Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc lưu biến liên tục tới tổ chức và tính chất hợp kim nhôm a356

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Minh Đức

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT
HỢP KIM NHÔM A356

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS TS Nguyễn Hồng Hải
2. TS Phạm Quang

Hà Nội - 2015

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác.
TÁC GIẢ

Đỗ Minh Đức

GVHD 1: PGS TS Nguyễn Hồng Hải
GVHD 2: TS Phạm Quang

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Hồng Hải và TS Phạm Quang - hai
thày hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện
luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn các thày, cô thuộc Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu,
Viện Đào tạo SĐH, đặc biệt là PTN-CNVL kim loại đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
hoàn thành đúng thời hạn bản luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu đã
luôn ủng hộ tôi trong quá trình thực hiện các đề tài nghiên cứu phục vụ cho luận án.
Xin cám ơn các anh, chị, các bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học và kỹ thuật vật
liệu đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận án.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè, gia đình và người thân đã
luôn động viên để tôi có thể sớm hoàn thành luận án.


MỤC LỤC

Trang

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TĂT

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

5

DANH MỤC CÁC HÌNH

6

MỞ ĐẦU

12

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

15

1.1. Công nghệ bán lỏng

15

1.1.1. Các biện pháp nhằm đạt tổ chức hạt dạng cầu (phi nhánh cây)

16

1.1.2. Các dạng công nghệ bán lỏng

18

1.2. Công nghệ đúc lưu biến

21

1.2.1. Cơ sở lý thuyết

21

1.2.2. Nguồn gốc của tính lưu biến

24

1.2.3. Một số nghiên cứu trên thế giới

26

1.2.4. Một số công nghệ đúc lưu biến

27

1.3. Công nghệ đúc lưu biến liên tục

30

1.3.1. Cơ sở lý thuyết tạo mầm dị thể

30

1.3.2. Một số nghiên cứu về đúc lưu biến sử dụng máng nghiêng làm nguội

34

1.3.3. Một số nghiên cứu về đúc lưu biến liên tục sử dụng máng nghiêng làm
nguội

36

CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

40

2.1. Đối tượng nghiên cứu

40

2.1.1. Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm

40

2.1.2. Hợp kim A356

43

2.2. Phương pháp nghiên cứu

44

2.2.1. Nghiên cứu cơ bản

44

2.2.2. Nghiên cứu công nghệ

46

2.2.3. Phương pháp đánh giá kết quả

48

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ HỢP KIM NHÔM A356

50

3.1. Kỹ thuật thực nghiệm

50

3.1.1. Nấu luyện và xử lí hợp kim

50

3.1.2. Rót khuôn và chế tạo mẫu

52
1


3.2. Xác định nhiệt độ chảy lỏng và hóa rắn của hợp kim A356

53

3.2.1. Phân tích nhiệt vi sai

53

3.2.2. Theo giản đồ pha

54

3.3. Xác định tỷ phần pha rắn

55

3.3.1. Phương pháp xác định tỷ phần pha rắn trong quá trình đông đặc

55

3.3.2. Kết quả và thảo luận

57

3.4. Xác định tốc độ nguội và tốc độ đông đặc của hợp kim A356

61

3.4.1. Đường cong nguội và tốc độ nguội của hợp kim

61

3.4.2. Tốc độ đông đặc

65

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC

69

4.1. Thiết bị nghiên cứu
4.2. Mô phỏng quá trình đông đặc của hợp kim A356 trong công nghệ đúc lưu biến
liên tục

69
72

4.2.1. Phương pháp mô phỏng số

73

4.2.2. Mô hình dòng chảy và phương pháp tính toán động lực học chất lỏng

73

4.2.3. Phần mềm mô phỏng

75

4.2.4. Thiết lập mô hình công nghệ

76

4.2.5. Kết quả mô phỏng và thảo luận

80

4.3. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình đông đặc của hợp kim A356 trong công
nghệ đúc lưu biến liên tục

90

4.3.1. Quy trình nấu đúc lưu biến liên tục

90

4.3.2. Khảo sát các thông số công nghệ

91

CHƯƠNG 5. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
ĐÚC LƯU BIẾN LIÊN TỤC ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA HỢP KIM
A356

95

5.1. Tổ chức tế vi

95

5.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ rót

95

5.1.2. Ảnh hưởng của thời gian kim loại “lưu trú” trên máng làm nguội

97

5.1.3. Ảnh hưởng của chiều dày đông đặc (chiều dày tấm)

5.2. Cơ tính

102
105

5.2.1. Độ bền kéo của mẫu

105

5.2.2. Độ bền kéo của tấm

107
2


KẾT LUẬN

111

TÀI LIỆU THAM KHẢO

114

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

118

PHỤ LỤC

119

3


KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Giải thích

MHD

Khuấy thuỷ động từ (Magnetohydrodynamic stiring)

SIMA

Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất (Strain Induced Melt Activated)

RPM

Kết tinh lại và nấu chảy một phần (Recrystallization and Partial
Melting)

NRC

Phương pháp đúc lưu biến mới (New Rheo-Casting)

MIT

Viện Công nghệ Massachusets

SSTT

Chuyển biến nhiệt bán lỏng (Semi-Solid Thermal Transformation )

CFD

Động lực học chất lỏng tính toán (Computational Fluid Dynamics)

CAD

Thiết kế có hỗ trợ của máy tính

Ký hiệu
τ
•

Giải thích
Ứng suất tiếp (cắt, xê dịch)

γ

Tốc độ cắt (xê dịch)

k

Hệ số liên quan đến độ nhớt

τγ

Ứng suất chảy tĩnh

N

Tham số

η

Độ nhớt

θ

Góc thấm ướt

ΔT

Số gia nhiệt độ

α

Dung dịch rắn hoà tan ít Si

β

Pha liên kim (Al-Fe-Si)

4


DANH MỤC CÁC BẢNG

Ký hiệu

Tên bảng

Tr.

