Tiểu luận: về quá trình đúc áp lực

MỤC LỤC

1


Danh mục hình ảnh và bảng biểu

2


Chương 1: Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Đúc áp lực trong khuôn kim loại là phương pháp tạo phôi (sản phẩm) bằng
cách cho kim loại lỏng điền đầy lòng khuôn (bằng kim loại) bằng áp lực cao,
đảm bảo kim loại lỏng điền đầy nhanh chóng hết toàn bộ lòng khuôn nhanh
nhất, hạn chế khuyết tật đúc. Sau đó toàn bộ khuôn và kim loại lỏng được làm
nguội trước khi lấy sản phẩm ra khỏi khuôn.
Khuôn đúc áp lực chịu nhiều tác động khắc nghiệt của môi trường kim loại
lỏng cũng như chất làm nguội do đó tuổi thọ của khuôn là một yếu tố rất được
quan tâm trong ngành đúc áp lực.
Bên cạnh việc sử dụng vật liệu làm khuôn tốt hơn, tối ưu dòng chảy kim
loại trong khuôn, thay đổi chất làm nguội và chống dính khuôn thì việc xử lý bề
mặt khuôn đang là một xu thế được nhiều người quan tâm.
Một số hãng sản xuất khuôn hiện nay đã gần đi đến hoàn thiện công nghệ
phủ các lớp phủ cứng lên bề mặt khuôn tuy nhiên, hiện nay việc lựa chọn
phương án phủ phần lớn dựa theo kinh nghiệm, và đã lập thành các bảng tra
cứu.
Một số tác giả nước ngoài đã bước đầu nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng
của lớp phủ cứng đến tính chất của khuôn, tuy nhiên việc chứng minh đầy đủ,
hoặc đưa ra các công thức tường minh cho việc lựa chọn lớp phủ hay chứng

minh bằng lý thuyết cho việc tăng tuổi thọ của khuôn sau khi có lớp phủ vẫn
đang là phạm vi chưa được sự quan tâm đúng mức.
1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay có một số công trình nghiên cứu của một số tác giả trong nước về
ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến một số thông số kỹ thuật của dụng cụ cắt gọt
hay khuôn hoặc nghiên cứu về phương pháp chế tạo cũng như đánh giá lớp phủ
cứng trên các bề mặt. Tuy nhiên mảng kiến thức về cơ chế tác động và bản chất
của việc tăng độ cứng của lớp phủ vẫn đang bị bỏ ngỏ.

3


Chương 2: Lý thuyết về quá trình đúc áp lực
2.1. Nguyên lý đúc áp lực

Đúc áp lực là phương pháp đúc trong khuôn kim loại mà kim loại lỏng
được đưa vào lòng khuôn và đông đặc dưới áp lực cao. Quá trình đúc được chia
ra thành 5 giai đoạn. Đầu tiên, hai nửa khuôn được đóng lại bằng cơ cấu đóng
khuôn, lực kẹp khuôn thường vào khoảng 65-1000 tấn. Bước thứ hai, kim loại
được “bắn” vào lòng khuôn với vận tốc và áp suất cao (vận tốc dòng kim loại
lỏng khoảng 30-100 m/s, áp suất ép khoảng 50-80 MPa). Bước thứ ba, kim loại
lỏng trong khuôn được đông đặc dưới áp lực cao. Bước thứ tư, dỡ sản phẩm ra
khỏi lòng khuôn. Bước thứ năm, phun dung dịch làm nguội và chống dính lên
bề mặt khuôn.
Đóng khuôn

Nạp kim loại lỏng vào xilanh
Xi lanh chuyển động chậm
Xi lanh chuyển động nhanh

Giữ khuôn và xi lanh chờ đông đặc

Mở khuôn

Phun nước

Đẩy sản phẩm

Phun dung dịch

Phun khí

Gắp sản phẩm

Lùi xi lanh

Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình đúc áp lực

4


a. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nạp
liệu đúc áp lực buồng nóng

b. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nạp liệu đúc
áp lực buồng lạnh
Hình 2: Hai nguyên lý nạp liệu của phương pháp đúc áp lực

2.2. Quá trình điền đầy kim loại lỏng trong khuôn

Để nghiên cứu về quá trình điền đầy kim loại trong khuôn đúc áp lực,
\nhóm nghiên cứu Paul W.Cleary, Joseph Ha, Mahesh Prakash, Thang Nguyen
sử dụng phương pháp thủy động học hạt mịn (SPH: Smoothed-particle
hydrodynamics) tiên đoán về quá trình điền đầy của kim loại lỏng trong khuôn
đúc áp lực với 3 sản phẩm khác nhau: Nắp che bộ vi sai ô tô (Hình 3a), hộp điện
(Hình 3b), nắp khóa cửa (Hình 3c) đã nhận thấy quá trình điền đầy khuôn đúc
áp lực là một quá trình không liên tục, xuất hiện hiện tượng kim loại lỏng bắn
tóe trong lòng khuôn.

a

b

c

Hình 3: Kết quả mô phỏng quá trình điền đầy khuôn khi đúc

5


Để kiểm chứng các kết quả mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng
phương pháp phun trong thời gian ngắn, bản chất của phương pháp là dừng quá
trình phun kim loại vào lòng khuôn trước khi điền đầy, kết quả của việc dừng
đột ngột này là kim loại bị đông đặc chúng ta có thể đối chiếu tình trạng “sản
phẩm” này với kết quả mô phỏng để xác nhận tính đúng đắn của việc mô phỏng.

Hình 4: Đối chứng kết quả mô phỏng và sản phẩm ở 10% và 25%
Hai thí nghiệm này chứng tỏ:
- Kết quả đúc thật không phân mảnh nhiều như kết quả mô phỏng, không

có các mảnh rời ra khỏi “sản phẩm”, có biên giới trơn, mịn hơn so với kết
quả mô phỏng.
- Kết quả đúc không đối xứng như mô phỏng, điều này minh chứng cho
việc khẳng định về quá trình điền đầy có tính “ngẫu nhiên”.
Đồng thời, nhóm cũng thực hiện 2 loạt thí nghiệm khác về ảnh hưởng nhiệt
độ hợp kim đúc và khuôn để kiểm chứng.
Trong Hình 5a, nhiệt độ kim loại đúc lần lượt là nhiệt độ hoàn toàn nóng
chảy của kim loại đúc (TAL) công với số gia nhiệt độ với số gia nhiệt độ +10°C,
0°C, -10°C, -15°C, -20°C, và sản phẩm. Qua các kết quả mô phỏng, chúng ta
nhận thấy khi nhiệt độ kim loại lỏng đưa vào khuôn càng cao, tính linh động của
6


nó càng cao và càng “tự do”, khi kim loại lỏng “tự do” này vào khuôn thường
thể hiện ở trạng thái phun và bắn tóe. Trong khi đó, khi nhiệt độ thấp, sản phẩm
càng liền khối và biên của nó càng trơn mịn. Đối chiếu với sản phẩm thực có
thể khẳng định nhiệt độ khi đưa kim loại lỏng vào khuôn trong thí nghiệm là
trạng thái TAL -10.

a
b
Hình 5: Kết quả mô phỏng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau và sản phẩm
a. Kết quả đối chiếu với sự thay đổi nhiệt độ kim loại đúc
7


b. Kết quả đối chiếu với sự thay đổi nhiệt độ khuôn
Trong Hình 5b, nhiệt độ khuôn được mô phỏng ở 127°C, 77°C, 27°C.
Cũng như khi thay đổi nhiệt độ hợp kim đúc, khi nhiệt độ khuôn tăng lên, tính
linh động của hợp kim đúc cũng tăng lên, kim loại phun vào khuôn tự do hơn và

rời rạc hơn.
Qua các kết quả mô phỏng và thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã đưa ra
một số kết luận:
- Kim loại lỏng đi ra khỏi miệng phun rất nhanh và phân mảnh, các mảnh
này nhanh chóng đi đến cuối khuôn và điền ngược trở lại khuôn dẫn đến
một lượng lớn khong khí trong khuôn không thoát ra ngoài được, gây rỗ
xốp trogn sản phẩm.
- Kim loại lỏng sau khi phun vào có xu hướng trượt theo phương tiếp tuyến
bề mặt tiếp xúc.
- Trạng thái ngẫu nhiên của kim loại khi phun vào vẫn là một thách thức
nghiên cứu, chưa có lý giải đầy đủ hơn.
2.3. Điều kiện xảy ra trong lòng khuôn đúc áp lực

