1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án
Phương pháp đúc thỏi, sau đó cán tạo tấm truyền thống tốn nhiều
thời gian và chi phí, tốc độ nguội thấp nên tổ chức hạt thô to. Nếu đúc
tấm mỏng thì tốc độ nguội cao hơn, vì vậy phương pháp đúc tấm mỏng
ngày càng phát triển trên thế giới.
Như đã biết, có thể tăng cơ tính của hợp kim bằng cách thay đổi
hình thái của tổ chức tế vi hợp kim từ dạng nhánh cây sang dạng cầu.
Ngày này có nhiều phương pháp cầu hóa khác nhau, một trong nhưng
phương pháp đó là phương pháp đúc lưu biến được các nhà khoa học
quan tâm nhiều. Đó là dạng tạo hình vật liệu ở trạng thái hốn hợp rắnlỏng, đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng khá sớm trên thế giới
và sau đó ở Việt Nam, đầu tiên là trong kỹ thuật luyện kim bột, gần đây
là trong kỹ thuật đúc.
Công nghệ đúc lưu biến liên tục là một công nghệ mới và tiên tiến, kết
hợp giữa đúc lưu biến và đúc liên tục, không những tạo ra được sản
phẩm tấm, mà vật đúc chế tạo bằng cách này có chất lượng tốt nhờ có tổ
chức hạt gần cầu, tránh được các khuyết tật đúc, cơ tính và tính công
nghệ được cải thiện.
Nhôm và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp mũi nhọn trên thế giới. Cùng với các loại hợp kim nhôm
đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo (máy bay, ôtô, xe
máy…), nhôm tấm nhẹ, dễ tạo hình, với độ bền kết cấu tốt còn được ứng
dụng nhiều trong ngành xây dựng, thiết kế nội thất và các vật dụng sinh
hoạt, ví dụ như mái vòm, tấm ốp tường, vách cách âm, bọc bảo ôn, chao
đèn, khung bàn ghế, dụng cụ nội trợ, ... Việc nghiên cứu-ứng dụng kỹ
thuật đúc lưu biến-liên tục cho hợp kim nhôm A356 cần thiết và phù
hợp với nhu cầu hình thành một ngành công nghiệp hỗ trợ trong chiến
lược hiện đại hóa ngành chế tạo máy của Việt Nam hiện nay và tương
lai, cũng như với xu hướng phát triển loại vật liệu này nói chung trên thế
giới.
Xuất phát từ đó, hướng “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
công nghệ đúc lưu biến liên tục đến tổ chức và tính chất của hợp kim
nhôm A356” đã được chọn làm đề tài cho luận án NCS.
Mục đích của luận án
- Khảo sát, xác định các thông số cơ bản của quá trình đông đặc của hợp kim
A356 làm cơ sở cho việc nghiên cứu công nghệ đúc lưu biến liên tục.
2
- Xác định thông số công nghệ đúc lưu biến liên tục áp dụng cho hợp
kim nhôm A356 đạt yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánh
cây, kích thước nhỏ mịn và cơ tính được cải thiện.
- Ổn định và triển khai áp dụng công nghệ để chế tạo tấm mỏng từ hợp
kim nhôm đa ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
- Về lý thuyết: Góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết của công nghệ đúc
lưu biến liên tục cho hợp kim A356, làm rõ mối quan hệ giữa các yếu tố
công nghệ, tổ chức tế vi và cơ tính hợp kim.
- Về công nghệ: Đã xác lập và ổn định các thông số công nghệ của
phương pháp đúc lưu biến liên tục để chế tạo tấm mỏng từ hợp kim
nhôm; cũng như ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến sự hình
thành hợp kim bán lỏng, đến tổ chức tế vi và cơ tính hợp kim.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tài liệu tham khảo để hoàn
thiện công nghệ ở quy mô lớn hơn, nhằm áp dụng triển khai sản xuất các
chi tiết từ hợp kim nhôm phục vụ ngành xây dựng như mái vòm, tấm ốp
tường, ốp trần nhà, vách cách âm, ...
Ngoài ra, hợp kim nhôm tấm chế tạo bằng kỹ thuật đúc lưu biến liên
tục, nhờ có các đặc tính nhẹ, dễ tạo hình biến dạng, bền cơ-nhiệt và dẫn
nhiệt tốt còn có thể được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời
sống.
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có về công nghệ bán lỏng của các tác
giả trong và ngoài nước. Lập tổng quan, đánh giá và lựa chọn phương án
(công nghệ, thiết bị, vật liệu) thích hợp cho mục đích luận án.
- Thống kê, tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về đối
tượng vật liệu đã lựa chọn cho nghiên cứu.
- Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và hoàn thiện thiết bị công nghệ và
chế tạo vật liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố thực nghiệm, xác lập quy luật và
so sánh với dự báo lý thuyết và kết quả đã công bố của các tác giả.
- Kiểm tra đánh giá tổ chức tế vi và cơ tính vật liệu.
- Tổng hợp, xử lý và phân tích kết quả thực nghiệm để xác định bộ số
liệu về các thông số công nghệ nhằm tối ưu hoá quá trình.
