Tóm tắt luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến áp lực (rheo diecasting) cho hợp kim nhôm a356

1
MỞ ĐẦU
Trong công nghệ đúc áp lực cao, vận tốc dòng chảy cao từ 20-60
m/s, dễ cuốn khí, nên những vị trí có độ dày lớn thường là nơi chứa
các khuyết tật dạng khí. Để ngăn ngừa sự hình thành rỗ khí thì triệt
để nhất là đúc trong chân không, song quá trình này rất tốn kém, đòi
hỏi những thiết bị đắt tiền không phù hợp với thực tế sản xuất.
Khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng thì dòng chảy rối
và phân tán sẽ chuyển thành dòng chảy tầng nên ít cuốn khí hơn.
Từ những điều nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên
cứu là: “Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến- áp lực
(rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm A356”.
Mục đích nghiên cứu
- Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản của quá
trình rheo-die casting tới sự hình thành tổ chức và tính chất của hợp
kim A356.
- Ứng dụng công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực” (rheo-diecasting)
vào việc chế tạo các sản phẩm từ hợp kim nhôm có độ bền cao trong
ngành chế máy động lực”.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: hợp kim nhôm A356
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu, đánh giá trên các mẫu thử và ứng
dụng để chế tạo một số sản phẩm trong ngành chế tạo máy bằng
phương pháp đúc “Lưu biến- áp lực”.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực”.
- Nghiên cứu mô phỏng tính chất của dòng chẩy trong quá trình điền
đầy khuôn bằng dòng kim loại ở trạng thái bán lỏng.
- Nghiên cứu quá trình đông đặc và hình thành tổ chức của hợp kim
trong công nghệ rheo-diecasting.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc Lưu biếnáp lực (rheo-diecasting) đến các đặc tính cơ học (độ bền, độ cứng, tỷ

trọng) của hợp kim A356.
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ rheo-diecasting để chế tạo một số
sản phẩm trong ngành máy động lực.
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết,


2
các tài liệu đã công bố kết hợp với thực tế về công nghệ đúc “Lưu
biến- áp lực”.
- Nghiên cứu mô phỏng bằng các phần mềm MAGMAsoft và
ANSYS
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu:
+ Chế tạo các mẫu thử bằng phương pháp công nghệ “Lưu
biến- áp lực”
+ Phân tích đánh giá tổ chức, kiểm tra cơ, lý, tính các mẫu thử
đã được chế tạo bằng phương pháp công nghệ “Lưu biến- áp lực”
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học
- Là nghiên cứu đầu tiên về công nghệ Lưu biến- áp lực (rheodiecasting) ở Việt Nam, là cơ sở cho việc đổi mới công nghệ, ứng
dụng tiến bộ KHKT. Kết quả nghiên cứu của luận án là định
hướng về thiết kế công nghệ khuôn đúc “Lưu biến- áp lực” và là cơ
sở để lựa chọn vận tốc dòng chảy điền đầy hốc khuôn phù hợp cho
mỗi loại sản phẩm có chiều dày thành vật đúc khác nhau.
- Cho thấy ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh tới kích thước hạt: khi tăng
áp lực ép tĩnh đến 205 MPa đã xuất hiện nhóm hạt Al – α3 rất nhỏ
mịn (khoảng 2-7 µm); không quan sát thấy nhóm hạt này khi áp lực
ép tĩnh dưới 200 MPa; ngoài ra tỷ trọng hợp kim cao hơn tới 2% so
với khi áp lực ép tĩnh < 200 MPa. Đó là những đóng góp bổ sung
vào khoa học đúc lưu biến – áp lực.

*) Ý nghĩa thực tiễn
- Luận án đưa ra các thông số công nghệ cơ bản của quá trình đúc
áp lực-lưu biến như: nhiệt độ rót, vận tốc dòng chẩy, áp lực ép trong
mối quan hệ với chiều dày rãnh dẫn và chiều dày thành vật đúc, đã
được kiểm chứng bằng việc đúc thử 02 sản phẩm của ngành Máy
động lực.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được tham khảo và áp dụng
triển khai để sản xuất các chi tiết trong ngành chế tạo máy động lực,
ô tô, xe máy nhằm thay thế các chi tiết có khối lượng lớn hơn được
chế tạo từ gang, đáp ứng được nhu cầu sản xuất chi tiết đúc khối
lượng nhẹ, loạt lớn và tăng hiệu suất sử dụng.


3
Những điểm mới của luận án
1. Đã đưa ra phương pháp thiết kế khuôn mới phù hợp với công nghệ
đúc lưu biến-áp lực và đã tìm ra những thông số công nghệ thích hợp
để đảm bảo dòng chảy tầng khi điền đầy khuôn.
2. Đã phát hiện ra những ưu điểm rõ rệt của phương pháp đúc lưu
biến-áp lực: dòng chảy tầng và sự đồng đều hóa nhiệt độ của khối
kim loại, khiến gradient nhiệt độ giảm và tạo điều kiện cho sự hình
thành tổ chức đều trục cầu tròn phi nhánh cây.
3. Việc phân tích tổ chức tế vi đã phát hiện ra ảnh hưởng rõ rệt của
áp lực (đặc biệt là ở mức trên 205 MPa) tới sự hình thành tổ chức:
một độ quá nguội ở mức trên 2 K đã hình thành góp phần làm cho
các mầm kết tinh có kích thước nhỏ có thể ”sống sót”, tạo ra những
hạt tinh thể rất nhỏ mịn.
4. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc
áp lực mang lại những yếu tố thuận lợi nhằm tạo ra tổ chức phi
nhánh cây nhỏ mịn và loại bỏ một dạng khuyết tật cơ bản của

phương pháp đúc áp lực là rỗ khí; đó là:
- Tạo mầm dị thể trên trục khuấy
- Tạo dòng chảy tầng khi điền đầy khuôn
- Đồng đều hóa nhiệt độ của khối kim loại lỏng
- Tạo một độ quá nguội bổ sung làm giảm kích thước tới hạn
của mầm.
5. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc kết hợp giữa đúc lưu biến
và đúc áp lực mang lại những yếu tố thuận lợi nhằm giảm thiểu một
dạng khuyết tật điển hình của các sản phẩm đúc nói chung và đúc áp
lực nói riêng là xốp tế vi bằng các yếu tố:
- Giảm cuốn khí do dòng chảy tầng
- Giảm lực cản cho quá trình ”nuôi” nhờ việc tạo ra các tinh
thể dạng cầu tròn thay vì dạng nhánh cây
- Thúc đẩy quá trình ”nuôi” nhờ áp lực.

Kiến nghị
Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng hệ thống tự động hóa còn thô sơ và
chưa có thiết bị rót tự động. Đề nghị có các nghiên cứu sâu hơn về
việc kiểm soát nhiệt độ tự động trên khuôn đúc áp lực và buồng nạp
cũng như thời gian rót vật liệu bán lỏng vào buồng nạp.


4
ĐẶT VẤN ĐỀ
Các sản phẩm đúc áp lực cao thường có bề dày từ 0,8 mm đến 10
mm, nhưng trên thực tế thì bề dày 2 mm đến 6 mm sẽ cho kết quả
đúc tốt nhất. Tuy nhiên, trong đúc áp lực cao, kim loại lỏng điền đầy
hốc khuôn đi qua rãnh dẫn với vận tốc cao, dòng chảy trong khuôn là
dòng phân tán và dòng chảy rối khi điền đầy khuôn là nguyên nhân
tạo ra các oxit, rỗ xốp và gây khó khăn cho quá trình xử lý nhiệt.

