Nghiên cứu công nghệ tạo hình một số hợp kim màu ở trạng thái bán lỏng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGUYỄN VINH DỰ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH
MỘT SỐ HP KIM MÀU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG
Chuyên ngành
Mã số ngành

: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
: 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2006.


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN TRƯỜNG THANH.

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LƯU PHƯƠNG MINH.

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LƯƠNG HỒNG ĐỨC.

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…… tháng 09 năm 2006.

II


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP –TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày 24 tháng 06 năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VINH DỰ.
Sinh ngày 08 tháng 12 năm 1979.
Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy.

Phái
: Nam.
Nơi sinh: Thành phố Hồ Chí Minh.
MSHV : 00403075.

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu công nghệ tạo hình một số hợp kim màu ở trạng thái bán
lỏng.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết công nghệ tạo hình vật liệu ở
trạng thái bán lỏng. Tham gia thực hiện thí nghiệm sự thay đổi cơ tính và cấu trúc

tế vi theo nhiệt độ đối với hợp kim Nhôm A357 và hợp kim Magiê AZ91D. Nhận
xét các kết quả, rút ra kết luận.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20 tháng 01 năm 2006.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:20 tháng 06 năm 2006.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: PGS.TS. NGUYỄN TRƯỜNG THANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS. Nguyễn Trường Thanh

PGS.TS. Trần Doãn Sơn

PGS.TS. Trần Doãn Sơn

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Ngày tháng

năm 2006

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian dài nỗ lực và cố gắng, cuối cùng tôi cũng đã hoàn thành xong
luận văn Cao học này. Tuy nhiên, luận văn chắc chắn không hoàn thành nếu không
có sự tận tình hướng dẫn, chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn “Thiết bị và công
nghệ vật liệu cơ khí” đặc biệt là thầy Nguyễn Trường Thanh.
Tôi xin chân thành cảm ơn:
PGS.TS Nguyễn Trường Thanh đã dành nhiều thời gian và công sức để giúp
tôi giải quyết các vấn đề trong quá trình làm luận văn và bổ sung nhiều kiến thức
mà tôi còn thiếu sót trong quá trình học tập.
GS Nguyễn Thế Hưng- trường Đại học Bách khoa Montréal, Canada đã giúp
đỡ tôi tận tình trong mọi vấn đề từ chuyên môn lẫn trong cuộc sống trong thời gian
tôi thực tập tại đây.
Tiến só Chee Ang Loong – trung tâm nghiên cứu công nghệ vật liệu Canada
– đã cung cấp, hỗ trợ cho tôi những kiến thức, những tài liệu quý báu về công nghệ
tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng.
Ban tổ chức Thành ủy TP.HCM – Ban điều hành chương trình 300 đã
giúp đỡ về tài chính và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi có điều kiện tham quan
thực tập tốt nghiệp tại Canada nhằm tiếp cận công nghệ tạo hình tiên tiến này.
Các thầy cô trong bộ môn “Thiết bị và công nghệ vật liệu cơ khí” đã nhiệt
tình chỉ dẫn tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Đồng thời, tôi cũng xin cảm
ơn thầy Lưu Phương Minh cùng các bạn trong nhóm nghiên cứu về công nghệ bán
lỏng của Bô môn đã đóp góp ý kiến để tôi hoàn thiện công trình nghiên cứu của
mình.

IV

Lời cảm ơn

Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị cùng khóa, các bạn đồng nghiệp nước ngoài
nơi tôi thực tập đã đóng góp nhiều ý kiến bổ ích giúp tôi hoàn thành luận văn Cao
học này.
Cuối cùng, tôi muốn nói lời tri ân của mình đến bố mẹ tôi, những người hằng
ngày đã theo dõi từng bước đi của tôi, và là chỗ dựa tinh thần cho tôi trong những
lúc khó khăn.
Mặc dù cố gắng hết sức nhưng vì thời gian có hạn và kiến thức còn nhiều hạn
chế nên luận văn này khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến và thông cảm từ quý thầy cô và các bạn.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2006.
Học viên thực hiện
Nguyễn Vinh Dự

V


Tóm tắt luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Cùng với sự lớn mạnh của ngành cơ khí động lực, ngành công nghiệp đã
có những bước phát triển mạnh mẽ về thiết bị đặc biệt là về công nghệ. Nếu như
trước kia kim loại sử dụng trong kỹ thuật tạo hình được nung chảy hoàn toàn thì
ngày nay công nghệ tạo hình vật liệu đã tiến lên một bước mới, đó là tạo hình
vật liệu ở trạng thái bán lỏng. Phương pháp tạo hình này đã được phát hiện ra từ
đầu thế kỷ này. Kỹ thuật này bắt đầu được phát triển bởi Giáo sư Merton C.
Flemings – Viện kỹ thuật Masasuchet, Hoa Kỳ và trong những năm gần đây kỹ
thuật tạo hình này đã được bắt đầu thương mại hóa đưa vào sản xuất công

nghiệp. Luận văn này sẽ đề cập đến các vấn đề như: tìm hiểu tổng quan công
nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng, đưa ra những ưu nhược điểm mà
phương pháp tạo hình này có được, trình bày các công nghệ tạo hình mới nhất
đang được áp dụng và triển khai tại các nước tiên tiến đó là công nghệ tạo hình ở
trạng thái bán lỏng: tìm hiểu thực trạng, khả năng ứng dụng, phân tích ưu nhược
điểm của công nghệ mới này, tìm hiểu cơ sở lý thuyết cho quá trình nghiên cứu
công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng. Cuối cùng, tiến hành khảo sát sự thay
đổi cơ tính của vật đúc từ hợp kim Nhôm A357, hợp kim Magiê AZ91D. đây là
những hợp kim được sử dụng phổ biến trong đúc áp lực- theo nhiệt độ nung. Khảo
sát này được thực hiện cùng với các chuyên gia của Viện công nghệ vật liệu
Canada.

VIII


Mục lục

MỤC LỤC
Lời cảm ơn ....................................................................................................................IV
Tóm tắt luận văn ....................................................................................................... VIII
Mục lục .........................................................................................................................IX
Chương 1 : Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng..................... 1
1.1. Ưu, nhược điểm của công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng ............ 1
1.2. Công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng..................................................... 9
1.2.1. Phân loại ............................................................................................. 9
1.2.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp đúc bán lỏng so với các phương
pháp khác ................................................................................................... 13
1.2.3. Phạm vi ứng dụng............................................................................ 16
1.3. Xu hướng phát triển của ngành công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng
.............................................................................................................................. 18

1.4. Thực trạng của ngành công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng trên thế
giới và ở Việt Nam .............................................................................................. 20
1.5. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................... 21
1.6. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 21
Chương 2: Những vấn đề lý thuyết của công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng
.................................................................................................................................... 22
2.1. Một số đặc điểm về hình thái học và cơ tính của kim loại khi tạo hình ở
trạng thái bán lỏng ....................................................................................................... 21
2.2. Đặc tính tạo hình của kim loại bán lỏng ..................................................... 26

IX


Mục lục

2.3. Đường cong quan hệ giữa độ biến dạng và ứng suất chảy của kim loại bán
lỏng....................................................................................................................... 29
2.4. Mối quan hệ cốt lõi giữa ứng suất chảy và thành phần rắn fs trong kim loại
bán lỏng................................................................................................................ 31
2.5. Độ nhớt của kim loại bán lỏng..................................................................... 33
2.6. Công thức dự đoán độ nhớt của kim loại bán lỏng. .................................... 35
2.7. Độ mịn của hạt.............................................................................................. 37
2.8. Kết luận......................................................................................................... 46
Chương 3 : Nghiên cứu thực nghiệm sự thay đổi cấu trúc tế vi và cơ tính của
một số hợp kim màu theo nhiệt độ trong trong công nghệ tạo hình ở
trạng thái bán lỏng ............................................................................... 47
3.1. Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................... 48
3.2. Mẫu thí nghiệm ............................................................................................ 50
3.3. Phương pháp lấy mẫu thí nghiệm ................................................................ 50
3.4. Đánh giá, bàn luận các kết quả ................................................................... 52

