Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite nền nhôm làm khung chịu lực cao bằng phương pháp bán lỏng

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

PHAN CHÂU THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN
NHÔM LÀM KHUNG CHỊU LỰC CAO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP BÁN LỎNG
Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng.. 6. . năm .2010 .


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:TS. LƯU PHƯƠNG MINH.................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1:....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2:....................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2010


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ
----------------

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 26 tháng 06 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHAN CHÂU THANH TÙNG
Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1979

Phái: Nam
Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
MSHV: 00407235
1- TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite nền nhôm làm khung chịu lực cao bằng
phương pháp bán lỏng.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Tổng quan về vật liệu Composite.
 Cơ sở lý thuyết của vật liệu Composite Al-Al2O3.
 Phương pháp chế tạo vật liệu Composite Al-Al2O3.
 Vật liệu tổng hợp.
 Thực nghiệm.
 Rút ra kết luận.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 26/06/2010
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
TS. LƯU PHƯƠNG MINH

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn
Tiến sĩ Lưu Phương Minh đã giúp tơi hồn thành đề tài “ Nghiên cứu chế tạo vật
liệu composite nền nhôm làm khung chịu lực cao bằng phương pháp bán lỏng”.
Kết quả đề tài là sản phẩm ứng dụng có ý nghĩa về mặt nghiên cứu và khoa học có
thể đem vào ứng dụng vào thực tiễn.
Đồng thời tôi xin cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Thơng cơng tác tại xưởng đúc,
Thầy Nguyễn Thái Hịa, Cơ Trần Thị Tuyết Nga cơng tác tại phịng thí nghiệm
Khoa công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Đã nhiệt tình giúp
tơi về kiến thức cũng như trang thiết bị trong q trình đúc mẫu cũng như thí
nghiệm tại đây.
Xin chân thành cảm ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học ĐHBK-TP.HCM, các
thầy cô, các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ tơi trong hai năm học vừa qua.
Xin chân thành cảm ơn anh Dụng Văn Thân công tác tại Bộ mơn Cơng
nghệ thiết bị cơ khí Khoa Cơ khí. Các em Hồ Thanh Tuân, Nguyễn Hà Tú Nhân
đang học tại Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TpHCM.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, vợ và con gái tơi đã cổ vũ động viên tơi
hồn thành cơng trình nghiên cứu này.
Lần nữa tôi trân trọng ghi nhận công lao những người đã giúp tơi hồn hồn

thành luận văn này.
Long xun, ngày 12 tháng 6 năm 2010

Phan Châu Thanh Tùng


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Khi cơng nghệ kỹ thuật phát triển ngày càng cao, yêu cầu về chất lượng và
năng suất của sản phẩm cũng tăng theo một số công nghệ sản xuất củ khơng cịn
phù hợp và khơng đáp ứng được nhu cầu về chất lượng như giá cả. Vì vậy công
nghệ mới luôn được nghiên cứu phát triển để ứng dụng vào quá trình sản xuất thực
tế, nhằm tìm kiếm những nguyên vật liệu mới tốt hơn.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite nền nhôm ở trạng thái bán lỏng là xu
hướng phát triển trong nghành chế tạo phôi trong hiện tại và tương lai nhằm tăng
cơ tính của vật liệu và gia công. Đây thật sự là công nghệ có nhiều triển vọng đặc
biệt là đối với quá trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta.
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composite nền nhôm làm khung chịu lực
cao bằng phương pháp bán lỏng” đang là vấn đề cấp bách ở việt nam hiện nay
nhằm cung cấp một phần nhỏ dữ liệu thực nghiệm và góp phần bổ sung hồn thiện
lý thuyết cơ bản để ứng dụng vào sản xuất thực tế.
Nội dung luận văn bao gồm các phần chính sau:
 Tìm hiểu tổng qt về vật liệu composite nền kim loại nói chung và
vật liệu composite nền nhơm nói riêng.
 Cơ sở lý thuyết của vật liệu Composite Al-Al2O3, tìm hiểu cơ tính
của vật liệu Composite Al-Al2O3, so sánh với các vật liệu Composite
nền kim loại khác, cũng như các loại cốt khác nhau. Tìm hiểu về độ
nhớt của vật liệu.
 Tìm kiếm các phương pháp chế tạo vật liệu Composite Al-Al2O3
khác nhau so sánh với phương pháp bán lỏng, lựa chọn chế độ khuấy
cũng như thiết bị khuấy.

 Lựa chọn vật liệu nền, cốt và thành phần của cốt trong hỗn
composite. So sánh cơ tính các thành phần hay cốt khác nhau của
vật liệu. Lựa chọn vật liệu thích hợp để tiến hành thực nghiệm.
 Tiến hành thực nghiệm tại xưởng đúc và kiểm tra kết quả tại phịng
thí nhiệm Khoa Cơng nghệ vật liệu.
 Rút ra kết luận về thành phần, nhiệt độ và tốc độ của trục khuấy
thích hợp cho việc chế tạo vật liệu composite để làm khung cửa chịu
lực.
Luận văn được hoàn thành bao gồm 5 chương, kết quả thực nghiệm đã minh
chứng việc chế tạo vật liệu composite nền nhôm bằng việc kết hợp khuấy trộn và
đồng thời đưa cốt hạt vào mang tính khả thi cao và đáng tin cậy, điều đó có thể
đưa vào ứng dụng trong thực tế.

