Công trình này tiến hành thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tác động rung đến khả năng điền đầy và tổ chức tế vi của vật đúc bằng hợp kim nhôm ADC12 trong khuôn mẫu cháy…
Effects of mechanical vibration on filling ability and microstructure of ADC12 alloy casting by LFC process
NGUYỄN NGỌC HÀ*, LÊ QUỐC PHONG, NGUYỄN VĂN TRƯỜNG
Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM
*Email: nnha@hcmut.edu.vn
Ngày nhận bài: 6/12/2017, Ngày duyệt đăng: 9/1/2018
TÓM TẮT
Phương pháp đúc mẫu cháy là một trong những phương pháp đúc có nhiều ưu điểm vượt trội so với một số công nghệ đúc truyền thống khác như giải quyết vấn đề mặt phân khuôn đối với các chi tiết đúc phức tạp, cải thiện năng suất và chất lượng vật đúc. Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của tần số rung đến mức độ điền đầy và kích thước hạt tinh thể của vật đúc hợp kim ADC12 khi đúc trong khuôn mẫu cháy. Với các thông số cơ bản của quá trình đúc được lựa chọn (nhiệt độ rót: 710 oC, độ chân không: 500 mmHg), thấy rằng với biên độ rung 1,5 mm, khi tần số rung trong khoảng (30 ÷ 40) Hz, khả năng điền đầy khuôn được cải thiện đáng kể, kích thước hạt tinh thể nhỏ mịn hơn và hạn chế hiện tượng kết tinh nhánh cây.
Từ khoá: hợp kim nhôm ADC12, khả năng điền đầy, mẫu cháy, rung cơ học.
ABSTRACT
Lost Foam Casting (LPC) process is one of the casting methods which have many benefits compared to the other casting processes like solving the parting line problems in flexible parts, improving capacity and quality of products. This study focuses on analyzing the effects of vibration frequency on filling ability and microstructure of ADC12 alloy castings. With the basic parameters of casting process (pouring temperature: 710 oC, vacuum degree: 500 mmHg), it is showed that with a vibration amplitude of 1.5 mm, when the vibration frequency is from 30 Hz to 40 Hz, the filling ability is significantly improved, the crystal particle size is better and the dendrite is reduced.
Keywords: ADC12 aluminum alloy, filling ability, LFC process, mechanical vibration.
MỞ ĐẦU
Vấn đề đang được quan tâm hiện nay của phương pháp đúc mẫu cháy là việc cải thiện tổ chức tế vi nhằm nâng cao cơ tính của vật đúc và tăng khả năng điền đầy để có thể đúc được các chi tiết có thành mỏng hơn, độ chính xác cao hơn, cơ tính cao hơn. Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy lợi ích của việc rung cơ học khi đúc sẽ làm hạt tinh thể nhỏ mịn hơn, bẻ gãy tinh thể nhánh cây trong vật đúc, qua đó cải thiện đáng kể cơ tính của vật đúc [1, 2, 3]. Công trình này tiến hành thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tác động rung đến khả năng điền đầy và tổ chức tế vi của vật đúc bằng hợp kim nhôm ADC12 trong khuôn mẫu cháy. Kế thừa kết quả các nghiên cứu trước đây, các thông số đúc cơ bản được lựa chọn: nhiệt độ rót: 710 oC, độ chân không: 500 mmHg, biên độ rung: 1,5 mm và khảo sát ảnh hưởng của tần số rung trong khoảng (0 ÷ 55) Hz đến kích thước hạt tinh thể α và khả năng điền đầy khuôn.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Các tiêu chí để đánh giá và phương pháp nghiên cứu
Tiêu chí để đánh giá khả năng điền đầy là mức độ điền đầy mẫu bậc. Mẫu có 6 bậc được ép sẵn với độ dày lần lượt là 20 mm, 15 mm, 10 mm, 5 mm, 3 mm và 2 mm. Mỗi bậc rộng 80 mm và dài 40 mm, riêng bậc 2 mm dài 20 mm (hình 1). Khả năng điền đầy được đánh giá bởi số bậc được điền đầy. Với bậc điền đầy cuối cùng sẽ tiến hành đo tỉ lệ thể tích được điền đầy ở các bậc đó. Số bậc mà kim loại lỏng điền đầy là:
Trong đó: n – số bậc đã được điền đầy đầy đủ; Vn+1 – thể tích đầy đủ của bậc n+1; vn+1 – thể tích kim loại được điền đầy thực tế ở bậc n+1.