3.4.1. Hợp kim Nhôm A357............................................................................
3.4.2. Hợp kim Magiê AZ91D........................................................................
3.5. Kết luận......................................................................................................... 57
Chương 4: Kết luận và định hướng phát triển ....................................................... 67
4.1. Kết luận......................................................................................................... 67
4.2. Định hướng phát triển ................................................................................... 68
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 69
Phụ lục .......................................................................................................................... 71
Tóm tắt lý lịch trích ngang ........................................................................................... 78

X


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH
Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG.
1.1. Ưu, nhược điểm của công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng.
Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng là một trong những phương pháp tạo
hình có từ rất lâu đời, dùng để sản xuất các chi tiết, hàng hóa bằng kim loại. Vào
những thời kỳ đầu, người ta sử dụng mỗi chi tiết là một khuôn và sau khi kim loại
trong khuôn được kết tinh lại, khuôn sẽ được phá hủy nhằm mục đích lấy vật đúc
ra. Hiện nay, loại khuôn này vẫn còn được sử dụng phổ biến ở nước ta cụ thể là
trong đúc khuôn cát. Đối với phương pháp lấy sản phẩm theo cách này gặp phải
một số bất lợi ví dụ như: kích thước vật đúc không đồng đều, năng suất thấp do
thời gian làm khuôn chiếm một phần trong chu kỳ đúc. Để khắc phục nhược điểm
này khuôn vónh cửu-hay còn gọi là khuôn kim loại được ra đời. Phương pháp này
cho ra năng suất rất cao và đồng đều về kích thước, nó là tiền đề cho việc phát

triển công nghệ tạo hình ở trạng thái lỏng và tiếp theo là tạo hình ở trạng thái
bán lỏng ngày hôm nay.
Tóm lại, có rất nhiều phương pháp tạo hình ở trạng thái lỏng: đúc khuôn
cát, đúc trọng lực, tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng dưới áp lực cao,…
Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng thông thường là phương pháp tạo hình
bằng cách sử dụng khuôn kim loại, phương pháp này có khả năng đúc các chi tiết
có trọng lượng từ 28g đến 25kg thời gian rất nhanh và kinh tế. Thông thường thì
phương pháp này được sử dụng để tạo hình các sản phẩm có kích thước nhỏ. Tuy
nhiên, có một số tài liệu [7] cho rằng có một số chi tiết lớn cũng có thể được sản
xuất từ phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng dùng áp lực cao này, ví

Trang 1


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

dụ: khung cửa xe ôtô, hộp số,… Hợp kim đúc mà phương pháp này sử dụng rất đa
dạng như Nhôm, Kẽm, Magiê, Chì, Đồng,…Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng
gồm 2 phương pháp: Đúc trong buồng nóng, đúc trong buồng nguội.
Tấ
mmcốcốđịnh
Tấ

Tấm đẩy

Hốc
Xy Xy
lanhlanh
thủythủ
lựyc

Cần đẩy

Kim loại
Lò nấu
Miệng phun

Hình 1.1. Thiết bị tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng sử dụng buồng nóng
TấTấ
mm
cốcố
định
Muỗng

lanh
XyXy
lanh
thủthủ
y lựyc

Tấm đẩy

Hốc

Cần đẩy

Hình 1.2. Máy tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng sử dụng buồng nóng
Quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng nói chung và đúc áp lực bằng
buồng nguội nói riêng có chu kỳ đúc như sau:
• Kim loại lỏng được múc vào shot sleeve (a)
• Cần đẩy hoạt ñoäng (b)

