Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm kẽm

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai và TS. Phạm Hồng Tuấn. Các kết quả nghiên cứu
trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với
điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ nghiên cứu
nào khác.
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

1. PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Mai

Đinh Thanh Bình

2. TS. Phạm Hồng Tuấn

i


LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý và
chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể Thầy Cô hướng dẫn
PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS. Phạm Hồng Tuấn, các Thầy cô đã hướng dẫn, chỉ
bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành được luận án.
Tôi cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Quý thầy cô Bộ môn Cơ khí Chính xác
và Quang học đã chỉ bảo và cho tôi những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được
học tập nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em công tác tại Bộ môn Cơ khí chính xác và
Quang học, tập thể NCS tại Bộ môn đã chia sẻ cũng như tạo điều kiện giúp tôi.

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Quang điện tử - Viện Ứng dụng công nghệ,
Công ty TNHH MTV Cơ khí 17 - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, Trung tâm đo lường
- Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, đã nhiệt tình hợp tác và giúp đỡ tôi
trong hỗ trợ vật tư, thiết bị thực nghiệm và thu thập số liệu nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp quốc
phòng, Ban lãnh đạo Khoa Dạy nghề đã tạo điều kiện về chế độ, thời gian, công việc giúp
tôi hoàn thành nhiệm vụ.
Cuối cùng xin cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã chia sẻ, động viên giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, Ngày

tháng

năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Thanh Bình

ii


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ
TẠO LỚP PHỦ CỨNG ......................................................................................................... 4
1.1.

Đặt vấn đề ............................................................................................................... 4

1.2.

Đúc áp lực ............................................................................................................... 4

1.2.1.

Chu trình đúc áp lực ........................................................................................ 4

1.2.2.

Khuôn đúc áp lực ............................................................................................. 5

1.2.3.

Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực ................................................. 7

1.2.4.

Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ .................................................. 11

1.2.5.

Giải pháp nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ ......................................... 19

1.2.6.

Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng nâng cao tuổi bền khuôn và chốt tạo lỗ 23

1.3.

Phương pháp chế tạo lớp phủ cứng....................................................................... 31

1.3.1.

Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi .................................................. 31

1.3.2.

Phương pháp lắng đọng vật lý từ pha hơi ...................................................... 32

1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp
PVD .............................................................................................................................. 41
1.4.1.

Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp PVD trên thế giới ............ 41

1.4.2.

Nghiên cứu tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp PVD tại Việt Nam ........... 45

Kết luận chương 1 ........................................................................................................... 48
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ
TiN TRÊN CHI TIẾT THÉP SKD61 .................................................................................. 49
2.1.

Quy trình công nghệ tạo lớp phủ .......................................................................... 49

2.1.1.

Sơ đồ quy trình công nghệ tạo lớp phủ bằng phương pháp PVD .................. 49

2.1.2.

Nội dung các bước công nghệ ....................................................................... 49

2.2.

Quá trình chế tạo lớp phủ CrN bằng phương pháp phún xạ ................................. 51

2.2.1.

Thiết bị chế tạo lớp phủ cứng ........................................................................ 51

2.2.2.

Tạo lớp phủ CrN ............................................................................................ 55

2.2.3.

Kết thúc lắng đọng lớp phủ ........................................................................... 57

2.2.4. Nghiên cứu, xác định bộ thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN bằng phương
pháp phún xạ xung một chiều magnetron.................................................................... 58
2.2.5.
2.3.

Tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ CrN với nền thép SKD61 ....... 59

Công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng phương pháp hồ quang chân không .
.............................................................................................................................. 60

iii


2.3.1.

Sơ đồ nguyên lý và thiết bị chế tạo lớp phủ .................................................. 60

2.3.2.

Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ TiN ..................................................... 61

2.3.3. Áp dụng bộ thông số công nghệ tối ưu của lớp phủ TiN để chế tạo lớp phủ CrN
trên nền thép SKD61 ................................................................................................... 65
Kết luận chương 2 ........................................................................................................... 66
CHƯƠNG 3. TỐI ƯU THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LỚP PHỦ CrN VÀ TiN
TRÊN CHI TIẾT SKD61 .................................................................................................... 67
3.1. Khảo sát ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN bằng phương
pháp phún xạ một chiều trên thiết bị chân không B30-VTD .......................................... 67
3.1.1.

Chế tạo mẫu thí nghiệm ................................................................................. 67

3.1.2.

Xác định chiều dày và tốc độ lắng đọng lớp phủ CrN .................................. 67

3.1.3.

Cấu trúc lớp phủ ............................................................................................ 71

3.1.4.

Độ cứng lớp phủ ............................................................................................ 74

3.1.5.

Ứng suất mặt tinh thể..................................................................................... 76

3.2. Tối ưu hóa các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 bằng
thiết bị B30-VTD ............................................................................................................. 79
3.2.1.

Quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao ..................................................... 79

3.2.2.

Tối ưu hóa quá trình chế tạo lớp phủ ............................................................. 91

3.2.3.

Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo ............................... 93

3.3. Khảo sát ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng
phương pháp hồ quang chân không trên thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD ....... 95
3.3.1.

Tính chất của lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 .......................................... 95

3.3.2.

Tính chất của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ......................................... 99

Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 101
CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG KẾT QUẢ CỦA LUẬN ÁN VÀO THỰC TIỄN SẢN XUẤT
VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ...................................................................................... 102
4.1.

Đặt vấn đề ........................................................................................................... 102

4.2.

Điều kiện thực nghiệm ........................................................................................ 102

4.2.1.

Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 102

4.2.2.

Thiết bị đúc và điều kiện làm việc của khuôn ............................................. 104

4.2.3.

Chế tạo lớp phủ............................................................................................ 108

4.3.

Thử nghiệm trong sản xuất ................................................................................. 111

4.3.1.

Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực vòng ôm ............. 111

4.3.2.

Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực chi tiết giá đỡ ..... 116

4.3.3.