Tác giả

Phan Châu Thanh Tùng


1
MỤC LỤC
MỤC LỤC………………………………………………………………………….1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE …………………………......9
1.1 Giới thiệu đề tài: ………………………………………………...............................9
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước …………………………...................11
1.2.1 Tình nghiên cứu trong nước …………………………………………................11
1.2.2 Tình nghiên cứu ngồi nước ……………………………………………..……..12
1.3 Tính cấp thiết của đề tài ....………………………………………………………..14
1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài ……………………………………..……………....15

1.5 Tính thực tiễn của đề tài ………………………………………………………….15
1.6 Tình trạng đề tài …………………………………………………………………..15
1.7 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ………………………………………………..15
1.8 Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................15
1.9 Một số sản phẩm của composite nền nhôm ……………………………………...16
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VẬT LIỆU COMPOSITE Al-Al2O3 ……………...19
2.1 Tổ chức của vật liệu composite ………………………………………………......19
2.2 Liên kết trong vật liệu composite nền kim loại cốt hạt …………………………..19
2.2.1 Các kiểu tương tác giữa nền và cốt …………………………………………….19
2.2.2 Liên kết giữa nền và cốt ………………………………………………………..20
2.3 Tính chất của vật liệu composite nền kim loại cốt hạt ...........................................21
2.3.1 Cốt hạt thô ……………………………………………………………………...22
2.3.2 Cốt hạt mịn ……………………………………………………………………..23
2.4 Vai trị của cốt Al2O3 và nền nhơm ………………………………………………24
2.4.1 Vai trò của cốt Al2O3 …………………………………………………………...24
2.4.2 Vai trò của nền nhôm …………………………………………………………..25
2.5 Cơ sở lý thuyết của việc chế tạo vật liệu hợp kim nhơm bán lỏng ……………….27
2.6 Mơ hình thuộc tính của composite nền kim loại ở trạng thái bán lỏng …………..29
2.6.1 Phương pháp tiếp cận chất lỏng phi Newton nén được ………………………...30
2.6.2 Phương pháp vật liệu dẻo nhớt …………………………………………………31
2.7 So sánh cơ tính và cấu trúc của vật liệu composite ………………………………33
2.7.1 So sánh cơ tính và cấu trúc của cốt Al2O3 với các cốt khác ……………………33


2
2.7.2 So sánh cơ tính và cấu trúc của cốt Al2O3 với các thành phần khác nhau ……..39
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO CHẾ TẠO COMPOSITE Al-Al2O3 ……….40
3.1 Giới thiệu ………………………………………………………………………....40
3.2 Chế tạo vật liệu composite ở trạng thái lỏng …………………………………….42
3.3 Đúc ………………………………………………………………………………42

3.4 Phương pháp khuấy đảo cơ ……………………………………………………...47
3.4.1 Cơ sở lý thuyết khuấy đảo cơ …………………………………………………..47
3.4.2 Các phương trình cơ bản mơ tả q trình trong thiết bị khuấy trộn ....................48
3.4.3 Thiết bị khuấy trộn .............................................................................................50
3.4.4 Ảnh hưởng của các chuẩn số lên quá trình khuấy trộn & chế độ khuấy trộn ......55
3.4.5 Công suất khuấy trộn ...........................................................................................56
3.5 Phương pháp khuấy đảo điện từ (MHD) ………………………………………...57
3.5.1 Cơ sở lý thuyết khuấy đảo điện từ .......................................................................58
3.5.2 Các kiểu khuấy đảo điện từ kim loại lỏng ...........................................................61
3.5.3 Thiết bị thí nghiệm ..............................................................................................62
3.6 Ưu điểm và các vấn đề kỹ thuật được giải quyết của phương pháp ……………..64
3.7 Phương pháp chế tạo composite nền Al cốt Al2O3 ………………………………65
Chương 4 VẬT LIỆU TỔNG HỢP …………………………………………………..68
4.1 Lựa chọn vật liệu cho quá trình chế tạo composite nền Al cốt Al2O3 bằng phương
pháp bán lỏng…………………………………………………………... ……………68
4.1.1 Những yêu cầu cần thiết của vật liệu nền………………………….……………68
4.1.2 Các hợp kim nhôm trong chế tạo composite bằng phương pháp bán lỏng……..70
4.1.3 Những yêu cầu cần thiết của vật liệu cốt………………………….……………73
4.2 Phát triển hợp kim mới cho công nghệ chế tạo composite bằng phương pháp bán
lỏng …………………………………………………………………………………...74
4.2.1 Đặt vấn đề…………………………………… …………………………………74
4.2.2 Những vấn đề cần quan tâm…………………………………………………….75
4.3 Tỉ lệ thành phần giữa cốt và nền………………………………………………….76
Chương 5 THỰC NGHIỆM ………………………………………………………….78
5.1 Thiết bị thí nghiệm…………………………………… ……………….…………78
5.1.1 Đề xuất mơ hình khuấy cơ…………………………………… ……………...…78