Xốp khí tại những vị trí ụ dầy chính là nguyên nhân làm giảm độ
bền đáng kể và chi tiết đúc không thể nhiệt luyện được. Để khắc
phục nhược điểm này trong công nghệ đúc áp lực người ta thường
phải đúc rót trong chân không nhưng chi phí rất tốn kém.
Nếu đúc áp lực với kim loại ở trạng thái bán lỏng thì dòng chảy sẽ
chuyển thành dòng chảy tầng do kim loại ở dạng sệt và sẽ ít bị cuốn
khí hơn. Tuy nhiên, như vậy sẽ phải hạ nhiệt độ của hợp kim đến
vùng bán lỏng và ở trạng thái này độ nhớt của hợp kim sẽ tăng, khả
năng điền đầy trong khuôn rất kém.
Để độ nhớt của hợp kim không tăng cao khi giảm nhiệt độ xuống
dưới đường lỏng thì cần:
- Khuấy kim loại ở trạng thái bán lỏng để bẻ gãy các nhánh
cây nếu tỷ phần pha rắn tương đối lớn.
- Đúc ở nhiệt độ gần liquidus (chủ yếu là tạo mầm dị thể)
Như vậy khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng thì rỗ
khí có thể được khắc phục bởi 2 lý do:
- Áp lực sẽ phân tán các phần tử ô xýt nhôm đều trong toàn bộ
khối kim loại.
- Dòng chảy rối và phân tán sẽ chuyển thành dòng chảy tầng
nên ít cuốn khí hơn.
Đó là lý do vì sao phương pháp công nghệ đúc lưu biến
(rheocasting) thường được kết hợp với công nghệ đúc áp lực
(diecasting) để cho ra đời một phương pháp mới là “Lưu biến- áp
lực” (RDC- rheo-diecasting) cho kết quả rất tốt.
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Đúc áp lực
Đúc áp lực là một phương pháp sản xuất phôi nhằm tạo ra các
chi tiết có kích thước chính xác do những chuyển động của dòng lưu
chất kim lọai lỏng dưới tác dụng của áp suất. thay vì do trọng lực

5
như trong các phương pháp đúc thông thường khác. Quá trình đúc
áp lực có thể mô tả như sau: kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng
áp lực cao thông qua một bộ xylanh-piston nạp hay còn gọi là buồng
nạp, hoặc buồng ép. Áp lực lớn, tốc độ nguội nhanh, sẽ làm cho sản
phẩm đạt tổ chức hạt nhỏ mịn, tăng cơ tính. Có 2 kiểu công nghệ
đúc áp lực là đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) và đúc áp lực
buồng nóng (hot chamber).
Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn, đảm
bảo đồng đều chiều dày vật đúc. Sản phẩm đúc áp lực cao rất đa
dạng về hình dáng và kết cấu, phục vụ trong nhiều lĩnh vực khác
nhau như chế tạo chi tiết máy, thiết bị điện, y tế, giáo dục, hàng
không…Tuy nhiên nhược điểm chính của phương pháp này là cuốn
khí, gây rỗ khí khiến độ xít chặt của vật đúc không cao, không nhiệt
luyện được do khi nung ở nhiệt độ cao rỗ khí nở ra gây cong vênh
chi tiết.
1.2. Công nghệ đúc bán lỏng
1.2.1. Các dạng công nghệ đúc bán lỏng
Có hai phương pháp đúc bán lỏng chính: Quá trình đúc xúc biến
(Thixocasting) và Quá trình đúc lưu biến (Rheocasting).
1.2.1.1. Đúc xúc biến
Đầu tiên là chế tạo thanh cấp liệu có tổ chức và độ hạt theo yêu
cầu. Sau đó, thanh cấp liệu được cắt thành từng đoạn nhỏ và nung
cảm ứng đến nhiệt độ tồn tại trạng thái bán lỏng, rồi được chuyển
đến máy đúc và ép vào khuôn với lực ép lớn.
Ưu điểm của phương pháp: tiết kiệm năng lượng và dễ tự động
hóa, hoàn toàn loại bỏ sự cuốn khí vào khuôn. Nhược điểm của
phương pháp: chi phí đầu tư cao, thanh cấp liệu khó chế tạo và sản

phẩm thừa (phế phẩm, hệ thống rót,…) không thể tái sử dụng cho các
lần đúc sau, do đó hiện nay các nghiên cứu trên thế giới chủ yếu tập
trung vào đúc lưu biến.
1.2.1.2. Đúc lưu biến
Sau khi nấu luyện, hợp kim được làm nguội kết hợp khuấy trộn,
sau đó được chuyển đến máy đúc và tạo hình với lực ép lớn.
Ưu điểm của phương pháp lưu biến so với đúc xúc biến: đúc được
nhiều loại hợp kim, sản phẩm thừa (phế phẩm, hệ thống rót,…) có
thể dùng làm hồi liệu, có thể kết hợp với phương pháp đúc áp lực nên


6
giảm chi phí đầu tư ban đầu. Nhược điểm: khả năng tự động hóa
không cao bằng đúc xúc biến.
1.2.3. Phối hợp giữa đúc lưu biến- đúc áp lực (Rheo diecasting- RDC)
Các phương pháp đúc lưu biến có thể kết hợp được với phương
pháp đúc áp lực là: khuấy thủy động từ, đúc gần nhiệt độ liquidus,
phương pháp nhiệt trực tiếp, phương pháp MIT mới, phương pháp
bán lỏng bằng sục khí để cho ra một phương pháp đúc mới là ”đúc
lưu biến- áp lực”. Đây là một hướng đi mới trên thế giới trong lĩnh
vực sản xuất các chi tiết từ hợp kim mầu nhẹ.
1.3. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
PGS.TS Nguyễn Hồng Hải đã thực hiện đề tài mã số KC0223/06-10 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc bán lỏng để chế tạo
các sản phẩm từ hợp kim nhôm có độ bền cao trong ngành chế tạo
máy động lực, ô tô, xe máy”. Đề tài đã xác định được cửa sổ công
nghệ của các quá trình khuấy điện từ và khuấy bằng trục graphite.
Tiến sỹ Nguyễn Ngọc Tiến đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công
nghệ đúc bán lỏng với hợp kim A356” bằng các phương pháp khuấy
từ và tạo mầm cho kết quả rất khả quan.
Kết luận:

Trên cơ sở khảo sát và phân tích các nghiên cứu, các hệ thống
thiết bị đúc bán lỏng như trên và trên một thực tế là ở Việt nam hiên
nay, hầu hết các chi tiết máy động lực, ô tô, xe máy đều được đúc áp
lực thì sự lựa chọn hệ thống thiết bị của Nghiên cứu sinh sử dụng để
nghiên cứu sẽ dựa trên các nguyên tắc sau:
1. Kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực (Rheo-diecasting)
2. Bảo đảm sự linh hoạt của hệ thống bằng cách tích hợp giữa
các thiết bị chế tạo mới và các thiết bị có sẵn.
3. Kế thừa và phát triển những kết quả nghiên cứu mà NCS đã
đạt được khi thực hiện đề tài KC02-23/06-10.
Phương pháp đúc lưu biến được lựa chọn là phương pháp MIT
mới. Cơ sở lý thuyết của nó là tạo mầm dị thể, với tỷ phần pha rắn 
10%, có ưu điểm là thời gian công nghệ ngắn, các thông số công
nghệ được kiểm soát dễ dàng, chi phí ban đầu thấp và dễ dàng tích
hợp vối các thiết bị sẵn có (lò nấu, máy đúc áp lực cao).
Như vậy, chỉ cần kết hợp giữa thiết bị tạo vật liệu bán lỏng với
máy đúc áp lực và lò nấu là có được công nghệ “Đúc Lưu biến- áp
lực”. Điều này cho phép giảm chi phí đầu tư ban đầu nếu ứng dụng


