Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án tiến sĩ năm 2013 Đề tài: Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG .5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .6 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .11 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .141.1. Các biện pháp nhằm đạt tổchức dạng hạt cầu (phi nhánh cây) .141.2. Cơsởlý thuyết vềlưu biến 181.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến .201.4. Một sốnghiên cứu trên thếgiới .221.4.1. Nghiên cứu vềhành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng .221.4.2. Khuấy hoặc rung bằng hệthống cơâm 241.4.3. Khuấy điện từ 261.4.4. Đúc gần nhiệt độ đường lỏng 281.5. Lựa chọn công nghệnghiên cứu 301.5.1. Khuấy điện từ 311.5.1.1. Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc .311.5.1.2. Các cơsở điện động lực học của quá trình khuấy .311.5.2. Khuấy bằng trục graphit .33CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT VỀHỢP KIM NHÔM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 352.1. Đối tượng nghiên cứu 352.1.1. Khái quát vềnhôm và hợp kim nhôm .352.1.2. Hợp kim A356 372.2. Kỹthuật thực nghiệm 392.2.1. Nấu luyện và xửlý hợp kim .392.2.2. Hệthống đo ghi nhiệt độkỹthuật số 402.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA 412.2.4. Mô phỏng số .412.3. Các phương pháp phân tích đánh giá 422.3.1. Hiển vi quang học nghiên cứu tổchức 422.3.2. Phân tích Rơnghen 432.3.3. Hiển vi điện tửquét (SEM) và phổEDS 432.3.4. Đánh giá cơtính 43CHƯƠNG 3. KẾT QUẢNGHIÊN CỨU CƠBẢN VỀHỢP KIM NHÔM A356 .453.1. Khoảng nhiệt độ đông đặc của hợp kim A356 453.2. Đường cong nguội và tốc độnguội 463.3. Tỷphần pha rắn và tốc độ đông đặc 523.3.1. Định nghĩa .523.3.2. Xác định tỷphần pha rắn .533.4. Thành phần, sựtiết pha và sựhình thành tổchức của Silumin đơn giản 573.4.1. Sựhình thành tổchức của hợp kim A356 573.4.2. Các pha liên kim và sựhình thành tổchức ởnhiệt độcao .593.4.3. Kết quảphân tích tia X .623.4.4. Kết quảphân tích EDS 633.5. Mô phỏng số 64CHƯƠNG 4. KẾT QUẢNGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆBÁN LỎNG 674.1. Phương pháp khuấy điện từ .674.1.1. Khuấy bán lỏng sau đó đểnguội cùng cốc khuấy 674.1.2. Khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn 69 4 4.2. Phương pháp khuấy bằng trục graphite .754.2.1. Ảnh hưởng của tốc độquay của trục khuấy 754.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy 794.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độkhuôn .814.3. Đánh giá cơtính .814.3.1. Khuấy điện từ 814.3.2. Khuấy bằng trục graphit .834.4. Kết luận 88KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91TÀI LIỆU THAM KHẢO 92DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95PHỤLỤC .96MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Các loại vật liệu dạng bột nhão (thixotropic) nhưthuốc bôi mi mắt, mật ong, một sốloại sơn khi bịcắt sẽchảy, sau đó lại có thể đặc lại. Độnhớt của chúng phụthuộc vào tốc độcắt và thời gian. Spencer và các cộng sựlà những người đầu tiên phát hiện ra hành vi này trong hợp kim bán lỏng vào đầu những năm 70 khi khảo sát sựnứt nóng bằng thước đo lưu biến. Nếu vật liệu bịkhuấy liên tục trong quá trình nguội từtrạng thái lỏng hoàn toàn tới trạng thái bán lỏng thì độnhớt của nó sẽthấp hơn nhiều so với khi nó được làm nguội xuống trạng thái bán lỏng mà không khuấy. Việc khuấy sẽbẻgãy các nhánh cây đã xuất hiện trước đó, làm cho tổchức tếvi ởtrạng thái bán lỏng bao gồm các hạt tròn được bao quanh bởi pha lỏng.