Nghiên cứu so sánh các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim nhôm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BK
TP.HCM

NGUYỄN HOÀNG THANH

NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP
CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG
TỪ
TỪ HP KIM NHÔM
CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH,
MINH, THÁNG 12/
12/ 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

----------------

---oOo---

TP.HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hồng Thanh

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1973.

Nơi sinh: Tp. Cần Thơ.

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy.

MSHV: 02806657.

Khóa (Năm trúng tuyển): 2006.
1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở
TRẠNG THÁI BÁN LỎNG TỪ HP KIM NHOÂM.
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Khảo sát các phương pháp chế tạo hợp kim nhơm ở trạng thái bán lỏng.

-

Nghiên cứu lý thuyết quá trình khuấy đảo cơ.

-

Nghiên cứu lý thuyết quá trình khuấy đảo cơ điện từ.

-

So sánh phương pháp khuấy đảo cơ và khuấy đảo cơ điện từ.

-

Moâ phỏng quá trình khuấy đảo cơ bằng phần mềm Ansys.

-

Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến kích thước hạt kết tinh của vật
liệu ở trạng thái bán lỏng.

-

Đề xuất ứng dụng cho hợp kim nhôm A5052 trong thực tế.

3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

21/01/2008

4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

01/12/2008

5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LƯU PHƯƠNG MINH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn:
Các Thầy Cô đã giảng dạy và giúp đỡ tơi trong q trình học tập.
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lưu Phương Minh đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi vào hướng dẫn tận tình trong cơng trình nghiên cứu này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Thông đã chỉ dẫn và tạo mọi
điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành các thực nghiệm theo yêu cầu của đề tài cũng
như xin cảm ơn q Thầy, Cơ của phịng thí nghiệm Cơng nghệ vật liệu đã nhiệt tình
chỉ dẫn và giúp đỡ trong q trình kiểm tra kết quả thực nghiệm.
Tơi xin cảm ơn các cộng sự: ThS.Bùi Quang Duy, ThS.Nguyễn Việt Hà, Sinh
viên lớp Kỹ sư Tài năng Huỳnh Kim Trọng và quý bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình thực nghiệm và đánh giá mẫu sau thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tơi đã động viên tinh
thần, giúp đỡ vật chất cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian
học, nghiên cứu và thực hiện luận văn này.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2008
Tác giả

Nguyễn Hoàng Thanh.

ABSTRACT

As material technology developed increasingly, the demands for high quality
products also increased, some old technology production becomes neither suitable nor
reachable the required quality. Therefore, the new material technologies are researched
and developed for applications in the practical production.
Semi solid materials technology is the important tendency at the present and
even in the future. Especially, it is potential technology for the industrialization and
modernization in Vietnam.
The master thesis “Research and compare the methods of manufacturing semi
solid materials” is urgent matter which should considered in Vietnam at the present.
Beside that, it will provide a small portion of data not only for the improvement of the
basic theory but also for the practical applied production process.
The thesis includes the main contents follows:
- Overview researches about the manufacturing of the materials in the semi
solid state.
- Study about the methods to manufacture aluminum alloys in semi solid
state.
- Study about the theory of mechanical stirring and electromagnetic stirring.
- Compare the mechanical stirring methods and electromagnetic stirring
methods.
- Calculate the component of solid, liquid phases – viscosity of metal/ alloy
under semi solid state following to temperature, the object of the
researches is the aluminum magnesium alloy A5052.
- Make experimented model based on the mechanical stirring.
- Simulate the mechanical stirring process by using the software ANSYS
based on the experimented model.

- Study about the parameters which affect to the grains size of the semi solid
material.
- Proposal for a practical application on aluminum magnesium alloy A5052.
The completed thesis includes 05 chapters, based on the experimented results it
confirmed the feasibility and reliability of the mechanical stirring method to
manufacture the semi solid materials by mechanical stirring which can be applied in
practical production process in Vietnam.

