Nghiên cứu phương pháp và công nghệ tạo hình siêu dẻo ứng dụng cho phôi nhôm dạng tấm hệ AA 5083

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

NGUYỄN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG
NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO ỨNG DỤNG
CHO PHÔI NHÔM DẠNG TẤM HỆ AA5083
Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy
Mã số ngành : 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 naêm 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: 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 só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . tháng . . . . năm . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 200. .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Hoài Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 29-03-1981
Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
I- TÊN ĐỀ TÀI:

Phái: Nam
Nơi sinh: Khánh Hòa
MSHV: 00404082

Nghiên cứu phương pháp và công nghệ tạo hình siêu dẻo ứng dụng cho phôi
nhôm dạng tấm hệ AA5083.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng quan cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo và công nghệ tạo hình siêu dẻo,
các phương pháp tạo hình siêu dẻo, thiết bị tạo hình siêu dẻo.
Nghiên cứu công nghệ tạo hình siêu dẻo đối với hợp kim hệ nhôm AA5083,
mô phỏng số quá trình tạo hình bằng phần mềm MSC.Marc 2005 nhằm xác định
biến thiên độ dày trên toàn bộ bề mặt sản phẩm.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định

giao đề tài): 03-07-2006
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03-12-2006
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Lưu Phương Minh
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH

Ngày
tháng
năm
TRƯỞNG KHOA QL NGAØNH


LỜI CẢM ƠN

Để có được những kiến thức vô cùng quý giá và hoàn thành tốt luận văn
tốt nghiệp được giao như hiện nay, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa
Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã dạy em trong suốt hơn hai năm
vừa qua. Nhân đây, em xin được bày tỏ lòng biết ơn, sự kính trọng đến quý thầy
cô và kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe để chắp cánh tri thức cho thế
hệ mai sau.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Phương Minh đã dành

nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
học tập và quá trình thực hiện luận văn.

Nguyễn Hoài Nam


TÓM TẮT NỘI DUNG

Siêu dẻo là đặc tính của một vài vật liệu kim loại có độ giãn dài rất lớn
mà không bị phá hủy ở điều kiện gia công thích hợp. Độ giãn dài này đạt được
từ vài trăm cho đến 1000% hoặc hơn nữa. Vật liệu được gia công theo phương
pháp này xảy ra ở tốc độ biến dạng thấp (< 1 s-1), nhiệt độ gia công cao (>
0,5Tnóng chảy) và vật liệu có kích thước hạt nhỏ mịn phù hợp.
Tạo hình siêu dẻo (SPF) được ứng dụng rộng rãi như là một phương pháp
kinh tế để sản xuất các chi tiết có độ phức tạp cao, trọng lượng nhẹ với một công
đoạn tạo hình trong các ngành công nghiệp hiện đại. Tạo hình siêu dẻo cũng
làm tăng thêm tính thẩm mỹ, giảm tối thiểu số nguyên công sản xuất. Trong
suốt quá trình tạo hình siêu dẻo, độ biến mỏng của các thành phần trên sản
phẩm phụ thuộc vào nhiều tham số như là hình dạng khuôn tạo hình, đặc tính vật
liệu và điều kiện tạo hình như là áp suất và nhiệt độ. Ngày nay, hợp kim nhôm
AA5083 được ứng dụng rộng rãi để sản xuất bằng công nghệ tạo hình siêu dẻo
trong ngành công nghiệp ôtô.


ABSTRACT

Superplasticity is the property of certain metallic materials that very high
longations without contraction till breakage can be achieved at suitable working

conditions. These elongations are from few hundred to 1000 % or even more.
Such a method of working occurs at low strain rates (< 1 s-1), high working
temperatures (> 0.5Tmelting point), and corresponding microstructure of material.
Superplastic forming (SPF) has been widely accepted as an economical
method to produce highly complex, lightweight and integral parts with a single
forming operation in modern industry. Superplastic forming also enhances design
freedom, minimizes the amount of scrap produced. During a superplastic forming
process, thinning of components depends on several parameters including the
shape of the die, the material properties, and the forming conditions such as
pressure and temperature. Nowaday, aluminum alloy AA5083 has been used to
produce a variety of superplastic forming parts for the automotive industry.