Đó chính là tổchức tếvi cần đạt được trong công nghệbán lỏng. Khi cấu trúc bán lỏng đó được chuyển vềtrạng thái không chuyển động, các hạt cầu sẽtích tụvà độnhớt sẽtăng lên. Nếu vật liệu được cắt, các khối tích tụ đó sẽbịvỡvà độnhớt giảm. Ởtrạng thái bán lỏng, với khoảng từ30 đến 50% pha lỏng, nếu hợp kim được đưa vềtrạng thái không chuyển động, nó sẽtựchịu được trọng lượng của mình và có thểcầm được nhưchất rắn. Ngay khi bịcắt, chúng sẽchảy với một độnhớt tương đương độnhớt của dầu máy nặng. Hành vi này được gọi là xúc biến (hành vithixotropic)và được ứng dụng trong công nghệbán lỏng: hợp kim có thể được cắt và phết nhưmột miếng bơ. Gần 40 năm nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệbán lỏng và sựquan tâm ngày càng tăng trong lĩnh vực này được đánh dấu bởi các Hội nghịkhoa học quốc tế. Công nghệbán lỏng đang cạnh tranh với các công nghệkhác trong công nghiệp quốc phòng, hàng không vũtrụvà phần lớn các chi tiết máy trong công nghiệp ô tô, xe máy. Ởchâu Âu, các hệthống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ, và thanh ngang trong hệthống cấp dầu của bộnổ đang được chếtạo bằng công nghệnày. ỞMỹ, thí dụ, là các chi tiết máy cho xe leo núi và xe trượt tuyết, còn ởchâu Á sựtập trung được đặt vào việc sản xuất các chi tiết trong công nghiệp điện tửnhưvỏmáy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng hợp kim magiê bằng con đường đúc xúc biến (thixomolding). Hiện nay, nhu cầu sửdụng các loại hợp kim và đặc biệt là các sản phẩm từhợp kim có đặc tính kỹthuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước là rất lớn. Trong đó có các loại vật liệu đặc chủng phục vụcho ngành công nghiệp chếtạo máy bay, ôtô Vì vậy, việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc bán lỏng sẽtạo ra bước đột phá trong việc nâng cao chất lượng các sản phẩm hợp kim, làm cơsởcho việc phát triển các ngành công nghiệp này và hình thành một hướng phát triển mới trong việc chếtạo, sản xuất các chi tiết cho các ngành hàng không vũtrụ, công nghiệp quốc phòng, công nghiệp ôtô - xe máy và các sản phẩm cơkhí có đặc tính tiên tiến khác. Xuất phát từnhững cơsởtrên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu là: ”Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356”. 2. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độcông nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt được yêu cầu tổchức tếvi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏmịn và cơtính được cải thiện. - Làm cơsởtriển khai áp dụng công nghệbán lỏng cho hợp kim A356 trong công nghiệp ô tô, xe máy và công nghiệp quốc phòng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đểnghiên cứu và làm cơsởcho việc áp dụng công nghệbán lỏng, NCS lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356 - Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với phương pháp đúc lưu biến. 13 4. Nội dung nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc hợp kim ởtrạng thái bán lỏng. - Cơsởlý luận. - Thực nghiệm khoa học và kết quả- Kết luận. 5. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có vềcông nghệbán lỏng. - Thống kê, nghiên cứu cơsởlý thuyết, thực nghiệm trên đối tượng. - Nghiên cứu, phân tích kết quảthực nghiệm, các kết quảcủa các tác giả đi trước đểáp dụng cho nghiên cứu. - Tổng hợp các kết quảxửlý, phân tích kết hợp các tài liệu thu thập đểxác định bộsốliệu, các thông sốcông nghệnhằm tối ưu hoá quá trình. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa họcKết quảnghiên cứu của luận án là một trong những công bốtương đối hoàn thiện và mới nhất ởnước ta. Việc nghiên cứu thành công công nghệmới này sẽgóp phần: - Trước hết là xây dựng cơsởlý thuyết cho công nghệbán lỏng ơnước ta. - Xây dựng được các thông sốcông nghệ của phương pháp - khoảng nhiệt độ thích hợp đểchếtạo hợp kim bán lỏng, thời gian đểtạo hợp kim bán lỏng, ảnh hưởng của các yếu tố