The Author

Nguyen Hoang Thanh


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT
LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG ........................................................1

1.1 Giới thiệu đề tài............................................................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước..................................................... 3
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước........................................................ 3
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 7
1.3 Tổng quan vật liệu ở trạng thái bán lỏng ........................................................ 8
1.3.1 Khái niệm về trạng thái bán lỏng......................................................... 8
1.3.2 Ứng dụng của vật liệu ở trạng thái bán lỏng ....................................... 11
1.4 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 15
1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................... 16
1.6 Kết luận ........................................................................................................... 16
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG ...............................................17

2.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 17
2.2 Lý thuyết quá trình khuấy đảo cơ ................................................................... 18
2.2.1 Nguyên lý của q trình khuấy đảo cơ ................................................ 18
2.2.2 Các thơng số cơ bản trong quá trình khuấy ......................................... 19
2.2.2.1 Mức độ khuấy ............................................................................ 19
2.2.2.2 Cường độ khuấy trộn................................................................... 20
2.2.2.3 Hiệu quả khuấy trộn .................................................................... 21
2.2.3 Các phương trình cơ bản để tính tốn trong q trình khuấy .............. 21
2.2.3.1 Độ nhớt chất lỏng Newton .......................................................... 21
2.2.3.2 Độ nhớt chất lỏng phi Newton .................................................... 21
2.2.3.3 Độ nhớt của hỗn hợp lỏng không đồng nhất............................... 22
2.2.3.4 Phương trình cơ bản để xác định công suất khuấy ..................... 22


2.2.4 Các phương pháp khuấy đảo cơ ......................................................... 26
2.2.4.1 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng cánh khuấy........................ 26
2.2.4.2 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít............................... 28
2.2.4.3 Phương pháp khuấy đảo cơ sử dụng trục vít kết hợp cánh
khuấy ............................................................................................ 28
2.2.4.4 Quá trình khuấy đảo cơ sử dụng trục khuấy có điều khiển
nhiệt độ......................................................................................... 29
2.2.4.5 Q trình khuấy đảo cơ trong buồng đúc.................................... 30
2.2.5 Tổ chức tế vi của các vật đúc từ trạng thái bán lỏng bằng
phương pháp khuấy đảo cơ ............................................................. 31
2.2.6 So sánh các phương pháp khuấy đảo cơ.............................................. 32
2.3 Lý thuyết quá trình khuấy đảo từ .................................................................... 34
2.3.1 Nguyên lý của quá trình khuấy đảo từ................................................. 34
2.3.2 Các cơ sở về điện động lực.................................................................. 34
2.3.2.1 Lực Lorentz ................................................................................. 34
2.3.2.2 Các dạng chế tạo của các cuộn cảm............................................ 36

2.3.3 Các dòng khuấy và cơ sở lý thuyết dòng chảy trong khuấy đảo
từ ........................................................................................................ 39
2.3.4 Các phương pháp khuấy đảo từ bằng từ trường cuộn dây................... 42
2.3.5 Tổ chức tế vi của các vật đúc từ trạng thái bán lỏng bằng
phương pháp khuấy đảo từ ............................................................. 45
2.3.6 So sánh các phương pháp khuấy đảo từ .............................................. 48
2.4 Kết luận và đề xuất mơ hình vật lý ................................................................. 49
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở
TRẠNG THÁI BÁN LỎNG TỪ HỢP KIM A5052 .................................52

3.1 Giới thiệu về hợp kim A5052 ......................................................................... 52
3.1.1 Ứng dụng của hợp kim A5052 trong thực tế....................................... 52


3.1.2 Thành phần và cơ tính của hợp kim A5052 ........................................ 54
3.1.2.1 Thành phần hóa của hợp kim A5052 .......................................... 54
3.1.2.2 Cơ tính của hợp kim A5052........................................................ 55
3.1.3 Giản đồ trạng thái Al - Mg ................................................................. 56
3.1.4 Cơ sở chọn Hợp kim A5052 làm đối tượng nghiên cứu của đề
tài ...................................................................................................... 56
3.2 Xác định thơng số của q trình ..................................................................... 59
3.2.1 Các thơng số ảnh hưởng đến q trình khuấy đảo cơ.......................... 59
3.2.1.1 Nhiệt độ khuấy, độ nhớt của kim loại lỏng................................. 59
3.2.1.2 Tốc độ khuấy............................................................................... 60
3.2.1.3 Thời gian khuấy .......................................................................... 60
3.2.1.4 Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy ....................................... 60
3.2.2 Tính tốn thành phần rắn của hợp kim A5052 theo nhiệt độ .............. 61
3.2.2.1 Thành phần rắn của hợp kim A5052 theo cơng thức cánh
tay địn ............................................................................................... 64
3.2.2.2 Thành phần rắn của hợp kim A5052 theo công thức Scheil ...... 65