Những điểm mới của luận án
3
- Đã ứng dụng kỹ thuật đo 2 điểm và quy tắc đòn bẩy không cân bằng để xác định
các thông số quan trọng của quá trình đông đặc như tỷ phần pha rắn, tốc độ nguội,
tốc độ đông đặc.
- Đã phát hiện sự đổi dấu của tốc độ nguội khi đúc lưu biến chứng tỏ có sự tạo
mầm mãnh liệt.
- Đã mô phỏng quá trình đúc lưu biến - liên tục theo 2 giai đoạn (tĩnh và động),
nhờ đó các kết quả mô phỏng là cơ sở tin cậy để hoàn thiện công nghệ.
- Đã phát hiện sự phụ thuộc rõ rệt của tổ chức vào tốc độ nguội trong trường hợp
tấm mỏng (2-5 mm).
- Đã phát hiện sự sai khác không đáng kể về cơ tính theo chiều ngang và chiều
dọc tấm, chứng tỏ hướng truyền nhiệt chính là về phía các con lăn.
- Cuối cùng, đã thực hiện thành công công nghệ đúc lưu biến liên tục để đúc tấm
mỏng - là công trình nghiên cứu đầu tiên và duy nhất tại Việt nam cho đến thời
điểm này.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1. 1. Công nghệ bán lỏng
Độ nhớt là thông số quan trọng nhất của hợp kim trong công nghệ
bán lỏng và phụ thuộc vào tốc độ cắt và thời gian. Spencer và các cộng
sự là những người đầu tiên phát hiện ra hành vi này trong hợp kim bán
lỏng vào đầu những năm 70 khi khảo sát sự nứt nóng bằng thước đo lưu
biến. 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, làm cho tổ
chức tế vi ở trạng thái bán lỏng bao chỉ gồm các hạt cầu được bao quanh
bởi pha lỏng. Đó chính là tổ chức tế vi cần đạt được trong công nghệ
bán lỏng.
Có 2 họ công nghệ chính là lưu biến (rheo-) và xúc biến (thixo-).
a. Phương pháp đúc lưu biến (rheo-) dùng kỹ thuật khuấy kim loại
lỏng trong khi đông đặc để tạo thành trạng thái sệt (slurry), sau đó đem
rót trực tiếp kim loại lỏng nhão này vào khuôn. Việc khuấy trộn kim loại
chủ yếu nhằm tạo ra một tốc độ trượt rất cao giữa các phần tử và cường
độ dòng xoáy sẽ làm cho các phần tử rắn kết tinh theo dạng hình cầu.
Tuy nhiên, với công nghệ này, kim loại kết tinh trong điều kiện áp suất
bình thường nên chất lượng vật đúc chưa được cải thiện nhiều. Bởi vậy
đã xuất hiện phương pháp đúc lưu biến cải tiến (New Rheocasting NRC). Phương pháp này là sự kết hợp phương pháp đúc ép thẳng đứng
truyền thống với phương pháp gia công kim loại lỏng để chế tạo kim
loại có cấu trúc dạng cầu.
4
Nguyên lý cơ bản của phương pháp là
Nấu chảy hợp kim, tinh luyện, biến tính.
Rót hợp kim vào nồi chứa có kích thước tương tự như xylanh ép của
máy đúc áp lực. Làm nguội có điều kiện nhiệt độ kim loại trong nồi
chứa để tạo trạng thái bán lỏng và tổ chức kim loại hình cầu/gần cầu.
Gia nhiệt nồi chứa đến nhiệt độ thích hợp để tạo thành trạng thái bán
lỏng và giữ ở nhiệt độ này.
Rót kim loại vào xylanh máy ép áp lực cao để chế tạo chi tiết.
b. Họ công nghệ xúc biến (Thixo-) có:
Đúc xúc biến (Thixocasting): Hợp kim ban đầu ở trạng thái rắn được
xử lý sao cho khi đạt được trạng thái bán lỏng thì tổ chức của nó là phi
nhánh cây. Khi “rót” vào khuôn thì tỷ phần pha rắn là khoảng 50 %.
Tạo hình xúc biến (Thixoforming) là một phương pháp trong đó vật
liệu phù hợp được nung tới trạng thái bán lỏng và được ép vào khuôn.
Thông thường tỷ phần pha lỏng chiếm 30-50 % trước khi được ép.
Dập xúc biến (Thixoforging) là một quá trình mà ở đó phôi thích hợp
được nung tới trạng thái bán lỏng và được đặt giữa hai nửa khuôn. Hai
nửa khuôn sau đó được ép vào nhau bởi một búa thuỷ động. Sự điền đầy
khuôn trực tiếp như vậy sẽ cho phép tiết kiệm nguyên liệu do không cần
có hệ thống rót.
1. 2. Công nghệ đúc lưu biến
1.2.1. Cơ sở lý thuyết
Trong chất lỏng Newton, ứng
suất cắt tỷ lệ thuận với tốc độ
cắt , và hệ số tỷ lệ là độ nhớt
. Chất lỏng xúc biến
(thixotropic) là chất lỏng phi
Newton, tức là ứng suất cắt
Hình 1.9. Quan hệ giữa tốc độ
không tỷ lệ thuận với tốc độ cắt.
cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt
Độ nhớt khi đó được gọi là độ
biểu kiến [28]
nhớt biểu kiến và phụ thuộc vào
tốc độ cắt và tỷ phần pha rắn
(hình 1.9). Một số chất lỏng phi tuyến bộc lộ tính đàn nhớt, tức là chúng
tích trữ một năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi. Vật liệu xúc
biến 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 1.10).