2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực. NGUYỄN NGỌC TIẾN 3 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 6 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 11 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 14 1.1. Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh cây) 14 1.2. Cơ sở lý thuyết về lưu biến 18 1.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến 20 1.4. Một số nghiên cứu trên thế giới 22 1.4.1. Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng 22 1.4.2. Khuấy hoặc rung bằng hệ thống cơ âm 24 1.4.3. Khuấy điện từ 26 1.4.4. Đúc gần nhiệt độ đường lỏng 28 1.5. Lựa chọn công nghệ nghiên cứu 30 1.5.1. Khuấy điện từ 31 1.5.1.1. Tác dụng của khuấy điện từ đối với kim loại lỏng đang đông đặc 31 1.5.1.2. Các cơ sở điện động lực học của quá trình khuấy 31 1.5.2. Khuấy bằng trục graphit 33 CHƯƠNG 2. KHÁI QUÁT VỀ HỢP KIM NHÔM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.1. Đối tượng nghiên cứu 35 2.1.1. Khái quát về nhôm và hợp kim nhôm 35 2.1.2. Hợp kim A356 37 2.2. Kỹ thuật thực nghiệm 39 2.2.1. Nấu luyện và xử lý hợp kim 39 2.2.2. Hệ thống đo ghi nhiệt độ kỹ thuật số 40 2.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA 41 2.2.4. Mô phỏng số 41 2.3. Các phương pháp phân tích đánh giá 42 2.3.1. Hiển vi quang học nghiên cứu tổ chức 42 2.3.2. Phân tích Rơnghen 43 2.3.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ EDS 43 2.3.4. Đánh giá cơ tính 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ HỢP KIM NHÔM A356 45 3.1. Khoảng nhiệt độ đông đặc của hợp kim A356 45 3.2. Đường cong nguội và tốc độ nguội 46 3.3. Tỷ phần pha rắn và tốc độ đông đặc 52 3.3.1. Định nghĩa 52 3.3.2. Xác định tỷ phần pha rắn 53 3.4. Thành phần, sự tiết pha và sự hình thành tổ chức của Silumin đơn giản 57 3.4.1. Sự hình thành tổ chức của hợp kim A356 57 3.4.2. Các pha liên kim và sự hình thành tổ chức ở nhiệt độ cao 59 3.4.3. Kết quả phân tích tia X 62 3.4.4. Kết quả phân tích EDS 63 3.5. Mô phỏng số 64 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BÁN LỎNG 67 4.1. Phương pháp khuấy điện từ 67 4.1.1. Khuấy bán lỏng sau đó để nguội cùng cốc khuấy 67 4.1.2. Khuấy bán lỏng sau đó rót vào khuôn 69 4 4.2. Phương pháp khuấy bằng trục graphite 75 4.2.1. Ảnh hưởng của tốc độ quay của trục khuấy 75 4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy 79 4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn 81 4.3. Đánh giá cơ tính 81 4.3.1. Khuấy điện từ 81 4.3.2. Khuấy bằng trục graphit 83 4.4. Kết luận 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95 PHỤ LỤC 96 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần hợp kim A 356 38 Bảng 3.1. Các phản ứng xảy ra trong quá trình đông đặc 58 Bảng 3.2 Những pha được tìm thấy qua kính hiển vi điện tử/SEM/EDX 59 Bảng 3.3 Trình tự tiết pha trong hợp kim nhôm – si lic trước cùng tinh 60 Bảng 3.4 Thành phần nguyên tố hợp kim trong mẫu hóa già 64 Bảng 3.5 Sai số giữa kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế 65 Bảng 4.1 Chương trình thực nghiệm bước 1 67 Bảng 4.2 Chương trình thực nghiệm bước 2 69 Bảng 4.3 Chương trình thực nghiệm xét ảnh hưởng của tốc độ khuấy 76 Bảng 4.4 Chương trình thực nghiệm xét ảnh hưởng của thời gian khuấy và nhiệt độ khuôn 80 Bảng 4.5 Độ bền kéo của mẫu khi chưa nhiệt luyện (nhiệt độ khuôn 250 0 C) 81 Bảng 4.6 Kết quả thử độ bền nén và độ cứng 82 Bảng 4.7 Độ bền kéo của mẫu khuấy trục graphit 83 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Máy đúc lưu biến [7] 15 Hình 1.2 Thiết bị khuấy điện từ [1] 15 Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phương pháp NRC. Lớp ô xít hình thành trên bề mặt được đẩy vào rãnh rửa và quay trở lại lò nấu [4] 15 Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị “rheomolding” dùng vít xoáy [8] 16 Hình 1. 5 Quá trình đúc xúc biến [9] 16 Hình 1.6 Máy ép xúc biến[10] 17 Hình 1. 