Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến-áp lực (rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm A356

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Hồng Hải và TS. Nguyễn Văn Chƣơng,
những ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc, phòng Thí nghiệm
tập trung Công nghệ Vật liệu Kim loại, các bộ môn khác thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật
Vật liệu, Trung tâm đào tạo và bồi dƣỡng sau đại học, đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Công nghệ đã động viên và tạo điều
kiện để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin cảm ơn ông Pieter giám đốc phát triển phần mềm MaGma khu vực Đông
Nam á đã giúp đỡ tôi về mô phỏng thiết kế công nghệ đúc áp lực- bán lỏng.
Xin cảm ơn các Anh, Chị và các Bạn đồng nghiệp tại phòng Thí nghiệm Công nghệ
và các Hợp kim đúc, phòng Kiểm định Vật liệu, phòng Thí nghiệm Khuôn kim loại thuộc
Viện Công nghệ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận
án này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các đồng nghiệp, bạn bè, gia
đình và ngƣời thân vì những tình cảm quý giá, sự động viên khích lệ và mong muốn tôi
sớm hoàn thành luận án.

I


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kì công trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Tiến Tài

Hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Hồng Hải
2. TS. Nguyễn Văn Chương

II


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. VII
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... IX
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................X
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................ 5
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ....................................................................................... 9
1.1. Đúc áp lực ....................................................................................................... 9
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của phƣơng pháp đúc áp lực ................ 9
1.1.2. Đặc điểm của quá trình đúc áp lực cao .................................................. 12
1.2. Công nghệ đúc bán lỏng ................................................................................ 15
1.2.1. Các dạng công nghệ đúc bán lỏng ......................................................... 15
1.2.1.1. Đúc xúc biến ............................................................................................... 15
1.2.1.2. Đúc lƣu biến ............................................................................................... 16

1.2.2. Các phƣơng pháp công nghệ tạo vật liệu bán lỏng ................................ 17
1.2.3. Phối hợp giữa đúc lƣu biến- đúc áp lực (Rheo diecasting- RDC) ......... 21
1.3. Tình hình nghiên cứu ở trong nƣớc ............................................................... 24
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 26
2.1. Ảnh hƣởng của áp lực đến tổ chức và tính chất của hợp kim ....................... 26
2.1.1. Ảnh hƣởng của áp lực đến các tính chất nhiệt lý ................................... 26
2.1.2. Ảnh hƣởng của áp lực đến cân bằng pha ............................................... 28

2.1.3. Ảnh hƣởng của áp lực tới các thông số của quá trình kết tinh .............. 29
2.1.4. Những thay đổi về cấu trúc của kim loại và hợp kim khi kết tinh dƣới áp
lực..................................................................................................................... 30
2.2. Đặc điểm của quá trình điền đầy khuôn trong đúc áp lực............................. 32
2.2.1. Dòng chảy tầng ...................................................................................... 32
2.2.2. Dòng chảy rối ......................................................................................... 33
2.2.3. Dòng chảy phân tán ............................................................................... 33
2.3. Mô hình dòng chảy và phƣơng pháp tính toán động lực học chất lỏng ........ 33
2.3.1. Phần tử chất lỏng ................................................................................... 34
2.3.2. Phƣơng trình đặc trƣng dòng chảy......................................................... 34
2.3.3. Phƣơng trình liên tục.............................................................................. 34
2.3.4. Phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng ......................................................... 35
2.3.5. Phƣơng trình bảo toàn mômen ............................................................... 35
2.3.6. Điều kiện nhiệt độ biên (Temperature boundrary condition) ................ 35
III


2.3.7. Trao đổi nhiệt trên miền biên của vùng rắn ........................................... 35
2.3.8. Điều kiện truyền nhiệt đối lƣu (convection boundary condition) .......... 36
2.3.9. Điều kiện truyền nhiệt bức xạ ................................................................ 36
2.3.10. Điều kiện truyền nhiệt kết hợp đối lƣu và bức xạ ................................ 36
2.4. Mô hình k- ................................................................................................... 36
2.5. Cơ sở lý thuyết về lƣu biến ........................................................................... 38
2.6. Cơ sở lý thuyết về quá trình tạo mầm [6] ..................................................... 40
2.6.1. Tạo mầm nội sinh (đồng thể) ................................................................. 40
2.6.2. Tạo mầm ngoại sinh (dị thể) [6] ........................................................... 42
2.7. Đặc điểm của hợp kim Al-Si ......................................................................... 44
CHƢƠNG III. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 47
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu.................................................................................... 47
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 49

3.2.1. Các trang thiết bị sử dụng để nghiên cứu .............................................. 49
3.2.1.1. Thiết bị nấu luyện ....................................................................................... 49
3.2.1.2. Thiết bị khuấy bằng trục graphite ............................................................... 49
3.2.1.3. Thiết bị kiểm tra nhiệt độ ........................................................................... 50
3.2.1.4. Thiết bị đúc áp lực ...................................................................................... 51
3.2.1.5. Phần mềm mô phỏng số ............................................................................. 51

3.2.2. Các phƣơng pháp phân tích đánh giá .................................................... 53
3.2.2.1. Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức ...................................................... 53
3.2.2.2. Thiết bị đo độ cứng tế vi ............................................................................. 53
3.2.2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS .................................................... 54
3.2.2.4. Đo tỷ trọng .................................................................................................. 54
3.2.2.5. Đánh giá cơ tính ......................................................................................... 54

CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM ................................................................................ 56
4.1. Tính toán thiết kế công nghệ khuôn đúc Lƣu biến- áp lực ........................... 56
4.1.1. Tính toán rãnh dẫn ................................................................................. 56
4.1.2. Tính toán hệ thống thông hơi cho khuôn Lƣu biến- áp lực [7].............. 57
4.2. Mô phỏng số quá trình công nghệ đúc Lƣu biến- áp lực .............................. 58
4.2.1. Mô hình vật liệu ..................................................................................... 59
4.2.2. Thông số công nghệ ............................................................................... 59
4.3. Thực nghiệm nấu luyện hợp kim nhôm A356 .............................................. 60
4.3.1. Chuẩn bị chất sơn bảo vệ nồi nấu .......................................................... 60
4.3.2. Chuẩn bị chất sơn dụng cụ (gáo múc, chụp khử khí, que khuấy) .......... 60
4.3.3. Chuẩn bị lò nấu ...................................................................................... 60
4.3.4. Chuẩn bị vật liệu .................................................................................... 60
4.3.5. Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện ........................................................ 61
IV

4.3.6. Nấu luyện và biến tính hợp kim nhôm đúc áp lực ................................. 61
4.4. Thực nghiệm chế tạo phôi mẫu đúc Lƣu biến- áp lực .................................. 62
4.4.1. Chuẩn bị thiết bị khuấy bán lỏng ........................................................... 62
4.4.2. Chuẩn bị thiết bị đúc áp lực ................................................................... 62
4.4.2.1. Các thao tác lắp bộ khuôn........................................................................... 62
4.4.2.2. Chuẩn bị hỗn hợp sơn tách khuôn .............................................................. 63
4.4.2.3. Chuẩn bị dầu bôi trơn đầu pisttông ............................................................ 63
4.4.2.4. Lập trình chế độ đúc áp lực ........................................................................ 63

4.4.3. Chế tạo mẫu thử ..................................................................................... 65
CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN ............................................................. 69
5.1. Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn ................................................ 69
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........................................ 69
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........................................ 73
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........................................ 75
5.2. Kết quả mô phỏng các quá trình truyền nhiệt ............................................... 77
5.2.1. Trƣờng nhiệt độ của vật đúc .................................................................. 77
5.2.2. Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt và biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm
mẫu ................................................................................................................... 79
5.3. Tổ chức tế vi của mẫu đúc Lƣu biến-áp lực .................................................. 81
5.3.1. Sự hình thành pha nền............................................................................ 81
5.3.2. Sự hình thành cùng tinh ......................................................................... 89
5.4. Nghiên cứu phân tích cấu trúc ...................................................................... 92
5.5. Kết quả nghiên cứu về tỉ trọng của hợp kim A356 ....................................... 96
5.5.1. Các chế độ công nghệ ............................................................................ 96
5.5.2. Kết quả xác định tỷ trọng ....................................................................... 96
5.5.2.1. Kết quả xác định tỷ trọng theo chiều dọc mẫu ........................................... 98

5.5.2.2. Kết quả xác định tỷ trọng tại ba vị trí trên mẫu ........................................ 100

5.6. Kết quả nghiên cứu về độ cứng của hợp kim A356 .................................... 102
5.7. Kết quả nghiên cứu về độ bền kéo của hợp kim A356 ............................... 105
CHƢƠNG 6. ỨNG DỤNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM ............................................ 108
6.1. Chế thử sản phẩm Thân bơm ...................................................................... 108
6.1.1. Tính toán rãnh dẫn ............................................................................... 108
6.1.2. Tính toán rãnh hơi ................................................................................ 109
6.1.3. Thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực chi tiết thân bơm BRA50 ......... 109
V


6.1.4. Kết quả chế tạo chi tiết thân bơm BRA50 ........................................... 111
6.2. Chế thử nắp hông động cơ RV125 .............................................................. 113
6.2.1. Tính toán rãnh dẫn ............................................................................... 114
6.2.2. Tính toán rãnh hơi ................................................................................ 114
6.2.3. Thiết kế khuôn đúc Lƣu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 .......... 114
6.2.4. Kết quả chế tạo chi tiết nắp hông RV125 ............................................ 116
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 122
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................ 125
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................ 126

VI


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
HPDC
SSM
MHD

SIMA
RAP
NRC
SSTT
RDC



Đúc áp lực
Công nghệ bán lỏng
Khuấy thủy động lực từ
Kích hoạt pha lỏng dƣới ứng suất
Kết tinh lại và nấu chảy một phần
Đúc lƣu biến mới
Chuyển biến nhiệt bán lỏng
Đúc lƣu biến- áp lực
Ứng suất cắt, [Pa]



Tốc độ cắt, [s-1]

k

N

N
Rkm
e


Tđ
Tl
T


fs
fl
FCC
AL
M
Tk
Tkh
MIT
Vkh
tkh
V1
V2
Tp
x
(1-x)
LA
LB
dp
D
δ
η
R

Hệ số liên quan đến độ nhớt
Ứng suất chảy tĩnh, [Pa]

Tham số
Độ nhớt, [Pas]
Tần số, [Hz]
Giới hạn bền kéo, [MPa]
Sự dịch chuyển
Góc thấm ƣớt, [0]
Nhiệt độ đƣờng đặc, [0 C]
Nhiệt độ đƣờng lỏng, [0 C]
Độ giảm nhiệt độ, [0 C]
Dung dịch rắn hoà tan ít Si
Pha liên kim (Al5FeSi)
Tỷ phần pha rắn, [%]
Tỷ phần pha lỏng, [%]
Lập phƣơng tâm mặt
Ký hiệu mẫu có áp lực
Ký hiệu mẫu trong khuôn mỏng
Ký hiệu nhiệt độ khuôn, [0 C]
Ký hiệu nhiệt độ khuấy, [0 C]
Ký hiệu mẫu khuấy trục graphit
Ký hiệu tốc độ khuấy, [vòng/phút]
Ký hiệu thời gian khuấy, [s]
Thể tích ở trạng thái lỏng, [m3]
Thể tích ở trạng thái rắn, [m3]
Độ chênh nhiệt độ nóng chảy dƣới tác động của áp suất, [0 C]
Nồng độ mol của các cấu tử A
Nồng độ mol của các cấu tử B
Ẩn nhiệt nóng chảy của cấu tử A
Ẩn nhiệt nóng chảy của cấu tử B
Độ chênh áp suất [MPa]
Hệ số khuếch tán