7
trong công nghiệp và làm cho quá trình sản xuất trở nên linh hoạt (có
thể chỉ đúc áp lực hoặc kết hợp giữa đúc áp lực với đúc bán lỏng).
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Ảnh hưởng của áp lực đến tổ chức và tính chất của hợp kim
Các quá trình liên quan tới sự kết tinh và đông đặc dưới áp lực có
thể chia thành 3 loại:
- Áp lực dưới 200 MPa, được ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu
nhằm thay đổi hệ số trao đổi nhiệt giữa kim loại đang đông đặc và

khuôn, đồng thời làm giảm độ xốp trong vật đúc.
- Áp lực tới 3 GPa, tác động tức thời (trong khoảng 0,2s) nhằm tạo ra
quá nguội và quá trình kết tinh nhanh sau đó.
2.1.1. Ảnh hưởng của áp lực đến các tính chất nhiệt lý
Áp lực đặt lên kim loại lỏng trong quá trình kết tinh có ảnh hưởng
đáng kể tới các thông số nhiệt lý như nhiệt độ nóng chảy, hệ số dẫn
nhiệt, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt nóng chảy v.v…
2.1.2. Ảnh hưởng của áp lực đến cân bằng pha
Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy (kết tinh) của kim loại và hợp
kim là một trong những biểu hiện của ảnh hưởng của áp lực tới cân
bằng pha. Ở đây không những có thay đổi về lượng, mà còn có thay
đổi về chất: có thể xuất hiện các pha mới hoặc thay đổi tính chất các
pha cũ. Việc nghiên cứu giản đồ pha có xét tới áp suất có một ý
nghĩa thực tiễn to lớn trong việc tìm ra các hợp kim mới hoặc biến
tính các hợp kim cũ: áp lực có thể làm thay đổi đáng kể giản đồ trạng
thái, dịch chuyển các đường chuyển pha, hình thành các pha hoặc
vùng pha. Bởi vậy bằng cách tác động áp lực lên kim loại trong quá
trình kết tinh có thể làm thay đổi tổ chức, cơ tính và các tính chất
khác của chúng.
2.1.3. Ảnh hưởng của áp lực tới các thông số của quá trình kết tinh
Quá trình kết tinh bắt đầu từ việc hình thành các mầm kết tinh
và sau đó là sự phát triển của chúng. Động học quá trình chuyển pha
ở đây có thể được đánh giá theo 2 thông số: số lượng mầm được hình
thành trong một đơn vị thể tích sau một đơn vị thời gian (tốc độ tạo
mầm) và tốc độ phát triển của mầm. Việc phân tích phương trình
2dT cho thấy, có thể làm giảm kích thước tới hạn của mầm
rth 
TVdp

8
kết tinh không chỉ bằng cách giảm sức căng bề mặt  và tăng độ quá
nguội T, mà còn bằng cách tăng áp suất bên ngoài tác động lên kim
loại trong quá trình đông đặc, dp. Ngoài ra sự tăng áp suất, tương tự
như tăng độ quá nguội, có thể làm tăng tốc độ tạo mầm, một thông số
quan trọng của quá trình kết tinh.
2.1.4. Những thay đổi về cấu trúc của kim loại và hợp kim khi kết tinh
dưới áp lực
Khi kim loại, hợp kim kết tinh và đông đặc dưới áp lực thì trong
tổ chức và cấu trúc của nó có thể xảy ra những thay đổi sau:
- Kích thước trung bình của hạt giảm, thành phần và sự phân bố pha
thay đổi, giảm kích thước tới hạn của mầm và tăng số lượng mầm,
tăng độ đồng nhất về thành phần do giảm mức độ thiên tích nội hạt,
tăng mật độ lệch.
Các yếu tố ở các mức độ khác nhau có ảnh hưởng tốt đến việc cải
thiện tổ chức của hợp kim, qua đó cải thiện tính chất của chúng.
2.2. Đặc điểm của quá trình điền đầy khuôn trong đúc áp lực
Trong quá trình đúc áp lực, kim loại điền đầy khuôn với vận tốc
cao. Vận tốc nạp dao động trong khoảng 0,5 – 120 m/s; khuôn được
điền đầy trong khoảng vài phần mười, thậm chí là vài phần trăm
giây, cho phép chế tạo những vật đúc có thành rất mỏng với bề mặt
nhẵn đẹp.
Tính chất dòng chảy của kim loại trong khuôn có thể chia thành 3
loại: chảy tầng, chảy rối và chảy phân tán và phụ thuộc vào: vận tốc
nạp; tương quan giữa chiều dày rãnh dẫn và chiều dày thành vật đúc;
độ nhớt và sức căng bề mặt của kim loại lỏng; các điều kiện trao đổi
nhiệt giữa kim loại lỏng và thành khuôn.
2.3. Mô hình dòng chảy và phương pháp tính toán động lực học
chất lỏng
Phương pháp tính toán động lực học chất lỏng là phương pháp mô

phỏng dòng chảy chất lỏng, truyền nhiệt, truyền khối, phản ứng hóa
học, và các hiện tượng liên quan bằng cách giải các phương trình
toán học bằng phương pháp số.
2.4. Mô hình k-
Mô hình k- có ba mô hình đó là tiêu chuẩn, RNG và
Realizable. Cả ba mô hình này đều tương tự như nhau với những
phương trình cần bằng cho k và .


9
2.5. Cơ sở lý thuyết về lưu biến
Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt tỷ lệ với tốc độ cắt và hệ số
tỷ lệ là độ nhớt. Chất lỏng thixotropic là chất lỏng phi Newton, tức là
ứng suất cắt không tỷ lệ với tốc độ cắt. Độ nhớt khi đó được gọi là
độ nhớt biểu kiến và phụ thuộc vào tốc độ cắt và tỷ phần pha rắn. Vật
liệu có đặc tính thixotropic có đặc tính: độ nhớt giảm khi bị khuấy và
tăng ở trạng thái nghỉ. Phần lớn kim loại là vật liệu thixotropic (còn
được gọi là shear thinning, tức là mỏng ra khi cắt).
2.6. Cơ sở lý thuyết về quá trình tạo mầm
Quá trình đông đặc đòi hỏi sự sắp xếp lại nguyên tử từ trật tự gần
sang trật tự xa. Tạo mầm là quá trình quyết định ở giai đoạn đầu của
sự đông đặc và rất nhanh chóng dẫn đến sự hình thành số hạt tinh thể
cuối cùng. Bởi vậy, các điều kiện dẫn tới sự tạo mầm là vô cùng
quan trọng và quyết định đặc tính của tổ chức kim loại. Có hai loại:
tạo mầm nội sinh (đồng thể) và tạo mầm ngoại sinh (dị thể). Trong
nghiên cứu này chủ yếu quan tâm đến tạo mầm dị thể do trong quá
trình tạo mầm dị thể hàng rào năng lượng của quá trình tạo mầm thấp
hơn nhiều so với tạo mầm đồng thể và được đánh giá qua hàm f(),
trong đó  là góc thấm ướt giữa mầm dị thể và pha rắn.
2.7. Đặc điểm của hợp kim Al-Si

