LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai và TS. Phạm Hồng Tuấn. Các kết quả nghiên cứu
trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với
điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được ai công bố trong bất kỳ nghiên cứu
nào khác.
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

1. PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Mai

Đinh Thanh Bình

2. TS. Phạm Hồng Tuấn

i


LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, góp ý và
chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới tập thể Thầy Cô hướng dẫn
PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai, TS. Phạm Hồng Tuấn, các Thầy cô đã hướng dẫn, chỉ
bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành được luận án.
Tôi cũng xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Quý thầy cô Bộ môn Cơ khí Chính xác
và Quang học đã chỉ bảo và cho tôi những ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được
học tập nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị em công tác tại Bộ môn Cơ khí chính xác và
Quang học, tập thể NCS tại Bộ môn đã chia sẻ cũng như tạo điều kiện giúp tôi.


Đúc áp lực ............................................................................................................... 4

1.2.1.

Chu trình đúc áp lực ........................................................................................ 4

1.2.2.

Khuôn đúc áp lực ............................................................................................. 5

1.2.3.

Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực ................................................. 7

1.2.4.

Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ .................................................. 11

1.2.5.

Giải pháp nâng cao tuổi thọ khuôn và chốt tạo lỗ ......................................... 19

1.2.6.

Nghiên cứu ứng dụng lớp phủ cứng nâng cao tuổi bền khuôn và chốt tạo lỗ 23

1.3.

Phương pháp chế tạo lớp phủ cứng....................................................................... 31

2.1.2.

Nội dung các bước công nghệ ....................................................................... 49

2.2.

Quá trình chế tạo lớp phủ CrN bằng phương pháp phún xạ ................................. 51

2.2.1.

Thiết bị chế tạo lớp phủ cứng ........................................................................ 51

2.2.2.

Tạo lớp phủ CrN ............................................................................................ 55

2.2.3.

Kết thúc lắng đọng lớp phủ ........................................................................... 57

2.2.4. Nghiên cứu, xác định bộ thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN bằng phương
pháp phún xạ xung một chiều magnetron.................................................................... 58
2.2.5.
2.3.

Tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ CrN với nền thép SKD61 ....... 59

Công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng phương pháp hồ quang chân không .
.............................................................................................................................. 60


3.1.4.

Độ cứng lớp phủ ............................................................................................ 74

3.1.5.

Ứng suất mặt tinh thể..................................................................................... 76

3.2. Tối ưu hóa các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 bằng
thiết bị B30-VTD ............................................................................................................. 79
3.2.1.

Quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao ..................................................... 79

3.2.2.

Tối ưu hóa quá trình chế tạo lớp phủ ............................................................. 91

3.2.3.

Nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo ............................... 93

3.3. Khảo sát ảnh hưởng các thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN và CrN bằng
phương pháp hồ quang chân không trên thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD ....... 95
3.3.1.

Tính chất của lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 .......................................... 95

3.3.2.



Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực vòng ôm ............. 111

4.3.2.

Thử nghiệm sản xuất chốt có phủ trên khuôn đúc áp lực chi tiết giá đỡ ..... 116

4.3.3.

Đánh giá hiệu quả làm việc của các lớp phủ ............................................... 119
iv


Kết luận chương 4 ......................................................................................................... 120
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................. 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 122
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 127

