Báo cáo: Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết nắp hông động cơ RV 125-2 công nghệ đúc áp lực pptx

Nghiên cứu lý thuyết1.1 Vật liệu chế tạo nắp hông Xuất phát từ điều kiện làm việc cũng như hình dạng của nắp hông, vật liệu chế tạo nắp hông phải đáp ứng các yếu tố sau đây: - Có độ bền

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

7099

16/02/2009

Hà Nội - 2008

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn

1 Trần Tự Trác Kỹ sư đúc-luyện kim Viện Công nghệ

2 Nguyễn Tiến Tài Thạc sỹ CN đúc Viện Công nghệ

3 Võ Thanh Sơn Kỹ sư đúc Viện Công nghệ

4 Trần Thanh Mai Kỹ sư đúc Viện Công nghệ

5 Lê Văn Trị Kỹ sư cơ khí Viện Công nghệ

6 Phạm Văn Lành Kỹ sư vật liệu Viện Công nghệ

MỤC LỤC

Trang

Mở đầu ……… 1

1 Nghiên cứu lý thuyết ………. 3

1.1 Vật liệu chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 ……… 3

1.2 Nấu luyện hợp kim nhôm ……… 7

1.2.1 Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa ………. 7

1.2.2 Tạo xỉ che phủ bảo vệ………. 8

1.2.3 Khử khí và tinh luyện……… 11

1.2.4 Biến tính……… 12

1.2.5 Kỹ thuật nấu luyện………. 13

1.3 Đúc áp lực cao ……… 14

1.3.1 Khái niệm và nguyên lý đúc áp lực cao……… 14

1.3.2 Ảnh hưởng của áp lực đến quá trình điền đầy khuôn và kết tinh của kim loại………

20 1.3.3 Phạm vi ứng dụng công nghệ đúc áp lực cao ………. 21

2 Chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 ………. 22

2.1 Đặc điểm kết cấu của nắp hông động cơ RV125-2 ……… 22

2.2 Các điều kiện cần thiết để chế tạo nắp hông ………. 24

2.2.1 Thiết bị công nghệ, vật tư, nhân lực ……… 24

2.2.2 Bộ khuôn đúc áp lực ……… 25

2.3 Quy trình công nghệ chế tạo ……… 27

2.3.1 Công nghệ nấu luyện hợp kim ………. 27

2.3.2 Công nghệ đúc áp lực cao………. 30

2.3.2.1 Lắp đặt và thiết lập chế độ làm việc cho khuôn…… 30

2.3.2.2 Lập trình cho máy đúc……… 32

2.3.2.3 Thao tác đúc……… 37

2.4 Kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm ……… 39

2.4.1 Kích thước hình học……… 39

2.4.2 Thành phần hóa học, tổ chức kim loại, cơ lý tính ……… 39

2.4.3 Xử lý khuyết tật trong quá trình đúc áp lực……… 42

3 Kết luận ……… 45

Phụ lục………. 46

Tài liệu tham khảo……… 47

Mở đầu

Trong những năm gần đây, việc chế tạo các loại động cơ diezen, động cơ xăng và máy móc thiết bị phụ tùng phục vụ ngành nông lâm ngư nghiệp đang được chú ý phát triển ở nước ta Hàng loạt động cơ diezen loại RV125-2 (12,5

mã lực theo mẫu thiết kế của hãng KUBOTA) của Công ty VIKYNO đã được xuất xưởng và bán ra thị trường Sản phẩm gọn nhẹ, mẫu mã đẹp, mức tiêu hao nhiên liệu thấp, với tỉ lệ nội địa hóa hơn 70% và giá chỉ bằng 45% so với loại động cơ KUBOTA tương đương nhập từ Nhật Bản, nên được thị trường đánh giá cao và tiêu thụ mạnh

Nhu cầu về động cơ RV125-2 mỗi tháng từ 1500 ÷2000 chiếc Trong đó, khoảng 50÷60%, xuất khẩu đi các nước: Indonesia, Srilanka, Hàn Quốc, Nhật Động cơ chủ yếu dùng trong nông nghiệp và máy phát điện Đây là sản phẩm động cơ diezen được ưa chuộng nhất trên thị trường hiện nay

Một số chi tiết của động cơ được nội địa hóa như: Bơm cao áp, vòi phun nhiên liệu, piston, sơ mi, nắp xy lanh,…đã đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, kỹ thuật cũng như công nghệ chế tạo Tuy nhiên, nắp hông của động cơ hiện vẫn được chế tạo theo các công nghệ đúc truyền thống nên chưa hoàn toàn đảm bảo được năng suất cũng như chưa ổn định về chất lượng Vì vậy, cần nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc áp lực cao vào việc chế tạo nắp hông động

cơ RV125-2 để giải quyết các vấn đề này

Nắp hông là một chi tiết

số chi tiết đối với động cơ

như: bơm cao áp, cần điều tốc,

cần ga, bơm dầu nhớt, ống dẫn

dầu, van điều áp, trục khởi

động

Phía trong nắp hông chứa

dầu nhớt nên phải đảm bảo độ

sít kín toàn bộ chi tiết cũng Hình 1 Nắp hông trên động cơ RV125-2

như bề mặt lắp ráp Bản thân nắp chịu áp lực đến 1,5kg/cm2, riêng các lỗ dầu và phần lắp bơm dầu bôi trơn phải chịu áp lực đến 6kg/cm2 Nhiệt độ làm việc thường xuyên đối với nắp là 80 ÷ 1000C, lớn nhất lên đến 1200C

