Công nghệ kim loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA NHIỆT LẠNH TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ KIM LOẠI Lớp học phần: ĐHNL3TLT Học kỳ: 3 Năm học: 2011-2012 GVGD: Nguyễn Văn Dần SVTH: Nguyễn Minh Hải MSSV: 09277991 SVTH: Trần Bùi Công Nghĩa MSSV: 09247931 TPHCM, ngày 04 tháng 01 năm 2012 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ đúc hiện là tứ đại thiên vương trong chuyên ngành kim loại và hợp kim cho nên việc hiểu rõ để định hướng vào ngành này là điều vô cùng cấp thiết. Theo xu hướng hiện nay đúc có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống. Đúc có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế. Tuy nhiên, ở nước ta vẫn chưa quan tâm nhiều đến vai trò của nó, ví như: những lợi ích từ việc sản xuất các chi tiết thay thế, vai trò trong đời sống hằng ngày. Thêm vào đó, một số nhà sản xuất, quản lý và chuyên viên kỹ thuật chưa hiểu được sự khác biệt của chi tiết được chế tạo từ Đúc và từ các phương pháp khác. Kết quả là thiếu cơ hội cho các nhà sản xuất. Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, khối lượng vật đúc trung bình chiếm khoảng 40% đến 80% tổng khối lượng máy móc, trong ngành cơ khí khối lượng vật đúc chiếm đến 90% mà giá thành chỉ chiếm có 20% đến 25%. Ứng dụng lớn nhất là xe hơi và xe tải hạng nhẹ vào khoảng 31%. Các lĩnh vực khác bao gồm xây dựng, khai khoáng và dầu khí khoảng 6%, đường ống và khớp nối 15%, máy bơm và nén khí 3%, đô thị 3%, đường sắt 6%, máy nông nghiệp 6%, van 5%, động cơ đốt trong 5%. Đầu tư về phát triển công nghệ mới để giảm ô nhiễm môi trường. Đúc mẫu cát hiện đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới. Các dòng sản phẩm đúc bằng công nghệ mẫu cát ngày càng nhiều vì có chất lượng cao và tỷ lệ sản phẩm hư hỏng thấp. Theo khảo sát của khoa công nghệ vật liệu trường đại học bách khoa TP.HCM, ở TP.HCM hiện chỉ có một doanh nghiệp sử dụng công nghệ đúc mẫu cát, chỉ để sản xuất các sản phẩm trang trí mỹ nghệ. Trong khu chế xuất Tân Thuận có một công ty của Nhật áp dụng công nghệ này để sản xuất các chi tiết máy, song các sản phẩm chủ yếu được xuất về thị trường Nhật và ra thị trường thế giới. Hiện nay các doanh nghiệp trong nước cho đến nay chủ yếu vẫn đang sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn cát, mà mặt hạn chế là chất lượng vật đúc thấp và tỷ lệ phế phẩm cao (trên30%). Hiện nay, công ty cổ phần cơ khí & đúc kim loại Sài Gòn (Sameco) đã thực hiện thành công quy trình công nghệ đúc mẫu cát các chi tiết phức tạp chất lượng cao cho ngành cơ khí, với công suất 600 tấn/năm. Đây là lần đầu tiên công nghệ này được công ty trong nước thực hiện thành công. Kết quả này sẽ thiết thực góp phần cung cấp cho thị trường trong nước những sản phẩm phôi đạt chất lượng cao (giúp các doanh nghiệp trong nước giảm giá thành sản xuất), nâng cao khả năng cạnh tranh và xuất khẩu cho các doanh nghiệp cơ khí. Vì vậy, Đúc trong khuôn mẫu cát là một phương pháp mới nhiều ưu điểm. Đúc mẫu cát có thể làm được các chi tiết phức tạp, có thành mỏng, chất lượng bề mặt cao, giảm đáng kể lượng gia công cơ khí, nhiều chi tiết đúc xong có thể sử dụng ngay. Đúc mẫu cát có thể làm được các sản phẩm có trọng lượng từ vài gram đến vài chục kilogram. 