Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm a356

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .................................................................. 5
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................10
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ......................................................................................13
1.1. Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây) .......................... 13
1.2. Cơ sở lý thuyết về lưu biến ............................................................................... 17
1.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến....................................................................... 19
1.4. Một số nghiên cứu trên thế giới và trong nước .................................................. 21
1.4.1. Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng .......................... 21
1.4.2. Khuấy hoặc rung bằng hệ thống cơ âm ....................................................... 23
1.4.3. Khuấy điện từ............................................................................................. 25
1.4.4. Đúc gần nhiệt độ đường lỏng .....................................................................27
1.4.5. Kết quả nghiên cứu trong nước...................................................................29
1.5. Lựa chọn công nghệ nghiên cứu ........................................................................ 29
1.5.1. Khuấy điện từ............................................................................................. 30
1.5.1.1. Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc ....... 30
1.5.1.2. Các cơ sở điện động lực học của quá trình khuấy.................................31
1.5.2. Khuấy bằng trục graphit ............................................................................. 33
1.6. Hợp kim A356 ..................................................................................................34
1.6.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 34
1.6.2. Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm ......................................................... 35
1.6.3. Hợp kim A356 ........................................................................................... 37
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..42
2.1. Kỹ thuật thực nghiệm ........................................................................................ 42
2.1.1. Nấu luyện và xử lý hợp kim ....................................................................... 42
2.1.2. Hệ thống đo ghi nhiệt độ kỹ thuật số .......................................................... 44
2.1.3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA .................................................... 45
2.1.4. Mô phỏng số .............................................................................................. 45
2.2. Các phương pháp phân tích đánh giá ................................................................ 46

2.2.1. Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức ....................................................... 46
2.2.2. Phân tích Rơnghen ..................................................................................... 47
2.2.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS ..................................................... 47
2.2.4. Đánh giá cơ tính ......................................................................................... 47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ HỢP KIM NHÔM A356......49
3.1. Khoảng nhiệt độ đông đặc của hợp kim A356 ................................................... 49
3.2. Đường cong nguội và tốc độ nguội....................................................................50
3.3. Tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc ..................................................................56
3.3.1. Định nghĩa .................................................................................................56
3.3.2. Xác định tỷ phần pha rắn ........................................................................... 57
3.4. Thành phần, sự tiết pha và sự hình thành tổ chức của Silumin đơn giản ............ 61
3.4.1. Sự hình thành Si thứ nhất và hình dạng pha liên kim ..................................61
3.4.2. Nghiên cứu đánh giá tổ chức ở nhiệt độ cao ............................................ 62
3.4.3. Kết quả phân tích tia X ............................................................................... 63
3.4.4. Kết quả phân tích EDS ............................................................................... 64
3.5. Mô phỏng số .....................................................................................................65
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BÁN LỎNG ......................68
4.1. Phương pháp khuấy điện từ ............................................................................... 68
4.1.1. Khuấy bán lỏng sau đó để nguội cùng cốc khuấy....................................... 68
2


4.1.2. Khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn ......................................................... 70
4.2. Phương pháp khuấy bằng trục graphite ............................................................. 76
4.2.1. Ảnh hưởng của tốc độ quay của trục khuấy. ............................................... 76
4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy ..................................................................80
4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn...................................................................82
4.3. Đánh giá cơ tính................................................................................................ 82
4.3.1. Khuấy điện từ............................................................................................. 82
4.3.2. Khuấy bằng trục graphit ............................................................................. 84

4.4. Kết luận ............................................................................................................ 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................93
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...................................................96
PHỤ LỤC .................................................................................................................97

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hợp kim A356 ................................................................................ 37
Bảng 1.2. Các phản ứng xảy ra trong quá trình đông đặc .................................................. 39
Bảng 1.3 Những pha được tìm thấy qua kính hiển vi điện tử/SEM/EDX của hợp kim A356
........................................................................................................................................ 40
Bảng 1.4 Trình tự tiết pha trong silumin phức tạp ............................................................. 40
Bảng 2.1 Kết quả phân tích thành phần hợp kim A356 sau nấu luyện ............................... 43
Bảng 3.1 Những pha được tìm thấy qua kính hiển vi điện tử/SEM/EDX của hợp kim A356
........................................................................................................................................ 62
Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố hợp kim trong mẫu......................................................... 65
Bảng 3.3 Sai số giữa kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế................................................. 66
Bảng 4.1 Chương trình thực nghiệm bước 1 .....................................................................68
Bảng 4.2 Chương trình thực nghiệm bước 2 .....................................................................70
Bảng 4.3 Chương trình thực nghiệm xét ảnh hưởng của tốc độ khuấy .............................. 77
Bảng 4.4 Chương trình thực nghiệm xét ảnh hưởng của thời gian khuấy và nhiệt độ khuôn
........................................................................................................................................ 81
Bảng 4.5 Độ bền kéo của mẫu khi chưa nhiệt luyện (nhiệt độ khuôn 2500 C) ................... 82
Bảng 4.6 Kết quả thử độ bền nén và độ cứng....................................................................84
Bảng 4.7 Độ bền kéo của mẫu khuấy trục graphit ............................................................. 84

4

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Máy đúc lưu biến [7] ......................................................................................... 14
Hình 1.2 Thiết bị khuấy điện từ [1] .................................................................................. 14
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp NRC. Lớp ô xít hình thành trên bề mặt được đẩy
vào rãnh rửa và quay trở lại lò nấu [4] .............................................................................. 14
Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị “rheomolding” dùng vít xoáy [8].................................................. 15
Hình 1. 5 Quá trình đúc xúc biến [9] ................................................................................ 15
Hình 1.6 Máy ép xúc biến[10] .......................................................................................... 16
Hình 1. 7 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các phương pháp công nghệ bán
lỏng khác nhau ................................................................................................................. 16
Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [37] .................... 17
Hình 1.9 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành
vi .....................................................................................................................................18
lưu biến [1] ...................................................................................................................... 18
Hình 1.10 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 1950 C, tỷ phần pha rắn 0,5, tốc độ nguội 10 0 C / phút [1] ......................... 18
Hình 1.11 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-015% Pb của ...19
các tác giả khác ................................................................................................................ 19
Hình 1.12 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [11] .................... 20
Hình 1.13 Các đường cong chảy của thể huyền phù dạng cụm bông [1] ........................... 20
Hình 1.14 Minh hoạ 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 thị; d) hoa thị dầy;
e) hạt cầu [7] .................................................................................................................... 21
Hình 1.15 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng khi
tốc độ cắt tăng và giảm [12] ............................................................................................. 22
Hình 1.16 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100 s-1 sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối
với hợp kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 [12]................................................... 23

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống rung cơ học tới mẻ kim loại[1]................................................. 24
Hình 1.18 Sơ đồ thiết bị thổi khí [14] ............................................................................... 24
Hình 1.19 Tổ chức tế vi nhận đuợc [14] ........................................................................... 24
Hình 1.20 Tác dụng của độ lớn áp lực [15]....................................................................... 26
Hình 1.21. Tổ trúc tế vi của hợp kim nhôm A356. (a),(b) đúc thường với tốc độ nguội (a)
50 o C/phút và (b) 0,5 o C/phút; từ (c) đến (f) có dao động điện từ: (c) P=0,3bar; (d) và (e)
P=0,52bar (độ phóng đại khác nhau; (f) P=0,35bar trong 10 phút sau đó P=1,16bar trong
15s [15]............................................................................................................................ 26
Hình 1.22 Nhiệt độ kim loại sau khi rót ........................................................................... 27
Hình 1.23 Phương pháp nhiệt trực tiếp a) sử dụng máng nghiêng; b) quá nhiệt thấp [16]..28
Hình 1.24 Khuôn ống thành mỏng [5] .............................................................................. 28
Hình 1.25 Tổ chức tế vi [17] ............................................................................................ 28
Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [18] .................. 28
Hình 1.27 Ảnh tổ chức tế vi hợp kim A356 đúc bán lỏng do Viện Khoa Học & Công nghệ
Vật liệu Việt Nam nghiên cứu .......................................................................................... 29
Hình 1.27 So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau ....................... 30
Hình 1.28 Sơ đồ minh hoạ của quá trình làm nhỏ mịn hạt tinh thể ....................................31
Hình 1.29 Tương tác giữa từ trường chuyển động và một dây dẫn điện [19] ..................... 32
Hình 1.30 Tác động lực giữa dây dẫn có dòng điện chạy qua và nam châm. ..................... 32
Hình 1.31 Nam châm vĩnh cửu được cho di chuyển dọc theo một thỏi đúc để khuấy ....... 32
Hình 1.32 Nguyên lý tạo dao động điện từ cưỡng bức tới kim loại đang đông đặc [15] ...32
5