3
5.1.2 Phân tích một số thiết kế chế tạo vật liệu composite bằng phương pháp bán lỏng

sử dụng khuấy cơ .……………………….………………………… ……………...…79
5.1.2.1 Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu trục vít kép.…………… …….…....…79
5.1.2.2 Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu trục vít đơn.…………… …….…....…81
5.1.2.3 Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu trục khuấy có rãnh.…………… ....…..83
5.1.2.4 Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu chân vịt trong máy đúc áp lực buồng
nóng.………………………………………………………………………….… ....…84
5.1.2.5 Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu chân vịt có tấm ngăn…………… ...…85
5.1.3 Tính tốn thiết kế……… …………………………………....…………… ....…87
5.1.3.1 Thiết lập bài tốn ………………………………...……….…………… ....…87
5.1.3.2 Phần tính tốn……………………………………………...…………… ....…87
5.2 Phương pháp thực nghiệm……….......................................................................…93
5.2.1. Thiết bị thực nghiệm………………………………………..…………… ....…93
5.2.1.1. Thiết bị nấu và khuấy để lấy mẫu………………………...…………… ....…93
5.2.1.2. Thiết bị kiểm tra………………………………………....…………… ....…..94
5.2.2. Quá trình thực nghiệm……………………………………..…………… ....…..96
5.2.2.1. Kiểm tra quá trình khuấy trong nước:…………………….…………… ....…96
5.2.2.2. Thực nghiệm trên hợp kim nhôm A5052………………....…………… ....…97
5.2.2.3. Kết quả kiểm tra thành phần hoá trước và sau khi nấu….…………..… ....…99
5.2.2.4. Kết quả soi kim tương…………………………………….…………… ......100
5.2.2.5. Kết quả đo độ cứng HB………...……………………….……………... ......103
5.2.2.6. Kết quả kiểm tra bền kéo………………………………….…………… ......104
5.2.2.7. Kiểm tra sự tương thích của kết quả thực nghiệm..……….…………… ......106
5.2.3. Đề xuất mơ hình cơng nghệ sản xuất trong thực tế………………………...…113
5.3 Kết luận………………………………………………………………….………116


4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
BẢNG BIỂU-HÌNH ẢNH

HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Kiểm tra sự tương thích của kết quả thực nghiệm..……….…………..16
Hình 1.2. Cánh cửa composite nền nhơm giả gỗ………… ..……….…..……...16
Hình 1.3. Má thắng cho tàu cao tốc…………………..…..……….……………..17
Hình 1.4: Các bộ phận phanh của ơ tơ…………………………….…………….17
Hình 1.5: Các cần đẩy ơ tơ…………..…………...……………………………...17
Hình 1.6 Cors cho HV dây điện………………..……...………………………...17
Hình 1.7 Đồ mỹ nghệ……………………..…………………..…………………18
Hình 1.8 Trục cost……………………………………………………..…...…….18
Hình 1.9 : Các sản phẩm trong động cơ……………………...………..…………18
Hình 1.10: Ống……………………………..……………...……………………. 18
Hình 2.1: Giản đồ sự phụ thuộc của Modul đàn hồi vào hàm lượng cốt trong
composite……………………….…………………………………………………….23
Hình 2.2: Hình hạt cốt Al2O3 chụp bằng kính hiển vi điện tử (a) với hình dạng
góc cạnh và (b) với hình dạng trịn…………………..………..……………………...25
Hình 2.3 Sơ đồ hình thành và phát triển nhân …………………...……..………..26
Hình 2.4. (a) Quan sát nền hợp kim bằng kính hiển vi bằng kính vi quang học hiển
thị số lượng nhỏ các lỗ rỗng. (b) Quan sát composite nền A356 với 20% cốt Al2O3
bằng kính hiển vi điện tử. (c) Quan sát composite A356 và 15% cốt SiC (không được
tinh lọc) hiển thị số lượng nhỏ các lỗ rỗng. (d) Quan sát composite A356 với 15% cốt
SiC (được tinh lọc) hiển thị tốt việc phân bố hạt SiC. (e) Quan sát composite nền
A356 cốt 15% Al2O3 bằng kính hiển vi điện tử (không được tinh lọc), hiển thị độ co
xốp nhỏ. (f) Quan sát composite nền A356 với 15% cốt hạt Al2O3 bằng kính hiển vi
điện tử (được tinh lọc), hiển thị việc phân bố tốt hạt cốt Al2O3..................................33
Hình 2.5. (a) Độ xốp như là một đặc tính cũa vật liệu cốt Al2O3.(b) Độ xốp như là
một đặc tính cũa vật liệu cốt SiC……………………………………………………..34


