Nghiên cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến áp lực (rheo diecasting) cho hợp kim nhôm a356

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

Nguyễn Tiến Tài

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐÚC
LƯU BIẾN- ÁP LỰC (RHEO-DIECASTING)
CHO HỢP KIM NHÔM A356

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


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

Nguyễn Tiến Tài

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐÚC
LƯU BIẾN- ÁP LỰC (RHEO-DIECASTING) CHO
HỢP KIM NHÔM A356

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS NGUYỄN HỒNG HẢI
TS. NGUYỄN VĂN CHƯƠNG

Hà Nội – 2016


LỜI CẢM ƠN

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

I


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kì cơng trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Tiến Tài

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

II


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

1.2.2. Các phương pháp công nghệ tạo vật liệu bán lỏng ................................ 17
1.2.3. Phối hợp giữa đúc lưu biến- đúc áp lực (Rheo diecasting- RDC) ......... 21

1.3. Tình hình nghiên cứu ở trong nước ............................................................... 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 26
2.1. Ảnh hưởng của áp lực đến tổ chức và tính chất của hợp kim ....................... 26
2.1.1. Ảnh hưởng của áp lực đến các tính chất nhiệt lý ................................... 26
2.1.2. Ảnh hưởng của áp lực đến cân bằng pha ............................................... 28
2.1.3. Ảnh hưởng của áp lực tới các thơng số của q trình kết tinh .............. 29
2.1.4. Những thay đổi về cấu trúc của kim loại và hợp kim khi kết tinh dưới áp
lực..................................................................................................................... 30
2.2. Đặc điểm của q trình điền đầy khn trong đúc áp lực............................. 32
2.2.1. Dòng chảy tầng ...................................................................................... 32
2.2.2. Dòng chảy rối ......................................................................................... 33
2.2.3. Dịng chảy phân tán ............................................................................... 33
2.3. Mơ hình dịng chảy và phương pháp tính tốn động lực học chất lỏng ........ 33
2.3.1. Phần tử chất lỏng ................................................................................... 34
2.3.2. Phương trình đặc trưng dịng chảy......................................................... 34
2.3.3. Phương trình liên tục.............................................................................. 34
2.3.4. Phương trình bảo tồn khối lượng ......................................................... 35
2.3.5. Phương trình bảo tồn mơmen ............................................................... 35
2.3.6. Điều kiện nhiệt độ biên (Temperature boundrary condition) ................ 35
III


2.3.7. Trao đổi nhiệt trên miền biên của vùng rắn ........................................... 35
2.3.8. Điều kiện truyền nhiệt đối lưu (convection boundary condition) .......... 36
2.3.9. Điều kiện truyền nhiệt bức xạ ................................................................ 36
2.3.10. Điều kiện truyền nhiệt kết hợp đối lưu và bức xạ ................................ 36
2.4. Mơ hình k- ................................................................................................... 36
2.5. Cơ sở lý thuyết về lưu biến ........................................................................... 38
2.6. Cơ sở lý thuyết về quá trình tạo mầm [6] ..................................................... 40
2.6.1. Tạo mầm nội sinh (đồng thể) ................................................................. 40

2.6.2. Tạo mầm ngoại sinh (dị thể) [6] ........................................................... 42
2.7. Đặc điểm của hợp kim Al-Si ......................................................................... 44
CHƯƠNG III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 47
3.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 47
3.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 49
3.2.1. Các trang thiết bị sử dụng để nghiên cứu .............................................. 49
3.2.1.1. Thiết bị nấu luyện ....................................................................................... 49
3.2.1.2. Thiết bị khuấy bằng trục graphite ............................................................... 49
3.2.1.3. Thiết bị kiểm tra nhiệt độ ........................................................................... 50
3.2.1.4. Thiết bị đúc áp lực ...................................................................................... 51
3.2.1.5. Phần mềm mô phỏng số ............................................................................. 51

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

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

4.3.4. Chuẩn bị vật liệu .................................................................................... 60
4.3.5. Chuẩn bị chất biến tính, tinh luyện ........................................................ 61
IV


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

4.4.3. Chế tạo mẫu thử ..................................................................................... 65
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN ............................................................. 69
5.1. Kết quả mơ phỏng q trình điền đầy khn ................................................ 69
5.1.1. Kết quả mơ phỏng q trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều dày
rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,5........................................ 69
5.1.2. Kết quả mơ phỏng q trình điền đầy khuôn với tỷ lệ giữa chiều dày
rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,7........................................ 73
5.1.3. Kết quả mơ phỏng q trình điền đầy khn với tỷ lệ giữa chiều dày
rãnh dẫn h và chiều dày thành vật đúc H, h/H = 0,8........................................ 75
5.2. Kết quả mơ phỏng các q trình truyền nhiệt ............................................... 77
5.2.1. Trường nhiệt độ của vật đúc .................................................................. 77
5.2.2. Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt và biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm
mẫu ................................................................................................................... 79
5.3. Tổ chức tế vi của mẫu đúc Lưu biến-áp lực .................................................. 81
5.3.1. Sự hình thành pha nền............................................................................ 81
5.3.2. Sự hình thành cùng tinh ......................................................................... 89