Trên nắp hông có các vị trí lắp ghép chính xác và định vị nhiều chi tiết với những tọa độ khác nhau, nên công nghệ chế tạo đòi hỏi phải đạt được sản phẩm

có độ chính xác cao Ngoài ra, nắp hông nằm bên ngoài nên còn yêu cầu về tính thẩm mỹ (hình 2)

(a) (b)

Hình 2 Chi tiết nắp hông, phía trong (a) và phía ngoài (b)

Để đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu về vai trò, chức năng quan trọng đối với động cơ cũng như điều kiện làm việc khắc nghiệt nêu trên, việc chế tạo nắp hông cần được nghiên cứu kỹ lưỡng cả về vật liệu và công nghệ chế tạo

Do có hình dạng không gian phức tạp cùng với độ mỏng của nắp (~ 3mm), các công nghệ đúc thông thường như đúc khuôn cát tươi, khuôn cát khô rất khó chế tạo và không đạt yêu cầu Có thể đúc trong khuôn cát nhựa, khuôn vỏ mỏng được nhưng chất lượng kém, tỉ lệ phế phẩm cao, tiêu hao vật liệu nhiều, năng suất thấp, tính thẩm mỹ kém Công nghệ đúc áp lực cao thích hợp nhất để đúc nắp vì cho sản phẩm có chất lượng tốt, ổn định, năng suất cao, bề mặt đẹp

Trong phần tiếp tcủa báo cáo, chúng tôi sẽ giới thiệu về vật liệu và công nghệ chế tạo nắp hông động cơ RV125 qua nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thực nghiệm tại Viện Công nghệ

1 Nghiên cứu lý thuyết

1.1 Vật liệu chế tạo nắp hông

Xuất phát từ điều kiện làm việc cũng như hình dạng của nắp hông, vật liệu chế tạo nắp hông phải đáp ứng các yếu tố sau đây:

- Có độ bền cơ học cao

- Chịu được áp suất đến 1,5at

- Chịu được nhiệt độ đến 120oC

- Có tính đúc tốt (độ chảy loãng lớn, độ co ngót nhỏ)

Qua tham khảo các tài liệu các nước ngoài, hợp kim nhôm- silic- đồng với hàm lượng silic ~ 12% mà đặc trưng là hợp kim nhôm ADC12 (bảng 1) có được những tính chất trên Căn cứ kết quả phân tích thành phần sản phẩm nắp hông của Nhật (bảng 2) thì vật liệu nắp hông là hợp kim nhôm ADC12 theo tiêu chuẩn JIS H5302củaNhật [1]

Bảng 1 Thành phần hóa học hợp kim nhôm ADC12

theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302

%Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni %Pb %Sn %Ti 9,6-12,0 <1,3 1,5-3,5 <0,5 <0,3 <1,0 <0,5

Bảng 2 Thành phần hóa học sản phẩm nắp hông của Nhật

theo kết quả phân tích

%Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni %Pb %Sn %Ti 11,78 1,1 3,2 0,46 0,23 0,15 0,05 0,005 0,003 0,003

Hợp kim nhôm ADC12 được dùng chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 vì có các ưu điểm nổi trội [2], thích ứng công nghệ chế tạo cũng như điều kiện làm việc của nắp như:

- Độ bền cao

- Chịu ăn mòn

- Chịu nhiệt tốt, dãn nở nhiệt ít

- Tính công nghệ chế biến tốt: Chảy loãng cao (dễ đúc), dễ gia công cắt gọt Những thành phần chính và ảnh hưởng của chúng trong hợp kim ADC12

có thể tóm tắt như sau

- Nhôm: Nhôm là kim loại nền của hợp kim ADC12, chiếm trên 80% khối lượng thành phần Nhôm ký hiệu hóa học Al là kim loại nhẹ, dẫn nhiệt và dẫn điện khá Nhôm nguyên chất chịu ăn mòn trong không khí và trong môi trường chất hữu cơ Nhôm dễ bị ôxy hoá tạo màng oxit bền chắc có tác dụng bảo vệ tránh cho nhôm không bị ôxy hoá tiếp Vì vậy nhôm nguyên chất được dùng bọc ngoài các hợp kim cần làm việc trong môi trường ăn mòn

Một số tính chất cơ bản của nhôm như sau:

Trọng lượng riêng: 2,7g/cm3Nhiệt độ chảy: 6600C

Độ dẫn nhiệt ở 200C: 2,22J/cmKS

Độ dẫn điện: 37,6m/Ωmm2Nhôm tác dụng với kiềm tạo thành aluminat, tác dụng với halôgien (Cl2,

I2…) và ở nhiệt độ cao có thể tác dụng với cả S,N2, P, H2,C

Nhôm nguyên chất dẻo dễ gia công biến dạng nhưng kém bền nên không dùng chế tạo các chi tiết máy

Cơ tính của nhôm sau ủ không cao:

Độ bền, Rm = 80 ÷ 100 N/mm2

Độ dẻo, δ = 35 ÷ 40%

Modul đàn hồi = 72200N/mm2 Tùy theo mức độ tinh khiết nhôm nguyên chất được chia làm 3 loại

Nhôm rất sạch

99,995% Al dùng trong nghiên cứu 99,99% Al

99,97% Al 99,95% Al Nhôm sạch

99,7% Al dùng làm dây dẫn điện 99,6% Al dùng bọc kim loại, dây dẩn 99,5% Al dùng pha chế hợp kim nhôm biến dạng 99% Al dùng pha chế hợp kim nhôm đúc