Hợp kim nhôm-silic còn gọi là silumin là họ hợp kim được
dùng nhiều nhất, bởi có tỉ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ, khả năng
dẫn nhiệt tốt (151  163 W/mK), giãn nở nhiệt nhỏ, chống ma sát tốt
và chịu được nhiệt độ cao. Theo giản đồ trạng thái, ta thấy về tổ
chức, silumin có các thành phần như sau:
-  : dung dich rắn, hoà tan ít silic.
- [ + cùng tinh ( + Si)]: hợp kim silumin trước cùng tinh.
- Cùng tinh ( + Si) gồm có những hạt Si hình kim trên nền .
- Sau cùng tinh [Si1(thô to) + cùng tinh ( + Si)].
Chương 3
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hợp kim nhôm A356.
Hợp kim A356 có thành phần như trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thành phần hợp kim A 356


10
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

3.2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết,
các tài liệu đã công bố kết hợp với thực tế về công nghệ đúc “Lưu
biến- áp lực”.
- Nghiên cứu mô phỏng bằng các phần mềm MAGMAsoft và
ANSYS
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu:
+ Chế tạo các mẫu thử bằng phương pháp công nghệ “Lưu
biến- áp lực”
+ Kiểm tra cơ, lý, tính và đánh giá các mẫu thử đã được chế
tạo bằng phương pháp công nghệ “Lưu biến- áp lực”.
Chương 4
THỰC NGHIỆM
4.1. Tính toán thiết kế công nghệ khuôn đúc lưu biến- áp lực
4.1.1. Tính toán rãnh dẫn
Áp dụng công thức f  mvd  m p [7], ta tính toán được tổng diện
r

 m * vn * td

tích rãnh dẫn: Trong đó: tdd=0,066s (Lnạp =0,1m; v2= 1,5m/s); ρm=
2.670 kg/m3; mp=0,07kg; mvd=0,3kg.
Lựa chọn Vnap = 5m/s (đối với đúc hợp kim cơ sở nhôm bán lỏng Vnap
thông thường nằm trong khoảng từ 2-8m/s).
Thay các thông số vào công thức 4.1 ta được fd [7]:
fd 

0,3  0,07
 0,000419,9m 2
2670 * 5 * 0,066

Như vậy diện tích rãnh dẫn là fd = 420 mm2; (diện tích miệng phun
chỗ thắt)
Như vậy, từ diện tích rãnh dẫn đã tính được fd = 420 mm2, tiết diện
rãnh dẫn cho mỗi mẫu thử là: 420/4=105 mm2.
4.2.2. Tính toán hệ thống thông hơi cho khuôn Lưu biến- áp lực
Áp dụng công thức thực nghiệm [7]; và tính toán được fh như sau:
f h  0.65* g *

 k *Vvd * Tk
pk * tdd *

 1.43   1.71


11
Ta có: Vvđ = 280*10-6m3; Tk = 883oK; Thời gian điền đầy tdd =
0,066s; áp suất khí trong khuôn pk = 0,16MPa = 16.315,5kg/m2,đổi

1MPa = 101.971,6 kg/m2; (pk: lấy theo thực nghiệm); gia tốc trọng
trường g=9,81m/s2; ρk = 0,04 (theo bảng 4.2 [7]) ta có fh[7]:
f

n

 0,65 * 9,81

0,04 * 280 *10 6 * 883
1, 43

 1 
16315,5 * 0,066 * 

 1,6 

1, 71

 1 


 1,6 

7,8 *10 6 m 2

Như vậy tổng thiết diện rãnh hơi là fh = 7,8 mm2, tiết diện rãnh hơi
cho mỗi mẫu thử là: 7,8/4=1,95 mm2.
Lựa chọn tiết diện một rãnh hơi là: 3,9x0,5mm.
4.2. Mô phỏng số quá trình công nghệ đúc Lưu biến- áp lực
Sử dụng phương pháp tính động lực học dòng chảy (CFD) để mô

phỏng quá trình kết tinh của hợp kim nhôm A356 trong công nghệ
đúc lưu biến- áp lực.
Phần mềm MAGMA mô phỏng vận tốc dòng chảy của hợp kim
nhôm trong hốc khuôn. Phần mềm ANSYS để tính toán và đưa ra
phân bố trường nhiệt độ và tỷ phần pha ở các thời điểm áp suất ép
tĩnh khác nhau.
4.2.1. Mô hình vật liệu
Bảng 4.3. Các thông số nhiệt lý của vật đúc
Vật đúc: Hợp kim nhôm A 356
Rắn
Lỏng
Nhiệt độ (oK)
Ts =828
Tl= 888
Khối lượng riêng D (kg/m3 )
2700
2380
Nhiệt dung đẳng áp Cp (j/kg.k )
900
1200
Độ dẫn nhiệt λ (w/m.k)
126
94
Ẩn nhiệt kết tinh L (j/kg )
389000
Độ nhớt η (kg/m.s)
0,1492 (600oC)

Bảng 4.4. Các thông số nhiệt lý của khuôn kim loại
Khuôn thép

Khối lượng riêng D( kg/m3 )
Nhiệt dung riêng Cp( j/kg.k )
Độ dẫn nhiệt λ (w/m.k)

4.2.2. Thông số công nghệ

Vận tốc kim loại qua rãnh dẫn là vk = 5m/s

Áp suất ép tĩnh: 185÷205 MPa

Nhiệt độ rót: Tr = 883 oK

7500
690
35


12

Nhiệt độ ban đầu khuôn: Tk = 433 oK
4.3. Thực nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm A356
4.3.1. Chuẩn bị chất sơn bảo vệ nồi nấu
Thành phần nước sơn: 130 gr ZnO, 63 cm3 nước thuỷ tinh, 25 gr
bột amiăng hoà với 1 lít nước.
4.3.2. Chuẩn bị chất sơn dụng cụ (gáo múc, chụp khử khí, que khuấy)
- Thành phần nước sơn: 60% ZnO, 4% sét bentônít, 36% nước
- Cách trộn: Cho nước vào thùng, cho bột ZnO vào trộn đều, sau
đó cho bột bentônít vào trộn đều.
4.3.3. Chuẩn bị nồi nấu
Nồi nấu được làm bằng gang. Để tránh tạp chất xâm nhập vào

hợp kim nhôm, phải đảm bảo nồi luôn sạch và phải được quét lớp
sơn bảo vệ trước mỗi mẻ nấu.
4.3.4. Chuẩn bị vật liệu:
- Phối liệu mác hợp kim nhôm A356 gồm: Al (99,75%), hợp kim
trung gian Al-Mg (70-30), hợp kim trung gian Al-Si (50-50), hợp
kim trung gian Al-Ti (80-20).
- Vật liệu phải sạch, không được dính dầu mỡ. Đối với liệu ẩm
cần sấy khô bằng cách gác liệu trên miệng lò trước khi bỏ vào nấu.
4.3.5. Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện
- Thành phần muối khử khí: 70% NaCl, 30% KCl.
- Thành phần muối biến tính: 62,5% NaCl; 12,5% KCl; 25% NaF.
4.3.6. Nấu luyện và biến tính hợp kim nhôm đúc áp lực
Khi kim loại lỏng đã đạt nhiệt độ khoảng 730÷750oC, tiến hành
khử khí biến tính theo quy trình công nghệ. Khi kim loại lỏng đạt
nhiệt độ khoảng 700÷730oC, cho hợp kim trung gian Al-Ti (80-20)
vào nồi lò dùng que khuấy có chụp dìm xuống sát đáy nồi, cho hợp
kim trung gian Al-Mg (70-30) vào nồi lò ở nhiệt độ khoảng
670÷690oC. Kết thúc quá trình hợp kim hóa, hạ nhiệt độ kim loại
lỏng xuống 650-660oC để chuẩn bị cho quá trình chế tạo hợp kim
nhôm A356 bán lỏng.
4.4. Thực nghiệm chế tạo phôi mẫu đúc lưu biến- áp lực
4.4.1. Chuẩn bị thiết bị khuấy bán lỏng
- Kiểm tra hoạt động của các can nhiệt, đồng hồ hiển thị,... lắp trục
khuấy graphite
- Kiểm tra hoạt động của thiết bị khuấy ở chế độ vận hành bằng tay.
- Kiểm tra hoạt động của thiết bị ở chế độ tự động.