v


DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu,
chữ viết tắt

Tiếng Việt


Lắng đọng bằng hồ quang chân
không

Vacuum Arc Deposition

5

EDS

Phổ kế tán xạ năng lượng tia X

Energy Dispersive
Spectroscopy

6

SEM

Kính hiển vi điện tử quét

Scanning
Microscopy

7

XRD

Nhiễu xạ tia X

X-ray diffraction


11

Mạ ion chùm điện tử điện áp Low Voltage Electron Beam
thấp
Ion Plating

12

Bia

13

Lắng đọng bằng phún xạ âm RF
Cathode
cực cao tần
Deposition

14

Phún xạ xung một chiều

15

Lắng đọng bằng phún xạ âm DC
Cathode
cực một chiều
Deposition

16

magnetron sputtering
Lớp phủ cứng

Hard coatings

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc [6] .............. 4
Hình 1.2. Cấu tạo và các bộ phận chính của khuôn đúc áp lực [3] ....................................... 5
Hình 1.3. Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13] ................................. 6
Hình 1.4. Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13] ....... 6
Hình 1.5. Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14] .......... 7
Hình 1.6. Kết cấu khuôn đúc áp lực và bố trí chốt trong khuôn (a) khuôn động, (b) khuôn
tĩnh [40] ................................................................................................................................. 8
Hình 1.7. Chốt tạo lỗ sản phẩm vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) ..................................... 8
Hình 1.8. Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng) ......................................... 9
Hình 1.9. Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ
Quốc phòng) .......................................................................................................................... 9
Hình 1.10. Dòng kim loại tác động lên bề mặt chốt ở các vị trí khác nhau ........................ 10
Hình 1.11. Dòng kim loại vào khuôn và tác động lên chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ (Z117 - Bộ
Quốc phòng) ........................................................................................................................ 10
Hình 1.12. Dòng kim loại lỏng trong khuôn và tác động vào chốt ..................................... 10
Hình 1.13. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62].............................. 11
Hình 1.14. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62] ............................. 11
Hình 1.15. Các dạng hỏng xảy ra trên khuôn đúc áp lực [51] ............................................. 12
Hình 1.16. Nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt khuôn [63] .......................................................... 13
Hình 1.17. Cơ chế phát triển vết nứt thúc đẩy bởi quá trình oxy hóa [51] .......................... 15
Hình 1.18. Nhôm dính bám trên bề mặt chốt tạo lỗ vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) .... 16

............................................................................................................................................. 40
Hình 1.40. Sơ đồ nguyên lý các phương pháp giam giữ điểm catôt trên bề mặt catôt bằng
từ trường [9] ....................................................................................................................... 40
Hình 1.41. Phổ nhiễu xạ lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ lệ FN2/FAr
thay đổi, bias = -250 V [69]................................................................................................. 42
Hình 1.42. Độ cứng và ứng suất dư lớp phủ CrN (a) Bias thay đổi, tỷ lệ FN2/FAr = 2; (b) Tỷ
lệ nguyên tử Cr/N (tỷ lệ FN2/FAr) thay đổi, bias = -250 V [69] ........................................... 42
Hình 1.43. Hệ số ma sát () lớp phủ CrN chế tạo ở điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr
thay đổi từ 0,25  4, (a) Chu kỳ mài mòn, (b) Lực mài mòn [69]....................................... 43
Hình 1.44. Hệ số mòn (K) của lớp phủ CrN chế tạo ở điện áp âm đế = -250 V, tỷ lệ FN2/FAr
thay đổi từ 0,25  4 với lực mài mòn thay đổi [69]............................................................. 43
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ [9] ................................................... 49
Hình 2.2. Thiết bị chân không B30-VTD ............................................................................ 51
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ phún xạ xung một chiều magnetron sử dụng thiết bị B30-VTD
............................................................................................................................................. 52
Hình 2.4. Gá mẫu trước khi phủ .......................................................................................... 53
Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn đặc trưng V - A theo lưu lượng của khí Ar [9] ......................... 56
Hình 2.6. Đầu magnetron trên thiết bị B30-VTD ................................................................ 56
Hình 2.7. Vùng plasma khi chế tạo lớp phủ CrN trong buồng chân không B30-VTD
(Nacentech).......................................................................................................................... 57
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý thiết bị chân không chân không Dreva Arc 400-VTD và gá mẫu
............................................................................................................................................. 60
Hình 2.9. Thiết bị chân không Dreva Arc 400-VTD ........................................................... 61
Hình 2.10. Các bước của quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ [9] ..................................... 61
Hình 2.11. Gá mẫu và chi tiết trước khi phủ TiN (Nacentech) ........................................... 62
Hình 2.12. Cấu tạo catôt rỗng [23] ...................................................................................... 62

viii



Hình 3.20. Điểm tối ưu độ cứng a) và ứng suất mặt (200) b) của lớp phủ CrN ảnh hưởng bởi
nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2........................................................................................... 92
Hình 3.21. Ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến độ cứng (a) và ứng suất mặt
(200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ................................................................ 94
Hình 3.22. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và tần số xung đến độ cứng (a) và ứng suất mặt (200)(
b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ........................................................................... 94
Hình 3.23. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế và lưu lượng khí N2 đến độ cứng (a) và ứng suất mặt
(200) (b) của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 ................................................................ 94
Hình 3.24. Kết quả thực nghiệm đo phổ tán xạ năng lượng EDS bề mặt lớp phủ TiN