CÁC KÝ HIỆU QUY ƯỚC VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Kí hiệu quy ước và ý nghóa
ε&

Tốc độ biến dạng

m

Độ nhạy tốc độ biến dạng

n

Độ nhạy ứng suất của tốc độ biến dạng

α

Hệ số phụ thuộc cấu trúc biên hạt

σ

Ứng suất chảy

Tnc

Nhiệt độ nóng chảy

d

Kích thước hạt

δ

Chiều dày biên hạt

p

Áp lực khí nén

2. Chữ viết tắt và ý nghóa
AA

Aluminum Association (Hiệp hội nhôm)

EBSD

Electron backscatter diffraction (Nhiễu xạ phân tán electron)

FEA

Finite element analysis (Phân tích phần tử hữu hạn)

GBM

Grain boundary migration (Dịch chuyển biên hạt)

GBS

Grain boundary sliding (Trượt biên hạt)

SPF

Superplastic forming (Tạo hình siêu dẻo)

SPF/DB

Superplastic forming/Diffusion bonding
(Tạo hình siêu dẻo/Liên kết khuếch taùn)


MỤC LỤC

Lời nói đầu

1

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI SIÊU DẺO VÀ CÔNG
NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO
1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu kim loại siêu dẻo

3

1.2. Khái quát về công nghệ tạo hình siêu dẻo
1.2.1. Giới thiệu về công nghệ tạo hình siêu dẻo

9

1.2.2. Các hợp kim phù hợp với công nghệ tạo hình siêu dẻo

11

1.2.3. Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo hình siêu dẻo

13

1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ tạo hình siêu
dẻo
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

17

1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

18

1.4. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.4.1. Mục tiêu của đề tài

19

1.4.2. Phương pháp nghiên cứu của đề tài

20

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG SIÊU DẺO VÀ CÔNG NGHỆ
TẠO HÌNH SIÊU DẺO
2.1. Cơ sở lý thuyết biến dạng siêu dẻo
2.1.1. Khái niệm biến dạng siêu dẻo

21


2.1.2. Điều kiện xảy ra biến dạng siêu dẻo

24

2.1.3. Những nét riêng cơ học của biến dạng siêu dẻo

28

2.1.4. Đặc trưng cấu trúc tế vi của biến dạng siêu dẻo

35

2.1.5. Lỗ trống và phá hủy trong biến dạng siêu dẻo

44

2.2. Công nghệ tạo hình siêu dẻo
2.2.1. Nguyên lý quá trình tạo hình của công nghệ tạo hình siêu dẻo 51
2.2.2. Những ưu điểm và hạn chế của công nghệ tạo hình siêu dẻo

55

2.2.3. Phân loại các phương pháp gia công theo công nghệ tạo hình
siêu dẻo

57

2.2.4. Quy trình sản xuất theo công nghệ tạo hình siêu dẻo

61

2.2.5. Thiết bị tạo hình theo công nghệ tạo hình siêu dẻo

67

Chương 3

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO ỨNG DỤNG
CHO PHÔI TẤM HP KIM NHÔM AA5083
3.1. Khái quát hợp kim nhôm AA5083

70

3.2. Tổ chức tế vi của hợp kim nhôm AA5083

71

3.3. Các thông số công nghệ phù hợp trong quá trình tạo hình siêu dẻo
phôi tấm hợp kim nhôm AA5083

74

3.4. Ứng dụng phần mềm MSC.Marc 2005 mô phỏng số quá trình tạo
hình phôi tấm hợp kim nhôm AA5083

76

Chương 4

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Phụ lục
Tài liệu tham khảo

89
96
109


LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ tạo hình siêu dẻo (Superplastic Forming) hay còn gọi là công