13
Quá trình khuấy bán lỏng được

thực hiện bán tự động, được
trình bày trên hình 4.3. Kim loại
lỏng được rót vào gầu rót (1)
4
đặt trong bình ổn nhiệt (2). Đặt
can nhiệt (3) vào khoảng giữa
8
trục graphite với thành gầu rót.
Quy trình khuấy được đặt tự
5
động như sau:
1) Khi nhiệt độ kim loại lỏng 6
trong gầu rót (1) đạt 6250C thì
3
động cơ (4) sẽ hoạt động dịch
1
chuyển trục khuấy xuống dưới
7
và dừng chuyển động khi chạm
2
vào công tắc hành trình (7).
Hình 4.3. Thiết bị khuấy bán lỏng
2) Đồng thời động cơ (5) sẽ hoạt
bằng trục graphit
động với tốc độ quay của trục
khuấy Ø30mm (6) là 200 vòng/phút.
3) Khi nhiệt độ trong gầu rót (1) đạt nhiệt độ là 6100C thì động cơ (5)
sẽ dừng hoạt động, động cơ (4) sẽ được kích hoạt để dịch chuyển
trục khuấy lên trên và dừng dịch chuyển khi chạm vào công tắc hành
trình (8); thời gian khuấy khoảng 12÷15 giây.

4) Tiến hành rót ngay lập tức vào buồng nạp máy đúc áp lực. Thời
gian vận chuyển kim loại từ máy đúc lưu biến sang máy đúc áp lực là
2-3s. Trong thời gian đó nhiệt độ trong gáo rót giảm 10.
4.4.2. Chuẩn bị thiết bị đúc áp lực
- Lắp đặt, thiết lập các chế độ hoạt động của bộ khuôn
- Tính toán các thông số công nghệ, cài đặt cho máy đúc: lắp bộ
khuôn, chuẩn bị hỗn hợp sơn tách khuôn, chuẩn bị dầu bôi trơn đầu
pisttông, lập trình chế độ đúc áp lực, thao tác đúc.
4.4.3. Chế tạo mẫu thử
a. Sấy khuôn, sấy buồng ép
b. Chế tạo hợp kim nhôm A356 bán lỏng
c. Đúc trên máy áp lực để chế tạo mẫu và sản phẩm.
Chương 5
KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN


14
5.1. Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn
5.1.1. Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều
dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,5
Kết quả mô phỏng dòng chảy
cho mẫu thử khuôn đúc áp lực,
khi rót hợp kim nhôm A356 ở
nhiệt độ 6100C, vận tốc dòng
chảy khoảng 2,1÷2,2m/s (hình
5.1), dòng kim loại điền đầy tuần
tự, không xuất hiện dòng chảy
rối. Khoảng trống không khí
trong hốc khuôn được thu hẹp
dần về phía trên cùng của chi

Hình 5.1. Vận tốc điền đầy khuôn ở
tiết, không khí được thoát ra thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=84%,
h/H=0,5
ngoài thông qua đậu tràn, rãnh
thoát khí và các chốt đẩy. Đây chính là đặc trưng của đúc lưu biếnáp lực: ít xuất hiện các bọt khí nhỏ trong chi tiết đúc nên các sản
phẩm đúc lưu biến- áp lực có thể nhiệt luyện để cải thiện cơ tính.
5.1.2. Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều
dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,7
Kết quả mô phỏng dòng chảy
cho mẫu thử khuôn đúc áp lực,
khi rót hợp kim nhôm A356 ở
nhiệt độ 6100C, tỷ lệ giữa chiều
dày rãnh dẫn h và chiều dày
thành vật đúc H, h/H=0,7; vận
tốc dòng chảy của kim loại trong
hốc khuôn khoảng 3÷3,6m/s
(hình 5.2), dòng kim loại điền
đầy tuần tự, không xuất hiện
dòng chảy rối. Khoảng trống Hình 5.2. Vận tốc điền đầy khuôn ở
thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn
không khí trong hốc khuôn được
P=92%, h/H=0,7
thu hẹp dần về phía trên cùng
của chi tiết, không khí được thoát ra ngoài thông qua đậu tràn, rãnh
thoát khí và các chốt đẩy.
5.1.3. Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều
dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,8


15

Khi thay đổi tỷ lệ giữa chiều dày rãnh dẫn h và chiều dày thành
vật đúc H, h/H, tức là thay đổi tốc độ điền đầy khuôn, tính chất của
dòng chảy trong quá trình điền
đầy khuôn cũng thay đổi. Dòng
chảy tầng có thể đạt được với
vận tốc nạp tới 5 m/s (hình 5.3),
một mặt cho phép chế tạo các
vật đúc thành dầy mà không bị
rỗ khí, mặt khác cho phép điền
đầy các vị trí thành mỏng một
cách rõ nét.
Kết quả mô phỏng đối với
chi tiết mẫu thử khi thay đổi tỷ
Hình 5.3. Vận tốc điền đầy khuôn ở
lệ h/H, vận tốc dòng chảy tới thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=95%,
h/H=0,8
hạn điền đầy trong hốc khuôn là
dòng chảy tầng như sau:
- h/H= 0,5; vận tốc dòng chảy khoảng 2,1÷2,2 m/s
- h/H= 0,7; vận tốc dòng chảy khoảng 3,0÷3,6 m/s
- h/H= 0,8; vận tốc dòng chảy khoảng 4,8÷5,0 m/s
Kết quả này có thể làm cơ sở để lựa chọn kiểu dạng rãnh dẫn và
vận tốc điền đầy trong hốc khuôn cho mỗi loại sản phẩm cụ thể.
5.2. Kết quả mô phỏng các quá trình truyền nhiệt
5.1.1. Trường nhiệt độ của vật đúc
Khi đúc dưới áp suất ép tĩnh là 185 MPa và áp suất 205 MPa, tại
thời điểm 3s quá trình kết tinh dưới áp lực cao, toàn bộ mẫu thử nhiệt
độ đồng đều khoảng 5690C gần sát với nhiệt độ đông đặc hoàn toàn.
Theo tài liệu, tính cho hệ hợp kim Al-Si, nhiệt độ nóng chảy tăng
6,6.10-2 0C/MPa, nên khi đúc dưới áp lực cao (185 MPa) nhiệt độ

nóng chảy của hợp kim Al-Si sẽ tăng lên khoảng 120C. Vì vậy, trong
khoảng thời gian ép tĩnh 3s, mẫu thử đông đặc hoàn toàn dưới áp lực
cao, đây chính là đặc trưng của đúc áp lực cao.
5.2.2. Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt và biến thiên nhiệt độ tại các vị trí
tâm mẫu
Khi rót kim loại lỏng A356 vào khuôn với nhiệt độ rót là 6100C, với
áp lực ép tĩnh là 185Mpa ở biểu đồ phân bố nhiệt độ trên các mặt cắt
hình 5.4 và hình 5.5 ở thời điểm 3s cho thấy đường nhiệt độ đi qua
các mặt cắt A-A (P1), B-B (P2), C-C (P3) không có sự chênh lệch


16
nhiệt độ lớn tại các vị trí trên, nhiệt độ đạt khoảng 5690C (8420K).
Có thể giải thích rằng do tốc độ nguội rất cao (thông thường
khoảng 103 K/s) nên quá trình đông đặc là không cân bằng, lượng
pha lỏng còn lại lớn nên việc làm đồng đều hóa nhiệt độ khiến cho
tinh thể có thể phát triển theo mọi hướng và đây là điều kiện rất quan
trọng cho việc hình thành các hình thái tinh thể đều trục (equi-axed)
và cầu tròn.