1 Công nghệ đúc 1.1 Định nghĩa 1.2 Đặc điểm. 1.3 Phân loại các phương pháp đúc 1.4 Sơ đồ sản xuất đúc bằng khuôn cát 1.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc 1.6 Nguyên lý thiết kế kết cấu vật đúc 1.1 Định nghĩa Đúc là quá trình điền đầy kim loại ở thể lỏng vào lòng khuôn đúc có hình dạng kích thước định sẵn. Sau khi kim loại đông đặc ta thu được sản phẩm tương ứng với lòng khuôn. Sản phẩm đó gọi là vật đúc. Nếu đem vật đúc gia công như gia công cắt gọt gọi là phôi đúc. Mọi vật liệu nhỏ : gang, thép,hợp kim màu, vật liệu phi kim khi nấu chảy , đều đúc được. Tạo ra vật đúc có kết cấu phức tạp. Có khối lượng lớn mà các gia công phôi khác không thực hiên được. 1.2 Đặc điểm Nhược điểm: Do quá trình kết tinh từ thể lỏng nên trong vật đúc dễ tồn tại các dạng rỗ co, rỗ khí, nứt, lẫn tạp chất. Khi đúc trong khuôn cát, độ chính xác về kích thước và độ bóng thấp. Tiêu hao một phần không nhỏ kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót và cho các đại lượng khác (lượng dư, độ xiên . . .) 1.3 Phân loại các phương pháp đúc Phương pháp sản xuất đúc được phân loại tuỳ thuộc vào loại khuôn mẫu, phương pháp làm khuôn .vv. Tuỳ thuộc vào loại khuôn đúc người ta phân ra làm hai loại: Đúc trong khuôn cát Đúc đặc biệt a) Đúc trong khuôn cát: Khuôn cát là loại khuôn đúc một lần (chỉ rót một lần rồi phá khuôn).vật đúc tạo hình trong khuôn cát có độ chính xác thấp độ bóng bề mặt kém lượng dư gia công lớn.Nhưng khuôn cát tạo ra vật đúc có kết cấu phức tạp, khối lượng lớn. b) Đúc đặc biệt: Ngoài khuôn cát , các dạng đúc trong khuôn đúc (kim loại ,vỏ mỏng .) được gộp chung là đúc đặc biệt . Đúc đặc biệt, do tính riêng từng loại cho ta sản phẩm chất lượng cao hơn ,độ chính xác ,độ bóng cao hơn vật đúc trong khuôn cát. Ngoài ra phần lớn các phương pháp đúc đặc biệt có năng suất cao hơn .tuy nhiên đúc đặc biệt thường chỉ được vật đúc nhỏ và trung bình . 2 1.4. Sơ đồ sản xuất đúc bằng khuôn cát Hỗn hợp làm khuôn Mẫu đúc Hộp lõi Hỗn hợp làm lõi Nhiên liệu Lò đúc Làm khuôn Làm lõi Sấy lõi Sấy khuôn Lắp ráp khuôn, lõi Nguyên liệu kim loại Nấu kim loại Biến tính Rót khuôn Phá khuôn,lõi Kiểm tra Làm sạch vật đúc Thành phẩm Phế phẩm Khuôn tươi Khuôn khô 1.5 Những nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc * Chất lượng vật đúc + Độ chính xác hình dạng và kích thước + Độ nhẵn bóng bề mặt + Tính chất kim loại * Nhân tố ảnh hưởng -Hợp kim đúc: -Loại khuôn đúc và phương pháp đúc -Ảnh hưởng của công nghệ đúc . 1.6 Nguyên lý thiết kế kết cấu vật đúc. a. Khái niệm : Vật đúc là dạng sản phẩm hình thành từ hợp kim lỏng trong lòng khuôn. Sự hình thành đó chịu ảnh hưởng lớn kết cấu vật đúc. b. Yêu cầu của một kết cấu kim loại Bảo quản quy trình công nghệ làm khuôn đơn giản, thuận tiện. Để xác định vị trí lòng khuôn trong khuôn đúc để tạo ra hướng kết tinh đúng nhằm nâng cao chất lượng hợp kim đúc loại bỏ các khuyết tật đúc. Bảo đảm cho quy trình công nghệ gia công cắt gọt được thuận tiện. Bảo đảm cơ tính vật đúc. 3 Trong sản xuất đúc, vật đúc được phân chia thành khối lượng gồm : Nhỏ, trung bình, và lớn. Vật đúc nhỏ ≤100 kg Vật đúc trung bình 100 ÷ 150 kg Vật đúc lớn > 500 kg Tính chất sản xuất : Đơn chiếc : 1 ÷ 50 vật đúc / năm Hàng loạt: : Nhỏ : 50 ÷ 100 vật đúc / năm Vừa : 100 ÷ 1000 vật đúc / năm Lớn : 1000 ÷ 10.000 vật đúc / năm Hàng khối : > 10.000 vật đúc / năm Sản xuất : Lỗ ϕ ≥ 50 mm → đơn chiếc Lỗ ϕ ≥ 30 mm → hàng loạt Lỗ ϕ ≥ 20 mm → hàng khối Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu. Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại . Công nghệ đúc được chia thành hai loại chính: Đúc thông thường và Đúc đặc biệt Là công nghệ có từ cổ xưa, đúc thông thường được thực hiện với các khuôn cát. Đúc đặc biệt Là phương pháp khác đúc thông thường, đúc đặc biệt có sự khác biệt về nguyên liệu và công nghệ làm khuôn, cách điền đầy và tạo hình vật đúc. Đúc đặc biệt thường sử dụng khuôn kim loại. Thường có các dạng: Đúc trong khuôn kim loại, Đúc áp lực, Đúc ly tâm, Đúc liên tục và một số công nghệ đúc đặc biệt khác. Đúc trong khuôn kim loại Ưu điểm: Đúc trong khuôn kim loại là thuật ngữ chỉ một phương pháp sản xuất vật đúc bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn kim loại. Vật đúc đông đặc dưới tác dụng của trọng trường mà không chịu bất kỳ tác động nào khác. Đây là phương pháp rất phổ biến hiện nay do nó có các đặc điểm sau đây:  Khuôn được sử dụng nhiều lần;  Độ sạch và độ chính xác được nâng cao đáng kể. Điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí;  Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, đặc biệt là độ bền ở lớp bề mặt tiếp giáp với khuôn kim loại.  Nâng cao sản lượng hàng năm do giảm được kích thước đậu ngót và phế phẩm đúc. 4  Nâng cao năng suất lao động.  Tiết kiệm diện tích nhà xưởng do không cần chế tạo hỗn hợp làm khuôn và quá trình làm khuôn.  Giảm giá thành sản phẩm.  Dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động tốt. Nhược điểm: Chế tạo khuôn kim loại phức tạp và đắt tiền; độ bền khuôn hạn chế khi đúc thép, khó đúc những vật thành mỏng và hình dáng phức tạp; vật đúc có ứng suất lớn do khuôn kim loại cản co mạnh; vật đúc gang dễ bị biến trắng; quy trình đúc phải chặt chẽ. Tuy có những đặc điểm trên nhưng công nghệ đúc trong khuôn kim loại vẫn được sử dụng rộng rãi để đúc gang, hợp kim và kim loại màu trong sản xuất hàng loạt và loạt lớn bởi vì có những chi tiết không thể chế tạo được nếu không sử dụng khuôn kim loại, ví dụ các tấm lớn thân máy bay, các chi tiết nhỏ nhưng đòi hỏi độ bền cao trong động cơ. Đúc phôi thép  Thiết bị đúc khuôn Thiết bị đúc khuôn thường được chia thành đúc trên và đúc dưới, đúc thép lắng và thép sôi.  o Đúc trên: Rót vào từ đầu thỏi. o Đúc dưới:  Ưu điểm: Rót vào ống từ các cống rót dâng lên từng thỏi từ phía dưới. Như vậy với đúc dưới, một lầm rót có thể rót được nhiều thỏi, năng suất và chất lượng bề mặt thỏi tốt hơn nhiều do mặt nước thép dâng lên bìh ổn không bắn toé như rót từ trên, khí, tạp chất và xỉ đều có điều kiện nổi lên trên tốt hơn, che chắn chống tái ô xy hoá cũng thuận tiện.  