3.2.3 Tính tốn độ nhớt của hợp kim A5052 ở trạng thái bán lỏng ............. 67
3.3 Dự kiến thông số thiết bị thực nghiệm ........................................................... 69
3.3.1 Lựa chọn kích thước nồi nấu và bố trí cánh khuấy ............................. 69
3.3.2 Lựa chọn số vòng quay thực nghiệm .................................................. 69
3.4 Kết luận ........................................................................................................... 70
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ..........................................................72

4.1 Mơ phỏng ........................................................................................................ 72
4.1.1 Mơ hình mơ phỏng .............................................................................. 72
4.1.2 Thơng số đầu vào của q trình mơ phỏng.......................................... 74
4.1.3 Kết quả mô phỏng................................................................................ 74


4.2 Thực nghiệm ................................................................................................... 77
4.2.1 Thiết bị thực nghiệm............................................................................ 77
4.2.1.1 Thiết bị nấu và khuấy để lấy mẫu ............................................... 77
4.2.1.2 Thiết bị kiểm tra .......................................................................... 79
4.2.2 Quá trình thực nghiệm ......................................................................... 79
4.2.2.1 Kiểm tra quá trình khuấy trong nước.......................................... 79
4.2.2.2 Thực nghiệm trên hợp kim nhôm A5052 để lấy mẫu ................. 80
4.2.2.3 Kết quả kiểm tra thành phần hoá trước và sau khi nấu............... 82
4.2.2.4 Kết quả soi kim tương................................................................. 83
4.2.2.5 Kết quả đo độ cứng HB............................................................... 88
4.2.2.6 Kết quả kiểm tra bền kéo ............................................................ 89
4.2.2.7 Kiểm tra sự tương thích của kết quả thực nghiệm ...................... 90
4.2.3 Đề xuất mơ hình cơng nghệ sản xuất trong thực tế ............................. 97
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................99

5.1 Kết luận ........................................................................................................... 99
5.1.1 Kết quả đạt được.................................................................................. 99

5.1.2 Hạn chế của đề tài................................................................................ 100
5.2 Hướng phát triển nghiên cứu của đề tài .......................................................... 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................


1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
CHẾ TẠO VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG
1.1. Giới thiệu đề tài
Nhôm và hợp kim 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 cơng dụng khác nhau.
Nhiều hợp kim nhơm có cơ tính tương đương thép nhưng trọng lượng chỉ bằng
một phần ba trọng lượng của thép nên trong nhiều trường hợp, hợp kim nhôm là
không thể thay thế được ví dụ như:
ƒ 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.
ƒ Ứng dụng trong công nghệ sản xuất ôtô.
ƒ Ứng dụng trong ngành dệt đối với các chi tiết hoạt động ở tốc độ và độ
chính xác cao.
ƒ Ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển, điện công nghiệp và tự động hố…
Nhơm và hợp kim 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, hợp kim 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 hợp kim 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 hợp kim nhôm. Từ cuối những năm 1960 và đầu


2
những năm 1970 đến nay, nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm từ hợp kim
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 hợp kim 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 quá 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.
Trong phạm vi đề tài, luận văn này chủ yếu nghiên cứu so sánh các phương
pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim Nhôm và thực nghiệm chế
tạo vật liệu Nhôm – Manhê A5052 ở trạng thái bán lỏng nhằm có một sự so sánh
tổng quát về hiệu quả của các phương pháp này trên cơ sở lý thuyết, thực nghiệm
và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng.
Đề tài nghiên cứu này giúp cho các nhà sản xuất hợp kim 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 ở trạng thái bán lỏng trong tương lai.