Hình 1.33 Sơ đồ nguyên lý: (a) nhìn từ trên, (b) nhìn từ trước [15]...................................33
Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT mới [16] .................................................. 34
Hình 1.35 Tạo mầm đồng thể và dị thể ............................................................................. 34
Hình 1.36 Hàm f() với những góc thấm ướt đặc trưng [21] ............................................. 34
Hình 1.37 Các họ hợp kim nhôm [23] .............................................................................. 35
Hình 1.38 Giản đồ pha Al – Si và các dạng tổ chức .......................................................... 36

Hình 1.39 Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (độ bền kéo Rm, độ dẻo A5) [23]
........................................................................................................................................ 37
Hình 1.40 Pha Al5FeSi [39].............................................................................................. 37
Hình 1.41 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc
độ ....................................................................................................................................38
Hình 1.42 Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0.6 oC/s (quan sát
vùng cùng tinh) [25]......................................................................................................... 38
Hình 1.43 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2o C/s [25] ................. 38
Hình 1.44 [26] Phân tích nhiệt đối với hợp kim A356, với tốc độ nguội 0,60C/s. (Vùng xám
cho thấy thời gian xảy ra các phản ứng trong bảng trên) ................................................... 39
Hình 2.1 Lò nấu điện trở ..................................................................................................42
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống khử khí ...................................................................................... 42
Hình 2.3 Lò sấy khuôn .....................................................................................................43
Hình 2.4 Khuôn kim loại đúc mẫu thử độ bền kéo ............................................................ 43
Hình 2.5 Hình ảnh thiết bị tạo mầm sử dụng trong nghiên cứu ......................................... 44
Hình 2.6 Hình ảnh máy khuấy từ ...................................................................................... 44
Hình 2.7 Cốc khuấy inôc ..................................................................................................44
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống ghi đo nhiệt độ .......................................................................... 44
Hình 2.9 Hệ thống ghi đo nhiệt độ kỹ thuật số ..................................................................44
Hình 2.10 Nguyên lí của DTA.......................................................................................... 45
Hình 2.11 Đường cong DTA ............................................................................................ 45
Hình 2.12 Máy phân tích DTA ......................................................................................... 45
Hình 2.13 Sơ đồ quá trình mô phỏng số ........................................................................... 46
Hình 2.14 Hiển vi quang học LeicaDM4000M ................................................................ 46
Hình 2.15 Kích thước mẫu thử độ bền kéo ....................................................................... 47
Hình 2.16 Sơ đồ quy trình gia công mẫu thử độ bền kéo và chụp ảnh tổ chức................... 48
Hình 2.17 Mẫu đo độ cứng ............................................................................................... 48
Hình 2.18 Một số mẫu thử độ bền kéo sau khi gia công .................................................... 48
Hình 2.19 Thiết bị đo độ bền kéo, nén MTS 809 .............................................................. 48
Hình 3.1 Giản đồ pha của hệ hợp kim A356 .....................................................................49

Hình 3.2 Đường cong phân tích nhiệt của hợp kim A356 ................................................. 50
Hình 3.3 Đường nguội (giai đoạn đầu) và đạo hàm bậc 1của nó theo thời gian (tốc độ
nguội) đo được ở vùng thành khuôn ................................................................................. 51
Hình 3.4 Bản vẽ khuôn hai lớp 90 ................................................................................. 51
(khuôn loại 1)................................................................................................................... 51
Hình 3.5. Đường nguội của hợp kim ................................................................................ 52
Hình 3.6. Tốc độ nguội của mẫu có đường kính khác nhau trong cùng một loại khuôn .....52
Hình 3.7 Thiết bị dập áp lực tự tạo ................................................................................... 53
Hình 3.8 Hình ảnh bộ khuôn dập và sơ đồ bố trí cặp nhiệt ................................................ 53
Hình 3.9 Đường nguội của vật đúc trong các loại khuôn khác nhau, khuôn loại 2 ............. 53
Hình 3.10 Khe hở khí giữa lớp vỏ kim loại và thành khuôn .............................................. 54
Hình 3.11 Khe hở khí không hình thành trong trường hợp có áp lực .................................54
Hình 3.12 Tốc độ nguội trong các điều kiện đông đặc khác nhau...................................... 54
Hình 3.13 Tốc độ nguội trung bình của hợp kim trong các điều kiện đông đặc khác nhau.55
6


Hình 3.14 Kết quả đo nhiệt độ trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 .................. 55
Hình 3.15 Tốc độ nguội trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 ........................... 56
Hình 3.16 Đường nguội của kim loại khi có khuấy và không khuấy từ ............................. 57
Hình 3.17 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc cân bằng ............................................ 58
Hình 3.18 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc không cân bằng ..................................58
Hình 3.19 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 theo nhiệt độ trong trường hợp đông đặc cân
bằng .................................................................................................................................58
Hình 3.20 Khoảng nhiệt độ khuấy bán lỏng đối với hợp kim A356 ..................................59
Hình 3.21 Sơ đồ quá trình đo và ghi nhiệt độ tự động ....................................................... 59
Hình 3.22 Đường nguội của hợp kim A356 trong trường hợp nguội gió .......................... 60
Hình 3.23 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 trong trường hợp nguội tự nhiên có khuấy
........................................................................................................................................ 60
Hình 3.24 Hình ảnh Si thứ nhất ........................................................................................ 61

Hình 3.28 Sự chuyển biến pha liên kim ............................................................................ 62
Hình 3.29 Ảnh tổ chức của hợp kim nhôm 356 ở nhiệt độ cao khi nung.Tốc độ nung 100
C/phút. ............................................................................................................................. 63
a) nhiệt độ thường; b) 3000 C; c) 4500 C; d) 5600 C, biên giới hạt bắt đầu chảy ................ 63
Hình 3.30 Mẫu nhiễu xạ rơnghen không có khuấy............................................................ 63
Hình 3.31 Mẫu nhiễu xạ rơnghen có khuấy ...................................................................... 64
Hình 3.32 Các phổ EDS tại các vị trí khác nhau trong hạt ................................................ 64
Hình 3.33 Đồ thị so sánh đường nguội tự nhiên, khuấy điện từ ở 5900 C .......................... 65
Hình 3.34 Đồ thị so sánh đường tốc độ nguội tự nhiên, khuấy ở 5900 C............................ 66
Hình 4.1 Thiết bị khuấy từ bước1 ..................................................................................... 68
Hình 4.2 Nhiệt độ rót 600 0C, các mức từ trường tăng theo trình tự tăng dần từ 2 đến 5....69
Hình 4.3 Nhiệt độ rót 630 0C, các mức từ trường tăng theo trình tự tăng dần từ 2 đến 5....69
Hình 4.4 Ảnh tổ chức mẫu ở mức cường độ từ trường 4 ................................................... 70
Hình 4.5 Ảnh tổ chức mẫu ở mức cường độ từ trường 5 ................................................... 70
Hình 4.6 Tổ chức của mẫu số 23: AL605-4. Khuấy và rót ở 605 0 C, tỷ phần pha rắn 25%,
dập với áp suất 5 atm), tốc độ nguội trung bình ~ 160C/s, cỡ hạt trung bình 40m............ 72
Hình 4.7 Tổ chức của mẫu số 29: AL595-4. Khuấy và rót ở 595 0 C, tỷ phần pha rắn 35%,
dập với áp suất 5 atm), tốc độ nguội trung bình ~ 16 0 C/s, cỡ hạt trung bình 20 m, tương
đối đều và mịn. ................................................................................................................ 72
Hình 4.8 Tổ chức của mẫu số 34: AL585-4. Khuấy và rót ở 585 0 C, tỷ phần pha rắn 47%,
dập với áp suất 5atm, nhiệt độ khuôn 300 C, tốc độ nguội trung bình ~ 16 0C/s, cỡ hạt
không đều, xuất hiện vùng hạt thô. ................................................................................... 72
Hình 4.9 Tổ chức của mẫu số 67: M585-8 (khuấy và rót ở 5850 C, đúc trong khuôn dày
5mm, nhiệt độ khuôn 300 C, tốc độ nguội trung bình ~ 110 C/s, cỡ hạt không đều ........... 73
Hình 4.10 Kết quả tương tự của tác giả Charles Vives [15] .............................................. 73
Hình 4.11 Tổ chức tế vị của mẫu số 62: M595-5, đúc trong khuôn dày 5mm, nhiệt độ
khuôn 1500 C, tốc độ nguội trung bình 11ºC/s, cỡ hạt trung bình 15m. (x100)............... 73
Hình 4.12 Tổ chức tế vi của mẫu số 46: D595-5, đúc trong khuôn dày 10mm, nhiệt độ
khuôn 1500 C, tốc độ nguội trung bình ~14 ºC/s, cỡ hạt trung bình ~ 14 m. (x100)........ 73
Hình 4.13 Tổ chức tế vi của mẫu số 30: AL595-5, có tác dụng của áp lực, nhiệt độ khuôn

