theo chế độ đặt từ trước. Trước khi rót kim loại đã xử lý ở trạng thái bán lỏng vào khuôn, ta tiến hành sấy khuôn lên nhiệt độ định trước trong một lò sấy riêng có điều khiển nhiệt độ. Máy khuấy được kiểm soát các thông số hoàn toàn tự động. Nhiệt độ được kiểm soát và điều chỉnh bởi một cặp nhiệt có nối với thiết bị đóng ngắt. 2.2.2. Hệ thống đo ghi nhiệt độ kỹ thuật số Nhiệt độ kim loại và khuôn được đo và ghi tự động qua bộ thu nhận tín hiệu OMEGA TEMPSCAN 1100 có khả năng ghi nhận tín hiệu từ can nhiệt và truyền dữ liệu vào máy tính thông qua chương trình CHARTVIEW 2.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó người ta khảo sát các tính chất vật lý, hoá học của mẫu như: nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi, biến đổi về kích thước… 2.2.4. Mô phỏng số Từ khi các máy tính tốc độ cao xuất hiện, mô hình toán và mô phỏng số đã trở thành một cách tiếp cận nhanh nhất với các quá trình thực tế có liên quan tới biên chuyển động. 1. fS từ 23 ÷ 65% với ΔT = 45o C trước khi xảy ra phản ứng cùng tinh chính 2. fS từ 65 ÷ 97% xảy ra phản ứng cùng tinh chính trong khoảng ΔT = 11o C 3. Các phản ứng khác xảy ra khi fS = 3%, khi nhiệt độ tiếp tục giảm thêm khoảng 10oC. 3.4.2. Các pha liên kim và sự hình thành tổ chức ở nhiệt độ cao Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình khuấy điện từ cũng có ảnh hưởng khá lớn tới các pha liên kim: có thể thấy tổ chức pha liên kim dạng tấm Si (hình 3.29a) đó chuyển thành dạng chữ Trung Quốc (hình 3.29b) gọn hơn nhiều , phân bố đều và ít gây ảnh hưởng xấu tới cơ tính của nền. Pha liên kim Al5FeSi a) Mẫu DT33x1000 b) Mẫu DT43x100 Hình 3.29 Sự chuyển biến pha liên kim 3.4.3. Kết quả phân tích tia X Để khẳng định quá trình tiết pha khi đông đặc, mẫu sau đúc được phân tích bằng X-ray xác định sự có mặt của các pha trong hợp kim. Kết quả phân tích xác nhận sự có mặt của các pha: Al-α, Si, Al9Si và các pha mới là các pha - Mg2Si, pha phức tạp Al-Fe-Si Điều đó càng khẳng định, ở mức độ nào đó, tốc độ nguội có vai trò quyết định đến việc hình thành các pha trong tổ chức khi kết tinh. 3.4.4. Kết quả phân tích EDS Tại các vùng cùng tinh, nằm rải rác ở biên giới hạt, tập trung rất nhiều Si. Trong dung dịch rắn α hoà tan rất ít Si, điều này chứng tỏ Si tập trung chủ yếu ở vùng biên hạt - vùng cùng tinh. Còn vùng giữa hạt tập trung nhiều Ti và một số nguyên tố khác: Mg, Cu, Si,… với lượng ít. 3.5. Mô phỏng số Hình 3.23 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 trong trường hợp nguội tự nhiên có khuấy Căn cứ vào kết quả tính tỷ phần pha rắn cho hợp kim A356 khác nhau bằng các phương pháp khác nhau ta có thể chọn vùng nhiệt độ nghiên cứu như sau: - Vùng 1: 619 ÷ 610o C (gần đường lỏng) tương đương fs= (10-15) % - Vùng 2: 610 ÷ 590o C tương đương fs= 33 % - Vùng 3: 590 ÷ 580o C tương đương fs= (40 ÷ 52)% 3.4. Thành phần, sự tiết pha và sự hình thành tổ chức của Silumin đơn giản Silumin gồm hai nguyên tố chính là Si, Al, còn lại là các nguyên tố hợp kim khác như Mg, Cu, Zn v.v.. Như đã trình bầy ở chương 2, tổ chức của silumin đơn giản gồm có hai pha là α và Si do Si không tạo hợp chất hóa học với Al. Để cải thiện cơ tính của silumin, người ta biến đổi tổ chức thô to của chúng bằng hai cách: - Tăng tốc độ nguội khi kết tinh. - Biến tính. 3.4.1. Sự hình thành tổ chức của hợp kim A356 Hợp kim A356 thuộc loại silumin trước cùng tinh (hàm lượng Si thấp hơn 11,7%) phức tạp (ngoài Si còn có một số nguyên tố hợp kim khác). Theo giản đồ pha, độ hòa tan của Fe và Si trong pha rắn thấp hơn nhiều so với trong pha lỏng. Như vậy tại vùng giữa nhánh cây pha lỏng còn lại sẽ giầu chất tan (trong trường hợp này là các nguyên tố hợp kim Fe và Si). mạng nhánh cây bắt đầu sau 42 giây, ứng với tỷ phần pha rắn 23% và nhiệt độ 608oC. Phần kim loại lỏng còn lại (77%) sẽ tiếp tục đông đặc theo các bước sau: Fluentlà một chương trình mô phỏng trên nền 2D và 3D được phát triển bởi công ty Fluent.Inc. Đây là một chương trình mô phỏng rất mạnh, được sử dụng nhiều trong nghiên cứu, sản xuất cũng như phục vụ cho giảng dạy ở các trường đại học lớn trên thế giới. 2.3. Các phương pháp phân tích đánh giá 2.3.1. Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức - Dụng cụ được dùng để soi tổ chức tế vi cho mẫu là kính hiển vi quang học LeicaDM4000M thuộc PTN Công nghệ Vật liệu Kim loại, ĐHBK Hà nội (hình 2.21). - Thiết bị này có thể cho phép soi tổ chức tế vi qua mức độ phóng đại từ 50÷1000 lần. Ngoài ra còn trang bị thêm bộ phận chụp ảnh ở nhiệt độ cao và phân tích hình ảnh cũng như lưu giữ ảnh tổ chức sau khi chụp. 2.3.2. Phân tích Rơnghen Thiết bị nhiễu xạ tia X D5000 do hãng SIEMENS, CHLB Đức sản xuất. - Phân tích định tính, bán định lượng các pha tinh thể. - Phân tích cấu trúc và xác định các giá trị hằng số mạng tinh thể. 2.3.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS Thiết bị hiển vi điện tử quét cho phép phân tích cấu trúc mặt gẫy với độ phóng đại lớn. Ngoài ra cho phép phân tích nồng độ nguyên tố tại các vị trí khác nhau của mẫu. Các mẫu nghiên cứu được chụp ảnh SEM và phân tích EDS tại Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam. 2.3.4. Đánh giá cơ tính Mẫu thử cơ tính được đúc trong khuôn kim loại. Mẫu cũng có thể được cắt ra từ một thỏi lớn. Việc thử cơ tính được tiến hành trên thiết bị MTS 809 của PTN Công nghệ Vật liệu Kim loại, ĐHBK Hà nội (hình 2.24). Đây là một thiết bị rất hiện đại của Mỹ, cho phép thực hiện các phép đo rất chính xác. Thiết bị này còn cho phép đo độ bền ở nhiệt độ cao. Mẫu đo độ cứng cũng được tiện từ thỏi đúc, có dạng trụ và được mài nhẵn song song hai mặt đáy (hình 2.25). Trên hình 2.25. là ảnh một số mẫu thử cơ tính sau khi gia công. Đường cong nguội là thông số động học phản ánh bản chất của hợp kim (chủ yếu là nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt kết tinh) và khả năng trao đổi nhiệt giữa vật đúc và khuôn... Tốc độ nguội được tính như đạo hàm bậc 1 của nhiệt độ theo thời gian, dT/dt, bằng phần mềm Excel. Khi có tác động của khuấy các đường nguội cho thấy có sự khác biệt: ở các mẫu có khuấy dưới sự tác động của lực từ, các nhánh cây bị bẻ gẫy tạo nhiều tâm mầm kết tinh, tỏa nhiệt kết tinh lớn làm tăng nhiệt độ của mẫu thí nghiệm (mũi tên trên hình). Hình 2.24 Mẫu đo độ cứng Hình 2.25 Một số mẫu thử cơ tính sau khi gia công CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ HỢP KIM NHÔM A356 3.1. Khoảng nhiệt độ đông đặc của hợp kim A356 Nhiệt độ đường lỏng, đường đặc và khoảng đông đặc của hợp kim có thể được xác định với mọi tốc độ nguội nhờ kỹ thuật nhiệt vi sai (DTA). Có thể dễ dàng xác định được khoảng đông của hợp kim A356 là ΔTđ = Tl-Tđ = (619 ÷ 548) oC = 71 oC. Như vậy, kết quả phân tích nhiệt vi sai hợp kim A356 cho thấy: 1. Nhiệt độ đường đặc, Tđ, của hợp kim khi đông đặc cân bằng (tốc độ nguội – 0,16 oC/s) là 548 oC và nhiệt độ đường lỏng, Tl, là 619o C. 2. Khoảng nhiệt độ đông đặc ΔT0 của hợp kim là 71o C. Hình 3.15 Tốc độ nguội trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 Một điều đáng lưu ý khi so sánh đường nhiệt độ của kim loại được xử lý ở trạng thái bán lỏng (khuấy từ) và không xử lý là khi khuấy từ thì nhiệt độ giảm rất chậm (khoảng 0,16oC/s), thậm chí còn có sự tăng nhiệt độ. 3.3. Tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc 3.3.1. Định nghĩa Trong trường hợp đông đặc thể tích tốc độ đông đặc được coi là tốc độ tăng tỉ phần pha rắn theo thời gian, dfS/dt, hoặc theo nhiệt độ, dfS/dT. Đối với một hợp kim, khi mà quá trình đông đặc xảy ra trong khoảng nhiệt độ kết tinh thì sự thay đổi về lượng pha rắn fs như một hàm của thời gian có thể được tính từ phương trình: ⎛ df ⎞ ⎛ dT ⎞⎛ df s ⎞ ⎟⎜ ⎟ ⎜ s⎟=⎜ ⎝ dt ⎠ ⎝ dt ⎠⎝ dT ⎠ 3.3.2. Xác định tỷ phần pha rắn Đo nhiệt độ thực tế Hình 3.2 Đường cong phân tích nhiệt của hợp kim A356 3.2. Đường cong nguội và tốc độ nguội (3.1)