Việc đo độ hạt các tinh thể α-Al được thực hiện như sau: các ảnh chụp tổ chức tế vi sẽ được phân tích bằng phần mềm photoshop để tạo thành các ảnh chỉ thể hiện vùng biên hạt tinh thể; phân tích diện tích các hạt này trên phần mềm ImageJ và lưu lại dưới dạng file Excel các kết quả. Các giá trị của file Excel này lại được đánh giá và phân tích trên phần mềm Minitab và xuất ra kết quả là kích thước hạt trung bình cùng với độ lệch chuẩn và số hạt mà nó đã phân tích đồng thời cũng vẽ biểu đồ phân bố kích thước hạt cho từng file ảnh.
2.2. Điều kiện thí nghiệm
Cát làm khuôn sử dụng cát thạch anh không có chất kết dính loại T1C0315A, hạt cát to, kích thước tập trung 99,42 % ở mức (200 ÷ 400) µm và có dạng tròn, bề mặt nhẵn. Mẫu xốp làm bằng Polystyrene có khối lượng riêng 30 kg/m3 để đảm bảo cho mẫu đủ bền. Mẫu được chế tạo bằng phương pháp ép trong khuôn kim loại.
Hợp kim đúc: ADC12.
Sơn mẫu: sơn mẫu được sử dụng có thành phần 2,5 % Dextrin; 1,5 % Bentonit; 96,0 % ZrSiO4 với dung môi là nước, tỷ lệ lỏng: rắn = 0,40. Độ nhớt của sơn 26 s (được đo bằng cốc đo độ nhớt số 5).
Phương pháp công nghệ: chọn giải pháp đúc có hỗ trợ chân không, cát không chất kết dính. Chân không được hút ngay trước khi rót và giữ đến khi vật đúc đông đặc hoàn toàn. Quá trình làm khuôn sử dụng bàn rung để lèn chặt cát. Các thông số cơ bản của quá trình đúc: nhiệt độ rót – 710 oC, độ chân không – 500 mmHg, biên độ rung – 1,5 mm, tần số rung – (0 ÷ 55) Hz với bước 5 Hz. Khi tiến hành rót, hút chân không và rung đồng thời. Sau khi rót xong, giữ chân không trong 10 giây, giữ rung trong 90 giây. Thời gian lưu mẫu trong hòm khuôn là 7 phút.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Về khả năng điền đầy
Hình 2 trình bày các mẫu đúc ứng với các mức tần số rung từ 0 đến 55 Hz được đánh số từ 1 đến 11 tương ứng.
Bảng 1 và hình 3 trình bày khả năng điền đầy của các mẫu trong đó có Vđđ5 là thể tích điền đầy bậc 5 và Vđđ6 là thể tích điền đầy bậc 6.
Bảng 1. Kết quả phân tích độ điền đầy
| Mẫu | M1 | M2 | M3 | M4 | M5 | M6 | M7 | M8 | M9 | M10 |
| Tần số (Hz) | 0 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
| Vđđ5 (mm3) | 7620 | 8196 | 7548 | 7368 | 6480 | 7956 | 8628 | 9360 | 9216 | 5136 |
| Vđđ6 (mm3) | 24 | 8 | 24 | 48 | 0 | 1048 | 1032 | 3120 | 312 | 0 |
| K | 4,82 | 4,88 | 4,81 | 4,79 | 4,69 | 4,96 | 5,1 | 6 | 5,05 | 4,55 |
Hình 3. Biểu đồ ảnh hưởng của tần số rung đến khả năng điền đầy. Nhận xét: Kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của rung đến độ điền đầy cho thấy ở khoảng tần số 0 đến 25 Hz độ điền đầy hầu như không thay đổi. Từ 25 đến 30 Hz độ điền đầy tăng từ 4,69 lên 4,96. Trong khoảng này, rung bắt đầu ảnh hưởng làm giảm độ nhớt của kim loại lỏng làm tăng độ chảy loãng. Tuy nhiên, ở 30 Hz độ điền đầy không lớn hơn nhiều mẫu không rung (K = 4,82) nên có thể xem ở 30 Hz rung vẫn chưa cải thiện độ điền đầy đáng kể. Từ 30 đến 40 Hz, rung làm tăng nhanh độ điền đầy. Trong khoảng này, rung làm giảm mạnh độ nhớt kim loại lỏng nên mặc dù pha rắn trong kim loại lỏng tăng lên và thời gian đông đặc giảm thì độ chảy loãng vẫn tăng, nên làm tăng độ điền đầy vật đúc. Độ điền đầy đạt cực đại ở mẫu M8 (40 Hz) và giảm ở tần số rung cao hơn.