1500 C tốc độ nguội trung bình ~16 0 C/s, cỡ hạt trung bình 12m. (x100) ....................... 73
Hình 4.14 Tổ chức của mẫu số 68: DT610-1 (khuấy ở 610 0C, thời gian khuấy là 30s). Ta
thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 20-25m, (x200). ................ 74
Hình 4.15 Tổ chức của mẫu số 69: DT610-2 (khuấy ở 610 0C, thời gian khuấy là 50s). Ta
thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 25m, (x200). ..................... 74
Hình 4.16 Tổ chức của mẫu số 74: DT590-1 (khuấy ở 590 0C, thời gian khuấy là 30s)......74
Hình 4.17 Tổ chức của mẫu số 75: DT590-2 (khuấy ở 590 0C, thời gian khuấy là 50s)......74
7


Hình 4.18 Tổ chức của mẫu số 72: DT600-1 (khuấy ở 6000C, thời gian khuấy là 40s).
(x200). ............................................................................................................................. 74
Hình 4.19 Tổ chức của mẫu số 70: DT610-7 (khuấy ở 610 0C, thời gian khuấy là 30s). Ta
thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, nhưng không đều, cỡ hạt trung bình 25 - 30m,
(x200). ............................................................................................................................. 75
Hình 4.20 Tổ chức của mẫu số 76: DT590-7 (khuấy ở 590 0C, thời gian khuấy là 30s). Ta
thấy hình dạng các hạt co su hướng cầu tròn, nhưng không đều và không được nhỏ mịn
lắm, cỡ hạt trung bình 30m, (x200). ............................................................................... 75
Hình 4.21 Tổ chức của mẫu số 69: DT610-2 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy 50s). (x200).
........................................................................................................................................ 75
Hình 4.22 Tổ chức của mẫu số 79: DTAL-2 (Áp lựp dập 6atm, thời gian khuấy 50s).
(x200). ............................................................................................................................. 75
Hình 4.23 Tổ chức của mẫu số 70: DT610-7 (khuấy ở 6100C, thời gian khuấy 30s). (x200).
........................................................................................................................................ 75
Hình 4.24 Tổ chức của mẫu số 84: DTAL-7 (Áp lựp dập 6atm, thời gian khuấy 30s).
(x200) .............................................................................................................................. 75
Hình 4.25 Sơ đồ bố trí trục khuấy và cặp nhiệt ................................................................ 76
Hình 4.26 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 90: MIT-175-3, Vkh =175 v/ph.,Tk = 250 C, Tkh
= 6200 C . Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước khá nhỏ (~ 20-30 m) ................... 77
Hình 4.27 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 88:

MIT-175-1,Vkh =175 v/ph., Tk = 250 C,
Tkh = 625 C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ mịn (~ 20 m) ................. 77
Hình 4.28 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 91: MIT-175-4, Vkh =175 v/ph., Tk = 50 oC, Tkh
= 620 C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, song kích thước không đều, có những hạt thô .78
(~ 50-60 m).................................................................................................................... 78
Hình 4.29 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 91: MIT-175-4, Vkh =175 v/ph., Tk = 50 C, Tkh
= 625 C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ (~ 20-30 m), lẫn một số hạt thô
........................................................................................................................................ 78
(~ 40-50 m).................................................................................................................... 78
Hình 4.30 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 95 ......................................................................... 78
Hình 4.31 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 93 ......................................................................... 78
Hình 4.32 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 94: MIT-200-3, Vkh = 200 v/ph., Tk = 250C, Tkh
= 610C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 m ........................... 79
Hình 4.33 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 92: MIT-200-1, Vkh = 200 v/ph., Tk = 250C, Tkh
= 615C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 m, tròn đều ............. 79
Hình 4.34 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 99: MIT-225-4, Vkh = 225 v/ph., Tk= 50 C, Tkh
= 620 C. Kích thước hạt trung bình 30 m, tròn đều, xuất hiện khá nhiều hạt nhỏ cỡ 10
m ...................................................................................................................................79
Hình 4.35 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 97: MIT-225-2, Vkh = 225 v/ph., Tk= 50 C, Tkh
= 625 C. Kích thước hạt trung bình 30 m, tròn đều, xuất hiện khá nhiều hạt nhỏ cỡ 10
m ...................................................................................................................................79
Hình 4.36 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 98 : MIT-225-3, Vkh = 225 v/ph., Tk= 250 C, Th
= 620 C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 m, tròn đều, quan sát
thấy rỗ (mũi tên) .............................................................................................................. 79
Hình 4.37 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 96:
MIT-225-1, Vkk = 225 v/ph., Tk= 250 C,
Tkh = 625 C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 m, tròn đều .....79
Hình 4.38 Sự phá vỡ lớp màng ô xýt và sự thâm nhập khí vào kim loại lỏng .................... 80
khi khuấy bằng trục graphit .............................................................................................. 80
Hình 4.39. Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 100: MIT-250-1, Vkk = 250 v/ph., Tk= 250 C,...80

8


Td = 620 C ..................................................................................................................... 80
Hình 4.40. Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 101: MIT-250-2, Vkh = 250 v/ph., Tk= 250 C,...80
Td = 615 C ..................................................................................................................... 80
Hình 4.41. Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 102: MIT-250-3, Vkh = 250 v/ph., Tk= 250 C, Td
= 610 C. Có thể quan sát thấy các phần tử ô xýt nằm lẫn cùng tinh (mũi tên) .................. 80
Hình 4.42 Mẫu số 103: MIT-200-5s ................................................................................. 81
Tkhuôn: 1500 C................................................................................................................ 81
Hình 4.43 Mẫu số 108: MIT-200-10s ............................................................................... 81
Tkhuôn: 1500 C................................................................................................................ 81
Hình 4.44 Mẫu số 112: MIT-200-15s ............................................................................... 81
Hình 4.45 Mẫu số 120: MIT-200-20s ............................................................................... 81
Hình 4.46. Mẫu số 111: MIT-200-15a .............................................................................. 82
Hình 4.47 Mẫu số 113: MIT-200-15e ............................................................................... 82
Hình 4.48 Mẫu số 116: MIT-200-15h............................................................................... 82
Hình 4.49 So sánh độ bền kéo của các mẫu chưa nhiệt luyện............................................ 83
Hình 4.50 Đường cong thử kéo của mẫu số 89 .................................................................85
Hình 4.51 Đường cong ứng suất biến dạng ....................................................................... 85
Hình 4.52 Độ bền kéo của các mẫu khuấy ........................................................................ 85
trục graphite. .................................................................................................................... 85
Hình 4.53 Độ cứng của các mẫu khuấy ............................................................................ 85
trục graphite. .................................................................................................................... 85
Hình 4.54 So sánh độ bền kéo của các mẫu khuấy điện từ và khuấy trục graphite............. 86
Hình 4.55 So sánh tổ chức tế vi của các mẫu khuấy điện từ và khuấy trục graphite .......... 87
Hình 4.56 Ảnh chụp SEM và kết quả phân tích EDX đối với mẫu MIT-200-10ª (N105) ..88
Hình 4.57 Kết quả chụp SEM (oxy mầu xanh) .................................................................89
Hình 4.58 Cửa sổ công nghệ của quá trình ....................................................................... 89
Hình 4.59 So sánh với kết quả đạt được của tác giả nước ngoài ........................................ 90

Hình 4.60 Khoảng nhiệt độ xử lý bán lỏng ...................................................................... 90
Hình 4.61 Liền mạng nhánh cây [25] .............................................................................. 91

9


KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
MHD
SIMA
RAP
NRC
SSTT



Khuấy thủy động lực từ
Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất
Kết tinh lại và nấu chảy một phần
Đúc lưu biến mới
Chuyển biến nhiệt bán lỏng
ứng suất cắt, [Pa]