5.4. Nghiên cứu phân tích cấu trúc ...................................................................... 92
5.5. Kết quả nghiên cứu về tỉ trọng của hợp kim A356 ....................................... 96
5.5.1. Các chế độ công nghệ ............................................................................ 96
5.5.2. Kết quả xác định tỷ trọng ....................................................................... 96
5.5.2.1. Kết quả xác định tỷ trọng theo chiều dọc mẫu ........................................... 98
5.5.2.2. Kết quả xác định tỷ trọng tại ba vị trí trên mẫu ........................................ 100

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


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

VI

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
HPDC
SSM
MHD
SIMA
RAP
NRC
SSTT
RDC



Đúc áp lực
Cơng nghệ bán lỏng
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
Đúc lưu biến- áp lực
Ứng suất cắt, [Pa]



Tốc độ cắt, [s-1]

k

N

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

η
R

Hệ số liên quan đến độ nhớt
Ứng suất chảy tĩnh, [Pa]
Tham số
Độ nhớt, [Pas]
Tần số, [Hz]
Giới hạn bền kéo, [MPa]
Sự dịch chuyển
Góc thấm 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 có áp lực
Ký hiệu mẫu trong khuôn mỏng
Ký hiệu nhiệt độ khuôn, [0 C]
Ký hiệu nhiệt độ khuấy, [0 C]
Ký hiệu mẫu khuấy trục graphit
Ký hiệu tốc độ khuấy, [vòng/phút]
Ký hiệu thời gian khuấy, [s]
Thể tích ở trạng thái lỏng, [m3]
Thể tích ở trạng thái rắn, [m3]
Độ chênh nhiệt độ nóng chảy dưới tác động của áp suất, [0 C]
Nồng độ mol của các cấu tử A

Nồng độ mol của các cấu tử B
Ẩn nhiệt nóng chảy của cấu tử A
Ẩn nhiệt nóng chảy của cấu tử B
Độ chênh áp suất [MPa]
Hệ số khuếch tán
Chiều dài bước nhảy của nguyên tử
Độ nhớt của kim loại lỏng
Hằng số khí

VII


ε
Cb
Ct
N
B
C0

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

VIII


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Sự thay đổi nhiệt độ nóng chảy dưới tác động của áp suất [66] ..................................... 27
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của áp lực tới trọng lượng riêng của kim loại và hợp kim [66] .................... 28
Bảng 2.3. Độ quá nguội cần thiết để tạo mầm nội sinh ................................................................... 42
Bảng 3.1 Thành phần hợp kim A 356 ............................................................................................... 48
Bảng 4.1. Chiều dày rãnh hơi trên khuôn đúc ................................................................................. 58
Bảng 4.2. Khối lượng riêng của khơng khí phụ thuộc nhiệt độ........................................................ 58
Bảng 4.3. Các thông số nhiệt lý của vật đúc .................................................................................... 59
Bảng 4.4. Các thông số nhiệt lý của khuôn kim loại ........................................................................ 59
Bảng 5.1. Thành phần hóa học của hợp kim A356 .......................................................................... 81
Bảng 5.2. Ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh đến tỷ trọng của hợp kim A356........................................ 98
Bảng 5.3. Độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực , áp lực ép tĩnh 200MPa......................................... 102
Bảng 5.4. So sánh độ cứng mẫu đúc Lưu biến-áp lực và đúc Áp lực, áp lực ép tĩnh 200MPa ..... 103
Bảng 5.5. Độ bền kéo và độ dãn dài của các mẫu đúc với công nghệ chế tạo khác nhau ............. 105

IX


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Rỗ khí xuất hiện tại vị trí bơm dầu của nắp hơng động cơ ...................................................... 5
Hình 1.2. Bọt khí tại vị trí trục tay quay và đường bơm dầu ..................................................................... 6
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống chân khơng hóa khn ép, buồng ép và khử khí kim loại lỏng trong chân
khơng .......................................................................................................................................................... 6
Hình 1.4. Sơ đồ q trình ơ xy ................................................................................................................... 6
Hình 1.5. Mơ hình dịng chảy rối (a), dịng chảy tầng (b) ......................................................................... 7
Hình 1.6. Dịng chảy trong đúc áp lực a, và đúc Lưu biến- áp lực b [43] ................................................. 7
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849 ........................................................... 9
Hình 1.8. Máy đúc áp lực Dusenbery năm 1877 ..................................................................................... 10
Hình 1.9. Sơ đồ máy đúc áp lực của công ty H.H Franklin chế tạo năm 1904 ....................................... 10
Hình 1.10. Các sản phẩm đúc áp lực cao trong lĩnh vực xe máy ............................................................. 11
Hình 1.11. Block động cơ diesel cho động cơ diesel turbo xe Honda Accord 2005, được sản xuất bởi