nghệ SPF là một trong những công nghệ tạo hình tiên tiến trên thế giới nhằm để
chế tạo các chi tiết có bề mặt phức tạp từ phôi tấm trong các ngành công nghiệp
ôtô, công nghiệp hàng không. Sản phẩm của công nghệ này là các tấm bao thân
xe ôtô, các chi tiết trên máy bay và một số các chi tiết được dùng trong y học.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là có thể chế tạo các chi tiết rất phức tạp
bằng một công đoạn, giảm nhẹ trọng lượng chi tiết, tăng độ cứng vững của kết
cấu.
Đối với các chi tiết dạng tấm, thành mỏng và có hình dạng phức tạp,
người ta không thể gia công tạo hình theo các phương pháp truyền thống như
dập, hàn mà phải dùng kỹ thuật thổi ép bằng khí nén xuống hình dạng của
khuôn tạo hình. Công nghệ này giúp chúng ta cải thiện đáng kể về tính thẩm mỹ
của sản phẩm, giảm thời gian gia công và giá thành sản phẩm. Chính vì những
ưu điểm nổi bật trên mà những năm gần đây, công nghệ tạo hình siêu dẻo đã
được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi ở các nước có nền công nghiệp phát triển.
Đây là công nghệ tạo hình khá mới mẻ tại Việt Nam nên chưa được ứng
dụng với quy mô rộng rãi để sản xuất, cũng như chưa có những công trình
nghiên cứu về lónh vực này thật đầy đủ và toàn diện như những phương pháp
công nghệ tạo hình phổ biến khác. Mặt khác còn có lý do về vấn đề bảo mật
bản quyền công nghệ nên nhiều yếu tố quan trọng trong tính toán thiết kế thiết
bị sản xuất của phương pháp này chưa được phổ biến rộng khắp trên thế giới.
Việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị tạo hình siêu dẻo là rất cần thiết tại Việt


Nam và có ý nghóa quan trọng trong việc phát triển chung của nền kinh tế, tạo
tiền đề cho việc phát triển sản xuất các chi tiết ứng dụng trong nền công nghiệp
ôtô, hội nhập với nền công ngiệp sản xuất tiên tiến trên thế giới.
Với những lý do trên, luận văn này tập trung vào nghiên cứu cơ sở lý
thuyết biến dạng siêu dẻo và công nghệ tạo hình siêu, khai thác sử dụng phần
mềm chuyên dùng để tính toán cho công nghệ SPF trên thế giới là MSC. Marc
2005 thông qua sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa Cơ khí, để sau này có thể

ứng dụng trong lónh vực nghiên cứu khoa học của bản thân ở cơ quan công tác
trong tương lai và góp một phần nhỏ cho công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại
hóa đất nước.
Do giới hạn thời gian thực hiện luận văn và kiến thức còn hạn chế, cho
nên chắc chắn trong luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy,
em rất mong nhận được sự giúp đỡ và chỉ dẫn thêm của thầy cô, bạn bè và đồng
nghiệp.


1

Phía dưới


2


3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU KIM LOẠI SIÊU
DẺO VÀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI SIÊU DẺO
a) Trước năm 1962
Người ta thường nghó rằng siêu dẻo được khám phá trong khoảng thời
gian những năm gần đây. Tuy nhiên, hiện tượng siêu dẻo đã có những ứng dụng
từ rất xa xưa. Ở Thổ Nhó Kỳ, Geckinli đã cải thiện khả năng siêu dẻo của hợp
kim đồng (brông) chứa 10% khối lượng arsenic được dùng trong thời kỳ đồng

thiếc khoảng 2000 năm trước công nguyên. Điều này là vì những vật liệu hai
pha có khả năng giữ cấu trúc bền vững trong suốt quá trình tạo hình phức tạp chỉ
sử dụng bằng tay. Hơn nữa, những thanh kiếm của Damascus được dùng từ 300
năm trước công nguyên đến cuối thế kỷ 19, tương tự kết cấu của thép hợp kim
hiện nay ở đặc tính siêu dẻo.
Nghiên cứu cận
đại về siêu dẻo

Thời kỳ đồng thiếc
(Cu-As)

Gia công thép Damascus
(Thép carbon 1,6-1,9%)

Hình 1.1. Lịch sử phát triển siêu dẻo từ thời kỳ cổ xưa


4

Năm 1912, Bengough công bố bài báo ở Trường Đại học Liverpool, ông
tin chắc là có chứa một liên kết đặc biệt siêu dẻo nào đó trong vật liệu kim loại.
Bengough mô tả việc kéo một thanh đồng đặc biệt đến trạng thái thanh mảnh
cho tới khi đứt hẳn thì có một độ giãn dài vô cùng lớn. Đánh giá về vấn đề này,
Bengough thảo luận với các cộng sự và đưa ra thuyết liên kết vô định hình.
Thanh đồng đặc biệt được dùng trong thí nghiệm thử kéo của Bengough là đồng
thau (α + β), đạt được độ giãn dài 163% ở 700oC. Các dữ liệu thí nghiệm của
Bengough được thể hiện như trên hình 1.2. Có thể nhận thấy rằng các thiết bị rất
thô sơ, điều khiển nhiệt độ bị hạn chế, tương xứng với tốc độ biến dạng lớn hầu
như chắc chắn được dùng trong thí nghiệm của Bengough, kết quả đạt được của
ông thì thật sự ngoài mong đợi. Tiếp tục thử nghiệm với các vật liệu siêu dẻo

tương tự theo thí nghiệm của Bengough trong thời gian gần đây, ví dụ như đối
với hợp kim của Cu-40%Zn đã được phát triển khả năng siêu dẻo lên rất lớn

