Tài liệu Khảo sát ảnh hưởng của tần số rung đến độ điền đầy và tổ chức tế vi hợp kim adc12 trong đúc mẫu hóa khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TẦN SỐ RUNG ĐẾN ĐỘ ĐIỀN ĐẦY VÀ TỔ CHỨC TẾ VI HỢP KIM ADC12 TRONG ĐÚC MẪU HÓA KHÍ SVTH: TRẦN THANH PHONG MSSV: V1102559 LỚP: VL11KL GVHD: PGS. TS NGUYỄN NGỌC HÀ Thành phố Hồ Chí Minh, 03/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên: Trần Thanh phong MSSV: V1102725 – Lớp: VL11KL Ngành: Kỹ thuật vật liệu Bộ môn: Kim loại và hợp kim 1. Tên đề tài: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐẾN ĐỘ ĐIỀN ĐẦY VÀ TỔ CHỨC TẾ VI HỢP KIM ADC12 TRONG ĐÚC MẪU HÓA KHÍ 2. Nhiệm vụ của luận văn (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): - Tổng quan về công nghệ đúc mẫu hóa khí và tác đụng của rung . -Cơ sở lý thuyết của rung và ảnh hưởng của rung đến quá trình đông đặc. - Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng của rung trong các phương pháp đúc. - Tiến hành thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tần số rung cơ học trong quá trình đông đặc của hợp kim trong công nghệ đúc mẫu hóa khí. - Đánh giá sự thay đổi của độ điền đầy và kích thước hạt dưới các tần số rung khác nhau . - Kết luận ảnh hưởng của rung trong công nghệ đúc mẫu hóa khí và chọn tần số rung tốt nhất với hợp kim trong thí nghiệm. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn: 5. Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà Phần hướng dẫn: Toàn phần Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn. TP. HCM, ngày … tháng … năm 2016 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ) : ...................................... Đơn vị: ..................................................................... Ngày bảo vệ: ............................................................ Điểm tổng kết: .......................................................... Nơi lưu trữ luận văn: ................................................ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày … tháng … năm 2016 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn) 1. Họ và tên SV: Trần Thanh phong MSSV: V1102559 Ngành (chuyên ngành): Kim loại và hợp kim 2. Đề tài: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐẾN ĐỘ ĐIỀN ĐẦY VÀ TỔ CHỨC TẾ VI HỢP KIM ADC12 TRONG ĐÚC MẪU HÓA KHÍ 3. Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : trang Số bảng số liệu : bảng Số tài liệu tham khảo : tài liệu Hiện vật (sản phẩm) Số chương Số hình ảnh : chương : hình Phần mềm tính toán : ................................... : 5. Tổng quát về của bản vẽ: Số bản vẽ: bản vẽ A0 Số bản vẽ vẽ tay:……………….………….. Số bản vẽ trên máy tính: bản vẽ A0 6. Nhận xét: .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 7. Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 8. Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội Đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu): .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 9. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): .............................. 10. Điểm (Thang điểm 10): ........... /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày … tháng … năm 2016 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người phản biện) 1. Họ và tên SV: Trần Thanh Phong MSSV: V1102559 Ngành (chuyên ngành): Kim loại và hợp kim 2. Đề tài: KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN THÀNH PHẦN SƠN MẪU SỬ DỤNG TRONG ĐÚC HỢP KIM NHÔM ADC12 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẪU HÓA KHÍ 3. Họ tên người phản biện: 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : trang Số bảng số liệu : Số hình ảnh bảng Số tài liệu tham khảo : tài liệu Hiện vật (sản phẩm) Số chương : chương : hình Phần mềm tính toán: ..................................... : Các mẫu đúc 5. Tổng quát về của bản vẽ: Số bản vẽ: bản vẽ Số bản vẽ vẽ tay:……………………….Số bản vẽ trên máy tính: bản vẽ 6. Nhận xét: .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 7. Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ 8. Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội Đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu): .