5
Khi đó:
y k ;
(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:
y k n ;
(1.2)
trong đó y là ứng suất chảy tĩnh; n là tham số.
n
Mô hình Herchel-Bulkley y k được sử dụng để mô tả các
chất lỏng không có điểm chảy dẻo (yield point) và thể hiện mối tương
quan về năng lượng giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt . Nếu số mũ là 1
thì sẽ dẫn đến biểu thức cho chất lỏng Newton với hằng số k bằng độ
nhớt .
Ở hình 1.9, độ nhớt giảm đi
khi tốc độ cắt tăng, vật liệu chịu
cắt (shear thinning materials,)
sẽ có giá trị n nhỏ hơn 1. Nếu
độ nhớt tăng lên khi tốc độ cắt
tăng, vật liệu chịu cắt (shear
thickening materials) sẽ có n
lớn hơn 1.
Vật liệu xúc biến chủ yếu là
loại vật liệu có độ nhớt giảm
khi chịu cắt, độ nhớt tăng trở lại
khi được giữ ở trạng thái tĩnh.
Người ta cho rằng khi tốc độ
cắt rất cao và rất thấp thì chất
Hình 1.10. Quan hệ ứng suất cắt-tốc
lỏng xúc biến trở thành chất
độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với
lỏng Newton. Điều này được
một số dạng hành vi lưu biến [28]
thể hiện ở mô hình Cross (hình
Phi Newton
Vật liệu
Newton
Phi Newton
Phi Newton
Phi Newton
1.12):
0
n
1 k
(1.3)
mà ở đó khi 0, 0 và khi , . Hình 1.12 cho
thấy các số liệu nhận được từ một số nghiên cứu cho hợp kim Sn-15%
Pb với các tỷ phần pha rắn khác nhau.
6
Hình 1.12. Mô
hình Cross phù
hợp với độ nhớt
biểu kiến của
hợp kim Sn15% Pb theo
các tác giả khác
nhau [27]
Độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ. Đối với chất lỏng Newton
(ví dụ lưới chất lỏng trong khối nhão bán lỏng), độ nhớt giảm khi nhiệt
độ tăng. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới tổ chức tế vi. Như vậy, trong khối
nhão bán lỏng, tỷ phần pha rắn giảm khi nhiệt độ tăng, hậu quả là ảnh
hưởng tới độ nhớt. Thêm vào đó, tổ chức tế vi sẽ trở nên thô hơn do
khuếch tán khi nhiệt độ tăng.
1.2.2. Một số công nghệ đúc lưu biến
a. Đúc gần nhiệt độ đường lỏng
b. Phương pháp “đúc lưu biến mới” (New Rheocasting - NRC)
c. Phương pháp nhiệt trưc tiếp (Direct thermal method)
d. Phương pháp H-NCM
1.3. Công nghệ đúc lưu biến liên tục
Hiện nay có nhiều công nghệ đúc tấm mỏng khác nhau nhưng công
nghệ đúc lưu biến liên tục được quan tâm nhiều. Đó là công nghệ đúc
gần nhiệt độ đường lỏng.
Phương pháp được lựa chọn là phương pháp nhiệt trực tiếp dùng
máng nghiêng. Phương pháp này có nguyên tắc giống NRC (tạo mầm
ngoại sinh trên trên thành kim loại nguội), song ở đây không sử dụng
thành khuôn mà sử dụng máng nghiêng. Kim loại lỏng được rót vào
khuôn qua máng nghiêng có nước làm nguội chảy qua. Như vậy máng
nghiêng có nước làm nguội sẽ làm tăng tốc độ nguội, tạo tâm mầm kết
tinh dị thể.
Rót qua máng nghiêng là phương pháp đúc lưu biến duy nhất cho một
dòng chảy liên tục đáp ứng công nghệ đúc liên tục. Trong công nghệ
đúc bán lỏng tỉ phần rắn dao động trong khoảng 5-40 %; còn trong
7
phương pháp máng nghiêng tỉ phần rắn thấp hơn 10 % do đặc thù của
quá trình là tạo mầm dị thể.
1.3.1. Cơ sở lý thuyết tạo mầm dị thể
1.3.2. Một số nghiên cứu về đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng làm
nguội trên thế giới
Có thể thấy rằng việc rót qua máng nghiêng đáp ứng được 2 yêu cầu
của quá trình đúc lưu biến liên tục:
- Tạo mầm dị thể,
- Tạo một dòng chảy liên tục.
Nhóm nghiên cứu T. Haga (Nhật Bản) cho rằng máng làm nguội là
thiết bị đơn giản nhất để đúc bán lỏng theo công nghệ lưu biến. Sơ đồ
thiết bị nghiên cứu nêu trên hình 1.29.
Hình 1.29. Sơ đồ thiết bị nghiên cứu của T.Haga [29]
Nhóm tác giả E. Cardoso Legoretta, H. V. Atkinson, H. Jones (Vương
quốc Anh) cũng khảo sát khả năng sử dụng máng nghiêng đối với hợp
kim A356. Sơ đồ thiết bị trình bày trên hình 1.30. Tổ chức đạt được ở
cuối máng làm nguội có dạng cầu tròn, kích thước hạt (60÷70) m,
hàm hình dạng F trong khoảng từ 2 đến 4.