Chiều dài bƣớc nhảy của nguyên tử
Độ nhớt của kim loại lỏng
Hằng số khí

VII


ε
Cb
Ct
N
B
C0

Mức độ thiên tích nội hạt
Nồng độ nguyên tố hợp kim ở biên hạt
Nồng độ nguyên tố hợp kim ở tâm hạt
Mật độ lệch tƣơng đối
Hằng số tích phân
Nồng độ nguyên tố hợp kim

VIII


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy dưới tác động của áp suất [47] ..................................... 27
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của áp lực tới trọng lượng riêng của kim loại và hợp kim [47] .................... 28
Bảng 2.3. Độ quá nguội cần thiết để tạo mầm nội sinh ................................................................... 42
Bảng 3.1 Thành phần hợp kim A 356 ............................................................................................... 48
Bảng 4.1. Chiều dày rãnh hơi trên khuôn đúc ................................................................................. 58

Bảng 4.2. Khối lượng riêng của không khí phụ thuộc nhiệt độ........................................................ 58
Bảng 4.3. Các thông số nhiệt lý của vật đúc .................................................................................... 59
Bảng 4.4. Các thông số nhiệt lý của khuôn kim loại ........................................................................ 59
Bảng 5.1. Thành phần hóa học của hợp kim A356 .......................................................................... 81
Bảng 5.2. Ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh đến tỷ trọng của hợp kim A356........................................ 98
Bảng 5.3. Độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực , áp lực ép tĩnh 200MPa......................................... 102
Bảng 5.4. So sánh độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực và đúc Áp lực, áp lực ép tĩnh 200MPa ..... 103
Bảng 5.5. Độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu đúc với công nghệ chế tạo khác nhau ............. 105

IX


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Rỗ khí xuất hiện tại vị trí bơm dầu của nắp hông động cơ ...................................................... 5
Hình 1.2. Bọt khí tại vị trí trục tay quay và đường bơm dầu ..................................................................... 6
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống chân không hóa khuôn ép, buồng ép và khử khí kim loại lỏng trong chân
không .......................................................................................................................................................... 6
Hình 1.4. Sơ đồ quá trình ô xy ................................................................................................................... 6
Hình 1.5. Mô hình dòng chảy rối (a), dòng chảy tầng (b) ......................................................................... 7
Hình 1.6. Dòng chảy trong đúc áp lực a, và đúc Lưu biến- áp lực b [32] ................................................. 7
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849 ........................................................... 9
Hình 1.8. Máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877 ..................................................................................... 10
Hình 1.9. Sơ đồ máy đúc áp lực của công ty H.H Franklin chế tạo năm 1904 ....................................... 10
Hình 1.10. Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy ............................................................. 11
Hình 1.11. Block động cơ diesel cho động cơ diesel turbo xe Honda Accord 2005, được sản xuất bởi
công nghệ đúc Lưu biến- áp lực [28]. ...................................................................................................... 11
Hình 1.12. Sản phẩm nắp hông động cơ Diezel ....................................................................................... 12
Hình 1.13. Các sản phẩm dạng thanh, càng ............................................................................................ 12
Hình 1.14. Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội.................................................................... 13
Hình 1.15. Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng .................................................................... 13

Hình 1.16. Đồ thị vận tốc và áp suất buồng ép [9] ................................................................................. 14
Hình 1.17. Sơ đồ công nghệ đúc lưu biến và xúc biến ............................................................................. 15
Hình 1.18. Quá trình đúc xúc biến (Thixo-casting) [12] ......................................................................... 16
Hình 1.19. Quá trình đúc lưu biến ........................................................................................................... 16
Hình 1.20. Sơ đồ mô tả sự hình thành tinh thể dạng vê cạnh [12] .......................................................... 16
Hình 1.21. Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các ............................................................. 17
phương pháp công nghệ bán lỏng khác nhau .......................................................................................... 17
Hình 1.22. Phương pháp nhiệt trực tiếp [44] .......................................................................................... 18
Hình 1.23. Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT mới [43] ........................................................................ 20
Hình 1.24 Tổ chức tế vi của hợp kim A356 đạt được bằng phương pháp MIT mới. Kích thước hạt trung
bình ~ 100m [43] ................................................................................................................................... 20
Hình 1.25. Sơ đồ minh họa các bước trong phương pháp đúc GISS [27] ............................................... 20
Hình 1.26. Sơ đồ hệ thống đúc rheo-diecasting dùng vít tải [21] ............................................................ 21
Hình 1.27. So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau [21] .................................. 21
Hình 1.28. Mô tả phương pháp ―Đúc áp lực- GISS‖[27] ........................................................................ 22
Hình 1.29. Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [29] ..................................... 23
Hình1.30. Sơ đồ quá trình đúc lưu biến-áp lực với kênh dẫn uốn khúc................................................... 23
Hình1.31. Mẫu kiểm tra độ bền kéo ......................................................................................................... 23

X


Hình 1.32. Sơ đồ hệ thống công nghệ đúc Lưu biến- áp lực .................................................................... 25
Hình 2.1. Sự dịch chuyển của giản đồ pha dưới tác động của áp suất .................................................... 27
Hình 2.2. Ảnh hưởng của áp suất tới giản đồ pha Al-Si [47] .................................................................. 29
Hình 2.3. Dòng chảy tầng ........................................................................................................................ 32
Hình 2.5. Dòng chảy phân tán ................................................................................................................. 33
Hình 2.4. Dòng chảy rối ........................................................................................................................... 33
Hình 2.6. Phần tử chất lỏng trong không gian 3 chiều [13] ................................................................... 34
Hình 2.7. Mô hình dòng chảy và phần tử khối hữu hạn [13] ................................................................... 34