Trang 2


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

• Kim loại lỏng được đẩy vào kênh dẫn (c).
• Kim loại lỏng được vào hốc khuôn và giữ cho đến khi kim loại kết tinh
bằng áp lực cao (d).
• Mở khuôn (e).
• Đẩy sản phẩm ra ngoài(f)

Hình 1.3. Chu kỳ đúc của máy tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng buồng nguội
Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng là một quy trình có hiệu suất và có tính
kinh tế cao. Nếu chúng ta sử dụng hết công suất thì đây sẽ là một quy trình tương
đối hoàn chỉnh về công nghệ và kỹ thuật.
Những vấn đề còn tồn tại trong kỹ thuật tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng
Tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng thường được sử dụng để sản xuất các
loại sản phẩm cung cấp cho thị trường trên toàn thế giới. Mặc dù phương pháp
tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng đã đáp ứng yêu cầu của thị trường về sản
lượng và một phần kỹ thuật tương đối hoàn chỉnh nhưng hiện nay nó đang gặp

Trang 3


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

phải một số khuyết điểm lớn như là: rỗ, và quá trình chảy trong khuôn không
kiểm soát được và hậu quả là dòng chảy trong khuôn là chảy rối. Rỗ và chảy rối
thực chất là do 2 nguyên nhân chính đó là trong quá trình kết tinh có rỗ khí và do

khí bị quẩn không thoát ra bên ngoài. Hầu hết các kim loại ở trạng thái rắn có tỷ
trọng lớn hơn khi nó ở trạng thái lỏng kết quả là các lỗ khí sẽ được hình thành
trong suốt quá trình kết tinh. Mặc khác do tốc độ dòng chảy kim loại trong tạo
hình kim loại ở trạng thái lỏng quá cao do đó làm có dòng chảy trong khuôn bị
chảy rối và làm khí trong hốc khuôn không thoát được ra ngoài gây nên khuyết
tật rỗ khí cho vật đúc.

Chảy tầng

Hướng của dòng chảy kim loại

Chảy rối

Hình 1.4. So sánh giữa dòng chảy tầng và dòng chảy rối
Rỗ khí thường ảnh hưởng đến cơ tính của vật đúc, các rỗ khí này sẽ gây ra
các ứng suất tập trung và sẽ tạo ra các vết nứt tại các vị trí này. Từ những vấn đề
đặt ra trên các nhà nghiên cứu về vật liệu cũng như về công nghệ đã tìm hiểu và
đưa các các phương án nhằm khắc phục nhược điểm trên của công nghệ tạo hình
bằng áp lực mà không làm mất đi tính những ưu điểm vốn có của nó. Và phương

Trang 4


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã đáp ứng một cách đầy đủ các yêu
cầu trên.
Túi khí bị quẩn

Hướng của dòng chảy kim loại

Hình 1.5. Nguyên nhân gây ra túi khí
1.2. Công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng
a. Khái niệm
Nếu như trong phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng, kim loại
trước khi đem tạo hình được nấu chảy lỏng hoàn toàn thì tạo hình vật liệu ở trạng
thái bán lỏng, kim loại chỉ được nung đến trạng thái 2 pha: pha rắn và pha lỏng.
Mặc dù ý tưởng về phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng có cách
đây 30 năm nhưng đến giữa thập niên 90 nó mới được thương mại hóa.
Công nghệ này được áp dụng cho rất nhiều loại hợp kim, bao gồm: hợp
kim Nhôm, hợp kim Magiê, hợp kim Titan, hợp kim Kẽm, hợp kim Đồng cũng
như nhiều hợp kim khác, nhưng phổ biến hơn cả là hợp kim Nhôm và Magiê. Các
hợp kim có thể sử dụng được cho công nghệ này phải có khoảng đông đặc lớn.