ix


(Nacentech).......................................................................................................................... 96
Hình 3.25. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ TiN (Nacentech) ...................................................... 96
Hình 3.26. Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu phủ TiN (Nacentech) ......................................... 97
Hình 3.27. Máy đo hệ số ma sát trượt VF ........................................................................... 98
Hình 3.28. Kết quả đo hệ số ma sát trượt của TiN và SKD61 ở tải 100 g (Nacentech) ...... 99
Hình 3.29. Phổ tán xạ năng lượng EDS lớp phủ CrN ......................................................... 99
Hình 3.30. Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu phủ CrN ........................................................... 100
Hình 3.31. Hệ số ma sát trượt của lớp phủ CrN có lưu lượng khí N2 thay đổi và SKD61 với
nhôm .................................................................................................................................. 100
Hình 4.1 Mẫu đo cơ tính lớp phủ ...................................................................................... 103
Hình 4.2 Chốt tạo lỗ chi tiết vòng ôm ............................................................................... 103
Hình 4.3 Chốt tạo lỗ chi tiết giá đỡ ................................................................................... 103
Hình 4.4 Máy đúc áp lực buồng lạnh ZDC - 250T (Z117 - Bộ Quốc phòng) ................... 104
Hình 4.5. Khuôn đúc áp lực chi tiết vòng ôm (Z117 - Bộ Quốc phòng) ........................... 105
Hình 4.6. Sản phẩm của khuôn đúc vòng ôm .................................................................... 106
Hình 4.7 Máy đúc áp lực buồng nóng ZDC - 150 (Z117 - Bộ Quốc phòng) ........................ 106
Hình 4.8 Khuôn đúc áp lực giá đỡ ..................................................................................... 107

chiều magnetron [12] ........................................................................................................... 47
Bảng 1.9. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp phún xạ một chiều
magnetron [12] .................................................................................................................... 47
Bảng 1.10. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN bằng phương pháp hồ quang chân không
[12] ...................................................................................................................................... 47
Bảng 2.1. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 (Nacentech) ... 59
Bảng 2.2. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ TiN trên nền thép SKD61 sử dụng thiết bị
chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech) .................................................................... 64
Bảng 2.3. Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 sử dụng thiết bị
chân không Dreva Arc 400-VTD (Nacentech) .................................................................... 65
Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng khí N2 và tần số xung đến chiều
dày và tốc độ lắng đọng của lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 (Nacentech) .................... 69
Bảng 3.2. Thông số, chế độ lắng đọng Cr và CrN trên thép 1010 [38] ............................... 69
Bảng 3.3. Thông số lắng đọng phún xạ xung DC magnetron lớp phủ CrN [42]................. 70
Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng
khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech) ........................................................................ 75
Bảng 3.5. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với tần số
xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) ........................................................................... 75
Bảng 3.6. Kết quả thực nghiệm đo độ cứng lớp phủ CrN trên nền thép SKD61 với lưu lượng
khí N2 và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) ......................................................................... 76
Bảng 3.7. Độ cứng nền và lớp phủ CrN với hàm lượng N2 thay đổi [38] ........................... 76
Bảng 3.8. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với lưu lượng khí N2 và tần số xung thay đổi (Nacentech) .................................... 77
Bảng 3.9. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền thép
SKD61 với lưu lượng khí N2 và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech) ..................................... 78
Bảng 3.10. Kết quả thực nghiệm đo ứng suất mặt tinh thể (200) của lớp phủ CrN trên nền
thép SKD61 với tần số xung và nhiệt độ đế thay đổi (Nacentech)...................................... 78