5
Hình 2.6. Độ bền kéo như là hàm số của tỷ lượng theo thể thích của cốt. (a)

composite kim loại có chứa cốt Al2O3 mà khơng được tinh lọc. (b) composite kim
loại có chứa cốt SiC mà khơng được tinh lọc………………………………….……..34
Hình 2.7. Độ giãn như là hàm số của tỷ lượng theo thể thích của cốt. (a) composit
kim loại có chứa cốt Al2O3 mà không được tinh lọc. (b) composite kim loại có chứa
cốt SiC mà khơng được tinh lọc……………………………………...………………35
Hình 2.8. Hình ảnh các vết nứt của bề mặt bằng hiển vi điện tử của (a) composite
A356 với 10% cốt SiC, hiển thị ít các lỗ rỗng và (b) composite A356 với 20% cốt
Al2O3, hiển thị độ co xốp nhỏ.....................................................................................35
Hình 2.9. (a) Vết nứt bề mặt của composite với 20% cốt Al2O3, hiển thị độ co
xốp và lớp phủ ơxít nhơm. (b) EDX phân tích của các điểm được chọn của hình 2.9
(a)………………………………………...…………………………………..……….36
Hình 2.9. (a) Vết nứt bề mặt của composite với 20% cốt Al2O3, hiển thị độ co
xốp và lớp phủ ơxít nhơm. (b) EDX phân tích của các điểm được chọn của hình 2.9
(a)………………………………………...…………………………………..………36
Hình 2.10. (a) Kính hiển vi điện tử cho thấy sự khuếch tán lại của composite A356
với 10% cốt Al2O3, hiển thị hạt nhôm bị vở. (b) và (c) Kính hiển vi điện tử cho thấy
sự dùng lại của A356 với cốt SiC, hiển thị hạt SiC bị vở. (d) Với composite A356 với
15% cốt Al2O3, hiển thị hạt nhơm trong vùng trũng………………………………...37
Hình 3.1 Sơ đồ các phương pháp chế tạo Composite nền kim loại........................41
Hình 3.2 Cách đúc thông thường cho việc gia công Composite cốt hạt, nền
Nhơm………………………………………...……………………………………….43
Hình 3.3 Khối lượng riêng của Al2O3 (3,97g/cm3) nặng hơn của Al (2,2g/cm3)
do đó các hạt sẽ lắng xuống trừ khi trong lúc nấu chảy có sự dao động. Xen kẻ việc
đảo chiều quay và run động cơ học đã được sử dụng để cải thiện tính thấm của cốt
trong nền lỏng...............................................................................................................44
Hình 3.4 Cho thấy cấu trúc vi mô tại các điểm khác nhau trên một thắng động cơ
được đúc ly tâm, hiển thị các vùng của nền hợp kim nhơm ngun chất vùng phân
cách và vùng cốt………………………………..…………………...……………..…45
Hình 3.5 Mơ hình của lị được sử dụng để sản xuất vật liệu composite…………….46

6
Hình 3.6: Minh họa hướng dịng chảy khi khuấy: (a) Dịng chảy hướng trục,
(b) Dịng chảy hướng kính……………………………………………………..…….50
Hình 3.7 : Phân loại cánh khuấy theo hướng dòng chảy khi khuấy và theo độ
nhớt……………………………………………………………...……………………52
Hình 3.8: Sơ đồ minh họa quá trình đúc liên tục thép có sử dụng từ trường xoay.
Thép lỏng được cấp từ máng phân phối vào khuôn, tại đây q trình làm nguội và
đơng đặc sẽ xảy ra. Thép lỏng ở dưới khuôn sẽ được khuấy bởi một từ trường xoay
(hoặc di chuyển) có tần số thấp. Phơi thép sẽ được kéo liên tục ra ngồi…………....59
Hình 3.9: Mơ hình khuấy điện từ một khối lưu chất dẫn điện chứa trong thể tích
V……………………………………………………………………………………...59
Hình 3.10: Sự thay đổi động năng của lưu chất theo hệ số Reynolds Reω ..……61
Hình 3.11: Các kiểu khuấy từ khác nhau: (a) Khuấy ngang (b) Khuấy dọc (c)
Khuấy kết hợp…………………………………………………………..……………62
Hình 3.12 : Thiết bị điện từ dùng khuấy ngang kim loại nóng chảy……………..63
Hình 3.13 Chế tạo vật liệu Composite bằng phương pháp bán lỏng……………65
Hình 4.1: Đường cong fs(T) của một số hợp kim nhơm..

…………………......69

Hình 4.2: Cấu trúc tế vi điển hình của hợp kim bán lỏng A5052………………...71
Hình 5.1: Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu trục vít kép……………...……80
Hình 5.2: Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu trục vít đơn……………...……82
Hình 5.3: Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu trục khuấy có rãnh………..…..83
Hình 5.4 : Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu chân vịt trong máy đúc áp lực
buồng nóng ……………………………………………………………………….….85
Hình 5.5: Thiết bị chế tạo vật liệu bán lỏng kiểu chân vịt có tấm ngăn………….86
Hình 5.6 Mơ hình trục khuấy……………………………………………………..87
Hình 5.7 Mơ hình trục khuấy và nồi nấu composite 3D…………………...……..91

Hình 5.8 Mơ hình khuấy cơ trong thí nghiệm chế tạo vật liệu composite nền nhôm
bằng phương pháp bán lỏng…………………………………………..……………...92
Hình 5.9 Nồi nấu nhơm điện trở…………………………………..……………...93
Hình 5.10 Thiết bị kiểm sốt nhiệt độ………………………………..…………..93
Hình 5.11 Bộ cơ cấu khuấy đảo………………………………………….…..…...94
Hình 5.12 Bộ biến tần……………………………………………………...……..94


7
Hình 5.13 Khn mẩu soi kim tương……………………………………...……..94
Hình 5.14 Khn mẩu thử kéo……………………………………………...…….94
Hình 5.15 Máy phát xạ nguyên tử SPECTRO - Đức………………………...…...95
Hình 5.16 Máy soi kim tương OLYMPUS – GX51………………………..…….95
Hình 5.17 Máy thử kéo SATECTM INSTRON………………………………….95
Hình 5.18 Máy đo độ cứng HB EMCO Test M4U025……………………..…….95
Hình 5.19 Mơ phỏng trong dung dịch xà phịng…………………………………95
Hình 5.20 Các mẩu thử độ cứng……………………………………………….....99
Hình 5.21 Các mẩu dùng để soi kim tương…………………………………....100
Hình 5.22 Mẩu soi kim tương số 14…………………………………………...101
Hình 5.23 Mẩu soi kim tương số 9………………………………………….....101
Hình 5.24 Mẩu soi kim tương số 1………………………………………….....101
Hình 5.25 Mẩu soi kim tương số 4………………………………………….....101
Hình 5.26 Mẩu soi kim tương số 7……………………………………….…....102
Hình 5.27 Mẩu soi kim tương số 5………………………………………….....102
Hình 5.28. Mơ hình đề xuất dây chuyền cơng nghệ đúc bán lỏng………………113
Hình 5.29. Mơ hình sản xuất phơi nhơm làm khung cửa chịu lực………………114
Hình 5.30. Mơ hình sản xuất khung nhơm làm chịu lực………………………..114