Hình 2.8. Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến[26] ....................................... 38
Hình 2.9. Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi lưu biến
[25] ........................................................................................................................................................... 39
Hình 2.10. Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [46] ....................................... 40
Hình 2.11. Năng lượng tự do của cụm nguyên tử như hàm của bán kính ............................................... 41
Hình 2.12. Tạo mầm đồng thể và dị thể ................................................................................................... 42
Hình 2.13. So sánh giữa 2 quá trình tạo mầm đồng thể và dị thể. ........................................................... 43
Hình 2.14. Góc thấm ướt  giữa mầm và vật rắn dị thể........................................................................... 43
Hình 2.15. Hàm f() với những góc thấm ướt đặc trưng ......................................................................... 44
Hình 2.16. Giản đồ pha Al-Si và các dạng tổ chức .................................................................................. 45
Hình 2.17. Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (độ bền Rm, độ dẻo A5) [11] ......................... 45
Hình 2.18. Pha liên kim  (Al-Fe-Si) có dạng hình tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính .......................... 46
Hình 3.1. Các họ hợp kim nhôm[14]........................................................................................................ 47
Hình 3.2. Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6
0

C/s[35] .................................................................................................................................................... 48

Hình 3.3. Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0.6 0C/s (quan sát vùng cùng tinh)48
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0.2 0C/s ................................................ 48
Hình 3.5. Lò điện trở dung tích 150kg/mẻ cho nấu hợp kim nhôm .......................................................... 49
Hình 3.6. Thiết bị tạo mầm bằng trục graphite ........................................................................................ 50
Hình 3.7. Đồng hồ đo nhiệt độ không tiếp xúc Raytek: RAYRPM40LU3 ................................................ 51
Hình 3.8. Đồng hồ đo nhiệt độ trực tiếp SEIKO: TC-550........................................................................ 51
Hình 3.9. Máy đúc áp lực ZDC420TPS.................................................................................................... 51
Hình 3.10. Sơ đồ quá trình mô phỏng số.................................................................................................. 52
Hình 3.11. Thiết bị hiển vi quang học LeicaDM4000M ........................................................................... 53
Hình 3.12. Thiết bị đo độ cứng tế vi FM – 700 ........................................................................................ 53
Hình 3.13. Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS ................................................................................. 54
Hình 3.14. Thiết bị cân tỷ trọng ............................................................................................................... 54

Hình 3.15. Mẫu đúc áp lực....................................................................................................................... 55

XI


Hình 3.16. Mẫu kiểm tra độ bền kéo, độ cứng ......................................................................................... 55
Hình 3.17. Máy thử kéo vạn năng Super ―L‖, Model 400 của hãng Tinius Olsen (Mỹ) ......................... 55
Hình 3.18. Mẫu đo độ cứng...................................................................................................................... 55
Hình 3.19. Mẫu đo tỷ trọng ...................................................................................................................... 55
Hình 4.1. Mô hình khuôn đúc áp lực, vật đúc .......................................................................................... 60
Hình 4.2. Bảng điều khiển của máy đúc áp lực cao 420 tấn .................................................................... 63
Hình 4.3. Các giai đoạn chuyển động chính của piston........................................................................... 64
Hình 4.4. Thiết bị khuấy bán lỏng bằng trục graphite ............................................................................. 67
Hình 4.5. Mẫu thử sau đúc ....................................................................................................................... 68
Hình 4.6. Mẫu thử đã gia công ................................................................................................................ 68
Hình 5.1. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=79%, h/H=0,5 ........................... 69
Hình 5.2. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=89%, h/H=0,5 ........................... 70
Hình 5.3. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=94%, h/H=0,5 ........................... 70
Hình 5.4. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=84%, h/H=0,5 ........................... 71
Hình 5.5. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=88%, h/H=0,5 ........................... 72
Hình 5.6. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=93%, h/H=0,5 ........................... 72
Hình 5.7. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=77%, h/H=0,7 ........................... 73
Hình 5.8. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=92%, h/H=0,7 ........................... 74
Hình 5.9. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=94%, h/H=0,7 ........................... 74
Hình 5.10. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=90%, h/H=0,8 ......................... 75
Hình 5.11. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=95%, h/H=0,8 ......................... 76
Hình 5.12. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=97%, h/H=0,8 ......................... 76
Hình 5.13. Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là 6100C ................................... 78
Hình 5.14. Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 185MPa, nhiệt độ rót là 6100C ............................. 78
Hình 5.15. Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 205MPa, nhiệt độ rót là 6100C ............................. 79

Hình 5.16. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của mẫu đúc tại thời điểm 3s với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là
6100C ........................................................................................................................................................ 79
Hình 5.17. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của mẫu đúc đến thời điểm 7s với áp suất 1atm, nhiệt
độ rót là 6100C ......................................................................................................................................... 79
Hình 5.18. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực 185MPa, nhiệt độ rót
là 6100C.................................................................................................................................................... 80
Hình 5.19. 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 ......................................................................................................................................... 80
Hình 5.20. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực 205MPa, nhiệt độ rót
là 6100C.................................................................................................................................................... 80
Hình 5.21. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của vật đúc đến thời điểm 7s với áp lực 205MPa, nhiệt
độ rót là 6100C ......................................................................................................................................... 80

XII


Hình 5.22. Các tinh thể nhánh cây dạng cột ............................................................................................ 81
Hình 5.23. Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim A356 rót từ trạng thái lỏng (6750 C) ..................................... 82
Hình 5.24. Ảnh tổ chức tế vi x500, Đúc áp lực Tk = 1550 C, Tr=6600C, Pt=200MPa ............................. 83
Hình 5.25. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100C,
Pt=185MPa .............................................................................................................................................. 84
Hình 5.26. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C,
Pt=190MPa .............................................................................................................................................. 84
Hình 5.27. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C,
Pt=195MPa .............................................................................................................................................. 85
Hình 5.28. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C,
Pt=200MPa .............................................................................................................................................. 85
Hình 5.29. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250C, Tr = 6100 C,
Pt=205MPa .............................................................................................................................................. 86
Hình 5.30. Ảnh tổ chức (x1000): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C,