Trang 5


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

Bảng 1.1 . Khoảng nhiệt độ đông đặc của một số hợp kim Nhôm phổ biến
Hợp kim Nhôm

Khoảng nhiệt độ đông đặc, oC

A319

604÷516

A356

613÷557

A357

616÷557

A380

593÷538

A383

582÷516

A390

649÷507

Trong công nghệ này hợp kim được nung đến tạng thái “sền sệt” nên có
thể tạo hình, biến dạng hoặc cắt rất dễ dàng.

Hình 1.5. Billet của hợp kim Nhôm được nung đến trạng thái bán lỏng
Công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng có ưu điểm hơn so với
công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng, cụ thể như sau:
™ Giảm số lượng khí bị quẩn trong vật đúc.
Rỗ khí là một hiện tượng vật lý do khí trong khuôn không thoát ra bên ngoài
được trong quá trình kim loại điền đầy khuôn, do sự phân hủy của chất làm nguội
khuôn (được phun lên bề mặt của khuôn trước khi khuôn được đóng lại) và do sự

Trang 6

Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

hòa tan của khí trong kim loại lỏng xảy ra trong quá trình đông đặc. Trong tạo
hình bán lỏng này cho chúng ta thấy rằng dòng chảy kim loại có độ nhớt cao
cộng với diện tích mặt cắt ngang của miệng phun cũng lớn hơn so với đúc thông
thường và tốc độ cần đẩy cũng chậm hơn do đó sẽ cho phép lượng khí thoát ra
ngoài sẽ nhiều hơn trước khi khí bị nén lại.
™ Giảm sự co rút khi đông đặc.
™ Làm thay đổi cấu trúc tế vi của hợp kim
Không giống như các sản phẩm được sản xuất từ những phương pháp tạo
hình thông thường, cấu trúc tế vi của sản phẩm được tạo ra từ phương pháp tạo
hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng là cấu trúc không nhánh cây. Trong suốt quá
trình tạo hình cấu trúc nhánh cây bị bẽ gãy và hình thành cấu trúc có dạng hình
cầu. Cơ tính của cấu trúc tế vi có dạng hình cầu cao hơn hẳn cấu trúc có dạng
nhánh cây ở trong các phương pháp tạo hình khác.
Quy trình tạo hình ở trạng thái bán lỏng gồm có 2 quy trình khác nhau:
quy trình tạo hình vật liệu trực tiếp và quy trình tạo hình vật liệu gián tiếp. Cũng
như tên gọi của nó tạo hình gián tiếp hay còn gọi là công nghệ Thixocasting, thì
sản phẩm không được tạo ra một cách liên tục mà có sự gián đoạn. Đầu tiên vật
liệu tạo hình (hay còn goi là billet) được sản xuất sao cho có cấu trúc hình cầu.
Có nhiều phương pháp để thực hiện được điều này: khuấy đảo từ trường, khuấy
đảo cơ học,…Sau đó vật liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ mà ở đó nó đạt đến
trạng thái bán lỏng. Quy trình trực tiếp hay còn gọi là công nghệ Rheocasting thì
không cần qua giai đoạn sản xuất billet và gia nhiệt mà đây là một quy trình liên
tục kết hợp với đúc liên tục. Sau giai đoạn đúc liên tục kim loại lỏng được khấy
đảo từ trường và làm nguội nhanh để có cấu trúc hình cầu, khi kim loại nguội
đến trạng thái bán lỏng thì nó được phun ép vào khuôn. Quy trình này rút ngắn
được chu kỳ sản xuất nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị và công nghệ lớn.

