Các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt phần 2

186 CHƯƠNG Chương ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT - NHỰA 5.1 MỞ ĐẦU Độ xác cao tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng vật đúc Độ xác vật đúc phụ thuộc vào nhiều nhân tố: độ xác mẫu, độ xác sắc nét in hình mẫu khn, độ xác lắp ráp khn, độ biến dạng khn rót, độ co hợp kim đúc Khi đúc khuôn cát - sét, khó chế tạo vật đúc có độ xác cao Hiện nay, nhờ biện pháp kỹ thuật cao, độ xác vật đúc khn cát nâng cao lên gần ngang với phương pháp đúc đặc biệt khuôn kim loại Một phương pháp cơng nghệ đúc khn cát - nhựa Nhựa chất dính hữu tổng hợp từ dầu mỏ, than đá chất có chứa xenlulơ (gỗ, tre, rơm ) Nhựa chất dính khơng thuận nghịch, độ bền riêng cao Nhựa dùng sản xuất đúc Mỹ vào năm 1958, châu Âu vào năm 1960 Liên Xơ vào năm 1963 Dưới tóm tắt lịch sử hình thành sử dụng nhựa sản xuất đúc: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC Năm 1958 Năm 1960 Năm 1962 Năm 1965 Năm 1970 Năm 1974 Năm 1977 Năm 1978 Năm 1978 Năm 1982 Năm 1983 Năm 1984 Năm 1984 187 Phát minh công nghệ hỗn hợp cát - nhựa axit phenolic không nung Mỹ Phát minh công nghệ hộp nóng furan Phát minh cơng nghệ hộp nóng phenolic Phát minh công nghệ urêthan không nung Phát minh công nghệ phenolic không nung Phát minh công nghệ phốt phát alumina không nung Phát minh công nghệ hỗn hợp cát - furan - SO Phát minh công nghệ polyurêthan không nung Phát minh công nghệ hộp ấm Phát minh công nghệ FRC - SO2 Phát minh công nghệ Epoxy - SO2 Phát minh công nghệ Phenolic ester không nung Phát minh công nghệ Phenolic ester hộp nguội 5.2 VẬT LIỆU LÀM KHUÔN CÁT NHỰA Thành phần hỗn hợp cát nhựa gồm hai phần vật liệu chịu lửa chất dính (nhựa) Ngồi cịn chứa số chất phụ gia khác chất làm ẩm, chất tách mẫu, chất phụ gia đông rắn 5.2.1 Vật liệu chịu lửa 1- Mở đầu Cũng hỗn hợp cát - sét, vật liệu chịu lửa hỗn hợp cát nhựa phải đáp ứng yêu cầu độ trơ hóa học, độ chịu lửa, độ nở nhiệt Tuy nhiên, khuôn vỏ mỏng thường dùng đúc vật đúc có độ xác độ bóng bề mặt cao nên yêu cầu phải cao Việc chọn cát không dẫn đến tác hại: - Độ nhẵn bề mặt khuôn giảm tích tụ tự nhiên cát - Độ xác kích thước khn độ nở nhiệt khuôn lớn 188 CHƯƠNG - Tốn nhiều chất dính độ bền khn khơng cao cát bẩn 2- Yêu cầu cát làm hỗn hợp cát - nhựa - Cỡ hạt Cỡ hạt bé làm tổng bề mặt hạt cát tăng lên nên lượng nhựa cần thiết để phủ bề mặt cát tăng Với tỉ lệ nhựa hỗn hợp, cát có cỡ hạt nhỏ làm cho hỗn hợp có độ bền Nhưng hạt cát lớn lỗ rỗng hạt cát lớn nên độ bền khuôn giảm Mặt khác, độ hạt cát lớn độ nhẵn bề mặt vật đúc không cao Thông thường, cát thạch anh, cỡ hạt cát nên 01, 016, 02 (một số trường hợp đặc biệt sử dụng cát có cỡ hạt 0075, 0063) Đối với khuôn cát nhựa, đặc biệt khuôn vỏ mỏng, thường dùng cát có độ hạt phân tán hạt cát đạt nhiệt độ chuyển biến thù hình thời điểm khác làm giảm thay đổi đột ngột thể tích gây nứt vỏ khn - Hình dạng hạt cát Có ba loại: trịn, nửa trịn góc cạnh Cát trịn có bề mặt riêng nhỏ tốn nhựa để tạo lớp màng liên kết, đồng thời diện tích tiếp xúc hạt cát nhỏ làm cho độ thơng khí cao độ bền lại giảm Tuy nhiên, khuôn cát nhựa nói chung, khn vỏ mỏng nói riêng, độ bền quan tâm nhiều độ thơng khí (do độ dày khn nhỏ: 5÷ 15mm khn vỏ mỏng) nên sử dụng loại cát góc cạnh để tăng độ sít chặt vỏ hạn chế khả kim loại lỏng len vào vỏ gây cháy dính cát học - Thành phần hóa học cát Hỗn hợp cát nhựa có yêu cầu chặt chẽ thành phần hóa học cát, đặc biệt trường hợp đơng rắn nguội tạp chất kiềm, kiềm thổ làm trung hòa chất xúc tác đơng rắn (thường axít), làm giảm tốc độ đông rắn độ bền khn Nhìn chung, hàm lượng ơxit kiềm, kiềm thổ không nên vượt 0,5% CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 189 Hình 5.1 trình bày ảnh hưởng CaO MgO tới độ bền nén hỗn hợp cát nhựa Hình 5.1 Hình 5.2 Lượng sét cát cao, độ bền hỗn hợp cát nhựa giảm sét hấp thụ mạnh ion H + (1% sét liên kết với khoảng 6%H+ chất xúc tác), làm giảm độ axít chất xúc tác, làm giảm tốc độ đơng rắn độ bền hỗn hợp Ngồi ra, sét làm yếu liên kết màng chất dính với hạt cát Hình 5.2 biểu thị ảnh hưởng sét tới giới hạn bền nén hỗn hợp cát - nhựa Cát rửa làm tăng độ bền hỗn hợp lên 8÷ 12% Hàm lượng ẩm cát làm giảm tốc độ đông rắn độ bền hỗn hợp nước có tác dụng pha lỗng, làm giảm nồng độ chất xúc tác Cát dùng phổ biến cho hỗn hợp cát nhựa cát thạch anh Đối với vật đúc đặc biệt quan trọng dùng vật liệu chịu lửa đắt tiền cát ơlivin, silicat ziếccôn 5.2.2 Nhựa Phụ thuộc vào môi trường xúc tác mà ta có nhựa nhiệt dẻo (novolac) hay nhựa nhiệt rắn (rezolic) Nhựa nhiệt dẻo nhựa mà sản phẩm sau trùng hợp có tính dẻo Ở nhiệt độ cao, nhựa nhiệt dẻo biến mềm chảy lỏng, nguội đến mức độ đông rắn 190 CHƯƠNG Nhựa nhiệt rắn loại nhựa mà sản phẩm sau trùng hợp đơng cứng khơng bị biến mềm nhiệt độ cao Trong sản xuất đúc, yêu cầu sản phẩm cuối sau trình trùng hợp nhựa nhiệt rắn để q trình đúc, khn khơng bị chảy mềm Theo đặc tính đơng rắn nhựa, sản xuất đúc có hai loại hình đơng rắn nhựa đơng rắn nóng đơng rắn nguội Sơ đồ q trình đơng rắn nguội hỗn hợp cát-nhựa: A→B Sơ đồ q trình đơng rắn nóng hỗn hợp cát-nhựa: A→B→ C đó: A - trạng thái ban đầu nhựa nhiệt rắn (rezolic) Nhựa trạng thái lỏng rắn hịa tan dung môi hữu cơ; B - trạng thái nhựa trùng hợp cầu nối CH Phản ứng trùng hợp xảy nhiệt độ khoảng 200 oC Ở nhiệt độ này, ban đầu nhựa trạng thái lỏng keo lại phân tử rượu phenol liên kết với nhờ cầu nối CH 2, ban đầu nhựa trạng thái rắn mềm ra, đồng thời phân tử rượu phenol liên kết với nhờ cầu nối CH CH2 hình thành urơtrơpin (tên hóa học: hexametyltetramin, cơng thức: (CH)6N4) phân hủy 200oC; C - trạng thái nhựa trùng hợp dạng nhiệt rắn, có cấu trúc khơng gian ba chiều, có độ bền cao khơng bị hịa tan lại dung môi hữu Để chuyển từ trạng thái B sang C phải nung nhựa nhiệt độ 350÷ 400oC Như vậy, chất, nhựa dùng hỗn hợp đông rắn nguội nhựa đa tụ môi trường axit để tạo nhựa nhiệt rắn Hiện có nhiều loại nhựa khác nhau, thường sử dụng cho hỗn hợp cát - nhựa ba nhóm nhựa: phenol formaldehyt, ure formaldehyd, furan 1- Nhựa phenol formaldehyt Nhựa phenol formaldehyt có cấu trúc hóa học gồm hai nhóm hợp chất hóa học phenol formaldehyt CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 191 - Nhóm phenol là: phenol (C 6H5OH), crezol (CH3C6OH), xylenol ((CH3)2C6H3OH) - Nhóm aldehyt là: formaldehyt (CH 2O), fufurol (CH3COCOH), axêtoldehyt (CH3CHO) Phụ thuộc vào tỉ lệ chất tham gia phản ứng, chất xúc tác, nhiệt độ mà sản phẩm thu sau phản ứng đa tụ nhóm phenol với nhóm aldehyd nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn tồn thể lỏng thể rắn Phenol hợp chất hữu cơ, điều kiện thông thường, có dạng tinh thể hình kim khơng màu, có mùi hăng, ăn da tay độc Phenol có khối lượng phân tử 94,2, khối lượng riêng 1,054kg/dm3, sôi 182,1oC, nhiệt độ nóng chảy 40,6 oC Formaldehyd hợp chất hữu cơ, khí khơng màu, có mùi mạnh làm chảy nước mắt Khi làm lạnh, formaldehyd chuyển sang trạng thái lỏng gọi phocmalin Phocmalin có khối lượng phân tử 30, khối lượng riêng 0,815kg/dm3, sơi - 21oC, nhiệt độ nóng chảy - 93oC Trùng hợp nhựa phản ứng tạo thành hợp chất cao phân tử từ hai vài đơn phân tử Quá trình trùng hợp nhựa phenol formaldehyt xảy sau: - Đầu tiên tạo rượu phenol nhân đơn: - Các phenol nhân đơn tương tác với với phenol tạo rượu phenol nhân kép đến phenol đa nhân: - Theo mức độ đa tụ, kích thước cao phân tử tăng dần làm cho dung dịch tăng dần độ nhớt Nhờ nhóm metyl hoạt tính –CH2OH–, nhựa đa tụ tiếp để tạo cấu trúc không gian 192 CHƯƠNG Q trình đa tụ tạm ngưng giai đoạn làm nguội dung dịch, trung hịa mơi trường axit Sau tạo mơi trường đa tụ trở lại nhựa lại tiếp tục đa tụ Chính nhờ tính chất mà nhựa sử dụng làm chất dính hỗn hợp đơng rắn nguội Như vậy, trình chế tạo nhựa phenol formaldehyt (phản ứng ngưng tụ), phenol liên kết với formaldehyt tạo thành rượu phenol Những phản ứng dẫn đến hình thành hợp chất phenol tạo thành mạch dài Tính chất sản phẩm cuối phản ứng phụ thuộc vào môi trường xảy phản ứng Trong dung dịch axit tạo thành nhựa novalac dễ chảy nung đông rắn lại Cho thêm 7÷ 15% urơtropin ((CH2)6N4) vào nhựa nung nóng, urơtropin cho formaldehyt liên kết mạch phân tử nôvalac làm cho chúng đông cứng lại Trong môi trường kiềm, sản phẩm cuối phản ứng nhựa nóng chảy (rezol) Những nhựa nung nóng ba trạng thái: A lỏng; nung nóng, nhựa lỏng độ hoạt chuyển sang dạng keo (trạng thái B); tiếp tục nung nóng dẫn tới tạo thành mạng nguyên tử không gian ba chiều, đông cứng không thuận nghịch (trạng thái C) Nhựa phenol formaldehyt có độ bền cao đắt tiền 2- Nhựa ure formaldehyt Nhựa ure formaldehyt có cấu tạo hóa học gồm hai nhóm hợp chất hóa học nhóm amin nhóm aldehyt - Nhóm amin gồm: cacbamit (cịn gọi ure: [CO(NH2)]2), tioure ([CS(NH2)]2), dicisidiamit (NH–C–HN–NH2) - Nhóm aldehyt: formaldehyt (CH 2O) Ure nguyên chất tinh thể khơng màu, hình kim lăng trụ, chứa 46,66% nitơ, có khối lượng phân tử 60,66, khối lượng riêng khoảng 1,330kg/dm3, nhiệt độ nóng chảy 132÷ 133oC Ure hịa tan nước, rượu, amoniac lỏng, hịa tan ete Ở nhiệt độ cao 133 oC, ure phân hủy amoniac theo phản CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 193 ứng: [CO(NH2)]2 NH3 + H2NCONHCONH2 Trong môi trường kiềm (pH > 11), ure tác dụng với formaldehyd tạo monouremetyl: Trong mơi trường trung tính, monouremetyl tiếp tục tác dụng với formaldehyd để tạo diuremetyl Trong mơi trường axit yếu thừa ure, tạo triuremetyl, pentauremetyl, hecxauremetyl Quá trình đa tụ nhựa xảy chúng chứa gốc metyl tự Kết trình đa tụ tạo liên kết ngang phân tử Những chất dính thuộc nhóm trước dùng khơng phải gia cơng thêm, dùng để chế tạo chất dính khơ nhanh chất dính tự khơ Nếu để lâu nhựa đặc lại, phải dùng nước lạnh để hòa tan Nếu để lâu (trên năm) chất dính tự trùng hợp, tính dính kết Nhóm nhựa rẻ, có độ bền riêng thấp dễ gây rỗ khí có nitơ thành phần nhựa Để khắc phục nhược điểm này, thường sử dụng hàm lượng nhựa hỗn hợp thấp biến tính để tăng bền 3- Nhựa furan Furan chất lỏng khơng màu, có mùi cloroforma, có khối lượng phân tử 68,07, nhiệt chảy lỏng –85,6 o, nhiệt độ sơi 31,3 o, có khả hòa tan rượu, axêton, diokxan Đơn vị cấu trúc nhựa furan có dạng mạch vịng gồm bốn ngun tử cacbon, ngun tử ơxy, có cơng thức hóa học C 4H4O Nếu gốc furan thiếu nguyên tử hydro có tên furil Nếu thay nguyên tử hydro nhóm CH 2, gọi furfuril, nhóm CH - furfural, nhóm CO - furfurol Khi cho furfurol đa tụ hecxametylentetramin axetôn với tỷ lệ khác ta nhận loại nhựa dùng làm chất dính sản xuất đúc 194 CHƯƠNG Từ ba nhóm nhựa trên, kết hợp nhựa nhóm với nhựa nhóm khác để tạo nên nhựa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật kinh tế theo mong muốn Ví dụ, kết hợp nhựa phenol formaldehyd với nhựa ure formaldehyd ta nhựa phenol ure formaldehyt, kết hợp nhựa phenol formaldehyd với nhựa furan - nhựa phenol formaldehyd furan, kết hợp nhựa urea formaldehyt với nhựa furan - nhựa ure formaldehyt furan 5.3 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NHỰA ĐƠNG RẮN NĨNG 5.3.1 Mở đầu Cho đến nay, hỗn hợp cát - nhựa đơng rắn nóng cịn sử dụng phổ biến để chế tạo khn vỏ mỏng ruột nhỏ, phức tạp, yêu cầu cao độ xác kích thước độ bóng bề mặt Chất dính cho hỗn hợp cát - nhựa đơng rắn nóng thường dùng phenol formaldehyd, ure formaldehyd, furan hỗn hợp nhóm nhựa mà thuộc họ nhựa nhiệt rắn nhựa phản ứng nhiệt Hỗn hợp nhựa đơng rắn nóng có hai cơng nghệ chính: cơng nghệ C (Croning) hay cơng nghệ Hot-box công nghệ D (Dietert) Khi đúc khuôn cát - sét thơng thường, có lớp hỗn hợp bề mặt khuôn (cát áo hay cát mặt) tác dụng với kim loại lỏng vật đúc đông đặc, phần hỗn hợp cịn lại (cát đệm) có tác dụng tạo độ bền cần thiết cho khuôn Do hỗn hợp cát - sét có độ bền nhỏ nên phần cát đệm nhiều gấp hàng chục lần phần cát áo Vì xưởng đúc sử dụng khuôn cát - sét, người ta phải sử dụng, xử lý vận chuyển khối lượng hỗn hợp lớn (4÷ 12 hỗn hợp/1 vật đúc) Vì lí (và lí khác), người ta tìm chất dính cho phép nâng cao độ bền hỗn hợp trạng thái “khô” Trên sở xuất phương pháp đúc khn vỏ mỏng Phụ thuộc vào chất chất dính phương pháp làm đông rắn hỗn hợp cát mà có phương pháp làm khn ruột khác Một loại khuôn vỏ mỏng CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 195 sử dụng rộng rãi nửa kỷ qua khuôn vỏ mỏng cát - nhựa chế tạo theo phương pháp nóng Hỗn hợp đơng rắn nóng theo cơng nghệ C hỗn hợp cát trộn với bột nhựa chất đông rắn cát hồ nhựa lớp mỏng lên bề mặt Đổ hỗn hợp cát - nhựa lên mẫu vào hộp ruột nung nóng đến nhiệt độ 200÷ 250oC, nhựa bị chảy chất xúc tác bị phân hủy tạo môi trường để nhựa trùng hợp tiếp tạo nhựa nhiệt rắn Điển hình cho loại hỗn hợp hỗn hợp cát với nhựa punvebakelit Punvebakelit hỗn hợp dạng bột vẩy nhựa phenol - formaldehyt với 7÷ 15% urotropin Bản chất trình đơng rắn xảy sau: Để có nhựa phenol-formaldehyt cần có phenol formaldehyt Khi cho hai thành phần tác dụng với theo tỉ lệ xác định tạo nhựa nhiệt dẻo Nếu tỷ lệ phenol : formaldehyt = : tạo nhựa novolac Ở nhiệt độ đủ cao, nhựa bị chảy lỏng Nếu có dư formaldehyd, nhựa lại tiếp tục trùng hợp với gốc có H phenol để tạo nhựa nhiệt rắn Chính nhiệt độ cao, urotropin (CH) 6N4 bị chảy đóng vai trị chất đơng rắn Do nhựa phenol-formaldehyt độc nên thường dùng loại nhựa khác chứa khơng chứa phenol để thay nhựa ure-formaldehyt, nhựa ure-furfurol-formaldehyt, nhựa phenolfurfurol-formaldehyt, nhựa furan Với nhựa khơng có phenol, chất xúc tác axit 5.3.2 Đặc điểm phương pháp đúc khuôn cát - nhựa đông rắn nóng 1- Ưu điểm Hỗn hợp cát - nhựa có độ linh động cao, khn có đường nét sắc sảo nhờ cho phép độ xác vật đúc cao - Cho phép sử dụng cát làm khuôn cỡ hạt nhỏ để nâng cao độ bóng bề mặt vật đúc mà bảo đảm độ thơng khí 270 - Ơ nhiễm nước - Chất thải rắn CHƯƠNG mạnh trung bình nhiều nhiều nặng nhiều không 8.2.2 Lịch sử phát triển Năm 1971 Y.Kubo K.Nakata tìm công nghệ thông báo phát minh năm 1972 với tên gọi Phương pháp V (Vprocess) Tháng 06/1973 Nhật đưa vào sản xuất dây chuyền làm khuôn tự động theo phương pháp V có kích thước hịm khn 600×600×150mm với suất 90khn/giờ sau dây chuyền có suất 40khn/giờ cho hịm khn có kớch thc 1370ì990ì940mm T nm 1973ữ 1978 Nht ó cp 98 licence liên quan đến phương pháp đúc Năm 1983 sản lượng đúc theo phương pháp Nhật vượt 100.000 tấn, bao gồm: 89.000 gang, 8.000 thép, 8.000 hợp kim màu Năm 1986 sản lượng đúc theo phương pháp Liên xô khoảng 2.000 đến năm 1990 đạt 28.000 Năm 1986 Xí nghiệp Pont-a-Mousson (Pháp) xây dựng Xưởng đúc có suất 100 khn (≈ 25 tấn)/ca, đúc vật đúc nặng tới 500kg Từ thập niên 80 kỷ nay, công nghệ nghiên cứu, hoàn thiện phát triển mạnh mẽ Nhật, Mỹ, Nga, Tây Âu để chế tạo chi tiết đúc hợp kim sở nhôm, đồng, sắt để phục vụ cho ngành xây dựng, dệt, chế tạo máy, đóng tàu, chế tạo xe máy nhanh chóng chiếm vị trí vững ngành đúc ưu điểm vượt trội tính mơi trường công nghệ Riêng Mỹ, năm 1981, Bill Wilmont, chủ tịch Công ty Hermon mua công nghệ Nhật mở công ty Harmony Castings Inc Từ 11 nhân viên năm 1986 đến năm 2000 Công ty có khoảng 130 nhân viên với doanh số 12 triệu CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 271 