Tốc độ cắt, [s-1]

k

N


N
i,j
a, h, L
B
F
Rkm
e

Tđ
Tl
T


fs
fl
FCC
DT
AL
DTAL
D
M
Tk
Tkh
MIT
Vkh
tkh

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

Độ nhớt, [Pas]
Tần số, [Hz]
Mật độ dòng điện, [A/m2]
Lần lượt là chiều rộng, chiều cao, dài, [mm]
Độ cảm ứng
Lực điện từ, [N]
Giới hạn bền kéo, [MPa]
Sự dịch chuyển
Góc thấm ướt, [0]
Nhiệt độ đường đặc, [0 C]
Nhiệt độ đường 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 phương tâm mặt
Ký hiệu mẫu khuấy điện từ
Ký hiệu mẫu có áp lực
Ký hiệu mẫu khuấy điện từ; có áp lực
Ký hiệu mẫu trong khuôn dày
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]

10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Các loại vật liệu dạng bột nhão (thixotropic) như thuốc bôi mi mắt, mật ong, một số loại
sơn khi bị cắt sẽ chảy, sau đó lại có thể đặc lại. Độ nhớt của chúng phụ thuộc vào tốc độ
cắt và thời gian. Spencer và các cộng sự là những người đầu tiên phát hiện ra hành vi này
trong hợp kim bán lỏng vào đầu những năm 70 khi khảo sát sự nứt nóng bằng thước đo lưu
biến. Nếu vật liệu bị khuấy liên tục trong quá trình nguội từ trạng thái lỏng hoàn toàn tới
trạng thái bán lỏng thì độ nhớt của nó sẽ thấp hơn nhiều so với khi nó được làm nguội
xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Việc khuấy sẽ bẻ gãy các nhánh cây đã xuất
hiện trước đó, làm cho tổ chức tế vi ở trạng thái bán lỏng bao gồm các hạt tròn được bao
quanh bởi pha lỏng.
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 không chuyển động, 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 không
chuyển động, nó sẽ tự chịu được trọng lượng của mình và có thể cầm được như chất rắn.
Ngay khi bị cắt, chúng sẽ chảy với một độ nhớt tương đương độ nhớt của dầu máy nặng.
Hành vi này được gọi là xúc biến (hành vi thixotropic) và được ứng dụng trong công nghệ
bán lỏng: hợp kim có thể được cắt và phết như một miếng bơ.
Gần 40 năm nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ bán lỏng và sự quan tâm ngày càng
tăng trong lĩnh vực này được đánh dấu bởi các Hội nghị khoa học quốc tế.
Công nghệ bán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệ khác trong công nghiệp quốc
phòng, hàng không vũ trụ và phần lớn các chi tiết máy trong công nghiệp ô tô, xe 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, thí dụ, là các chi tiết máy
cho xe leo núi và xe trượt tuyết, còn ở châu Á sự tập trung được đặt vào việc 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 bằng con đường đúc xúc biến (thixomolding).
Hiện nay, nhu cầu sử dụng các loại hợp kim và đặc biệt là các sản phẩm từ hợp kim có

đặc tính kỹ thuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước là rất lớn. Trong đó có các
loại vật liệu đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô…Vì vậy, việc
nghiên cứu thành công công nghệ đúc bán lỏng sẽ tạo ra bước đột phá trong việc nâng cao
chất lượng các sản phẩm hợp kim, làm cơ sở cho việc phát triển các ngành công nghiệp
này và hình thành một hướng phát triển mới trong việc chế tạo, sản xuất các chi tiết cho
các ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng, công nghiệp ôtô - xe máy và các
sản phẩm cơ khí có đặc tính tiên tiến khác.
Xuất phát từ những cơ sở trên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu là: ”
Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Xác định chế độ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt được
yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏ mịn và cơ tính được
cải thiện.
- Làm cơ sở triển khai áp dụng công nghệ bán lỏng cho hợp kim A356 trong công
nghiệp ô tô, xe máy và công nghiệp quốc phòng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: để nghiên cứu và làm cơ sở cho việc áp dụng công nghệ bán
lỏng, NCS lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356
- Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với
phương pháp đúc lưu biến.
11


4. Nội dung nghiên cứu
- Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc hợp kim ở trạng thái bán lỏng.
- Cơ sở lý luận.
- Thực nghiệm khoa học và kết quả
- Kết luận.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có về công nghệ bán lỏng.

- Thống kê, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực nghiệm trên đối tượng.
- Nghiên cứu, phân tích kết quả thực nghiệm, các kết quả của các tác giả đi trước để áp
dụng cho nghiên cứu.
- Tổng hợp các kết quả xử lý, phân tích kết hợp các tài liệu thu thập để xác định bộ số
liệu, các thông số công nghệ nhằm tối ưu hoá quá trình.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của luận án là một trong những công bố tương đối hoàn thiện và
khá mới ở nước ta. Việc nghiên cứu thành công công nghệ mới này sẽ góp phần:
- Trước hết là xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ bán lỏng ơ nước ta.
- Xây dựng được các thông số công nghệ của phương pháp - khoảng nhiệt độ thích hợp
để chế tạo hợp kim bán lỏng, thời gian để tạo hợp kim bán lỏng, ảnh hưởng của các yếu tố
đến sự hình thành hợp kim bán lỏng, tổ chức tế vi và cơ tính đạt được.
*) Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng triển khai để sản xuất các chi tiết trong
ngành chế tạo ôtô – bánh xe, vỏ động cơ, một số các chi tiết trước đây phải chế tạo từ gang
bền cao hoặc trong ngành chế tạo xe máy – nắp hông máy và các chi tiết bằng hợp kim
nhôm khác.
7. Những điểm mới của luận án
Bên cạnh kết quả nghiên cứu tổng quát là cửa sổ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho
hợp kim A356, quá trình nghiên cứu còn có thêm một số phát hiện đặc biệt:
- Trong quá trình tạo hợp kim bán lỏng bằng phương pháp khuấy điện từ, nhiệt độ của
hợp kim lỏng có sự thay đổi không đáng kể.
- Dưới tác động của quá trình khuấy và thành phần hợp kim nghiên cứu, kết quả nghiên
cứu cho thấy hình thành pha hoá bền trong hợp kim sau khi đúc. Điều này trong đúc áp lực
thông thường không thực hiện được.
- Sự tạo rỗng trong quá trình khuấy điện từ làm giảm đáng kể kích thước pha liên kim ít
ảnh hưởng xấu đến cơ tính của hợp kim.
- Phát hiện có sự tồn tại của Si I trước cùng tinh.
8. Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Khái quát về hợp kim nhôm và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu cơ bản về hợp kim nhôm A356.
Chương 4: Kết quả nghiên cứu công nghệ bán lỏng.

12


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh
cây)
Có nhiều cách đạt được tổ chức phi nhánh cây. Sau đây là các phương pháp chính:
1) 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 phương pháp này, ví dụ sự không
đồng đều về hình dáng và hạt cầu không hoàn toàn tròn mà vẫn còn dư một số tinh thể
dạng “hoa thị”. Đây là quá trình được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án và sẽ được đề
cập kỹ hơn ở phần sau.
2) Phun bột (sprayforrming): là một phương pháp tương đối đắt; dùng để chế tạo các
hợp kim không thể chế tạo bằng con đường khác, ví 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 (thixoforming).
3) 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.
4) Đúc gần nhiệt độ đường 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 [4] 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 xử lý gần đường liquidus. Một kỹ thuật khác là phương pháp nhiệt trực
tiếp (direct thermal method) [5]: trong phương pháp máng nghiêng, kim loại lỏng được rót
vào khuôn qua một máng nghiêng. Quá trình tạo mầm được xảy ra trên máng và tinh thể
hình trụ nhận được khá mịn. Với phương pháp đúc gần nhiệt độ liquidus, tốc độ tạo mầm
lớn có thể đạt được trong toàn bộ thể tích khối kim loại lỏng bị quá nguội.
5) Quá trình MIT mới (new MIT process) [6]: đây là sự phối hợp giữa khuấy và đúc gần
nhiệt độ đông đặc. Trục khuấy cũng có tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại lỏng
có nhiệt độ cao hơn liquidus đôi chút. Sau khi khuấy nhiệt độ kim loại lỏng hạ xuống mức
ứng với tỷ phần pha rắn khoảng mười phần trăm và trục khuấy được rút ra. Đây cũng là
quá trình được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án và sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau.
6) 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.
7) 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 hơi thô (~ 100 m).
Trong các phương pháp trên thì các phương pháp 1, 3, 4, 5, 7 thuộc về dạng công nghệ
bán lỏng.
Các dạng công nghệ bán lỏng
Có 2 họ công nghệ chính là lưu biến (rheo-) và xúc biến (thixo-).
13

Đúc lưu biến (Rheocasting) là một quá trình mà ở đó hợp kim được nguội tới trạng thái
bán lỏng sau đó được ép thẳng vào khuôn không qua các bước đông đặc trung gian. Máy
đúc lưu biến điển hình được trình bày trên hình 1.1[7]. Tổ chức phi nhánh cây có thể đạt
được bằng một loạt các biện pháp, ví dụ khuấy điện từ trong xi lanh ép như trong quá trình
đúc bán lỏng kim loại của hãng Hitachi (hình 1.2[1]) hoặc khuấy cơ học, thúc đẩy quá trình
tạo mầm như trong phương pháp new rheocasting NRC của hãng UBE (hình 1.3[4]).

