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

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

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 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

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

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

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 4.59 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

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 nghệ khác trong công nghiệp quốc
phòng, hàng không vũ trụ và phần lớn các chi tiết máy trong công nghiệp ô tô, xe máy. Ở
châu Âu, các hệ thống giảm xóc, các loại rầm chia động cơ, và thanh ngang trong hệ thống
cấp dầu của bộ nổ đang được chế tạo bằng công nghệ này. Ở Mỹ, thí dụ, là các chi tiết máy
cho xe leo núi và xe trượt tuyết, còn ở châu Á sự tập trung được đặt vào việc sản xuất các
chi tiết trong công nghiệp điện tử như vỏ máy tính xách tay và các hộp điện, nhất là bằng
hợp kim magiê bằng con đường đúc xúc biến (thixomolding).
Hiện nay, nhu cầu sử dụng các loại hợp kim và đặc biệt là các sản phẩm từ hợp kim có
đặc tính kỹ thuật cao của các lĩnh vực công nghiệp trong nước là rất lớn. Trong đó có các
loại vật liệu đặc chủng phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô…Vì vậy, việc
nghiên cứu thành công công nghệ đúc bán lỏng sẽ tạo ra bước đột phá trong việc nâng cao
chất lượng các sản phẩm hợp kim, làm cơ sở cho việc phát triển các ngành công nghiệp
này và hình thành một hướng phát triển mới trong việc chế tạo, sản xuất các chi tiết cho
các ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp quốc phòng, công nghiệp ôtô - xe máy và các
sản phẩm cơ khí có đặc tính tiên tiến khác.
Xuất phát từ những cơ 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 ô tô, xe máy và 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

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, kết quả nghiên
cứu cho thấy hình thành pha hoá bền trong h
ợp kim sau khi đúc. Điều này trong đúc áp lực
thông thường không thực hiện được.
- Sự tạo rỗng trong quá trình khuấy điện từ làm giảm đáng kể kích thước pha liên kim ít
ảnh hưởng xấu đến cơ tính của hợp kim.
- Phát hiện có sự tồn tại của Si I trước cùng tinh.
8. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổ
ng quan
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 I. TỔNG QUAN

1.1. Các biện pháp nhằm đạt tổ chức dạng hạt cầu (phi nhánh
cây)
Có nhiều cách đạt được tổ chức phi nhánh cây. Sau đây là các phương pháp chính:
1) Khuấy thuỷ động từ (magnetohydrodynamic stiring - MHD): đó là việc khuấy bằng
trường điện từ (và như vậy không làm nhiễm bẩn, không cuốn khí và cánh khuấy không bị

nhiệt độ đông đặc. Trục khuấy cũng có tác dụng làm nguội khi được đưa vào kim loại lỏng
có nhiệt độ cao hơn liquidus đôi chút. Sau khi khuấ
y nhiệt độ kim loại lỏng hạ xuống mức
ứng với tỷ phần pha rắn khoảng mười phần trăm và trục khuấy được rút ra. Đây cũng là
quá trình được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án và sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau.
6) Làm nhỏ mịn hạt bằng cách biến tính: hợp kim có thể có tổ chức hình cầu, song khó
có thể đảm bảo là cấu trúc có dạng cầu đều đặn và nhỏ mịn và thể tích phần pha lỏng bị
bẫy trong các hạt cầu nhìn chung tương đối cao.
7) Chuyển biến nhiệt bán lỏng (semi-solid thermal transformation - SSTT): Cấu trúc hạt
cầu có thể đạt được bằng cách nung nóng tổ chức nhánh cây tới nhiệt độ bán lỏng trong
một khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên kích thước hơi thô (~ 100 μm).
Trong các phương pháp trên thì các phương pháp 1, 3, 4, 5, 7 thuộc về dạng công nghệ
bán lỏng.
Các dạng công nghệ bán lỏng
Có 2 họ công nghệ chính là lưu biến (rheo-) và xúc biến (thixo-).
15