công nghệ đúc Lưu biến- áp lực [38]. ...................................................................................................... 11
Hình 1.12. Sản phẩm nắp hơng động cơ Diezel ....................................................................................... 12
Hình 1.13. Các sản phẩm dạng thanh, càng ............................................................................................ 12
Hình 1.14. Mơ hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội.................................................................... 13
Hình 1.15. Mơ hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng .................................................................... 13
Hình 1.16. Đồ thị vận tốc và áp suất buồng ép [9] ................................................................................. 14
Hình 1.17. Sơ đồ cơng nghệ đúc lưu biến và xúc biến ............................................................................. 15
Hình 1.18. Quá trình đúc xúc biến (Thixo-casting) [12] ......................................................................... 16
Hình 1.19. Quá trình đúc lưu biến ........................................................................................................... 16
Hình 1.20. Sơ đồ mơ tả sự hình thành tinh thể dạng vê cạnh [12] .......................................................... 16
Hình 1.21. Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các ............................................................. 17
phương pháp cơng nghệ bán lỏng khác nhau .......................................................................................... 17
Hình 1.22. Phương pháp nhiệt trực tiếp [60] .......................................................................................... 18
Hình 1.23. Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT mới [58] ........................................................................ 20
Hình 1.24 Tổ chức tế vi của hợp kim A356 đạt được bằng phương pháp MIT mới. Kích thước hạt trung
bình ~ 100m [58] ................................................................................................................................... 20
Hình 1.25. Sơ đồ minh họa các bước trong phương pháp đúc GISS [37] ............................................... 20
Hình 1.26. Sơ đồ hệ thống đúc rheo-diecasting dùng vít tải [25] ............................................................ 21
Hình 1.27. So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau [25] .................................. 21
Hình 1.28. Mơ tả phương pháp “Đúc áp lực- GISS”[37] ........................................................................ 22
Hình 1.29. Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [39] ..................................... 23
Hình1.30. Sơ đồ quá trình đúc lưu biến-áp lực với kênh dẫn uốn khúc................................................... 23
Hình1.31. Mẫu kiểm tra độ bền kéo ......................................................................................................... 23

X


Hình 1.32. Sơ đồ hệ thống cơng nghệ đúc Lưu biến- áp lực .................................................................... 25
Hình 2.1. Sự dịch chuyển của giản đồ pha dưới tác động của áp suất .................................................... 27
Hình 2.2. Ảnh hưởng của áp suất tới giản đồ pha Al-Si [66] .................................................................. 29

Hình 2.3. Dịng chảy tầng ........................................................................................................................ 32
Hình 2.5. Dịng chảy phân tán ................................................................................................................. 33
Hình 2.4. Dịng chảy rối ........................................................................................................................... 33
Hình 2.6. Phần tử chất lỏng trong khơng gian 3 chiều [13] ................................................................... 34
Hình 2.7. Mơ hình dòng chảy và phần tử khối hữu hạn [13] ................................................................... 34
Hình 2.8. Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến[34] ....................................... 38
Hình 2.9. Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi lưu biến
[33] ........................................................................................................................................................... 39
Hình 2.10. Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [62] ....................................... 40
Hình 2.11. Năng lượng tự do của cụm nguyên tử như hàm của bán kính ............................................... 41
Hình 2.12. Tạo mầm đồng thể và dị thể ................................................................................................... 42
Hình 2.13. So sánh giữa 2 quá trình tạo mầm đồng thể và dị thể. ........................................................... 43
Hình 2.14. Góc thấm ướt  giữa mầm và vật rắn dị thể........................................................................... 43
Hình 2.15. Hàm f() với những góc thấm ướt đặc trưng ......................................................................... 44
Hình 2.16. Giản đồ pha Al-Si và các dạng tổ chức .................................................................................. 45
Hình 2.17. Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (độ bền Rm, độ dẻo A5) [11] ......................... 45
Hình 2.18. Pha liên kim  (Al-Fe-Si) có dạng hình tấm thơ làm giảm đáng kể cơ tính .......................... 46
Hình 3.1. Các họ hợp kim nhơm[15]........................................................................................................ 47
Hình 3.2. Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6
0

C/s[46] .................................................................................................................................................... 48

Hình 3.3. Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0.6 0C/s (quan sát vùng cùng tinh)48
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0.2 0C/s ................................................ 48
Hình 3.5. Lị điện trở dung tích 150kg/mẻ cho nấu hợp kim nhơm .......................................................... 49
Hình 3.6. Thiết bị tạo mầm bằng trục graphite ........................................................................................ 50
Hình 3.7. Đồng hồ đo nhiệt độ khơng tiếp xúc Raytek: RAYRPM40LU3 ................................................ 51
Hình 3.8. Đồng hồ đo nhiệt độ trực tiếp SEIKO: TC-550........................................................................ 51
Hình 3.9. Máy đúc áp lực ZDC420TPS.................................................................................................... 51

Hình 3.10. Sơ đồ q trình mơ phỏng số.................................................................................................. 52
Hình 3.11. Thiết bị hiển vi quang học LeicaDM4000M ........................................................................... 53
Hình 3.12. Thiết bị đo độ cứng tế vi FM – 700 ........................................................................................ 53
Hình 3.13. Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS ................................................................................. 54
Hình 3.14. Thiết bị cân tỷ trọng ............................................................................................................... 54
Hình 3.15. Mẫu đúc áp lực....................................................................................................................... 55