Hình 1.2 Thiết bị khuấy điện từ [1]

Hình 1.1 Máy đúc lưu biến [7]

Nội dung của phương pháp NRC là rót kim loại ở nhiệt độ trên liquidus một chút vào
nồi thép, sau đó kiểm soát quá trình nguội để đạt được tổ chức dạng cầu trước khi bắn vào
khuôn. Ở đây không cần chế tạo phôi có đặc tính thixotropic và hồi liệu có thể được sẵn
sàng tái sử dụng trong xưởng. Hall và đồng sự đã chứng minh rằng NRC là phương
pháp có chi phí thấp hơn tạo hình xúc biến (thixoforming), do chi phí cho vật liệu ban đầu
thấp hơn.
Lò giữ
nhiệt

Rót kim
loại

Làm
nguội

Gia nhiệt
bổ sung

Đảo

ngược

Đúc

Sản
phẩm

Phụ phẩm và ba via

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp NRC. Lớp ô xít hình thành trên bề mặt được đẩy vào rãnh
rửa và quay trở lại lò nấu [4]

14


Làm khuôn lưu biến
Vít đôi tạo bột nhão
Khung máy
(Rheomoulding) là một
Đầu vào
phương pháp ép kim loại
vào khuôn, đồng hành với
việc khuấy bằng vít xoáy
đơn hoặc vít xoáy kép
(hình 1.4[8]). Kim loại
Khuôn
lỏng được đưa vào một
Hệ thống bắn
tang trống, được làm
nguội đồng thời với việc

khuấy bởi vít xoáy. Vật
liệu bán lỏng sau đó được
Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị “rheomolding” dùng vít xoáy [8]
ép vào khuôn. Phương
pháp này phù hợp với việc chế tạo liên tục một số lượng lớn chi tiết và không đòi hỏi phôi
đặc biệt.
Xúc biến (thixo-) thường liên quan tới một quá trình mà ở đó xuất hiện giai đoạn trung
gian.
Đúc xuc biến (thixomolding) là một phương pháp của hãng “Thoxomat” được cấp bản
quyền. Nó được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nhật và Mĩ để chế tạo các chi tiết bằng
Mg, ví dụ cho máy tính xách tay, máy camera. Cũng như trong trường hợp làm khuôn lưu
biến, bản chất của nó là ép kim loại bán lỏng (nhưng ở dạng thỏi) vào khuôn: thỏi hợp kim
Mg được đưa vào một tang tróng bên trong có vít quay liên tục (hình 1.5[9]) và năng lượng
sinh ra do cắt đủ để đưa thỏi vào trạng thái bán lỏng. Dưới tác dụng của lực cắt tổ chức trở
thành dạng hạt cầu và vật liệu được ép vào khuôn. Mặc dù phương pháp này rất hiệu quả
đối với hợp kim Mg, nhưng khi đúc Al thì vít tải và tang trống thường bị hỏng.

Hình 1. 5 Quá trình đúc xúc biến [9]

Rất nhiều cố gắng để khắc phục nhược điểm này đã được thực hiện, song cho đến nay
vẫn chưa có kết quả khả quan.
Đúc rót xúc biến (thixocasting): hợp kim ban đầu ở trạng thái rắn được xử lý sao cho
khi đạt được trạng thái bán lỏng thì tổ chức của nó là phi nhánh cây. Khi “rót” khuôn thì tỷ
phần pha rắn là khoảng 50%. Đây là một phương pháp được hãng Magnetti Marelli ở Ý 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 bắn 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 1.6[10]).

15


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.
Sự khác nhau giữa
Hình 1.6 Máy ép xúc biến[10]
đúc lưu biến và đúc xúc
biến được minh hoạ trên hình 1.7. Có thể thấy quá trình đúc xúc biến phức tạp hơn do có
khâu nung trung gian, bởi vậy tốn thời gian, năng lượng, làm cho giá thành vật đúc tăng
nên hiện nay các nghiên cứu ứng dụng đều tập trung chủ yếu vào các quá trình đúc lưu
biến.
Ưu điểm và nhược điểm
Cũng như mọi công nghệ chế tạo khác, công nghệ bán lỏng cũng có một số ưu điểm và
nhược điểm.

Hình 1. 7 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các phương pháp công nghệ bán lỏng khác
nhau

a) Đúc xúc biến

b) Đúc lưu biến

Ưu điểm
Các ưu điểm chính của công nghệ bán lỏng, so với đúc áp lực, như sau:
1) Hiệu quả về năng lượng. Kim loại không cần phải được đưa tới trạng thái lỏng
trong một thời gian dài.
2) Năng suất lao động cũng tương tự như đúc áp lực, thậm chí cao hơn.
3) 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.
4) 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 thép không gỉ thường khó tạo hình
bằng các phương pháp khác.
16


5) Giảm va đập giữa dòng kim loại với khuôn cũng mang lại khả năng chế tạo khuôn
bằng phương pháp tạo mẫu nhanh.
6) Tổ chức nhỏ mịn, đồng đều làm cải thiện các tính chất.
7) 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.
8) Chất lượng bề mặt thích hợp với việc mạ.
Nhược điểm
1) Chi phí nguyên liệu ban đầu có thể cao và số lượng các nhà cung cấp là hạn chế.

2) 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.
3) 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.

Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [37]

4) Kiểm soát nhiệt độ. Tỷ phần pha rắn và độ nhớt ở trạng thái bán lỏng phụ thuộc rất
lớn 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 điện thoại di động, máy tính xách tay, camera. Một số
phương án công nghệ đang xuất hiện (ví dụ quá trình MIT mới). Hiện nay mũi nhọn
nghiên cứu tập trung vào việc phát triển khả năng tạo ra các hợp kim có đặc tính cao và mô
hình hoá sự điền đầy khuôn đồng thời với việc tìm kiếm các số liệu thực nghiệm có thể
được sử dụng trong quá trình mô hình hoá.

1.2. Cơ sở lý thuyết về lưu biến
Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt , tỷ lệ với tốc độ cắt , và hệ số tỷ lệ là độ nhớt
. Vật liệu bán lỏng (vật liệu thixotropic) là chất lỏng phi Newton, tức là ứng suất cắt
17


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 1.10a). 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
bán lỏng không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi ứng suất bị dỡ
bỏ.

Nếu chất lỏng bộc lộ ứng suất chảy và có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và
tốc độ cắt, nó được gọi là vật liệu Bingham (hình 1.9[1]). Khi đó:


   y  k . ;

(1.1)

ở đây k là hệ số liên quan tới độ nhớt. Mô hình Herchel-Bulkley là mô hình mà ở đó
hành vi là phi tuyến sau chảy, tức là:


  y k n

(1.2)

Trong  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 của họ đựơc
thể hiện trên hình 1.10[1]. Có thể thấy
ứng suất chảy tăng khi thời gian nghỉ
trước biến dạng tăng do sự tăng mức độ
kết tụ.

Hình 1.9 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ
nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi
lưu biến [1]

Hình 1.10 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
1950 C, tỷ phần pha rắn 0,5, tốc độ nguội 100 C / phút [1]


Mô hình Herchel-Bulkley

  y k n
18


được sử dụng để mô tả các chất lỏng không có điểm chảy dẻo và thể hiện mối tương


quan về năng lượng giữa ứng suất cắt  và tốc độ cắt

 . Nếu số mũ là 1 thì điều đó sẽ dẫn

đến biểu thức giành cho chất lỏng Newton với hằng số k bằng độ nhớt . Ở hình 1.9, độ
nhớt giảm đi khi chịu cắt (shear thinning materials) sẽ có giá trị của n nhỏ hơn 1 và độ nhớt
tăng lên khi chịu cắt (shear thickening materials) sẽ có n lớn hơn 1. Vật liệu bán lỏng chủ
yếu là loại vật liệu độ nhớt giảm đi khi chịu cắt, độ nhớt tăng trở lại khi được giữ ở trạng
thái tĩnh. Người ta cho rằng khi tốc độ cắt rất cao và rất thấp thì chất lỏng thixotropic trở
thành chất lỏng Newton. Điều này được thể hiện ở mô hình Cross:





0   

(1.3)
   
.