Hình 1.30. Sơ đồ
nghiên cứu và tổ
chức tế vi theo E.
Cardoso Legoretta
[42]
Tác giả Yucel Birol cũng đã nghiên cứu quá trình đúc lưu biến trên
máng nghiêng để tạo hình bán lỏng (thixoforming) cho hợp kim Al-Si
8
sau cùng tinh A390. Chiều dài máng làm nguội 30 cm. Chi tiết không bị
rỗ, độ cứng 144 HB sau khi tôi ở chế độ T6. Hình ảnh thiết bị và tổ chức
tế vi trình bày trên hình 1.31.
Hình 1.31. Thiết
bị và tổ chức
hợp kim trong
nghiên cứu của
Y. Birol [11]
1.3.3. Một số nghiên cứu về đúc lưu biến liên tục sử dụng máng
nghiêng làm nguội
Tác giả T. Haga đã nghiên cứu quá trình đúc tấm nhôm A356 bằng
phương pháp bán lỏng liên tục sử dụng 2 con lăn kích thước như nhau:
đường kính 300 mm, rộng 100 mm. Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi đạt
được trình bày trên hình 1.33.
Hình 1.33. Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi nhận được khi rót hợp kim từ
trạng thái khác nhau của T. Haga [30]. Ảnh trái: rót từ kim loại lỏng,
ảnh phải: rót từ trạng thái bán lỏng
Tác giả T. Haga, H. Sakaguchi, H. Inui, H. Watari và S. Kumai [24]
đã nghiên cứu thiết kế máy đúc lưu biến liên tục hợp kim nhôm Al-16Si
và 6111 với 2 trục quay có đường kính không bằng nhau (250 và 1000
mm, rộng 100 mm).
Các tác giả T. Haga, M. Ikawa, H. Watari, S. Kumai, H. Sakaguchi
[21,54] nghiên cứu khả năng đúc liên tục thẳng đứng tấm nhôm từ hợp
kim 6016 dày 3 và 3,4 mm, rộng 100 mm bằng con lăn với tốc độ cao
(có thể đạt 60 m/phút). Tổ chức tế vi sau nhiệt luyện T4 nhỏ mịn, giới
hạn bền kéo 230-242 MPa, độ giãn dài tương đối 26-33 %.
Các tác giả T. Haga, H. Inui, H. Sakaguchi, H. Watari và S. Kumai
[25] cũng đã nghiên cứu khả năng đúc liên tục thẳng đứng tấm nhôm
9
bằng con lăn từ hợp kim nhôm tái chế A356 và 6063. Kích thước tấm:
dày 3 mm, được kéo với tốc độ 60 m/min.
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG 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. Hợp kim A356 có thành phần như trong bảng 2.1
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của hợp kim A356
Ng. tố
%
Cu
0,2
Mg
0,25-0,45
Mn
0,1
Si
6,5-7,5
Fe
0,2
Zn
0,1
Ti
0,2
2.2. Phương pháp nghiên cứu
-
Đo ghi nhiệt độ tự động
Phân tích nhiệt vi sai
Kỹ thuật đo ghi 2 điểm
Mô phỏng số
Nghiên cứu thực nghiệm
Hiển vi quang học
Hiển vi điện tử quét (SEM)
Kiểm tra cơ tính
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CƠ BẢN
VỀ HỢP KIM NHÔM A356
3.1. Kỹ thuật thực nghiệm
3.1.1. Nấu luyện và xử lý hợp kim
Quy trình nấu luyện gồm: sấy nhôm và dụng cụ, nấu chảy hợp kim
nhôm, khử khí, tinh luyện, vớt xỉ và che phủ, sục khí N2 (Ar), rót ở
các nhiệt độ 625, 650, 675 và 700 oC.
3.2. Xác định nhiệt độ đường lỏng và rắn hợp kim A356
3.2.1. Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và theo giản đồ pha.
3.2.2. Kết quả và thảo luận
10
a. Kết quả phân tích nhiệt vi sai
- Nhiệt độ đường rắn TS = 545 oC
- Nhiệt độ đường lỏng TL = 616 oC
- Khoảng nhiệt độ kết tinh Tn = 71 oC
b. Kết quả xác định theo giản đồ pha
- Nhiệt độ đường rắn TS = 553 oC
- Nhiệt độ đường lỏng TL = 615 oC
- Khoảng nhiệt độ kết tinh Tn = 62 oC
3.3. Xác định tỷ phần pha rắn
3.3.1. Phương pháp xác định tỷ phần pha rắn khi đông đặc
a. Trường hợp đông đặc cân bằng
C C0
fS L
CL CS
- Tại nhiệt độ 635 oC: fS = 0 %
- Tại nhiệt độ 610 oC: fS = 12 %
- Tại nhiệt độ 585 oC: fS = 47 %.