7 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các phương pháp công nghệ bán lỏng khác nhau 17 a) Đúc xúc biến b) Đúc lưu biến 17 Hình 1.8 Quan hệ giữa tốc độ cắt, tỷ phần pha rắn và độ nhớt biểu kiến [37] 18 Hình 1.9 Quan hệ ứng suất cắt-tốc độ cắt và độ nhớt-tốc độ cắt đối với một số dạng hành vi lưu biến [1] 19 Hình 1.10 Ứng suất cắt sau những quãng nghỉ khác nhau (tr) đối với hợp kim Sn-15% Pb. a) Quan hệ giữa ứng suất cắt và góc biến dạng ; b) Quan hệ giữa ứng suất chảy và thời gian nghỉ. Nhiệt độ 195 0 C, tỷ phần pha rắn 0,5, tốc độ nguội 10 0 C / phút [1] 19 Hình 1.11 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-015% Pb của các tác giả khác 20 Hình 1.12 Sự thay đổi của tốc độ cắt và ứng suất cắt sau thời gian nghỉ [11] 21 Hình 1.13 Các đường cong chảy của thể huyền phù dạng cụm bông [1] 21 Hình 1.14 Minh hoạ về quá trình phát triển cấu trúc trong quá trình đông đặc có khuấy mạnh: a) mảnh vỡ nhánh cây ban đầu; b) nhánh cây phát triển; c) hoa hồng; d) hoa hồng dầy; e) hạt cầu [7] 22 Hình 1.15 Mô hình mô tả các quá trình nhanh và chậm trong cấu trúc vật liệu bán lỏng khi tốc độ cắt tăng và giảm [12] 23 Hình 1.16 Tốc độ cắt nhảy từ 0 đến 100 s-1 sau các quãng thời gian nghỉ khác nhau đối với hợp kim Sn-15%Pb với tỷ phần pha rắn là 0,36 [12] 24 Hình 1.17 Sơ đồ hệ thống rung cơ học tới mẻ kim loại[1] 25 Hình 1.18 Sơ đồ thiết bị thổi khí [14] 25 Hình 1.19 Tổ chức tế vi nhận đuợc [14] 25 Hình 1.20 Tác dụng của độ lớn áp lực [15] 27 Hình 1.21. Tổ trúc tế vi của hợp kim nhôm A356. (a),(b) đúc thường với tốc độ nguội (a) 50 o C/phút và (b) 0,5 o C/phút; từ (c) đến (f) có dao động điện từ: (c) P=0,3bar; (d) và (e) P=0,52bar (độ phóng đại khác nhau; (f) P=0,35bar trong 10 phút sau đó P=1,16bar trong 15s [15] 27 Hình 1.22 Nhiệt độ kim loại sau khi rót như hàm của độ quá nhiệt, nhiệt độ và bề mặt khuôn 28 Hình 1.23 Phương pháp nhiệt trực tiếp a) sử dụng máng nghiêng; b) quá nhiệt thấp [16] . 29 Hình 1.24 Khuôn ống thành mỏng [5] 29 Hình 1.25 Tổ chức tế vi [17] 29 Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống thiết bị trong phương pháp Hong-nanocasting [18] 29 Hình 1.27 So sánh cơ tính đạt được bằng các phương pháp đúc khác nhau 30 Hình 1.28 Sơ đồ minh hoạ của quá trình làm nhỏ mịn hạt tinh thể 31 Hình 1.29 Tương tác giữa từ trường chuyển động và một dây dẫn điện [19] 32 Hình 1.30 Tác động lực giữa dây dẫn có dòng điện chạy qua và nam châm. 32 Hình 1.31 Nam châm vĩnh cửu được cho di chuyển dọc theo một thỏi đúc để khuấy 32 Hình 1.32 Nguyên lý tạo dao động điện từ cưỡng bức tới kim loại đang đông đặc [15] 33 Hình 1.33 Sơ đồ nguyên lý: (a) nhìn từ trên, (b) nhìn từ trước [15] 33 7 Hình 1.34 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MIT mới [16] 34 Hình 1.35 Tạo mầm đồng thể và dị thể 34 Hình 1.36 Hàm f(θ) với những góc thấm ướt đặc trưng [21] 34 Hình 2.1 Các họ hợp kim nhôm [23] 36 Hình 2.2 Giản đồ pha Al – Si và các dạng tổ chức 36 Hình 2.3 Ảnh hưởng của % Si tới cơ tính của Silumin (độ bền kéo Rm, độ dẻo A5) [23] 37 Hình 2.4 Pha liên kim β (Al 5 Fe Si) có dạng hình tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính 38 Hình 2.5 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6 o C/s [25] 38 Hình 2.6 Tổ chức của mẫu hợp kim A356 được làm nguội với tốc độ 0.6 o C/s (quan sát vùng cùng tinh) [25] 38 Hình 2.7 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2 o C/s [25] 39 Hình 2.8 Lò nấu điện trở 39 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống khử khí 39 Hình 2.10 Lò sấy khuôn 40 Hình 2.11 Khuôn kim loại đúc mẫu thử cơ tính 40 Hình 2.12 Hình ảnh thiết bị tạo mầm sử dụng trong nghiên cứu 40 Hình 2.13 Hình ảnh máy khuấy từ 40 Hình 2.14 Cốc khuấy inôc 40 Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống ghi đo nhiệt độ 41 Hình 2.16 Hệ thống ghi đo nhiệt độ kỹ thuật số 41 Hình 2.17 Nguyên lí của DTA 41 Hình 2.18 Đường cong DTA 41 Hình 2.19 Máy phân tích DTA 42 Hình 2.20 Sơ đồ quá trình mô phỏng số 42 Hình 2.21 Hiển vi quang học LeicaDM4000M 43 Hình 2.22 Kích