Bảng 1.1

Độ quá nguội cần thiết để tạo mầm nội sinh

32

Bảng 2.1

Thành phần hóa học của hợp kim A356

43

Bảng 3.1

Thành phần hóa học của hợp kim nghiên cứu

50

Bảng 3.2

Đặc trưng đông đặc của hợp kim A356

55

Bảng 3.3

Tỷ phần pha rắn trong trường hợp đông đặc không cân bằng
và cân bằng

60

Bảng 4.1

Các thông số nhiệt-lý của hợp kim A356

79

Bảng 4.2

Các thông số nhiệt-lý của con lăn làm nguội (thép SKD)

79

Bảng 4.3

Các thông số công nghệ chính trong đúc lưu biến tạo tấm

94

Bảng 5.1

Tham số hình dạng của hạt

100

Bảng 5.2

Cơ tính của hợp kim A356

106

Bảng 5.3

Tổng hợp giới hạn bền kéo của tấm hợp kim A356

107

5


DANH MỤC CÁC HÌNH
Ký hiệu

Tên hình

Tr.

Hình 1.1

a) Tổ chức nhánh cây nhận được trong các công nghệ thông thường, b) Tổ
chức dạng cầu tròn (phi nhánh cây) nhận được trong công nghệ bán lỏng

15

Hình 1.2

Hành vi xúc biến/thixotropic của vật liệu ở trạng thái bán lỏng

16

Hình 1.3

Các chi tiết ô tô Alfa của công ty Stampal

16

Hình 1.4

Phương pháp MIT mới

17

Hình 1.5

Máy đúc lưu biến

18

Hình 1.6

Sơ đồ nguyên lý phương pháp New Rheocasting (NRC)

19

Hình 1.7

Máy ép xúc biến

19

Hình 1.8

Sơ đồ minh họa các công nghệ bán lỏng khác nhau

20

Hình 1.9

Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến

21

Hình 1.10

Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng
hành vi lưu biến

22

Hình 1.11
Hình 1.12

Ứng suất cắt sau quãng nghỉ khác nhau, hợp kim Sn-15%Pb: a) Quan hệ
giữa ứng suất cắt và góc biến dạng, b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời

gian nghỉ
Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-15% Pb
của các tác giả khác nhau

22
23

Hình 1.13

Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ

24

Hình 1.14

Các đường cong chảy của thể huyền phù dạng cụm bông

25

Hình 1.15

Minh họa về quá trình phát triển cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy
mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu, b) nhánh cây phát triển, c) hoa hồng,
d) hoa hồng dầy, e) hạt cầu

25

Hình 1.16

Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng

khi tốc độ cắt tăng và giảm

26

Hình 1.17

Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100/s sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối
với hợp kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36

27

Hình 1.18

Sơ đồ vùng nhiệt độ kim loại thực hiện rót-đúc gần nhiệt độ đường lỏng

28

Hình 1.19

Phương pháp nhiệt trực tiếp a) sử dụng máng nghiêng, b) quá nhiệt thấp

28

Hình 1.20

Khuôn ống thành mỏng

29

Hình 1.21

Tổ chức tế vi

29

Hình 1.22

Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-Nanocasting

30

Hình 1.23

Mặt cắt ngang của thỏi đúc

30

Hình 1.24

Năng lượng tự do của cụm nguyên tử là hàm của bán kính

31

Hình 1.25

Tạo mầm đồng thể và dị thể

32

Hình 1.26

Góc thấm ướt θ giữa mầm và vật rắn dị thể

33

6


Hình 1.27

Hàm f(θ) với những góc thấm ướt đặc trưng

33

Hình 1.28

So sánh hai quá trình tạo mầm đồng thể và dị thể

34

Hình 1.29

Sơ đồ thiết bị nghiên cứu của T. Haga

35

Hình 1.30

Sơ đồ thiết bị nghiên cứu và tổ chức tế vi nhận được của E. Cardoso
Legoretta

Hình ảnh thiết bị và tổ chức hợp kim trong nghiên cứu của Y. Birol

35

Hình 1.31

36

Hình 1.32

Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi ở giữa thỏi trong trường hợp không có nước
làm nguội (hình trên) và có nước làm nguội (hình dưới) trong nghiên cứu
của H. Budiman

36

Hình 1.33

Sơ đồ thiết bị và tổ chức tế vi đạt được trong nghiên cứu của T. Haga

37

Hình 1.34

Sơ đồ công nghệ và cơ tính của hợp kim với những tốc độ kéo khác nhau
đối với hợp kim 6111 sau nhiệt luyện ở chế độ T6 trong nghiên cứu của T.
Haga

38

Hình 1.35

Sơ đồ thiết bị và hình ảnh tấm được uốn cong 180o sau khi cán xuống 1 mm
và nhiệt luyện ở chế độ T4 trong nghiên cứu của T. Haga

38

Hình 1.36

Máy đúc đang vận hành trong nghiên cứu của T. Haga

39

Hình 1.37

Ứng dụng của nhôm tấm trong các ngành công nghiệp mũi nhọn trên thế
giới

39

Hình 2.1

Các họ hợp kim nhôm

40

Hình 2.2

Giản đồ pha Al-Si và các dạng tổ chức

41

Hình 2.3

Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (giới hạn bền RM, độ dẻo A5)