Hình 5.4. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt
của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực
185MPa, nhiệt độ rót là 6100C

Hình 5.5. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí
tâm của vật đúc đến thời điểm 7s với áp
lực 185MPa, nhiệt độ rót là 6100C

Kết luận: Việc phân tích kết quả mô phỏng số quá trình truyền
nhiệt cho thấy rõ ràng là việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực

là rất thuận lợi: áp lực giúp cho việc hình thành các tinh thể đều trục,
cầu tròn phi nhánh cây trở nên dễ dàng hơn do sự đồng đều hóa nhiệt
độ trong toàn bộ thể tích.
5.3. Tổ chức tế vi của mẫu đúc lưu biến-áp lực
Hợp kim A356 được nấu luyện trong lò điện trở dung tích
150kg, nhiệt độ kim loại sau biến tính, khử khí là 6600C.
Bảng 5.1. Thành phần hóa học của hợp kim A356
Nguyên tố, %
Mác A356 theo
tiêu chuẩn
Mẫu 1
(phụ lục 1)
Mẫu 2
(phụ lục 2)
Mẫu 3
(phụ lục 3)

Cu
 0,2

Mg
0,250,45

Mn
 0,1

Si
6,57,5

Fe

Zn

Ti

 0,2

 0,1

 0,2

0,0105

0,3684

0,0033

7,1172

0,0490

0,0178

0,1334

0,0171

0,3625

0,0116

7,1458

0,0561

0,0182

0,1271

0,0132

0,4166

0,0118

7,2454

0,0522

0,0317

0,1425

Al
Còn
lại
Còn
lại
Còn
lại

Còn
lại


17
Trên bảng 5.1 cho thấy, hàm lượng các nguyên tố hợp kim
chính như Si, Mg, Ti đều nằm trong dải cho phép của tiêu chuẩn của
hợp kim A356 [36].
5.3.1. Sự hình thành pha nền
Sự hình thành và phát triển của tổ chức tế vi xảy ra trong đúc
thông thường theo hình thái nhánh cây với sự tập trung tạp chất trên
biên hạt và ở khu vực giữa nhánh cây. Các tinh thể phát triển chủ yếu
theo hướng ngược với hướng truyền nhiệt dẫn tới sự hình thành các
tinh thể có dạng hình trụ dài.
Khi sử dụng phương pháp bán lỏng kết hợp với đúc áp lực, tổ
chức tế vi nhận được có hình dạng phi nhánh cây và tương đối đồng
đều. Do kết hợp khuấy nhằm làm tăng tốc độ tạo mầm, đồng đều hóa
nhiệt độ kết hợp với nhiệt độ rót thấp (6100C), gần với nhiệt độ đông
đặc của hợp kim đã làm giảm, thậm chí mất vùng tinh thể dạng cột.
Khi thay đổi áp lực ép tĩnh
lần lượt là: 185; 190; 195; 200;
205 MPa, có thể thấy rõ sự xuất
hiện của 3 nhóm hạt: nhóm các
hạt 1 có kích thước khoảng
35µm gần như không thay đổi,
nhóm các hạt 2 như các mảnh
vỡ của nhánh cây và nhóm các
hạt 3 có kích thước rất nhỏ
mịn (khoảng 2-7 m). Áp lực
ép tĩnh càng lớn nhóm các hạt

Hình 5.6. Ảnh tổ chức (x1000): MIT-200,
3 càng nhỏ và có kích thước Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,Tkh = 6250 C, Tr
= 6100 C, Pt=205MPa
khoảng 2-7µm. Đây chính là
quá trình đông đặc thứ cấp rất quan trọng, bởi lẽ khi đi vào khuôn
còn tới khoảng 80% kim loại ở trạng thái lỏng. Việc tạo ra nhóm hạt
3 có thể được giải thích như sau: thông thường sau khi đạt được
kích thước tới hạn, mầm sẽ phát triển đến kích thước ổn định, sau đó
chúng sẽ bị mất ổn định và từ các mặt sít chặt sẽ phát triển ra các
nhánh cây. Nếu rất nhiều mầm được hình thành cùng một lúc, chúng
có thể chỉ phát triển đến, hoặc thậm chí chưa kịp phát triển đến giới
hạn ổn định, và như vậy nhánh cây sẽ không hình thành.
Quá trình này sinh ra các hạt hình cầu nhỏ và mịn α3. Đường kính
kích thước hạt trung bình α3 là ≤ 7 μm, kích thước này nhỏ hơn nhiều


18
lần kích thước của hạt chính α1 (đường kính trung bình α1 là 35 m)
được sinh ra bởi sự kết tinh đầu tiên ở gầu rót. Có thể thấy một số hạt
3 có kích thước rất nhỏ (chỉ vài m). Rõ ràng là chúng được hình
thành với độ quá nguội lớn hơn.
5.3.2. Sự hình thành cùng tinh
Ở giai đoạn cuối cùng của quá trình đông
đặc, trong vùng pha lỏng đông đặc sau cùng sẽ
xảy ra phản ứng cùng tinh. Như vậy Si cùng
tinh sẽ nằm ở vùng giữa các hạt tinh thể. Cùng
tinh Al-Si là cùng tinh không đều, do Si là một
pha có hành vi tạo bề mặt nét rõ rệt, bởi vậy
trong các quá trình đông đặc thông thường Si Hình 5.32b. Cùng tinh
cùng tinh có dạng tấm phiến khá thô. Tuy

nhiên trong trường hợp rheo-diecasting có thể thấy Si cùng tinh đã
chuyển sang dạng sợi hoặc bông tuyết. Kích thước (đường kính) của
sợi Si là khá nhỏ, chỉ khoảng vài trăm nm.
5.4. Kết quả nghiên cứu về tỉ trọng của hợp kim A356
5.4.1. Các chế độ công nghệ
- Hợp kim A356 có thành phần hóa học như trên, sau khi múc vào
gáo rót, nhiệt độ kim loại đạt 6250C thì khuấy bằng trục graphít với
vận tốc 200 vòng/phút. Khi nhiệt độ 6100C thì tiến hành rót vào
buồng ép của máy đúc áp lực. Khuôn đúc lưu biến- áp lực cho mẫu
thử với tỷ lệ giữa chiều dày rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H,
h/H= 0,8, lựa chọn vận tốc nạp tại miệng phun là 5m/s (tương ứng
vận tốc di chuyển của piston v2 = 1,5m/s).
- Thí nghiệm đối với chế độ đúc áp lực tiến hành rót với nhiệt độ
kim loại là 6600C, vận tốc nạp tại miệng phun là 12m/s (tương ứng
vận tốc điền đầy của piston v2 = 3,6m/s).
5.4.2. Kết quả xác định tỷ trọng
5.4.2.1. Kết quả xác định tỷ trọng theo chiều dọc mẫu
Các mẫu thử được gia công, mài phẳng với kích thước
8x8x180mm, tiến hành cân tỷ trong bằng thiết bị cân tỷ trọng AD 1653/ GR-202 của Nhật Bản.
Các kết quả về tỷ trọng của hợp kim nhôm A356 với các chế
độ đúc khác nhau được trình bày trên bảng 5.2.
Bảng 5.2. Ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh đến tỷ trọng của HK A356