xi


1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Các lớp phủ cứng (hard coatings) mỏng trên cơ sở các vật liệu crôm (Cr) hay titan
(Ti) được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các bề mặt khỏi sự cào xước, mài mòn, tăng tuổi thọ,
và trang trí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp phủ CrN có độ cứng cao (1800  2100 HV),
khả năng chống mài mòn, hầu như không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hóa học, hệ số ma
sát tương đối nhỏ (~0,45).
Một ưu điểm nổi bật của lớp phủ CrN là khả năng chịu nhiệt cao. Trong khi lớp phủ
TiN (titanium nitride, một loại lớp phủ cứng rất phổ biến) chỉ làm việc an toàn ở nhiệt độ
400  450 0C, lớp phủ CrN có thể làm việc được ở mức 700  750 0C.
Trên thế giới hiện nay, lớp phủ cứng được sử dụng phổ biến trong chế tạo khuôn mẫu
để tăng cao tuổi thọ, tăng chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu được
công bố hầu hết tập trung vào các tính năng cơ bản của lớp phủ trên vật liệu nền mẫu và
trong điều kiện phòng thí nghiệm. Công nghệ ứng dụng các lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu
crôm lên bề mặt khuôn mẫu là bí quyết riêng của các công ty và không hề được công bố.
Hiện nay, các nghiên cứu để nâng cao tính năng của lớp phủ cứng trên cơ sở vật liệu
crôm tiếp tục nhận được sự quan tâm bởi tiềm năng ứng dụng lớn. Lớp phủ CrN bổ sung
thêm một số kim loại khác như nhôm (Al) hay vanadi (V) vào thành phần của lớp phủ nhằm
tạo ra các vật liệu có độ dẻo cao hơn hoặc có hệ số ma sát nhỏ hơn. Ngoài ra, một hướng
nghiên cứu khác là tạo lớp phủ đa lớp như CrN/TiN để phủ lên dụng cụ cắt gọt, hay CrN/Cr
để tăng khả năng bám dính của lớp phủ đối với vật liệu nền.
Đối với nước ta, chế tạo khuôn mẫu là ngành công nghiệp công nghệ cao, có giá trị
gia tăng cao, có tầm ảnh hưởng lớn đối công nghiệp cơ khí chế tạo và phụ trợ, và với sự phát
triển kinh tế xã hội nói chung. Hầu hết những loại khuôn có độ chính xác cao sử dụng trong
công nghiệp phụ tùng ô tô, xe máy … các doanh nghiệp đều phải nhập ngoại với giá thành
lên tới hàng trăm triệu đồng/bộ.
Mặc dù có nhiều tiến bộ nhưng công nghệ xử lý bề mặt khuôn còn ở mức thấp với
các phương pháp nhiệt luyện, thấm nitơ … dẫn đến ma sát tại các bề mặt lớn, tuổi thọ khuôn
không cao, không có khả năng gia công các bề mặt có độ chính xác cao.
Các nghiên cứu trước đây đã tiến hành chủ yếu tập trung vào lớp phủ cứng nitrit trên
cơ sở vật liệu Titan và Crôm trên nền thép dụng cụ với đặc điểm: lớp phủ có độ cứng cao,

- Đánh giá các chỉ tiêu tính chất của lớp phủ trong phòng thí nghiệm và thực tiễn sản
xuất.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng quy trình công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN và TiN trên chốt tạo lỗ trong
khuôn đúc áp lực bằng phương pháp PVD là cơ sở khoa học để nghiên cứu phát triển tạo lớp
phủ bằng công nghệ này.
- Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm tạo lớp phủ CrN đã chỉ ra mức
độ ảnh hưởng lớn nhất của lưu lượng khí tiếp theo là tần số xung và nhiệt độ đế.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc áp lực hợp kim
nhôm - kẽm có thể là cơ sở áp dụng vào khuôn đúc áp lực khác nhau.
- Phương trình hồi quy thực nghiệm xây dựng được có thể dùng để lựa chọn thông
số công nghệ chế tạo lớp phủ trên chốt trong khuôn đúc áp lực phù hợp điều kiện sản xuất.
- Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ CrN, TiN trong luận án có thể làm tài liệu
tham khảo cho nghiên cứu và trong giảng dạy.
4. Những kết quả mới
- Đã xây dựng được công nghệ tạo lớp phủ cứng CrN, TiN trên chốt trong khuôn đúc
áp lực sản phẩm nhôm - kẽm.

2


- Đã tối ưu hóa ba thông số công nghệ chính tạo lớp CrN bằng phương pháp phún xạ
xung một chiều magnetron là lưu lượng khí N2 = 7,23 cm3/phút, tần số xung = 120,5 kHz và
nhiệt độ đế = 294,6 0C trên cơ sở hai phương trình hồi quy thực nghiệm.
- Đã đánh giá các thông số của lớp phủ: độ cứng, hệ số ma sát, chiều dày, hợp thức,
cấu trúc tinh thể, ứng suất dư mặt tinh thể tương ứng với các chế độ công nghệ khác nhau
của hai phương pháp chế tạo phún xạ và hồ quang chân không.
- Đã áp dụng kết quả của luận án vào thực tiễn sản xuất phủ lớp CrN, TiN trên chốt

buồng ép còn nhỏ. Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong buồng ép và xilanh
thuỷ lực.
Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép. Tốc độ của pittông tăng
lên và đạt giá trị cực đại v2. Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng các trở lực của
dòng chảy trong buồng ép.
Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn. Do thiết diện rãnh
dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép lại tăng lên.
Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà
4


áp suất ép tiếp tục tăng lên. Sau khi các dao động áp suất tắt dần, áp suất đạt giá trị không
đổi. Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh.
Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh. Áp suất có thể đạt tới 5  500 MPa, tuỳ thuộc
vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ. Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại
rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trong trạng
thái áp lực cao.
1.2.2. Khuôn đúc áp lực
Cấu tạo khuôn đúc áp lực
Khuôn đúc áp lực có cấu tạo phức tạp bao gồm nhiều bộ phận và chi tiết có chức
năng riêng. Cấu tạo khuôn và các bộ phận, chi tiết chính trong khuôn đúc áp lực thể hiện
trong Hình 1.2. Vật liệu chế tạo và xử lý nhiệt với các chi tiết khuôn trong (phụ lục 1, trang
128). Quá trình chế tạo khuôn ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc của khuôn
bởi một số yếu tố: khả năng gia công, gia công bề mặt bằng tia lửa điện, xử lý nhiệt, độ ổn
định kích thước, xử lý bề mặt, khả năng hàn [18],[21]. Các bề mặt lòng khuôn I, II trên khuôn
chính (3) và bề mặt chốt tạo lỗ (5) trên Hình 1.2 được gọi chung là bề mặt khuôn khi làm
việc. Các bề mặt này có cùng điều kiện làm việc, chịu tác động dòng kim loại lỏng có nhiệt
độ, vận tốc và áp lực đúc cao. Trong trường hợp xét tác động của dòng chảy theo các hướng
lên bề mặt khuôn mới cần phân biệt bề mặt lòng khuôn và bề mặt chốt tạo lỗ.


các vị trí dưới bề mặt khuôn. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến ứng suất nhiệt, mức độ thay đổi
kiểu ứng suất và độ lớn ứng suất cũng khác nhau với các vị trí từ bề mặt khuôn vào đến lõi
khuôn. Khi nung nóng, ứng suất xuất hiện trên bề mặt khuôn là ứng suất nén có giá trị - 317
MPa, khi làm mát ứng suất bề mặt khuôn chuyển từ nén sang kéo có giá trị 255 MPa, khi
kết thúc làm mát bề mặt khuôn tồn tại ứng suất kéo là 138 MPa, Hình 1.5.b, [14].

Hình 1.3. Sơ đồ thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc [13]

Trong quá trình làm việc, bề mặt khuôn chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc
như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc. Tuy nhiên, tác động về biến thiên
nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của
khuôn. Những thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu
được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất.

Hình 1.4. Thay đổi nhiệt độ bề mặt khuôn theo chu kỳ đúc áp lực hợp kim nhôm [13]

6


Hình 1.5. Thay đổi nhiệt độ a) và thay đổi ứng suất b) trong chu kỳ đúc thứ 51 [14]

1.2.3. Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực
Vai trò của chốt tạo lỗ
Chốt tạo lỗ được sử dụng trong khuôn đúc áp lực để tạo ra các lỗ trên sản phẩm. Tùy
thuộc vào yêu cầu của lỗ trên sản phẩm (lỗ công nghệ hoặc lỗ không gia công) chốt tạo lỗ
cũng có đặc điểm khác nhau. Các lỗ công nghệ được sử dụng để định vị, gá đặt hoặc dẫn
hướng cho các chốt của đồ gá khi gia công chi tiết. Các lỗ không gia công trên sản phẩm
thường được sử dụng theo yêu cầu chi tiết khi thiết kế. Đối với hai dạng lỗ trên thì chất lượng
bề mặt và hình dáng hình học của lỗ được quyết định bởi bề mặt chốt tạo lỗ độ bền của chốt
trong quá trình làm việc. Chốt tạo lỗ sản phẩm trong khuôn đúc áp lực có vai trò quan trọng