Trang 7


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

a)
c)
b)
Hình1.6. Cấu trúc tế vi của hợp kim Nhôm được sản xuất từ các phương
pháp khác nhau
a. Trực tiếp, b. Gián tiếp, c. Thông thường

Hình 1.7. Cấu trúc tế vi của chi tiết làm từ hợp kim Nhôm của quy trình
tạo hình trực tiếp vật liệu ở trạng thái bán lỏng

Trang 8


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

1.2. Công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng
1.2.1. Phân loại
Phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng được sử dụng phổ biến
hiện nay là phương pháp tạo hình chi tiết từ hợp kim được nung ở nhiệt độ cao.
Nó gồm có 2 kỹ thuật chính :
9 Tạo hình vật liệu ở trạng thái chảy hoàn toàn (die-casting)
9 Tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng (semi-solid)
Một kỹ thuật tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng mới – đúc bán lỏng - ngày
càng được sử dụng phổ biến và được xem như là kỹ thuật tạo hình vật liệu ở

trạng thái lỏng tối ưu nhất hiện nay.
Kỹ thuật này được phát hiện ra từ năm 1970 bởi Giáo sư C. Flemings và
sinh viên của ông ta là David Spencer ở học viện MIT (Hoa kỳ) và sau đó kỹ
thuật đúc này được thương mại hóa trong công nghiệp cho đến ngày nay.
Phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng có 2 công nghệ hiện nay
đang được sử dụng đó là :
•

Rheocasting: là một quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái
bán lỏng khép kín từ giai đoạn nấu luyện nhôm đến giai
đoạn tạo hình vật liệu. Ở kỹ thuật này nguyên liệu sau khi
được nấu luyện bằng quy trình đúc liên tục sẽ được giảm
nhiệt độ từ nhiệt độ nóng chảy xuống đến nhiệt độ mà
nguyên liệu ở trạng thái bán lỏng
Quy trình Rheocasting có ưu điểm là tiết kiệm được nhiệt
lượng rất nhiều khi không phải nung trở lại nguyên liệu đầu
vào, nhưng trong thời đại đòi hỏi sự chuyên môn hóa cao thì
quy trình này không còn phù hợp, mặt khác quy trình này đòi
hỏi chi phí xây dựng nhà xưởng, thiết bị rất cao.

Trang 9


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

•

Thixocasting: Là quy trình tạo hình vật liệu từ nhiệt độ
thường lên đến nhiệt độ mà ở đó nguyên liệu ở trạng thái
bán lỏng. Ưu điểm của quy trình này là chi phí sản xuất hợp

lý do không phải đầu thư thiết bị dàn trải và cấu trúc tế vi
của sản phẩm sau khi tạo hình tốt hơn so với quy trình
Rheocasting.

Về nguyên tắc cả hai phương pháp đều giống nhau nhưng chỉ khác nhau về
cách thức tiếp liệu và xử lý nguyên liệu tại đầu vào.
Kỹ thuật tạo hình ở trạng thái bán lỏng (semi- solid hay Thixocasting).
Kim loại được nung đến khoảng 50%-80% chảy loãng, và nhờ áp lực của
pittông của thiết bị tạo hình kim loại bán lỏng đã được nung này được đưa vào
khuôn.

Hình 1.8 . Mô hình đúc thixocasting

Trang 10


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

• Hợp kim được nấu chảy

Hợp kim

• Hợp kim bị kích thích bởi từ trường
nhằm tạo ra cấu trúc tế vi của kim
lọai có dạng hình cầu
• Làm nguội nhanh đểlàm nhỏ hạt

Sản xuất billet

Nung nóng billet đến

trạng thái bán lỏng

• Hợp kim được phun qua hệ thống
miệng phun vào khuôn
• Chi tiết được đưa ra ngoài khi đã kết
tinh

Đưa kim loại nóng
chảy vào khuôn

Hình 1.9 . Sơ đồ quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng bằng
phương pháp đúc bán lỏng
Kỹ thuật đúc Thixomolding.
Thixomolding hay còn gọi là kỹ thuật phun kim loại bán lỏng vào khuôn là
một kỹ thuật mới hiện nay và ngày nay kỹ thuật này được phát triển một cách
mạnh mẽ, nhanh chóng nhờ những tính chất ưu việt của nó.
Đây là kỹ thuật kết hợp giữa hai kỹ thuật phun ép nhựa và kỹ thuật tạo
hình ở trạng thái bán lỏng. Bước đầu tiên kim loại được nung đến 45-50% chảy
loãng, làm cho cấu trúc hợp kim có dạng hình cầu và cuối cùng tạo hình cho cho
hợp kim – giai đoạn này tương tự như kỹ thuật phun ép nhựa.