Với các phân tích về quá trình đúc áp lực đã nêu ở phần trước, chúng ta có
thể nhận thấy điều kiện xảy ra trong lòng khuôn đúc áp lực rất khắc nghiệt, cụ
thể ta có:
-

Vận tốc dòng chảy cao (khoảng 30-100m/s)
Nhiệt độ bề mặt cao (xấp xỉ nhiệt độ nóng chảy vật liệu đúc)
Tốc độ biến thiên nhiệt độ cao (do chu kỳ đúc một sản phẩm thấp)
Gradien nhiệt độ cao (khoảng 100°/mm)

Những điều kiện khắc nghiệt này là nguyên nhân làm giảm nhanh tuổi thọ
của khuôn đúc áp lực.
2.4. Các dạng sai hỏng chính của khuôn đúc áp lực

Các nghiên cứu hiện nay đa số chấp nhận khuôn đúc áp lực có 5 dạng sai
hỏng chính, xảy ra tùy thuộc điều kiện cụ thể của từng khuôn và vị trí trong
khuôn:

- Xói mòn: là kết quả của dòng kim loại lỏng chảy với vận tốc cao trong
lòng khuôn.
- Mỏi nhiệt: Là kết quả của việc biến thiên liên tục của nhiệt độ bề mặt
khuôn (tăng khi ép vào và giảm khi phun chất làm mát và chống dính vào
lòng khuôn)
8


- Hàn dính và ăn mòn: xảy ra khi có liên kết hóa học giữa vật liệu đúc và
bề mặt khuôn.
- Vỡ, nứt gãy khuôn: Dạng hỏng này thường xảy ra tại các vị trí góc, cạnh
khuôn.
- Biến dạng khuôn: Dạng hỏng này thường xảy ra tại vị trí mặt phân khuôn
và một số vách mỏng hoặc các vị trí có dòng chất lỏng va đập vào.

Ăn mòn và hàn dính
Kim loại lỏng
Biến dạng
Khuôn
Nứt vỡ

Mỏi nhiệt

Xói mòn

Hình 6: Các dạng hỏng của khuôn

9

Chương 3: Các nghiên cứu về các dạng sai hỏng trên khuôn
đúc áp lực và giải pháp
3.1. Xói mòn

Nhóm tác giả R. Shivpuri, Y.-L. Chu, K. Venkatesan, J.R. Conrad, K.
Sridharan, M. Shamim, R.P. Fetherston khi nghiên cứu quá trình mòn và cơ chế
hỏng của khuôn đúc áp lực đã thí nghiệm đặt các chốt (lõi) trong lòng khuôn
(Hình 7) để theo dõi lượng mòn trong quá trình đúc áp lực.

Hình 7: Sơ đồ bố trí chốt trong khuôn thử và cấu trúc chốt thử
Trong thí nghiệm này, nhóm đã thiết kế một khuôn thử có lòng khuôn là
một hình hộp chữ nhật, trong đó bố trí 2 hàng chốt, hàng chốt thứ nhất bố trí
ngay vị trí miệng phun của hệ thống dẫn, nơi có vận tốc dòng kim loại lỏng cao
nhất, hàng chốt thứ 2 bố trí sát vách phía bên kia của khuôn, nơi có vận tốc
dòng kim loại lỏng thấp nhất. Vận tốc dòng kim loại lỏng thử nghiệm là 50m/s
tại miệng phun. Hợp kim đúc được sử dụng trong thí nghiệm là A390 có thành
phần 16-17% Si, 4-5% Cu, 0,6-1,1% Fe có nhiệt độ nóng chảy 660°C. Vật liệu
chế tạo chốt là H13, có độ cứng 46HRC. Lượng mòn được xác định bằng cách
xác định độ hụt khối lượng của chốt.
-