8

BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tính chất cơ học của composite nền nhôm với cốt khác nhau………..38
Bảng 2.2 Thành phần và cơ tính của một số SAP…………………………….…39
Bảng 3.1 Hệ số chuyển đổi độ nhớt………………………………………..…….49
Bảng 4.1 Sự thay đổi khoảng đông đặc và độ nhạy thành phần rắn theo lượng %Cu
trong hợp kim Al-7Si-0.3Mg-xCu…………………………………………………....68
Bảng 4.2 Tính chất nhiệt của các hợp kim nhơm đã được ứng trong công nghệ xử
lý bán lỏng………………………………………………………………………...…72
Bảng 4.3 Thành phần cấu tạo của A5052………………………………….….

73

Bảng 4.4 Cơ tính và tỉ lệ của vật liệu composite được lựa chọn…………….......76
Bảng 5.1: Đặc tính vật lý của hợp kim A5052…………………………………...87
Bảng 5.2. Thơng số thực nghiệm và kết quả độ cứng mẫu……………………....98
Bảng 5.3: Thông số thực nghiệm và kết quả thực nghiệm kéo…………………103
Bảng 5.4. Kết quả thử độ bền kéo…………………………...………………….104
Bảng 5.5: Số liệu tính tốn thực nghiệm………………………………………..106
Bảng 5.6: Giá trị tính tốn kiểm định sự tương thích của thực nghiệm ………..111

LÍ LỊCH TRÍCH NGANG.
PHỤ LỤC.


9

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE NỀN NHƠM
1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI:
Nhơm và composite nền nhôm là vật liệu kim loại đứng thứ hai sau thép về sản

xuất và ứng dụng trong thực tế do chúng có nhiệt độ chảy thấp, dễ tạo hình, dễ gia
cơng cũng như chúng cịn có tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau.
Nhiều composite nền nhơm có cơ tính tương đương thép nhưng trọng lượng chỉ
bằng một phần ba trọng lượng của thép nên trong nhiều trường hợp, nhôm và
composite nền nhôm là không thể thay thế được ví dụ như:
 Ứng dụng vật liệu hợp kim nhơm trong cơng nghiệp quốc phịng, cơng
nghệ chế tạo máy bay, tàu vũ trụ và các thiết bị hàng không khác.
 Ứng dụng trong công nghệ sản xuất ôtô.
 Ứng dụng trong ngành dệt đối với các chi tiết hoạt động ở tốc độ và độ
chính xác cao.
 Ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển, điện công nghiệp và tự động hố…
Nhơm và composite nền nhơm có nhiều ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành
công nghiệp hàng đầu và cả trong lĩnh vực y học vì chúng có các tính chất phù hợp với
nhiều cơng dụng khác nhau. Trong nhiều trường hợp, composite nền nhôm sẽ cịn giữ
vững vai trị quan trọng của mình trong nhiều ngành cơng nghiệp và thậm chí cịn phát
triển xa hơn nữa. Ngồi ra, phần lớn composite nền nhơm là khơng độc hại đối với sức
khỏe của con người nên còn được ứng dụng trong các ngành sản xuất thiết bị y tế,
dụng cụ và thiết bị cầm tay.
Với sự hỗ trợ tích cực từ sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học cơ bản
và các ngành công nghiệp khác, nhiều nghiên cứu được thực hiện và đã hình thành
một cơ sở lý thuyết khổng lồ cũng như các cơng nghệ sản xuất điển hình trong thực
tế về chế tạo vật liệu từ nhôm và composite nền nhôm.
Vật liệu Composite nền Nhôm ngày càng được sự quan tâm trong nghành tự động
hóa, đặc biệt trong những chi tiết chịu mài mòn cao như: piston, xilanh, bơm nhiên
liệu và máy ép. . .Tuy ít được sử dụng bởi những khó khăn như: nhiệt hóa lỏng cao,
thời gian đơng đặc dài trong thiết bị nên dể gây hư hỏng, khó điều khiển về kích thước


10
và phân bố pha Al2O3 trong vật liệu hợp hợp kim Al- Al2O3, hạt Al2O3 một nhân có thể