Đúc lưu biến (Rheocasting) là một quá trình mà ở đó hợp kim được nguội tới trạng thái
bán lỏng sau đó được ép thẳng vào khuôn không qua các bước đông đặc trung gian. Máy
đúc lưu biến điển hình được trình bày trên hình 1.1[7]. Tổ chức phi nhánh cây có thể đạt
được bằng một loạt các biện pháp, ví dụ khuấy điện từ trong xi lanh ép như trong quá trình
đúc bán lỏng kim loại của hãng Hitachi (hình 1.2[1]) hoặc khuấy cơ học, thúc đẩy quá trình
tạo mầm như trong phương pháp new rheocasting NRC của hãng UBE (hình 1.3[4]). Hình 1.1 Máy đúc lưu biến [7] Hình 1.2 Thiết bị khuấy điện từ [1]


Đúc
Sản
phẩm
Đảo
ngược
Phụ phẩm và ba via
16

Làm khuôn lưu biến
(Rheomoulding) là một
phương pháp ép kim loại
vào khuôn, đồng hành với
việc khuấy bằng vít xoáy
đơn hoặc vít xoáy kép
(hình 1.4[8]). Kim loại
lỏng được đưa vào một
tang trống, được làm
nguội đồng thời với việc
khuấy bởi vít xoáy. Vật
liệu bán lỏng sau đó được
ép vào khuôn. Phương
pháp này phù hợp với việc chế tạo liên tục một số lượng lớn chi tiết và không đòi hỏi phôi
đặc biệt.
Xúc biến (thixo-) thường liên quan tới một quá trình mà ở đó xuất hiện giai đoạn trung
gian.
Đúc xuc biến (thixomolding) là một phương pháp của hãng “Thoxomat” được cấp bản
quyền. Nó được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là ở Nhật và Mĩ để chế tạo các chi tiết bằng
Mg, ví dụ cho máy tính xách tay, máy camera. Cũng như trong trường hợp làm khuôn lưu
biến, bản chất của nó là ép kim loại bán lỏng (nhưng ở dạng thỏi) vào khuôn: thỏi hợp kim
Mg được đưa vào một tang tróng bên trong có vít quay liên tục (hình 1.5[9]) và năng lượng

thích hợp được nung tới
trạng thái bán lỏng và
được đặt giữa hai nửa
khuôn . Hai nửa khuôn
sau đó được ép vào
nhau bởi một búa thuỷ
động. Sự điền đầy
khuôn trực tiếp như vậy
sẽ cho phép tiết kiệm
nguyên liệu do không
cần có hệ thống rót.
Sự khác nhau giữa
đúc lưu biến và đúc xúc biến được minh hoạ trên hình 1.7. Có thể thấy quá trình đúc xúc
biến phức tạp hơn do có khâu nung trung gian, bởi vậy tốn thời gian, năng lượng, làm cho
giá thành 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, so với đúc áp lực, như sau:
1) Hiệu quả về năng lượng. Kim loại không cần phải được đưa tới trạng thái lỏng
trong một thời gian dài.
2) Năng suất lao động cũng tương tự như đúc áp lực, thậm chí cao hơn.
3) Điền đầy khuôn êm, không cuốn khí và rỗ co nhỏ làm cho các vật đúc được xít chặt

ng pháp tạo hình xúc biến và NRC, phục vụ
cho công nghiệp ô tô, xe máy. Đúc xúc biến được ứng dụng ở Nhật, để chế tạo các chi tiết
nhẹ bằng hợp kim magiê như điện thoại di động, máy tính xách tay, camera. Một số
phương án công nghệ đang xuất hiện (ví dụ quá trình MIT mới). Hiện nay mũi nhọn
nghiên cứu tập trung vào việc phát triển khả năng tạo ra các hợp kim có đặc tính cao và mô
hình hoá sự điền đầy khuôn đồng thời với việc tìm kiếm các số liệu thực nghiệm có thể
được sử dụng trong quá trình mô hình hoá.
1.2. Cơ sở lý thuyết về lưu biến
Trong chất lỏng Newton, ứng suất cắt
τ
, tỷ lệ với tốc độ cắt
γ
, và hệ số tỷ lệ là độ nhớt
η
. Vật liệu bán lỏng (vật liệu thixotropic) là chất lỏng phi Newton, tức là ứng suất cắt
không tỷ lệ với tốc độ cắt. Độ nhớt khi đó được gọi là độ nhớt biểu kiến và phụ thuộc vào
tốc độ cắt và tỷ phần pha rắn (hình 1.10a). Một số chất lỏng phi tuyến cũng bộc lộ tính đàn
19