Nhiệt độ (oC)

trong khoảng nhiệt độ 600oC đến 800oC.

Đồng thau

Hình 1.2. Thiết bị thí nghiệm của Bengough vào naêm 1912


5

Những thử nghiệm khác nhau về tính chảy dẻo của kim loại tiếp tục được
nghiên cứu không ngừng. Vào năm 1928, Jenkins đã thực hiện thí nghiệm và đạt
được kết quả của sự kéo dài ra 300 - 400% trong vật liệu kim loại với thành
phần hóa học Cd-Zn và Pb-Zn sau khi thực hiện quá trình kéo nóng cơ khí, cung
cấp bằng chứng đầu tiên của đặc tính siêu dẻo trong cách thử nghiệm đơn giản
(hình 1.3). Tuy nhiên, Jenkins chưa đưa ra các nhận xét mang ý nghóa quan trọng
trong các bản tóm tắt hay các bản kết luận của ông ta. Vào năm 1934, Pearson
công bố kết quả nghiên cứu của mình tại Trường Đại học Newcastle, chứng
minh bằng cách dùng hợp kim Bi-Sn đơn giản có thể tạo hình đạt được gần
2000% và cuộn vòng lại, mức độ giãn dài rất lớn có thể đạt được với cấu trúc
vật liệu 2 pha. Kết quả là Pearson đạt được sự chứng nhận khoa học và sự tán
thưởng của mọi người với phát minh siêu dẻo đầu tiên của mình.

Hình 1.3. Mẫu kéo siêu dẻo đầu tiên của Jenkins vào năm 1928

Hình 1.4. Mẫu kéo nổi tiếng của Pearson với hợp kim Bi-Sn có độ giãn dài 1950%

6

Sau này ở vùng Đông Đức, Sauerwald dự báo rằng có một hợp kim nhôm
và kẽm có tính dễ kéo sợi và ông ta đã sáng chế nhiều kết cấu tốt. Trong thời
gian này, các nhà khoa học Liên Xô cũng đang thực hiện một số bài báo cáo đặc
biệt.

Vào

năm

1945,

Bochvar

và

Sviderskaya

đặt

ra

thuật

ngữ

"sverhplastchnost" (ultrahigh plasticity) trên bài báo của họ về những hợp kim

siêu dẻo. Thuật ngữ "superplasticity" đã được dùng đầu tiên bằng tiếng Anh ở
những bản tóm tắt về hóa học vào năm 1947, nhưng xuất hiện lần đầu tiên vào
năm 1959 trên bài báo kỹ thuật do Lozinsky và Simeonova với tựa đề "Super
Plastic of Commercial Iron under Cyclic Fluctuations of Temperature". Một số
mốc then chốt khám phá ra đặc tính siêu dẻo trong vật liệu kim loại trong giai
đoạn này được tóm tắt bởi hình sau:

Sauveur khám phá
ra sự giãn siêu dẻo

Bengough nhận
xét tính siêu
dẻo ở đồng
thau năm 1912

Jenkins
công bố
mẫu siêu
dẻo

Pearson công bố
mẫu giãn dài
2000% của hợp
kim Bi-Sn
Bochvar và đồng nghiệp với bài
báo về siêu dẻo và đưa ra thuật
ngữ "Sverhplastichnost"
(superplasticity)

Hình 1.5. Sơ đồ các mốc lịch sử phát triển hợp kim siêu dẻo từ trước năm 1962

b) Từ năm 1962 đến năm 1982
Mặc dù những bài báo về siêu dẻo thỉnh thoảng xuất hiện sau năm 1945,
sự quan tâm đặc biệt được chú ý vào năm 1962 với bài báo tổng hợp do
Underwood làm việc ở Liên Xô. Hình 1.6 đã tính đến trong phần tổng hợp này
minh họa tính dễ kéo sợi của hợp kim Zn-Al sau khi kéo ở nhiệt độ 375oC. Đặc
tính kéo sợi lớn nhất là 650% đạt được ở 250oC với hợp kim có thành phần khối