3
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Từ cuối những năm 1960 đầu những năm 1970, công nghệ chế tạo vật liệu ở
trạng thái bán lỏng đã được nghiên cứu và chính thức ra đời vào tháng 06-1971, do
Viện công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa kỳ đề xuất (đề tài tiến sĩ của D.B
Spencer dưới sự hướng dẫn của M.C Flemings). Từ đó đến nay, các nghiên cứu về
chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng được các Viện nghiên cứu , các ngành công
nghiệp xem như là một đề tài hấp dẫn.
Vào năm 1990, UBE Industries, Ltd. một tập đồn cơng nghiệp đa ngành của
Nhật Bản đã nghiên cứu và phát triển công nghệ Rheocasting chế tạo vật liệu ở
trạng thái bán lỏng (New Rheocasting – NRC).
Có hai phương pháp chính chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng: Thixocasting
và Rheocasting. Trong đó, Thixocasting tạo hình kim loại từ thanh cấp liệu ở trạng
thái bán lỏng; còn Rheocasting là phương pháp tạo hình bằng cách nấu chảy hợp
kim, làm nguội và khuấy đảo liên tục đến trạng thái bán lỏng.
Tuy nhiên, theo một bài báo của P. Kapranos với tiêu đề “Phương pháp tạo hình
thực gần đúng – bằng cơng nghệ kim loại ở trạng thái bán lỏng”, (Near net shaping
by semi-solid processing), thì thống kê từ thực tế năm 2000 cho thấy chỉ 1% của
2,5 triệu tấn nhôm đúc ở Bắc mỹ, châu Âu và Nhật Bản (tức vào khoảng 25.000
tấn) là từ phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng đi từ pha rắn
(Thixocasting).
Vào đầu năm 2002, Viện công nghệ Massachusetts (MIT) – Hoa kỳ - đề xuất
thiết bị đúc trong khuôn từ công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng mới
vượt trội hơn hẳn phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng trước đây và
được xem như một công nghệ giàu tiềm năng. Bản quyền được MIT cấp cho các

công ty là công nghệ rheocasting đặc biệt, được biết đến qua tên gọi Công nghệ chế
tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ trạng thái lỏng (Semi-Solid Rheocasting – SSR)
cho việc đúc nhơm trong khn nhanh trên tồn cầu.


4

Hình 1-1. Máy Rheocasting

Hình 1-2. Vật liệu ở trạng thái bán lỏng đùn ra từ máy Rheocasting
Từ 20-24 tháng 10 năm 2002, hội nghị của ngành đúc toàn thế giới tổ chức tại
KynogJu, Hàn quốc. Tại hội nghị, C.Vives đã trình bày phương pháp khuấy đảo
điện từ cho thiết bị đúc liên tục (new electromagnetic Rheocasting).
Từ 11-13 tháng 9 năm 2006, hội nghị quốc tế lần thứ 9 về công nghệ đúc bán
lỏng và composite nền kim loại được tổ chức tại Busan, Hàn Quốc đã thu hút sự
tham gia của 180 nhà khoa học đến từ 23 quốc gia trên thế giới. Tại hội nghị đã có
103 bài báo cáo với các chủ đề chính:


5
ƒ Hợp kim bán lỏng (12 bài).
ƒ Các kỹ thuật phụ trợ (12 bài).
ƒ Tổ chức và cơ tính vật đúc (8 bài).
ƒ Các quy trình đúc mới (8 bài).
ƒ Phương pháp Rheocasting (22 bài).
ƒ Ứng xử lưu biến, mô hình hóa và mơ phỏng (21 bài).
ƒ Ứng dụng đúc bán lỏng cho các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao (13 bài).
ƒ Ứng dụng đúc bán lỏng cho các hợp kim dập (7 bài).
Từ nội dung báo cáo, cũng có thể thấy Rheocasting đang thắng thế trong
phương pháp đúc bán lỏng. Các nghiên cứu về Rheocasting rất nhiều và tập trung 2