thước mẫu thử cơ tính 43 Hình 2.23 Sơ đồ quy trình gia công mẫu thử cơ tính và chụp ảnh tổ chức. 44 Hình 2.24 Mẫu đo độ cứng 44 Hình 2.25 Một số mẫu thử cơ tính sau khi gia công 44 Hình 2.26 Thiết bị đo độ bền kéo, nén MTS 809 44 Hình 3.1 Giản đồ pha của hệ hợp kim A356 45 Hình 3.2 Đường cong phân tích nhiệt của hợp kim A356 46 Hình 3.3 Đường nguội (giai đoạn đầu) và đạo hàm bậc 1của nó theo thời gian (tốc độ nguội) đo được ở vùng thành khuôn 47 Hình 3.4 Bản vẽ khuôn hai lớp φ90 (khuôn loại 1) 47 Hình 3.5. Đường nguội của hợp kim 48 Hình 3.6. Tốc độ nguội của mẫu có đường kính khác nhau trong cùng một loại khuôn 48 Hình 3.7 Thiết bị dập áp lực tự tạo 49 Hình 3.8 Hình ảnh bộ khuôn dập và sơ đồ bố trí cặp nhiệt 49 Hình 3.9 Đường nguội của vật đúc trong các loại khuôn khác nhau, khuôn loại 2 49 Hình 3.10 Khe hở khí giữa lớp vỏ kim loại và thành khuôn 50 Hình 3.11 Khe hở khí không hình thành trong trường hợp có áp lực 50 Hình 3.12 Tốc độ nguội trong các điều kiện đông đặc khác nhau 50 Hình 3.13 Tốc độ nguội trung bình của hợp kim trong các điều kiện đông đặc khác nhau 51 Hình 3.14 Kết quả đo nhiệt độ trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 51 Hình 3.15 Tốc độ nguội trong trường hợp nguội tự nhiên, khuôn loại 1 52 Hình 3.16 Đường nguội của kim loại khi có khuấy và không khuấy từ 53 Hình 3.17 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc cân bằng 54 8 Hình 3.18 Giản đồ pha trong trường hợp đông đặc không cân bằng 54 Hình 3.19 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 theo nhiệt độ trong trường hợp đông đặc cân bằng 54 Hình 3.20 Khoảng nhiệt độ khuấy bán lỏng đối với hợp kim A356 55 Hình 3.21 Sơ đồ quá trình đo và ghi nhiệt độ tự động 55 Hình 3.22 Đường nguội của hợp kim A356 trong trường hợp nguội gió 56 Hình 3.23 Tỷ phần pha rắn của hợp kim A356 trong trường hợp nguội tự nhiên có khuấy 56 Hình 3.24 Hình ảnh Si thứ nhất 57 Hình 3.25 [26] Phân tích nhiệt đối với hợp kim A356, với tốc độ nguội 0,6 0 C/s. (Vùng xám cho thấy thời gian xảy ra các phản ứng trong bảng trên) 58 Hình 3.26 Giản đồ pha silumin phức tạp 59 Hình 3.27 Pha Al 5 FeSi 60 Hình 3.28 Pha Al 15 (Mn, Fe) 3 Si 2 60 Hình 3.29 Sự chuyển biến pha liên kim 61 Hình 3.30 Ảnh tổ chức của hợp kim nhôm 356 ở nhiệt độ cao khi nung.Tốc độ nung 10 0 C/phút. a) nhiệt độ thường; b) 300 0 C; c) 450 0 C; d) 560 0 C, biên giới hạt bắt đầu chảy 62 Hình 3.31 Kết quả phân tích X-ray của mẫu đúc 62 Hình 3.32 Hình ảnh phân tích pha ở trạng thái đúc và trạng thái ủ 63 Hình 3.33 Các phổ EDS tại các vị trí khác nhau trong hạt khi hóa già 63 Hình 3.34 Đồ thị so sánh đường nguội tự nhiên, khuấy điện từ ở 590 0 C 64 Hình 3.35 Đồ thị so sánh đường tốc độ nguội tự nhiên, khuấy ở 590 0 C 65 Hình 4.1 Thiết bị khuấy từ bước1 67 Hình 4.2 Nhiệt độ rót 600 0 C, các mức từ trường tăng theo trình tự tăng dần từ 2 đến 5 68 Hình 4.3 Nhiệt độ rót 630 0 C, các mức từ trường tăng theo trình tự tăng dần từ 2 đến 5 68 Hình 4.4 Ảnh tổ chức mẫu ở mức cường độ từ trường 4 69 Hình 4.5 Ảnh tổ chức mẫu ở mức cường độ từ trường 5 69 Hình 4.6 Tổ chức của mẫu số 23: AL605-4. Khuấy và rót ở 605 0 C, tỷ phần pha rắn 25%, dập với áp suất 5 atm), tốc độ nguội trung bình ~ 16 0 /s, cỡ hạt trung bình 40 71 Hình 4.7 Tổ chức của mẫu số 29: AL595-4. Khuấy và rót ở 595 0 C, tỷ phần pha rắn 35%, dập với áp suất 5 atm), tốc độ nguội trung bình ~ 16 0 /s, cỡ hạt trung bình 20 μm, tương đối đều và mịn. 71 Hình 4.8 Tổ chức của mẫu số 34: AL585-4. Khuấy và rót ở 5850 C, tỷ phần pha rắn 47%, dập với áp suất 5atm, nhiệt độ khuôn 300 C, tốc độ nguội trung bình ~ 160 C/s, cỡ hạt không đều, xuất hiện vùng hạt thô 71 Hình 4.9 Tổ chức của mẫu số 67: M585-8 (khuấy và rót ở 585 0 C, đúc trong khuôn dày 5mm, nhiệt độ khuôn 30 0 C, tốc độ nguội trung bình ~ 11 0 C/s, cỡ hạt không đều 72 Hình 4.10 Kết