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... 9. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): .............................. 10. Điểm (Thang điểm 10): ........... /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC 1. Chương 1: MỞ DẦU ................................................................................................1 1.1. Đại cương về các phương pháp đúc: ..................................................................1 1.2. Giới thiệu về đúc mẫu hóa khí: ..........................................................................2 1.2.1. Lịch sử ra đời: .............................................................................................2 1.2.2. Nguyên lý và quy trình chung của LFC: .....................................................2 1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của đúc mẫu hóa khí ............................................3 1.2.4. Xu hướng phát triển: ...................................................................................4 1.3. Rung và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc: ............................................5 1.3.1. Vấn đề tinh luyện hạt trong quá trình đúc: ..................................................5 1.3.2. Định nghĩa về rung: .....................................................................................6 1.3.3. Quá trình nghiên cứu và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc: ............6 1.3.4. Điều kiện thuận lợi khi ứng dụng rung trong đúc mẫu hóa khí: .................7 1.4. Đặt vấn đề: .........................................................................................................7 1.5. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu: ....................................................................8 1.5.1. Nhiệm vụ nghiên cứu: .................................................................................8 1.5.2. Nội dung nghiên cứu: ..................................................................................8 2. Chương 2: TỔNG QUAN .........................................................................................8 2.1. Tác động của rung đến tổ chức và cơ tính của vật đúc: .....................................8 2.2. Tác động của rung đến độ chảy loãng: ............................................................14 2.3. Tác động của rung trong phương pháp đúc mẫu hóa khí: ...............................15 3. Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................16 3.1. Cở sở lý thuyết quan trọng trong qua trình đúc mẫu hóa khí: .........................16 3.1.1. Đặc điểm của mẫu xốp trong quá trình đúc mẫu hóa khí: ........................16 3.1.2. Cơ chế điền đấy khuôn trong công nghệ đúc mẫu hóa khí: ......................18 3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ điền đấy trong đúc mẫu hóa khí: ...............20 3.2. Đặc điểm của rung: ..........................................................................................21 3.2.1. Đặc điểm và các thông số của đao động rung: ..........................................21 3.2.2. Biểu thức toán học của dao đồng rung: .....................................................21 3.2.3. Các đại lượng rung quan trọng cần được xét trong công nghệ đúc: .........22 3.3. Lý thuyết kết tinh: ............................................................................................23 3.3.1. Nhiệt động học chuyển pha: ......................................................................23 3.3.2. Lý thuyết ba động năng lượng: .................................................................24 1 3.3.3. Mầm tự sinh (mầm đồng thể): ...................................................................25 3.3.4. Mầm sinh ra trên vật rắn có sẵn (mầm dị thể): .........................................27 3.4. Hình thành và phát triển tinh thể nhánh cây: ...................................................28 3.4.1. Tinh thể nhánh cây: ...................................................................................28 3.4.2. Nguyên nhân hình thành tinh thể nhánh cây: ............................................28 3.5. Ảnh hưởng của rung trong qua trình kết tinh và đông đặc vật đúc: ................29 3.5.1. Ảnh hưởng của rung đến phát triển tinh thể nhánh cây: ...........................29 3.5.2. Ảnh hưởng của rung đến quá trình ba động và hình thành cấu trúc tế vi của kim loại:............................................................................................................29 3.6. Tác động của rung đến độ chảy loãng và khả năng điền đầy vật đúc: ............30 4. Chương 4: THỰC NGHIỆM ..................................................................................34 4.1. Nguyên liệu dùng trong nghiên cứu: ...............................................................34 4.1.1. Cát làm khuôn: ..........................................................................................34 4.1.2. Mẫu xốp Polystyrene: ...............................................................................35 4.1.3. Hợp kim đúc: .............................................................................................36 4.1.4. Thành phần sơn mẫu: ................................................................................37 4.2. Trang thiết bị: ...................................................................................................41 4.2.1. Nhóm thiết bị dùng cho quá trình đúc mẫu hóa khí và áp dụng rung trong quá trình đúc. ..........................................................................................................41 4.2.2. 4.3. Nhóm thiết bị dùng cho thí nghiệm soi kim tương: ..................................46 Phần mềm phân tích kích thước hạt: ................................................................47 4.3.1. Các phương pháp phân tích kích thước hạt:..............................................47 4.3.2. Phần mềm ImageJ và ứng dụng: ...............................................................48 4.4. Quy trình thí nghiêm chung: ............................................................................49 4.5. Quy trình pha sơn nhúng mẫu: .........................................................................49 4.6. Quy trình nấu đúc: ...........................................................................................51 4.7. Lựa chọn các thông số thí nghiệm: ..................................................................51 4.7.1. Lựa chọn chiều dày sơn: ...........................................................................52 4.7.2. Lựa chọn nhiệt độ rót, độ chân không, hướng rót kim loại: .....................52 4.7.3. Lựa chọn tần số rung: ................................................................................52 4.7.4. Lựa chọn thời gian giữ chân không, rung, và giữ vật đúc trong khuôn: ...52 4.7.5. Bảng tổng hợp các thông số thí nghiệm: ...................................................53 4.8. Phương pháp đánh giá độ điền đầy: .................................................................54 4.9. Phương pháp đánh giá kích thước hạt: ............................................................55 2 4.9.1. Các bước cơ bản đánh giá kích thước hạt: ................................................55 4.9.2. Chọn vị trí soi kim tương: .........................................................................56 4.9.3. Thí nghiệm soi kim tương: ........................................................................57 4.9.4. Phân tích ảnh và đo kích thước hạt: ..........................................................59 5. Chương 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ........................................59 5.1. Đúc thăm đò: ....................................................................................................59 5.1.1. 5.2. Kết quả thí nghiệm thăm dò: .....................................................................60 Đúc thực nghiêm: .............................................................................................65 5.2.1. Kết quả thí nghiệm: ...................................................................................65 5.3. Đồ thị ảnh hưởng của rung trong quá trình đúc mẫu hóa khí hợp kim ADC12 : 78 5.4. Ảnh hưởng của rung đến độ điền đầy: .............................................................79 5.5. Ảnh hưởng của rung đến kích thước hạt:.........................................................79 6. Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................79 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thị phần đúc mẫu hóa khí trong giai đoạn 1960-2020[5]...................... 5 Hình 2.1 Ảnh hương của rung đến tổ chức tế vi của hợp kim AC4C trong nghiên cứu của Naoki Omura[10] .................................................................................... 9 Hình 2.2 Nhiệt độ khuôn trong suốt quá trình đông đặc (a); Thay đổi kích thước hạt (b) trong nghiên cứu của Naoki Omur[11] ................................................... 10 Hình 2.3 Độ giảm kích thước hạt trong nghiên cứu của P.A.O. Adegbuyi[12] . 11 Hinh 2. Hình dạng và cách đặt mẫu trong thí nghiệm của T. Ciućka[14] ......... 11 Hình 2.5 Tác động của rung đến tổ chức hợp kim LM13 trong nghiên cứu của Viralkumar R.Patel (a) không rung; (b) rung 15Hz[17] ....................................13 Hình 2.6 Thay đổi kích thước hạt dưới tác động của rung trong thí nghiệm của S.S. Mishra đưới [15] ..........................................................................................13 Hình 2.7 Độ bề cơ học của mẫu vật đúc trong thí nghiệm của Vatsala Chaturvedi (a) Tính chống mài mòn; (b) Độ bền kéo[19] ..................................14 Hình 2.8 Thay đổi kích thước hạt dươi tác động của rung trong thí nghiêm của Zhao Zhong[20] ..................................................................................................15 Hình 2. Hình thành rỗ khí lớn khi rung ở tần số cao[20] ................................... 16 Hình 3.1 Công thức phân tử và cấu trúc không gian của Polystyrene[21] ........ 16 Hình 3.2 Cơ chế tiếp xúc (trái) Cơ chế khoảng trống (phải)[23] ....................... 19 Hình 3.4 Cơ chế sụp[23] ..................................................................................... 19 Hình 3.5 Biểu đồ dao động rung[24] .................................................................. 21 Hình 3.6 Quan hệ giữa biên độ và tần số [9]. .................................................... 23 Hình 3.7 Biến đổi năng lượng tự do của hệ[25] ................................................. 24 Hình 3.8 Kích thước tới hạn[25] ......................................................................... 25 Hình 3.9 Tốc độ sinh mầm và phát triển mầm phụ thuộc độ quá nguội.[25] ..... 27 Hình 3.10 Mầm dị thể[25]................................................................................... 27 Hình 3.11 Tinh thể nhánh cây và nguyên nhân hình thành[25][6] .................... 28 Hình 3.13 Giản đồ Al-Si và đường nguội của hợp kim ADC [27] ...................... 31 Hình 3.14 Tổ chức các cùng tinh hợp kim ADC12[29] ...................................... 32 Hình 3.16 Các cùng tính trên biên giới hạt α-Al.[30] ......................................... 33 Hình 3.17 Phân tích thành phần pha trên biên giới hạt α-Al.[30] ..................... 34 Hình 4.1 Hình dạng hạt cát [7] ........................................................................... 35 Hình 4.2 Hình dạng mẫu xốp dùng trong thí nghiêm ......................................... 36 Hình 4.3 Nhựa thông(trái) và keo silicon(phải).................................................. 39 4 Hình 4.4 Mật mía (trái);Butanol (phải) .............................................................. 40 Hình 4.5 Khuôn ép mẫu....................................................................................... 42 Hình 4.6 Lò điện trở ............................................................................................ 43 Hình 4.7 Sơ đồ thiết bị rung trong công nghệ đúc mẫu hóa khí[20] .................. 43 Hình 4.8 Thiết bị rung (trái) và biến tần (phải) .................................................. 44 Hình 4.9 Hòm khuôn ........................................................................................... 