Nhôm kỹ thuật

Al1, Al2 dùng khử ôxy khi luyện thép

- Sắt: Lượng Fe chứa trong nhôm nguyên chất quá 0,05% thì đã sinh FeAl3dòn ở dạng kim Trong hợp kim ADC12, sắt được giới hạn < 1,3%, riêng khi đúc áp lực cao là < 1,5%

- Silic có lẫn trong nhôm sẽ cùng sắt tạo thành hợp chất dòn (AlFeSi) kết tinh ở dạng bộ xương hoặc kim rất thô to, làm giảm nhiều độ dẻo Tuy nhiên silic làm tăng độ bền, độ cứng và cải thiện rất tốt tính đúc (nhiệt độ chảy, tính chảy loãng, độ co) cho hợp kim nên được pha chế đến 12%

- Măngan pha chế thêm vào nhôm có thể hạn chế bớt ảnh hưởng xấu của sắt

vì hợp chất AlFeSiMn kết tinh ở dạng tập trung, ít hại đến tính dẻo Thêm Mn cũng làm tính vững ăn mòn của nhôm tốt hơn Lượng dùng đến 0,5%

- Đồng tăng thêm độ dẻo, độ chịu mài mòn, tính chịu nhiệt cho hợp kim, được pha chế làm thành phần hợp kim với hàm lượng 1,5 ÷ 3,5%

- Magiê giúp hợp kim có khả năng nhiệt luyện vì có MgSi hoà tan vào nhôm Tuy nhiên nếu tăng magiê sẽ làm giảm tính dẻo, do đó chỉ nên < 0,3%

- Kẽm hoà tan nhiều được trong pha α của hợp kim không tạo pha mới nhưng làm α bền, làm Si sinh ra nhỏ mịn Đặc tính của kẽm là làm hợp kim đúc

dễ hoá già tự nhiên, đúc xong cứ để ở nhiệt độ thường cơ tính cũng tăng Hợp kim nay thường không dùng làm việc ở nhiệt độ cao vì giảm bền, giới hạn < 1% ADC12 là hợp kim nhôm – silixi còn gọi là silumin là họ hợp kim được dùng nhiều chiếm khoảng 50% tổng số hợp kim nhôm đúc

Về tổ chức, trên giản đồ trạng thái ở hình 3 [2], ta thấy hợp kim nhôm- silic

có những pha sau:

- α là dung dịch đặc dẻo, hoà tan ít Si

- Cùng tinh α +Si gồm những hạt silixi hình kim trên nền α, cùng tinh có độ bền cao hơn α nhưng kém dẻo

α

- Biến tính nhôm lỏng bằng Na hoặc muối fluorua natri sẽ làm cùng tinh trở thành hạt mịn Si sẽ kết tinh ở dạng hạt tròn nhỏ, làm độ bền và dẻo của hợp kim đều tăng Hợp kim chứa nhiều silíc thì khi biến tính càng thấy rõ hiệu quả này

- Silic thứ nhất thô to kết tinh ở dạng khối đa diện chỉ xuất hiện khi lượng silixi trong hợp kim lớn hơn 12% Hạt Si rắn, dòn làm cơ tính giảm nhiều nhưng lại làm tăng tính chống ma sát

Tính chất của hợp kim nhôm – silic

- Về cơ tính

Độ bền của hợp kim nhôm silic tăng theo hàm lượng silic, trong khi đó độ dãn dài giảm

- Về khả năng nhiệt luyện

Hợp kim Al-Si thường ít nhiệt luyện vì độ bền tăng không nhiều Tuy nhiên

có thể pha thêm những nguyên tố hợp kim khác như Mg, Cu, Zn làm cho hợp kim có thể nhiệt luyện tốt, độ bền tăng

1.2 Nấu luyện hợp kim nhôm

Các vấn đề cần chú ý và các biện pháp xử lý trong nấu luyện hợp kim nhôm bao gồm

1.2.1 Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa

Lượng hoà tan của khí trong nhôm lỏng tăng dần theo thứ tự sau: N2, SO2,

CO, CO2, O2, khí đốt (CmHn), H2 Nhiệt độ hợp kim càng cao, thời gian nấu càng dài thì lượng khí hoà tan càng lớn [2]

Khi nấu nhôm người ta chú ý nhiều nhất tới sự hoà tan của khí H2.:

Ở 6000C nhôm đặc hoà tan tới 0,037 cm3H2/100gAl

Ở 6600C nhôm lỏng hoà tan tới 0,7 cm3H2/100gAl, tăng gấp 10 lần so với trạng thái đặc

Các nguồn chủ yếu mang khí H2 vào là hơi nước H2O, dầu mỡ bám ở liệu kim loại và khí CmHm trong khói lò Vì thế cần có biện pháp ngăn chặn khí từ gốc khi nấu luyện:

- Sấy cho hết độ ẩm trong tường lò, nồi graphít, than, chất trợ dung, liệu, nồi rót để tránh phản ứng 2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2

- Nung liệu tới 3000C cho cháy hết dầu mỡ rồi mới cho vào lò

- Môi trường khí lò phải có tính oxy hoá nhẹ và không chứa ẩm

Nhôm có ái lực với ô xy rất mạnh, nhất là ở nhiệt độ cao Khi nấu nhôm phải quan tâm đến sự oxy hoá, nếu không nhôm có thể bị cháy hao nhiều Thực tế cho thấy: Nấu nhôm thỏi có khi cháy hao tới 1,5%, nhôm vụn cháy hao tới 5 ÷ 10%