Nhược điểm: Thiết bị trên đĩa đúc, ống rót trung tâm phức tạp hơn, tiên tốn thêm vật liệu chịu lửa và lượng thép ở ống rót và cống rót, giảm suất thu hồi kim loại.  Thùng rót Tác dụng của thùng rót hay còn gọi là thùng chứa ngoài tác dụng chứa đựng nước thép đến nơi đúc ra còn làm nhiệm vụ cuối cùng tiến thêm một bước nữa là khử ô xy, khử S, đồng đều nhiệt độ, thành phần nước thép, lắng nước thép một thời gian để khử khí, tạp chất và xỉ nổi lên tách ra khỏi nước thép, làm sạch cải thiện đáng kể lượng thép. Cũng chính lợi dụng thời gian nước thép lắng trong thùng dài hay ngắn, kích thước lỗ rót mà điều chỉnh nhiệt độ, tốc độ rót đúc hợp lý. Khi mà những năm gần đây phương pháp tinh luyện ngoài lò phát triển mạnh mẽ thì thùng rót kiêm luôn một thiết bị (lò luyện) quan trọng trong việc tinh luyện. 5 Khuôn đúc là thiết bị tạo hình cho nước thép đông đặc khi rót nước thép vào tạo thành thỏi thép. Trong sản xuất, khuôn đúc là phần hao tổn có tính thay đổi, có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thép và là một chỉ tiêu hạch toán kinh tế. Cho nên thiết kế cần chính xác, sử dụng và duy tu bảo dưỡng chuẩn xác có ý nghĩa rất quan trọng.  o Vật liệu làm khuôn: Vật liệu làm khuôn thường sử dụng gang có tính dẫn nhiệt tốt, chắc chắn và rẻ. Do tính chất của việc đúc thép rất khắc nghiệt, đều kiện làm việc của khuôn thép mang tính chu kỳ: gia nhiệt, làm nguội, tức là giãn nở, co ngót nên khuôn đúc dễ bị hỏng bởi nứt hoặc chóc. Tuổi thọ khuôn đúc phần lớn được quyết định bởi thành phần hoá học Để nâng cao tính đúc cần duy trì một hàm lượng các bon tương đối cao: Thường khoảng 3,2 -4,0%, Si líc (Si) chọn theo yêu cầu của tổ chức: thường khoảng 1,2 - 2,2 %. Hiện tượng tróc khuôn tăng theo hàm lượng Si tăng, nhưng nứt thì ngược lại. SÁU YẾU TỐ CƠ BẢN TRONG QUÁ TRÌNH ĐÚC 1. Khuôn khoang (khuôn mẫu): Trong khi thực hiện một khoang khuôn với hình dạng và kích thước mong muốn, người ta phải ghi nhớ trong đầu những yếu tố co rút của kim loại kiên cố hóa. Các khoang chứa trong chính nó tất cả các phức tạp của hình dạng của các thành phần đã hoàn thành mong muốn. Khuôn mẫu khoang Lựa chọn vật liệu khuôn phải là cũng rất quan trọng vì nó phải có khả năng tái tạo chi tiết mong muốn. Các vật liệu khuôn không nên bị ảnh hưởng đáng kể bởi các kim loại nóng chảy mà nó phải có. Trong trường hợp khuôn mẫu tiêu hao, một khuôn mẫu mới phải được chuẩn bị cho mỗi lần đúc. Trong khi đó, khuôn mẫu có thể tái sử dụng hoặc vĩnh viễn có thể được sử dụng nhiều hơn một lần. Loại