44 Hình 4.10 Thiết bị hút chân không ...................................................................... 45 Hình 4.11 Ống pha sơn (trái) và Cân điện tử (phải) .......................................... 45 Hình 4.12 Cân đồng hồ và mấy khấy .................................................................. 46 Hình 4.13 Cốc đo độ nhớt ................................................................................... 46 Hình 4.14 Cưa kim loại (trái); máy mài thô (phải)............................................. 47 Hình 4.15 Máy đánh bóng (trái); kính hiển vi quang học .................................. 47 Hình 4.16 Phần mềm ImageJ .............................................................................. 48 Hình 4.17 Quy trình thí nghiệm chung ................................................................ 49 Hình 4.18 Sơn sau khi khấy và cách đo độ nhớt ................................................. 50 Hình 4.19 Phơi mẫu xốp sau khi nhúng. ............................................................. 51 Hình 4.20 Chọn mặt soi kim tương ..................................................................... 56 Hình 4.21 Cấu trúc thỏi đúc[25] ......................................................................... 57 Hình 5.1 Hai mẫu đúc thăm dò: mẫu (a) mẫu không rung 0Hz; mẫu (b) mẫu rung 30Hz ............................................................................................................60 Hình 5.2 Ảnh soi kim tương mẫu không rung (MKR) ......................................... 61 Hình 5.3 Ảnh mẫu không rung (MKR) sau phân tích imageJ ............................. 61 Hình 5.4 Biêu đồ phân bố kích thước hạt mẫu không rung (MKR) .................... 62 Hình 5.5 Mẫu rung (MR),30Hz ........................................................................... 62 Hình 5.6 Ảnh mẫu rung sau phân tích bằng imageJ ........................................... 63 Hình 5.7 Biểu đô phân bố kích thước hạt mẫu rung (MR).................................. 64 Hình 5.8 Thay đổi kích thước hạt trong thí nghiệm thăm dò .............................. 64 Hình 5.9 Ảnh 8 mẫu vật đúc trong thực nghiệm ................................................. 65 Hình 5.10 Ảnh soi kim tương Mẫu 1 ................................................................... 66 Hình 5.11 Ảnh Mẫu 1 phân tích bằng imageJ .................................................... 66 Hình 5.12 Biêu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 1 .............................................. 67 Hình 5.13 Ảnh soi kim tương mẫu 2 .................................................................... 67 5 Hình 5.14 Ảnh Mẫu 2 phân tích bằng ImageJ .................................................... 68 Hình 5.15 Biêu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 2 .............................................. 68 Hình 5.16 Ảnh soi kim tương Mẫu 3 ................................................................... 69 Hình 5.17 Ảnh Mẫu 3 phân tích bằng ImageJ .................................................... 69 Hình 5.18 Biểu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 3 .............................................. 70 Hình 5.19 Ảnh soi kim tương Mẫu 4 ................................................................... 70 Hình 5.20 Ảnh Mẫu 4 phân tích bằng ImageJ .................................................... 71 Hình 5.21 Biểu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 4 .............................................. 72 Hình 5.22 Ảnh soi kim tương Mẫu 5 ................................................................... 72 Hình 5.23 Ảnh Mẫu 5 phân tích bằng ImageJ .................................................... 72 Hình 5.24 Biểu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 5 .............................................. 73 Hình 5.25 Ảnh soi kim tương Mẫu 6 ................................................................... 74 Hình 5.26 Ảnh Mẫu 6 phân tích bằng ImageJ .................................................... 74 Hình 5.27 Biểu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 6 .............................................. 