Pt=205MPa .............................................................................................................................................. 87
Hình 5.31. a) Sự hình thành tổ chức nhánh cây trong quá trình đông đặc thông thường, b) Sự hình
thành tổ chức khi mầm tạo ra nhiều và lớn lên cạnh tranh ..................................................................... 88
Hình 5.32. a) Hiển vi quang học cho thấy hành vi tạo bề mặt yếu của Si trong công nghệ đúc lưu biếnáp lực, b) Cùng tinh được hình thành trong những vùng không gian nhỏ giữa các hạt. ........................ 90
Hình 5.33. Ảnh hưởng của áp suất tới nhiệt độ nóng chảy và ranh giới pha giả ổn định trong kim loại và
hợp kim ..................................................................................................................................................... 91
Hình 5.34. Hành vi ứng suất-biến dạng của vật liệu ròn và dẻo ............................................................. 93
Hình 5.35. a) Phá hủy cực dẻo; nút thắt cổ chai lớn (một điểm); b) Phá hủy dẻo vừa phải; nút thắt cổ
chai thấy rõ; c) phá hủy ròn: không thắt cổ chai ..................................................................................... 93
Hình 5.36. Các giai đoạn phá hủy dai ..................................................................................................... 93
Hình 5.37. Cấu trúc đặc trưng của phá hủy dẻo: a) ―lúm đồng tiền‖; b) ―gỗ mục‖ .............................. 93
Hình 5.38. Mặt gẫy hình quạt. ................................................................................................................. 94
Mũi tên chỉ vị trí vết nứt xuất hiện ........................................................................................................... 94
Hình 5.39. a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển xuyên qua tinh thể trong trường hợp
phá hủy ròn xuyên tinh; b) Ảnh SEM mặt gãy của gang bền cao ............................................................ 94
Hình 5.40. a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển dọc theo biên giới hạt trong trường hợp
phá hủy ròn theo biên giới hạt; b) Ảnh SEM mặt gãy theo biên giới hạt................................................. 95
Hình 5.41. Mặt gẫy của mẫu MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,....................................................... 95
Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=200MPa ................................................................................................... 95
Hình 5.42. Phân tích EDS ........................................................................................................................ 95
Hình 5.43. Các dạng xốp vi mô điển hình trong vật đúc nhôm ................................................................ 97
Hình 5.44. Sự hình thành rỗ khí vi mô trong vật đúc nhôm với hàm lượng khí cao ................................ 97

XIII


Hình 5.45. Mẫu kiểm tra tỷ trọng ............................................................................................................. 98
Hình 5.46. Tỷ trọng của mẫu đúc Lưu biến-áp lực , Áp lực với các áp suất ép tĩnh khác nhau .............. 98
Hình 5.47. Quan hệ phụ thuộc của hệ số thấm vào nhiệt độ vùng 2 pha hợp kim nhôm (1-Al9 và 2Al4Si)[3] ................................................................................................................................................... 99
Hình 5.48. Việc lọc qua các tinh thể nhánh cây a) khó khăn hơn nhiều (trở lực lớn) so với qua các hạt

cầu tròn b). ............................................................................................................................................. 100
Hình 5.49. Tỷ trọng tại 3 vùng trên mẫu đúc Lưu biến-áp lực và mẫu đúc Áp lực, áp suất ép tĩnh 200
MPa: (a) kết quả mô phỏng, (b, c) kết quả thực nghiệm ........................................................................ 100
Hình 5.50. Độ cứng của mẫu đúc Lưu biến-áp lực tại 3 vị trí với áp lực ép tĩnh 200MPa ................. 102
Hình 5.51. Độ cứng tại vị trí P1 ............................................................................................................. 103
Hình 5.52. Độ cứng tại vị trí P3 ............................................................................................................. 104
Hình 5.53. Độ cứng tại vị trí P2 ............................................................................................................. 104
Hình 5.54. Độ bền kéo của các mẫu đúc với công nghệ chế tạo khác nhau .......................................... 105
Hình 5.55. Chụp ảnh SEM mẫu đúc áp lực x5000 lần, mũ tên chỉ các bọt khí ...................................... 106
Hình 5.56. Chụp ảnh kim tương mẫu đúc áp lực x1000 lần, Si cùng tinh dạng tấm.............................. 106
Hình 5.57. Mẫu đúc áp lực và lưu biến- áp lực được nhiệt luyện ở nhiệt độ T = 5200 C, thời gian 2h107
Hình 6.1. Thiết kế rãnh dẫn chi tiết thân bơm BRA50 ........................................................................... 109
Hình 6.2. Nửa khuôn động thân bơm BRA 50 ........................................................................................ 110
Hình 6.3. Nửa khuôn tĩnh thân bơm BRA 50.......................................................................................... 110
Hình 6.4. Bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 ................................................................................. 110
Hình 6.5. Sản phẩm thân bơm trước (a) và sau hiệu chỉnh rãnh thoát hơi (b) ...................................... 111
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 được so sánh với kết quả mô phỏng. ................................................................................................ 112
Hình 6.7. Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p3= 185 MPa .............................................................. 113
Hình 6.8. Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p3= 200 MPa .............................................................. 113
Hình 6.9. Bộ khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 ...................................................... 115
Hình 6.10. Bộ khuôn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 đã chế tạo ................................... 115
Hình 6.11. Hình ảnh chi tiết RV 125 đúc bằng phương pháp Lưu biến- áp lực .................................... 116
Hình 6.12. Vị trí gia công que thăm dầu nắp hông RV125: a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp
lực, không còn bọt xốp; b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp ................................... 117
Hình 6.13. Vị trí trục khởi động nắp hông RV125: a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp lực,
không cònbọt xốp; b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp............................................ 117
Hình 6.14. Vị trí gia công đường bơm dầu nắp hông RV125; a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp
lực, không còn bọt xốp;b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp .................................... 117

