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

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA BK TP.HCM NGUYEÃN HOAØNG THANH NGHIEÂN CÖÙU SO SAÙNH CAÙC PHÖÔNG PHAÙP CHEÁ TAÏO VAÄT LIEÄU ÔÛ TRAÏNG THAÙI BAÙN LOÛNG TÖØ TÖØ HÔÏP KIM NHOÂM CHUYEÂN NGAØNH : COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO MAÙY LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TP. HOÀ CHÍ MINH, MINH, THAÙNG 12/ 12/ 2008 ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP.HCM COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ÑOÄC LAÄP – TÖÏ DO – HAÏNH PHUÙC ---------------- ---oOo--- TP.HCM, ngaøy 21 thaùng 01 naêm 2008 NHIEÄM VUÏ LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ Hoï teân hoïc vieân: Nguyễn Hoàng Thanh Giôùi tính: Nam. Ngaøy, thaùng, naêm sinh: 01/01/1973. Nôi sinh: Tp. Cần Thơ. Chuyeân ngaønh: Coâng Ngheä Cheá Taïo Maùy. MSHV: 02806657. Khoùa (Naêm truùng tuyeån): 2006. 1. TEÂN ÑEÀ TAØI: NGHIEÂN CÖÙU SO SAÙNH CAÙC PHÖÔNG PHAÙP CHEÁ TAÏO VAÄT LIEÄU ÔÛ TRAÏNG THAÙI BAÙN LOÛNG TÖØ HÔÏP KIM NHOÂM. 2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Khảo sát các phương pháp chế tạo hợp kim nhôm ở trạng thái bán lỏng. - Nghieân cöùu lyù thuyeát quaù trình khuấy đảo cơ. - Nghieân cöùu lyù thuyeát quaù trình khuấy đảo cơ điện từ. - So sánh phương pháp khuấy đảo cơ và khuấy đảo cơ điện từ. - Moâ phoûng quaù trình khuấy đảo cơ baèng phaàn meàm Ansys. - Nghieân cöùu caùc thoâng soá aûnh höôûng ñeán kích thước hạt kết tinh của vật liệu ở trạng thái bán lỏng. - Đề xuất ứng dụng cho hợp kim nhôm A5052 trong thực tế. 3. NGAØY GIAO NHIEÄM VUÏ: 21/01/2008 4. NGAØY HOAØN THAØNH NHIEÄM VUÏ: 01/12/2008 5. HOÏ VAØ TEÂN CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN: TS. LÖU PHÖÔNG MINH Noäi dung vaø ñeà cöông luaän vaên thaïc só ñaõ ñöôïc Hoäi Ñoàng Chuyeân Ngaønh thoâng qua. CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN (Hoï teân vaø chöõ kyù) CHUÛ NHIEÄM BOÄ MOÂN QUAÛN LYÙ CHUYEÂN NGAØNH (Hoï teân vaø chöõ kyù) 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. ABSTRACT As material technology developed increasingly, the demands for high quality products also increased, some old technology production becomes neither suitable nor reachable the required quality. Therefore, the new material technologies are researched and developed for applications in the practical production. Semi solid materials technology is the important tendency at the present and 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. - Study about the parameters which affect to the grains size of the semi solid material. - 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 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG ........................................................1 1.1 Giới thiệu đề tài............................................................................................... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước..................................................... 3 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước........................................................ 3 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 7 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 Các phương pháp khuấy đảo cơ ......................................................... 26 2.2.4.1 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy........................ 26 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 3.1.2 Thành phần và cơ tính của hợp kim A5052 ........................................ 54 3.1.2.1 Thành phần hóa của hợp kim A5052 .......................................... 54 3.1.2.2 Cơ tính của hợp kim A5052........................................................ 55 3.1.3 Giản đồ trạng thái Al - Mg ................................................................. 56 3.1.4 Cơ sở chọn Hợp kim A5052 làm đối tượng nghiên cứu của đề tài ...................................................................................................... 56 3.2 Xác định thông số của quá trình ..................................................................... 59 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 Thực nghiệm ................................................................................................... 77 4.2.1 Thiết bị thực nghiệm............................................................................ 77 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................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG 1.1. Giới thiệu đề tài Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu kim loại đứng thứ hai sau thép về sản xuất 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 2 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. 3 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Từ cuối những năm 1960 đầu những năm 1970, công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã được nghiên cứu và chính thức ra đời vào tháng 06-1971, do Viện công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa kỳ đề xuất (đề tài tiến sĩ của D.B 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. 4 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: 5 ƒ Hợp kim bán lỏng (12 bài). ƒ Các kỹ thuật phụ trợ (12 bài). ƒ Tổ chức và cơ tính vật đúc (8 bài). ƒ Các quy trình đúc mới (8 bài). 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: 6 Bảng 1-1. Phạm vi ứng dụng của công nghệ bán lỏng tại các công ty lớn trên thế giới Sản phẩm Công ty Toshiba, NEC, Mitsubishi, Panasonic, Sony, Mini-note book PC‘s Compaq, Sharp, Epson, Gateway, Fujitsu, JVC, Hitachi, Casio. Digital VCR‘s Sony, Sharp, Canon Điện thoại di động NEC, Ericcson, Panasonic, NTT, Pioneer Mini disks Sony, Panasonic Máy quay phim kỹ thuật số Fuji film, Nikon, Texas Instruments, Epson, Sanyo, Sony. Máy Photocopy Canon Các bộ phận của ô-tô Ford, GMC, Toyota Các bộ phận truyền lực và hộp số Nắp xy lanh Bánh xe Block máy Van các loại Phanh xe Năm Hình 1-3. Thực trạng ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng ở Mỹ và các dự báo trong tương lai. 7 Saûn löôïng (ngaøn taán) 250 200 150 100 50 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 Năm Saûn löôïn g (ngaøn taán ) 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 8 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. 9 Bằng các phương pháp khuấy đảo mãnh liệt người ta đã làm cho cấu trúc nhánh cây của pha rắn bị gãy vụn và phân bố đều trong kim loại lỏng hình thành trạng thái mà pha rắn phân bố đều trong pha lỏng ở dạng huyền phù, trạng thái này được gọi là “trạng thái bán lỏng ”. Cả hai hướng chế tạo vật liệu, đi từ trạng thái rắn đến trạng thái đặc sệt và đi từ 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. 10 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 11 (a) (b) (c) 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.