phát triển đến một kích thước lớn và bất thường.
Từ việc phát triển gia công vật liệu bằng phương pháp bán lỏng giúp cho chế tạo
vật liệu Composite nền kim loại một cách dể dàng hơn, do ta có thể điều khiển việc
cung cấp vật liệu bán lỏng trong sản xuất.
Trong suốt q trình xảy ra việc gia cơng đúc, nền Al đã chảy ra trong khi hạt
Al2O3 còn ở trạng thái đặc, bởi vậy đặc tính ban đầu của Al2O3 được giữ đến cuối quá
trình đúc bán lỏng. Hơn nửa, việc sử dụng đúc bán lỏng đã giảm bớt rất nhiều nhiệt độ
đúc và hàm lượng nhiệt (entanpy). Những sản phẩm ít hư hỏng do mịn và co ngót
hồn tồn.
Việc sản xuất vật liệu Composite nền Nhơm có thể dùng các phương pháp khuấy
bằng điện từ hay cơ và xử lý bằng siêu âm.
Từ cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 đến nay, nhằm nâng cao chất
lượng của sản phẩm từ composite nền nhôm, các công nghệ mới đã được tìm tịi, phát
triển dựa trên các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng, thành phần vật liệu và tổ chức
tế vi của vật liệu nhằm tối ưu hoá các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán
lỏng từ composite nền nhơm là hồn tồn chiếm ưu thế, khẳng định tính ứng dụng và
ưu điểm của mình một cách nhất định.
Trên cở sở đó, cơng nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã ra đời đồng thời
khẳng định được tính vượt trội của nó bằng các sản phẩm chất lượng cao, ít khuyết tật,
thời gian tạo hình ngắn và tuổi thọ của khn cũng được kéo dài hơn những phương
pháp chế tạo vật liệu truyền thống trước đây. Đây thực sự là công nghệ có hiệu quả và
nhiều triển vọng đối với q trình cơng nghiệp hố hiện đại hố ở Việt Nam.
Trong điều kiện cơng nghiệp hố hiện đại hóa ở nước ta, ngành Cơ khí ln được
xem là nền tảng để làm địn bẩy cho các ngành cơng nghiệp khác phát triển như ngành
đóng tàu, sản xuất ơ tơ, ngành dệt và tương lai là ngành đường sắt và metro... thì việc
nghiên cứu ứng dụng các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng là rất cần
thiết và hữu ích.
Và có thêm điều kiện thuận lợi là Việt Nam có trữ lượng quặng bauxite rất lớn ở
Tây Nguyên, mà hàm lượng Al2O3 có trong quặng bauxite cao (30% đến 50%). Điều

11
đó vơ cùng thuận lợi cho việc sản xuất composite nền nhơm cũng như nhơm và các
hợp kim của nó do có nguồn nguyên liệu dồi dào.
Trong phạm vi đề tài, luận văn này chủ yếu nghiên cứu phương pháp chế tạo vật
liệu composite nền nhôm cốt hạt Al2O3 ở trạng thái bán lỏng , so sánh các mẩu có sự
khác nhau về: hàm lượng của hạt cốt, tốc độ khuấy và nhiệt độ để xác định cơ tính tốt
nhất của vật liệu composite được thực thiện trên cơ sở lý thuyết, thực nghiệm.
Đề tài nghiên cứu này giúp cho các nhà sản xuất vật composite nền nhơm trong
nước có thể lựa chọn và ứng dụng phương pháp phù hợp nhất với đặc thù doanh
nghiệp của mình cũng như cung cấp một phần nhỏ dữ liệu cho các nghiên cứu khoa
học về chế tạo vật liệu composite nền nhôm trong tương lai.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:
Có các cơng trình Nghiên cứu:
1/ Cơng trình nghiên cứu vật liệu composite nền kim loại của GS,TS. Đỗ
Minh Nghiệp năm 2002-2004.
2/ Các bài báo và hội thảo của GS,TS. Đỗ Minh Nghiệp chủ trì đăng trên các
tạp chí khoa học nước ngồi:
“Metal matrix composites reinforced with ceramic, heavy metal and
intermetallic particles prepared by liquid, semi-solid and solid states processing,
Part 1. Composite system (Ni,Fe,Co)/W”p, Proc. of 20 th Sci. Conference of HUT,
Mat. Sci. and Eng., 10/2006, p.137-145
“ Metal matrix composites reinforced with ceramic, heavy metal and
intermetallic particles prepared by liquid, semi-solid and solid states processing,
Part 2. Composite system (Al, Al-Si, Al-Cu)/(Al2O3, SiC)P,” Proc. of 20th Sci.
Conference of HUT, Mat. Sci. and Eng., 10/2006, p.146-154
“Metal matrix composites reinforced with ceramic, heavy metal and
intermetallic particles prepared by liquid, semi-solid and solid states processing,
Part 3. Nanocomposite system Ag3Sn/Cu3Sn, Proc. of 20 th Sci. Conference of HUT,