nội dung:
ƒ Tối ưu các quy trình đúc có sẵn.
ƒ Nghiên cứu, phát triển các quy trình đúc mới và đảm bảo tính kinh tế.
Ngồi ra, hướng “Ứng dụng đúc bán lỏng cho các hợp kim có nhiệt độ nóng
chảy cao” cũng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Mặc dù đã có
nhiều nghiên cứu nhưng nhìn chung việc triển khai của hướng này vấp phải hai vấn
đề lớn: tuổi thọ thiết bị và chất lượng vật đúc.
Chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng còn là phương pháp ứng dụng rất triển
vọng đối với các ngành công nghiệp khác như công nghệ chế tạo composite nền
kim loại và công nghệ hàn…
Vật liệu ở trạng thái bán lỏng được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các sản phẩm
trong nhiều lĩnh vực khác nhau như : ngành sản xuất ô-tô, ngành sản xuất thiết bị
điện, linh kiện điện tử.....
Dưới đây là các Công ty hàng đầu thế giới dùng công nghệ bán lỏng để sản xuất
các chi tiết điển hình:


6
Bảng 1-1. Phạm vi ứng dụng của công nghệ bán lỏng tại các công ty lớn trên
thế giới
Sản phẩm

Công ty
Toshiba, NEC, Mitsubishi, Panasonic, Sony,

Mini-note book PC‘s

Compaq, Sharp, Epson, Gateway, Fujitsu,
JVC, Hitachi, Casio.

Digital VCR‘s

Sony, Sharp, Canon

Điện thoại di động

NEC, Ericcson, Panasonic, NTT, Pioneer

Mini disks

Sony, Panasonic

Máy quay phim kỹ thuật số

Fuji film, Nikon, Texas Instruments, Epson,
Sanyo, Sony.

Máy Photocopy

Canon

Các bộ phận của ô-tô

Ford, GMC, Toyota

Các bộ phận truyền lực và hộp số
Nắp xy lanh
Bánh xe
Block máy

Van các loại
Phanh xe

Năm

Hình 1-3. Thực trạng ngành tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng ở Mỹ
và các dự báo trong tương lai.


7

Sản lượng (ngàn tấn)

250

200

150

100

50

0
1993

1994

1995

1996

1997

1998

Năm

Sản lượn g (ngàn tấn )

Hình 1-4. Biểu đồ sản lượng hàng năm về công nghệ tạo hình từ vật liệu ở trạng
thái bán lỏng ở Canada từ năm 1993 đến năm 1998.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Vào những năm 1996 – 1997, Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Trọng Giảng đã có các
cơng trình nghiên cứu về thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền kim loại ở
trạng thái bán lỏng của Hợp kim Al-7%Si-0,3% Mg với hạt gia cố là SiC: “Phân
tích thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền kim loại (MMC) ở trạng thái bán
lỏng ” và “ Thuộc tính lưu biến của vật liệu tổ hợp nền hợp kim Nhôm ở trạng thái
bán lỏng ” công bố năm 1996.
Những nghiên cứu trong nước về vật liệu ở trạng thái bán lỏng đã hình thành
hơn hai thập kỷ, tuy nhiên chưa được đầu tư phát triển nên hiện nay hầu hết các cơ
sở đúc nhôm và hợp kim nhôm trong nước vẫn chưa ứng dụng các phương pháp
chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng, hầu hết các cơ sở đúc nhôm và hợp kim nhôm
vẫn theo phương pháp truyền thống là cải tạo chất lượng vật đúc từ nhôm và hợp
kim nhôm bằng phương pháp ủ.
Ngày 18-11-2007, tại thành phố Hồ chí minh, đã diễn ra hội thảo về công nghệ
tạo phôi và nhiệt luyện (theo báo SGTT), tại hội thảo, PGS-TS Đặng Vũ Ngoạn Đại học Bách khoa TP.HCM - cho biết thị trường đúc sẽ phát triển rất đa dạng do