Bề mặt nhôm được phủ màng oxyt dầy 0,05 µm, có khả năng ngăn không cho oxy trong không khí tiếp tục thấm vào nhôm lỏng Nếu khuấy động bề mặt nhôm lỏng làm vỡ rách màng oxyt nhôm, sẽ tạo thêm màng oxyt mới sinh nhiều

xỉ, hao nhiều nhôm

Màng oxyt nhôm chìm vào nhôm lỏng sẽ làm giảm độ chảy loãng và giảm

cơ tính Đặc biệt những vẩy oxit sắt (ở nồi gang, ở gầu múc và dụng cụ thao tác) rơi vào nhôm sẽ có nguy cơ tạo thành những khối oxit nhôm rất rắn nằm trong kim loại

Để hạn chế sự oxy hoá trong quá trình nấu nhôm cần phải chú ý:

- Nấu nhanh, nhiệt độ hợp kim không cao quá

- Ít cào xỉ ở mặt thoáng kim loại lỏng

- Tránh nấu đi nấu lại hoặc rót chuyển nhiều lần

- Tránh dùng liệu vụn và cấm dùng phoi nhôm để nấu trực tiếp hợp kim

- Nấu các hợp kim nhôm, nhất là hợp kim có Mg phải có biện pháp che phủ bảo vệ

1.2.2 Tạo xỉ che phủ bảo vệ

Để tránh khí xâm nhập vào hợp kim nhôm gây các tác hại như đã giới thiệu

ở trên, người ta thường dùng biện pháp hữu hiệu là tạo xỉ che phủ bảo vệ

Nấu nhôm thỏi nguyên chất không cần che phủ bảo vệ, vì đã có màng oxit nhôm bền vững bao bọc Nấu các hợp kim nhôm có Mg với khối lượng lớn thường dùng một lượng nhỏ berili [3] cho vào hợp kim (0,03 ÷ 0,07% ) để tạo màng oxit bêrêlima nhẹ, bền ở bề mặt kim loại lỏng Màng õit này có tác dụng bảo vệ kim loại lỏng khỏi bị hoà tan khí và oxy hoá Với hợp kim chứa >1% Mg thì màng oxyt chỉ toàn là MgO xốp, do đó việc che phủ bảo vệ là cần thiết

Dùng berili tiện nhưng rất độc, nên trên thực tế ít áp dụng mà thường dùng chất trợ dung hay còn gọi là các muối để tạo xỉ bảo vệ bề mặt kim loại lỏng thay cho Be

Ngoài tác dụng bảo vệ, một số chất trợ dung như cryolit còn có khả năng tinh luyện và khử khí Cryolit hoà tan oxit nhôm Al2O3 làm cho màng oxit ở bề mặt nhôm lỏng mất đi, tạo điều kiện cho khí trong kim loại lỏng có thể thoát ra

a Yêu cầu đối với chất tạo xỉ

- Nhiệt độ chảy tương đối thấp, thường khoảng 7000C

- Chảy loãng tốt để có thể dễ che phủ kín bề mặt kim loại lỏng, nhưng không quá loãng để cào xỉ dễ dàng, tránh để lọt xỉ theo kim loại lỏng chảy vào khuôn

- Trọng lượng riêng nhỏ hơn nhôm, thường khoảng 1,4 ÷ 1,6 ở nhiệt độ

7500C, ít hút ẩm Trên thực tế các muối clorua, nhất là ZnCl2 và MgCl2 hút ẩm mạnh, cần chú ý đặc biệt khi dùng

- Không độc hại và hòa tan được oxit, nhất là oxit nhôm

- Dễ phân ly hoặc bốc hơi để có thể tạo bọt khí nổi lên làm cho kim loại sạch bớt màng Al2O3, bớt khí hoà tan

b Chọn chất tạo xỉ

Để đạt hiệu quả cao, thường không dùng chất tạo xỉ đơn lẻ mà nên dùng một hỗn hợp đa nguyên Các hỗn hợp đa nguyên chất tạo xỉ cho nhiệt độ chảy, tính chảy loãng phù hợp yêu cầu nấu luyện hơn

Tùy mục đích có thể chọn các chất tạo xỉ theo một số yếu tố sau đây

- Muốn thành phần chất tạo xỉ có nhiệt độ chảy thích hợp, căn cứ vào giản

đồ trạng thái giữa các muối để tính ra Các loại flourua có nhiệt độ chảy cao hơn thường được dùng để điều chỉnh độ loãng của xỉ

- Muốn hoà tan oxit nhôm dùng chất tạo xỉ có nhiều cryôlit

- Muốn tạo khả năng khử khí dùng fluosilicat natri, hexaclo êtan hoặc clorua kẽm

- Nấu hợp kim nhôm có Mg thường phải dùng thêm MgCl2 trong chất tạo xỉ

để hạn chế cháy hao Mg vì các loại clorua và florua kiềm và kiềm thổ thường để tác dụng với Mg làm giảm lượng Mg trong hợp kim do đó gây giảm độ bền

- ZnCl2 và đặc biệt là MgCl2 hút ẩm mạnh cần chú ý khi dùng

Khối lượng riờng và nhiệt độ chảy của một số muối dựng làm chất tạo xỉ được nờu trong bảng 3 [4]

Bảng 3 Khối lượng riờng và nhiệt độ chảy của một số muối dựng làm chất tạo xỉ

Khối l−ợng riêng (g/cm3) Muối

Nhiệt độ chảy (0C)

Bảng 5 Chất tạo xỉ có tác dụng khử khí, tinh luyện

Khi dùng chất tạo xỉ cần chú ý một số điểm sau:

- Chất tạo xỉ phải được sấy khô trước khi cho vào lò Phải bảo quản trong thùng, hộp kín và chỉ mở ra trước khi dùng Cũng có thể nấu để cho chất tạo xỉ chảy ra, hơi ẩm bốc hết, sau đó đổ thành miếng và dùng ngay Tuyệt đối không dùng chất tạo xỉ ẩm gây rỗ khí Những chất tạo xỉ bị ẩm rắc lên bề mặt kim loại

lỏng thường nổ lách tách và bắn tung toé, nếu nhấn chìm vào kim loại lỏng sẽ gây sôi dữ dội

- Chất tạo xỉ che phủ có thể cho vào sớm cùng liệu kim loại (khi nấu hợp kim Al – Mg) nhưng thường cho vào khi kim loại đã chảy hết

- Lượng dùng từ 0,5 ÷ 1% trọng lượng nhôm Đối với xỉ có tác dụng tinh luyện không nên cho vào một lần mà cho ít một để tránh vón cục kém tác dụng Thường dùng dụng cụ riêng nhấn chìm chất tạo xỉ trong kim loại lỏng và chờ ít lâu để có phản ứng tạo bọt

- Chú ý đến sự cháy hao của Mg (nguyên tố có tác dụng tốt đến khả năng nhiệt luyện của hợp kim), nên dùng chất tạo xỉ có clorua manhê

1.2.3 Khử khí và tinh luyện

Khi nấu xong, trước khi rót phải có biện pháp làm cho khí hoà tan trong kim loại lỏng thoát ra ngoài (khử khí) và giảm bớt lượng oxit nhôm và các tạp chất rắn (Al2O3, SiO2) trong kim loại lỏng (tinh luyện) [5]

Hai cách phổ biến nhất vừa khử khí vừa có tác dụng tinh luyện là:

a Thổi khí clo (Cl2) vào kim loại lỏng

Khí clo khô (đã được hút ẩm qua axít sunphuaric đặc hoặc CaCl2) được thổi vào đáy nồi nhôm lỏng Các bọt khí Cl2 và các khí HCl, AlCl3 bay lên sẽ mang theo H2 và màng Al2O3 ra khỏi kim loại lỏng

có hại như Zn

Khối lượng muối dùng chỉ khoảng 0,05 ÷0,2% khối lượng kim loại lỏng Nhiệt độ kim loại lỏng chỉ nên cao trên nhiệt độ chảy khoảng 30 ÷ 500C Nếu nhiệt độ cao quá sẽ lưu nhiều khí, thấp quá bọt khí khó nổi lên làm cho tác dụng tinh luyện kém Nên tiến hành khử khí khi kim loại còn trong nồi nấu, sau đó tăng nhiệt độ đến nhiệt độ rót yêu cầu

Ngoài ra còn có thể khử khí bằng các phương pháp sau:

- Dùng siêu âm tác dụng vào nồi rót sẽ tạo nên những khu vực chân không nhỏ trong kim loại lỏng, khí H2 sẽ tập trung vào đó tạo thành bọt khí và nổi lên

- Đặt nồi rót vào trong buồng kín tạo chân không khoảng 0,1 mmHg Khí H2hoà tan trong kim loại lỏng sẽ tiết ra thành bọt và nổi lên cuốn theo những mảng

Al2O3 lơ lửng trong kim loại lỏng Toàn bộ quá trình này tiến hành khoảng 4÷5 phút

1.2.4 Biến tính

Đối với những hợp kim Al – Si (nhất là nhiều Si) cần tiến hành biến tính [3]

để đạt tổ chức hạt nhỏ mịn khi đúc

a Biến tính bằng natri kim loại

Hợp kim nhôm lỏng sau khử khí sẽ được rải trên mặt một hỗn hợp chất tạo xỉ: 33%NaCl, 67%NaF (với lượng dùng khoảng 0,6% hợp kim lỏng) Nâng nhiệt

độ tới 7600C, giữ nhiệt 5 ÷10 phút cho xỉ chảy loãng thì cho natri kim loại vào Natri được lấy ra khỏi dầu bảo vệ và bọc bằng giấy nhôm mỏng cho vào chụp có

lỗ và nhấn chìm trong hợp kim lỏng Cứ 100kg hợp kim nhôm thì dùng 30 ÷ 60g natri kim loại (thành mỏng < 6 mm dùng ít, thành vật đúc dầy 20 ÷ 30 mm dùng nhiều)

Natri có nhiệt độ bốc hơi thấp nên gây sôi dữ dội Chờ 5 ÷ 10 phút gạt xỉ và rót Cách này nhanh nhưng gây bắn tóe nhiều, hợp kim dễ bị oxy hoá Mặt khác

Na nhẹ nên phân bố trong hợp kim không đều

b Biến tính bằng hỗn hợp muối

Nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên tới 760 ÷ 8000C rồi rắc lên trên bề mặt kim loại lỏng một lượng muối khoảng 0,6 ÷1% trọng lượng kim loại lỏng, dùng chụp nhấn chìm và khuấy trong 10 ÷ 15 phút cho nhôm tác dụng với muối, tạo ra Na hoà tan vào kim loại

3NaF + Al → AlF3 + 3Na

Vì ở nhiệt độ thấp muối phản ứng chậm nên khi biến tính đòi hỏi phải dùng lượng muối tương đối nhiều Tùy theo chiều dày của vật đúc có thể chọn nhiệt

độ kim loại lỏng thích hợp để biến tính tương ứng với hổn hợp muối đã chọn Một số thành phần hỗn hợp muối thường dùng được nêu trong bảng 7

Có thể dùng những hình thức thao tác khác nhau nhằm tăng khả năng biến tính như:

- Cho muối vào đáy nồi rót trước rồi đổ kim loại lỏng vào sau

- Nấu hỗn hợp muối chảy lỏng rồi rót hợp kim nhôm cần biến tính vào

Khi biến tính cần chú ý một số điểm sau:

- Lượng Na xâm nhập vào kim loại lỏng nên vừa phải, khoảng 0,005 ÷ 0,010% Nếu nhiều quá sẽ gây kết tinh thô giòn cho hợp kim

- Đảm bảo nhiệt độ kim loại lỏng khi biến tính Nếu nhiệt độ biến tính thấp quá sẽ kém hiệu quả vì biến tính xong, nhiệt độ nguội quá không rót được Nếu nhiệt độ biến tính cao quá khí hoà tan nhiều

- Phải đảm bảo đủ thời gian biến tính cho muối phản ứng hết với nhôm lỏng Khi biến tính xong phải rót ngay, để chờ lâu quá thì hiệu quả biến tính mất dần, dẫn đến thô hạt vật đúc Nên biến tính trong nồi rót, hoặc có thể biến tính ở nồi nấu đặt trong lò nhưng cứ sau 10 phút phải biến tính lại một lần

- Nếu hợp kim dùng đúc các vật mỏng hơn 6 mm trong khuôn kim loại thì không cần biến tính vì khuôn kim loại làm nguội nhanh cũng tạo hạt mịn

- Lượng Fe > 0,75% thì biến tính không có hiệu quả lắm

- Khi biến tính thường cháy hao Mg (nếu dùng nhôm vụn có Mg trong thành phần hợp kim), vì thế thường phải thêm Mg khoảng 0,1% bằng cách bọc Mg trong giấy nhôm rồi cho vào chụp nhấn chìm trong kim loại lỏng

1.2.5 Kỹ thuật nấu luyện

Hợp kim nhôm nấu xong phải đảm bảo được ba yêu cầu sau:

- Không còn khí hoà tan

- Không có oxit nhôm

- Đúng thành phần đã định

Để đạt yêu cầu kỹ thuật, trong quá trình nấu luyện cần:

+ Chọn lò và liệu thích hợp

+ Sấy kỹ nồi lò và nung liệu trước khi cho vào lò

+ Tạo môi trường khí oxy hoá yếu, có che phủ để hạn chế diện tích mặt thoáng của kim loại lỏng, tránh khí thâm nhập

+ Rút ngắn thời gian nấu

+ Tránh nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên quá cao, giữ lâu ở nhiệt độ cao (hoà tan nhiều khí, làm hạt thô)

+ Có tiến hành khử khí và tinh luyện kim loại lỏng trước khi rót

+ Hạn chế khuấy động kim loại lỏng khi nấu

+ Tránh rót đi rót lại vào nồi chuyển nhiều lần

1.3 Đúc áp lực cao

1.3.1 Khái niệm và nguyên lý đúc áp lực cao

Đúc áp lực cao là công nghệ đúc trong đó kim loại lỏng điền đầy khuôn và đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao

Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp kim khác Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm sản phẩm nhôm đúc áp lực đạt giá trị tới 2,5 tỷ đôla Đúc áp lực rất phù hợp với đúc hàng loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ, thường có thể nặng tới 5kg [6], cũng có trường hợp đúc chi tiết nặng tới 50kg nhưng giá thành rất cao [7] Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn bóng, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc

Quá trình đúc áp lực có thể mô tả như sau: kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng áp lực cao thông qua một bộ xylanh-piston nạp hay còn gọi là buồng nạp, hoặc buồng ép (hình 4) Áp lực lớn, tốc độ nguội nhanh, sẽ làm cho sản phẩm đạt tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn, tăng cơ tính và khả năng chịu mài mòn

Có 2 dạng đúc áp lực là đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) và đúc áp lực buồng nóng (hot chamber) Đúc áp lực buồng nguội (hình 4) với bộ xylanh-piston nạp- ép của thiết bị đúc nằm bên ngoài lò- bể chứa kim loại lỏng Kim loại lỏng được đưa vào xylanh ép thông qua gáo rót Xylanh này được coi là buồng nguội vì có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kim loại nóng chảy

Hình 4 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội

Hợp kim nhôm thường được đúc với buồng nguội vì có thể sử dụng áp lực đúc lớn, thiết bị không phải liên tục tiếp xúc với nhiệt độ cao [8]

Còn ở đúc áp lực buồng nóng thì bộ phận xylanh– piston nạp được đặt ngay trong kim loại nóng chảy (hình 5) hoặc đặt trong một hệ thống lò nung và nối thẳng với bộ phận lò nấu chảy [9] Như vậy bộ xylanh– piston có nhiệt độ bằng với nhiệt độ kim loại nóng chảy Trong trường hợp này, bộ xylanh– piston

có tuổi thọ thấp do luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao

Hình 5 Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng

Các chu trình hoạt động chính của máy đúc áp lực buồng nguội được phân

8 Đẩy vật đúc, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

Việc chia ra các công đoạn khác nhau có ý nghĩa về mặt công nghệ, kỹ thuật, để tính toán các thông số hợp lý như quãng đường chuyển động của piston,

áp lực ép, lắp tháo ruột, làm sạch và sơn khuôn, thời gian hợp kim kết tinh, vận tốc vào ra của khuôn động… và cài đặt cho máy đúc áp lực Trên thực tế, các công đoạn diễn ra liên tiếp với thời gian rất ngắn và máy làm việc hoàn toàn tự động theo chương trình đã cài đặt

Các công đoạn cụ thể được mô tả trong các sơ đồ minh họa sau

Khuôn được làm sạch, xì chất sơn chống dính, bảo vệ

khuôn, ráp chặt hai nửa với nhau, ruột được lắp đặt

theo lập trình, sẵn sàng đúc

2 Rót hợp kim lỏng vào buồng nạp

Lấy hợp kim lỏng từ nồi nấu vào gáo định lượng, rót

vào buồng ép (nạp)