42

Hình 2.4

Pha liên kim β (Al-Fe-Si) có dạng hình tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính

42

Hình 2.5

Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với
tốc độ 0,6 oC/s

43

Hình 2.6

Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0,6 oC/s (quan
sát vùng cùng tinh)

43

Hình 2.7

Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2 oC/s

44

Hình 2.8

Sơ đồ hệ thống đo ghi nhiệt độ

44

Hình 2.9

Hệ thống đo ghi nhiệt độ kỹ thuật số

44

Hình 2.10

Nguyên lí DTA

45

Hình 2.11

Đường cong DTA

45

Hình 2.12

Sơ đồ phương pháp đo ghi 2 điểm

46

Hình 2.13

Kết quả đo ghi và phân tích nhiệt độ

46

Hình 2.14

Sơ đồ quá trình mô phỏng số

47

Hình 2.15

Hiển vi quang học Leica DM4000M

48

Hình 2.16

Thiết bị thử kéo MTS 809

49

Hình 3.1

Lò nấu điện trở

51

7


Hình 3.2

Sơ đồ hệ thống khử khí

51

Hình 3.3

Sơ đồ quy trình nấu luyện hợp kim A356

51

Hình 3.4

Lò nấu điện trở và lò nung

52

Hình 3.5

Thiết bị thí nghiệm

52

Hình 3.6

Máy phân tích nhiệt vi sai DTA

53

Hình 3.7

Đường cong phân tích nhiệt của hợp kim A356

54

Hình 3.8

Mặt cắt giản đồ pha của hệ hợp kim A356

54

Hình 3.9

Các công nghệ bán lỏng có thể được thực hiện trên cơ sở tỷ phần pha rắn
nhất định

56

Hình 3.10

Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc cân bằng

57

Hình 3.11

Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc không cân bằng

57

Hình 3.12

Sơ đồ thí nghiệm xác định độ chênh nhiệt độ

57
o

58

Hình 3.14

Nhiệt độ kim loại lỏng cuối máng làm nguội trong trường hợp rót ở 650 C
hợp kim A356
Kết quả tính toán tỷ phần pha rắn bằng phần mềm Jmat-Pro.

Hình 3.15

Phần pha lỏng bị “kẹt” giữa các phần tử pha rắn

59

Hình 3.16

Tỷ phần pha rắn với những chế độ công nghệ khác nhau

60

Hình 3.17

Ảnh hưởng của tốc độ nguội đến sự hình thành tổ chức hợp kim

61

Hình 3.18

Sơ đồ bố trí cặp nhiệt

62

Hình 3.19

Kết quả đo nhiệt độ cho hơp kim A356 và 6061 cùng chế độ công nghệ

63

Hình 3.20

Tốc độ nguội của hợp kim A356 điền đầy khuôn ở nhiệt độ bán lỏng

63

Hình 3.13

Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23
Hình 3.24
Hình 3.25
Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28
Hình 4.1
Hình 4.2

Đường nguội ở tâm và thành khuôn, độ chênh nhiệt độ (∆T) và tốc độ
nguội (dT/dt) trong trường hợp nhiệt độ rót 625 oC (trái) và 675 oC (phải).
Góc nghiêng của máng 45o, chiều dài làm nguội 200 mm
Tốc độ nguội trong trường hợp đúc từ trạng thái lỏng và bán lỏng
Đường cong nguội ở tâm và thành khuôn, độ chênh nhiệt độ và tốc độ
nguội trong trường hợp góc nghiêng của máng 60o (trái) và 45o (phải). Nhiệt
độ rót 625 oC, chiều dài làm nguội 200 mm

58

64
64
65

Nhiệt độ, tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc của hợp kim A356, 625-60200
Nhiệt độ, tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc của hợp kim A356, 625-45200
Nhiệt độ, tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc của hợp kim A356, 650-45200
Nhiệt độ, tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc của hợp kim A356, 675-45200

Tốc độ đông đặc của hợp kim A356 trong những điều kiện công nghệ khác
nhau
Bản vẽ tổng thể thiết bị đúc lưu biến liên tục

66

Hình ảnh tổng thể máy đúc lưu biến liên tục nhìn ngang (ảnh trên) và nhìn
từ trên xuống (ảnh dưới)

70

8

66
67
67
68
69


Hình 4.3

Cụm đúc lưu biến

71

Hình 4.4

Cụm ổn nhiệt

71

Hình 4.5

Bể chứa kim loại lỏng

71

Hình 4.6

Cụm đúc liên tục

72

Hình 4.7

73

Hình 4.8

Đúc lưu biến liên tục sử dụng hai con lăn làm nguội có đường kính bằng
nhau
Phần tử dạng tam giác

Hình 4.9

Phần tử chất lỏng trong không gian 3 chiều

74

Hình 4.10

Mô hình dòng chảy và phần tử khối hữu hạn

74

Hình 4.11

Các dạng lưới cơ bản được dùng trong FLUENT

75

Hình 4.12

a) Sơ đồ công nghệ đúc và hình học mặt cắt vùng làm nguội

77

Hình 4.12

b) Mô hình chia lưới ABAQUS

78

Hình 4.13

Mô hình chia lưới GAMBIT

78

Hình 4.14

a) Trường nhiệt độ phân bố ở trạng thái ổn định

81

Hình 4.14

b) Trường nhiệt độ phân bố trong khoảng (0,1 đến 3,1 s)

82

Hình 4.15

a) Đường nguội tại các điểm trên đường dọc qua tâm tấm đúc

83

Hình 4.15

b) Hình bao vùng bán lỏng và phân bố mật độ cùng độ cứng Hv đo được

84

Hình 4.16

Trường nhiệt độ ứng với tốc độ con lăn khác nhau.