Đánh giá hiệu quả làm việc của các lớp phủ ............................................... 119
iv


Kết luận chương 4 ......................................................................................................... 120
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................. 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 127

v


DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu,
chữ viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

1

HPDC

Khuôn đúc áp lực

High pressure die-casting

2

CVD

Lắng đọng hóa học từ pha hơi

Chemical Vapor Deposition

3

PVD

Lắng đọng vật lý từ pha hơi

Physical Vapor Deposition

4

VAC

Lắng đọng bằng hồ quang chân
không

Vacuum Arc Deposition

5

EDS

Phổ kế tán xạ năng lượng tia X

Energy Dispersive
Spectroscopy

6

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Scanning
Microscopy

7

XRD

Nhiễu xạ tia X

X-ray diffraction

8

DSC

Quét nhiệt lượng vi phân

Differential
calorimetry

9

sccm

Bộ lưu lưu lượng tiêu chuẩn Standard Cubic Centimeter
cm3/phút
per Minute

10

MFC

Điều khiển lưu lượng khí

X-ray
Electron

scanning

Mass Flow Controler

11

Mạ ion chùm điện tử điện áp Low Voltage Electron Beam
thấp
Ion Plating

12

Bia

13

Lắng đọng bằng phún xạ âm RF
Cathode
cực cao tần
Deposition

14

Phún xạ xung một chiều

15

Lắng đọng bằng phún xạ âm DC
Cathode
cực một chiều
Deposition

16

Phóng điện một chiều

DC-sputter

17

Điểm catôt

Cathode spot

18

Thiên áp

Bias voltage

19
20

CFUBMS

Target
Sputtering

Pulsed DC sputtering
Sputtering

Phún xạ magnetron trường kín Closed field unbalanced
không cân bằng

magnetron sputtering
Lớp phủ cứng

Hard coatings

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6] .............. 4
Hình 1.2. Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3] ....................................... 5
Hình 1.3. Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13] ................................. 6
Hình 1.4. Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13] ....... 6
Hình 1.5. Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14] .......... 7
Hình 1.6. Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn
tĩnh [40] ................................................................................................................................. 8
Hình 1.7. Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) ..................................... 8
Hình 1.8. Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng) ......................................... 9
Hình 1.9. Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ
Quốc phòng) .......................................................................................................................... 9
Hình 1.10. Dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau ........................ 10
Hình 1.11. Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ
Quốc phòng) ........................................................................................................................ 10
Hình 1.12. Dòng kim loại lỏng trong khuôn và tác động vào chốt ..................................... 10
Hình 1.13. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62].............................. 11
Hình 1.14. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62] ............................. 11
Hình 1.15. Các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực [51] ............................................. 12
Hình 1.16. Nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt khuôn [63] .......................................................... 13
Hình 1.17. Cơ chế phát triển vết nứt thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa [51] .......................... 15
Hình 1.18. Nhôm dính bám trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) .... 16

Hình 1.19. Dính bám nhôm trên chốt gây xước bề mặt lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ
Quốc phòng) ........................................................................................................................ 16
Hình 1.20. Sự hình thành lớp liên kim trên bề mặt thép H13 [65] ...................................... 17
Hình 1.21. Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực ............................................................................ 20
Hình 1.22. Quy trình tôi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3] ........................................ 20
Hình 1.23. Quy trình ram thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3] ...................................... 21
Hình 1.24. Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13 và H13 thấm nitơ [65] .................. 24
Hình 1.25. Lực rút khuôn theo thời gian của thép H13, H13 thấm nitơ, H13 thấm nitơ + lớp
phủ Ti/TiN [64] ................................................................................................................... 24
Hình 1.26. Mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và tỷ lệ dính bám nhôm sau 50 chu kỳ đúc của
các chốt phủ TiN, CrN, TiCN, thấm nitơ và không phủ [59] .............................................. 26
Hình 1.27. Mất khối lượng bề mặt với chất xói mòn Al2O3 tác động ở góc 300 với vận tốc
145m/s [53] .......................................................................................................................... 28
Hình 1.28. Mất khối lượng bề mặt với chất xói mòn Al2O3 tác động ở góc 900 với vận tốc
100 m/s [53] ......................................................................................................................... 28
vii


Hình 1.29. Sơ đồ thiết kế lớp phủ tối ưu cho khuôn đúc áp lực nhôm [34] ........................ 31
Hình 1.30. Cấu trúc của hai hệ thống mạ ion dùng trong môi trường plasma và chân không
[9] ........................................................................................................................................ 32
Hình 1.31. Sơ đồ hệ phún xạ (a) và hiệu ứng ion đập vào bia (b) [9] ................................. 34
Hình 1.32. Sơ đồ hệ phóng điện một chiều [7].................................................................... 34
Hình 1.33. Sơ đồ hệ phóng điện cao tần [7] ........................................................................ 35
Hình 1.34. Sơ đồ nguyên lý của một hệ phún xạ DC magnetron [9] .................................. 36
Hình 1.35. Hình dạng điện áp xung [16] ............................................................................. 37
Hình 1.36. Sơ đồ phương pháp hệ hồ quang chân không [9] .............................................. 38
Hình 1.37. Điểm hồ quang di chuyển trên bề mặt catôt để lại các vết ăn mòn [9] ............. 39
Hình 1.38. Sơ đồ mô tả quá trình bốc bay hồ quang diễn ra trong buồng chân không [9].. 39
Hình 1.39. Các hạt macro lắng đọng trên bề mặt đế được mạ bằng hồ quang chân không [9]

............................................................................................................................................. 40
Hình 1.40. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp giam giữ điểm catôt trên bề mặt catôt bằng
từ trường [9] ....................................................................................................................... 40
Hình 1.41. Phổ nhiễu xạ lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ lệ FN2/FAr
thay đổi, bias = -250 V [69]................................................................................................. 42
Hình 1.42. Độ cứng và ứng suất dư lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ
lệ nguyên tử Cr/N (tỷ lệ FN2/FAr) thay đổi, bias = -250 V [69] ........................................... 42
Hình 1.43. Hệ số ma sát () lớp phủ CrN chế tạo ở điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr
thay đổi từ 0,25  4, (a) Chu kỳ mài mòn, (b) Lực mài mòn [69]....................................... 43
Hình 1.44. Hệ số mòn (K) của lớp phủ CrN chế tạo ở điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr
thay đổi từ 0,25  4 với lực mài mòn thay đổi [69]............................................................. 43
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ [9] ................................................... 49
Hình 2.2. Thiết bị chân không B30-VTD ............................................................................ 51
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ xung một chiều magnetron sử dụng thiết bị B30-VTD
............................................................................................................................................. 52
Hình 2.4. Gá mẫu trước khi phủ .......................................................................................... 53
Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn đặc trưng V - A theo lưu lượng của khí Ar [9] ......................... 56
Hình 2.6. Đầu magnetron trên thiết bị B30-VTD ................................................................ 56
Hình 2.7. Vùng plasma khi chế tạo lớp phủ CrN trong buồng chân không B30-VTD
(Nacentech).......................................................................................................................... 57
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý thiết bị chân không chân không Dreva Arc 400-VTD và gá mẫu
............................................................................................................................................. 60
Hình 2.9. Thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD ........................................................... 61
Hình 2.10. Các bước của quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ [9] ..................................... 61
Hình 2.11. Gá mẫu và chi tiết trước khi phủ TiN (Nacentech) ........................................... 62
Hình 2.12. Cấu tạo catôt rỗng [23] ...................................................................................... 62