thứ hai được làm từ vật liệu có thể chịu được đúc lặp đi lặp lại. Các khuôn mẫu thường rất tốn kém vì đây là những làm bằng kim loại hoặc than chì, được sử dụng để chạy sản xuất lớn. Đối với sản xuất số lượng nhỏ hơn, các khuôn mẫu tiêu hao thường được ưa thích, đơn giản chỉ vì khía cạnh kinh tế của họ. Một hình của khuôn mẫu  Khuôn đúc 6 2. Quy trình nóng chảy Mục tiêu của quá trình nóng chảy là:   Cung cấp vật liệu nóng chảy ở nhiệt độ thích hợp.   Cung cấp vật liệu nóng chảy ở số lượng mong muốn.   Chất lượng chấp nhận được.  Chi phí hợp lý. 3. Kỹ thuật đổ Nó là một kỹ thuật rót các kim loại nóng chảy vào các khuôn. Phải có quy định cho không khí hoặc khí bên trong các khuôn mẫu thoát ra khi các kim loại nóng chảy được rót vào khuôn. Khi các kim loại nóng đi vào khuôn khoang (khuôn mẫu), nó có thể tạo ra các loại khí khác nhau do phản ứng hóa học. Các thiết kế khuôn phải cho phép các khí này thoát ra (lỗ thông khí), để các kim loại nóng chảy có thể chạy lấp đầy vào các hốc khuôn hoàn toàn. Điều đó giúp cho vật đúc được sản xuất không bị lỗi, đầy đủ các thành phần chi tiết và chất lượng của vật đúc. 4. Quy trình kiên cố hóa Thiết kế tốt hơn và kiểm soát ở giai đoạn này sẽ giúp trong việc sản xuất ra sản phẩm chất lượng. Các thiết kế khuôn nên được tính toán để hạn chế độ co xảy ra trong quá trình làm mát của các kim loại. Điều này giúp ngăn ngừa các loại crack trên vật đúc khi quá 7 trình vật đúc từ nóng chuyển sang mát của nó là thấp. Hơn nữa, các nhà thiết kế cũng nên cẩn thận khi thực tế là độ xốp và co rút có thể xảy ra trong quá trình cố định vật đúc. Một sản phẩm đúc chất lượng phải được khác phục các lỗi này. 5. Khuôn diệt Sau khi kiên cố hóa thích hợp, vật đúc nên được loại bỏ khỏi khuôn. Nói chung, khuôn mẫu tiêu hao được chia ra và bị phá hủy sau khi vật đúc được sản xuất mà không có bất kỳ khó khăn. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng khuôn mẫu có thể sử dụng lại có thể gây ra những thách thức lớn từ quan điểm thiết kế về việc loại bỏ các vật đúc từ khuôn mẫu cố định. 6. Làm sạch, hoàn thiện và kiểm tra Quá trình làm sạch các vật đúc cũng khác nhau, hoàn thiện, và các công tác kiểm tra được thực hiện sau khi đưa vật đúc ra khỏi khuôn. Vật liệu không liên quan (phụ gia, kim loại khác tạo hình) được gắn vào trong khoang, và các vật liệu được gắn vào bề mặt đúc tất cả phải được loại bỏ. 8 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT: NỘI DUNG: I. Khái niệm quá trình đúc khuôn cát. II. Quy trình đúc tổng quát. III. Quá trình đúc khuôn cát. IV. Quy tắc thiết kế khuôn cát. V. Các khuyết tật thường gặp trong đúc khuôn cát. VI. Một số hình ảnh minh họa vật đúc. I. Khái niệm quá trình đúc kim loại: Đúc khuôn cát là quá trình mà trong đó vật liệu kim loại nóng chảy được rót vào khuôn cát. Sau đó khuôn cát sẽ được phá đi sau khi kim loại đã đông đặc lại. II. Đặc điểm của phương pháp gia công: Phương pháp đúc bằng khuôn cát vẫn giữ một vai