XI


Hình 3.16. Mẫu kiểm tra độ bền kéo, độ cứng ......................................................................................... 55
Hình 3.17. Máy thử kéo vạn năng Super “L”, Model 400 của hãng Tinius Olsen (Mỹ) ......................... 55
Hình 3.18. Mẫu đo độ cứng...................................................................................................................... 55
Hình 3.19. Mẫu đo tỷ trọng ...................................................................................................................... 55
Hình 4.1. Mơ hình khn đúc áp lực, vật đúc .......................................................................................... 60
Hình 4.2. Bảng điều khiển của máy đúc áp lực cao 420 tấn .................................................................... 63
Hình 4.3. Các giai đoạn chuyển động chính của piston........................................................................... 64
Hình 4.4. Thiết bị khuấy bán lỏng bằng trục graphite ............................................................................. 67
Hình 4.5. Mẫu thử sau đúc ....................................................................................................................... 68
Hình 4.6. Mẫu thử đã gia cơng ................................................................................................................ 68
Hình 5.1. Vận tốc điền đầy khn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=79%, h/H=0,5 ........................... 69
Hình 5.2. Vận tốc điền đầy khn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=89%, h/H=0,5 ........................... 70
Hình 5.3. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=94%, h/H=0,5 ........................... 70
Hình 5.4. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=84%, h/H=0,5 ........................... 71
Hình 5.5. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=88%, h/H=0,5 ........................... 72
Hình 5.6. Vận tốc điền đầy khn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=93%, h/H=0,5 ........................... 72
Hình 5.7. Vận tốc điền đầy khn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=77%, h/H=0,7 ........................... 73
Hình 5.8. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=92%, h/H=0,7 ........................... 74
Hình 5.9. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=94%, h/H=0,7 ........................... 74
Hình 5.10. Vận tốc điền đầy khuôn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=90%, h/H=0,8 ......................... 75

Hình 5.11. Vận tốc điền đầy khn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khuôn P=95%, h/H=0,8 ......................... 76
Hình 5.12. Vận tốc điền đầy khn ở thời điểm tỉ lệ điền đầy khn P=97%, h/H=0,8 ......................... 76
Hình 5.13. Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là 6100C ................................... 78
Hình 5.14. Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 185MPa, nhiệt độ rót là 6100C ............................. 78
Hình 5.15. Trường nhiệt độ của vật đúc với áp suất 205MPa, nhiệt độ rót là 6100C ............................. 79
Hình 5.16. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của mẫu đúc tại thời điểm 3s với áp suất 1atm, nhiệt độ rót là
6100C ........................................................................................................................................................ 79
Hình 5.17. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của mẫu đúc đến thời điểm 7s với áp suất 1atm, nhiệt
độ rót là 6100C ......................................................................................................................................... 79
Hình 5.18. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực 185MPa, nhiệt độ rót
là 6100C.................................................................................................................................................... 80
Hình 5.19. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của vật đúc đến thời điểm 7s với áp lực 185MPa, nhiệt
độ rót là 6100C ......................................................................................................................................... 80
Hình 5.20. Phân bổ nhiệt độ trên mặt cắt của vật đúc tại thời điểm 3s với áp lực 205MPa, nhiệt độ rót
là 6100C.................................................................................................................................................... 80
Hình 5.21. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí tâm của vật đúc đến thời điểm 7s với áp lực 205MPa, nhiệt
độ rót là 6100C ......................................................................................................................................... 80

XII


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

Hình 5.28. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C,
Pt=200MPa .............................................................................................................................................. 85
Hình 5.29. Ảnh tổ chức (x500): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C, Tkh = 6250C, Tr = 6100 C,
Pt=205MPa .............................................................................................................................................. 86
Hình 5.30. Ảnh tổ chức (x1000): MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C,
Pt=205MPa .............................................................................................................................................. 87
Hình 5.31. a) Sự hình thành tổ chức nhánh cây trong q trình đơng đặc thơng thường, b) Sự hình
thành tổ chức khi mầm tạo ra nhiều và lớn lên cạnh tranh ..................................................................... 88
Hình 5.32. a) Hiển vi quang học cho thấy hành vi tạo bề mặt yếu của Si trong công nghệ đúc lưu biếnáp lực, b) Cùng tinh được hình thành trong những vùng khơng gian nhỏ giữa các hạt. ........................ 90
Hình 5.33. Ảnh hưởng của áp suất tới nhiệt độ nóng chảy và ranh giới pha giả ổn định trong kim loại và
hợp kim ..................................................................................................................................................... 91
Hình 5.34. Hành vi ứng suất-biến dạng của vật liệu rịn và dẻo ............................................................. 93
Hình 5.35. a) Phá hủy cực dẻo; nút thắt cổ chai lớn (một điểm); b) Phá hủy dẻo vừa phải; nút thắt cổ
chai thấy rõ; c) phá hủy giịn: khơng thắt cổ chai ................................................................................... 93
Hình 5.36. Các giai đoạn phá hủy dai ..................................................................................................... 93
Hình 5.37. Cấu trúc đặc trưng của phá hủy dẻo: a) “lúm đồng tiền”; b) “gỗ mục” .............................. 93
Hình 5.38. Mặt gẫy hình quạt. ................................................................................................................. 94
Mũi tên chỉ vị trí vết nứt xuất hiện ........................................................................................................... 94
Hình 5.39. a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển xuyên qua tinh thể trong trường hợp
phá hủy giònxuyên tinh; b) Ảnh SEM mặt gãy của gang bền cao............................................................ 94
Hình 5.40. a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển dọc theo biên giới hạt trong trường hợp
phá hủy giòntheo biên giới hạt; b) Ảnh SEM mặt gãy theo biên giới hạt ................................................ 95
Hình 5.41. Mặt gẫy của mẫu MIT-200, Vkh = 200v/ph, Tk = 1550 C,....................................................... 95
Tkh = 6250 C, Tr = 6100 C, Pt=200MPa ................................................................................................... 95
Hình 5.42. Phân tích EDS ........................................................................................................................ 95
Hình 5.43. Các dạng xốp vi mơ điển hình trong vật đúc nhơm ................................................................ 97
Hình 5.44. Sự hình thành rỗ khí vi mơ trong vật đúc nhơm với hàm lượng khí cao ................................ 97