viii

Hình 2.13. Đầu hồ quang AS65M (Nacentech)................................................................... 63
Hình 3.1. Mẫu thép SKD61 thí nghiệm (a) kích thước mẫu, (b) mẫu sau chế tạo và sơ đồ gá
mẫu trong buồng chân không (c) ......................................................................................... 67
Hình 3.2. Máy mài Calotest (a) và vết mài trên kính hiển vi (b) (Nacentech) .................... 68
Hình 3.3. Nguyên lý máy mài đo chiều dày lớp phủ - Calotest .......................................... 68
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa tần số xung và tốc độ lắng đọng của lớp phủ CrN [42].......... 70
Hình 3.5. Kết quả thực nghiệm đo phổ nhiễu xạ XRD lắng đọng lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung (f) khác nhau ................................................ 71
Hình 3.6. Phân tích XRD của lớp phủ Cr và Cr/CrN ở hàm lượng N2 khác nhau [38]....... 72
Hình 3.7. Mối quan hệ giữa hệ số cấu trúc Harris và nhiệt độ đế của lớp phủ CrN [42] .... 72
Hình 3.8. Các mẫu XRD của lớp phủ CrN lắng đọng ở 5 tần số [42] ................................. 73
Hình 3.9. Mối liên hệ giữa hệ số cấu trúc Harris với tần số xung của lớp phủ CrN [42].... 73
Hình 3.10. Mối quan hệ giữa hệ số cấu trúc Harris và thiên áp đế của lớp phủ CrN [42] .. 74
Hình 3.11. Mũi thử và vết đâm trên bề mặt ......................................................................... 75
Hình 3.12. Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung độ cứng
của lớp phủ CrN .................................................................................................................. 87
Hình 3.13. Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến độ cứng của
lớp phủ CrN ......................................................................................................................... 87
Hình 3.14. Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến độ
cứng của lớp phủ CrN.......................................................................................................... 88
Hình 3.15. Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến ứng
suất mặt (200) của lớp phủ CrN .......................................................................................... 89
Hình 3.16. Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến ứng suất
mặt (200) của lớp phủ CrN .................................................................................................. 90
Hình 3.17. Mô hình hóa dạng 3D ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến ứng
suất mặt (200) của lớp phủ CrN .......................................................................................... 90
Hình 3.18. Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi
lưu lượng khí N2 và tần số xung .......................................................................................... 92
Hình 3.19. Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi
nhiệt độ đế và tần số xung ................................................................................................... 92

Hình 3.20. Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi
nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2........................................................................................... 92
Hình 3.21. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến độ cứng (a) và ứng suất mặt
(200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ................................................................ 94
Hình 3.22. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến độ cứng (a) và ứng suất mặt (200)(
b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ........................................................................... 94
Hình 3.23. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến độ cứng (a) và ứng suất mặt
(200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ................................................................ 94
Hình 3.24. Kết quả thực nghiệm đo phổ tán xạ năng lượng EDS bề mặt lớp phủ TiN

ix


(Nacentech).......................................................................................................................... 96
Hình 3.25. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ TiN (Nacentech) ...................................................... 96
Hình 3.26. Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu phủ TiN (Nacentech) ......................................... 97
Hình 3.27. Máy đo hệ số ma sát trượt VF ........................................................................... 98
Hình 3.28. Kết quả đo hệ số ma sát trượt của TiN và SKD61 ở tải 100 g (Nacentech) ...... 99
Hình 3.29. Phổ tán xạ năng lượng EDS lớp phủ CrN ......................................................... 99
Hình 3.30. Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu phủ CrN ........................................................... 100
Hình 3.31. Hệ số ma sát trượt của lớp phủ CrN có lưu lượng khí N2 thay đổi và SKD61 với
nhôm .................................................................................................................................. 100
Hình 4.1 Mẫu đo cơ tính lớp phủ ...................................................................................... 103
Hình 4.2 Chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm ............................................................................... 103
Hình 4.3 Chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ ................................................................................... 103
Hình 4.4 Máy đúc áp lực buồng lạnh ZDC - 250T (Z117 - Bộ Quốc phòng) ................... 104
Hình 4.5. Khuôn đúc áp lực chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) ........................... 105
Hình 4.6. Sản phẩm của khuôn đúc vòng ôm .................................................................... 106
Hình 4.7 Máy đúc áp lực buồng nóng ZDC - 150 (Z117 - Bộ Quốc phòng) ........................ 106
Hình 4.8 Khuôn đúc áp lực giá đỡ ..................................................................................... 107

Hình 4.9. Chi tiết chốt gá trên bộ gá quay trước khi phủ CrN .......................................... 108
Hình 4.10. Chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính trước khi phủ TiN.......................................... 109
Hình 4.11 Chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính sau khi phủ TiN .............................................. 109
Hình 4.12. Gá chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính trước khi phủ CrN .................................... 110
Hình 4.13. Chi tiết chốt và mẫu đo cơ tính sau khi phủ CrN ............................................ 110
Hình 4.14 Sơ đồ chốt thử nghiệm trên khuôn đúc áp lực vòng ôm ................................... 111
Hình 4.15. Dòng kim loại tác động lên chốt trong quá trình làm việc .............................. 113
Hình 4.16. Chiều sâu vết mòn trên chốt không phủ .......................................................... 113
Hình 4.17. Vết mòn chốt ở các vị trí khác nhau trên khuôn .............................................. 114
Hình 4.18. Bề mặt chốt có phủ CrN bằng phương pháp phún xạ xung một chiều magnetron
ở các góc tác động của dòng nhôm lỏng ........................................................................... 115
Hình 4.19. Bề mặt chốt có phủ CrN bằng phương pháp hồ quang chân không ở các góc tác
động của dòng nhôm lỏng ................................................................................................. 116
Hình 4.20 Sơ đồ bố trí chốt thử nghiệm trên khuôn đúc áp lực giá đỡ ............................. 116
Hình 4.21 Kích thước và vị trí xảy ra mòn ........................................................................ 117
Hình 4.22. Hỏng trên chi tiết chốt giá đỡ phủ TiN ............................................................ 119