(3.2)
b. Trường hợp đông đặc không cân bằng
T TL
f S 1 m
Tm T
1 / 1 k
(3.4)
- Tại nhiệt độ 610 oC: fS = 11 %
- Tại nhiệt độ 585 oC: fS = 44 %
- Tại nhiệt độ 505 oC: fS = 76 %.
c. Xác định tỷ phần pha rắn theo đường nhiệt độ thực tế
Hợp kim đạt được cùng một tỷ phần pha rắn (75 %) ở những thời gian
khác nhau: nhiệt độ rót càng cao quãng thời gian đó càng dài: 44, 53 và
123 s ứng với nhiệt độ rót lần lượt là 625, 650 và 675 oC. Ngoài ra, có
thể thấy rằng tỷ phần pha rắn tăng rất nhanh ở giai đoạn đầu, sau đó tăng
chậm ở giai đoạn sau. Đây là điều cần chú ý khi nghiên cứu công nghệ
bán lỏng.
3.4. Xác định tốc độ nguội và tốc độ đông đặc của hợp kim A356
3.4.1. Đường cong nguội và tốc độ nguội của hợp kim
11
Tốc độ nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian. Quá trình nguội
chậm (cân bằng) có tốc độ nguội 0. Quá trình nguội nhanh có tốc độ
nguội > 103 độ/s. Tốc độ nguội được ký hiệu là dT/dt [độ/s].
a. Đo ghi đường cong nguội bằng thiết bị TempScan (Omega-Mỹ)
Hình 3.19. Kết quả đo
nhiệt độ cho hơp kim
A356 và 6061 cùng chế
độ công nghệ
Hình 3.20. Tốc độ
nguội của hợp kim
A356 điền đầy khuôn ở
nhiệt độ bán lỏng
Tốc độ nguội cực đại ( -15 độ/s) đạt được khi kim loại bắt đầu tiếp
xúc với khuôn nguội, sau đó giảm dần do khuôn bị nóng lên. Khi mầm
kết tinh được hình thành, do ẩn nhiệt kết tinh toả ra mạnh nên nhiệt độ
tăng (hình 3.19, 3.20). Tốc độ nguội chịu ảnh hưởng khá rõ rệt của các
thông số công nghệ.
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ rót
- Ở Trót = 625 oC chênh lệch nhiệt độ ở tâm và thành khuôn (trung bình
100 oC) lớn hơn nhiều so với khi rót ở 675 oC (trung bình 30 oC), do đó
mầm được tạo ra nhiều hơn trường hợp Trót = 625 oC khiến nhiệt độ
giảm chậm do tỏa ẩn nhiệt kết tinh.
- Ở Trót = 625 oC trong khoảng từ 20 đến 35 s tốc độ nguội đã đổi dấu
và có giá trị dương, với giá trị tối đa 0,4 độ/s, chứng tỏ nhiệt độ kim
loại lỏng đã tăng trở lại.
- Tốc độ nguội tối đa (dT/dt)max không vượt quá 1 độ/s.
c. Ảnh hưởng của thời gian làm nguội
Ở trường hợp góc nghiêng của máng là 60o, thời gian tiếp xúc ngắn,
do kim loại chảy nhanh hơn so với góc nghiêng của máng là 45o. Bởi
12
vậy, tuy mầm có được tạo ra nhưng cũng chỉ đủ để duy trì tốc độ nguội
bằng 0. Nếu xét tới khả năng bám dính của kim loại lỏng trên máng làm
nguội thì việc chọn góc nghiêng của máng là 60o sẽ là hợp lý.
Việc tạo mầm trên máng làm nguội xảy ra mãnh liệt khi nhiệt độ rót
đủ thấp và được phản ánh ở việc tốc độ nguội đổi dấu từ âm sang dương
(nhiệt độ tăng) hoặc duy trì không đổi ( 0) một khoảng thời gian dài.
Điều này không quan sát thấy khi nhiệt độ rót cao, tốc độ nguội luôn có
giá trị âm.
3.4.2. Tốc độ đông đặc
- Tốc độ nguội của hợp kim khi chảy qua máng làm nguội là khá cao,
do đó để tính tỷ phần pha rắn, fS, cần phải dùng phuơng trình Sheil (hay
còn gọi là quy tắc đòn bẩy không cân bằng).
- Tốc độ nguội có thể đổi dấu (nhiệt độ tăng trở lại và đạt giá trị dương)
nếu quá trình tạo mầm là đủ nhanh, ẩn nhiệt kết tinh tỏa ra đủ lớn để làm
tăng nhiệt độ. Điều này chỉ dạt được trong quá trình đúc bán lỏng và
không quan sát thấy trong trường hợp đúc từ trạng thái lỏng.
- Tốc độ đông đặc cũng có xu hướng giống tốc độ nguội: ở giai đoan
đầu tốc độ đông đặc trong quá trình đúc bán lỏng lớn hơn rất nhiều so
với đúc từ trạng thái lỏng (trong 10 giây đầu tốc độ đông đặc trung bình
trong trường hợp rót ở 650 oC là 3,8 %.s-1, còn khi rót ở 675 oC là 1,25
%.s-1).
CHƯƠNG 4.
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC
4.1. Thiết bị nghiên cứu
Thiết bị đúc lưu biến liên tục gồm các bộ phận chính sau đây: cụm
đúc lưu biến, cụm ổn nhiệt, cụm đúc liên tục, băng lăn đỡ sản phẩm, tủ
điều khiển.