 


1 k  n 




mà ở đó khi





 0,   0 và khi



 ,   . Hình 1.11 [1] cho thấy các số

liệu thu được từ một số nghiên cứu cho hợp kim Sn-15%Pb với các tỷ phần pha rắn khác

nhau.

Hình 1.11 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-015% Pb của
các tác giả khác

Độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ. Đối với chất lỏng Newton (ví dụ lưới chất lỏng
trong khối bột nhão bán lỏng), độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng
tới tổ chức tế vi. Như vậy, trong khối bột nhão bán lỏng, tỷ phần pha rắn giảm khi nhiệt độ
tăng, hậu quả là ảnh hưởng tới độ nhớt (hình 1.11). Thêm vào đó, tổ chức tế vi sẽ trở nên
thô hơn do khuếch tán khi nhiệt độ tăng. Đối với vật liệu bán lỏng sau trạng thái nghỉ, sẽ
cần một bước nhẩy về tốc độ, ứng suất cắt sẽ đạt được giá trị tối đa, sau đó giảm dần cho
tới khi đạt giá trị cân bằng ứng với tốc độ cắt (hình 1.12[11]). Tốc độ cắt càng cao sau mỗi
bước thì độ nhớt cân bằng càng thấp. Độ nhớt cực đại sẽ tăng khi thời gian nghỉ tăng.

1.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến
Đâu là nguồn gốc của tính xúc biến? Tầm quan trọng của tổ chức dạng cầu hình thành
khi khuấy đã được đề cập tới ở trên. Hệ kim loại bán lỏng có nhiều điểm chung với thể vẩn


dạng cụm bông (hình 1.13 [1]). Với tốc độ cắt



ứng với điểm ‘a’, tổ chức tế vi bao gồm
19


.


seri các cụm bông lớn. Nếu tốc độ cắt tăng từ




1

tới

 2 , các cụm bông sẽ bị bẻ gẫy cho

tới khi kích thước của chúng ứng với đường cong dòng chảy đi qua điểm ‘b’. Nếu sau đó
.


tốc độ cắt lại giảm xuống



1

, các phần tử riêng biệt bắt đầu va chạm và kết tụ cho tới khi

kích thước cân bằng đạt giá trị phù hợp với tốc độ cắt thấp.

Hình 1.12 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [11]

Trong các hệ kim loại bán lỏng, sự kết
tụ xuất hiện do các phần tử va chạm với
nhau (hoặc do quá trình cắt làm chúng

tiếp xúc với nhau, hoặc, ở trạng thái nghỉ,
do quá trình thiêu kết) và, nếu chúng định
hướng một cách thuận lợi, sẽ tạo ra các
biên. “Định hướng thuận lợi” có nghĩa là,
nếu các phần tử định hướng sao cho năng
lượng biên giới thấp, thì điều đó sẽ thuận
lợi hơn về mặt năng lượng cho sự kết tụ
so với trường hợp hình thành các biên có
năng lượng cao. Nếu một mạng 3D
Hình 1.13 Các đường cong chảy của thể huyền
được hình thành trong toàn bộ thể tích,
phù dạng cụm bông [1]
vật chất bán lỏng sẽ tự chịu được trọng
lượng của nó và có thể được xử lý như
vật rắn. Khi tốc độ cắt tăng, mối liên kết đó giữa các phần tử bị phá vỡ và kích thuớc trung
bình của các cụm giảm đi. Một khi mối liên kết lại hình thành, các phần tử đã kết tụ sẽ
được thiêu kết, với kích thước của chỗ thắt tăng lên theo thời gian.
Độ nhớt ở trạng thái tĩnh phụ thuộc vào cân bằng giữa tốc độ hình thành cấu trúc và tốc
độ phá vỡ cấu trúc. Nó cũng phụ thuộc vào hình thái của phần tử. Hình dáng phần tử càng
gần với hình cầu thì độ nhớt ở trạng thái tĩnh càng thấp. Thêm vào đó, nếu chất lỏng bị bẫy
giữa các phần tử rắn, nó sẽ không đóng góp cho dòng chảy. Như vậy, mặc dù tỷ phần pha
lỏng có thể đạt một giá trị nào đó, được quyết định bởi nhiệt độ (thực sự thì tỷ phần pha
lỏng được dự đoán bởi nhiệt động học không đạt được ngay tức thời khi bị nung nóng trở
20


lại từ trạng thái rắn), trong thực tế, tỷ phần pha lỏng hiệu quả có thể nhỏ hơn bởi lẽ một
phần bị bẫy lại giữa các phần tử rắn. Có nhiều điểm giống nhau và khác nhau giữa đặc tính
của các hệ kim loại bán lỏng và trong các hệ thixotropic khác. Điều này liên quan tới bản
chất của các lực giữa các phần tử. Nhìn chung, các lực giữa các phần tử là: lực hấp dẫn

Van der Waals; lực đẩy không gian do các phân tử macro được hấp thụ; lực đẩy tĩnh điện
do sự có mặt của điện tích cùng dấu trên các phần tử và chất điện môi; lực hấp dẫn tĩnh
điện giữa các điện tích khác dấu tại các vị trí khác nhau trên phần tử (ví dụ sự hấp dẫn
cạnh/mặt giữa các phần tử đất sét). Trong khối bột nhão kim loại bán lỏng không có một
lực nào như vậy.
Cái có thể thực sự xuất hiện trong quá trình
hình thành cấu trúc là một cái gì đó tương
tự sự bám dính trong hiện tượng mòn. Khi
ứng suất cắt xuất hiện, các phần tử bắt buộc
phải tiếp xúc với nhau. Nếu có lợi về mặt
năng lượng cho biên giới rắn – rắn hình
thành, hai phần tử rắn sẽ được giữ ở trạng
thái tiếp xúc. Trong nhiều hệ bôt nhão, lực
Brownian (nhiệt) ngẫu nhiên là đáng kể.
Đối với các phần tử có các hình dáng khác
nhau, sự ngẫu nhiên thường trực đó ảnh
hưởng tới hàm phân bố hướng kính (radial),
tức là sự xắp xếp các phần tử trong không
gian được nhìn từ tâm của bất kỳ một phần
tử nào. Lực Brownian phụ thuộc đáng kể
vào kích thước, và khi kích thước phần
tử nhỏ hơn 1m nó có ảnh hưởng lớn. Tuy
nhiên, trong khối bột nhão kim loại bán
lỏng kích thước của các phần tử riêng biệt
ít nhất cũng khoảng 20 m, do đó lực
Hình 1.14 Minh hoạ về quá trình phát triển
Brownian không có vai trò lớn. Một lực
cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy
khác tác động đến các phần tử là lực dẻo
mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu; b)

dính; nó tỷ lệ với sự khác nhau cục bộ về
nhánh cây phát triển; c) hoa thị; d) hoa thị
lưu tốc giữa phần tử và chất lỏng xung
dầy; e) hạt cầu [7]
quanh. Rất nhiều hệ bột nhão cho thấy tính
“thuận nghịch”, tức là khối bột nhão có đặc tính nhớt ở trạng thái tĩnh ứng với tốc độ cắt
cho trước và với tỷ phần pha rắn đã định, không phụ thuộc vào quá trình cắt trước đó. Tuy
nhiên, trong các khối bột nhão hợp kim bán lỏng, sự hình thành hình dáng (và kích thước)
của phần tử theo thời gian và quá trình khuấy là không thuận nghịch (hình 1.14[7]). Độ
nhớt đo được khi đó có khả năng phụ thuộc vào quá trình cắt và xử lý nhiệt trước đó. Sự
phụ thuộc đó làm cho việc mô hình hoá trở nên khó khăn hơn.