85

Hình 4.17

Tỉ phần pha lỏng tại các tốc độ con lăn khác nhau

86

Hình 4.18

Phân bố nhiệt độ tại các mặt cắt

87

Hình 4.19

Phân bố tỷ phần pha lỏng tại các mặt cắt

88

Hình 4.20

Ảnh kiểm soát nhiệt độ kim loại, bể chứa và con lăn

91

Hình 4.21

91

Hình 4.22

Hình ảnh các mẻ thí nghiệm bị đặc ngay trong bể kim loại do nhiệt độ bể
quá thấp
Sơ đồ cho thấy khả năng thu hẹp dòng chảy khi nhiệt độ bể kim loại thấp

Hình 4.23

Vùng bị “quá” đông không thể đi qua con lăn

92

Hình 4.24

Hình ảnh tấm đúc bị xếp lớp khi nhiệt độ con lăn quá thấp

92

Hình 4.25

a) Tốc độ kéo quá lớn, kim loại không kịp dàn hết con lăn, tấm bị thu hẹp
hoặc chỉ tiếp xúc với con lăn dưới, ma sát giảm dẫn đến đứt; b) Tốc độ kéo
quá nhỏ, kim loại bị “quá” đông không thể đi qua con lăn, cũng dẫn tới đứt

93

Hình 4.26

Sơ đồ mô tả quá trình kéo khi các thông số công nghệ được phối hợp tốt

93

Hình 4.27

Hình ảnh tấm hợp kim A356 sau đúc lưu biến liên tục có bề mặt nhẵn

94

Hình 5.1

Tổ chức tế vi của hợp kim A356 trong trường hợp đúc thông thường

95

Hình 5.2

Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu 675-45-300

96

Hình 5.3

Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu 625-45-300

96

Hình 5.4

Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu 650-45-300

96

9

73

92


Hình 5.5

Tổ chức dạng liền mạng nhánh cây

97

Hình 5.6

97

Hình 5.7

Các hạt bị bẻ gãy khi ứng suất cắt tăng và xu hướng tích tụ khi ứng suất
căt giảm
Hình ảnh kim loại bị bám dính trên máng khi nhiệt độ rót quá thấp

97

Hình 5.8

Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi rót ở 675 oC

98

Hình 5.9

Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi rót ở 650 oC

98

o

Hình 5.10

Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim khi rót ở 625 C

99

Hình 5.11

Thông số hình dạng của các hình khác nhau

99

Hình 5.12

Thông số hình dạng của các hạt tinh thể

100

Hình 5.13

Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu 650-60-300

101

Hình 5.14

Sự hình thành các mầm kết tinh lý tưởng nhờ dòng đối lưu

101

Hình 5.15

Đường nguội và tổ chức tế vi nhận được tại các điểm 1(b), 3(c) và 5(d)

102

Hình 5.16

Tổ chức tế vi của tấm dày 2 mm

103

Hình 5.17

Sơ đồ mô tả quá trình đông đặc cưỡng bức với sự hình thành các nhánh cây
dạng cột

104

Hình 5.18

Tổ chức tế vi của tấm dày 3 mm

104

Hình 5.19

Tổ chức tế vi của tấm dày 5 mm

104

Hình 5.20

Mẫu hợp kim A356 thử kéo

105

Hình 5.21

Đường cong thử kéo mẫu số 6

105

Hình 5.22

Đồ thị so sánh giới hạn bền kéo của các mẫu hợp kim A356

106

Hình 5.23

Đường cong thử kéo của tấm hợp kim A356 đúc khi chưa lắp máng nghiêng
và ở trạng thái chưa nhiệt luyện

108

Hình 5.24

So sánh giới hạn bền kéo

109

Hình 5.25

Vị trí lấy mẫu thử kéo (cắt theo chiều ngang và chiều dọc tấm)

109

Hình 5.26

Sơ đồ mô tả dạng tổ chức nhánh cây cưỡng bức

109

Hình 5.27

Sơ đồ mô tả hướng truyền nhiệt chính

110

Hình 5.28

Sơ đồ mô tả hướng truyền nhiệt phụ và tính không đẳng hướng của tổ chức
tế vi

110

10


MỞ ĐẦU
1. 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 hỗn hợp rắn-lỏng, đã
được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng khá sớm trên thế giới và sau đó ở Việt Nam, đầu
tiên trong kỹ thuật luyện kim bột, sau đó là kỹ thuật đúc. Trong kỹ thuật đúc thì phương
pháp này gọi là đúc bán lỏng được nghiên cứu mạnh trong vài thập niên qua và gần đây
được triển khai tương đối có hệ thống tại trường ĐHBK Hà Nội với tên gọi là đúc lưu biến.
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. Ngoài ra, tấm đúc có thể được dùng như một thành
phẩm/bán thành phẩm, giúp giảm thiểu các bước công nghệ tiếp theo như cán, ép…, do đó
giảm tổn hao năng lượng và thân thiện môi trường.
Nghiên cứu về công nghệ đúc lưu biến liên tục sử dụng máng nghiêng và con lăn làm
nguội được công bố đầu tiên bởi Toshio Haga [29] có sử dụng 2 con lăn cùng kích thước.