USD phát triển mạnh mẽ chiều rộng lẫn chiều sâu công nghệ Năm 1988, Minneapolis Electric Co (Mỹ) xây dựng xưởng đúc thép theo phương pháp với suất 40.000 tấn/năm, đúc vật đúc nặng tới 4.000kg Cho đến nay, có số cơng ty hàng đầu chuyên đúc khuôn MMCK Sản phẩm đúc phương pháp thường chiếm tỉ lệ nhỏ tổng sản lượng công ty lại sản phẩm đặc biệt, dùng ngành công nghiệp đặc biệt chi tiết khung kính hiển vi hồng ngoại (Công ty Spectra-Tech,Inc.Shelton, Connecticut), khung cho động xe máy (hãng xe máy Harley-Davision), chế tạo mẫu cho phương pháp đúc áp lực (hãng Metaalgieterij Kinheim) Hiện nay, nhiều phụ tùng xe máy hợp kim nhôm chế tạo công nghệ khuôn màng mỏng - chân không mà Công ty tiên phong Harley Davidson Hiện công nghệ sử dụng nhiều nước: Nhật, Mỹ, CHLB Đức, Nga, Hàn Quốc… 8.2.3 Nguyên lý Phương pháp đúc màng mỏng chân không tiến hành sau: - Mẫu khuôn màng mỏng chân không chế tạo có lỗ thơng bề mặt mẫu Mẫu gắn lên mẫu rỗng có lỗ hút chân khơng (H.8.9) Hình 8.9 Tấm mẫu khuôn màng mỏng chân không - Màng mỏng làm chất dẻo có độ dày từ 0,05÷ 0,15mm Màng mỏng nung nóng thời gian thích hợp để có tính dẻo cao, độ biến dạng tốt (H.8.10) 272 CHƯƠNG Hình 8.10 Màng mỏng nung nóng tạo độ dẻo, dễ biến dạng - Màng sau nung phủ lên mẫu hút chân khơng với độ chân khơng 250÷ 600mmHg Áp suất chân không thông qua lỗ thông mẫu hút cho màng mỏng ép sát vào bề mặt mẫu (H.8.11) Hình 8.11 Màng hút ép chặt vào bề mặt mẫu nhờ áp suất chân khơng - Hịm khn đặt lên mẫu phủ màng mỏng plastic Thành hịm khn có kết cấu đặc biệt để hút chân khơng bên hịm khn Hình 8.11 Hịm khuôn đặt mẫu phủ màng mỏng - Cát khơ cho vào hịm khn Cát phải sạch, khơng lẫn chất kết dính hay hóa chất khác có mật độ độ mịn thích hợp Sau đó, tiến hành rung lèn chặt cát với biên độ, tần số thời gian thích hợp để mật độ, độ sít chặt cát khn phù hợp mà không phân bố lại độ hạt (H.8.12) CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 273 Hình 8.12 Đổ cát vào hịm khn rung lèn chặt - Tạo hình phễu rót làm phẳng bề mặt cát mặt khuôn Sau đó, phủ màng mỏng plastic lên bề mặt khn Tấm màng mỏng khơng cần nung nóng ép sát vào mặt phẳng cát khơng địi hỏi độ mềm biến dạng cao (H.8.13) Hình 8.13 Tạo phễu rót, làm phẳng khn đặt màng mỏng lên 274 CHƯƠNG - Tiến hành hút chân khơng hịm khn Ap chân khơng hút màng mỏng ép chặt vào cát làm khuôn để hạt cát liên kết với tạo thành khuôn màng mỏng chân không cứng bền vững Áp suất chân khơng hịm khn cân với áp suất chân không mẫu Tiếp tục tiến hành nhả chân khơng mẫu, làm điều hịa áp suất khơng khí mẫu tách lấy mẫu khỏi khn ta nửa hịm khn với lịng khn có biên dạng vật đúc Và tiếp tục tiến hành làm tương tự nửa hịm khn cịn lại (H.8.14) Hình 8.14 Hút chân khơng khn nhả chân không mẫu để lấy khuôn - Sơn lên màng mỏng lớp sơn, sau đó, ráp nửa khn nửa khn tiến hành rót kim loại vào Trong q trình rót kim loại tiến hành hút chân khơng (H.8.15) Hình 8.15 Ráp khn khn giữ chân khơng chờ rót - Sau vật đúc đông đặc nguội đến nhiệt độ thích hợp, nhả chân khơng hịm khn Cát nhả chân khơng rơi tự khỏi hịm khn thành vật liệu rời khơng có tượng dính thành mảng phương pháp dùng chất dính kết khác Cát sau nguội sử dụng lại (H.8.16) Hình 8.16 Nhả chân khơng, lấy vật đúc khỏi hịm khn CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 275 8.2.4 Đặc điểm 1- Ưu điểm - Ngun cơng lấy mẫu khỏi hịm khn đơn giản (chỉ cần thải chân không), mẫu không cần độ xiên thành không cần thao tác đánh động mẫu, độ xác vật đúc cao, giảm đáng kể lượng dư gia cơng - Độ chân khơng trì q trình chế tạo khn rót có tác dụng hút khí, loại bỏ hồn tồn khuyết tật liên quan đến rỗ khí vật đúc - Do sử dụng cát sạch, khơng dùng chất dính nên sau đúc xong, cát không cần phải xử lý Điều làm giảm đáng kể lượng tiêu hao