nhớt, tức là chúng tích trữ một loại năng lượng cơ học gọi là năng lượng đàn hồi. Vật liệu
bán lỏng không tích trữ năng lượng đàn hồi và không bộc lộ tính đàn hồi khi ứng suất bị dỡ
bỏ.
Nếu chất lỏng bộc lộ ứng suất chảy và có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và
tốc độ cắt, nó được gọi là vật liệu Bingham (hình 1.9[1]). Khi đó:

γ
ττ
•
+= .k
y


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]
Mô hình Herchel-Bulkley
n
k
y
γ
ττ
•
+=
20

được sử dụng để mô tả các chất lỏng không có điểm chảy dẻo và thể hiện mối tương
quan về năng lượng giữa ứng suất cắt τ và tốc độ cắt
γ
•
. Nếu số mũ là 1 thì điều đó sẽ dẫn
đến biểu thức giành cho chất lỏng Newton với hằng số k bằng độ nhớt η. Ở hình 1.9, độ
nhớt giảm đi khi chịu cắt (shear thinning materials) sẽ có giá trị của n nhỏ hơn 1 và độ nhớt
tăng lên khi chịu cắt (shear thickening materials) sẽ có n lớn hơn 1. Vật liệu bán lỏng chủ
yếu là loại vật liệu độ nhớt giảm đi khi chịu cắt, độ nhớt tăng trở lại khi được giữ ở trạng
thái tĩnh. Người ta cho rằng khi tốc độ cắt rất cao và rất thấp thì chất lỏng thixotropic trở
thành chất lỏng Newton. Điều này được thể hiện ở mô hình Cross:


γ
•
→ 0, η → η
0
và khi
γ
•
→ ∞, η → η
∞
. Hình 1.11 [1] cho thấy các số
liệu thu được từ một số nghiên cứu cho hợp kim Sn-15%Pb với các tỷ phần pha rắn khác
nhau. Hình 1.11 Mô hình Cross phù hợp với độ nhớt biểu kiến của hợp kim Sn-015% Pb của
các tác giả khác

Độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ. Đối với chất lỏng Newton (ví dụ lưới chất lỏng
trong khối bột nhão bán lỏng), độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng
tới tổ chức tế vi
. Như vậy, trong khối bột nhão bán lỏng, tỷ phần pha rắn giảm khi nhiệt độ
tăng, hậu quả là ảnh hưởng tới độ nhớt (hình 1.11). Thêm vào đó, tổ chức tế vi sẽ trở nên
thô hơn do khuếch tán khi nhiệt độ tăng. Đối với vật liệu bán lỏng sau trạng thái nghỉ, sẽ
cần một bước nhẩy về tốc độ, ứng suất cắt sẽ
đạt được giá trị tối đa, sau đó giảm dần cho
tới khi đạt giá trị cân bằng ứng với tốc độ cắt (hình 1.12[11]). Tốc độ cắt càng cao sau mỗi
bước thì độ nhớt cân bằng càng thấp. Độ nhớt cực đại sẽ tăng khi thời gian nghỉ tăng.
1.3. Nguồn gốc của đặc tính xúc biến
Đâu là nguồn gốc của tính xúc biến? Tầm quan trọng của tổ chức dạng cầu hình thành
khi khuấy đã được đề cập tới ở trên. Hệ kim loại bán lỏng có nhiều điểm chung với thể vẩn