Nếu hợp kim lỏng với độ quá nhiệt nhỏ được rót vào khuôn có nhiệt độ thấp và được giữ ở
khoảng nhiệt độ bán lỏng thì sẽ tạo ra tổ chức tế vi phi nhánh cây, tương đối đều trục và
nhỏ mịn. Khi đúc lưu biến, thông thường một trục graphit được dùng để tạo mầm dị thể
cho pha rắn sơ cấp của hỗn hợp rắn-lỏng và khuấy đều để bẻ gẫy các nhánh cây. Còn trong
đúc lưu biến liên tục không cần đến trục khuấy, thay vào đó là một máng nghiêng có thể
tạo một lượng lớn mầm dị thể trong trạng thái bán lỏng. Đây là cơ sở lý thuyết cho một số
phương pháp công nghệ dùng máng nghiêng làm nguội tạo mầm dị thể do T. Haga đề xuất
[20-30].
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.
Trong mấy năm gần đây, nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Công nghệ vật liệu,
Viện Khoa hoc và kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã thực hiện thành
11


công các đề tài trong chương trình nghiên-cứu phát triển vật liệu tiên tiến của thành phố và
nhà nước, nhằm phát triển và ứng dụng các phương pháp đúc bản lỏng cho hợp kim nhôm
công nghiệp [49,51]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu chọn được nhiệt độ rót kim loại
lỏng hợp lý để tạo ra một lượng dồi dào các tâm mầm dị thể, trong một khoảng thời gian
đủ để cản trở nhánh cây phát triển và pha lỏng không bị quá nguội, thì có thể tạo được một
hỗn hợp rắn-lỏng trực tiếp từ kim loại lỏng mà không cần trục khuấy.
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.

2. Mục đích của đề tài
- Khảo sát và 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.
- 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.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: hợp kim nhôm A356 được lựa chọn là đối tượng nghiên cứu
công nghệ đúc lưu biến liên tục và làm cơ sở cho việc áp dụng chế tạo tấm hợp kim nhôm.
- Phạm vi nghiên cứu: quá trình nghiên cứu thực nghiệm phương pháp đúc lưu biến liên
tục và áp dụng chế tạo tấm hợp kim nhôm A356 được thực hiện trong phạm vi phòng thí
nghiệm.

4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp, đánh giá tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc lưu biến liên tục
cho hợp kim A356 để lựa chọn những vấn đề công nghệ cần hoàn thiện/phát triển.
- Tìm hiểu, phân tích và xác định cơ sở lý luận của công nghệ đúc lưu biến liên tục cho
hợp kim A356 để thực hiện nghiên cứu cơ bản về hợp kim A356.
- Mô hình hóa và mô phỏng số quá trình đông đặc khi đúc lưu biến liên tục hợp kim
A356 gồm 2 giai đoạn: đúc lưu biến và đúc liên tục.
- Xác định các thông số công nghệ cơ bản của quá trình đúc lưu biến – liên tục.

5. 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 luận tổng quan, đánh giá và lựa chọn phương án (công nghệ, thiết bị, vật

liệu) thích hợp cho mục đích luận án.
12


- 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.
- Mô hình hóa và mô phỏng số.
- 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.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 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 làm trong công nghiệp và đời sống..

7. Những điểm mới của luận án
- 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 sự tạo mầm mãnh liệt.
- Đã mô phỏng quá trình đúc lưu biến liên tục theo 2 giai đoạn (đúc lưu biến và đúc liên tục), phát
hiện sự liên hệ giữa tỷ trọng và độ cứng, tổ chức và tốc độ nguội, 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, đặc biệt trong trường hợp tấm
mỏng (2 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.
13


8. Bố cục của luận án
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Phụ lục, luận án gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Đối tượng, phương pháp và thiết bị nghiên cứu
Chương 3: Nghiên cứu cơ bản về hợp kim nhôm A356
Chương 4: Nghiên cứu công nghệ đúc lưu biến liên tục
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

14


CHƯƠNG I. 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 [55,56] 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 được 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 thường đã xuất hiện, như vậy làm cho tổ chức tế vi ở trạng thái bán lỏng bao
gồm các hạt tròn được bao quanh bởi pha lỏng (hình 1.1) [14].

Hình 1.1. a) Tổ chức nhánh cây nhận được trong các công nghệ đúc thông thường,
b) Tổ chức dạng cầu (phi nhánh cây) nhận được trong công nghệ đúc bán lỏng [7]

Đó chính là tổ chức tế vi cần đạt được trong công nghệ bán lỏng. Khi cấu trúc bán
lỏng đó được chuyển về trạng thái rắn, các hạt cầu sẽ tích tụ và độ nhớt sẽ tăng lên. Nếu
vật liệu được cắt, các khối tích tụ đó sẽ bị vỡ và độ nhớt giảm. Ở trạng thái bán lỏng, với
khoảng từ 30 đến 50 % pha lỏng, nếu hợp kim được đưa về trạng thái tĩnh (bất động), nó sẽ
tự chịu được trọng lượng của mình và có thể cầm được như chất rắn. Khi bị cắt, chúng sẽ
chảy với một độ nhớt tương đương độ nhớt của dầu máy nặng. Hành vi này được gọi là
hành vi xúc biến (thixotropic), được ứng dụng trong công nghệ bán lỏng và được minh hoạ
ở hình 1.2: hợp kim có thể được cắt và phết như một miếng bơ.

15


Hình 1.2. Hành vi xúc biến của vật liệu ở trạng thái bán lỏng [14]

Lĩnh vực công nghệ bán lỏng đã tồn tại hơn 30 năm và được sự quan tâm ngày càng
tăng, nhờ các kết quả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng phong phú được ghi nhận tại các hội
nghị khoa học định kỳ về công nghệ đúc và luyện kim của các châu lục và thế giới [70].