4.2. Mô phỏng quá trình đông đặc của hợp kim A356 trong công
nghệ đúc lưu biến liên tục
Đã sử dụng mô hình dòng chảy và phương pháp tính toán động lực
học chất lỏng. Các phần mềm mô phỏng đã sử dụng là:
- Phần mềm ABAQUS
- Phần mềm FLUENT
- Phần mềm GAMBIT
4.2.4. Thiết lập mô hình công nghệ
a. Xây dựng mô hình và chia lưới
13
- Giai đoạn đúc lưu biến (mô hình tĩnh): Là giai đoạn đầu tiên của quá
trình với giả thiết kim loại được chảy từ nồi rót xuống đầy thùng chứa
và tiếp xúc với con lăn làm nguội (hình 4.12b).
- Giai đoạn đúc liên tục (mô hình động): Là giai đoạn đã xác định được
chiều dày lớp đông đặc của kim loại sao cho con lăn bắt đầu chuyển
động mà không làm sai hỏng sản phẩm đầu ra là tấm mỏng kim loại
(hình 4.13).
Mô hình hình học và chia lưới trên phần mềm ABAQUS
Hình 4.12b. Mô hình
chia lưới Abaqus
Mô hình hình học và chia lưới trên GAMBIT
Hình 4.13. Mô hình
chia lưới Gambit
b. Mô hình vật liệu
c. Thông số công nghệ và truyền nhiệt
Giai đoạn đúc lưu biến
- Nhiệt độ kim loại trong bể chứa: (nhiệt độ kim loại ở đầu vào):
Tđv = 878 K (605 oC) và 903 K (630 oC)
- Nhiệt độ môi trường: 303 K (30 oC)
- Nhiệt độ ban đầu của con lăn làm nguội: Tcl =303 K (30 oC)
Giai đoạn đúc liên tục
- Nhiệt độ con lăn làm nguội: Tcl =393 K (120 oC)
- Nhiệt độ thùng graphit: 873 K (600 oC) và 753 K (480 oC)
14
4.2.5. Kết quả mô phỏng và thảo luận
a. Giai đoạn đúc lưu biến (trở nhiệt lí tưởng)
Khi nghiên cứu quá trình công nghệ đúc ở giai đoạn đầu, tức là
chưa xét đến tốc độ của con lăn, có thể thấy quá trình kết tinh xảy ra như
ở các phương pháp đúc thông thường. Khi rót kim loại vào khuôn, ban
đầu kim loại chưa kết tinh, nhiệt độ bằng nhiệt độ rót, nhưng sau một
thời gian nhất định, do quá trình trao đổi nhiệt, kim loại bắt đầu kết tinh
từ vùng biên vào bên trong vật đúc (hình 4.14b).
Hình 4.14b. Trường nhiệt độ
phân bố trong khoảng (0,1
đến 3,1s), tỷ phần pha lỏng
(2,9 đến 3,1 s) và đường
nguội theo mặt cắt ngang
trong vùng bán lỏng (tại các
điểm 1,2,3,4 và 5 tính từ tâm
vật đúc):
Tđv = 630 oC,
Tcl = 120 oC
b. Giai đoạn đúc liên tục (kéo tấm)
Phân bố nhiệt độ với các tốc độ
đúc khác nhau
Kết quả mô phỏng cho thấy để
định hình tấm nhôm tốc độ kéo là
khá chậm (0,65 ÷ 1,3 m/ph), có thể
do quá trình mô phỏng được thực
hiện với tấm khá dầy (5 mm) và
nhiệt độ bể chứa kim loại là rất cao
(600 oC).
Tỷ phần pha với tốc độ đúc
khác nhau
Với tốc độ v = 0,65 m/ph, tức
tốc độ con lăn rất nhỏ, kim loại kết
tinh rất nhanh, do tỷ phần pha lỏng
giảm nhiều, đặc biệt tại biên và đầu
Hình 4.17. Tỉ phần pha lỏng tại
các tốc độ con lăn khác nhau
15
ra vật đúc, nằm trong khoảng (0,25 ÷ 0,10) trong khi tại vị trí tâm vật
đúc kim loại vẫn ở trạng thái bán lỏng.
Khi tăng tốc độ lên gấp đôi v = 1,3 m/ph, trường phân bố nhiệt độ
tương tự. Tuy nhiên tỷ phần pha lỏng giảm chậm hơn so với v = 0,65
m/ph.
Nếu tốc độ lớn hơn nữa v = (2,6; 3,9; 6,5) m/ph thấy rằng tỷ phần pha
lỏng giảm không đáng kể, sự kết tinh chỉ xảy ra chậm hơn với tốc độ
nhỏ, do tỷ phần pha lỏng còn lớn (hình 4.17).
Phân bố nhiệt độ và tỷ phần pha tại các mặt cắt
Quan sát các mặt cắt trên thấy rằng với tốc độ kéo rất nhỏ, v = 0,65
m/ph, thời gian kim loại tiếp xúc với con lăn lớn (khoảng 10 s), tốc độ
nguội cao nên ở đầu ra nhiệt độ giảm mạnh nhất, khi đó tấm kim loại tạo
ra ít dính bám, nhưng do tốc độ nguội lớn (nguội nhanh) nên dạng nhánh
cây dễ hình thành và cũng dễ tạo ra thiên tích. Nếu chọn tốc độ đúc lớn
(v = 6,5 m/ph) thì tốc độ nguội chậm hơn, tỷ phần pha lỏng tại đầu ra rất
lớn, khi đó kim loại ra khỏi con lăn có thể còn chảy lỏng, dễ bám dính
và không thể tạo hình thành dạng tấm.