XIV


MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của luận án
Hiện nay, nhu cầu sử dụng các các sản phẩm từ hợp kim có đặc tính kỹ thuật cao của
các lĩnh vực công nghiệp trong nƣớc rất lớn, trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục
vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, máy động lực… mà đa số các chi tiết này
đều đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp đúc áp lực cao do áp lực có ảnh hƣởng rất tốt đến sự
hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim. Tuy nhiên, trong công nghệ đúc áp lực cao do
vận tốc dòng chảy cao từ 20 đến 60 m/s, tạo nên dòng chảy rối, nên những vị trí có độ dày
lớn thƣờng là nơi chứa các khuyết tật dạng khí. Những vị trí ụ dày, thông thƣờng là chỗ lắp
ráp với các chi tiết khác nên đòi hỏi phải có độ sít chặt, độ bền cao. Các khuyết tật dạng
khí xuất hiện ở đây chỉ đƣợc phát hiện khi đã gia công hoàn chỉnh, và sản phẩm bị coi là
hàng phế phẩm.
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 tại
Việt nam.
Nếu dòng chảy rối chuyển thành dòng chảy tầng thì sẽ ít bị cuốn khí hơn. Tuy nhiên,
để đảm bảo đƣợc quá trình điền đầy trong khuôn là chảy tầng thì phải giảm vận tốc dòng
chảy, hạ nhiệt độ của hợp kim đến vùng bán lỏng. Ở trạng thái bán lỏng độ nhớt của hợp
kim sẽ tăng, khả năng điền đầy khuôn kém.
Hiện tƣợng độ nhớt của hợp kim tăng cao khi giảm nhiệt độ xuống dƣới đƣờng lỏng
có thể đƣợc khắc phục bằng cách khuấy ở trạng thái bán lỏng, vì vật liệu khi bị khuấy liên
tục ở trạng thái bán lỏng sẽ có độ nhớt thấp hơn nhiều so với khi đƣợc làm nguội xuống
trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Nhƣ vậy, khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán
lỏng (đƣợc gọi là đúc lƣu biến-áp lực hay rheo-diecasting) thì có thể đạt đƣợc các hiệu quả
sau:
-

Tăng hiệu quả tác động của áp lực trong quá trình kết tinh.

-

Vẫn đảm bảo đƣợc sự điền đầy khuôn do độ nhớt của kim loại lỏng không tăng khi
nhiệt độ hạ thấp.

-

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 hƣớng nghiên cứu là: “Nghiên

cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến- áp lực (rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm
A356”.

1


2. Mục đích nghiên cứu
- Xác định ảnh hƣởng của các thông số công nghệ cơ bản của quá trình rheo-diecasting tới
sự hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim A356.
- Ứng dụng công nghệ đúc “Lƣu 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”.

3. Đối tƣợng 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 phƣơng pháp đúc “Lƣu biến- áp lực”.

4. Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ đúc “Lƣu 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 rheodiecasting.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đúc Lƣu biến- áp lực (rheodiecasting) 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.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu đã công bố
kết hợp với thực tế về công nghệ đúc “Lƣu 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 phƣơng pháp công nghệ “Lƣu biến- áp lực”
+ Phân tích đánh giá tổ chức, kiểm tra cơ, lý, tính các mẫu thử đã đƣợc chế tạo
bằng phƣơng pháp công nghệ “Lƣu biến- áp lực”
- Kỹ thuật sử dụng:
Các thông số về tính chất vật liệu của mẫu thử, sản phẩm sẽ đƣợc nghiên cứu, chế tạo và
đo đạc nhƣ sau:
+ Dùng lò điện trở để nấu luyện hợp kim nhôm A356.

2


+ Sử dụng thiết bị phân tích quang phổ để xác định thành phần hóa học của hợp
kim nhôm A356.
+ Dùng máy đúc áp lực để chế tạo mẫu thử và sản phẩm đặc trƣng.
+ Dùng các thiết bị kiểm định để xác định cơ tính của hợp kim (độ bền kéo, độ
cứng)
+ Dùng hiển vi điện tử SEM và kỹ thuật EDS để phân tích, đánh giá cấu trúc của

hợp kim.
+ Dùng kính hiển vi quang học để đánh giá tổ chức tế vi của hợp kim.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học
- Là nghiên cứu đầu tiên về công nghệ Lƣu biến- áp lực (rheo-diecasting) 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 hƣớng về thiết kế công nghệ khuôn đúc “Lƣu 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 hƣởng của áp lực ép tĩnh tới kích thƣớc 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 dƣới 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
lƣu biến – áp lực.
*) Ý nghĩa thực tiễn
- Luận án đƣa ra các thông số công nghệ cơ bản của quá trình đúc áp lực-lƣu biến
nhƣ: 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 đƣợc kiểm chứng bằng việc đúc thử 02 sản phẩm của
ngành Máy động lực.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể đƣợc 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 lƣợng lớn hơn đƣợc chế tạo từ gang, đáp ứng đƣợc nhu cầu sản xuất chi
tiết đúc khối lƣợng nhẹ, loạt lớn và tăng hiệu suất sử dụng.

7. Những điểm mới của luận án
1. Đã chỉ ra đƣợc khi đúc với áp lực ép tĩnh > 200 MPa thì xuất hiện các hạt có kích
thƣớc nhỏ mịn. Việc phân tích tổ chức tế vi đã phát hiện ra ảnh hƣởng rõ rệt của áp
lực tới sự hình thành tổ chức: một độ quá nguội ở mức trên 2 K đã hình thành góp

3


phần làm cho các mầm kết tinh có kích thƣớc nhỏ có thể ”sống sót”, tạo ra những
hạt tinh thể rất nhỏ mịn.
2. Đã xác định đƣợc mối quan hệ giữa tỉ số của chiều dày rãnh dẫn và chiều dày vật
đúc với tốc độ ép để đảm bảo dòng chảy tầng trong khuôn đúc.
3. Đã phát hiện ra những ƣu điểm rõ rệt của phƣơng pháp đúc lƣu 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.
4. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc kết hợp giữa đúc lƣu 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 phƣơng 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 thƣớc tới hạn của mầm.

5. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc kết hợp giữa đúc lƣu 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.

8. Kiến nghị
Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng hệ thống tự động hóa còn thô sơ và chƣa 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 nhƣ thời gian rót vật liệu bán lỏng vào buồng nạp.

4


ĐẶT VẤN ĐỀ
Một cách để cải thiện hiệu quả sử dụng nguyên nhiên liệu cho ngành công nghiệp ô tô
đã đƣợc áp dụng trong sản xuất đúc nhôm hàng loạt là giảm trọng lƣợng của chi tiết đúc
[45]. Công nghệ đúc áp lực cao (HPDC – High Pressure Die Casting) đã đáp ứng đƣợc nhu
cầu này trong sản xuất chi tiết đúc khối lƣợng nhẹ. Có thể thấy rằng công nghệ đúc áp lực
cao cho phép đúc các chi tiết có thành mỏng, phức tạp với bề mặt chi tiết đúc bóng đẹp và
lƣợng dƣ gia công ít [18]. Các sản phẩm đúc áp lực cao thƣờng có bề dày từ 0,8 mm đến 10

mm, nhƣng trên thực tế thì bề dày 2 mm đến 6 mm sẽ cho kết quả đúc tốt nhất. Tuy nhiên,
trong phƣơng pháp đúc áp lực cao kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn đi qua rãnh dẫn với
vận tốc cao, dẫn tới dòng chảy trong khuôn là dòng phân tán hoặc dòng chảy rối và đây
chính là nguyên nhân tạo ra các oxit, rỗ xốp gây khó khăn cho quá trình xử lý nhiệt sau đó.
Một thí dụ khá điển hình là tại một công ty chế tạo phụ tùng ô tô, xe máy của nƣớc
ngoài chi tiết nắp hông động cơ bị rỗ khí tại các vị trí có ụ dày (hình 1.1).

Hình 1.1. Rỗ khí xuất hiện tại vị trí bơm dầu của nắp hông động cơ

Hiện tƣợng rỗ xốp cũng thƣờng xảy ra tại một số Công ty đúc áp lực hoạt động tại
Việt nam; thí dụ sản phẩm nắp hông động cơ Diesel RV125 bị bọt khí tại vị trí trục tay
quay, đƣờng bơm dầu nhƣ trình bày ở hình 1.2.
Hạn chế trên khiến cho phƣơng pháp đúc áp lực chủ yếu chỉ đƣợc ứng dụng để chế
tạo các chi tiết kết cấu thành mỏng, bề mặt nhẵn đẹp, kích thƣớc chính xác và không đòi
hỏi độ bền quá cao. 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 đƣợc. Để khắc phục nhƣợc điểm này trong
công nghệ đúc áp lực ngƣời ta thƣờng phải đúc rót trong chân không, (hình 1.3) nhƣng chi
phí rất tốn kém. Một cách khác đƣợc gọi là “quá trình ôxy”. Bản chất của nó là ngƣời ta
thay thế không khí trong khuôn bằng ô xy (hình 1.4). Kết quả là các ôxyt kim loại đƣợc
hình thành với kích thƣớc cực nhỏ và ít có hại hơn so với rỗ khí.

5


Bọt khí

Hình 1.2. Bọt khí tại vị trí trục tay quay và đường bơm dầu

Còn có một số phƣơng pháp khác
để chống lại rỗ khí khi đúc áp lực cao

nhƣ ép bằng piston kép (quá trình
akyrad) hay ép cục bộ nhƣng đều rất tốn
kém hoặc làm cho kết cấu của máy đúc
áp lực trở nên rất phức tạp.
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

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống chân không hóa khuôn ép,
buồng ép và khử khí kim loại lỏng trong chân không

nhiên nhƣ 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 kém.
Để độ nhớt của hợp kim không tăng cao
khi giảm nhiệt độ xuống dưới đường
lỏng thì cần:

Hình 1.4. Sơ đồ quá trình ô xy

6


- khuấy kim loại ở trạng thái bán lỏng để bẻ gãy các nhánh cây nếu tỷ phần pha rắn
tƣơng đối lớn.
- đúc ở nhiệt độ gần liquidus (chủ yếu là tạo mầm dị thể)
Nhƣ vậy khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng thì rỗ khí có thể đƣợc 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.
Điều này đã đƣợc chứng minh trong một thí nghiệm đƣợc mô tả ở hình 1.5.

Hình 1.5. Mô hình dòng chảy rối (a), dòng chảy tầng (b)

a

b

Hình 1.6. Dòng chảy trong đúc áp lực a, và đúc
Lưu biến- áp lực b [32]

Việc so sánh dòng chảy rối (hình 1.5 a) trong trƣờng hợp đúc từ trạng thái lỏng và
dòng chẩy tầng (hình 1.5 b) trong trƣờng hợp đúc bán lỏng cho thấy trong trƣờng hợp đúc
bán lỏng khí bị cuốn ít hơn nhiều (mũi tên) khi dòng chảy vƣợt qua một vật cản. Khi chi
tiết đúc là tấm phẳng nhƣ hình 1.6 a, cũng có thể thấy rằng trong trƣờng hợp đúc áp lực với
dòng chảy dòng phân tán khả năng cuốn khí và tạo xốp trong chi tiết đúc sẽ xảy ra. Trong
trƣờng hợp đúc lƣu biến- áp lực quá trình điền đầy xảy ra từ dƣới lên trên, khí sẽ đƣợc
thoát ra ngoài qua các kênh thoát khí, chi tiết đúc sẽ ít bị bọt xốp khí hơn (hình 1.6 b [32]).