1.4. Một số nghiên cứu trên thế giới và trong nước
1.4.1. Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng
Động lực học chất lỏng tính toán có thể được sử dụng để dự đoán quá trình điền đầy
khuôn. Trong quá trình tạo hình bán lỏng khối bột nhão trải qua một sự tăng đột ngột tốc
độ cắt từ trạng thái nghỉ tới 100 s-1 hoặc hơn khi nó đi vào khuôn. Sự thay đổi đó xảy ra
trong khoảng ít hơn 1s. Như vậy, việc đo phản xạ lưu biến chuyển tiếp trong điều kiện tốc
độ cắt thay đổi nhanh là một điều tối cần thiết cho việc mô hình hoá quá trình điền đầy
khuôn và thiết kế khuôn chính xác cho công nghiệp. Điều này có thể được khảo sát bằng 2
dạng thực nghiệm. Thứ nhất, qua sự thay đổi nhanh chóng tốc độ cắt trong đồng hồ lưu

21


biến và thứ hai, bằng thí nghiệm nén nhanh, ví dụ, ngay trong máy tạo hình bán lỏng hoặc
trong đồng hồ nhớt khi rèn giọt.
Sự thay đổi nhanh tốc độ kéo trong đồng hồ lưu biến
Các nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp bao gồm của Kumar, Quaak, Peng và Wang,
Mada và Ajersch, Azzi và đồng sự, Koke và Modigell, Liu và đồng sự [12]. Hai loại thời

gian nghỉ được định lượng: 1) thời gian phá vỡ và 2) thời gian hình thành. Thời gian phá
vỡ là thời gian đặc trưng để khối bột nhão có thể đạt được các điều kiện ở trạng thái ổn
định sau khi tốc độ cắt thay đổi từ giá trị thấp hơn tới giá trị cao hơn, trong khi thời gian
hình thành là sau khi tốc độ cắt thay đổi từ giá trị cao hơn đến giá trị thấp hơn. Các nhà
nghiên cứu này đã tìm ra rằng thời gian phá vỡ nhanh hơn thời gian hình thành. Điều này
đã được dự đoán, bởi lẽ việc phá vỡ các mối “liên kết” giữa các phần tử rắn dạng cầu kết tụ
có vẻ như dễ dàng hơn là việc hình thành các mối liên kết trong quá trình giảm tốc độ cắt.
Quaak sử dụng hai quãng thời gian đặc trưng trên để mô tả bước nhẩy về tốc độ cắt. Ông
giả thiết rằng trong quá trình thay đổi tốc độ cắt, khối bột nhão trải qua một quá trình hình
thành/phá vỡ ban đầu khá nhanh, sau đó là một quá trình chậm rãi hơn phụ thuộc vào
khuếch tán. Quaak đã đưa ra hình 1.15 [12] như là cơ sở về sự hình thành tổ chức tế vi.
Ngay lập tức sau khi thay đổi tốc độ cắt, cấu trúc vẫn giữ nguyên hình thái (đẳng cấu
trúc). Tiếp theo là một quá trình rất nhanh sau đó là một quá trình chậm liên quan tới
khuếch tán, làm cho tổ chức bị thô ra và cầu hoá.
Nghiên cứu của Liu và các đồng sự đã thực hiện với tốc độ cắt nhanh nhất (~1 kHz).
Tốc độ này nhanh hơn rất nhiều so với các tác giả khác (200 Hz, 9 Hz) và cho phép bắt
được các quá trình rất nhanh. Kết quả đối với bước nhẩy tốc độ cắt từ 0 đến100s-1 sau các
quãng thời gian nghỉ khác nhau được chỉ ra trên hình 1.16 [12]. Với thời gian nghỉ dài hơn,
đỉnh của ứng suất ghi được cũng tăng lên. Có thể thấy thời gian nghỉ trước bước nhẩy về
tốc độ cắt càng dài thì thời gian phá vỡ càng ngắn, như vậy sự tăng thời gian nghỉ sẽ làm
tăng kích thước của phần tử rắn và mức độ kết tụ. Các số liệu cho thấy trong quá trình thay
đổi tốc độ cắt, trong vòng khoảng 0,15s cấu trúc bán lỏng sẽ bị bẻ gãy từ trạng thái ban đầu
của nó. Bất kể tốc độ cắt ban đầu là như thế nào thì thời gian phá vỡ vẫn giảm theo sự tăng
của tốc độ cắt cuối cùng.

Hình 1.15 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng khi tốc độ
cắt tăng và giảm [12]

22

Hình 1.16 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100 s-1 sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối với hợp
kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 [12]

Đường cong ứng suất cắt – tốc độ cắt có thể được làm cho hợp với mô hình dày lên do
cắt của Herschel-Bulkley với số mũ của dòng chảy n = 2,07. Koke và Modigell cho rằng
phát hiện đó có tầm quan trọng lớn cho việc mô phỏng các quá trình công nghiệp.
Các số liệu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim nhôm là rất thưa thớt do phần lớn các
đồng hồ lưu biến hiện có trên thị trường không hoạt động ở nhiệt độ bán lỏng của hợp kim
nhôm.
1.4.2. Khuấy hoặc rung bằng hệ thống cơ âm
Như đã biết, việc tạo ra các dao động cưỡng bức và khuấy kim loại lỏng trong thời gian
đông đặc (dao động cơ học và siêu âm, thổi khí, áp đặt từ trường quay, tác động qua lại
giữa các trường điện từ ) có tác dụng làm nhỏ mịn tổ chức. Người ta cho rằng hiệu quả làm
nhỏ mịn hạt của dao động cưỡng bức được thể hiện ở 2 yếu tố. Thứ nhất là dao động
cưỡng bức tạo điều kiện tốt cho kim loại lỏng thấm ướt thành khuôn, nhờ vậy mà quá trình
trao đổi nhiệt giữa chúng trở nên dễ dàng hơn. Điều này được giải thích như sau: vì trong
các điều kiện bình thường bề mặt kim loại lỏng thường bị phủ một lớp màng oxit nên nó
khó tiếp xúc đều với thành khuôn. Dao động cưỡng bức sẽ phá vỡ lớp màng đó và làm cho
kim loại lỏng tiếp xúc tốt hơn với thành khuôn, kết quả là các điều kiện tạo mầm trở nên dễ
dàng hơn, tốc độ đông đặc tăng và tổ chức trở nên nhỏ mịn. Yếu tố thứ hai thể hiện ở chỗ,
các dao động cưỡng bức có tác dụng bẻ gẫy các nhánh cây có chân hình cổ chai và phân
tán chúng vào bể kim loại lỏng làm tâm mầm kết tinh cho các nhánh cây đều trục. Như
vậy, có thể thấy rằng rung có hiệu quả hơn cả là vào giai đoạn đầu của quá trình đông đặc
để các nhánh cây ở vùng thành khuôn có thể bị bẻ gẫy và được phân tán vào bể kim loại
lỏng làm tâm mầm kết tinh cho tinh thể đều trục. Quá trình rung nên kéo dài cho đến khi
nhiệt độ kim loại lỏng chưa xuống thấp hơn một mức nhất định, một mặt để các nhánh cây
phân tán không bị chảy lại hết, mặt khác để chuyển động của chúng trong bể kim loại lỏng
vẫn còn tương đối dễ dàng.
Một số nhà khoa học cũng đó nhận thấy: rung cơ học, cả ở tần số âm thanh hay siêu âm,

khi áp dụng vào quá trình đông đặc kim loại và hợp kim sẽ làm thay đổi đáng kể cả cấu
trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô. Hiệu quả thường thấy nhất là sự kìm hãm vùng tinh thể dạng
cột không mong muốn và phát triển dạng hạt đều trục nhỏ mịn. Trong thực tế, hiệu quả đạt
được khi cho sóng âm thanh cường độ cao hoặc sóng siêu âm đi qua kim loại lỏng có thể
chia thành 3 nhóm chính: làm nhỏ mịn hạt, hiệu quả phân tán và khử khí nghĩa là giảm rỗ
khí. Ngoài ra, người ta cũng thấy những rung động nguồn gốc cơ học cũng tăng tính chảy
lỏng (3 lần) và kết quả là tạo điều kiện thuận lợi cho việc điền đầy khuôn của hợp kim
nhôm. Việc tạo sóng âm hoặc siêu âm đi qua kim loại lỏng thường được tiến hành với thiết
bị chính là máy dao động từ hoặc máy biến áp (hình 1.17[1]). Một trục nối làm bằng
23