XIII

Hình 5.45. Mẫu kiểm tra tỷ trọng ............................................................................................................. 98
Hình 5.46. Tỷ trọng của mẫu đúc Lưu biến-áp lực , Áp lực với các áp suất ép tĩnh khác nhau .............. 98
Hình 5.47. Quan hệ phụ thuộc của hệ số thấm vào nhiệt độ vùng 2 pha hợp kim nhôm (1-Al9 và 2Al4Si)[3] ................................................................................................................................................... 99
Hình 5.48. Việc lọc qua các tinh thể nhánh cây a) khó khăn hơn nhiều (trở lực lớn) so với qua các hạt
cầu trịn b). ............................................................................................................................................. 100
Hình 5.49. Tỷ trọng tại 3 vùng trên mẫu đúc Lưu biến-áp lực và mẫu đúc Áp lực, áp suất ép tĩnh 200
MPa: (a) kết quả mô phỏng, (b, c) kết quả thực nghiệm ........................................................................ 100
Hình 5.50. Độ cứng của mẫu đúc Lưu biến-áp lực tại 3 vị trí với áp lực ép tĩnh 200MPa ................. 102
Hình 5.51. Độ cứng tại vị trí P1 ............................................................................................................. 103
Hình 5.52. Độ cứng tại vị trí P3 ............................................................................................................. 104
Hình 5.53. Độ cứng tại vị trí P2 ............................................................................................................. 104
Hình 5.54. Độ bền kéo của các mẫu đúc với cơng nghệ chế tạo khác nhau .......................................... 105
Hình 5.55. Chụp ảnh SEM mẫu đúc áp lực x5000 lần, mũ tên chỉ các bọt khí ...................................... 106
Hình 5.56. Chụp ảnh kim tương mẫu đúc áp lực x1000 lần, Si cùng tinh dạng tấm.............................. 106
Hình 5.57. Mẫu đúc áp lực và lưu biến- áp lực được nhiệt luyện ở nhiệt độ T = 5200 C, thời gian 2h107
Hình 6.1. Thiết kế rãnh dẫn chi tiết thân bơm BRA50 ........................................................................... 109
Hình 6.2. Nửa khn động thân bơm BRA 50 ........................................................................................ 110
Hình 6.3. Nửa khn tĩnh thân bơm BRA 50.......................................................................................... 110
Hình 6.4. Bộ khuôn đúc áp lực thân bơm BRA 50 ................................................................................. 110
Hình 6.5. Sản phẩm thân bơm trước (a) và sau hiệu chỉnh rãnh thốt hơi (b) ...................................... 111
Hình 6.6. Khuyết tật rỗ xốp trên vật đúc khi đúc áp lực (a) và khơng cịn rỗ xốp (b) khi đúc Lưu biến- áp
lực được so sánh với kết quả mô phỏng. ................................................................................................ 112
Hình 6.7. Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p3= 185 MPa .............................................................. 113
Hình 6.8. Đúc lưu biến- áp lực, áp suất ép tĩnh p3= 200 MPa .............................................................. 113
Hình 6.9. Bộ khn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hơng RV125 ...................................................... 115
Hình 6.10. Bộ khn đúc Lưu biến- áp lực chi tiết nắp hông RV125 đã chế tạo ................................... 115
Hình 6.11. Hình ảnh chi tiết RV 125 đúc bằng phương pháp Lưu biến- áp lực .................................... 116
Hình 6.12. Vị trí gia cơng que thăm dầu nắp hông RV125: a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp
lực, khơng cịn bọt xốp; b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, cịn bọt xốp ................................... 117

Hình 6.13. Vị trí trục khởi động nắp hơng RV125: a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp lực,
khơng cịnbọt xốp; b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, cịn bọt xốp............................................ 117
Hình 6.14. Vị trí gia cơng đường bơm dầu nắp hông RV125; a) chế tạo bằng phương pháp Lưu biến- áp
lực, khơng cịn bọt xốp;b) chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực, còn bọt xốp .................................... 117