quả tương tự của tác giả Charles Vives [15] 72 Hình 4.11 Tổ chức tế vị của mẫu số 62: M595-5, đúc trong khuôn dày 5mm, nhiệt độ khuôn 1500 C, tốc độ nguội trung bình 11ºC/s, cỡ hạt trung bình 15μm. (x100) 72 Hình 4.12 Tổ chức tế vi của mẫu số 46: D595-5, đúc trong khuôn dày 10mm, nhiệt độ khuôn 1500 C, tốc độ nguội trung bình ~14 ºC/s, cỡ hạt trung bình ~ 14 μm. (x100) 72 Hình 4.13 Tổ chức tế vi của mẫu số 30: AL595-5, có tác dụng của áp lực, nhiệt độ khuôn 1500 C tốc độ nguội trung bình ~16 ºC/s, cỡ hạt trung bình 12μm. (x100) 72 Hình 4.14 Tổ chức của mẫu số 68: DT610-1 (khuấy ở 610 0 C, thời gian khuấy là 30s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 20-25μm, (x200) 73 Hình 4.15 Tổ chức của mẫu số 69: DT610-2 (khuấy ở 610 0 C, thời gian khuấy là 50s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 25μm, (x200) 73 Hình 4.16 Tổ chức của mẫu số 74: DT590-1 (khuấy ở 590 0 C, thời gian khuấy là 30s). 73 Hình 4.17 Tổ chức của mẫu số 75: DT590-2 (khuấy ở 590 0 C, thời gian khuấy là 50s). 73 9 Hình 4.18 Tổ chức của mẫu số 72: DT600-1 (khuấy ở 600 0 C, thời gian khuấy là 40s). (x200). 73 Hình 4.19 Tổ chức của mẫu số 70: DT610-7 (khuấy ở 610 0 C, thời gian khuấy là 30s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, nhưng không đều, cỡ hạt trung bình 25 - 30μm, (x200). 74 Hình 4.20 Tổ chức của mẫu số 76: DT590-7 (khuấy ở 590 0 C, thời gian khuấy là 30s). Ta thấy hình dạng các hạt co su hướng cầu tròn, nhưng không đều và không được nhỏ mịn lắm, cỡ hạt trung bình 30μm, (x200) 74 Hình 4.21 Tổ chức của mẫu số 69: DT610-2 (khuấy ở 610 0 C, thời gian khuấy 50s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn đều, cỡ hạt trung bình 25μm, (x200) 74 Hình 4.22 Tổ chức của mẫu số 79: DTAL-2 (Áp lựp dập 6atm, thời gian khuấy 50s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, cỡ hạt trung bình 20-25μm, xuất hiện những hạt rất nhỏ khoảng 5 – 10 μm (x200). 74 Hình 4.23 Tổ chức của mẫu số 70: DT610-7 (khuấy ở 610 0 C, thời gian khuấy 30s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, nhưng không đều, cỡ hạt trung bình 25 - 30μm, (x200). 74 Hình 4.24 Tổ chức của mẫu số 84: DTAL-7 (Áp lựp dập 6atm, thời gian khuấy 30s). Ta thấy hình dạng các hạt tương đối tròn, tổ chức khá đều, cỡ hạt trung bình 30μm, cũng xuất hiện những hạt nhỏ tương tự như trên hình 4.21.x200 74 Hình 4.25 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 90: MIT-175-3, Vkh =175 v/ph.,Tk = 250 o C, Tkh = 620. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước khá nhỏ (~ 20-30 μm) 76 Hình 4.26 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 88: MIT-175-1,Vkh =175 v/ph., Tk = 250 °C, Tkh = 625 °C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ mịn (~ 20 μm) 76 Hình 4.27 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 91: MIT-175-4, Vkh =175 v/ph., Tk = 50 o C, Tkh = 620 °C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, song kích thước không đều, có những hạt thô (~ 50-60 μm). 77 Hình 4.28 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 91: MIT-175-4, Vkh =175 v/ph., Tk = 50 °C, Tkh = 625 °C. Tổ chức dạng hạt cầu, đều trục, kích thước nhỏ (~ 20-30 μm), lẫn một số hạt thô (~ 40-50 μm) 77 Hình 4.29 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 95 77 Hình 4.30 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 93 77 Hình 4.31 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 94: MIT-200-3, Vkh = 200 v/ph., Tk = 250°C, Tkh = 610°C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm 78 Hình 4.32 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 92: MIT-200-1, Vkh = 200 v/ph., Tk = 250°C, Tkh = 615°C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm, tròn đều 78 Hình 4.33 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 99: MIT-225-4, Vkh = 225 v/ph., Tk= 50 °C, Tkh = 620 °C. Kích thước hạt trung bình 30 μm, tròn đều, xuất hiện khá nhiều hạt nhỏ cỡ 10 μm 78 Hình 4.34 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 97: MIT-225-2, Vkh = 225 v/ph., Tk= 50 °C, Tkh = 625 °C. Kích thước hạt trung bình 30 μm, tròn đều, xuất hiện khá nhiều hạt nhỏ cỡ 10 μm 78 Hình 4.35 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 98 : MIT-225-3, Vkh = 225 v/ph., Tk= 250 °C, Th = 620 °C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm, tròn đều, quan sát thấy rỗ (mũi tên) 78 Hình 4.36 Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 96: MIT-225-1, Vkk = 225 v/ph., Tk= 250 °C, Tkh = 625 °C. Hình thái phi nhánh cây, kích thước hạt trung bình 30-40 μm, tròn đều 78 Hình 4.37 Sự phá vỡ lớp màng ô xýt và sự thâm nhập khí vào kim loại lỏng 79 khi khuấy bằng trục graphit 79 10 Hình 4.38. Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 100: MIT-250-1, Vkk = 250 v/ph., Tk= 250 °C, Td = 620 °C 79 Hình 4.39. Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 101: MIT-250-2, Vkh = 250 v/ph., Tk= 250 °C, Td = 615 °C 79 Hình 4.40. Ảnh tổ chức (x200) mẫu số 102: MIT-250-3, Vkh = 250 v/ph., Tk= 250 °C, Td = 610 °C. Có thể quan sát thấy các phần tử ô xýt nằm lẫn cùng tinh (mũi tên) 79 Hình 4.41 Mẫu số 103: MIT-200-5s Tkhuôn: 150 0 C 80 Hình 4.42 Mẫu số 108: MIT-200-10s Tkhuôn: 150 0 C 80 Hình 4.43 Mẫu số 112: MIT-200-15d 80 Hình 4.44 Mẫu số 120: MIT-200-20d 80 Hình 4.45. Mẫu số 111: MIT-200-15c 81 Hình 4.46 Mẫu số 113: MIT-200-15e 81 Hình 4.47 Mẫu số 116: MIT-200-15h 81 Hình 4.48 So sánh độ bền kéo của các mẫu chưa nhiệt luyện 82 Hình 4.49 Đường cong thử kéo của mẫu số 89 84 Hình 4.50 Đường cong ứng suất biến dạng 84 Hình 4.51 Độ bền kéo của các mẫu khuấy 84 trục graphite 84 Hình 4.52 Độ cứng của các mẫu khuấy trục graphite. 84 Hình 4.53 So sánh độ bền kéo của các mẫu khuấy điện từ và khuấy trục graphite 85 Hình 4.54 So sánh tổ chức tế vi của các mẫu khuấy điện từ và khuấy trục graphite 86 Hình 4.55 Ảnh chụp SEM và kết quả phân tích EDX đối với mẫu MIT-200-10ª (N105) 87 Hình 4.56 Kết quả chụp kim tương mầu (oxy mầu xanh) 88 Hình 4.57 Cửa sổ công nghệ của quá trình 88 Hình 4.58 So sánh với kết quả đạt được của tác giả nước ngoài 89 Hình 4.59 Liền mạng nhánh cây 89 Hình 4.60 Khoảng nhiệt độ xử lý bán lỏng 90 11 KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MHD Khuấy thủy động từ SIMA Kích hoạt pha lỏng dưới ứng suất RAP Kết tinh lại và nấu chảy một phần NRC Đúc lưu biến mới SSTT Chuyển biến nhiệt bán lỏng τ ứng suất cắt γ • Tốc độ cắt k Hệ số liên quan đến độ nhớt τ γ ứng suất chảy tĩnh N Tham số η Độ nhớt N Tần số i,j Mật độ dòng điện a, h, L Lần lượt là chiều rộng, chiều cao, dài B Độ cảm ứng F Lực điện từ e Sự dịch chuyển θ Góc thấm ướt ΔT Độ giảm nhiệt độ α Dung dịch rắn hoà tan ít Si β Pha liên kim (Al 5 FeSi) [...]... sở trên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu là: ” Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356 2 Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim nhôm A356 đạt được yêu cầu tổ chức tế vi hợp kim có dạng phi nhánh cây, kích thước nhỏ mịn và cơ tính được cải thiện - Làm cơ sở triển khai áp dụng công nghệ bán lỏng cho hợp kim A356 trong công nghiệp... công nghiệp quốc phòng 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: để nghiên cứu và làm cơ sở cho việc áp dụng công nghệ bán lỏng, NCS lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356 - Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với phương pháp đúc lưu biến 12 4 Nội dung nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc hợp kim ở trạng thái bán. .. bằng hợp kim nhôm khác 7 Những điểm mới của luận án Bên cạnh kết quả nghiên cứu tổng quát là cửa sổ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng cho hợp kim A356, quá trình nghiên cứu còn có thêm