x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tuổi thọ khuôn khi đúc các hợp kim và các dạng hỏng [63] ............................... 12
Bảng 1.2. Thành phần hóa học thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực [3] .............................. 19
Bảng 1.3. Tính chất lớp phủ PVD và lớp thấm nitơ thể khí [59] ........................................ 25
Bảng 1.4. Lớp phủ và hệ lớp phủ được chế tạo [57] ........................................................... 26
Bảng 1.5. Kết quả thử rạch và mài của các lớp phủ [57] .................................................... 27
Bảng 1.6. Chiều dày, thành phần và độ cứng tế vi các lớp phủ [53] ................................... 28
Bảng 1.7. Thông số công nghệ tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp phún xạ magnetron [1]
............................................................................................................................................. 46
Bảng 1.8. Thông số công nghệ chế tạo lớp chuyển tiếp Ti bằng phương pháp phún xạ một

chiều magnetron [12] ........................................................................................................... 47
Bảng 1.9. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp phún xạ một chiều
magnetron [12] .................................................................................................................... 47
Bảng 1.10. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp hồ quang chân không
[12] ...................................................................................................................................... 47
Bảng 2.1. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 (Nacentech) ... 59
Bảng 2.2. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 sử dụng thiết bị
chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech) .................................................................... 64
Bảng 2.3. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 sử dụng thiết bị
chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech) .................................................................... 65
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến chiều
dày và tốc độ lắng đọng của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 (Nacentech) .................... 69
Bảng 3.2. Thông số, chế độ lắng đọng Cr và CrN trên thép 1010 [38] ............................... 69
Bảng 3.3. Thông số lắng đọng phún xạ xung DC magnetron lớp phủ CrN [42]................. 70
Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng
khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech) ........................................................................ 75
Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với tần số
xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) ........................................................................... 75
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng
khí N2 và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) ......................................................................... 76
Bảng 3.7. Độ cứng nền và lớp phủ CrN với hàm lượng N2 thay đổi [38] ........................... 76
Bảng 3.8. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech) .................................... 77
Bảng 3.9. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với lưu lượng khí N2 và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) ..................................... 78
Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền
thép SKD61 với tần số xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech)...................................... 78

xi

Bảng 3.11. Các giá trị

0, ∆

........................................................................................... 82

Bảng 3.12. Ma trận thực nghiệm kế hoạch trực giao bậc 2 (k=3) và kết quả...................... 84
Bảng 3.13. Giá trị các hệ số b trong mô hình thực nghiệm kế hoạch trực giao bậc 2 ......... 85
Bảng 3.14. Giá trị độ cứng và ứng suất mặt (200) tại các điểm thí nghiệm theo phương trình
hồi quy bậc 2 trực giao ........................................................................................................ 86
Bảng 3.15. Kết quả tối ưu công nghệ chế tạo lớp phủ CrN ................................................. 93
Bảng 3.16. Cơ tính lớp phủ CrN với đế thép SKD61 khi được phủ với bộ thông số tối ưu 93
Bảng 3.17. Kết quả thực nghiệm đo số lượng hạt macro trên bề mặt lớp phủ TiN (Nacentech)
............................................................................................................................................. 97
Bảng 4.1 Điều kiện đúc chi tiết vòng ôm (holder M/C) trên máy đúc ZDC - 250T ......... 105
Bảng 4.2 Điều kiện đúc chi tiết giá đỡ trên máy đúc ZDC - 150 ...................................... 107
Bảng 4.3. Các chốt được phủ và không được phủ qua thử nghiệm trong khuôn đúc áp lực
sản phẩm nhôm ADC6 ...................................................................................................... 112
Bảng 4.4. Mòn trên chốt ở các vị trí khác nhau trong khuôn ............................................ 113
Bảng 4.5. Số lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thử nghiệm chốt có phủ
và không phủ trên khuôn giá đỡ ........................................................................................ 116
Bảng 4.6 Kích thước lỗ 3,34 trên chốt sau thử nghiệm ................................................... 118
Bảng 4.7. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các loại lớp phủ ứng dụng cho khuôn đúc áp lực
........................................................................................................................................... 119

xii


MỞ ĐẦU

1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Các lớp phủ cứng (hard coatings) mỏng trên cơ sở các vật liệu crôm (Cr) hay titan
(Ti) được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các bề mặt khỏi sự cào xước, mài mòn, tăng tuổi thọ,
và trang trí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp phủ CrN có độ cứng cao (1800  2100 HV),
khả năng chống mài mòn, hầu như không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hóa học, hệ số ma
sát tương đối nhỏ (~0,45).
Một ưu điểm nổi bật của lớp phủ CrN là khả năng chịu nhiệt cao. Trong khi lớp phủ
TiN (titanium nitride, một loại lớp phủ cứng rất phổ biến) chỉ làm việc an toàn ở nhiệt độ
400  450 0C, lớp phủ CrN có thể làm việc được ở mức 700  750 0C.
Trên thế giới hiện nay, lớp phủ cứng được sử dụng phổ biến trong chế tạo khuôn mẫu
để tăng cao tuổi thọ, tăng chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu được
công bố hầu hết tập trung vào các tính năng cơ bản của lớp phủ trên vật liệu nền mẫu và
trong điều kiện phòng thí nghiệm. Công nghệ ứng dụng các lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu
crôm lên bề mặt khuôn mẫu là bí quyết riêng của các công ty và không hề được công bố.
Hiện nay, các nghiên cứu để nâng cao tính năng của lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu
crôm tiếp tục nhận được sự quan tâm bởi tiềm năng ứng dụng lớn. Lớp phủ CrN bổ sung
thêm một số kim loại khác như nhôm (Al) hay vanadi (V) vào thành phần của lớp phủ nhằm
tạo ra các vật liệu có độ dẻo cao hơn hoặc có hệ số ma sát nhỏ hơn. Ngoài ra, một hướng
nghiên cứu khác là tạo lớp phủ đa lớp như CrN/TiN để phủ lên dụng cụ cắt gọt, hay CrN/Cr
để tăng khả năng bám dính của lớp phủ đối với vật liệu nền.
Đối với nước ta, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công nghệ cao, có giá trị
gia tăng cao, có tầm ảnh hưởng lớn đối công nghiệp cơ khí chế tạo và phụ trợ, và với sự phát
triển kinh tế xã hội nói chung. Hầu hết những loại khuôn có độ chính xác cao sử dụng trong
công nghiệp phụ tùng ô tô, xe máy … các doanh nghiệp đều phải nhập ngoại với giá thành
lên tới hàng trăm triệu đồng/bộ.
Mặc dù có nhiều tiến bộ nhưng công nghệ xử lý bề mặt khuôn còn ở mức thấp với
các phương pháp nhiệt luyện, thấm nitơ … dẫn đến ma sát tại các bề mặt lớn, tuổi thọ khuôn
không cao, không có khả năng gia công các bề mặt có độ chính xác cao.
Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp phủ cứng nitrit trên
cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao,

hệ số ma sát nhỏ, giảm mòn do ma sát không hình thành lẹo dao khi gia công…Đề tài nghiên
cứu ứng dụng các lớp phủ cứng cho khuôn đúc áp lực nhằm nâng cao tuổi bền, giảm ma sát
mài mòn, và chống bám dính cho bề mặt. Đây lại là sản phẩm có sản lượng lớn, thị phần cao
tại Việt Nam, trong lĩnh vực dân sự và quốc phòng an ninh.
Lý do lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến
cơ tính của lớp phủ cho khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm”nhằm nâng cao chất lượng
sản phẩm và tuổi bền khuôn đúc từ thép SKD61, cũng như tìm ra được bộ thông số công
nghệ tối ưu khi chế tạo lớp phủ trên bề mặt khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm.

1


2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
a. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu công nghệ PVD nhằm tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn làm
từ vật liệu SKD61.
- Tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính khi chế tạo lớp phủ CrN cho chốt trên
khuôn đúc áp lực nhôm - kẽm là lưu lượng khí N2, tần số xung và nhiệt độ đế.
- Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất.
b. Đối tượng nghiên cứu:
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp phún xạ xung một
chiều magnetron và phương pháp hồ quang chân không.
- Tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm.
c. Phương pháp nghiên cứu:
Kết hợp ứng dụng lý thuyết và thực nghiệm kiểm chứng.
d. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cứng đơn lớp và đa lớp từ CrN, TiN trên chốt trong
khuôn đúc áp lực bằng phương pháp PVD.
- Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ lưu lượng khí N2, tần số xung và nhiệt độ đế
khi chế tạo lớp phủ CrN cho chốt trên khuôn đúc áp lực.

- Đánh giá các chỉ tiêu tính chất của lớp phủ trong phòng thí nghiệm và thực tiễn sản
xuất.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng quy trình công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN và TiN trên chốt tạo lỗ trong
khuôn đúc áp lực bằng phương pháp PVD là cơ sở khoa học để nghiên cứu phát triển tạo lớp
phủ bằng công nghệ này.
- Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ CrN đã chỉ ra mức
độ ảnh hưởng lớn nhất của lưu lượng khí tiếp theo là tần số xung và nhiệt độ đế.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim
nhôm - kẽm có thể là cơ sở áp dụng vào khuôn đúc áp lực khác nhau.
- Phương trình hồi quy thực nghiệm xây dựng được có thể dùng để lựa chọn thông
số công nghệ chế tạo lớp phủ trên chốt trong khuôn đúc áp lực phù hợp điều kiện sản xuất.
- Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trong luận án có thể làm tài liệu
tham khảo cho nghiên cứu và trong giảng dạy.
4. Những kết quả mới
- Đã xây dựng được công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc
áp lực sản phẩm nhôm - kẽm.

2


- Đã tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính tạo lớp CrN bằng phương pháp phún xạ
xung một chiều magnetron là lưu lượng khí N2 = 7,23 cm3/phút, tần số xung = 120,5 kHz và
nhiệt độ đế = 294,6 0C trên cơ sở hai phương trình hồi quy thực nghiệm.
- Đã đánh giá các thông số của lớp phủ: độ cứng, hệ số ma sát, chiều dày, hợp thức,
cấu trúc tinh thể, ứng suất dư mặt tinh thể tương ứng với các chế độ công nghệ khác nhau
của hai phương pháp chế tạo phún xạ và hồ quang chân không.
- Đã áp dụng kết quả của luận án vào thực tiễn sản xuất phủ lớp CrN, TiN trên chốt

tạo lỗ trong khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm - kẽm.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC VÀ
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LỚP PHỦ CỨNG
1.1. Đặt vấn đề
Trên thế giới hiện nay, việc chế tạo lớp phủ cứng trên bề mặt khuôn nhằm làm tăng
tuổi bền và chất lượng khuôn đã và đang được nghiên cứu với nhiều kết quả ứng dụng tốt.
Đối với các doanh nghiệp trong nước, bề mặt của khuôn chế tạo chủ yếu được xử lý
theo các phương pháp truyền thống như: tôi ram - thấm nitơ; không có các lớp phủ cứng
tăng độ bền, giảm ma sát và mài mòn, chống dính bề mặt, cũng như tạo độ nhẵn bóng sắc
nét cao cho sản phẩm. Trong khi đó công nghệ tiên tiến trên thế giới bao gồm các lớp phủ
cứng cuối cùng trên bề mặt cho phép tăng tuổi thọ khuôn lên từ 5  20 lần. Với nhiều khuôn
có độ chính xác cao thì lớp phủ cứng là bắt buộc. Vì thế, nghiên cứu chế tạo và sử dụng lớp
phủ cứng nhằm nâng cao tuổi bền và chất lượng khuôn mẫu thực sự là một nhu cầu cấp thiết
và mang lại hiệu quả kinh tế xã hội lớn….

1.2. Đúc áp lực
1.2.1. Chu trình đúc áp lực
Đúc áp lực có thể sử dụng máy đúc buồng ép nóng hoặc máy đúc buồng ép nguội.
Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh, do pittông ép
tạo ra. Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây nên. Tốc độ dịch chuyển
của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất khác nhau trong suốt một chu
trình đúc. Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn như trên hình Hình 1.1 [6].