XIV


MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của luận án
Hiện nay, nhu cầu sử dụng các các sản phẩm từ hợp kim có đặc tính kỹ thuật cao của
các lĩnh vực cơng nghiệp trong nước rất lớn, trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục
vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, máy động lực… mà đa số các chi tiết này
đều được chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực cao do áp lực có ảnh hưởng rất tốt đến sự
hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim. Tuy nhiên, trong công nghệ đúc áp lực cao do
vận tốc dòng chảy cao từ 20 đến 60 m/s, tạo nên dòng chảy rối, nên những vị trí có độ dày
lớn thường là nơi chứa các khuyết tật dạng khí. Những vị trí ụ dày, thơng thường là chỗ lắp
ráp với các chi tiết khác nên đòi hỏi phải có độ sít chặt, độ bền cao. Các khuyết tật dạng
khí xuất hiện ở đây chỉ được phát hiện khi đã gia cơng hồn chỉnh, và sản phẩm bị coi là
hàng phế phẩm.
Để ngăn ngừa sự hình thành rỗ khí thì triệt để nhất là đúc trong chân khơng, song q
trình này rất tốn kém, địi hỏi những thiết bị đắt tiền không phù hợp với thực tế sản xuất tại
Việt nam.
Nếu dòng chảy rối chuyển thành dòng chảy tầng thì sẽ ít bị cuốn khí hơn. Tuy nhiên,
để đảm bảo được q trình điền đầy trong khn là chảy tầng thì phải giảm vận tốc dịng
chảy, hạ nhiệt độ của hợp kim đến vùng bán lỏng. Ở trạng thái bán lỏng độ nhớt của hợp
kim sẽ tăng, khả năng điền đầy khuôn kém.
Hiện tượng độ nhớt của hợp kim tăng cao khi giảm nhiệt độ xuống dưới đường lỏng
có thể được khắc phục bằng cách khuấy ở trạng thái bán lỏng, vì vật liệu khi bị khuấy liên
tục ở trạng thái bán lỏng sẽ có độ nhớt thấp hơn nhiều so với khi được làm nguội xuống

trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Như vậy, khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán
lỏng (được gọi là đúc lưu biến-áp lực hay rheo-diecasting) thì có thể đạt được các hiệu quả
sau:
-

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

-

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

-

Dịng chảy rối và phân tán sẽ chuyển thành dịng chảy tầng nên ít cuốn khí hơn.

Từ những điều nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu là: “Nghiên
cứu phát triển công nghệ đúc lưu biến- áp lực (rheo- diecasting) cho hợp kim nhôm
A356”.

1


2. Mục đích nghiên cứu
- Xác định ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ cơ bản của q trình rheo-diecasting tới
sự hình thành tổ chức và tính chất của hợp kim A356.
- Ứng dụng công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực” (rheo-diecasting) vào việc chế tạo các sản
phẩm từ hợp kim nhơm có độ bền cao trong ngành chế máy động lực”.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hợp kim nhôm A356
- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu, đánh giá trên các mẫu thử và ứng dụng để chế tạo một
số sản phẩm trong ngành chế tạo máy bằng phương pháp đúc “Lưu biến- áp lực”.

4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực”
- Nghiên cứu mơ phỏng tính chất của dịng chẩy trong q trình điền đầy khn bằng dịng
kim loại ở trạng thái bán lỏng.
- Nghiên cứu q trình đơng đặc và hình thành tổ chức của hợp kim trong cơng nghệ rheodiecasting.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đúc Lưu biến- áp lực (rheodiecasting) đến các đặc tính cơ học (độ bền, độ cứng, tỷ trọng) của hợp kim A356.
- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ rheo-diecasting để chế tạo một số sản phẩm trong ngành
máy động lực.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu đã công bố
kết hợp với thực tế về công nghệ đúc “Lưu biến- áp lực”.
- Nghiên cứu mô phỏng bằng các phần mềm MAGMAsoft và ANSYS
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu:
+ Chế tạo các mẫu thử bằng phương pháp cơng nghệ “Lưu biến- áp lực”
+ Phân tích đánh giá tổ chức, kiểm tra cơ, lý, tính các mẫu thử đã được chế tạo
bằng phương pháp công nghệ “Lưu biến- áp lực”
- Kỹ thuật sử dụng:
Các thơng số về tính chất vật liệu của mẫu thử, sản phẩm sẽ được nghiên cứu, chế tạo và
đo đạc như sau:
+ Dùng lò điện trở để nấu luyện hợp kim nhôm A356.

2


+ Sử dụng thiết bị phân tích quang phổ để xác định thành phần hóa học của hợp

kim nhơm A356.
+ Dùng máy đúc áp lực để chế tạo mẫu thử và sản phẩm đặc trưng.
+ Dùng các thiết bị kiểm định để xác định cơ tính của hợp kim (độ bền kéo, độ
cứng)
+ Dùng hiển vi điện tử SEM và kỹ thuật EDS để phân tích, đánh giá cấu trúc của
hợp kim.
+ Dùng kính hiển vi quang học để đánh giá tổ chức tế vi của hợp kim.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
*) Ý nghĩa khoa học
- Là nghiên cứu đầu tiên về công nghệ Lưu biến- áp lực (rheo-diecasting) ở Việt
Nam, là cơ sở cho việc đổi mới công nghệ, ứng dụng tiến bộ KHKT. Kết quả nghiên cứu
của luận án là định hướng về thiết kế công nghệ khuôn đúc “Lưu biến- áp lực” và là cơ
sở để lựa chọn vận tốc dòng chảy điền đầy hốc khn phù hợp cho mỗi loại sản phẩm có
chiều dày thành vật đúc khác nhau.
- Cho thấy ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh tới kích thước hạt: khi tăng áp lực ép tĩnh
đến 205 MPa đã xuất hiện nhóm hạt Al – α3 rất nhỏ mịn (khoảng 2-7 µm); khơng quan sát
thấy nhóm hạt này khi áp lực ép tĩnh dưới 200 MPa; ngoài ra tỷ trọng hợp kim cao hơn tới
2% so với khi áp lực ép tĩnh < 200 MPa. Đó là những đóng góp bổ sung vào khoa học đúc
lưu biến – áp lực.
*) Ý nghĩa thực tiễn
- Luận án đưa ra các thông số cơng nghệ cơ bản của q trình đúc áp lực-lưu biến
như: nhiệt độ rót, vận tốc dịng chẩy, áp lực ép trong mối quan hệ với chiều dày rãnh dẫn
và chiều dày thành vật đúc, đã được kiểm chứng bằng việc đúc thử 02 sản phẩm của
ngành Máy động lực.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được tham khảo và áp dụng triển khai để
sản xuất các chi tiết trong ngành chế tạo máy động lực, ô tơ, xe máy nhằm thay thế các
chi tiết có khối lượng lớn hơn được chế tạo từ gang, đáp ứng được nhu cầu sản xuất chi
tiết đúc khối lượng nhẹ, loạt lớn và tăng hiệu suất sử dụng.