graphít, thạch anh hoặc các vật liệu gốm kim loại khác được dựng để truyền dao động tới
kim loại lỏng, và được gá với một máy biến thế bởi một chất gắn đặc biệt. Tuy nhiên,
công nghệ nói trờn có một số hạn chế. Trục dao động bị phân huỷ rất nhanh do bị ngập
chìm trong kim loại lỏng và tạo ra tạp chất không mong muốn. Hơn nữa, cường độ tạo
rỗng là lớn nhất ở vùng gần máy biến áp hoặc gần bề mặt của trục dao động; bởi vậy việc
sử dụng hệ thống này về nguyên tắc chỉ phù hợp trong trường hợp kích thước của hệ nhỏ.
Vả lại, xét về giá cả và sự cồng kềnh của thiết bị thì không thể áp dụng cho việc sản xuất
các thỏi hợp kim nhôm bằng phương pháp đúc liên tục. Như vậy, việc truyền các dao động
âm và siêu âm đến kim loại đang đông đặc là một công việc không dễ dàng và quyết định
ở một mức độ lớn khả năng ứng dụng để cải thiện cấu trúc tế vi của hợp kim đúc. Các nhà
khoa học Mỹ và Thái lan [14] đó phối hợp nghiên cứu việc tạo ra rung động trong khối
kim loại đang đông đặc bằng cách thổi khí, mà sơ đồ của nó được thể hiện trên hình 1.18.
Hợp kim được sử dụng để
nghiên cứu là A357 với nhiệt
độ liquidus là 6150 C và
nhiệt độ đường đặc là 5580
C. Kim loại được nấu trong
nồi thép và được quá nhiệt

tới 630 0 C, sau đó được làm
nguội đến 6250 C thì bắt đầu
thổi khí Ar. Khi nhiệt độ hạ
xuống dưới 580 0 C (khoảng
45% tỷ phần pha rắn) thì
mẫu được lấy ra và được làm
nguội trong nước. Kết quả tổ
chức tế vi đạt được dạng cầu
tròn song khá thô (~ 100 m)
– hình 1.19.

Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống rung cơ học tới mẻ kim loại[1]

Hình 1.18 Sơ đồ thiết bị thổi khí [14]

Hình 1.19 Tổ chức tế vi nhận đuợc [14]

24


1.4.3. Khuấy điện từ
Đây là một phương pháp từ thuỷ động lực học mới nhằm truyền dao động (rung) cưỡng
bức đến kim loại đang đông đặc. Ngược với trường hợp hệ thống cơ-âm thông thường,
phương pháp này cho phép ứng dụng những nghiên cứu cơ bản rất tốt. Những hiểu biết
chính xác cả về áp lực điện từ lẫn về pick dao động sóng cục bộ cho ta thấy rõ hiệu quả của
dòng chảy rung và của hiện tượng tạo rỗng trong việc làm nhỏ hạt. Trong trường hợp tạo
rỗng tốt, có thể đạt được một cấu trúc tế vi nhỏ mịn và đồng nhất trong toàn thỏi đúc. Tạo
rỗng là khái niệm dùng để diễn tả sự hình thành các bọt hoặc rỗ khí trong chất lỏng. Các
bọt này có thể đầy hơi nước, không khí và cũng có thể gần như rỗng. Chúng có thể được
sản sinh khi sóng âm hoặc siêu âm có tần số và cường độ phù hợp đi qua kim loại lỏng. Do

dao động của môi trường, các vùng bị nén và bị hút khí sẽ hình thành. Trong vùng hút khí
một “áp suất âm” có thể tồn tại và các bọt khí hoặc hơi nước có thể hình thành. Trong hầu
hết kim loại lỏng thường có mặt một lượng lớn khí ở dạng bọt nhỏ, thường được sinh ra từ
những túi khí có sẵn. Khí từ dung dịch có thể khuếch tán vào chỗ trống hình thành bởi sự
giãn nở tức thời các của bọt khí không bị hoà tan. Tác dụng của bọt khí trong các quá trình
như làm sạch, phân tán, làm nhỏ mịn hạt chủ yếu là do áp lực rất cao hình thành cục bộ bởi
sự vỡ (xẹp) của bọt. Khi bọt khí bị vỡ, thành của chúng bị ép vào trong cho đến khi chạm
phải các mầm khí hoặc hơi nhỏ bên trong đang chịu nén rất lớn tại thời điểm đó. Người ta
đã chứng minh được rằng, áp suất trong các bọt khí ngay trước khi vỡ có thể đạt đến hàng
nghìn atmosphere. Như vậy, khi những bọt khí biến mất thì sẽ có các sóng va chạm cực kỳ
mạnh xuất hiện và là nguyên nhân của hầu hết các hiện tượng sinh ra. Đặc biệt, trong quá
trình đông đặc của kim loại và hợp kim, các lực sinh ra khi bọt tan vỡ sẽ gây ra dao động
lệch của các tinh thể đang lớn lên. Sự phân chia các tinh thể như vậy sẽ tạo ra rất nhiều các
mầm ở khu vực xung quanh mà các tinh thể mới có thể hình thành từ đó. Các dao động
cũng gây ra các xáo trộn lớn trong kim loại lỏng và kết quả là các mầm vừa hình thành sẽ
phân bố khắp toàn bộ bể chất lỏng, do đó, sự kết tinh sẽ xảy ra trong toàn khối. Hơn nữa,
các dao động cũn có nhiều hiệu quả tương tự như sự phân tán các tinh thể nhỏ mà rất nhiều
trong số chúng sẽ lớn lên, kết quả là cỡ hạt giảm đi. Áp lực tác dụng lên kim loại lỏng đang
đông đặc (hợp kim nhôm được giữ ở nhiệt độ lớn hơn đường lỏng 10o C, sau đó được đưa
về trạng thái bán lỏng (tốc độ nguội khoảng 40 C/phút), là tổng của 2 thành phần: phần
tĩnh và phần dao động (hình 1.20 [15]). Như vậy, nếu biên độ áp lực điện từ lớn hơn áp
suất không khí thì áp lực trong chất lỏng sẽ là âm ở một phần của mỗi chu kỳ (hình 1.20d).
Trong hình 1.20
(a) làm nhỏ yếu (thô) P = 0,25bar;
(b) làm nhỏ do hiệu ứng tốc độ cắt P = 0,52bar;
(c) tác dụng đồng thời của tốc độ cắt và tạo rỗng P=0,84bar;
(d) ưu thế của hiệu quả tạo rỗng tạo ra tổ chức tế vi nhỏ mịn;
(1) Độ lớn áp lực điện từ;
(2) Áp lực tĩnh;
(3) Ứng suất tạo ra trong kim loại lỏng.

Đường chấm chấm tương ứng với sự bắt đầu làm nhỏ mịn hạt đáng kể tạo bởi dao động
dòng chảy; phần gạch chéo là vùng ngưỡng tới hạn của tạo rỗng. Việc tạo rỗng trong kim
loại phụ thuộc rất nhiều vào lượng khí dễ hoá hơi và không hoà tan trong kim loại lỏng;
trong trường hợp hợp kim nhôm thì hydro là yếu tố quyết định. Độ hoà tan của khí hydro
trong hợp kim nhôm phụ thuộc cả 2 yếu tố là áp suất riêng phần của khí và nhiệt độ mẻ
nấu. Tại nhiệt độ không đổi, nồng độ cân bằng của khí tỷ lệ với căn bậc 2 của áp suất riêng
phần. Ví dụ: ở 650 o C thì mức hydro là 0.3 ppm và áp suất cân bằng tương ứng là 0.29bar.
Việc tạo rỗng xảy ra mãnh liệt nhất tại vùng áp suất âm của mỗi chu kỳ hoặc loạt chu kỳ
(hình 1.20d [15]), và sự tạo mầm xảy ra hoặc là do sự thay đổi nhiệt độ kết tinh cân bằng,
gây ra bởi sự thay đổi áp suất khi các bọt khí vỡ hoặc là do sự làm lạnh bề mặt bọt khí do
25


bay hơi. Trong hoàn cảnh đó, các lỗ rỗng có thể xất hiện tại một số điểm trong chất lỏng và
trên bề mặt khuôn, 50 lần trong 1 giây.

Hình 1.20 Tác dụng của độ lớn áp lực [15]

Hình 1.21. Tổ trúc tế vi của hợp kim nhôm A356. (a),(b) đúc thường với tốc độ nguội (a) 50o
C/phút và (b) 0,5o C/phút; từ (c) đến (f) có dao động điện từ: (c) P=0,3bar; (d) và (e) P=0,52bar
(độ phóng đại khác nhau; (f) P=0,35bar trong 10 phút sau đó P=1,16bar trong 15s [15]
Từ hình 1.21 cho thấy sự khác nhau về tổ chức tế vi trong các điều kiện đông đặc khác nhau (có
và không có khuấy điện từ).

26