vật liệu làm khn, chi phí xử lý hỗn hợp làm khuôn đặc biệt giảm ô nhiễm môi trường sản xuất đúc - Việc sử dụng cát mịn, khô, làm bề mặt khuôn nhẵn, trở lực khn dịng chảy nhỏ nên đúc vật đúc thành mỏng, độ bóng bề mặt cao - Do mẫu phủ màng chất dẻo ngăn cách mẫu với cát khuôn nên làm giảm hao mòn mẫu Điều làm tăng tuổi thọ mẫu, góp phần làm tăng độ xác vật đúc - Không yêu cầu cao tay nghề cơng nhân - Dễ khí hóa tự động hóa 2- Nhược điểm - Khó đúc chi tiết có tỉ số chiều cao chiều dày thành lớn - Không phù hợp với sản xuất đơn - Với hịm khn có kích thước lớn, việc cấp chân không không đơn giản 8.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khuôn màng mỏng - chân khơng 1- Các tính chất cát làm khuôn Theo [6], cát dùng cho khuôn màng mỏng-chân không nên đáp ứng yêu cầu: 276 CHƯƠNG - Cát phải có độ cao để đảm bảo khả chịu nhiệt không bị phân lớp rung lèn chặt - Hàm lượng sét thấp tốt (để khơng qua lưới lọc cát) - Có độ hạt mịn so với cát khn có dùng chất dính (do khơng phải quan tâm đến độ thơng khí khn) để tạo điều kiện cho vật đúc có độ bóng bề mặt cao - Hạt cát nên dạng tròn để dễ lèn chặt - Mức độ tập trung độ hạt vừa phải để mật độ khuôn sau lèn chặt cao đồng thời không xảy tượng phân bố lại độ hạt 2- Loại màng, chiều dày màng chế độ nung màng Màng phải đủ mỏng, bền, có khả biến dạng tốt để đảm bảo khả tạo hình màng Hiện màng sử dụng phổ biến cho phương pháp đúc màng PE PE biến tính có độ dày từ 0,06÷0,25mm Màng nung điện trở gió nóng khoảng nhiệt độ 50÷ 80oC với thời gian nung 5÷ 30 s 3- Chế độ rung lèn chặt cát làm khuôn Chế độ rung lèn chặt phải bảo đảm cát có mức độ lèn chặt cao, khơng bị phân lớp độ hạt, tiêu tốn lượng rung lèn chặt Chế độ rung hợp lý: rung theo phương đứng; gia tốc rung a ≥ 4÷ 6g; thời gian rung 10÷ 60s 4- Độ chân không công suất cấp chân không Đối với khuôn màng mỏng - chân không, áp lực chân không lực để liên kết hạt cát, tạo cho khn có độ bền định Nếu độ chân khơng khơng đủ lớn, khn khơng đủ bền, lịng khn dễ biến dạng q trình thao tác cơng nghệ Ngược lại, độ chân không lớn, khuôn bền tạo cản co cho vật đúc trình đơng đặc làm nguội, vật đúc dễ bị cong vênh nứt Một yếu tố định việc chế tạo khuôn màng mỏng- chân không khả cấp chân không Ở khuôn thông dụng, độ bền hỗn hợp đạt chất dính liên kết hạt cát rời rạc lại với Cịn khn màng 277 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC mỏng - chân không, độ bền đạt độ chênh lệch Dp áp suất khí bên khn Hịm khn thơng dụng dùng để gia cố học hỗn hợp, cịn hịm khn màng mỏng - chân khơng có tác dụng tạo Dp “hóa bền” khối cát nằm khơng gian hịm khn hai màng chất dẻo Trong trình chế tạo vật đúc khuôn màng mỏng - chân không, với quan điểm phá sập khn ngun cơng rót khn nguy hiểm việc giảm Dp Việc ngăn ngừa phá sập khuôn phụ thuộc vào nhiều nhân tố công nghệ: - Độ thơng khí khối cát làm khn - Lớp sơn màng - Độ chân khơng tính ổn định việc cấp chân không (khả đảm bảo Dp) - Phương pháp dẫn kim loại cách bố trí vật đúc khn - Tốc độ rót Trong yếu tố đảm bảo Dp quan trọng Khả đảm bảo Dp phụ thuộc vào công suất hệ thống cấp chân khơng kết cấu hịm khn Xác định công suất chân không Theo [6, 18], lưu lượng hút cần thiết bơm chân không Sbơm tính theo cơng thức: kmQ Sbơm = P − P o ck (8.5) với: k - hệ số dự trữ, tính đến tổn thất đường ống yếu tố khó xác định m - số lượng khn hút chân không đồng thời Pck Q= W kh (8.6) Wkh - trở kháng khn chống thất độ chân khơng po - áp suất khí pck - độ chân không miệng hút khuôn 278 CHƯƠNG Để đơn giản tính tốn, giả định trở kháng hai mặt khn Ta có: Wkh = wkh 2A (8.7) đó: wkh - trở kháng riêng khuôn A - chu vi khuôn wkh = (1,5 + 0,08 Pkh) k1 k2 k3 k4 k1 - hệ số tính đến độ đàn hồi màng k2 - hệ số tính đến độ hạt cát khn k3 - hệ số tính đến phương pháp làm kín màng k4 - hệ số tính đến mức độ làm vùng tiếp xúc 5- Chất sơn màng chế độ sơn màng Khi rót khn, chưa tiếp xúc với kim loại lỏng, màng bị phân hủy Điều dẫn tới tượng sụp khn chân khơng Có thể tránh tượng cách dùng chất sơn màng thích hợp Chất sơn màng cịn có tác dụng chống cháy dính cát học, tăng độ bóng bề mặt cho vật đúc Các chất sơn màng thường có thành phần: chịu lửa (bột thạch anh, bột silicat ziếccôn, graphit ); dung mơi dễ bay hơi: cồn, acêtơn ; chất dính; chất chống sa lắng 6- Tốc độ rót khn Tốc độ rót khn yếu tố quan trọng công nghệ khuôn màng mỏng - chân không Rót q chậm làm màng phân hủy sớm, cịn rót nhanh gây nên tượng bắn tóe kim loại áp lực cao màng bị phân hủy 8.3 ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG 8.3.1 Nguyên lý Trình tự q trình đúc hút chân khơng (H.8.17): Nhúng khn vào nồi lị kim loại lỏng CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 279 Mở van để khuôn hệ thống cấp chân không thông qua đường ống Hệ thống cấp chân khơng bao gồm: bơm chân khơng 6, bình tích chân khơng (có tác dụng ổn định độ chân khơng cấp cho khuôn), hệ thống van, đồng hồ đo khống chế độ chân không Phụ thuộc vào độ chân không, kim loại lỏng khuôn dâng lên tới độ cao H Khi kim loại khuôn đông đặc đạt tới chiều dày yêu cầu, thải chân không, kim loại lỏng thừa khn chảy xuống Hình 8.17 Sơ đồ nguyên lý đúc hút chân không 8.3.2 Đặc điểm - Kim loại lỏng dâng lên khn êm, sử dụng ruột cát - Có thể đúc vật đúc thành mỏng - Nhờ chân không, khí hịa tan kim loại lỏng dễ ngồi, tránh rỗ khí vật đúc - Tiết kiệm kim loại khơng cần hệ thống rót - Tổ chức kim loại nhỏ mịn - Dễ khí hóa, tự động hóa 280 CHƯƠNG 8.3.3 Phạm vi sử dụng Phương pháp sử dụng để đúc đặc; ống thép, đồng có đường kính 40÷ 200mm, dài đến 2000mm; ống nhơm dài đến 4000mm Cũng sử dụng phương pháp để đúc vật đúc thành mỏng, phức tạp khuôn có dùng ruột cát 8.4 ĐÚC DẬP LỎNG 8.4.1 Nguyên lý Sơ đồ nguyên lý phương pháp đúc dập lỏng thể hình 8.18 Hình 8.18 Sơ đồ nguyên lý đúc dập lỏng a) Khuôn hở; b) Khn kín Kim loại lỏng rót vào khn kim loại Dùng chày ép vào khuôn kim loại kết tinh Lực ép lớn, tới 400kG/cm2 Độ bền sản phẩm đúc dập lỏng cao tương đương sản phẩm rèn Bằng phương pháp đúc thỏi, vật đúc thành dày (đến 200mm) mỏng (có thể tới 2mm), khối khối lượng vật đúc từ vài gam đến vài trăm kg Vật đúc chế tạo hợp kim kẽm, nhôm, đồng, gang Quá trình dập lỏng thường tiến hành máy ép thủy lực CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 281 8.5 ĐÚC TRONG KHUÔN TỪ Phương pháp đúc khuôn từ công bố năm 1971 Đức Trong phương pháp đúc này, hạt sắt (có kích thước ≈ 0,25mm) sử dụng thay cát để đổ vào hịm khn bao quanh mẫu hóa khí polystirene Khi áp đặt từ trường đủ mạnh, tạo nên dòng điện chiều, hạt sắt nhiễm từ hút chặt vào tạo độ bền cho khn Sau rót khn làm nguội vật đúc, xả từ trường khỏi khuôn, dễ dàng lấy vật đúc hạt sắt sử dụng trở lại để làm khn tiếp Hình 8.19 trình bày sơ đồ nguyên lý phương pháp đúc Hình 8.19 Sơ đồ nguyên lý phương pháp đúc khuôn từ Phương pháp đúc sử dụng để đúc vật đúc nhỏ hợp kim nhôm, gang, thép 282 Tài liệu tham khảo [1] Đinh Quảng Năng, Vật liệu làm khuôn cát, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [2] Phạm Quang Lộc, Kỹ thuật đúc, Nhà xuất Thanh niên, 2000 [3] Phan Tử Phùng, Nguyễn Ngọc Thư, Nguyễn Dzụ, Sách tra cứu đúc gang - tập II, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1985 [4] Nguyễn Xuân Bông, Phạm Quang Lộc, Thiết kế đúc, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1978 [5] Phan Tử Phùng, Sách tra cứu đúc thép, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hội Đúc - Luyện kim Việt Nam, Hà Nội, 1991 [6] Nguyễn Ngọc Hà, Nghiên cứu công nghệ tạo phôi xác phương pháp màng mỏng - chân