Thông số công nghệ thử nghiệm:
Nhiệt độ nung hợp kim đúc: 704°C
Áp lực tổng: 6,895MPa
Thời gian điền đầy: 4s
Thời gian giữ đông đặc: 8-10s
Chu kỳ đúc: 35s
10

Mối quan hệ lượng mòn và số lần bắn (đúc) được thể hiện như đồ thị ở hình 8

Hình 8: Biểu đồ quan hệ lượng mòn và số lần đúc
Qua biểu đồ trên nhóm tác giả đã rút ra 3 nhận xét:
- Các chốt cùng hàng thì có lượng mòn tương đương nhau. Điều đó có
nghĩa là các chốt có vị trí có vận tốc dòng kim loại phun qua tương đương
nhau thì lượng mòn cũng tương đương nhau.
- Lượng mòn của các chốt hàng thứ nhất lớn hơn lượng mòn của các chốt
hàng thứ 2, điều đó chứng tỏ lượng mòn trên khuôn đúc áp lực tỷ lệ với
vận tốc kim loại phun qua.
- Lượng mòn bắt đầu thể hiện một cách rõ rệt từ 600 lần đúc trở đi.
Đồng thời với thí nghiệm trên, nhóm tác giả đã phủ một lớp kim loại lên
bề mặt chốt bằng công nghệ cấy ion bằng nguồn plasma. Vật liệu phủ được lựa
chọn là W, Mo, Pt. Sauk hi phủ và thử nghiệm trên khuôn đúc, nhóm tác giả đã
có biểu đồ về lượng mòn như Hình 9

11


Hình 9: Lượng mòn trên chốt đối chứng với H13 sau 1000 lần đúc
Nhóm đã phân tích và tiên đoán nguyên nhân tăng khả năng chống mài
mòn của lớp phủ W như sau:
- Lớp phủ W có độ cứng bề mặt cao cũng có nghĩa là sẽ tạo ra tỷ số γ/p
nhỏ. Trong đó γ là năng lượng bề mặt và p là độ cứng bề mặt. Qua phân
tích, nhóm nhận thấy tỷ số này càng nhỏ thì khả năng chống mài mòn
càng tăng.
- Hệ số dẫn nhiệt của W cao hơn các vật liệu khác.
Cũng nghiên cứu về vấn đề mòn, nhóm tác giả Z.W. Chen và M.Z. Jahedi
cũng thực hiện thí nghiệm theo dõi lượng mài mòn và hàn dính trên bề mặt
khuôn. Trong thí nghiệm này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện bố trí các chốt làm

bằng vật liệu H13 trong lòng khuôn ở hai trạng thái khác nhau: ngay trên rãnh
dẫn (Hình 10a) và trong lòng khuôn (Hình 10b). Bề mặt chốt sau khi đúc được
đánh giá trên kính hiển vi điện tử quét (SEM).

12


Hình 10: Khuôn theo dõi quá trình mòn và hàn dính kim loại
Sau quá trình theo dõi, nhóm nghiên cứu nhận thấy trong ngắn hạn không
tìm thấy dấu vết của việc xuất hiện vết xước do mài mòn trên bề mặt chốt.
Trong khi đó, bề mặt chốt xuất hiện dấu hiệu của việc hàn dính kim loại đúc từ
lần đúc khoảng 100-200.
Từ đó, nhóm đã đưa ra kết luận: Trong ngắn hạn, xói mòn không xảy ra
trước khi xảy ra hàn dính, còn trong dài hạn, cơ chế xảy ra của xói mòn chưa
được nghiên cứu một cách chính xác và đầy đủ.
13


Tiểu kết:
- Xói mòn tỷ lệ với vận tốc dòng kim loại lỏng trong khuôn
- Trong ngắn hạn hầu như không xảy ra xói mòn khuôn
- Trong dài hạn, lượng mòn xảy ra tuy nhiên chưa có nghiên cứu đầy đủ về
cơ chế xảy ra
- Có thể giảm lượng xói mòn bằng một số giải pháp xử lý bề mặt
3.2. Mỏi nhiệt