Hình 1.1. Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6]

Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót. Vận tốc của pittông ép và áp lực trong

buồng ép còn nhỏ. Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong buồng ép và xilanh
thuỷ lực.
Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép. Tốc độ của pittông tăng
lên và đạt giá trị cực đại v2. Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của
dòng chảy trong buồng ép.
Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn. Do thiết diện rãnh
dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép lại tăng lên.
Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà
4


áp suất ép tiếp tục tăng lên. Sau khi các dao động áp suất tắt dần, áp suất đạt giá trị không
đổi. Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh.
Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh. Áp suất có thể đạt tới 5  500 MPa, tuỳ thuộc
vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ. Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại
rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trong trạng
thái áp lực cao.
1.2.2. Khuôn đúc áp lực
Cấu tạo khuôn đúc áp lực
Khuôn đúc áp lực có cấu tạo phức tạp bao gồm nhiều bộ phận và chi tiết có chức
năng riêng. Cấu tạo khuôn và các bộ phận, chi tiết chính trong khuôn đúc áp lực thể hiện
trong Hình 1.2. Vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt với các chi tiết khuôn trong (phụ lục 1, trang
128). Quá trình chế tạo khuôn ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc của khuôn
bởi một số yếu tố: khả năng gia công, gia công bề mặt bằng tia lửa điện, xử lý nhiệt, độ ổn
định kích thước, xử lý bề mặt, khả năng hàn [18],[21]. Các bề mặt lòng khuôn I, II trên khuôn
chính (3) và bề mặt chốt tạo lỗ (5) trên Hình 1.2 được gọi chung là bề mặt khuôn khi làm
việc. Các bề mặt này có cùng điều kiện làm việc, chịu tác động dòng kim loại lỏng có nhiệt
độ, vận tốc và áp lực đúc cao. Trong trường hợp xét tác động của dòng chảy theo các hướng
lên bề mặt khuôn mới cần phân biệt bề mặt lòng khuôn và bề mặt chốt tạo lỗ.

I

II

Hình 1.2. Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3]

Điều kiện làm việc của khuôn khi đúc áp lực
Đúc áp lực là một quá trình sản xuất hàng loạt lớn, tạo ra vật đúc có hình dạng phức
tạp, dung sai kích thước và chất lượng bề mặt cao. Chế tạo từ 100.000  300.000 vật đúc
trên một khuôn trong một loạt thông thường của khuôn. Trong đúc nhôm áp lực, nhôm nóng
chảy ở nhiệt độ từ 670  710 0C được phun vào khuôn, ở vận tốc từ 30  100 m/s, với áp lực
phun là từ 50  80 MPa [20], [21], [71].
Trong chu kỳ đúc của khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm, nhiệt độ bề mặt khuôn thay
đổi nhanh trong thời gian ngắn qua các giai đoạn: nhôm lỏng phun vào khuôn, nhôm đông
5


đặc, phun nước làm mát và dung dịch dầu bôi trơn (chống dính nhôm với bề mặt khuôn).
Chu kỳ nhiệt trên bề mặt khuôn thay đổi theo chu kỳ đúc được thể hiện trong Hình 1.3, [13].
Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn được nung nóng từ 400  450 0C trong thời gian  1 giây
và giảm nhiệt từ 150  200 0C trong  20 giây [13], Hình 1.4. Quá trình làm mát khuôn cũng
có sự khác biệt giữa bề mặt và lõi khuôn. Lõi khuôn được làm mát bởi hệ thống nước làm
mát tuần hoàn bên trong, bề mặt khuôn được phun nước cùng chất bôi trơn bề mặt. Hình
1.5.a cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt khuôn trong một chu kỳ đúc tăng từ 204 
510 0C trong  11 giây, tiếp theo nhiệt độ giảm từ 510  120 0C trong  40 giây, sau đó tăng
lên 204 0C trong  13 giây; tại vị trí 12,7 mm dưới bề mặt khuôn nhiệt độ tăng từ 220  320
0
C trong  10 giây, sau đó giảm về 220 0C trong  44 giây; tại vị trí 38,1 mm dưới bề mặt
khuôn nhiệt độ thay đổi nhỏ xung quanh 230 0C trong  44 giây [14]. Trong một chu kỳ đúc
nhiệt độ thay đổi theo thời gian với khoảng thay đổi lớn nhất ở bề mặt khuôn và giảm dần ở

các vị trí dưới bề mặt khuôn. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến ứng suất nhiệt, mức độ thay đổi
kiểu ứng suất và độ lớn ứng suất cũng khác nhau với các vị trí từ bề mặt khuôn vào đến lõi
khuôn. Khi nung nóng, ứng suất xuất hiện trên bề mặt khuôn là ứng suất nén có giá trị - 317
MPa, khi làm mát ứng suất bề mặt khuôn chuyển từ nén sang kéo có giá trị 255 MPa, khi
kết thúc làm mát bề mặt khuôn tồn tại ứng suất kéo là 138 MPa, Hình 1.5.b, [14].

Hình 1.3. Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13]

Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc
như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc. Tuy nhiên, tác động về biến thiên
nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của
khuôn. Những thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu
được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất.

Hình 1.4. Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13]

6


Hình 1.5. Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14]

1.2.3. Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực
Vai trò của chốt tạo lỗ
Chốt tạo lỗ được sử dụng trong khuôn đúc áp lực để tạo ra các lỗ trên sản phẩm. Tùy
thuộc vào yêu cầu của lỗ trên sản phẩm (lỗ công nghệ hoặc lỗ không gia công) chốt tạo lỗ
cũng có đặc điểm khác nhau. Các lỗ công nghệ được sử dụng để định vị, gá đặt hoặc dẫn
hướng cho các chốt của đồ gá khi gia công chi tiết. Các lỗ không gia công trên sản phẩm
thường được sử dụng theo yêu cầu chi tiết khi thiết kế. Đối với hai dạng lỗ trên thì chất lượng
bề mặt và hình dáng hình học của lỗ được quyết định bởi bề mặt chốt tạo lỗ độ bền của chốt
trong quá trình làm việc. Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực có vai trò quan trọng

đến sự hình thành và chất lượng cuối cùng của lỗ trên sản phẩm.
Bố trí các chốt trong khuôn đúc áp lực
Các chốt tạo lỗ cho sản phẩm trong khuôn đúc áp lực được lắp cố định trên tấm khuôn
chính của nửa khuôn động Hình 1.6a; hoặc được lắp trên khối trượt của khuôn động đối khi
sử dụng chốt trượt, khối trượt kéo chốt ra khỏi lòng khuôn khi mở khuôn và đẩy chốt trở lại
lòng khuôn khi đóng khuôn Hình 1.6b. Các lỗ trên chi tiết đúc có đường tâm lỗ vuông góc
với bề mặt phân khuôn sử dụng chốt tạo lỗ cố định; các lỗ có đường tâm song song hoặc tạo
thành góc với bề mặt phân khuôn phải dùng chốt trượt để đảm bảo đẩy được chi tiết đúc ra
khỏi khuôn. Số lượng các chốt phụ thuộc vào số lượng chi tiết đúc được bố trí trong khuôn.
7


Hình 1.6. Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn tĩnh [40]