8

nhu cầu của các ngành công nghiệp liên quan như cơ khí chế tạo (máy động lực,
máy gia cơng chế biến nơng sản...), sản xuất xe hơi, đóng tàu biển, tàu sông, vật
liệu cho ngành xây dựng và đặc biệt trong 10 - 15 năm tới, khi đường sắt và metro
hình thành sẽ tạo ra nhu cầu lớn những sản phẩm mới về đúc.
Một trong hai phương pháp đúc hiện đại có tiềm năng phát triển mạnh được giới
thiệu tại hội thảo là phương pháp đúc bán lỏng do Viện công nghệ Massachusetts
sáng chế, được áp dụng để chế tạo các chi tiết bằng hợp kim nhôm cho công nghiệp
quốc phịng, hàng khơng, xe hơi, dân dụng....
Hiện nay, Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt cho Đại học Bách khoa Hà nội
triển khai đề tài mã số KC.02.23/06-10 trong năm 2009: “Nghiên cứu ứng dụng
công nghệ đúc bán lỏng để chế tạo các sản phẩm từ hợp kim nhôm bền cao trong
ngành chế tạo máy động lực, ô tô, xe máy” (theo quyết định số 1587/QĐ-BKHCN
ngày 28/07/2008). Ngoài ra, Viện Công Nghệ Hà Nội cũng đang nghiên cứu đúc
tạo hình thân bơm bánh răng từ hợp kim nhơm bằng công nghệ đúc bán lỏng nhưng
nghiên cứu này cũng chỉ xốy sâu vào phương pháp tạo hình là chính.
Qua đó, chúng ta thấy được hướng nghiên cứu ứng dụng của các phương pháp
chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng là rất mới ở Việt nam, tuy nhiên cũng đánh giá
được mức độ đầu tư nghiên cứu ứng dụng các phương pháp này trong thực tế là rất
lớn.
1.3. Tổng quan về vật liệu ở trạng thái bán lỏng
1.3.1. Khái niệm về trạng thái bán lỏng
“Kim loại“ trong phần này được hiểu với nghĩa kim loại và hợp kim.
Khi kim loại ở trạng thái rắn bị nung nóng hơn nhiệt độ của đường đặc, kim loại
bắt đầu chảy, pha lỏng xuất hiện. Trạng thái này gọi là “ trạng thái đặc sệt ”.
Khi kim loại ở trạng thái lỏng được làm nguội đến khi thấp hơn nhiệt độ của
đường lỏng, kim loại bắt đầu đông đặc, pha rắn xuất hiện.


9
Bằng các phương pháp khuấy đảo mãnh liệt người ta đã làm cho cấu trúc nhánh

cây của pha rắn bị gãy vụn và phân bố đều trong kim loại lỏng hình thành trạng thái
mà pha rắn phân bố đều trong pha lỏng ở dạng huyền phù, trạng thái này được gọi
là “trạng thái bán lỏng ”.
Cả hai hướng chế tạo vật liệu, đi từ trạng thái rắn đến trạng thái đặc sệt và đi từ
trạng thái lỏng xuống bán lỏng, đều có hai pha : pha rắn và pha lỏng, nên nhiều nhà
nghiên cứu đều gọi chung là trạng thái bán lỏng, tuy nhiên, cơ tính của “trạng thái
đặc sệt” và “ trạng thái bán lỏng” thì hồn tồn khác nhau, sự khác nhau này trở
nên rất nhỏ khi chúng ở cùng nhiệt độ. Khi nhiệt độ giảm thì pha rắn trong kim
loại/ hợp kim tăng, còn khi nhiệt độ tăng thì pha lỏng trong kim loại tăng, vì thế,
khi cả hai hướng chế tạo vật liệu này đạt cùng một mức tỷ lệ giữa pha lỏng/pha rắn
bằng nhau thì cơ tính của vật liệu ở trạng thái bán lỏng là tương tự nhau.

Hình 1-5. Khoảng nhiệt độ mà kim loại ở trạng thái đặc sệt và bán lỏng.


10

Hình 1-6. Hai xu hướng cơ bản chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng xét trên giản
đồ trạng thái 2 cấu tử của hợp kim Nhơm [22].

Hình 1-7. Hợp kim nhôm ở trạng thái bán lỏng


11

(a)

(b)

(c)

Hình 1-8. Ngun lý phá vỡ thiên tích nhánh cây.
(a).Khi khơng có lực khuấy cấu trúc nhánh cây được hình thành [8].
(b). Lực khuấy kết hợp với dòng chảy tầng tạo thành tinh thể dạng hoa thị.
(c). Lực khuấy kết hợp với dòng chảy rối tạo thành tinh thể dạng hình cầu.