khơng, Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, TP Hồ Chí Minh, 01/2005 [7] Richard W Heine, Carl R Loper, Philip C Rosenthal, Principles of metal casting, Mc Graw - Hill Book Company, New York, 1976 [8] Belopukhov A K., Công nghệ đúc áp lực (tiếng Nga), Nhà xuất Chế tạo máy, Moskva, 1985 [9] Belov B M., Đúc thép hợp kim áp lực (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 4, 1980 [10] Cmoliakov A N., Kopehianko B A., Sản xuất ống gang phương pháp đúc li tâm (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 4, 1988 [11] Osinski B I., Các đặc trưng sản xuất phơi đúc có hình dạng phức tạp phương pháp đúc li tâm (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 4, 1988 [12] Sadrin N I., Hỗn hợp làm khuôn cát - nước thủy tinh với chất phụ gia vật liệu phốt phát tự nhiên (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 6, 1989 283 [13] Mirzoian G S., Sản xuất ống đúc li tâm có đường kính lớn (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 3, 1989 [14] Khmelev I Dubrovskai G A., Sử dụng cát thạch anh để chế tạo khuôn vỏ điều kiện sản xuất hàng loạt (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 3, 1989 [15] Safronov V A., Tepliakov S D., Sự phát triển q trình cơng nghệ chế tạo khuôn ruột hỗn hợp cát - nước thủy tinh (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 9, 1988 [16] Belostoski M D., Một số vấn đề phát triển đúc áp lực (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số , 1989 [17] Alekseev L G., Về việc mở rộng phạm vi sử dụng khuôn màng mỏng - chân không sản xuất đúc (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 7, 1988 [18] Skalikov M C., Pimenov V M., Điền đầy khuôn màng mỏng - chân không (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 7, 1988 [19] Kotliarski F M., Va đập thủy lực khuôn đúc áp lực thấp (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 6, 1988 [20] Hechitailov G I Vasilieva N F., Nghiên cứu sử dụng nước thủy tinh làm chất dính khn mẫu chảy (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 11, 1988 [21] Belov V M., Iudkovski S I., Đúc áp lực chi tiết hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 12, 1987 [22] Klemchuk L V., Muliak M., Akarchev I G., Sấy khuôn vỏ với chất dính phốtphát (tiếng Nga), Tạp chí sản xuất Đúc, Số 12, 1987 [23] U.S Pat No 4852629: Cold-box-B Progress for forming foundry shapes Which utilizes certain carboxylic acids as bench life extenders [24] U.S Pat No 4946876: Polyurethan-forming foundry binders containing A Polyester Polyol 284 [25] U.S Pat No 4974659: Coldbox progress for preparing foundry shapes which use acrylated epoxy resins [26] U.S Pat No 5338774: Polyurethan-forming foundry binders systems containing polyphosphoryl chloride www.wynndanzur.com www.lostfoam.com.cn www.richards-engineering.co.uk www.mse.mtu.edu www.wtec.org www.castmetalsfederation.com www.castsolution.com www.lostfoam.com www.asme.org www.umr.edu www.autofieldguide.com www.sfsa.org www.nationmaster.com www.irc.cordis.lu www.eng.uab.edu www.ray-vin.com www.vulcangroup.com www.eere.energy.gov ... 1,0 5 ,2 x 3,8 x 2, 9 6,1 x 4,6 x 3 ,2 231 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC Chương ĐÚC TRONG KHUÔN MẪU CHẢY 6.1 BẢN CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP 6 .2. 1 Bản chất phương pháp Đúc xác... hạn, phải lèn khuôn CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 21 5 Bảng 5 .2 Các khuyết tật đặc biệt khuôn, ruột vỏ mỏng vật đúc 21 6 Dạng khuyết tật CHƯƠNG Nguyên nhân Biện pháp khắc phục Nhiệt... nung nhiệt độ CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 21 3 20 0oC 1,5÷ 2- Ráp khn vỏ mỏng Khn vỏ mỏng ráp cách cặp chặt dán nửa khuôn vỏ lại với 21 4 CHƯƠNG a) Các phương pháp cặp chặt khuôn