Khi hợp kim điền đầy buồng ép, vận tốc ép được

tăng lên đến cực đại để điền đầy khuôn

Áp lực cao truyền vào vật đúc, đánh tan các bọt

khí, tránh cho hợp kim không bị rỗ khí và được kết

tinh dưới áp lực cao

6 Mở khuôn

Hợp kim đã kết tinh hoàn toàn Nửa khuôn động dịch

chuyển ra ngoài, đem theo phôi đúc

1.3.2 Ảnh hưởng của áp lực đến quá trình điền đầy khuôn và kết tinh

của kim loại

Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh, do pittông thuỷ lực tạo ra Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi trong

suốt 1 chu trình đúc Có thể chia

1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn

Giai đoạn 2: Kim loại lỏng

đã điền đầy toàn bộ buồng ép

Tốc độ của pittông tăng lên và đạt giá trị cực đạiv 2 Giá trị của áp suất tăng đến

p 2 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 tiết diện

rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên vận tốc pittông giảm xuống p 3 nhưng áp suất ép lại

tăng lên p 3 Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích (quán tính ép) mà áp suất ép tiếp tục tăng lên Sau khi các dao động áp suất

tắt dần, áp suất đạt giá trị không đổi p 4 Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh

Giai đoạn 4: Áp suất có thể đạt tới 500 – 50.000N/cm2, tuỳ thuộc vào 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, dẫn đến kim loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao

Tất cả các tính chất của kim loại (tính chất nhiệt, cơ học, điện, từ….) đều bị thay đổi khi chịu tác dụng của áp lực Xu hướng chung là tăng áp lực thì nhiệt độ nóng chảy của kim loại sẽ tăng lên Tuy nhiên, áp lực ∆P tác dụng lên kim loại lỏng sẽ thúc đẩy quá trình thấm kim loại lỏng trong vùng 2 pha và điều chỉnh quá trình tác động nhiệt để hình thành vật đúc

Áp lực bên ngoài sẽ gây ra các ảnh hưởng sau:

1 Nâng cao hệ số dẫn nhiệt của kim loại lỏng và hệ số trao đổi nhiệt giữa vật đúc và khuôn

2 Làm giảm kích thước của mần kết tinh tới hạn và nâng cao số lượng tâm mầm kết tinh

3 Giảm độ hạt trung bình, tính không đồng nhất các nhánh cây của kim loại

Hình 6 Thay đổi tốc độ và áp suất trong

buồng ép

4 Giảm hệ số khuếch tán và giảm tốc độ khuếch tán tương đối của tạp chất

5 Làm tốt điều kiện lọc thấm của vùng 2 pha, do đó cấu trúc kim loại sẽ đặc chắc hơn

6 Giảm nhiệt độ bắt đầu co ngót và giảm độ co ngót của hợp kim trong khoảng kết tinh có hiệu quả

7 Giảm khuynh hướng nứt nóng của kim loại

- Năng suất lao động cao

Trong quá trình thiết kế chi tiết đúc, hai điều cần lưu ý là chiều dày thành và tính đồng đều của thành vật đúc Việc lựa chọn chiều dầy thành và kích thước lỗ trên thành vật đúc có tính quyết định đến cơ tính và khuyết tật sinh ra trong quá trình đúc Các số liệu về chiều dày và kích thước lỗ đúc có thể tham khảo trên bảng 8 và bảng 9 [9]

Bảng 8 Chiều dày cho phép của thành vật đúc (mm)

Diện tích thành vật đúc (cm2)

Kẽm 0,5 0,8 1,0 1,2 1,8 Magiê 0,7 1,0 1,5 2,0 3,0 Nhôm 0,8 1,2 1,6 2,2 3,0

Bảng 9 Kích thước lỗ đúc trên thành vật đúc (mm)

Kẽm 1,0 1,5 6d 12d

2 Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 2.1 Đặc điểm kết cấu của chi tiết nắp hông động cơ RV125-2

Nắp hông động cơ RV125-2 có hình dạng phức tạp (hình 7 và 8) Đường bao của chi tiết được tạo nên bởi các đoạn cong, đoạn thẳng và góc lượn khác nhau Nắp có nhiều độ sâu tạo thành các bậc lồi lõm, với đáy sâu nhất là 70mm Phía trong cũng như phía ngoài nắp có các nhóm cấu trúc khác biệt như các ụ, các vấu, các vách ngăn và các hố sâu từ 20 đến 70mm Tuy có kết cấu đặc biệt như vậy nhưng hầu hết chiều dày của nắp (trừ các ụ và vấu) chỉ từ 2÷ 4mm

Hình dạng phức tạp của nắp khiến cho công nghệ đúc tạo hình nắp sẽ có nhiều khó khăn do phải sử dụng các miếng ghép khuôn rời và các miếng ruột riêng lẻ Để đúc được chiều dày nhỏ và cấu trúc đặc thù nêu trên của nắp, có thể thấy công nghệ đúc khuôn tươi không phù hợp Bề dày bình quân 3mm trải trên diện rộng ~350 x 230mm lại dâng cao đến 70mm làm cho việc điền đầy nắp của khuôn tươi không khả thi Mặt khác khuôn tươi cũng không bảo đảm tránh rỗ khí và đáp ứng các yêu cầu bề mặt cho nắp [5]