nhau (hoặc do quá trình cắt làm chúng
tiếp xúc với nhau, hoặc, ở trạng thái nghỉ,
do quá trình thiêu kết) và, nếu chúng định
hướng một cách thuận lợi, sẽ tạo ra các
biên. “Định hướng thuận lợi” có nghĩa là,
nếu các phần tử định hướng sao cho năng
lượng biên giới thấp, thì điều đ
ó sẽ thuận
lợi hơn về mặt năng lượng cho sự kết tụ
so với trường hợp hình thành các biên có
năng lượng cao
. Nếu một mạng 3D
được hình thành trong toàn bộ thể tích,
vật chất bán lỏng sẽ tự chịu được trọng
lượng của nó và có thể được xử lý như
vật rắn. Khi tốc độ cắt tăng, mối liên kết đó giữa các phần tử bị phá vỡ và kích thuớc trung
bình của các cụm giảm đi. Một khi mối liên kết lại hình thành, các phần tử đã kết tụ s
ẽ
được thiêu kết, với kích thước của chỗ thắt tăng lên theo thời gian
.
Độ nhớt ở trạng thái tĩnh phụ thuộc vào cân bằng giữa tốc độ hình thành cấu trúc và tốc
độ phá vỡ cấu trúc. Nó cũng phụ thuộc vào hình thái của phần tử. Hình dáng phần tử càng
gần với hình cầu thì độ nhớt ở trạng thái tĩnh càng thấp. Thêm vào đó, nếu chất lỏng bị bẫy
giữa các phần tử rắn, nó sẽ không đóng góp cho dòng chảy. Như vậy, mặc dù tỷ
phần pha
lỏng có thể đạt một giá trị nào đó, được quyết định bởi nhiệt độ (thực sự thì tỷ phần pha
lỏng được dự đoán bởi nhiệt động học không đạt được ngay tức thời khi bị nung nóng trở
Hình 1.13 Các đường cong chảy của thể huyền
phù dạng cụm bông [1]


nào. Lực Brownian phụ thuộc đáng kể
vào kích thước, và khi kích thước phần
tử nhỏ hơ
n 1μm nó có ảnh hưởng lớn.
Tuy nhiên, trong khối bột nhão kim
loại bán lỏng kích thước của các phần
tử riêng biệt ít nhất cũng khoảng 20
μm,
do đó lực Brownian không có vai trò lớn.
Một lực khác tác động đến các phần tử là
lực dẻo dính; nó tỷ lệ với sự khác nhau
cục bộ về lưu tốc giữa phần tử và chất
lỏng xung quanh. Rất nhiều hệ bột nhão cho thấy tính “thuận nghịch”, tức là khối bột nhão
có đặc tính nhớt ở trạng thái tĩnh ứng với tốc độ cắt cho trước và với t
ỷ phần pha rắn đã
định, không phụ thuộc vào quá trình cắt trước đó. Tuy nhiên, trong các khối bột nhão hợp
kim bán lỏng, sự hình thành hình dáng (và kích thước) của phần tử theo thời gian và quá
trình khuấy là không thuận nghịch (hình 1.14[7]). Độ nhớt đo được khi đó có khả năng phụ
thuộc vào quá trình cắt và xử lý nhiệt trước đó. Sự phụ thuộc đó làm cho việc mô hình hoá
trở nên khó khăn hơn
.
1.4. Một số nghiên cứu trên thế giới
1.4.1. Nghiên cứu về hành vi chuyển tiếp của hợp kim bán lỏng
Động lực học chất lỏng tính toán có thể được sử dụng để dự đoán quá trình điền đầy
khuôn. Trong quá trình tạo hình bán lỏng khối bột nhão trải qua một sự tăng đột ngột tốc
độ cắt từ trạng thái nghỉ tới 100 s
-1
hoặc hơn khi nó đi vào khuôn. Sự thay đổi đó xảy ra
trong khoảng ít hơn 1s. Như vậy, việc đo phản xạ lưu biến chuyển tiếp trong điều kiện tốc
độ cắt thay đổi nhanh là một điều tối cần thiết cho việc mô hình hoá quá trình điền đầy

. Quaak đã đưa ra hình 1.15 [12] như là cơ sở về sự hình thành tổ chức tế vi.
Ngay lập tức sau khi thay đổi tốc độ cắt, cấu trúc vẫn giữ nguyên hình thái (đẳng cấu
trúc). Tiếp theo là một quá trình rất nhanh sau đó là một quá trình chậm liên quan tới
khuếch tán, làm cho tổ chức bị thô ra và cầu hoá.
Nghiên cứu của Liu và các đồng sự đã thực hiện với tốc độ cắt nhanh nhất (~1 kHz).
Tốc độ này nhanh hơ
n rất nhiều so với các tác giả khác (200 Hz, 9 Hz) và cho phép bắt
được các quá trình rất nhanh. Kết quả đối với bước nhẩy tốc độ cắt từ 0 đến100s
-1
sau các
quãng thời gian nghỉ khác nhau được chỉ ra trên hình 1.16 [12]. Với thời gian nghỉ dài hơn,
đỉnh của ứng suất ghi được cũng tăng lên. Có thể thấy thời gian nghỉ trước bước nhẩy về
tốc độ cắt càng dài thì thời gian phá vỡ càng ngắn, như vậy sự tăng thời gian nghỉ sẽ làm
tăng kích thước của phần tử rắn và mức độ kết tụ. Các số liệu cho thấ
y trong quá trình thay
đổi tốc độ cắt, trong vòng khoảng 0,15s cấu trúc bán lỏng sẽ bị bẻ gãy từ trạng thái ban đầu
của nó. Bất kể tốc độ cắt ban đầu là như thế nào thì thời gian phá vỡ vẫn giảm theo sự tăng
của tốc độ cắt cuối cùng
.

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]
24 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]
Đường cong ứng suất cắt – tốc độ cắt có thể được làm cho hợp với mô hình dày lên do
cắt của Herschel-Bulkley với số mũ của dòng chảy
n = 2,07. Koke và Modigell cho rằng

khi áp dụng vào quá trình đông đặc kim loại và hợp kim sẽ làm thay đổi đáng kể cả cấu
trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô. Hiệu quả thường thấy nhất là sự kìm hãm vùng tinh thể dạng
cột không mong muốn và phát triển dạng hạt đều trục nhỏ mịn. Trong thực tế, hiệu quả đạt
đượ
c khi cho sóng âm thanh cường độ cao hoặc sóng siêu âm đi qua kim loại lỏng có thể
chia thành 3 nhóm chính: làm nhỏ mịn hạt, hiệu quả phân tán và khử khí nghĩa là giảm rỗ
khí. Ngoài ra, người ta cũng thấy những rung động nguồn gốc cơ học cũng tăng tính chảy
lỏng (3 lần) và kết quả là tạo điều kiện thuận lợi cho việc điền đầy khuôn của hợp kim
nhôm. Việc tạo sóng âm hoặc siêu âm đi qua kim lo
ại lỏng thường được tiến hành với thiết
bị chính là máy dao động từ hoặc máy biến áp (hình 1.17[1]). Một trục nối làm bằng
25

graphít, thạch anh hoặc các vật liệu gốm kim loại khác được dựng để truyền dao động tới
kim loại lỏng, và được gá với một máy biến thế bởi một chất gắn đặc biệt. Tuy nhiên,
công nghệ nói trờn có một số hạn chế. Trục dao động bị phân huỷ rất nhanh do bị ngập
chìm trong kim loại lỏng và tạo ra tạp chất không mong muốn. Hơn nữa, cường độ
tạo
rỗng là lớn nhất ở vựng gần máy biến áp hoặc gần bề mặt của trục dao động; bởi vậy việc
sử dụng hệ thống này về nguyên tắc chỉ phù hợp trong trường hợp kích thước của hệ nhỏ.
Vả lại, xét về giá cả và sự cồng kềnh của thiết bị thì không thể áp dụng cho việc sản xuất
các thỏi h
ợp kim nhôm bằng phương pháp đúc liên tục. Như vậy, việc truyền các dao động
âm và siêu âm đến kim loại đang đông đặc là một công việc không dễ dàng và quyết định ở
một mức độ lớn khả năng ứng dụng để cải thiện cấu trúc tế vi của hợp kim đúc. Các nhà
khoa học Mỹ và Thái lan [14] đó phối hợp nghiên cứu việc tạo ra rung động trong khối
kim loại đ
ang đông đặc bằng cách thổi khí, mà sơ đồ của nó được thể hiện trên hình 1.18.
Hợp kim được sử dụng để
nghiên cứu là A357 với nhiệt