trò quan trọng trong ngành đúc, đúc trong khuôn cát là trong những phương pháp tạo hình lâu đời, nhưng cho tới nay vẫn còn chiếm một vị trí quan trọng trong kỹ nghệ đúc: 90% sản lượng vật đúc của thế giới được sản xuất bằng khuôn cát, phần còn lại do khuôn kim loại và các dạng đúc đặc biệt khác. Khuôn cát được dùng nhiều vì dễ chế tạo, rẻ, vốn đầu tư ít. Hơn nữa khuôn cát lại rất vạn năng, có thể dùng để đúc vật nhỏ từ 10 gam cho tới vật lớn có khối lượng hàng trăm tấn, 9 [...]... và lõi thường phải sấy khô để tăng cơ tính và khả năng thông khí 10 - Bộ phận nấu chảy kim loại phải phối hợp nhịp nhàng với quá trình làm khuôn Lắp ráp khuôn để tiến hành rót kim loại lỏng vào cho kịp lúc - Sau khi kim loại đông đặc, vật đúc được hình thành trong khuôn, tiến hành phá lõi, kiểm tra vật đúng bằng thủ công hoặc bằng máy - Kiểm tra lại khâu cuối cùng, gồm kiểm tra hình dáng và kích thước,... kỳ hợp kim nào như: thép, gan cầu, gang sám, đồng thau, đồng thanh, hợp kim niken, hợp kim nhôm, magê,… * Quy trình sản xuất đúc trong khuôn các có thể được tóm tắt như sau: Hình 1 : Quy trình sản xuất vật đúc trong khuôn cát - Bộ phận kỹ thuật căn cứ theo bản vẽ chi tiết, lập ra bản vẽ vật đúc, trong đó có mặt phân khuôn, lõi, độ dốc đúc, lượng dư gia công cơ khí, dung sai, độ co nót của kim loại khi... bề mặt của sản phẩm đúc Có thể nói rằng cho đến ngày nay khuôn cát vẫn chiếm gữ vai một vai trò quan trọng trong ngành sản xuất đúc Hình 2:Tỷ lệ các công nghệ khuôn trong sản xuất đúc: 1/ Khuôn cát tươi; 2/ Khuôn cát khô; 3/ Khuôn cát tự rắn; 4/ Khuôn kim loại; 5/ Khuôn đúc đặc biệt khác III MÔ TẢ QUÁ TRÌNH ĐÚC KHUÔN CÁT ( BẰNG TAY ): 11 Quá trình Đúc khuôn cát được thể hiện bằng hình ảnh trực quan để... 12 5 Gạt bỏ phần cát thừa 6 Lật khuôn 7 Ráp nửa khuôn còn lại (Chú ý chốt định vị) 13 8 Định vị hệ thống cấp kim loại lỏng (hệ thống rót, đậu ngót) và thoát khí (đậu hơi) 9 Khuôn sau khi thực hiện lại các bước từ Hình 2 đến Hình 5 10 Tạo rãnh dẫn 11 Rút mẫu 14 12 Ráp 2 nửa khuôn 13 Rót kim loại lỏng vào khuôn 15 14 Phá dỡ khuôn được vật đúc IV QUY TẮC THIẾT KẾ KHUÔN CÁT 1 Hạn chế các góc nhọn và khớp... đúc bằng khuôn cát có năng suất không cao, sản phẩm đúc kém chính xác, muốn có độ chính xác cao hơn phải qua gia công cơ khí lại Điều đó đúng đối với khuôn cát, đất sét, do thông thường làm bằng tay nhưng nếu người thợ có tay nghề cao biết tính toán độ hao hụt, dung sai co giản của kim loại thì điều này có thể khắc phục được Những năm gần đây nhờ sử dụng các hỗn hợp các có thành phần và tính chất mới,... KẾ KHUÔN CÁT 1 Hạn chế các góc nhọn và khớp nối giữa nhiều phần 2 Thiết kế bề dày đồng đều cho các phần 3 Cân đối bề dày các thành bên trong 4 5 6 7 Xem xét kim loại co ngót trong thiết kế Sử dụng đường phân khuôn đơn giản Xác định lượng dư gia công đơn giản Sử dụng cát hợp lý 16 V CÁC KHUYẾT TẬT THƯỜNG GẶP TRONG KHUÔN ĐÚC: Khuyết tật vật đúc được chia làm 7 nhóm: Nhóm 1: Sai hình dáng và kích thước