Kết cấu, điều kiện làm việc chốt
a. Kết cấu chốt
Kết cấu chốt tạo lỗ được chia làm hai phần chính là phần làm việc nằm trong lòng
khuôn và phần cố định nằm trong tấm khuôn chính. Hình dáng chủ yếu của chốt thường là
hình trụ, một số khác là hình vuông hoặc chữ nhật tùy theo thiết kế lỗ trên chi tiết đúc. Phần
làm việc của chốt trong khuôn được chế tạo côn thu về phía đầu chốt đảm bảo đẩy chi tiết
đúc dễ dàng. Phần cố định của chốt gồm phần trượt và phần chống xoay đối với chốt cố định
hoặc kẹp chặt đối với chốt trượt.
Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm

Hình 1.7. Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng)

Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm có kích thước chế tạo như trên Hình 1.7, gồm
có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên tấm khuôn
chính của khuôn động, đường tâm của chốt vuông góc với mặt phân khuôn. Phần (I) có kích
thước côn với góc 10 và chiều dài L = 11+0,3 mm, đảm bảo thuận lợi cho quá trình rút chốt ra

khỏi sản phẩm sau khi đông đặc được dễ dàng. Phần (II) gồm thân chốt và đuôi chốt, đuôi
chốt có phần vát để định vị và chống xoay chốt trong khuôn, đồng thời phần bậc của chốt là
phần gá giữ cố định chốt trong quá trình đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn. Chốt được lắp đặt và
bố trí như trên Hình 1.9.
Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ
Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ có kích thước chế tạo thể hiện trên Hình 1.8.
Chốt có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên khối
trượt của khuôn động, đường tâm của chốt song song với mặt phân khuôn. Phần (II) chế tạo
rãnh có kích thước 5x3,53 mm ở phần đuôi để định vị, chống xoay và kẹp chặt, đảm bảo
thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau đông đặc và đưa chốt ra khỏi khuôn.
Chốt được lắp đặt và bố trí như trên Hình 1.11.

8


Hình 1.8. Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng)

b. Điều kiện làm việc của chốt trong khuôn
Trong quá trình làm việc, bề mặt chốt chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc
như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc. Tuy nhiên, tác động về biến thiên
nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của
chốt. Điểm khác biệt trong quá trình làm việc của chốt tạo lỗ và bề mặt lòng khuôn được thể
hiện bởi tác động của dòng kim loại lỏng và khả năng thoát nhiệt khi đúc chi tiết. Dòng chảy
trên bề mặt khuôn là dòng tiếp tuyến với bề mặt khuôn. Dòng chảy có hướng vuông góc với
bề mặt chốt, tại vị trí va đập xảy ra nhiễu động của dòng chảy. Trong quá trình chi tiết đúc
giảm từ nhiệt độ lỏng về nhiệt độ đông đặc thì khả năng thoát nhiệt của chốt rất kém do
không có hệ thống làm mát giống như khuôn. Những thay đổi nhiệt độ bề mặt chốt đòi hỏi
vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất.
Tác động của dòng lỏng lên chốt trong quá trình đúc

Hình 1.9. Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc
phòng)

Trên Hình 1.9 mô tả dòng kim loại lỏng vào khuôn khi đúc sản phẩm vòng ôm. Trên
khuôn động bố trí để đúc được sáu sản phẩm trong một lần đúc. Dòng kim loại lỏng có vận
tốc lớn từ đậu rót theo rãnh dẫn đến các vị trí hốc khuôn tạo sản phẩm. Khi vào hốc khuôn,
dòng kim loại tác động trực tiếp và vuông góc với bề mặt chốt, lúc này bề mặt phía trước
của chốt ngăn cản và làm thu hẹp dòng chảy vào hốc khuôn. Trên Hình 1.10 thể hiện dòng
kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau. Rãnh dẫn kim loại vào hốc khuôn

9


có tiết diện thu hẹp tạo làm tăng áp lực tác động lên bề mặt chốt. Tại vị trí dòng kim loại tác
động vuông góc với bề mặt chốt thường gây ra hiện tượng giảm cơ tính, lún hoặc lõm bề
mặt sau một số chu kỳ đúc nhất định. Vị trí dòng tác động tiếp tuyến với bề mặt chốt thường
bị xói mòn do dòng chảy, tại vị trí này tiết diện dòng chảy tiếp tục bị thu hẹp, áp lực dòng
tăng lên, tuy nhiên lúc này là dòng chảy trên bề mặt.

Hình 1.10. Dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau

Hình 1.11. Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc
phòng)

Hình 1.12. Dòng kim loại lỏng trong khuôn và tác động vào chốt
a) Vật đúc; b) Vật đúc được cắt qua mặt phân khuôn; c) Chốt tạo lỗ trong khuôn

10

Tác động của chu kỳ nhiệt lên chốt trong quá trình làm việc

Hình 1.13. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62]

Thay đổi nhiệt độ chốt tạo lỗ và nhiệt khuôn có sự khác nhau rất lớn về khoảng biến
thiên và nhiệt độ lớn nhất trong một chu kỳ đúc ổn định, Hình 1.14 [62]. Khoảng biến thiên
nhiệt độ của khuôn từ 280  380 0C và của chốt tạo lỗ từ 200  580 0C. Do trong quá trình
đúc khuôn được làm mát liên tục bằng hệ thống nước tuần hoàn liên tục nhằm giữ ổn định
nhiệt độ khuôn. Chốt tạo lỗ không được làm từ lúc đóng khuôn đến khi sản phẩm được đưa
ra khỏi khuôn. Chốt được làm mát thông qua quá trình phun nước làm mát và dung dịch bôi
trơn khuôn có áp lực lớn lên bề mặt khuôn và chốt trước khi chu trình đúc lặp lại, do vậy tốc
độ giảm nhiệt của chốt cũng rất nhanh. Trên Hình 1.14 cho thấy trong một chu kỳ đúc nhiệt
độ lớn nhất của khuôn là 380 0C thấp hơn nhiều nhiệt độ của chốt là 580 0C.