75 Hình 5.28 Ảnh soi kim tương Mẫu 7 ................................................................... 75 Hình 5.29 Ảnh Mẫu 7 phân tích bằng ImageJ .................................................... 76 Hình 5.30 Biêu đồ phân bố kích thước hạt Mẫu 7 .............................................. 76 Hình 5.31 Ảnh soi kim tương Mẫu 8 ................................................................... 77 Hình 5.33 Biểu đồ phân bố kích thước hạt mẫu 8............................................... 78 6 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Chuyển biến của Polystyrene đưới tác dụng của nhiệt độ[22] ...........17 Bảng 3.2 Lượng khí và cặn nhớ sinh ra [22] ....................................................17 Bảng 3.3 Hàm lượng cặn nhớ [22] ....................................................................18 Bảng 3.5 Thành phàn hợp kim ADC12 : ............................................................31 Hình 3.15 Tổ chức nhánh cây α-Al hợp kim ADC12[29]...................................33 Bảng 4.1 Kích thước mẫu xốp ............................................................................36 Bảng 4.2 Tính chất vật lý của hợp kim[33] ........................................................37 Bảng 4.3 Một số dung môi thông dụng:[34] ......................................................38 Bảng 4.4 Nồng độ cho phép của một số dung môi phổ biến: [34] .....................39 Bảng 4.6 Tóm tắc thiết bị dùng trong đúc mẫu hóa khí .....................................41 Bảng 4.7 Thiết bị dùng trong thí nghiệm soi kim tương .....................................46 Bảng 4.8 Thông số độ nhớt và thời gian nhúng: ................................................52 Bảng 4.9 Giá trị thông số rung trong các thí nghiêm: ......................................53 Bảng 4.10 Các thông số cố định ........................................................................54 Bảng 5.1 Kích thước hạt mẫu không rung D m : ..........................................62 Bảng 5.2 Kích thước hạt mẫu rung (MR) D,µm .................................................63 Bảng 5.3 Kết quả phân tích độ điền đầy của thí nghiêm: ..................................66 Bảng 5.4 Kích thước hạt Mẫu 1 D(µm): ...........................................................67 Bảng 5.5 Kích thước hạt Mẫu 2 D(µm) ..............................................................68 Bảng 5.6 Kích thước hạt mẫu 3 D(µm): ............................................................69 Bảng 5.7 Kích thước hạt mẫu 4 D(µm): .............................................................71 Bảng 5.8 Kích thước Mẫu 5 D(µm) ....................................................................73 Bảng 5.9 Kích thước hạt Mẫu 6 D(µm) : ...........................................................75 Bảng 5.10 Kích thước hạt mẫu 7 D(µm): ...........................................................76 Hình 5.32 Ảnh Mẫu 8 phân tích bằng ImageJ....................................................77 Bảng 5.11 Kích thước hạt Mẫu 8 D(µm): ..........................................................78 Bảng 5.12 Thay đổi kích thước hạt dưới ảnh hưởng của rung: .........................78 7 1. Chương 1: MỞ DẦU Đại cương về các phương pháp đúc: Định nghĩa: Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn có hình dạng và kích thước xác định. Sau khi kim loại lỏng đông đặc trong khuôn ta thu được vật đức có hình dạng giống với khuôn đúc.[1] 1.1. Nếu sản phẩm đúc đưa ra sử dụng ngay mà không cần gia công cơ khí thì gọi là chi tiết đúc, còn nếu sản phẩm phải qua gia công cơ khí: cắt gọt, gia công áp lực… để có được các tính chất theo yêu cầu sử dụng thì gọi là phôi đúc. [1] Mọi vật liệu như: gang, thép, hợp kim màu, vật liệu phi kim khi nấu chảy đều đúc được. Có thể tạo ra các chi tiết lớn và phức tạp mà các phương pháp khác không đáp ứng được. Đúc có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế. Tuy nhiên ở nước ta vẫn chưa khai thác hết tiềm năng của nó như: các lợi ích trong công nghiệp phụ trợ…[1] Các phương pháp đúc hiện nay có thể chia thành hai nhóm: Nhóm có mặt phân khuôn: đúc khuôn cát sét, cát