7

lượng 20%Al và 80%Zn. Kết quả xuất sắc này đã thu hút sự chú ý của Backofen
ở viện kỹ thuật Massachusetts. Sau đó, nhóm nghiên cứu của ông ta đã nghiên

Độ giãn dài (%)

cứu ra hợp kim Al-Cu và vật liệu Pb-Sn.

Zn (% khối lượng)

Hình 1.6. Tính dễ kéo sợi của hợp kim Zn-Al từ bài báo của Underwood (1962)

Mang lại ý nghóa to lớn về phát minh vật liệu kim loại siêu dẻo, Backofen
cùng các đồng sự của ông đã chỉ ra hợp kim Al-Zn có thể được tạo hình thành
một hình dạng với áp suất khí quyển đơn giản, như trong nghề thổi thủy tinh.

Hình 1.7. Lọ đựng muối và bình rượu được tạo hình bằng kỹ thuật
thổi khí đơn giản từ hợp kim Zn-Al do Backofen chế tạo vào năm 1964

8

Các mẫu thí nghiệm trên một số hợp kim siêu dẻo và những bài báo về
các hợp kim này do Backofen công bố vào năm 1964 cho thấy khả năng đặc biệt
của những hợp kim siêu dẻo, khởi đầu sự hình thành và phát triển vượt bậc trong
lónh vực vật liệu kim loại siêu dẻo. Vào năm 1968, bốn năm sau phát minh của
Backofen về tạo hình siêu dẻo, bài báo tổng hợp đầu tiên với cùng chủ đề siêu
dẻo được công bố bởi Chaudhari và một năm sau, cuốn sách đầu tiên với tựa đề
"Superplasticity of Metals and Alloy[15] đã được viết bởi Presnyakov. Một thời
gian sau đó, những công trình nghiên cứu ở các nước phương Tây, ở Liên Xô và
ở Nhật Bản đã lần lượt được công bố.
c) Từ năm 1982 cho đến ngày nay
Hội nghị quốc tế năm 1982 đưa ra quy ước "Superplastic Forming of
Structural Alloys" để chỉ ra tầm quan trọng to lớn trong chủ đề siêu dẻo trong cả
hai quan điểm học thuật và thương mại. Đó cũng là cuộc thảo luận đầu tiên về
chủ đề siêu dẻo. Trong hội nghị này, tính khả thi trong ứng dụng thương mại của
vật liệu kim loại siêu dẻo được tổng hợp lại từ những hợp kim titan, hợp kim
niken và các hợp kim của sắt.
Từ hội nghị năm 1982, những hội nghị chuyên đề quốc tế đầy ý nghóa
khác đã được xuất hiện ngày càng nhiều. Tạo hình siêu dẻo (Superplastic
Forming, SPF) là chủ đề hội nghị chuyên đề tổ chức vào năm 1984 ở Los
Angeles (Mỹ). Một hội nghị về hợp kim nhôm siêu dẻo trong công nghiệp hàng
không được tổ chức ở Cranfield (Anh) vào tháng 7-1985. Hội nghị quốc tế thứ
hai về siêu dẻo được tổ chức ở Grenoble (Pháp) vào tháng 9-1985. NATOAGARD đã chọn siêu dẻo làm loạt bài thuyết trình của họ vào các năm 1987 và
1989. Năm 1991, sau khi tranh luận và trao đổi đáng kể tại hội nghị quốc tế về
siêu dẻo (ICSAM-91) tại Osaka, trạng thái siêu dẻo được định nghóa là vật liệu


9

đa tinh thể đẳng hướng, có độ giãn dài rất lớn trước khi phá hủy. Các hội nghị
song phương giữa các nước phát triển cũng chọn đề tài siêu dẻo làm một trong
những chủ đề chính trong các buổi thảo luận. Ngày nay, các hợp kim siêu dẻo
ngày càng được cải thiện tính chất và kỷ lục về độ giãn dài trong vật liệu kim
loại siêu dẻo đã đạt được gần 8000% với hợp kim đồng thương mại Cu-Al của
Highashi[14].