19
Ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh đến tỷ trọng của hợp kim A356
Áp lực ép tĩnh, MPa
185
190
195

200
Tỷ trọng hợp kim A356- bán
2,651 2,659 2,667
2,672
lỏng, nhiệt độ rót: 6100C, (g/cm3)
Tỷ trọng hợp kim A356, nhiệt độ
2,607 2,612 2,619
2,623
rót: 6600C, (g/cm3)
Độ chênh (g/cm3)
0,044 0,047 0,048
0,049
Độ chênh trung bình
0,0474

205
2,677
2,628
0,049

5.4.2.2. Kết quả xác định tỷ trọng tại ba vị trí trên mẫu
Kết quả mô phỏng phân bố tỷ trọng trên mẫu khi đúc với áp
suất ép tĩnh 200 MPa, có sự chênh lệch phân bố tỷ trọng giữa các
vùng trên mẫu. Để có thể thấy rõ về sự chênh lệch này, ta xác định tỷ
trọng trên mẫu đúc thử nghiệm. Kết quả đo tỷ trọng tuyệt đối trên
mẫu thử khi đúc lưu biến – áp lực với cùng điều kiện như đã tiến
hành mô phỏng. Ta thấy ứng với các vị trí P1, P2, P3 (hình 5.4) lần
lượt có giá trị là; 2676 kg/m3, 2667 kg/m3 và 2672kg/m3. Mặc dù sự
chênh lệch là không đáng kể nhưng kết quả thực nghiệm này chứng
minh những giải thích về sự ảnh hưởng của áp suất ép tĩnh đến tốc

độ nguội và quá trình kết tinh, hình thành tổ chức là hoàn toàn phù
hợp. Tương tự như vậy kết quả tỷ trọng tuyệt đối trên mẫu thử khi
đúc áp lực với cùng điều kiện như đã tiến hành mô phỏng. Ta thấy
ứng với các vị trí 1, 2 và 3 (hình 5.4) lần lượt có giá trị là; 2634
kg/m3, 2601 kg/m3 và 2616 kg/m3. Kết quả thí nghiệm cho thấy các
mẫu đúc bằng công nghệ đúc áp lực thông thường tại 3 vị trí P1, P2,
P3 có tỷ trọng nhỏ hơn so với các mẫu đúc bằng công nghệ đúc lưu
biến-áp lực.
Kết luận:
Việc phân tích kết quả mô phỏng số quá trình truyền nhiệt và
so sánh phân bố tỷ trọng với kết quả thực nghiệm cho thấy rõ ràng là
việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực là rất thuận lợi:
1. Việc hình thành các tinh thể đều trục, cầu tròn phi nhánh cây ít
gây cản trở cho quá trình “nuôi” hơn là các tinh thể nhánh cây
do ma sát giữa kim loại lỏng và tinh thể giảm, nhờ vậy xốp co ít
hơn và tỷ trọng tăng.
2. Áp lực cũng giúp cho quá trình “nuôi” vật đúc tốt hơn nhờ việc
thấm lọc qua vùng 2 pha.
3. Việc điền đầy khuôn bằng dòng chảy tầng khiến sự cuốn khí
giảm, dẫn đến việc giảm rỗ khí, nhờ vậy mà tỷ trọng cũng tăng.


20
Rõ ràng đây là những ưu điểm rất nổi bật của phương pháp
rheo-diecasting.
5.5. Nghiên cứu phân tích cấu trúc
Kỹ thuật quan trọng và phổ biến của Cơ học phá hủy, trong đó
bề mặt thực của mặt gẫy có thể được quan sát và đánh giá bằng
phương pháp chụp và phân tích trên kính hiển vi điện tử quét.
Có thể nhận thấy rất rõ trên các ảnh mặt gẫy là phá hủy xảy ra

theo cơ chế đứt bên trong hạt, tạo ra mặt gẫy với các “lúm đồng tiền”
khá tiêu biểu cho kiểu phá hủy dẻo. Kiểu phá hủy này đặc trưng cho
loại vật liệu có khả năng biến dạng dẻo đáng kể (hay là dự trữ độ
dẻo) trước khi phá hủy. Hợp kim A356 do được hợp kim hóa bằng
một số nguyên tố hợp kim như Mg, Cu, Ti,... nên có chứa một số pha
hóa bền phân tán vừa làm tăng độ
bền, vừa giảm bớt xu hướng phá
hủy ròn vốn có của silumin đơn
giản không được hợp kim hóa.
Phân tích EDX đối với MIT200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,
Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=200
MPa sau khi nhiệt luyện cho thấy
tại vùng phá hủy dẻo thành phần
chủ yếu là Al, Si, Mg (thành phần Hình 5.40. Mặt gẫy của mẫu MIT-200
chính của hợp kim A356).
5.6. Kết quả nghiên cứu về độ cứng của hợp kim A356
Khảo sát độ cứng của mẫu đúc được chế tạo bởi quá trình đúc lưu
biến-áp lực, áp lực ép tĩnh 200 kg/cm2; kết quả được trình bầy trên
bảng 5.3.
Bảng 5.3. Độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực , áp lực ép tĩnh 200MPa
Bề rộng mẫu, mm

Khoảng cách
điểm đo

1

2

4

6

8

10

12

14

15

Vị trí P1

99,1

88,6

84,9

83,7

83,2

83,4

84,5

88,8

97,8

Vị trí P2

97,3

85,9

80,7

77,5

76,8

77,9

80,3

85,7

97,1

Vị trí P3

97,9

87,4

83,7

81,5

80,2

81,4

83,3

87,6

97,3


21
Có thể thấy rằng tại vị trí P2 (hình 5.4), độ cứng có giá trị thấp
nhất vì đây là nơi nguội sau cùng trong mẫu đúc. Tại vị trí P1, độ
cứng cao hơn cả vì đây là nơi bị tác động của áp lực ép tĩnh lớn nhất,
độ sít chặt tốt nhất. Độ cứng trung bình của mẫu đạt khoảng 80HV
(tương đương 74HB), đạt tiêu chuẩn so với ASM (60-70 HB).
5.7. Kết quả nghiên cứu về độ bền kéo của hợp kim A356
Kết quả nghiên cứu cho
thấy, độ bền kéo trung bình
của các mẫu đúc áp lực chỉ
đạt 210MPa (mẫu số 6) vì
với công nghệ đúc áp lực
nhiệt độ rót cao hơn và dòng
chảy rối nên trong thể tích
mẫu thường còn chứa các bọt
khí nhỏ và Si cùng tinh dạng