Trang 11


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

• Phoi Mg có thể đã qua tái sử dụng hoặc
nguyên chất

Phoi Mg

• Phoi Mg được đưa vào bộ phận cấp
liệu
• Được bảo vệ bằng khí Argon
• Gia nhiệt để đưa hợp kim đúc đến
gần nhiệt độ chảy

Cấp liệu vào máy
đúc và gia nhiệt

Kim loại
ở trạng thái bán lỏng

Đưa kim loại nóng
chảy vào khuôn

• Cùng với việc gia nhiệt cho kim loại
thì vít xoắn phải quay nhằm cung cấp
lực cắt cần thiết

• Hợp kim được phun qua hệ thống
miệng phun và vào khuôn
• Chi tiết được đưa ra ngoài khi đã kết
tinh

Hình 1.10 . Sơ đồ quy trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng bằng
phương pháp Thixomolding

Hình 1.11 . Máy thixomolding

Trang 12


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

Máy thixomolding là tên thương mại của công ty hóa chất Dow được giới
thiệu đầu tiên vào năm 1990 và sự phát triển mạnh mẽ trong thương mại đây là
thước đo cho sự lớn mạnh của kỹ thuật này. Máy Thixomolding có vài điểm khác
so với máy ép nhựa ở những điểm quan trọng sau:
™ Máy có khả năng chịu được nhiệt độ cao khoảng 590oC.
™ Máy phải đủ cứng để chống lại tốc độ phun cao.
Bộ phận cấp liệu, có thiết bị bảo vệ bằng khí Argon nhằm ngăn ngừa
nguyên liệu bi oxi hoá và ngăn không cho không khí đi vào buồng nung.
1.2.2. Ưu, nhược điểm của phương pháp đúc bán lỏng so với các
phương pháp khác
Theo nghiên cứu [12] của Tiến só Marie-Laure Cimetier và tiến só CheeAng Loong viện công nghệ vật liệu Canada, phương pháp tạo hình ở trạng thái
lỏng (die-casting) ít được áp dụng do đặc điểm của kỹ thuật tạo hình này có 1
số nhược điểm như :
¾

An toàn :

Khả năng xảy ra cháy, nổ và bắn kim loại lỏng ra ngoài là rất lớn ảnh
hưởng đến sức khỏe và tính mạng của nhân viên vận hành máy khi thao taực.
ắ

Chaỏt lửụùng saỷn phaồm :
ã Chi tieỏt sau khi ủuực bằng kỹ thuật nấu chảy hoàn toàn sẽ có rỗ bọt

khí nhiều hơn, lỗ co nhiều hơn chất lượng bề mặt xấu hơn khi sử dụng kỹ thuật

tạo hình ở tráng thái bán lỏng (semi-solid).
• Cấu trúc tế vi của vật đúc ở phương pháp bán lỏng cũng tốt hơn.
• Dòng chảy của kim loại lỏng trong kỹ thuật đúc chảy hoàn toàn là
chảy rối không có lợi cho chất lượng sản phẩm.

Trang 13


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

ĐÚC BÁN LỎNG
Chảy tầng

ĐÚC CHẢY HOÀN TOÀN
Chảy rối
Hình 1.12. Quá trình chuyển động của kim loại lỏng trong 2 quá trình
tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng :
Đúc bán lỏng và đúc chảy lỏng hoàn toàn
¾ Chi phí
Nhiệt độ Đúc cao, nhiệt độ nung phải lớn hơn điểm chảy của hợp kim. Vì
thế sẽ mất rất nhiều nhiệt lượng để nung hợp kim. Ngoài ra khi đưa kim loại chảy
lỏng vào khuôn sẽ làm giảm tuổi thọ của khuôn và sẽ làm khuôn dễ bị shock

Năng lượng
tiết kiệm

Mất nhiệt
Quá nhiệt

Đang

chảy
Đang

Đúc bán lỏng

Đúc thông thường

Nhiệt lương cần thiết, KJ/Kg

nhiệt.