Hình 1.8. Hợp kim đồng thương mại Highashi với độ giãn dài gần 8000% [3]

1.2. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SIÊU DẺO
1.2.1. Giới thiệu về công nghệ tạo hình siêu dẻo
Trên thế giới, ngành gia công áp lực đã phát triển đến mức độ hiện đại về
thiết bị gia công, phương pháp gia công và khả năng gia công. Ở các nước có
nền công nghiệp tiên tiến trên thế giới đã chế tạo và sử dụng các thiết bị máy
móc hiện đại có công suất lớn như máy ép thủy lực có lực ép hàng mấy chục
vạn tấn, ứng dụng các phương pháp gia công tạo hình hiện đại như công nghệ
tạo hình bằng áp lực thủy tónh, công nghệ tạo hình siêu dẻo cho các ngành công
nghiệp ôtô, công nghiệp hàng không.
Công nghệ tạo hình siêu dẻo (có thuật ngữ tiếng Anh là Superplastic
Forming và thường được gọi tắt là công nghệ SPF) được thừa nhận là phương
pháp kinh tế để sản xuất các chi tiết có hình dạng rất phức tạp, khối lượng nhẹ
và đạt độ chính xác cao với quá trình tạo hình đơn giản trong nền công nghiệp
hiện đại, đặc biệt là các ngành công nghiệp hàng không và công nghiệp ôtô.
Trong quá trình tạo hình, chiều dày các thành phần trên sản phẩm phụ thuộc vào


10

nhiều thông số như hình dạng khuôn tạo hình, đặc tính vật liệu và các điều kiện
tạo hình như áp suất và nhiệt độ. Sau đây là một số hình ảnh về công nghệ tạo

hình siêu dẻo được ứng dụng để sản xuất ở một số nơi trên thế giới:

o

Hình 1.9. Quá trình SPF hợp kim nhôm AA5083 ở nhiệt độ 480 C

o

Hình 1.10. Quá trình SPF hợp kim titan Ti6Al4V ở nhiệt độ 900 C

Quá trình tạo hình theo công nghệ SPF đối với các chi tiết có kích thước
lớn hoặc các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao là tương đối phức tạp, chu kỳ
một lần tạo hình thường là rất lâu. Khuôn tạo hình và máy ép thủy lực để sản
xuất các chi tiết dạng này có kích thước lớn, giá thành thiết bị khá đắt tiền, quá
trình tạo hình khá phức tạp vì phải cần điền đầy vật liệu trong khuôn với một
kích thước lớn nên rất dễ gây ra phế phẩm, chi phí cho một chu kỳ sản phẩm là
rất lớn.


11

o

Hình 1.11. Tạo hình sản phẩm SPF kích thước lớn ở nhiệt độ trên 1000 C

1.2.2. Các hợp kim phù hợp với công nghệ tạo hình siêu dẻo
Mỗi hợp kim có đặc tính và nhiệt độ nóng chảy khác nhau, vì vậy, tùy vào
ứng dụng thực tế của từng loại sản phẩm mà ta phải lựa chọn sao cho phù hợp
với quá trình tạo hình siêu dẻo. Các hợp kim được ứng dụng trong công nghệ tạo
hình siêu dẻo được gọi là vật liệu kim loại siêu dẻo hoặc hợp kim siêu dẻo. Mỗi

hợp kim gồm nhiều nguyên tố kim loại hợp thành tính theo tỷ lệ phần trăm về
thành phần khối lượng. Đây cũng chính là cơ sở để đưa ra ký hiệu của từng hợp
kim dựa theo tỷ lệ khối lượng của từng nguyên tố kim loại có trong hợp kim đó.
Sau đây là một số các hợp kim siêu dẻo phù hợp với công nghệ tạo hình siêu
dẻo:
Bảng 1.1. Các hợp kim siêu dẻo phù hợp công nghệ SPF [3]
Tên hợp kim

Ký hiệu

Hợp kim titan

Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V-2Sn

Hợp kim nhôm

AA2004, AA5083, AA7475, AA8090

Hợp kim magiê

ZK60, AZ31, AZ91, MA2-2

Hợp kim titan-aluminide

gamma TiAl

Thép không gỉ


12

Thành phần hóa học của hợp kim titan thường không ít hơn hai nguyên tố
kim loại. Trong các hợp kim được ứng dụng trong công nghệ tạo hình siêu dẻo
thì hợp kim nhôm và hợp kim magiê có nhiệt độ gia công tạo hình khoảng dưới
550oC, còn hợp kim titan có nhiệt độ tạo hình tương đối cao khoảng 900oC hoặc
hơn. Điều này gây khó khăn phức tạp trong quá trình tạo hình sản xuất, trong

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

chế tạo làm tăng giá thành sản phẩm.