Nhóm tác giả Anders Persson, Sture Hogmark, Jens Bergström trong thí
nghiệm với 3 loại vật liệu chịu nhiệt thông thường dung để làm khuôn đúc áp
lực gồm H13, QRO 90, Hotvar, đồng thời phủ CrN, TiAlN, CrC lên bề mặt
khuôn của 3 loại vật liệu này để thí nghiệm. Các thí nghiệm được thực hiện ở

nhiệt độ 700 và 850°C. Chu kỳ gia nhiệt và làm lạnh lần lượt là 14,4s và 26,4s.
Kết quả về các vết nứt nhiệt được quan sát trên kính hiển vi điện tử quét.
Kết quả đo lường khi soi trên kính hiển vi điện tử quét được thể hiện như
trên Hình 11 và Hình 12.

Hình 11: Chiều dài lớn nhất, chiều dài trung bình vết nứt và mật độ vết nứt vật
liệu QRO 90

14


Hình 12: Chiều dài lớn nhất, chiều dài trung bình vết nứt và mật độ vết nứt vật
liệu H13 (Orvar) và Hotvar
Sauk hi phân tích các số liệu thống kê, nhóm nghiên cứu đưa ra được một
số kết luận:
- Khi kim loại làm khuôn không được phủ, các vết nứt mỏi nhiệt xuất hiện
với mật độ ít hơn khi có phủ nhưng kích thước của các vết nứt đó lớn
hơn. Trong khi đó, nếu vật liệu làm khuôn được phủ các lớp phủ cứng lên
bề mặt, mật độ vết nứt tăng lên đồng thời kích thước các vết nứt đó giảm
xuống.
- Mật độ và kích thước vết nứt thay đổi theo vật liệu nền và vật liệu phủ.
- Lớp phủ CrN có tính chống mỏi nhiệt cao nhất trong số các lớp phủ được
đưa ra thí nghiệm.
- Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu đúc tăng lên, mật độ và kích thước vết
nứt đều tăng.

15


Nhóm tác giả M. MUHIČ, J. TUŠEK, F. KOSEL, D. KLOBČAR, M.

PLETERSKI đã quan sát các vết nứt mỏi nhiệt tại 12 vị trí trên khuôn (Hình 13)
và thống kê nhe Hình 14, Hình 15 và Hình 16

Hình 13: Các vị trí khảo sát và hình ảnh phóng đại tại các vị trí đó
16


Hình 14: Thời điểm xuất hiện vết nứt tại các vị trí trên khuôn

Hình 15: Giá trị trung bình và cực đại của chiều sâu vết nứt tại các vị trí

Hình 16: Giá trị trung bình và cực đại của chiều dài vết nứt tại các vị trí
17


Sauk hi phân tích hình ảnh vết nứt tại các vị trí trên khuôn và các biểu đồ
trên, nhóm nghiên cứu đã đưa ra các kết luận:
- Các vết nứt đầu tiên xuất hiện trước 2000 chu kỳ nhiệt
- Hiện tượng nứt mỏi nhiệt xuất hiện nhiều hơn tại khu vực lân cận miệng
vào của kim loại lỏng, nơi có gradient nhiệt cao
- Vết nứt xảy ra nhanh tại các vị trí tập trung ứng suất như cạnh và góc có
bán kính cong nhỏ
- Vết nứt phát triển theo số lần thực hiện đúc
Tiểu kết:
- Các vết nứt nhiệt phụ thuộc vào vật liệu làm khuôn và lớp phủ trên khuôn
- Các vết nứt nhiệt phụ thuộc vào ứng suất xảy ra trong khuôn cũng như
trên bề mặt khuôn
- Nhiệt độ kim loại lỏng đưa vào khuôn ảnh hưởng đến kích thước, mật độ
và tốc độ hình thành các vết nứt
- Gradient nhiệt cũng ảnh hưởng đến số lượng và kích thước vết nứt