7


Có thể thấy đúc bán lỏng (SSP – Semi-Solid Processing) là một phƣơng pháp tiềm
năng để sản xuất các chi tiết có khối lƣợng lớn và có thể khắc phục những thiếu sót của đúc
áp lực cao (HPDC) thông thƣờng khi sản xuất các chi tiết bằng hợp kim nhẹ: dòng chảy
tầng trong quá trình điền đầy khuôn của kim loại bán lỏng cho phép khắc phục vấn đề tạo rỗ
khí và cũng làm giảm co ngót trong quá trình đông đặc [45], do đó có thể đƣợc ngăn chặn
nứt vỡ trong quá trình xử lý nhiệt.

Đó là lý do vì sao phƣơng pháp công nghệ đúc lƣu biến (rheocasting) thƣờng đƣợc
kết hợp với công nghệ đúc áp lực (diecasting) để cho ra đời một phƣơng pháp mới là “Lƣu
biến- áp lực” (RDC- rheo-diecasting) cho kết quả rất tốt.

8


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Đúc áp lực
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của phƣơng pháp đúc áp lực
Đúc áp lực là một phƣơng pháp sản xuất phôi nhằm tạo ra các chi tiết có kích
thƣớc chính xác do chuyển động của dòng kim loại lỏng dƣới tác dụng của áp suất. Đúc áp
lực là một phƣơng pháp đúc đặc biệt mà ở đó kim loại lỏng điền đầy khuôn dƣới tác dụng
của áp lực thay vì cho trọng lực nhƣ trong các phƣơng pháp đúc thông thƣờng khác. Cũng
giống nhƣ các ngành kỹ thuật khác, ngƣời ta không biết chắc chắn thời gian xuất hiện của
ngành đúc áp lực mà chỉ có thể ƣớc lƣợng thời gian ra đời của nó vào khoảng đầu thế
kỷ 19, mặc dù một vài ý tƣởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn nữa vì có
sự liên hệ với việc sản xuất máy in. Máy đúc áp lực đầu tiên Sturgiss đƣợc phát minh
vào năm 1849 (hình 1.7); máy này có buồng nấu chảy kim loại đƣợc đặt phía dƣới.
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849
Cần điều khiển

Cửa điều
Đóng
miệng phun khiển

Đầu
phun

Pitông

trụ trƣợt

Buồng
áp lực

Vào năm 1877, Dusenbery dựa trên nguyên lý của máy Sturgiss để hình thành nên
thế hệ máy mới có bổ sung thêm một pitông rỗng có gắn van một chiều cho phép kim
loại lỏng có thể chảy từ khoang trên xuống khoang dƣới (hình 1.8).
Đặc biệt kể từ năm 1904 ngành đúc áp lực thực sự phát triển khi mà công ty H.H.
Franklin bắt đầu cho xuất hiện những máy đúc áp lực có gắn các thiết bị tự động (hình
1.9); từ đây ngành đúc áp lực đã chuyển sang một bƣớc ngoặt mới song hành với ngành
công nghiệp xe máy, xe hơi và những ngành công nghiệp này đã trở thành khách hàng lớn
của ngành đúc áp lực. Vào những thời gian đầu, ngƣời ta sử dụng hợp kim chì, thiếc để
làm nguyên liệu cho đúc áp lực bởi vì các hợp kim này dễ dàng đúc ở nhiệt độ thấp, hơn
nữa chúng có khả năng chống ăn mòn tốt, nhƣng lại có nhƣợc điểm là rất mềm và khả

9


năng chịu kéo thấp. Ngày nay hai hợp kim này không còn đƣợc sử dụng trong ngành đúc
áp lực nữa. Để khắc phục nhƣợc điểm của chúng thì vào năm 1906 ngƣời ta sử dụng hợp
kim kẽm để thay thế. Vào năm 1914 cùng với sự phát triển của ngành sản xuất động cơ xe
máy và ô tô ngƣời ta đã nghiên cứu và đƣa vào sử dụng hợp kim nhôm do nó có những ƣu
điểm sau: có khả năng chống mài mòn ở nhiệt độ cao, tính đúc tốt và là kim loại tƣơng đối
nhẹ…
Cần điều khiển
Cổ phun

Khuôn áp lực

Hình 1.8. Máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877

Cổ phun
Thanh
nối

Đƣờng khí
Nồi nấu

Chốt khuôn

Cổ phun
Bộ phận
nung

Hình 1.9. Sơ đồ máy đúc áp lực của công ty H.H Franklin
chế tạo năm 1904

10


Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm đƣợc sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp
kim khác. Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm sản phẩm nhôm đúc áp lực đạt giá trị tới 2.5 tỷ
USD. Đúc áp lực rất phù hợp với việc đúc hàng loạt số lƣợng lớn, khối lƣợng chi tiết nhỏ,
thƣờng nặng dƣới 5kg [1] (cũng có trƣờng hợp đúc chi tiết nặng tới 50kg [2] nhƣng giá
thành rất cao). Đúc áp lực có ƣu 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 nhƣ chế tạo chi tiết máy, thiết bị điện, y tế, giáo dục,
hàng không,… và chúng đƣợc phân loại theo nhóm nhƣ sau:
+ Các sản phẩm có dạng ống trụ.

+ Các sản phẩm có dạng thanh, dạng càng.
+ Các sản phẩm có dạng tấm.
+ Các sản phẩm có dạng hộp, đây là loại thƣờng gặp nhiều nhất.
a. Các sản phẩm dạng hộp

Hình 1.10. Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy

Hình 1.11. Block động cơ diesel cho động cơ diesel turbo xe Honda Accord 2005, được sản xuất
bởi công nghệ đúc Lưu biến- áp lực [28].

11