nước thủy tinh, các nhựa, đúc khuôn kim loại, đúc áp lực… Nhóm không có mặt phân khuôn (đúc khuôn đầy): đúc mẫu chảy, đúc mẫu hóa khí… Các phương pháp đúc trong khuôn có mặt phân khuôn vẫn chiếm ưu thế trong sản xuất đúc hiện nay do có nhiều ưu điểm và sự quen thuộc trong sản suất. Đặc biệt là đúc trong khuôn cát sét, là công nghệ đầu tiên và được sử dụng rộng rãi từ hàng ngàn năm qua. Tuy nhiên các phương pháp đúc có mặt phân khuôn đều có nhược điểm quan trọng là rất khó khăn trong việc xác định được mặt phân mẫu, chiều lấy mẫu hoặc vật đúc ra khỏi khuôn các vật đúc phức tạp. Nhược điểm về công nghệ rất khó khắc phục khác trong công nghệ đúc có mặt phân khuôn sử dụng vật liệu làm khuôn bằng cát và chất dính, là sự sai lệch giữa các hòm khuôn trong quá trình ráp khuôn. Do các nhược điểm trên mà phương pháp đúc không mặt phân khuôn đã ra đời và đươc ứng dụng ngày càng rộng rãi như: đúc mẫu chảy, đúc mẫu hóa khí. Đặc biệt là đúc mẫu hóa khí có tiềm năng rất lớn so với phương pháp kia do tính năng suất và tính kinh tế cao của nó. 1 1.2. Giới thiệu về đúc mẫu hóa khí: 1.2.1. Lịch sử ra đời: Công nghệ đúc mẫu hóa khí (lost foam casting-LFC) còn có nhiều cái tên khác như: evaporative pattern casting, cavityless casting, evaporative foam casting, khuôn đầy (full mold), Styrocast, Foamcast, Styrocast, Policast, foam vaporisation casting…[2] Người đã phát minh ra phương pháp dùng mẫu làm bằng xốp cho đúc kim loại là H.F. Shroyer khoảng năm 1950 và ông đã nhận được bằng phát minh vào ngày 15 tháng 4 năm 1958. Theo phương pháp này, mẫu được làm từ khối vật liệu expanded polystyrene (EPS) dùng khuôn cát tươi có chất kết dính. Mẫu xốp đóng vai trò hóc khuôn như phương pháp đúc khuôn cát sét. Khi rót kim loại vào khuôn, dưới sức nóng của kim loại lỏng, mẫu xốp bị phân hủy và mất đi, kim loại lỏng thay thế vị trí của mẫu và đông đặc tạo ra vật đúc có hình dạng như mẫu xốp bang đầu. Phương pháp này được gọi tên là đúc khuôn đầy (full mould process).[2][3] Năm 1961, công ty công ty Grunzweig và Hartmann (Đức) mua bản quyền công nghệ này và cải tiến để đến năm 1962 đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế, do sử dụng khuôn cát tươi có chất dính đã làm cản trở việc thoát khí từ quá trình phân hủy mẫu xốp. Khí sẽ bị “kẹt” trong lòng kim loại lỏng dẫn tới các khuyết tật đúc như: bọt khí, rỗ khí, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng vật đúc.[4] Năm 1964, M.C. Flemmings đã sử dụng cát không chất dính để làm khuôn cho phương pháp này, cải tiến này đã cải thiện đáng kể chất lượng vật đúc và phương pháp này chính thức có tên là lost foam casting (LFC). Với mẫu xốp được làm từ các hạt nhựa polystyrene.[2] 1.2.2. Nguyên lý và quy trình chung của LFC: a. Nguyên lý: Nguyên lý của phương pháp đúc này là lợi dụng tính dễ tạo hình thành mẫu, dễ hóa hơi của vật liệu xốp khi tiếp xúc với kim loại lỏng để tạo ra vật đúc.[3] b. Quy trình chung của phương pháp: Công nghệ đúc mẫu hóa khí gồm các bước cơ bản như sau: 2 Bước 1: Chế tạo mẫu, mẫu có thể chế tạo liền khối bằng cách ép khuôn các hạt nhựa, hoặc ráp lại từ những mẫu xốp nhỏ, sau đó mẫu được sơn bằng chất sơn mẫu và làm khô.[2] Bước 2: Đặt mẫu vào hòm khuôn, cho cát đầy khuôn và rung lèn chặt cát. Chế độ rung hợp lý nhầm tạo độ bền vừa phải cho khuôn nhưng không quá chặt tránh hiện tượng khí phát sinh không thoát ra đươc.[2] Bước 3: Rót kim loại lỏng vào khuôn và chờ vật đúc đông đặc. Trong quá trình rót kìm loại vào khuôn, mẫu xốp bị phân hủy tạo ra các sản phẩm khác nhau, một số ngưng tựu tạo ra cặn nhớt, một số khác hóa hơi và thoát ra ngoài qua các lỗ nhỏ trên bề mặt sơn mẫu và đi vào cát làm khuôn. Lượng khí sinh ra quá nhiều và không thoát kịp qua lớp sơn mẫu có thể tạo áp lực lên kim loai lỏng làm giảm độ diền đầy khuôn, hoặc có thể làm bắn tóe kim loại, phá hủy khuôn… Để giúp khí thoát ra dễ dàng có thể sử dụng chân không. Tuy nhiên, chân không quá lớn có thể làm cháy dính cát làm giảm chất lượng vật đúc. [2] Bươc 4: Phá khuôn, tách vật đúc ra khỏi cát, làm sạch và hoàn thành. 