Công nghệ bán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệ khác trong công nghiệp quốc
phòng, hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô, xe máy (chế tạo phần lớn các chi tiết máy).
Ở châu Âu, các hệ thống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ và thanh ngang trong hệ
thống cấp dầu của bộ nổ đang được chế tạo bằng công nghệ này. Ở Mỹ, đó là các chi tiết
máy cho xe leo núi và xe trượt tuyết. Còn ở châu Á lại tập trung vào sản xuất các chi tiết
trong công nghiệp điện tử như vỏ máy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng hợp kim
magiê nhờ đúc xúc biến (thixomolding). Hình 1.3 [10] cho thấy một số chi tiết được sản
xuất bằng phương pháp tạo hình bán lỏng xúc biến (thixoforming) tại công ty Stampal cho
xe ô tô Alfa.

 
Hình 1.3. Các chi tiết ô tô Alfa của công ty Stampal:
a) Thanh đỡ sau nặng 8,7 kg, hợp kim A357;
b) Khớp nối, làm bằng hợp kim A357 thay cho gang 

1.1.1. Các biện pháp tạo tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây)
a. Khuấy thuỷ động từ (Magnetohydrodynamic stiring-MHD): Đó là việc khuấy bằng
trường điện từ (và như vậy không làm nhiễm bẩn, không cuốn khí và cánh khuấy không bị
mòn như trong trường hợp khuấy cơ học) ở trạng thái bán lỏng để bẻ gãy các nhánh cây.
Nhiều chi tiết bằng hợp kim nhôm được sản xuất cho đến nay sử dụng MHD do hãng
Pechiney và SAG cung cấp. Có một số vấn đề còn tồn tại trong phương pháp này, thí dụ sự
không đồng đều về hình dạng và hạt cầu không hoàn toàn tròn mà vẫn còn dư một số tinh
thể dạng “hoa hồng” [13,18,20,36,38,41,46,63,65,69].
16


b. Phun bột (Spray forming): Là một phương pháp tương đối đắt, dùng để chế tạo các
hợp kim không thể chế tạo bằng con đường khác, thí dụ hợp kim Al-Si với trên 20 % Si.
Phun bột cho phép nhận được tổ chức nhỏ mịn, đều trục. Khi nung nóng lại đến nhiệt độ
bán lỏng thì đây là tổ chức tốt nhất cho quá trình tạo hình xúc biến [6,12,62].

c. Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất (Strain induced melt activated - SIMA) và Kết
tinh lại và nấu chảy một phần (Recrystallization and partial melting - RAP): Đây là 2
phương pháp có những nét tương tự. Vật liệu được chuốt (extrusion), khi được nung nóng
tới trạng thái bán lỏng, quá trình kết tinh sẽ xảy ra; kim loại lỏng đi vào biên giới hạt kết
tinh lại và tạo ra một lớp vỏ bọc hình cầu. Phương pháp SIMA sử dụng biến dạng nóng còn
RAP - biến dạng “ấm”. Ưu điểm của các phương pháp này là tổ chức nhận được có dạng
cầu hơn so với MHD. Nhược điểm chủ yếu là có thể xảy ra sự không đồng nhất trong tổ
chức do mức độ biến dạng trên thiết diện ngang khác nhau, ngoài ra quá trình chuốt là khó
khăn và đắt đối với các thỏi đường kính lớn [14,42,45,60,61,68].
d. Đúc gần nhiệt độ đưởng lỏng (Liquidus/near liquidus casting): Đây là một phương
pháp mới dựa trên việc điều khiển các điều kiện đông đặc. Phương pháp đúc lưu biến mới
(New Rheocasting - NRC) của UBE dựa trên nguyên tắc: kim loại lỏng gần nhiệt độ đường
lỏng được rót vào nồi nghiêng và mầm được tạo trên thành nồi. Kích thước tổ chức nhỏ
mịn vì nhiệt độ gần đường lỏng. Một kỹ thuật khác là phương pháp nhiệt trực tiếp (Direct
thermal method) - phương pháp máng nghiêng, trong đó kim loại lỏng được rót vào khuôn
qua một máng nghiêng. Quá trình tạo mầm xảy ra trên máng và tinh thể hình trụ nhận được
khá mịn. Với phương pháp đúc gần nhiệt độ đường lỏng, tốc độ tạo mầm lớn có thể đạt
được trong toàn bộ thể tích khối kim loại lỏng bị quá nguội [5,17,39,40,45,65,66].

g. Làm nhỏ mịn hạt bằng cách biến tính:
Hợp kim có thể có tổ chức hình cầu, song khó có
thể đảm bảo là cấu trúc có dạng cầu đều đặn và
nhỏ mịn và thể tích phần pha lỏng bị bẫy trong
các hạt cầu nhìn chung tương đối cao.

Bước 1

Nhiệt độ

e. Quá trình MIT mới (new MIT process):

Đây là sự phối hợp giữa khuấy và đúc gần nhiệt
độ đông đặc (hình 1.4) [1]. Trục khuấy cũng có
tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại
lỏng có nhiệt độ cao hơn đường lỏng đôi chút.
Sau khi khuấy vài giây, nhiệt độ kim loại lỏng hạ
xuống mức ứng với tỷ phần pha rắn khoảng vài
phần trăm và trục khuấy được rút ra [19,47,58].