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

3


phần làm cho các mầm kết tinh có kích thước nhỏ có thể ”sống sót”, tạo ra những
hạt tinh thể rất nhỏ mịn.
2. Đã xác định được mối quan hệ giữa tỉ số của chiều dày rãnh dẫn và chiều dày vật
đúc với tốc độ ép để đảm bảo dòng chảy tầng trong khuôn đúc.
3. Đã phát hiện ra những ưu điểm rõ rệt của phương pháp đúc lưu biến-áp lực: dịng
chảy tầng và sự đồng đều hóa nhiệt độ của khối kim loại, khiến gradient nhiệt độ
giảm và tạo điều kiện cho sự hình thành tổ chức đều trục cầu tròn phi nhánh cây.
4. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc kết hợp giữa đúc lưu biến và đúc áp lực
mang lại những yếu tố thuận lợi nhằm giảm thiểu một dạng khuyết tật điển hình của
các sản phẩm đúc nói chung và đúc áp lực nói riêng là xốp tế vi bằng các yếu tố:
-

Giảm cuốn khí do dịng chảy tầng

-

Giảm lực cản cho q trình ”ni” nhờ việc tạo ra các tinh thể dạng cầu tròn
thay vì dạng nhánh cây

-

Thúc đẩy q trình ”ni” nhờ áp lực.

8. Kiến nghị
Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng hệ thống tự động hóa cịn thơ sơ và chưa có thiết bị
rót tự động. Đề nghị có các nghiên cứu sâu hơn về việc kiểm soát nhiệt độ tự động trên
khuôn đúc áp lực và buồng nạp cũng như thời gian rót vật liệu bán lỏng vào buồng nạp.

4


ĐẶT VẤN ĐỀ
Một cách để cải thiện hiệu quả sử dụng nguyên nhiên liệu cho ngành công nghiệp ô tô
đã được áp dụng trong sản xuất đúc nhôm hàng loạt là giảm trọng lượng của chi tiết đúc
[61]. Công nghệ đúc áp lực cao (HPDC – High Pressure Die Casting) đã đáp ứng được nhu
cầu này trong sản xuất chi tiết đúc khối lượng nhẹ. Có thể thấy rằng cơng nghệ đúc áp lực
cao cho phép đúc các chi tiết có thành mỏng, phức tạp với bề mặt chi tiết đúc bóng đẹp và
lượng dư gia cơng ít [20]. Các sản phẩm đúc áp lực cao thường có bề dày từ 0,8 mm đến 10
mm, nhưng trên thực tế thì bề dày 2 mm đến 6 mm sẽ cho kết quả đúc tốt nhất. Tuy nhiên,
trong phương pháp đúc áp lực cao kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn đi qua rãnh dẫn với
vận tốc cao, dẫn tới dòng chảy trong khn là dịng phân tán hoặc dịng chảy rối và đây
chính là nguyên nhân tạo ra các oxit, rỗ xốp gây khó khăn cho q trình xử lý nhiệt sau đó.
Một thí dụ khá điển hình là tại một công ty chế tạo phụ tùng ô tô, xe máy của nước
ngồi chi tiết nắp hơng động cơ bị rỗ khí tại các vị trí có ụ dày (hình 1.1).

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

Hiện tượng rỗ xốp cũng thường xảy ra tại một số Công ty đúc áp lực hoạt động tại
Việt nam; thí dụ sản phẩm nắp hơng động cơ Diesel RV125 bị bọt khí tại vị trí trục tay
quay, đường bơm dầu như trình bày ở hình 1.2.
Hạn chế trên khiến cho phương pháp đúc áp lực chủ yếu chỉ được ứng dụng để chế
tạo các chi tiết kết cấu thành mỏng, bề mặt nhẵn đẹp, kích thước chính xác và khơng địi

hỏi độ bền q cao. Xốp khí tại những vị trí ụ dầy chính là nguyên nhân làm giảm độ bền
đáng kể và chi tiết đúc không thể nhiệt luyện được. Để khắc phục nhược điểm này trong
công nghệ đúc áp lực người ta thường phải đúc rót trong chân khơng, (hình 1.3) nhưng chi
phí rất tốn kém. Một cách khác được gọi là “quá trình ơxy”. Bản chất của nó là người ta
thay thế khơng khí trong khn bằng ơ xy (hình 1.4). Kết quả là các ơxyt kim loại được
hình thành với kích thước cực nhỏ và ít có hại hơn so với rỗ khí.