Mat. Sci. and Eng., 10/2006, p.155-161


12
3/ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc bán lỏng để chế tạo các sản phẩm từ
hợp kim nhơm có độ bền cao trong ngành chế tạo máy động lực, ô tô, xe máy, Đề
tài cấp Nhà nước KC02.23/06-10, 2009-2010 của PGS.Ts .Nguyễn Hồng Hải
4/ Báo cáo khoa học Nguyễn Hồng Hải, Trần Đức Huy, Hoàng Thị Liên,
Nguyễn Văn Quyết, Mai Văn Thắng, Nghiên cứu công nghệ đúc rheocasting cho
hợp kim nhơm, Tuyển tập cơng trình NCKH 50 năm thành lập trường ĐHBK-HN,
2006, tr.68.
5/ Bài báo Compozit kim loại : Xu thế phát triển trên thế giới, tình hình nghiên
cứu và áp dụng ở Việt Nam ; Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, học viện kỹ thuật quân
sự - 72.III, 1995. của GS,TS. Nguyễn Khắc Xương.
6/ Vật liệu compozit nền Al cốt hạt Gr – Công nghệ chế tạo và tính chất, Tuyển
tập cơng trình khoa học, hội nghị khoa học, 40 năm thành lập ĐHBK Hà nội, 1996.
của GS,TS. Nguyễn Khắc Xương.
7/ Thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền hợp kim nhôm ở trạng thái bán
lỏng của Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Trọng Giảng đăng trên tạp chí khoa học cơng tháng
5 năm 1996 trang 55 đến trang 60
8/ Phân tích thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền kim loại (MMC) ở trạng
thái bán lỏng của Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Trọng Giảng đăng trên tạp chí khoa học
cơng tháng 1 năm 1997 trang 43 đến trang 50
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước:
Có các bài báo cũng như những cơng trình nghiên cứu về vấn đề này:
1/ Đặc tính của Composite nền Nhôm chế tạo bởi phương pháp bán lỏng và sự
biến đổi Prashant (Characterization of aluminium-matrix composites made by
semi-solid)
Làm việc tại Trung tâm vật liệu Composite thuộc khoa Cơ khí và vật liệu,
trường Đại học Delaware, Mỹ

Nhận vào 1/8/1989 công nhận vào 19 /6/ 1990
2/ Mơ hình chế tạo Composite nền AZ91D Mg bằng phương pháp bán lỏng
(Modeling of compocasting process and fabrication of AZ91D magnesium alloy
matrix composites)
Của các tác giả:


13
Gen Sasaki, Makoto Yoshida, Nobuyuki Fuyama and Toshio Fujii
Khoa hệ thống kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Hiroshima, Nhật bản.
3/ Cấu trúc và cơ tính của composite nền nhơm A356 có bổ sung hạt cốt Al2O3
(The Structure and Mechanical Properties of an Aluminium A356 Alloy Base
Composite With Al2O3 Particle Additions)
Của tác giả: Z. MIŠKOVIĆ, I. BOBIĆ, S. TRIPKOVIĆ, A. RAC, A. VENCL
Đăng trên trang web www.tribology.mfkg.kg.ac.rs
4/ Chế tạo vật liệu mang đặc tính xúc biến bởi phương pháp Composite bán
lỏng (Preparation of thixotropic materials by "compocasting")
Của các tác giả: ALCANTARA S ; MERIZALDE C. CABRERA J. M.

;

PRADO J. M. Năm 2005
5/ Composite nền nhôm: Những thách thức và

cơ hội (Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities)
của tác giả MK SURAPPA
Tại Sở Luyện kim, Viện Khoa học Ấn Độ, Bangalore 560 012, Ấn Độ
6/ Những điều kiện trong vi kết cấu của Al_<18>B_4O_<33>/AZ91D
Composite hợp kim Mg bởi phương pháp bán lỏng.( Effects of Stirring Conditions
on Microstructure of Al_<18>B_4O_<33>/AZ91D Magnesium Alloy Composites

Fabricated by Compocasting
SASAKI Gen , YOSHIDA Makoto , FUKUNAGA Hideharu , PAN Jin ,
FUYAMA Nobuyuki , FUJII Toshio
7 / Chế tạo và vi kết cấu của Al_<18>B_4O_<33> /AZ91D composites hợp
kim Mg bằng phương pháp bán lỏng.
Của tác giả SASAKI Ge làm việc tại Trường Đại học Hiroshima.
8/ Cơ tính của vật liệu và vi kết cấu của Composite nền hợp kim Mg chế tạo bởi
phương pháp bán lỏng ( Material Mechanical Properties and Microstructure of
Magnesium Alloy Matrix Composites Fabricated by Casting Process Composites).
Của tác giả SASAKI Ge làm việc tại Trường Đại học Hiroshima.


14
9/ Ứng dụng phương pháp bán lỏng chế tạo Composite nền Nhơm có chứa hạt
B4C (Compocasting of an Aluminum Alloy Composite Containing B4C
Particulate)
Của tác giả: F. M. Hosking
10/ Những tính chất cơ tính và cấu trúc của Vật liệu Composite với nền hợp
kim Rar27 tăng cường cốt Al2O3 và hạt Si (Structural and Mechanical
Characteristics of Composites With Base Matrix of Rar27 Alloy Reinforced With
Al2o3 and Sic Particles)
Của các tác giả:I. BOBIC, Viện khoa học hạt nhân Vinca, Ban khoa học vật liệu
R. NINKOVIC, RAR Batajnica M. BABIC, Khoa kỹ thuật cơ khí trường Đại học
Kragujevac.
11/ Composite nền kim loại của Nikhilesh Chawla Arizona State University,
Tempe, AZ và Krishan K. Chawla University of Alabama at Birmingham, AL
12/ Sản xuất composite nền nhôm cốt hạt Al2O3
(Manufacturing of aluminium matrix composite materials reinforced by Al2O3
particles)
Của tác giả A. Włodarczyk-Fligier, L.A. Dobrzański*, M. Kremzer, M. Adamiak

Đăng trên tạp chí Achievements in Materials and Manufacturing Engineering tháng
3 năm 2008.
1.3 Tính cấp thiết của đề tài:
Do nhu cầu cần một vật liệu thay thế vật liệu truyền thống trong việc chế tạo khung
cửa chịu lực mà đáp ứng các yêu cầu:
 Chịu lực lớn (khung nhôm không đáp ứng yêu cầu).
 Trọng lượng nhẹ ( khung sắt không đáp ứng yêu cầu).
 Không biến dạng do thời tiết nóng ẩm, khơng hư hỏng do cơn trùng,
khơng ảnh hưởng môi trường (cửa gỗ không đáp ứng yêu cầu này).
 Dễ biến dạng tạo hình trong gia cơng.
Khung cửa chịu lực làm bằng vật liệu composite nền nhôm cốt hạt Al2O3 chế tạo
bằng phương pháp bán lỏng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này.