Nhiệt độ, oC

Hình 1.13. Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng trong
quá trình tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng

Trang 14


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

9 Ngoài ra công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng (semi-solid) khắc
phục những nhược điểm mà kỹ thuật tạo hình ở trạng thái chảy hoàn toàn mắc
phải : rỗ khí, cơ tính tốt hơn.
9 Phế phẩm thấp.
9 Tạo hình được các chi tiết có chiều dày từ 0,35÷25 mm.
9 Thay thế các sản phẩm nhựa bằng kim loại nhẹ chẳng hạn như
Magiê bởi những lý do sau :
™

Độ nhớt thấp bằng 50% nhựa.

™

Độ cứng và modul đàn hồi cao hơn cụ thể là 45 của Magiê so
với 2,2÷ 6,7 của nhựa.

™

Có thể sản xuất được các chi tiết thành mỏng hơn nhựa
0,35mm so với 1mm của nhựa.

™

Góc nghiêng thoát phôi là 0 o ÷1,5o so với 2 o ÷3o của nhựa.

™

Độ chính xác cũng cao hơn ±0,001 so với ±0,002 của nhựa.

™ Giảm tỉ lệ rỗ trong khoảng 1,4 % đến 1,7% và có thể giảm
đến mức dưới 1% trong khi phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng
thái lỏng thông thường tỉ lệ rỗ là 2,5% ÷3%.
Bảng 1.2. So sánh giữa phương pháp tạo hình ở trạng thái lỏng và
trạng thái bán lỏng
Tạo hình vật liệu

Tạo hình vật liệu ở

ở trạng thái lỏng

trạng thái bán lỏng

Nhiệt độ nung kim loại

-

+

Chu kỳ sản xuất

+

+

Số hốc khuôn

+

++

Khả năng sử dụng hợp kim

+

-

Đặc điểm

Trang 15

Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

Co rút

-

++

Chi phí thiết bị

++

-

Khả năng tự động hóa

+

-

Chi phí

+

-

Khả năng tái chế

+

+

Cơ tính

-

++

Ghi chú : + = chỉ mức độ thích hợp hơn
1.2.3. Phạm vi ứng dụng
Phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng được ứng dụng rộng
rãi để sản xuất các sản phẩm trong nhiều lónh vực khác nhau bao gồm ô tô: như
bộ chế hoà khí, hộp số, các thiết bị điện như: công tắc, cầu dao,…cùng với sự
phát triển của ngành viễn thông việc sử dụng hợp kim Magiê dùng cho việc sản
xuất các chi tiết linh kiện điện tử đã được tính tới do tính chất ưu việt của hợp
kim này. Dưới đây là những công ty hàng đầu thế giới sử dụng công nghệ bán
lỏng trong sản xuất các chi tiết điển hình của mình.
Bảng 1.3. Phạm vi áp dụng tại các công ty lớn trên thế giới [11]
Sản phẩm

Công ty
Toshiba, NEC, Mitsubishi, Panasonic,

Mini-note book PC‘s

Compad, Sony, Sharp, Epson, Gataway,
Casio, Fujitsu, Hitachi, JVC

Digital VCR‘s
Điện thoại di động

Sony, Sharp, Canon
NEC,

Ericcson,

Panasonic,

Pioneer

Mini disks

Sony, Panasonic

Máy quay phim kỹ thuật số

Fuji film, Nikon, Sony

Trang 16

NTT,


Chương 1: Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trang thái bán lỏng

Kệ để Tivi

Panasonic

Máy quay phim kỹ thuật số

Sony, Texas Instruments, Epson, Sanyo

Máy Photocopy

Canon

Các bộ phận xe hơi

Ford, GMC, Toyota

Trang 17