4.3. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình đông đặc của hợp kim A356
trong công nghệ đúc lưu biến liên tục
4.3.1. Quy trình nấu - đúc lưu biến liên tục
4.3.2. Khảo sát các thông số công nghệ
a. Nhiệt độ bể chứa kim loại
Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ hợp lý của bể kim loại lỏng nằm
trong khoảng (450 ÷ 470) oC đối với tấm dày 2 mm và có thể thấp hơn
(400 oC) trong trường hợp tấm dày 5 mm.
b. Thời gian đông đặc ban đầu (thời gian chờ)
Kết quả nghiên cứu cho thấy quãng thời gian này đối với tấm dày 5
mm không vượt quá 3 s, còn đối với tấm mỏng có thể khởi động con lăn
sau 1 s.
c. Nhiệt độ con lăn làm nguội
Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ của con lăn làm nguội nằm trong
khoảng (110 ÷ 120) oC là phù hợp.
d. Tốc độ kéo
Tốc độ kéo phù hợp nhất sao cho kim loại lỏng đông đặc hoàn toàn tại
vị trí bắt đầu đi qua con lăn làm nguội. Tại thời điểm đó nhiệt độ của
hợp kim còn khá cao và độ bền thấp, nếu chưa đông đặc hoàn toàn có
thể bị đứt hoặc bị tách lớp.
16
Các thông số công nghệ cơ bản khi đúc lưu biến tạo tấm cho trong
bảng 4.3. Các tấm hợp kim sau đúc có kích thước đồng đều và chất
lượng bề mặt tốt (hình 4.27).
Bảng 4.3. Các thông số công nghệ chính trong đúc lưu biến tạo tấm
Hợp kim A356
Chiều
dày
tấm,
mm
Nhiệt độ
kéo, oC
Nhiệt độ
bể kim
loại, oC
Nhiệt độ
con lăn, oC
Tốc độ
kéo, m/ph
Thời
gian
chờ, s
2
630 - 635
470
115
19 - 20
1,5
3
625 - 630
450
110
17 - 18
2,0
4
605 - 615
430
110
16 - 17
2,5
5
590 - 600
400
100 - 110
11 - 13
3,0
Hình 4.27. Hình ảnh tấm hợp kim A356
sau đúc lưu biến liên tục có bề mặt nhẵn
17
CHƯƠNG 5. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC ĐẾN TỔ CHỨC VÀ
CƠ TÍNH CỦA HỢP KIM A356
5.1. Tổ chức tế vi
5.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ rót (Trót = 625, 650, 675 oC, L = 300
mm, α = 45o)
Khi nhiệt độ rót quá cao (675 oC) hoặc quá thấp (625 oC) so với nhiệt
độ đường lỏng, nhận được tổ chức nhánh cây (hình 5.2 và 5.4). Còn ở
nhiệt độ rót trung bình (650 oC): tổ chức hạt cầu, mịn, đồng đều ( 3040 m) (hình 5.3).
Hình 5.2. Ảnh hiển vi
điện tử quét tổ chức
tế vi mẫu 675-45-300.
Không phát hiện thấy
các hạt cầu.
Hình 5.3. Ảnh hiển vi Hình 5.4. Ảnh hiển vi
điện tử quét tổ chức điện tử quét tổ chức
tế vi mẫu 650-45-300. tế vi mẫu 625-45Tổ chức hạt cầu, kích 300. Không phát hiện
thước tương đối đều
thấy các hạt cầu.
( 20-30 m).
5.1.2. Ảnh hưởng của thời gian kim loại “lưu trú” trên máng làm
nguội
a. Ảnh hưởng của chiều dài máng làm nguội
Trót = 675 oC, L = 200 và 300 mm, α = 45o
a)
b)
L = 200 mm
L = 300 mm
Hình 5.8. Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi rót ở 675 oC các mẫu:
a) 675-45-200, b) 675-45-300
18
Ở nhiệt độ cao (675 oC) thì tổ chức nhận được luôn là nhánh cây
(hình 5.2 và 5.8). Chiều dài máng làm nguội trong khoảng khảo sát là
(200 ÷ 300) mm không có ý nghĩa, vì ngay cả khi đã đi qua máng 300
mm thì nhiệt độ kim loại vẫn chưa giảm đến nhiệt độ tạo mầm. Việc
tăng chiều dài máng làm nguội hơn nữa (> 300 mm) có thể dẫn tới tình
trạng kim loại bị bám dính trên máng.