Bước 2

Bước 3

Đường lỏng

Thời gian

Hình 1.4. Phương pháp MIT mới [1]

17


h. Chuyển biến nhiệt bán lỏng (Semi-Solid Thermal Transformation - SSTT): Cấu trúc
hạt cầu có thể đạt được bằng cách nung nóng tổ chức nhánh cây tới nhiệt độ bán lỏng trong
một khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên kích thước hạt nhận được hơi thô (≈ 100 μm).
Trong các phương pháp trên thì các phương pháp a, c, d, e, h thuộc về dạng công nghệ
bán lỏng.
1.1.2. Các dạng công nghệ bán lỏng
Có 2 họ công nghệ chính là lưu biến (rheo-) và xúc biến (thixo-).
a. Phương pháp đúc lưu biến
(rheocasting) dùng cách khuấy hợp kim

trong khi đông đặc để tạo thành trạng
thái sệt/nhão (slurry), sau đó đem rót
trực tiếp kim loại lỏng nhão này vào
khuôn. Việc khuấy trộn kim loại chủ
yếu nhằm hình thành một tốc độ trượt
rất cao giữa các phần tử rắn và cường
độ dòng xoáy này sẽ làm cho các phần
tử rắn kết tinh theo dạng hình cầu. Thiết
bị khuấy có thể dùng cánh khuấy hoặc
máy hai trục xoắn song song (hình 1.5).
Sau khi khuấy, kim loại đã có tổ chức
hình cầu thì tiến hành đúc rót vào khuôn
để chế tạo chi tiết. 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.
Hình 1.5. Máy đúc lưu biến [25]

Bởi vậy đã xuất hiện phương pháp đúc lưu biến cải tiến (New Rheocasting - NRC).
Phương pháp này là sự kết hợp của phương pháp đúc ép thẳng đứng truyền thống với
phương pháp gia công kim loại lỏng để chế tạo ra kim loại có tổ chức hạt dạng cầu (hình
1.6) [11].
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là:
a) Nấu chảy hợp kim, tinh luyện, biến tính.
b) Rót hợp kim vào nồi chứa có kích thước tương tự như xylanh ép của máy đúc áp
lực. Làm nguội có kiểm soát nhiệt độ kim loại trong nồi chứa để tạo ra trạng thái bán lỏng
và tổ chức kim loại hình cầu hoặc gần cầu. Khi kim loại lỏng chạm vào thành nồi chứa,
nhiệt độ lập tức giảm xuống nhiệt độ bán lỏng. Không được quá nhiệt kim loại lỏng quá
nhiều vì sẽ làm tan rã các mầm đã hình thành.
c) Gia nhiệt cho nồi chứa đến nhiệt độ thích hợp để tạo thành trạng thái bán lỏng và

giữ ở nhiệt độ này.
18


d) Rót kim loại vào xylanh máy ép áp lực cao để chế tạo chi tiết. Quá trình điền đầy
khuôn diễn ra chậm chạp và theo hướng từ dưới lên tương tự như đúc áp lực thấp. Kiểu
điền đầy khuôn này sẽ tạo ra chế độ chảy tầng trong khuôn và không khí sẽ bị đẩy ra khỏi
hốc khuôn, tránh được hiện tượng rỗ khí.
Công nghệ này được áp dụng để đúc các hợp kim màu có nhiệt độ nóng chảy thấp. Đặc
điểm nổi bật nhất của đúc lưu biến là tạo ra được tổ chức kim loại dạng cầu hoặc gần cầu.
Bởi vậy, cơ tính của vật liệu được cải thiện rõ rệt.

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý phương pháp New Rheocasting (NRC)[11]

b. Họ công nghệ xúc biến (Thixo-) có:
Đúc xúc biến/Thixocasting/Thixomolding: 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”
khuôn thì tỷ phần pha rắn là khoảng 50 %. Đây là một phương pháp được hãng Magnetti
Marelli ở Ý áp dụng để chế tạo ray nhiên liệu.
Tạo hình xúc biến/Thixoforming là một phương pháp mà ở 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 vào khuôn. Quá trình này được hãng Stampal (Ý) sử dụng để
đúc các chi tiết ô tô, xe máy. Nó cũng được hãng Vforge, US sử dụng để đúc xi lanh, van
trong hệ thống phanh, bơm
trong ô tô, v.v.. (hình 1.7 [26]).
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.

Hình 1.7. Máy ép xúc biến [10]

19


Sự khác nhau giữa đúc lưu biến, đúc xúc biến và dập xúc biến được minh hoạ trên hình
1.8. Có thể thấy quá trình xúc biến (thixo-) phức tạp hơn do có khâu nung trung gian, bởi
vậy tốn thời gian, năng lượng, làm cho giá thành vật đúc tang. Hiện nay các nghiên cứu
ứng dụng đều tập trung chủ yếu vào các quá trình lưu biến (rheo-).

Hình 1.8. Sơ đồ minh họa các công nghệ bán lỏng khác nhau

c. Các phương pháp khác
Đúc nano (Nano-Casting): Là sự phát triển theo quá trình đúc lưu biến với tốc độ nguội
cao hơn. Tổ chức kim loại đạt được sau khi đông đặc có dạng hạt cầu nhỏ mịn.
Đúc compozit (Compo-Casting): Cơ sở của phương pháp này là khuấy trộn các vật liệu
gốm, graphit với kim loại ở trạng thái bán lỏng. Vật liệu được làm nóng trở lại đến nhiệt độ
chảy lỏng sau đó mới rót vào khuôn. Phương pháp này được ứng dụng để chế tạo vật liệu
compozit nền kim lọai (thí dụ, hệ nhôm-graphit làm piston). Ngoài graphit còn có thể sử
dụng các gốm như Al2O3, TiC, TiO2, …
d. Các ưu điểm chính của công nghệ bán lỏng
- Hiệu quả về năng lượng: Kim loại không cần phải đưa tới trạng thái lỏng trong một thời
gian dài.
- Năng suất lao động cũng tương tự như đúc áp lực, thậm chí cao hơn.