1.3.2. Ứng dụng của vật liệu ở trạng thái bán lỏng
Khi đúc theo phương pháp thông thường, cấu trúc tinh thể của vật đúc có dạng
nhánh cây và thường có một lượng kim loại lỏng cịn sót lại và kết tinh sau cùng.
Hậu quả làm yếu cơ tính vật đúc là:
ƒ Hàm lượng nguyên tố trong pha lỏng và pha rắn khác nhau gây nên hiện
tượng thiên tích làm cơ tính vật đúc khơng đồng đều. Tuy nhiên, trong nhiều
trường hợp, hậu quả này khơng nghiêm trọng và có thể xử lý được bằng
cách ủ để làm đồng đều thành phần vật đúc.
ƒ Phần pha lỏng kết tinh sau cùng khơng được bù ngót sẽ tạo thành những rỗ
xốp li ti. Hậu quả này khó xử lý và nó làm giảm mạnh cơ tính của vật đúc.

Hình 1-9. Q trình kết tinh của vật đúc theo phương pháp đúc thông thường.


12
Cho đến nay đúc bán lỏng là phương pháp duy nhất khơng làm xuất hiện thiên
tích nhánh cây trong vật đúc.

Hình 1-10. Cấu trúc tế vi hợp kim nhơm A356 chế tạo từ trạng thái bán lỏng [15].

Hình 1-11. So sánh hình ảnh tổ chức của hợp kim nhơm (Al-7Si-0,5 Mg) [15]
a) Đúc theo phương pháp thông thường

b) Đúc bán lỏng.

Phương pháp tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng thường là đúc áp lực cao
trong khuôn kim loại. Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo các sản
phẩm có kích thước nhỏ (từ 28g đến 25kg), tuy nhiên, có một số tài liệu cho rằng
có một số chi tiết lớn cũng được tạo hình bằng đúc áp lực cao vật liệu ở trạng thái
bán lỏng. Ví dụ như : Khung cửa xe ơ-tơ, hộp số, nắp động cơ, hộp số...Các hợp
kim thường được sử dụng là hợp kim Nhơm, Kẽm, Ma-nhê, Chì...


13

Hình 1-12. Cấu trúc tế vi của chi tiết làm từ hợp kim Nhơm theo phương pháp tạo
hình trực tiếp từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng [21].
Bảng 1-2. So sánh cơ tính hợp kim Nhơm A357 theo các phương pháp đúc [64].
Phương pháp đúc
Đúc bán lỏng từ trạng
thái lỏng
(Rheocast)
Đúc bán lỏng từ trạng
thái rắn
(Thixocast)
Đúc liên tục
Đúc trong khuôn cát

Làm nguội
A/C
T5
T6(a)
T6(b)
A/C

T5
T6
A/C
T51
T6
A/C
T51
T6

Giới hạn
kéo (MPa)
242-251
238-256
255-285
335
220
275-290
330-358
193
200
359
172
179
345

Giới hạn
chảy (MPa)
101-121
121-134
140-168

281
115-120
200-210
260-290
103
145
296
90
117
296

Độ giãn dài
(%)
6.5-8.6
4.7-9.4
7.3-13.2
4
7-9
5-10
9-10
6
5
5
5
3
2

Ghi chú :
• T5: Tơi sau biến dạng nóng, hóa già nhân tạo [5 giờ tại 177oC].
• T6(a): Tơi, hóa già nhân tạo [4 giờ tại 529 oC, làm nguội đột ngột trong nước, 8 giờ tại

20 oC, 4 giờ tại 154oC].
• T6(b): Tơi, hóa già nhân tạo [12 giờ tại 529 oC, làm nguội đột ngột trong nước, 8 giờ tại
20 oC, 6 giờ tại 154 0C]
• A/C: Air cooling – làm nguội trong khơng khí.
• T51: Khử ứng suất bằng phương pháp kéo giãn, sau khi xử lý nhiệt hoặc tôi.