Hình 1.12. Biểu đồ so sánh nhiệt độ nóng chảy của một số hợp kim [13]

Tùy theo yêu cầu của sản phẩm mà người ta lựa chọn các hợp kim siêu
dẻo khác nhau ứng dụng cho công nghệ tạo hình siêu dẻo, thông thường hợp kim
magiê và hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi nhất trong các ngành công
nghiệp còn hợp kim titan thì được ứng dụng trong một số các chi tiết đặc biệt
chuyên dụng.
1.2.3. Phạm vi ứng dụng của công nghệ tạo hình siêu dẻo
Công nghệ SPF được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
hàng không, công nghiệp ôtô. Hiện nay, nhiều nhà sản xuất trên thế giới áp
dụng công nghệ tạo hình siêu dẻo làm biện pháp hoàn thiện các sản phẩm cơ khí
ô tô, cụ thể là sản xuất các tấm bao quanh thân xe ôtô, các cánh cửa xe ôtô giúp
sản phẩm ngày càng chất lượng hôn.


13

Hình 1.13. Công nghệ SPF được ứng dụng để sản xuất các tấm bao quanh thân xe ôtô

Sau đây là một số ứng dụng của công nghệ tạo hình siêu dẻo ở các loại
hợp kim siêu dẻo khác nhau:
Hợp kim magiê
Hợp kim magiê có ưu điểm chủ yếu là làm vật liệu nhẹ, kết cấu chất
lượng cao, khả năng chống ăn mòn của hợp kim magiê khá tốt, bền như hợp kim
nhôm nhưng lại nhẹ hơn 25% so với hợp kim nhôm. Hợp kim magiê dùng chủ
yếu trong chế tạo máy bay, ôtô, các thiết bị quân sự. Rất nhiều chi tiết trên máy
bay được chế tạo bằng hợp kim magiê theo công nghệ SPF như thân máy, cửa
buồng lái. Nhiệt độ tạo hình theo công nghệ SPF đối với hợp kim magiê vào
khoảng 425oC.

Hình 1.14. Một số sản phẩm SPF hợp kim magiê [1]


14

Hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm có độ bền cao hơn hẳn nhôm nguyên chất. Đối với công
nghệ tạo hình siêu dẻo thì các ứng dụng của hợp kim nhôm rất đa dạng. Hợp kim
hệ Al-Mg thuộc về hệ hợp kim nhôm nhẹ nhất, có tính đàn hồi tốt, ổn định,
chống ăn mòn khí quyển, bề mặt gia công đẹp, khả năng giảm chấn tương đối
tốt, có độ bền mỏi cao. Trong ngành công nghiệp ôtô, hợp kim nhôm được ứng
dụng chủ yếu trong công nghệ tạo hình siêu dẻo để gia công các tấm bao ngoài
quanh thân xe ôtô, các cánh cửa xe ôtô. Hợp kim nhôm được dùng phổ biến nhất
hiện nay trong ngành công nghiệp ôtô là các hợp kim nhôm AA5083, AA7475.

Hình 1.15. Các cánh cửa ôtô bằng hợp kim nhôm gia công theo công nghệ SPF[6]

Hợp kim titan
Hợp kim titan được ứng dụng công nghệ tạo hình siêu dẻo để sản xuất các

bán cầu vệ tinh, các chỗ uốn cong dạng khuỷu, các vỏ thiết bị máy móc . Ứng
dụng phổ biến nhất là hợp kim titan Ti-6Al-4Vi. Giá thành của hợp kim titan cao
hơn đáng kể so với hợp kim nhôm, magiê nên phạm vi ứng dụng cũng có hạn
chế, chủ yếu trong công nghệp hàng không và vũ trụ. Tuy nhiên, hợp kim titan
có vị trí rất quan trọng trong tương lai đối với công nghệ tạo hình siêu dẻo.