khỏi sản phẩm sau khi đông đặc được dễ dàng. Phần (II) gồm thân chốt và đuôi chốt, đuôi
chốt có phần vát để định vị và chống xoay chốt trong khuôn, đồng thời phần bậc của chốt là
phần gá giữ cố định chốt trong quá trình đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn. Chốt được lắp đặt và
bố trí như trên Hình 1.9.
Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ
Chi tiết chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ có kích thước chế tạo thể hiện trên Hình 1.8.
Chốt có hai phần chính: phần tạo lỗ sản phẩm (I) và phần (II) được lắp cố định trên khối
trượt của khuôn động, đường tâm của chốt song song với mặt phân khuôn. Phần (II) chế tạo
rãnh có kích thước 5x3,53 mm ở phần đuôi để định vị, chống xoay và kẹp chặt, đảm bảo
thuận lợi cho quá trình rút chốt ra khỏi sản phẩm sau đông đặc và đưa chốt ra khỏi khuôn.
Chốt được lắp đặt và bố trí như trên Hình 1.11.

8


Hình 1.8. Chốt tạo lỗ sản phẩm giá đỡ (Z117 - Bộ Quốc phòng)

b. Điều kiện làm việc của chốt trong khuôn
Trong quá trình làm việc, bề mặt chốt chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện đúc
như áp suất, vận tốc dòng chảy và nhiệt độ hợp kim đúc. Tuy nhiên, tác động về biến thiên
nhiệt độ trên bề mặt lớn trong thời gian ngắn ảnh hưởng mạnh đến khả năng làm việc của
chốt. Điểm khác biệt trong quá trình làm việc của chốt tạo lỗ và bề mặt lòng khuôn được thể
hiện bởi tác động của dòng kim loại lỏng và khả năng thoát nhiệt khi đúc chi tiết. Dòng chảy
trên bề mặt khuôn là dòng tiếp tuyến với bề mặt khuôn. Dòng chảy có hướng vuông góc với
bề mặt chốt, tại vị trí va đập xảy ra nhiễu động của dòng chảy. Trong quá trình chi tiết đúc
giảm từ nhiệt độ lỏng về nhiệt độ đông đặc thì khả năng thoát nhiệt của chốt rất kém do
không có hệ thống làm mát giống như khuôn. Những thay đổi nhiệt độ bề mặt chốt đòi hỏi
vật liệu chế tạo phải có khả năng chịu được các tác động nhiệt trong quá trình sản xuất.
Tác động của dòng lỏng lên chốt trong quá trình đúc


Tác động của chu kỳ nhiệt lên chốt trong quá trình làm việc

Hình 1.13. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong các chu kỳ đúc [62]

Thay đổi nhiệt độ chốt tạo lỗ và nhiệt khuôn có sự khác nhau rất lớn về khoảng biến
thiên và nhiệt độ lớn nhất trong một chu kỳ đúc ổn định, Hình 1.14 [62]. Khoảng biến thiên
nhiệt độ của khuôn từ 280  380 0C và của chốt tạo lỗ từ 200  580 0C. Do trong quá trình
đúc khuôn được làm mát liên tục bằng hệ thống nước tuần hoàn liên tục nhằm giữ ổn định
nhiệt độ khuôn. Chốt tạo lỗ không được làm từ lúc đóng khuôn đến khi sản phẩm được đưa
ra khỏi khuôn. Chốt được làm mát thông qua quá trình phun nước làm mát và dung dịch bôi
trơn khuôn có áp lực lớn lên bề mặt khuôn và chốt trước khi chu trình đúc lặp lại, do vậy tốc
độ giảm nhiệt của chốt cũng rất nhanh. Trên Hình 1.14 cho thấy trong một chu kỳ đúc nhiệt
độ lớn nhất của khuôn là 380 0C thấp hơn nhiều nhiệt độ của chốt là 580 0C.

Hình 1.14. Nhiệt độ khuôn và chốt thay đổi trong một chu kỳ đúc [62]

Trong một chu kỳ đúc, bề mặt chốt tạo lỗ chịu tác động khắc nghiệt của điều kiện
đúc như dòng chảy, biến thiên nhiệt độ, lớn hơn nhiều bề mặt khuôn. Ngoài ra, các tác động
cơ học, tương tác hóa lý của kim loại lỏng với bề mặt chốt và ma sát với bề mặt lỗ khi đẩy
sản phẩm ra khỏi khuôn.
1.2.4. Các dạng hỏng bề mặt khuôn và chốt tạo lỗ
Khuôn đúc làm việc chịu tác động của chu kỳ nhiệt và tải cơ học, do đó vật liệu
khuôn, chốt tạo lỗ đòi hỏi phải có các cơ tính tốt trong điều kiện làm việc nhiệt độ cao. Tuổi
thọ của khuôn đúc được thể hiện qua số lượng vật đúc đạt được, Bảng 1.1 [63]. Tuổi thọ
khuôn, chốt tạo lỗ chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ làm việc hay nhiệt độ hợp kim đúc.
Tuổi thọ khuôn đối với một vật liệu cụ thể cũng có thể thay đổi do thiết kế vật đúc, thiết kế
khuôn cho sản phẩm đúc, chất lượng bề mặt gia công cuối cùng, tốc độ sản xuất, điều khiển
11



Khuôn

Lõi (chốt tạo lỗ)

0,5  2.106

0,5  2.106

100.000  400.000

50.000  200.000

60.000  200.000

40.000  150.000

5.000  50.000

1.000  5.000

Mỏi nhiệt
Magiê

650

Xói mòn
Nứt
Lún/lõm
Mỏi nhiệt


Các vết nứt do mỏi nhiệt được tạo ra bởi chu kỳ ứng suất, ứng suất kéo và biến dạng
dẻo của vật liệu. Nếu thiếu một trong các yếu tố trên thì không tạo ra vết nứt hoặc thúc đẩy
vết nứt phát triển. Biến dạng dẻo vật liệu tạo ra vết nứt và ứng suất kéo thúc đẩy vết nứt phát
triển.
Các yếu tố ảnh hưởng đến mỏi nhiệt bề mặt khuôn, chốt tạo lỗ bao gồm:
- Chu kỳ nhiệt của khuôn đúc: Nung nóng khuôn trước khi đúc, nhiệt độ bề mặt
khuôn, thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao, tốc độ làm mát khuôn. Bề mặt khuôn cần được
nung nóng trước khi tiến hành đúc, điều này làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa kim loại
đúc và bề mặt khuôn. Đối với đúc hợp kim nhôm, nhiệt độ nung nóng sơ bộ khuôn tối thiểu
là 180 0C giúp cho độ dai va đập khuôn cao gấp hai lần so với không nung nóng. Tuy nhiên,
trong thực tế sản xuất công việc này thường bị bỏ qua, do đó tốc độ hình thành nứt do mỏi
nhiệt diễn ra nhanh hơn và tuổi thọ khuôn giảm. Nhiệt độ bề mặt khuôn ảnh hưởng lớn đến
sự xuất hiện của mỏi nhiệt. Thép khuôn có khả năng làm việc bình thường ở nhiệt độ 600 0C
với sự giãn nở nhiệt và ứng suất ở mức độ trung bình, nhưng ở nhiệt độ cao hơn nguy cơ nứt
nhiệt trở nên đáng kể. Nhiệt độ bề mặt khuôn được xác định thông qua nhiệt độ sấy sơ bộ,
nhiệt độ đúc kim loại, thiết kế vật đúc, thiết kế khuôn đúc và tính chất vật liệu khuôn. Thời
gian giữ nhiệt ở nhiệt độ cao làm tăng sự quá nhiệt và dão của vật liệu khuôn. Điều này làm
giảm độ bền cơ học của bề mặt khuôn, dẫn đến giảm khả năng chịu tải và tác động nhiệt.
Tốc độ làm mát khuôn nhanh sẽ dẫn đến ứng suất bề mặt lớn và dẫn đến vết nứt xuất hiện
sớm hơn, làm giảm tuổi thọ khuôn nhanh hơn.
- Tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo khuôn, chốt tạo lỗ: Hệ số giãn nở nhiệt, độ
dẫn nhiệt, giới hạn bền nóng, chịu nhiệt độ cao, độ bền dão, độ dai. Hệ số giãn nở nhiệt thấp
làm giảm ứng suất nhiệt bề mặt khuôn. Độ dẫn nhiệt cao làm giảm gradien nhiệt và giảm
ứng suất nhiệt. Giới hạn bền nóng của vật liệu khuôn cao làm giảm biến dạng dẻo ở nhiệt độ
cao, chống nứt nhiệt giúp nâng cao tuổi thọ khuôn. Khả năng chịu nhiệt độ cao của vật liệu
13