14
Nhìn chung, các phương pháp tạo hình chi tiết từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng
có các ưu điểm nổi bật như :
ƒ An toàn : Khả năng xảy ra cháy nổ và bắn kim loại ra ngoài là thấp hơn rất
nhiều so với tạo hình từ trạng thái lỏng.
ƒ Chất lượng sản phẩm : chi tiết sau đúc bằng kỹ thuật nấu chảy hồn tồn sẽ
có rỗ khí và rỗ co nhiều hơn, chất lượng bề mặt, cấu trúc tế vi cũng như cơ
tính kém hơn so với phương pháp tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng.
ƒ Phế phẩm thấp.
ƒ Tạo hình được các chi tiết có bề dày trong khoảng rộng : từ 0,35mm đến
25mm.
ƒ Thay thế các sản phẩm nhựa bằng kim loại nhẹ với độ bền cao hơn nhiều
lần.

Hình 1-13. Một số sản phẩm tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng [15].


Ngàn tấn

15

Hình 1-14. Sản lượng xuất khẩu các chi tiết HK Manhê sản xuất từ phương pháp
tạo hình từ vật liệu ở trạng thái bán lỏng - ở Mỹ từ năm 1990 đến năm 2001.

1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Khảo sát bằng thực nghiệm, nghiên cứu so sánh các phương pháp chế tạo vật
liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp kim nhơm, mơ phỏng q trình chế tạo vật liệu ở
trạng thái bán lỏng nhằm ứng dụng vào điều kiện thực tế của các ngành công
nghiệp tại Việt nam, qua đó có thể mở thêm những lĩnh vực ứng dụng mới của vật
liệu bán lỏng trong tương lai.
* Mục tiêu hỗ trợ
Đề tài so sánh các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng từ hợp
kim Nhôm nhằm có một cái nhìn tổng qt và khẳng định xu thế phát triển tất yếu
của các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng của ngành tạo hình vật
liệu kim loại hiện nay đồng thời cung cấp một phần nhỏ dữ liệu thực nghiệm đối
với vật liệu nghiên cứu, làm cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng và tối ưu hoá các
phương pháp này trong tương lai.
Đề tài nghiên cứu sẽ giúp cho các nhà sản xuất hợp kim nhơm trong nước có thể
lựa chọn và ứng dụng phương pháp phù hợp nhất với điều kiện sản xuất đặc thù của
doanh nghiệp của mình.


16
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài: các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái
bán lỏng từ pha lỏng (Rheology), cụ thể là hai phương pháp:
ƒ Khuấy đảo cơ.
ƒ Khuấy đảo bằng điện từ trường
Phạm vi giới hạn của đề tài: nghiên cứu trong phạm vi hợp kim Nhôm – Manhê
mà cụ thể là hợp kim Nhôm A5052. Các công việc chi tiết gồm:
-

Tập trung vào các phương pháp tính tốn thiết kế, tính tốn tỷ lệ rắn- lỏng

của hợp kim theo nhiệt độ, độ nhớt của hợp kim ở trạng thái bán lỏng.

-

Tiến hành thực nghiệm, thu nhận kết quả trong điều kiện máy móc và thiết
bị đo hiện có trong nước.

Phương pháp nghiên cứu:
* Xây dựng mơ hình vật lý: dùng phần mềm AutoCAD, Pro-Engineer.
* Xây dựng mơ hình tốn và mơ phỏng bằng phần mềm Ansys.
* Kiểm tra cơ lý tính (đo độ cứng và thử bền trên các máy chuyên dụng).
* Phương pháp kim tương (quan sát tổ chức tế vi của vật liệu).
1.6. Kết luận
Công nghệ chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng là xu hướng phát triển của
ngành chế tạo phôi trong tương lai. Đây thực sự là cơng nghệ có nhiều triển vọng
đặc biệt là đối với q trình cơng nghiệp hố hiện đại hố ở Việt Nam.
Hiện nay, có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng trên thế
giới, tuy nhiên các phương pháp này còn mới đối với Việt nam nên việc nghiên cứu
ứng dụng các phương pháp chế tạo vật liệu ở trạng thái bán lỏng phù hợp với điều
kiện hiện có của Việt nam, qua đó bổ sung cơ sở dữ liệu cho các cơng trình nghiên
cứu về sau này trên đối tượng hợp kim Nhôm – Manhê (cụ thể là hợp kim A5052)
là rất cần thiết và hữu ích.