Hình 1.14. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62]

Trong một chu kỳ đúc, bề mặt chốt tạo lỗ chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện
đúc như dòng chảy, biến thiên nhiệt độ, lớn hơn nhiều bề mặt khuôn. Ngoài ra, các tác động
cơ học, tương tác hóa lý của kim loại lỏng với bề mặt chốt và ma sát với bề mặt lỗ khi đẩy
sản phẩm ra khỏi khuôn.
1.2.4. Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ
Khuôn đúc làm việc chịu tác động của chu kỳ nhiệt và tải cơ học, do đó vật liệu
khuôn, chốt tạo lỗ đòi hỏi phải có các cơ tính tốt trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao. Tuổi
thọ của khuôn đúc được thể hiện qua số lượng vật đúc đạt được, Bảng 1.1 [63]. Tuổi thọ
khuôn, chốt tạo lỗ chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ làm việc hay nhiệt độ hợp kim đúc.
Tuổi thọ khuôn đối với một vật liệu cụ thể cũng có thể thay đổi do thiết kế vật đúc, thiết kế
khuôn cho sản phẩm đúc, chất lượng bề mặt gia công cuối cùng, tốc độ sản xuất, điều khiển
11

quá trình đúc, vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt khuôn, mức độ chấp nhận kích thước và bề mặt
khuôn bị thay đổi. Từ Bảng 1.1 cho thấy: Khi đúc các hợp kim có nhiệt độ cao thì tuổi thọ
trung bình của khuôn giảm, tuổi thọ của các chốt tạo lỗ trong khuôn cũng thấp hơn khuôn từ
2 đến 10 lần.

Hình 1.15. Các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực [51]

Chu kỳ đúc diễn ra rất ngắn, bề mặt khuôn chịu tác động nhiều nhất trong tất cả các
giai đoạn (phun kim loại lỏng, tăng áp, vật đúc đông đặc, rút khuôn lấy vật đúc, phun dung
dịch làm mát và bôi trơn). Cơ, nhiệt tác động và dòng kim loại nóng chảy là nguyên nhân
gây ra: (a) mỏi cơ, nhiệt, bởi tác động nhiệt trên bề mặt của khuôn; (b) ăn mòn và hàn dính
do quá trình oxy hóa nhôm với bề mặt khuôn (c) xói mòn do dòng kim loại lỏng; (d) hỏng
khốc liệt do sốc nhiệt; (e) nhiệt làm nóng vật liệu khuôn, làm cho tính chất cơ học bất ổn.
Hình 1.15 là các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực trong quá trình làm việc, [51].
Bảng 1.1 Tuổi thọ khuôn khi đúc các hợp kim và các dạng hỏng [63]

Hợp kim
đúc

Nhiệt độ
đúc (0C)

Kẽm

430

Tuổi thọ trung bình (số lần đúc)
Dạng hỏng
Xói mòn

Khuôn

Lõi (chốt tạo lỗ)

0,5  2.106

0,5  2.106

100.000  400.000

50.000  200.000

60.000  200.000

40.000  150.000

5.000  50.000

1.000  5.000

Mỏi nhiệt
Magiê

650

Xói mòn
Nứt
Lún/lõm
Mỏi nhiệt

Nhôm

700

Xói mòn
Nứt
Lún/lõm
Mỏi nhiệt

Đồng

970

Xói mòn
Nứt
Lún/lõm

12


Mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ
Mỏi nhiệt là vết nứt tế vi xuất hiện trên bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ do ứng suất nhiệt
từ nhiều chu kỳ đúc sau đó phát triển dần dần. Trong một chu kỳ đúc, lớp vật liệu bề mặt
khuôn chịu tác động nhiệt thay đổi do quá trình nung nóng của vật liệu đúc và làm mát bề
mặt khuôn. Sự thay đổi nhiệt tạo ra ứng suất thay đổi trên bề mặt dẫn đến biến dạng lớp bề
mặt và hình thành vết nứt. Vết nứt do mỏi nhiệt còn được gọi là nứt nhiệt, có thể thấy trên
Hình 1.16.

Hình 1.16. Nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt khuôn [63]

Các vết nứt do mỏi nhiệt được tạo ra bởi chu kỳ ứng suất, ứng suất kéo và biến dạng
dẻo của vật liệu. Nếu thiếu một trong các yếu tố trên thì không tạo ra vết nứt hoặc thúc đẩy
vết nứt phát triển. Biến dạng dẻo vật liệu tạo ra vết nứt và ứng suất kéo thúc đẩy vết nứt phát
triển.
Các yếu tố ảnh hưởng đến mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ bao gồm:
- Chu kỳ nhiệt của khuôn đúc: Nung nóng khuôn trước khi đúc, nhiệt độ bề mặt
khuôn, thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao, tốc độ làm mát khuôn. Bề mặt khuôn cần được
nung nóng trước khi tiến hành đúc, điều này làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa kim loại
đúc và bề mặt khuôn. Đối với đúc hợp kim nhôm, nhiệt độ nung nóng sơ bộ khuôn tối thiểu
là 180 0C giúp cho độ dai va đập khuôn cao gấp hai lần so với không nung nóng. Tuy nhiên,
trong thực tế sản xuất công việc này thường bị bỏ qua, do đó tốc độ hình thành nứt do mỏi
nhiệt diễn ra nhanh hơn và tuổi thọ khuôn giảm. Nhiệt độ bề mặt khuôn ảnh hưởng lớn đến
sự xuất hiện của mỏi nhiệt. Thép khuôn có khả năng làm việc bình thường ở nhiệt độ 600 0C
với sự giãn nở nhiệt và ứng suất ở mức độ trung bình, nhưng ở nhiệt độ cao hơn nguy cơ nứt
nhiệt trở nên đáng kể. Nhiệt độ bề mặt khuôn được xác định thông qua nhiệt độ sấy sơ bộ,
nhiệt độ đúc kim loại, thiết kế vật đúc, thiết kế khuôn đúc và tính chất vật liệu khuôn. Thời
gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao làm tăng sự quá nhiệt và dão của vật liệu khuôn. Điều này làm
giảm độ bền cơ học của bề mặt khuôn, dẫn đến giảm khả năng chịu tải và tác động nhiệt.
Tốc độ làm mát khuôn nhanh sẽ dẫn đến ứng suất bề mặt lớn và dẫn đến vết nứt xuất hiện
sớm hơn, làm giảm tuổi thọ khuôn nhanh hơn.
- Tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ: Hệ số giãn nở nhiệt, độ
dẫn nhiệt, giới hạn bền nóng, chịu nhiệt độ cao, độ bền dão, độ dai. Hệ số giãn nở nhiệt thấp
làm giảm ứng suất nhiệt bề mặt khuôn. Độ dẫn nhiệt cao làm giảm gradien nhiệt và giảm
ứng suất nhiệt. Giới hạn bền nóng của vật liệu khuôn cao làm giảm biến dạng dẻo ở nhiệt độ
cao, chống nứt nhiệt giúp nâng cao tuổi thọ khuôn. Khả năng chịu nhiệt độ cao của vật liệu
13