- Lượng vết nứt và kích thước của nó phát triển theo số chu kỳ nhiệt (số lần
đúc)
- Hình dạng khuôn cũng ảnh hưởng đến việc hình thành các vết nứt
3.3. Ăn mòn và hàn dính

Ăn mòn và hàn dính được nghiên cứu một cách rời rạc cho các trường hợp
cụ thể, cơ chế xảy ra phức tạp, không cố định đối với từng cặp vật liệu cụ thể.
Chưa có một nghiên cứu chính xác đầy đủ cho vấn đề này.
3.4. Nứt gãy và biến dạng

Hai dạng hỏng này do các nguyên nhân cơ học gây ra, phụ thuộc chủ yến
vào trạng thái cơ học của hệ thống và vật liệu làm khuôn, không thuộc phạm vi
nghiên cứu của chúng ta.
3.5. Nghiên cứu khác về vấn đề hỏng trên bề mặt khuôn

Hai tác giả A.E. Miller và D.M. Maijer trong bài viết [1] của mình đã phân
tích được: dạng hỏng phối hợp ăn mòn-xói mòn có mức độ ảnh hưởng lớn đến
bề mặt khuôn. Lượng mòn do dạng hỏng phối hợp này lớn hơn nhiều so với
tổng của từng dạng hỏng xảy ra trên bề mặt khuôn.

18


Kết luận
Qua các phân tích trên của các nhóm nghiên cứu, ta có thể nhận thấy quá
trình diễn ra trong lòng khuôn là một quá trình phức tạp, các dạng hỏng xảy ra
trên bề mặt khuôn được đa số phân chia thành 3 dạng chính bao gồm: Xói mòn
(mài mòn), mỏi nhiệt, ăn mòn và hàn dính.
Xói mòn không xảy ra trong ngắn hạn và chưa rõ cơ chế chính xác và đầy
đủ, tuy nhiên các thí nghiệm chứng minh được rằng các xử lý bề mặt (nhiệt

luyện, hóa nhiệt luyện, phủ, …) có thể nâng cao được khả năng chống mài mòn
của khuôn đúc áp lực.
Các vết nứt do mỏi nhiệt xảy ra trên bề mặt khuôn được tích lũy theo thời
gian. Khi nhiệt độ đúc càng cao, tốc độ xuất hiện và phát triển vết nứt càng tăng
lên. Các lớp phủ cứng làm giảm kích thước vết nứt nhiệt nhưng mật độ vết nứt
tang lên và vết nứt xảy ra nhanh hơn.
Ăn mòn và hàn dính có cơ chế phức tạp, tùy thuộc vào cặp vật liệu cụ thể.
Các xử lý bề mặt có thể nâng cao khả năng hạn chế dạng hỏng này của lớp phủ.
Ngoài ra, các dạng hỏng kết hợp của các dạng hỏng trên có thể xảy ra và
có mức độ gây hỏng khuôn lớn hơn khi tính riêng rẽ từng dạng hỏng.

19


Tài liệu tham khảo
[1] A.E. Miller và D.M. Maijer – Investigation of erosive-corrosive wear in
the low pressure die casting of aluminum A356 – Materials science &
engineering – July 2006
[2] Anders Persson, Sture Hogmark, Jens Bergström – Themal fatigue
cracking of surface engineered hot work tool steels – Surface & coatings
technology – June 2004
[3] M. MUHIČ, J. TUŠEK, F. KOSEL, D. KLOBČAR, M. PLETERSKI –
Thermal fatigue cracking of die-casting dies – Metalurgija 49 (2010)
[4] Paul W.Cleary, Joseph Ha, Mahesh Prakash, Thang Nguyen – Short shots
and industrial case studies: Understanding fluid flow and solidification in
high pressure die casting
[5] R. Shivpuri, Y.-L. Chu, K. Venkatesan, J.R. Conrad, K. Sridharan, M.
Shamim, R.P. Fetherston – An evaluation of metallic coating for erosive
wear resistance in die casting applications – Wear 192 (1996)
[6] Z.W. Chen, M.Z. Jahedi – Die erosion and its effect on soldering

formation in high pressure die casting of aluminum alloys – Materials &
Design – April 1999

20