một số phát hiện đặc biệt: - Trong quá trình tạo hợp kim bán lỏng bằng phương pháp khuấy điện từ, nhiệt độ của hợp kim lỏng có sự thay đổi không đáng kể - Dưới tác động của quá trình khuấy và thành phần hợp kim nghiên cứu, ... Hình 1.36 Hàm f(θ) với những góc thấm ướt đặc trưng [21] 34 CHƯƠNG 2 KHÁI QUÁT VỀ HỢP KIM NHÔM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hợp kim nhôm A356, thuộc họ silumin Trong nghiên cứu của luận án, sử dụng hệ ký hiệu hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (Aluminium Association viết tắt là AA[23]) Việc lựa chọn đối tượng nghiên cứu là hợp kim A356 dựa trên một... nghệ mới với kỹ thuật đúc phức tạp như mẫu cháy, mẫu chảy, đúc bán lỏng, kết hợp xử lý nhiệt Trong đó công nghệ đúc bán lỏng là phương pháp đang được quan tâm hiện nay và đây cũng là nội dung nghiên cứu của luận án - Hợp kim nhôm đúc A356 nói riêng là một trong những họ hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất vì với sự có mặt của hàm lượng Si cao góp phần làm tăng lưu động tính của hợp kim Đồng thời phản ứng... vật đúc tăng nên hiện nay các nghiên cứu ứng dụng đều tập trung chủ yếu vào các quá trình đúc lưu biến Ưu điểm và nhược điểm Cũng như mọi công nghệ chế tạo khác, công nghệ bán lỏng cũng có một số ưu điểm và nhược điểm Hình 1 7 Minh hoạ có tính chất sơ đồ tiến trình nhiệt của các phương pháp công nghệ bán lỏng khác nhau a) Đúc xúc biến b) Đúc lưu biến Ưu điểm Các ưu điểm chính của công nghệ bán lỏng, ... tâm mặt, do vậy nhôm tương đối dẻo Ở trạng thái ủ nhôm kém bền (σb = 60 MPa) và chịu biến dạng nóng cũng như biến dạng nguội tốt Nhôm nguyên chất nóng chảy ở 660o C Đây là một thuận lợi cho quá trình nấu luyện hợp kim khi đúc Hợp kim nhôm được phân loại theo các nguyên tố hợp kim trong nó Hợp kim Al-Si-Mg (đối tượng nghiên cứu) thuộc họ hợp kim hóa bền bằng nhiệt luyện (hình 2.1) Hợp kim nhôm- silic còn... chảy với một độ nhớt tương đương độ nhớt của dầu máy nặng Hành vi này được gọi là xúc biến (hành vi thixotropic) và được ứng dụng trong công nghệ bán lỏng: hợp kim có thể được cắt và phết như một miếng bơ Gần 40 năm nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ bán lỏng và sự quan tâm ngày càng tăng trong lĩnh vực này được đánh dấu bởi các Hội nghị khoa học quốc tế Công nghệ bán lỏng đang cạnh tranh với các công. .. trạng thái bán lỏng - Cơ sở lý luận - Thực nghiệm khoa học và kết quả - Kết luận 5 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, tổng hợp các tài liệu đã có về công nghệ bán lỏng - Thống kê, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thực nghiệm trên đối tượng - Nghiên cứu, phân tích kết quả thực nghiệm, các kết quả của các tác giả đi trước để áp dụng cho nghiên cứu - Tổng hợp các kết quả xử lý, phân tích kết hợp các tài liệu thu... tính, công nghệ chế tạo và phạm vi sử dụng của hợp kim A356 cụ thể gồm: - Hợp kim có lưu động tính cao đi kèm với độ bền cao hoặc một số hợp kim có độ dẻo dai cao - Khoảng nhiệt độ đông đặc khá rộng - Độ bền kéo lớn - Công nghệ chế tạo hợp kim có thể được thực hiện bằng các phương pháp truyền thống tương đối đơn giản như khuôn cát hoặc đúc áp lực Hiện nay trên thế giới đã ứng dụng những công nghệ mới với . sở trên, nghiên cứu sinh (NCS) đã chọn hướng nghiên cứu là: ” Nghiên cứu công nghệ đúc bán lỏng với hợp kim nhôm A356 . 2. Mục đích nghiên cứu - Xác định chế độ công nghệ đúc bán lỏng áp dụng. Chương 2: Khái quát về hợp kim nhôm và phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Kết quả nghiên cứu cơ bản về hợp kim nhôm A356. Chương 4: Kết quả nghiên cứu công nghệ bán lỏng. 14 CHƯƠNG. nghiên cứu là hợp kim nhôm A356 - Phạm vi nghiên cứu: thực nghiệm nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm với phương pháp đúc lưu biến. 13 4. Nội dung nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu