CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nếu như trong phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái lỏng, kim loại trước khi đem tạo hình được nấu chảy lỏng hoàn toàn thì tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng, kim loại được nung đến trạng thái hai pha: pha rắn và pha lỏng với tỉ lệ phù hợp. Công nghệ tạo hình kim loại ở trạng thái bán lỏng xuất hiện từ đầu những năm 1970, khi Giáo sư Flemings và các cộng sự nghiên cứu trạng thái dòng chảy của kim loại ở trạng thái bán lỏng. Quá trình được đưa vào công nghiệp lần đầu tiên bởi công ty Alumax và ITT- TEVES, với những ứng dụng trong ô-tô như các chi tiết của khung gầm, xilanh thắng, vành xe…Vào cuối những năm 1980, một giai đoạn phát triển sâu hơn được bắt đầu ở Châu Âu. Với phương pháp khuấy từ trường được triển khai bởi các nhà sản xuất Pechiney (Pháp), Ormet (Mỹ) và SAG (Áo), nguồn phôi ban đầu - với kích thước có thể thay đổi và chất lượng đảm bảo đã trở nên thực tế.
Những công nghệ nung nóng mới cùng với thiết bị đúc áp lực được điều khiển trực tiếp đã tạo nền tảng cho việc chế tạo những thiết bị thích hợp với sản xuất. Từ đó mở đường cho những ứng dụng sản xuất hàng khối trong lĩnh vực khung gầm (hãng xe Porsche, DaimlerChrysler, Alfa Romeo) và những bộ phận trong thân xe (hãng Audi, Fiat, DiamlerChrysler) và cả sản xuất loạt nhỏ trong các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, do sự cạnh tranh tăng lên cùng với chất lượng được cải thiện nhanh chóng và hiệu quả kinh tế cao của quá trình đúc lỏng hoàn toàn, một số hoạt động nghiên cứu đã bị ngưng lại trong một khoảng thời gian. Nhược điểm về chi phí sản xuất có thể được giảm đi nhờ ý tưởng cải tiến quá trình rheocasting truyền thống, giúp duy trì một số ứng dụng trong tạo hình ở trạng thái bán lỏng.
Ví dụ, hãng STAMPAL đã thay đổi quá trình sản xuất một số chi tiết từ phương pháp thixocasting truyền thống sang phương pháp Rheocasting. Dưới đây trình bày sơ lược một vài các phương pháp tạo hình ở trang thái bán lỏng. Tổng quan về công nghệ tạo hình ở trạng thái bán lỏng.1 Giới thiệu sơ lược về trạng thái bán lỏng. 1 do an Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng.
Khi kim loại được gia nhiệt lên trên nhiệt độ đường đặc (Hình 1.1), kim loại bắt đầu chảy ra và pha lỏng xuất hiện, trạng thái này gọi là trạng thái “mushy”. Nếu tiếp tục gia nhiệt trên nhiệt độ đường lỏng, kim loại sẽ chuyể n sang trạng thái lỏng hoàn toàn. Tuy nhiên, để đạt được trạng thái bán lỏng (tức là tỉ lệ pha rắn, pha lỏng gần bằng nhau và pha rắn có cấu tạo dạng hạt mịn) thì đối với trạng thái “mushy”, nhiệt độ phải phân bố đồng đều trên toàn bộ thể tích phôi. Ngược lại với trạng thái “mushy”, tức là làm nguội kim loại từ trạng thái lỏng hoàn toàn.
Quá trình nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ đường lỏng, nhưng vẫn còn trên nhiệt độ đường đông đặc, lúc này có sự xuất hiện của pha rắn, trạng thái này gọi là trạng thái “semisolid” (Hình 1. Chú ý rằng quá trình làm nguội và đông đặc ở trạng thái “semisolid” này là không cho hình thành cấu trúc nhánh cây và thành phần bán lỏng phải được phân bố đều nhau. 2 do an Hình 1.2 Thành phần rắn lỏng trong kim loại ở trạng thái mushy/semi-solid. So sánh trạng thái “mushy” và trạng thái “semisolid”: Giống nhau: tỉ lệ pha lỏng và rắn phân bố đều nhau trên toàn bộ thể tích phôi.
Khác nhau: Bảng 1.1 Bảng so sánh trạng thái “mushy” và trạng thái “semisolid” [1]. Trạng thái Mushy Trạng thái Semisolid - Trạng thái mushy có tỷ lệ pha rắn - Trạng thái semisolid có tỷ lệ pha khá cao và nó biến dạng giống như một lỏng cao và chảy như một lưu chất phi khối đất sét. - Pha lỏng ở trạng thái mushy sinh - Pha rắn trong kim loại ở trạng thái ra do sự tan chảy một phần của các hạt semisolid thì sinh ra trong quá trình đông rắn, nó xảy ra ở biên giới hạt và pha lỏng đặc một phần kim loại nóng chảy. thường tồn tại ở đó gây ra sự tách biệt giữa các hạt rắn.
Thông thường, người ta dùng thuật ngữ “semisolid”, tạm dịch là trạng thái bán lỏng để miêu tả hai trạng thái trên. Trong vùng từ nhiệt độ đường đặc đến nhiệt độ đường 3 do an lỏng, hai trạng thái “mushy” và “semisolid” sẽ có tỷ lệ rắn lỏng tương đồng nhau và lúc đó cơ tính của vật liệu cũng gần giống nhau.3 Các dạng tinh thể khi đúc thông thường và đúc bán lỏng [2]. (a) Tinh thể nhánh cây. (b) Tinh thể dạng gần cầu.
Không giố ng như các sản phẩ m đươ ̣c sản xuấ t từ những phương pháp ta ̣o hình thông thường như đúc trong khuôn kim loa ̣i, đúc áp lực ở tra ̣ng thái lỏng, đúc trong khuôn cát,…cấ u trúc tế vi của sản phẩ m đươ ̣c ta ̣o ra từ phương pháp ta ̣o hin ̀ h vâ ̣t liê ̣u ở tra ̣ng thái bán lỏng là có da ̣ng hình cầ u nên chất lượng sản phẩm cao hơn hẳ n cấ u trúc có da ̣ng nhánh cây ở trong các phương pháp ta ̣o hin ̀ h khác. Các phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bản lỏng. Phương pháp Rheocasting. Quá trình đúc Rheoforming được thể hiện ở hình 1.
Đầu tiên là nấu luyện hợp kim cần đúc tới trạng thái lỏng hoàn toàn, sau đó ta tiến hành làm nguội kết hợp khuấy trộn hợp kim trên. Khi hợp kim được làm nguội đến trạng thái bán lỏng, nó được chuyển đến thiết bị đúc và tạo hình với lực ép lớn.3 Quá trình đúc Rheoforming. Việc tạo được tinh thể dạng hạt cầu hoặc gần cầu là quan trọng trong quá trình đúc lưu biến này : Hình 1.4 Nguyên lý phá vỡ thiên tích nhánh cây [1]. (a) Tinh thể nhánh cây ban đầu.
(b) Tinh thể nhánh cây phát triển. (c) Tinh thể hình bông. 5 do an (d) Tinh thể hình bông phát triển. (e) Tinh thể dạng gần cầu.
Trong quá trình đúc, thường xuất hiện 5 dạng tinh thể như hình 1. Với tinh thể nhánh cây được hình thành khi không có lực khuấy. Tinh thể dạng “hình bông” được hình thành khi lực khuấy kết hợp dòng chảy tầng. Tinh thể dạng hình cầu được hình thành khi lực khuấy kết hợp dòng chảy rối.
Nhưng đối với quá trình đúc theo phương pháp Rheoforming, việc khuấy (hình 1.5) giúp phá vỡ thiên tích nhánh cây (hình 1.4) và hình thành tinh thể dạng hình cầu, từ đó cho ra tổ chức hạt mịn, làm tăng cơ tính cho vật đúc. Có thể khuấy trộn bằng cơ và khuấy trộn bằng điện từ. Nhưng hiện nay phương pháp khuấy trộn bằng từ trường được sử dụng phổ biến do nó tạo được độ đồng đều cao và đặc biệt là thân thiện với môi trường.5 Các phương pháp khuấy trộn : a) từng lô, b) liên tục, c) khuấy điện từ [2]. 6 do an So với Thixoforming, phương pháp này có thể đúc được nhiều loại hợp kim, sản phẩm thừa (phế phẩm, hệ thống rót) có thể làm hồi liệu, thiết bị đúc có tinh kế thừa của phương pháp Đúc áp lực nên giảm chi phí đầu tư ban đầu.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương này là nó không có khả năng tự động hóa cao bằng Thixoforming. So với phương pháp đúc áp lực, thì phương pháp này có nhiệt độ rót thấp, kim loại điền đầy với dòng chảy tầng và vật đúc ít co ngót. Từ đó, tuổi thọ thiết bị cao, chu kỳ đúc ngắn, vật đúc ít bị lẫn khí và nứt. Một số thiết bị Rheocasting: Hình 1.6 Máy đúc áp lực theo phương pháp Rheo cho hợp kim nhôm [2].
Hệ thống xi lanh thủy lực. Khuôn và chốt đẩy. Motor quay trục vít.6 được mô tả như sau: một lượng kim loại lỏng có khối lượng và thể tích đã định sẵn đổ vào trục trục vít đôi quay với tốc độ cao, nơi nó được làm nguội và đánh nhuyễn đến trạng thái “slurry”, sau đó được đưa vào hệ thống xi lanh thủy lực đẩy vào khuôn đúc áp lực. Máy đúc áp lực theo công nghệ này thường sử dụng cho nhôm và các hợp kim của nó.
Đối với máy đúc xúc biến magie có thể xem hình 1. Phương pháp thixoforming : Giai đoạn đầu của công nghệ là gia nhiệt lại một cách đồng đều các thanh cấp liệu đến trạng thái bán lỏng, yêu cầu các thanh cấp liệu phải có tổ chức hạt cầu hoặc gần cầu. Sau đó, các khối bán lỏng này được chuyển tới khuôn dập (trường hợp thixoforging), khuôn ép (thixoextrusion) hoặc buồng ép bằng các tay robot mà tại đó chúng được ép vào khuôn đúc áp lực bằng xy lanh thủy lực (trường hợp Thixocasting). Dập xúc biến (thixoforging) là một quá trình mà ở đó phôi 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.7 Thiết bị dập xúc biến. 8 do an Đúc xúc biến (thixocasting) là phương pháp đúc bán lỏng mà trong đó hợp kim ban đầu ở trạng thái rắn được xử lý sao cho khi đạt được trạng thái bán lỏng thì tổ chức của nó là phi nhánh cây. Khi “rót” khuôn thì tỷ phần pha rắn là khoảng 50%.
Quá trình thixocasting thường được chia làm 3 bước: chế tạo phôi với tổ chức không nhánh cây, gia nhiệt lại đến trạng thái bán lỏng và tạo hình. Trong suốt quá trình gia nhiệt lại phôi, việc điều khiển phải rất chặt chẽ để đảm bảo có được trạng thái bán lỏng.8 trình bày các quy trình cơ bản của việc tạo hình bằng phương pháp đúc bán lỏng: Hin ̀ h 1.8 Quá triǹ h ta ̣o hình của phương pháp Thixocasting. Một số thiết bị đúc xúc biến(Mg): Hình 1.9 là máy đúc xúc biến hãng Thoxomat. Ban đầu mảnh hợp kim (Mg) đã loại không khí (12) được đưa vào một tang trống bên trong có vít quay liên tục và năng lượng sinh ra do cắt đủ để đưa thỏi vào trạng thái bán lỏng.
Dưới tác dụng của lực cắt tổ chức trở thành dạng hạt cầu và vật liệu được ép vào khuôn (8). 9 do an Hình 1.9 Máy đúc xúc biến hãng “Thoxomat” [2]. Magie ở trang thái slurry. Bộ điều chỉnh tốc độ.
Buồng xilanh chứa phôi. Băng gia nhiệt. Hệ thống hút chân không.10 bên dưới tóm tắt lại các quá trình và phương tạo hình bằng phương pháp bán lỏng của một số vật liệu thích hợp với từng phương pháp tương ứng : 10 do an Hình 1.