- Điền đầy khuôn êm, không cuốn khí và rỗ co nhỏ làm cho các vật đúc được xít chặt và
toàn vẹn (kể cả các vùng thành mỏng), cho phép áp dụng phương pháp này cho hợp kim
bền cao có thể nhiệt luyện được.
- Nhiệt độ xử lý thấp hơn làm giảm sốc nhiệt cho khuôn, kéo dài tuổi thọ khuôn và cho
phép sử dụng các vật liệu làm khuôn phi truyền thống, cho phép chế tạo các loại hợp kim
có nhiệt độ nóng chảy cao như thép dụng cụ và stellite (hợp chất của coban, crôm,
vonfram, molipđen) thường khó tạo hình bằng các phương pháp khác.
- Giảm va đập giữa dòng kim loại với khuôn nên có khả năng chế tạo khuôn bằng phương
pháp tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping).
20


- Tổ chức nhỏ mịn, đồng đều nên các tính chất được cải thiện.
- Sự giảm độ co khi đông đặc làm cho kích thước chính xác hơn, giảm bớt các nguyên
công gia công cơ khí, giảm chi phí gia công cơ và chi phí vật liệu.
- Chất lượng bề mặt thích hợp với việc mạ.
e. Nhược điểm
- Chi phí nguyên liệu ban đầu có thể cao và số lượng các nhà cung cấp là hạn chế.
- Sự hiểu biết và kinh nghiệm về công nghệ này vẫn cần tiếp tục hoàn thiện để có thể dễ
dàng ứng dụng nó cho các chi tiết mới.
- Điều này dẫn đến chi phí chế tạo khuôn cao hơn. Đòi hỏi nhân lực có trình độ và tay
nghề cao hơn so với các phương pháp công nghệ truyền thống.
- Kiểm soát nhiệt độ: Tỷ phần pha rắn và độ nhớt ở trạng thái bán lỏng rất phụ thuộc vào
nhiệt độ. Hợp kim có khoảng kết tinh hẹp đòi hỏi phải được khống chế nhiệt độ chính xác.
Hàng triệu chi tiết đã được chế tạo hàng năm bằng công nghệ bán lỏng. Các chi tiết
bằng hợp kim nhôm được chế tạo bởi phương pháp tạo hình xúc biến và NRC, phục vụ cho
công nghiệp ô tô, xe máy. Đúc xúc biến được ứng dụng ở Nhật để chế tạo các chi tiết nhẹ
bằng hợp kim magiê như vỏ điện thoại di động, máy tính xách tay, camera.
Một số phương án công nghệ đang xuất hiện (thí dụ, quá trình MIT mới). Hiện nay các
nghiên cứu tập trung vào việc phát triển khả năng tạo ra các hợp kim đúc có đặc tính cao.

Phương pháp mô hình hoá sự điền đầy khuôn, đồng thời cần việc tìm kiếm các số liệu thực
nghiệm có thể được sử dụng trong quá trình mô hình hoá đang là những vấn đề thời sự.

1.2. Công nghệ đúc lưu biến
1.2.1. Cơ sở lý thuyết
Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt τ tỷ lệ với tốc độ cắt γ = dγ/dt, và hệ số tỷ lệ là
độ nhớt η. Chất lỏng xúc biến (thixotropic) là chất lỏng phi Newton, tức là ứng suất cắt
không tỷ lệ với tốc độ cắt. Độ nhớt khi đó được gọi là độ nhớt biểu kiến và phụ thuộc vào
tốc độ cắt và tỷ phần pha rắn (hình 1.9). Một số chất lỏng phi tuyến cũng bộc lộ tính đàn
nhớt, tức là chúng tích trữ một loại năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi. Vật liệu
xúc biến (thixotropic) không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi
ứng suất bị dỡ bỏ.
.

Hình 1.9. Quan hệ giữa tốc độ cắt,
tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [28]

21


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 [28]). Khi đó:
τ = τ y + k γ ;
(1.1)
ở đây k là hệ số liên quan tới độ nhớt. Mô hình Herchel-Bulkley là mô hình mà ở đó hành
vi là phi tuyến sau chảy, tức là:
(1.2)
τ = τ y + k γ n ;
trong đó τy là ứng suất chảy tĩnh ; n là tham số.
Koke và Modigell đã sử dụng ứng suất cắt được kiểm soát bởi đồng hồ lưu biến để đo

trực tiếp ứng suất chảy trong hợp kim Sn-15%Pb. Họ đã phân biệt giữa ứng suất chảy tĩnh
khi chất lỏng ở trạng thái nghỉ trước khi chịu ứng suất cắt và ứng suất chảy động khi chất
lỏng chịu cắt liên tục. Kết quả đựơc thể hiện trên hình 1.11 [28]. Có thể thấy ứng suất chảy
tăng khi thời gian nghỉ trước biến dạng tăng do sự tăng mức độ kết tụ.

Phi Newton
Vật liệu Newton

Phi Newton

Phi Newton

Phi Newton

Hình 1.10. Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt
đối với một số dạng hành vi lưu biến [28]

Hình 1.11. Ứng suất cắt sau những quãng nghỉ khác nhau (tr) đối với hợp kim Sn-15%Pb.
a) Quan hệ giữa ứng suất cắt và góc biến dạng; b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời gian nghỉ.
Nhiệt độ 195 oC, tỷ phần pha rắn 0,5; tốc độ nguội 1 oC / phút [28]

22