Hình 5.54. Độ bền kéo của các mẫu đúc với
tấm thô. Các mẫu được chế
công nghệ chế tạo khác nhau
tạo bởi công nghệ đúc Lưu
biến- Áp lực có độ bền kéo tương đối ổn định đạt trung bình khoảng
270 Mpa (mẫu số 1 đến 5). Hội Kim loại Mỹ (Americal Society of
Metals – ASM [33]) đưa ra tiêu chuẩn độ bền kéo cho hợp kim này
là 220 MPa.
Chương 6
ỨNG DỤNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM
6.1. Chế thử sản phẩm thân bơm BRA50

Hình 6.5. Sản phẩm thân bơm trước (a) và sau hiệu chỉnh rãnh thoát hơi (b)

Hình 6.5 là sản phẩm chi tiết thân bơm BRA50 đã được chế tạo bằng
công nghệ Lưu biến- áp lực.Trên hình 6.5a cho thấy sản phẩm khi
chưa điều chỉnh rãnh hơi bị nhăn bề mặt cả phía trong, ngoài và
khuyết tật rỗ khí. Các vết nhăn này do áp suất khí trong khuôn tăng
khi khí không thoát kịp qua các rãnh thoát hơi nên các dòng kim loại


22
chuyển động rối tạo thành. Sau khi điều chỉnh rãnh hơi sản trên bề
mặt phẩm không còn các vết nhăn như trên hình 6.5b. So sánh với
trường hợp đúc áp lực (hình 6.6) chất lượng tốt hơn hẳn.

Hình 6.6. Khuyết tật rỗ xốp trên vật đúc khi đúc áp lực (a) và không còn rỗ xốp (b)
khi đúc Lưu biến- áp lực

6.2. Nắp hông động cơ RV125

Chi tiết nắp hông RV125 với trọng lượng vật đúc là 2,4 kg, trọng
lượng hệ thống rót, đậu tràn là 1,2kg. Tiến hành chế tạo sản phẩm
bằng phương pháp đúc lưu biến- áp lực, chi tiết nắp hông RV125 có
bề mặt nhẵn đẹp như được trình bày ở hình 6.9.

Hình 6.9. Hình ảnh chi tiết RV 125 đúc bằng phương pháp Lưu biến- áp lực

KẾT LUẬN
1. Đã thực hiện đầy đủ những nội dung nghiên cứu đề ra. Kết quả
nghiên cứu cho thấy việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực cho
phép thực hiện một công nghệ đơn giản, không tốn kém, dễ vận hành
mà vẫn đạt được hiệu quả cao.
2. Kết quả mô phỏng cho thấy trong công nghệ đúc lưu biến-áp lực
dòng chảy tầng khi điền đầy khuôn đạt được nếu phối hợp tốt các
yếu tố công nghệ khuôn và lưu tốc của dòng chảy:
- Khi tỷ lệ giữa chiều dày rãnh dẫn trên chiều dày thành vật
đúc, h/H = 0,5 thì để đảm bảo dòng chảy tầng vận tốc tối đa
của dòng chảy, vmax = 2,2 m/s;


23
- Với h/H = 0,7 thì vmax = 3,6 m/s;
- Với h/H = 0,8 thì vmax = 5 m/s;
Kết quả mô phỏng cũng cho thấy: khác với đúc thông thường, trong
quá trình đúc lưu biến-áp lực nhiệt độ khối kim loại bán lỏng được
đồng đều hóa: kết quả xác định trường nhiệt cho thấy nhiệt độ tại các
mặt cắt chỉ chênh nhau vài độ, trong khi đó trong trường hợp đúc
thông thường có thể chênh 2000C. Điều này tạo điều kiện rất thuận
lợi cho việc hình thành các tinh thể đều trục, cầu tròn.
3. Quá trình đông đặc và hình thành tổ chức của hợp kim trong công

nghệ đúc lưu biến-áp lực (rheo-diecasting) đã được làm rõ: sự kết
tinh và đông đặc trong công nghệ đúc lưu biến-áp lực xảy ra theo 3
giai đoạn:
- Kết tinh lần đầu xảy ra trong gáo rót với sự hình thành các mầm dị
thể, kết quả là tạo ra các hạt 1 có kích thước ~ 35 m.
- Các mảnh vỡ nhánh cây (các hạt 2) được tạo ra trong buồng ép có
kích thước trung bình ~ 20 m và tỷ phần thể tích ~ 10%. Đây là tổ
chức không mong muốn nhưng không tránh được. Trong quá trình
đúc lưu biến-áp lực tỷ phần thể tích của các hạt 2 giảm đáng kể so
với đúc áp lực thông thường.
- Quá trình kết tinh thứ cấp xảy ra trong khuôn. Do tiếp xúc với
khuôn nguội một độ quá nguội ở mức 1-2 K đã được hình thành tạo
ra các hạt mịn, 3, có kích thước khoảng 7 m. Dưới tác dụng của áp
lực một độ quá nguội bổ sung ở mức 2 - 2,5K đã được hình thành
góp phần tạo ra một loạt hạt có kích thước rất nhỏ mịn (2 – 3 m).
4. Sự cải thiện về tổ chức đẫn đến sự cải thiện rõ rệt các đặc tính cơ
học của hợp kim: Độ bền kéo của các mẫu đúc lưu biến – áp lực đạt
giá trị 255-284 MPa, cao hơn nhiều so với đúc áp lực thông thường
và đáp ứng tiêu chuẩn ASM (Mỹ). Ngoài ra một dạng khuyết tật điển
hình của vật đúc nói chung và đúc áp lực nói riêng là xốp tế vi (co và
khí, xốp đường tâm) đã được khắc phục một cách cơ bản; kết quả là
tỷ trọng tăng 0,0474g/m3, tức là khoảng 2%. Tỷ trọng cũng tăng
nhiều hơn khi tăng áp suất ép: khi áp suất ép tăng từ 185 lên 205
MPa tỷ trọng trong trường hợp đúc lưu biến-áp lực tăng 0,026 g/m3
so so với 0,021 g/cm3 khi đúc áp lực thông thường, tức là nhiều hơn
24%. Cuối cùng, tỷ trọng cũng đồng đều hơn ở các khu vực bên
ngoài và ở tâm: trong trường hợp đúc lưu biến-áp lực độ chênh lớn
nhất là 0,34% so với 1,27 % trong trường hợp đúc áp lực thông

24
thường, tức là ít hơn gần 4 lần. Tất cả những điều nói trên cho thấy
xốp tế vi, thường được hình thành ở tâm vật đúc, đã giảm đáng kể.
5. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng để chế thử một số sản phẩm
trong ngành máy động lực: kết quả chế thử cho thấy các sản phẩm
chế tạo bằng phương pháp đúc Lưu biến-áp lực có độ sít chặt tốt,
không xuất hiện rỗ xốp tại các vị trí ụ dày, không bị nhăn ở các vị trí
thành mỏng. Phương pháp đúc lưu biến- áp lực cho phép đúc các sản
phẩm có độ dày thành trung bình đến 20mm. Vận tốc của kim loại đi
vào hốc khuôn nhỏ (~ 2-5 m/s), dòng chảy tầng, ít cuốn khí, giảm độ
co, bọt xốp. Nhiệt độ kim loại lỏng thấp hơn (~ 6000 C), tăng tuổi thọ
của khuôn, chu trình đúc được rút ngắn.
Có thể ứng dụng công nghệ đúc Lưu biến-áp lực để chế tạo các sản
phẩm trong ngành máy động lực - máy nông nghiệp thay thế cho các
chi tiết bằng gang có trọng lượng lớn.