Trót = 650 oC, L = 200 và 300 mm, α = 45o
b)
L = 300 mm
L = 200 mm
Hình 5.9. Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi rót ở 650 oC các mẫu:
a) 650-45-200, b) 650-45-300
Khi chiều dài làm nguội là 200 mm (hình 5.9a) hạt tuy đã có dạng
phi nhánh cây nhưng hơi thô và không đều, thậm chí còn có thể sót lại
nhánh cây (mũi tên). Còn với chiều dài máng là 300 mm thì tổ chức hạt
trở nên nhỏ mịn và đồng đều hơn (hình 5.4 và 5.9b), chứng tỏ chiều dài
máng làm nguội là phù hợp và thời gian tạo mầm dị thể là đủ để chúng
hình thành và phân bố đều trong kim loại. Kích thước hạt nằm trong
khoảng (20 ÷ 30) m.
a)
T = 625 oC, L = 200 và 300 mm, α = 45o
Với nhiệt độ rót thấp hơn (625 oC) và chiều dài máng là 200 mm tổ
chức dạng phi nhánh cây. Còn chiều dài máng là 300 mm thì lại quá dài
khiến tổ chức mạng nhánh cây được hình thành đã trở nên khá vững
chắc và tổ chức nhận được có dạng nhánh cây.
Để đánh giá độ cầu hóa của hạt cần sử dụng thông số hình dạng. Các
thông số hình dạng được định nghĩa là F = p2/(4.S), trong đó p là chu
vi/đường bao và S là diện tích của hình bao.
Hiệu quả cầu hóa tổ chức tốt nhất ở nhiệt độ rót 650 oC (1 < F <
1,5), sau đó là ở 625 oC (1,5 < F < 2,6) và kém hơn cả là ở 675 oC (3 <
F < 3,5). Ngoài ra, máng ngắn (200 mm) cho hiệu quả cầu hóa cao hơn
máng dài (300 mm) ở cả 625 và 675 oC; trong khi ở 650 oC chiều dài
máng ít ảnh hưởng đến việc cầu hóa.
19
b. Ảnh hưởng của góc nghiêng máng
α = 60o
α = 45o
Hình 5.13. Ảnh hiển vi điện tử quét:
mẫu 650-60-300 (trái) và mẫu 650-45-300 (phải)
Ở góc nghiêng 45o thời gian tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại lỏng và
máng là đủ lâu nên tổ chức kim loại nhận được có dạng cầu khá đều với
kích thước (20 ÷ 30) m. Khi góc nghiêng của máng tăng tới 60o thì thời
gian tiếp xúc của kim loại lỏng với máng không đủ để tổ chức cầu hóa
hoàn toàn, mà sẽ là xen lẫn giữa hạt dạng cầu (mũi tên) và nhánh cây
(hình 5.13).
Trên cơ sở phân tích những nghiên cứu như trên có thể suy luận rằng
góc nghiêng của máng 60o là phù hợp để tạo một dòng chảy mạnh đủ
cuốn các mầm kết tinh vào khuôn và tránh được hiện tượng bám dính
kim loại trên máng.
5.1.3. Ảnh hưởng của chiều dày đông đặc (chiều dày tấm)
a. Tấm dày 2 mm
Với mẫu mỏng 2 mm, tốc độ nguội rất cao, tổ chức xen lẫn giữa
dạng nhánh cây và dạng cầu với thông số hình dạng lớn (F 3). Rõ ràng
là tốc độ nguội lớn đã tạo ra hình thái đông đặc cưỡng bức với các
nhánh cây dạng cột được hình thành (hình 5.16).
(a)
Hình 5.16. Tổ chức tế vi của tấm dày 2 mm: (a) Mẫu 119
(635-450-2-11), x200; (b) Mẫu 144 (630-450-4-16), x200
(b)
20
b. Tấm dày 3 mm
(a)
(b)
Hình 5.18. Tổ chức tế vi của tấm dày 3 mm:
Mẫu 255 (630-450-3-7,5): a) x200; b) x500
Với mẫu dày 3 mm, tốc độ nguội giảm, tổ chức có dạng cầu khá rõ
(hình 5.18), hệ số hình dạng giảm xuống (F = 1 ÷ 2), kích thước hạt
trong khoảng (25 ÷ 30) m. Đây chính là dạng tổ chức tế vi mong
muốn.
c. Tấm dầy 5 mm
Có thể thấy tổ chức tế vi có dạng cầu rõ rệt, hệ số hình dạng F < 1,5;
tuy nhiên hạt có thô hơn một chút ( 30 m) so với trường hợp tấm 3
mm, rõ ràng là do tấm dày hơn nên nguội chậm hơn (hình 5.19).
(a)
(b)
Hình 5.19. Tổ chức tế vi của tấm dày 5 mm:
Mẫu 162 (620-400-4-7): a) x200, b) x500
Nhận xét chung
Từ kết quả quan sát tổ chức tế vi các tấm hợp kim nêu trên thấy rằng
các thông số công nghệ cơ bản có ảnh hưởng rõ rệt đến sự hình thành tổ
chức kim loại là:
- Nhiệt độ rót: để đạt được tỷ phần pha rắn như trên thì nhiệt độ rót
phải là 650oC đối với hợp kim A356. Tuy nhiên, trong công nghệ đúc
lưu biến liên tục nhiệt độ rót cần thấp hơn để đảm bảo độ bền của tấm
(không bị đứt khi kéo).
- Chiều dài máng làm nguội: có thể thay đổi trong khoảng (200 ÷ 300)
mm tùy thuộc hợp kim, chiều dày tấm và tốc độ kéo. Chiều dày tấm
càng nhỏ, tốc độ kéo càng cao thì có thể tăng chiều dài máng làm
nguội.
- Xem thêm -
.PDF 
25 
535 
137 