15
1.4 Ý nghĩa và tính khoa học của đề tài:
Nếu nghiên cứu sản xuất thành cơng có thể sản xuất hàng loạt với giá rẻ, không chỉ
ứng dụng trong việc chế tạo khung cửa chịu lực mà còn cho các chi tiết máy khác, đáp
ứng nhu cầu một phần trong nghành chế tạo máy.
1.5 Tính thực tiễn của đề tài:
Ngày nay các ứng dụng vật liệu composite ngày càng rộng rãi trong cuộc sống
hàng ngày, việc chế tạo khung cửa chịu lực làm bằng vật liệu composite nền nhôm cốt
hạt Al2O3 chế tạo bằng phương pháp bán lỏng, giúp cho việc tạo hình trong gia cơng
dễ dàng, giảm chi phí sản xuất.
1.6 Tình trạng đề tài:
Nghiên cứu, chế tạo phơi cho khung cửa chịu lực.
1.7 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:
Nghiên chế tạo vật liệu composite nền nhôm cốt hạt Al2O3 sử dụng phương pháp
bán lỏng.
1.8 Phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập tài liệu, tìm hiểu về thành phần
của cốt và nền, nhiệt độ nung, tốc độ khuấy, cơ tính . . .
 Phương pháp chuyên gia: gặp trực tiếp Thầy hướng dẫn.
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
-Lý thuyết vật liệu composite nền nhôm cốt hạt Al2O3.
-Lý thuyết phương pháp đúc bán lỏng.
-Lý thuyết về tốc độ khuấy, độ nhớt.
-Lý thuyết về khả năng gia công.
 Phương pháp thực nghiệm:
- Thực hiện việc nung nóng kim loại nền đạt trạng thái bán lỏng.
- Việc cho vật liệu cốt hạt Al2O3 vào nền đã được nung nóng.
- Thực hiện cơng việc khuấy trộn.
-Dùng các thiết bị kiểm tra các sản phẩm về cơ tính và cấu trúc tế vi sự phân bố
cốt trong nền.
-So sánh kết quả thực nghiệm với những tính tốn lý thuyết nhằm điều chỉnh
cho hợp lý.


16
-Kết luận đánh giá làm cơ sở cho những cải tiến sau này.

1.9 Một số sản phẩm của Composite nền nhơm:

Hình 1.1Sản phẩm composite nền nhơm
Hình Hình 1.2 Cánh cửa composite nền nhôm giả gỗ.


17

Hình 1.3 Má thắng cho tàu cao tốc

Hình 1.4 Các bộ phận phanh của ơ tơ

Hình 1.5 Các cần đẩy ô tô

Hình 1.6 Cors cho HV dây điện

.


18

Hình 1.7 Đồ mỹ nghệ

Hình 1.8 Trục cost

Hình 1.9 Các sản phẩm trong động cơ

Hình 1.10 Ống


19

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẬT LIỆU
COMPOSITE Al-Al2O3
2.1 Tổ chức của vật liệu composite [31]
Cốt
Cốt là pha gián đoạn đóng vai trị tạo nên độ bền cao, modul đàn hồi cao cho
composite. Do đó bản than cốt phải có độ bền, modul đàn hồi cao và phải nhẹ để có độ
bền riêng cao. Cốt có thể chế tạo từ kim loại, vô cơ hay polymer, . . .Hàm lượng, hình

dạng, kích thước và sự phân bố của cốt ảnh hưởng mạnh đến tính chất của composite.
Nền
Nền là pha liên tục, đóng vai trị chủ yếu sau:
Liên kết tồn bộ các phần tử cốt thành khối composite đồng nhất.
Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia công composite thành các chi tiết
theo thiết kế.
Che phủ, bảo vệ cốt tránh hư hỏng cơ học và hóa học của mơi trường.
Tính chất của nền ảnh hưởng mạnh đến cơng nghệ chế tạo composite và các đặc
tính sử dụng như: nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi, khối lượng riêng, độ bền riêng và khả
năng chống lại tác động của mơi trường bên ngồi. . .
2.2 Liên kết trong vật liệu composite nền kim loại cốt hạt:
2.2.1 Các kiểu tương tác giữa nền và cốt:
Có ba dạng cơ bản tương tác nền cốt trong composite như sau:


Nền và cốt không hịa tan lẫn nhau và khơng tạo thành hợp chất hóa học ví dụ
như composite hệ Al-B, Al-SiC . . .
 Nền và cốt tương tác tạo nên dung dịch rắn có độ hịa tan rất nhỏ và
khơng tạo hợp chất hóa học. Phần lớn các composite nền kim loại và
cốt là các kim loại khác đều thuộc loại này như các hệ: Nb-W, Ni-W.
 Nền và cốt phản ứng với nhau tạo thành hợp chất hóa học ví dụ như
các hệ Al-SiO2, Ti-Al2O3, Ti-SiC. . .
Tùy thuộc vào dạng tương tác mà hình thành nên mối liên kết nền- cốt
xác định và ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền của composite.