Ở tần số rung trên 40 Hz, tác động rung ảnh hưởng đến độ điền đầy không theo quy luật rõ ràng, độ điền đầy giảm dần từ mẫu 8 (40 Hz) đến mẫu 10 (50 Hz) và tăng lên ở mẫu 11 (55 Hz). Do đó, có thể với cường độ rung quá cao, độ chảy loãng của hợp kim không tăng mà có khả năng giảm.
3.2. Về tổ chức tế vi vật đúc
Tổ chức tế vi được xem xét ở tâm của bậc 2 (đã có xem xét tổ chức tế vi ở lớp bề mặt nhưng không quan sát thấy có sự khác biệt đáng kể). Hình 4 trình bày tổ chức tế vi của các mẫu đúc mức phóng đại x200 trên kính hiển vi quang học. Bảng 2 trình bày sự thay đổi của kích thước hạt α- Al và hình 5 trình bày biểu đồ sự thay đổi kích thước hạt trung bình của các mẫu đúc.
Bảng 2. Thay đổi kích thước hạt trung bình dưới tác động rung
| M1 | M2 | M3 | M4 | M5 | M6 | M7 | M8 | M9 | M10 | M11 | |
| Tần số (Hz) | 0 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 |
| Kích thước hạt (µm) | 65 | 63 | 62 | 62 | 52 | 61 | 52 | 44 | Không xác định được biên giới hạt rõ ràng | ||
Nhận xét: Theo chiều tăng của tần số rung kích thước hạt giảm từ 65 µm mẫu 1 (0 Hz) còn 44 µm mẫu 8 (40 Hz). Mẫu 4 (20 Hz) các hạt bắt đầu phân bố đồng đều, tinh thể silic giảm chiều dài và đồng dạng hơn. Ảnh kim tương của tất cả các mẫu vẫn còn tồn tại tổ chức nhánh cây. Tuy nhiên tổ chức này và kích thước tinh thể nhánh cây giảm dần theo chiều tăng của tần số rung và giảm mạnh ở khoảng tần số 30 Hz (61,19 µm) đến 40 Hz (44,05 µm).
4. KẾT LUẬN
Từ kết quả khảo sát trên, có thể kết luận rằng tác động rung cơ học có ảnh hưởng rõ rệt lên mức độ điền đầy và tổ chức tế vi của vật đúc trong công
nghệ đúc mẫu cháy. Mức độ điền đầy tăng đáng kể theo chiều tăng của tần số rung và đạt cực trị tại tần số 40 Hz (điền đầy hoàn toàn bậc 2 mm). Đối với tổ chức tế vi vật đúc, tăng tần số rung và giữ cố định biên độ ở 1,5 mm thì hình dạng và kích thước hạt có thay đổi. Ở tần số rung dưới 20 Hz, hình dạng và kích thước hạt tinh thể ít thay đổi; trong khoảng (30 ÷ 40) Hz, kích thước hạt giảm dần khi tăng tần số rung, nhưng khi vượt quá tần số rung 40 Hz thì kích thước và hình dạng hạt bị biến đổi theo chiều hướng hạt to hơn và bị biến dạng. Có thể kết luận rằng với biên độ rung là 1,5 mm theo như trong nghiên cứu này thì với tần số 40 Hz, tác động rung cơ học tạo kết quả tốt nhất cho tổ chức tế vi vật đúc, hạt nhỏ mịn hơn, hình dạng hạt ổn định.
LỜI CẢM ƠN: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số C2016-20-35.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Simeon Ademola and Aramide Fatai Olufemi, Effects of melt vibration during solification on the mechanical property of Mg-Al-Zn alloy, International Journal of Metallurgy Engineering, 2012, pp. 40-43.
- Naoki Omura and Yuichiro Murakami, Effects of mechanical vibration on macrostructure and mechanical properties of AC4C alluminum alloy casting, Materials Transactions, Vol. 50, No. 11, 2009, pp. 2578-2583.
- Samson Shing Chung Ho, Lost foam casting of periodic cellular materials with aluminum and magnesium alloys, M.A. thesis, University of Toronto, Canada, 2009.