26

1.4.3. Khuấy điện từ
Đây là một phương pháp từ thuỷ động lực học mới nhằm truyền dao động (rung) cưỡng
bức đến kim loại đang đông đặc. Ngược với trường hợp hệ thống cơ-âm thông thường,
phương pháp này cho phép ứng dụng những nghiên cứu cơ bản rất tốt. Những hiểu biết
chính xác cả về áp lực điện từ lẫn về pick dao động sóng cục bộ cho ta thấy rõ hiệu quả của
dòng chảy rung và của hi
ện tượng tạo rỗng trong việc làm nhỏ hạt. Trong trường hợp tạo
rỗng tốt, có thể đạt được một cấu trúc tế vi nhỏ mịn và đồng nhất trong toàn thỏi đúc. Tạo
rỗng là khái niệm dùng để diễn tả sự hình thành các bọt hoặc rỗ khí trong chất lỏng. Các
bọt này có thể đầy hơi nước, không khí và cũng có thể gần như rỗng. Chúng có thể được
sả
n sinh khi sóng âm hoặc siêu âm có tần số và cường độ phù hợp đi qua kim loại lỏng. Do
dao động của môi trường, các vùng bị nén và bị hút khí sẽ hình thành. Trong vùng hút khí
một “áp suất âm” có thể tồn tại và các bọt khí hoặc hơi nước có thể hình thành. Trong hầu
hết kim loại lỏng thường có mặt một lượng lớn khí ở dạng bọt nhỏ, thường được sinh ra từ
những túi khí có sẵn. Khí từ dung dịch có thể khuếch tán vào chỗ tr
ống hình thành bởi sự
giãn nở tức thời các của bọt khí không bị hoà tan. Tác dụng của bọt khí trong các quá trình
như làm sạch, phân tán, làm nhỏ mịn hạt chủ yếu là do áp lực rất cao hình thành cục bộ bởi
sự vỡ (xẹp) của bọt. Khi bọt khí bị vỡ, thành của chúng bị ép vào trong cho đến khi chạm
phải các mầm khí hoặc hơi nhỏ bên trong đang chịu nén rất lớn tại thời điể
m đó. Người ta
đã chứng minh được rằng, áp suất trong các bọt khí ngay trước khi vỡ có thể đạt đến hàng
nghìn atmosphere. Như vậy, khi những bọt khí biến mất thì sẽ có các sóng va chạm cực kỳ
mạnh xuất hiện và là nguyên nhân của hầu hết các hiện tượng sinh ra. Đặc biệt, trong quá
trình đông đặc của kim loại và hợp kim, các lực sinh ra khi bọt tan vỡ sẽ gây ra dao động
lệch của các tinh thể đang lớn lên. S

nấu. Tại nhiệt độ không đổi, nồng độ cân bằng của khí tỷ lệ với căn b
ậc 2 của áp suất riêng
phần. Ví dụ: ở 650
o
C thì mức hydro là 0.3 ppm và áp suất cân bằng tương ứng là 0.29bar.
Việc tạo rỗng xảy ra mãnh liệt nhất tại vùng áp suất âm của mỗi chu kỳ hoặc loạt chu kỳ
(hình 1.20d [15]), và sự tạo mầm xảy ra hoặc là do sự thay đổi nhiệt độ kết tinh cân bằng,
gây ra bởi sự thay đổi áp suất khi các bọt khí vỡ hoặc là do sự làm lạnh bề mặt bọt khí do