5


Bọt khí

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

Cịn có một số phương pháp khác
để chống lại rỗ khí khi đúc áp lực cao
như ép bằng piston kép (quá trình
akyrad) hay ép cục bộ nhưng đều rất tốn
kém hoặc làm cho kết cấu của máy đúc
áp lực trở nên rất phức tạp.
Nếu đúc áp lực với kim loại ở
trạng thái bán lỏng thì dịng chảy sẽ
chuyển thành dòng chảy tầng do kim loại
ở dạng sệt và sẽ ít bị cuốn khí hơn. Tuy

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

nhiên như vậy sẽ phải hạ nhiệt độ của
hợp kim đến vùng bán lỏng và ở trạng

thái này độ nhớt của hợp kim sẽ tăng,
khả năng điền đầy trong khuôn kém.
Để độ nhớt của hợp kim không tăng cao
khi giảm nhiệt độ xuống dưới đường
lỏng thì cần:

Hình 1.4. Sơ đồ quá trình ô xy

6


- khuấy kim loại ở trạng thái bán lỏng để bẻ gãy các nhánh cây nếu tỷ phần pha rắn
tương đối lớn.
- đúc ở nhiệt độ gần liquidus (chủ yếu là tạo mầm dị thể)
Như vậy khi kết hợp giữa đúc áp lực và khuấy bán lỏng thì rỗ khí có thể được khắc
phục bởi 2 lý do:
- Áp lực sẽ phân tán các phần tử ô xýt nhôm đều trong tồn bộ khối kim loại.
- Dịng chảy rối và phân tán sẽ chuyển thành dịng chảy tầng nên ít cuốn khí hơn.
Điều này đã được chứng minh trong một thí nghiệm được mơ tả ở hình 1.5.

Hình 1.5. Mơ hình dịng chảy rối (a), dịng chảy tầng (b)

a

b

Hình 1.6. Dòng chảy trong đúc áp lực a, và đúc
Lưu biến- áp lực b [43]

Việc so sánh dịng chảy rối (hình 1.5 a) trong trường hợp đúc từ trạng thái lỏng và

dịng chẩy tầng (hình 1.5 b) trong trường hợp đúc bán lỏng cho thấy trong trường hợp đúc
bán lỏng khí bị cuốn ít hơn nhiều (mũi tên) khi dịng chảy vượt qua một vật cản. Khi chi
tiết đúc là tấm phẳng như hình 1.6 a, cũng có thể thấy rằng trong trường hợp đúc áp lực với
dòng chảy dòng phân tán khả năng cuốn khí và tạo xốp trong chi tiết đúc sẽ xảy ra. Trong
trường hợp đúc lưu biến- áp lực quá trình điền đầy xảy ra từ dưới lên trên, khí sẽ được
thốt ra ngồi qua các kênh thốt khí, chi tiết đúc sẽ ít bị bọt xốp khí hơn (hình 1.6 b [43]).

7


Có thể thấy đúc bán lỏng (SSP – Semi-Solid Processing) là một phương pháp tiềm
năng để sản xuất các chi tiết có khối lượng lớn và có thể khắc phục những thiếu sót của đúc
áp lực cao (HPDC) thơng thường khi sản xuất các chi tiết bằng hợp kim nhẹ: dịng chảy
tầng trong q trình điền đầy khn của kim loại bán lỏng cho phép khắc phục vấn đề tạo rỗ
khí và cũng làm giảm co ngót trong q trình đơng đặc [61], do đó có thể được ngăn chặn
nứt vỡ trong q trình xử lý nhiệt.
Đó là lý do vì sao phương pháp cơng nghệ đúc lưu biến (rheocasting) thường được
kết hợp với công nghệ đúc áp lực (diecasting) để cho ra đời một phương pháp mới là “Lưu
biến- áp lực” (RDC- rheo-diecasting) cho kết quả rất tốt.

8


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Đúc áp lực
1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của phương pháp đúc áp lực
Đúc áp lực là một phương pháp sản xuất phôi nhằm tạo ra các chi tiết có kích
thước chính xác do chuyển động của dòng kim loại lỏng dưới tác dụng của áp suất. Đúc áp
lực là một phương pháp đúc đặc biệt mà ở đó kim loại lỏng điền đầy khn dưới tác dụng
của áp lực thay vì cho trọng lực như trong các phương pháp đúc thông thường khác. Cũng

giống như các ngành kỹ thuật khác, người ta không biết chắc chắn thời gian xuất hiện của
ngành đúc áp lực mà chỉ có thể ước lượng thời gian ra đời của nó vào khoảng đầu thế
kỷ 19, mặc dù một vài ý tưởng hình thành ngành đúc áp lực đã có từ sớm hơn nữa vì có
sự liên hệ với việc sản xuất máy in. Máy đúc áp lực đầu tiên Sturgiss được phát minh
vào năm 1849 (hình 1.7); máy này có buồng nấu chảy kim loại được đặt phía dưới.
Hình 1.7. Sơ đồ ngun lý của máy đúc áp lực Sturgiss năm 1849
Cần điều khiển

Cửa điều
Đóng
miệng phun khiển

Đầu
phun

Pitơng
trụ trượt

Buồng
áp lực

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

nữa chúng có khả năng chống ăn mịn tốt, nhưng lại có nhược điểm là rất mềm và khả

9