Công nghệ đúc trong khuôn cát nhựa, công nghệ đúc khuôn vỏ mỏng có thể chế tạo được nắp hông nhưng không hiệu quả vì năng suất thấp, chất lượng sản phẩm chưa cao, không khống chế được mức độ sai hỏng, thêm vào đó là tỉ lệ thu hồi kim loại thấp

Với những đặc điểm và các tính chất ưu việt như phân tích ở phần 1.2, công nghệ đúc áp lực cao có đầy đủ các điều kiện bảo đảm cho việc chế tạo nắp hông, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với nắp

Chiều dày bình quân của nắp hông là 3mm, diện tích bề mặt của nắp lớn hơn 500cm2, tra theo Bảng 3 Chiều dày cho phép của thành vật đúc (mm) ta thấy đạt được chỉ số này

Được kết tinh dưới áp lực cao, tổ chức vật liệu của nắp sẽ nhỏ mịn, sít kín, tránh được rỗ khí Như vậy sẽ bảo đảm chịu được áp lực làm việc 1,5 at cho nắp Ngoài ra, đúc áp lực cao cũng sẽ tạo cho nắp có bề mặt nhẵn bóng và giúp cho các kích thước, tọa độ lắp ráp của nắp đạt độ chính xác cần thiết

Như đã giới thiệu trong phần mở đầu, nắp hông là một chi tiết của động cơ RV125-2, nằm ở phía ngoài bên phải động cơ Nó đóng vai trò quan trọng trong việc che chắn bảo vệ động cơ và định vị một số chi tiết đối với động cơ như: bơm cao áp, cần điều tốc, cần ga, bơm dầu nhớt, ống dẫn dầu, van điều áp… Phía trong nắp hông chứa dầu nhớt nên nắp phải đảm bảo đạt độ sít kín trên toàn bộ chi tiết Bản thân nắp chịu áp lực đến 1,5kg/cm2, riêng các lỗ dầu và phần lắp bơm dầu bôi trơn phải chịu áp lực đến 6kg/cm2 Nhiệt độ làm việc thường xuyên đối với nắp là 80 ÷ 1000C, lớn nhất lên đến 1200C

Hình 7 Phía trong nắp hông động cơ RV125-2

Hình 8 Phía ngoài nắp hông động cơ RV125-2

2.2 Các điều kiện cần thiết để chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 bằng công nghệ đúc áp lực cao

2.2.1 Thiết bị công nghệ, vật tư, nhân lực

Các yếu tố cần thiết cho việc chế tạo nắp hông RV125 bao gồm:

- Máy đúc áp lực cao

- Lò nấu hợp kim

- Thiết bị hỗ trợ như máy nén khí, bình áp Nitơ

- Vật liệu nấu luyện và phụ gia

- Đội ngũ thao tác

Viện Công nghệ, cơ quan chủ trì đề tài đã tạo mọi điều kiện để đáp ứng các yếu tố nêu trên Đề tài đã được triển khai tại phòng Thí nghiệm Công nghệ và các Hợp kim đúc của Viện

Viện có hệ thống đúc áp lực cao với đầy đủ trang thiết bị chính và phụ trợ, được minh họa trên hình 9, bao gồm:

- Máy đúc áp lực cao 420 tấn

- Hai lò điện trở nấu nhôm và giữ nhiệt, dung lượng 170 kg và 250 kg

- Máy nén khí để làm sạch khuôn

- Các bình khí Nitơ tăng áp lực để kích ép khi đúc

- Cầu trục hỗ trợ tháo lắp khuôn

- Đội ngũ cán bộ kỹ thuật gồm các thạc sỹ, kỹ sư, và trung cấp kỹ thuật

Hình 9 Hệ thống đúc áp lực cao của Viện Công nghệ

Dựa trên kết qủa phân tích sản phẩm mẫu của Nhật và các tài liệu tham khảo như đã trình bày ở phần 1.1, đề tài xác định sử dụng hợp kim nhôm ADC12 để chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 Viện Công nghệ đã liên hệ và đặt mua được hợp kim nhôm ADC12 dạng thỏi của Nhật

2.2.2 Bộ khuôn đúc áp lực

Ngoài các yếu tố nêu trên, một bộ phận rất quan trọng và không thể thiếu được là bộ khuôn đúc áp lực chi tiết nắp hông động cơ RV125-2 Bộ khuôn phải đảm bảo tạo hình chính xác cho chi tiết phức tạp đồng thời đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt như chịu áp lực đến 220at, chịu nhiệt độ đến 700oC

Từ những đặc điểm trên, chúng tôi xác định vật liệu chế tạo bộ khuôn phải là thép dụng cụ gia công nóng với mác đặc trưng là SKD61 Do vật liệu này có giá cao, và việc thiết kế, chế tạo khuôn rất tốn kém vì phải làm trên máy CNC và nhiệt luyện chân không nên giá thành tổng hợp bộ khuôn lên đến trên 200 triệu đồng Kinh phí đề tài chỉ có 130 triệu, nên Viện Công nghệ đã phối hợp với Công ty Nakyco thuộc Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp nghiên cứu thực hiện chế tạo bộ khuôn đúc áp lực chi tiết nắp hông động cơ RV125-2

Bộ khuôn bao gồm hai nửa, lắp ghép thông qua các chốt định vị Một nửa gọi

là khuôn tĩnh, một nửa là khuôn động Khuôn tĩnh nằm liền với buồng nạp- ép,

cố định trên vị trí này trong suốt quá trình đúc Khuôn tĩnh thường được cấu tạo lõm chứa chi tiết, như giới thiệu trên hình 10

Hình 10 Nửa khuôn tĩnh RV125-2

Sơ đồ công nghệ (a), sơ đồ khối (b)