1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của đúc mẫu hóa khí a. Ưu điểm: Tiết kiệm thời gian trong khâu chuẩn bị sản xuất, có năng suất cao hơn các phương đúc truyền thống. Giảm chi phí cho khâu chuẩn bị nguyên liệu, chế tạo khuôn, tránh hiện tượng bavia do không có mặt phân khuôn.[3] Mẫu nhẹ, rẻ tiền, để tạo hình. Với mẫu nhỏ: sản xuất hàng loạt bằng phường pháp ép trong khuôn kim loại ở 200-250oC. Với mẫu lớn, phức tạp không thể ép trong khuôn thì có thể chế tạo từng bộ phận nhỏ của mẫu bằng cách dùng dây điện trở nung đỏ sau đó dán lại bằng keo chuyên dụng hoặc nhiệt.[3] Không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn, không cần dùng hai hay nhiều hòm khuôn và các thao tác liên quan.[3] Quá trình thiết kế đơn giản do không cần dùng rãnh dẫn. Đúc các chi tiết phức tạp, khó tiềm được mặt phân mẫu một cách dễ dàng vì không có mặt phân khuôn.[3] Về nguyên tắc, có thể đúc các vật đúc có kích thước và hình dạng bất kỳ, không bị hạn chế (đã đúc được các vật đúc lên đến 20 tấn).[3] Không cần ruột và đầu gác ruột đối với các vật đúc phức tạp.[3] 3 Vật đúc không bị các vấn đề về lệch khuôn, hỗn hợp làm khuôn… Lượng dư gia công ít, độ chính xác cao hơn các phương pháp đúc truyền thống.[3] Phương pháp không cần sử dụng chất dính nên cát không bị nhiễm bẩn, do đó có thể tái sử dụng nhiều lần. Khí sinh ra do quá trình phân hủy xốp được thu lại qua hút chân không nên giảm gây ô nhiễm trường và tác hại đến công nhân.[3] Có thể sử dụng cho mọi loại hình sản xuất: đơn chiếc, loạt nhỏ, hàng loạt.[3] Có thể đúc tất cả các hợp kim và kim loại, đắc biệt là thép và gang, do nhiệt độ rót cao mẫu xốp phân hủy nhanh và chuyển gần như hoàn toàn thành khí. Điều này giúp việc thót các chất phân hủy ra ngoài lớp sơn mẫu dễ dàng.[3] b. Nhược điểm: Cần có thiết bị bị đúc chuyên dùng (tuy nhiên chi phí đầu tư vẫn thấp hơn nhiều phương pháp khác).[3] Hộp mẫu dùng để ép mẫu xốp đắt tiền.[3] Cần có thời gian chuẩn bị dài để có thể sản xuât chi tiết mới.[3] Có thể gặp một số vấn đề khi đúc hợp kim có hàm lượng cacbon thắp. Tuy nhiên, vấn đề này đã có nhiều cách khắc phục.[3] 1.2.4. Xu hướng phát triển: Giữa năm 1950 và 1990, phương pháp hầu như không có sự phát triển. Theo tính toán, phương pháp này chỉ đóng góp 1% sản lượng đúc thép và gang, 5% sản lương đúc nhôm.[5] Từ năm 1990, phương pháp này đã có bước phát triển đáng kể trong việc ứng dụng và triển vọng rất khả quan. Theo mong đợi thì đên năm 2010, sẽ có 29% sản lượng đúc nhôm và 15% sản lượng đúc gang sẽ ứng dụng phương pháp đúc này. Nguyên nhân của sự phát triển này phần lớn là do sự thành công của Hiệp hội đúc trong khuôn mẫu hóa khí (Lost Foam Consortium-LFC) và Hiệp hội đúc Hoa Kỳ (American Foundrymen's Society) trong việc phổ biến kiến thức về phương pháp.[3][5] 4 Hình 1.1 Thị phần đúc mẫu hóa khí trong giai đoạn 1960-2020[5] Theo một nghiên cứu được tiến hành bởi Trung tâm Công nghệ Đúc mẫu hóa khí (Lost Foam Technology Center) của trường dại học Alabama ở Birmingham. Năm 1994, đã có 40,000 tấn chi tiết nhôm được sản xuất bằng phương pháp đúc mẫu hóa khí. Tăng 25% lên 50,000 vào năm 1997. Mong đợi tăng 64% lên tới 82,000 tấn trong năm 2000. Tốc độ của sự tăng trưởng là 105% trong vòng hơn sáu năm.[5] Thặm chí sự mong đợi tăng trưởng trong đúc gang còn cao hơn. Tăng 100% từ năm 1994 đến 1997, từ 20,000 tấn lên đến 40,000 tấn, và hơn gắp đôi đến năm 2000 lên đến 85,000 tấn. Tổng tăng trưởng là 325% trong vòng sáu năm.[5] 1.3. Rung và ứng dụng của rung trong công nghệ đúc: 1.3.1. Vấn đề tinh luyện hạt trong quá trình đúc: Như chúng ta đã biết kích thước hạt trong chi tiết có sự tương quan mật thiết với cơ tính của chi tiết. Các nghiên cứu trước đây đối với các chi tiết kim loại đã chỉ ra rằng: hạt càng nhỏ thì cơ tính càng cao, bao gồm: độ bền kéo, bền uốn, độ cứng, chống mài mòn, ma sát… Do đó, các phương pháp làm nhỏ hạt trong đúc vẫn không ngừng được nghiên cứu và ứng dụng. Mục tiêu của các phương pháp là hạt càng nhỏ càng tốt và chi phí tiêu hao thấp, cũng như thân thiện với môi trường. Các nguyên lý cơ bản để tinh luyện hạt trong quá trình đúc bằng cách cải thiện điều kiện đông đăc:[6]  Tăng tốc độ tạo mầm (n) và số lượng mầm được sinh ra.[6] 5