Báo cáo thuyết trình Đúc kim loại (Đỗ tuấn anh)

I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC 1. KHÁI NIỆM − Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn có hình dạng nhất định, sau khi kim loại hóa rắn trong khuôn ta thu được sản phẩm có hình dạng giống với hình dạng của lòng khuônĐúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn có hình dạng nhất định, sau khi kim loại hóa rắn trong khuôn ta thu được sản phẩm có hình dạng giống với hình dạng của lòng khuôn. − Sản phẩm nếu được sử dụng ngay được gọi là vật đúc. Nếu sản phẩm phải qua giai đoạn gia công cắt gọt thì gọi là phôi đúc. Hình 1.1 Sơ đồ quá trình sản xuất đúc (Giáo trình Vật liệu cơ khí và công nghệ kim loại ĐH GTVT) 2. KHẢ NĂNG CÔNG NGHỆ  Ưu điểm − Đúc được bất kỳ kim loại nào có thể nấu chảy được. − Tạo ra sản phẩm có cấu trúc hình học phức tạp. − Đúc được các chi tiết rất lớn mà các phương pháp gia công khác không thực hiện được. 4 − Hạn chế phế phẩm. − Một số phương pháp đúc có thể sản xuất hàng khối. − Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa.  Nhược điểm − Cơ tính vật đúc hạn chế. − Độ chính xác không cao. − Chất lượng bề mặt sản phẩm không cao. − Dễ bị khuyết tật: co ngót, rỗng, nứt. − Tốn kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi. − Khó kiểm soát cấu trúc tế vi của vật đúc, thiết bị kiểm tra cấu trúc bên trong đắt tiền. − Dễ xảy ra tai nạn lao động. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÚC 1. NẤU CHẢY KIM LOẠI Để tiến hành đúc, kim loại phải được gia nhiệt đến một nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nó, sau đó được rót vào khuôn đề đông đặc. 1.1. Năng lượng Nhiệt lượng cần cung cấp cho khối kim loại để nhiệt độ của nó tăng đến nhiệt độ rót gồm: − Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ của kim loại lên nhiệt độ nóng chảy. − Nhiệt lượng để chuyển kim loại từ pha rắn sang pha lỏng. − Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ kim loại lên nhiệt độ rót. Công thức xác định nhiệt lượng:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CHẾ TẠO MÁY

MÔN HỌC: KỸ THUẬT CHẾ TẠO I

BÁO CÁO THUYẾT TRÌNH

NGUYỄN MINH HOÀNG MSSV: 21301340 TRẦN MINH HOÀI MSSV: 21301299 NGUYỄN MINH NHỰT MSSV: 21302843 NGUYỄN ĐỨC LƯƠNG PHÁT MSSV: 21302888

BÙI HOÀNG SƠN MSSV: 21303394

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN VẬT LIỆU

MÔN HỌC: KỸ THUẬT CHẾ TẠO I

BÁO CÁO THUYẾT TRÌNH

NGUYỄN MINH HOÀNG MSSV: 21301340 TRẦN MINH HOÀI MSSV: 21301299 NGUYỄN MINH NHỰT MSSV: 21302843 NGUYỄN ĐỨC LƯƠNG PHÁT MSSV: 21302888

BÙI HOÀNG SƠN MSSV: 21303394

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC

1 KHÁI NIỆM

− Đúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn

có hình dạng nhất định, sau khi kim loại hóa rắn trong khuôn ta thu được sản phẩm có hình dạng giống với hình dạng của lòng khuônĐúc là phương pháp chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn có hình dạng nhất định, sau khi kim loại hóa rắn trong khuôn ta thu được sản phẩm có hình dạng giống với hình dạng của lòng khuôn

− Sản phẩm nếu được sử dụng ngay được gọi là vật đúc Nếu sản phẩm phải qua giai đoạn gia công cắt gọt thì gọi là phôi đúc.

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình sản xuất đúc (Giáo trình Vật liệu cơ khí và công nghệ kim loại ĐH GTVT)

− Hạn chế phế phẩm.

− Một số phương pháp đúc có thể sản xuất hàng khối

− Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa

− Tốn kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi

− Khó kiểm soát cấu trúc tế vi của vật đúc, thiết bị kiểm tra cấu trúc bên trong đắttiền

− Dễ xảy ra tai nạn lao động

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÚC

1 NẤU CHẢY KIM LOẠI

Để tiến hành đúc, kim loại phải được gia nhiệt đến một nhiệt độ cao hơn nhiệt độnóng chảy của nó, sau đó được rót vào khuôn đề đông đặc

1.1 Năng lượng

Nhiệt lượng cần cung cấp cho khối kim loại để nhiệt độ của nó tăng đến nhiệt độ rót gồm:

− Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ của kim loại lên nhiệt độ nóng chảy

− Nhiệt lượng để chuyển kim loại từ pha rắn sang pha lỏng

− Nhiệt lượng để tăng nhiệt độ kim loại lên nhiệt độ rót

Công thức xác định nhiệt lượng:

H = ρV[C S (T m - T 0 ) + H f + C l (T p - T m )](J )

Trong đó:

ρ : khối lượng riêng KL (g/cm3)

V : thể tích khối KL được nấu chảy (cm3)

CS : nhiệt dung riêng của KL rắn (J/g.0C)

Tm : nhiệt độ nóng chảy (0C)

T0 : nhiệt độ ban đầu của khối KL (0C)

lò thông qua cửa lò ở vị trí thấp hơn phân nửa chiều cao lò, trong đó than cốc lànhiên liệu để đốt lò Chất gây cháy kết hợp với than cốc cùng một số tạp chấtkhác tạo nên xỉ Xỉ được tạo ra sẽ bao lấy kim loại lỏng, không cho kim loạilỏng tiếp xúc với môi trường xung quanh bên trong lò gây thất thoát nhiệt Khikim loại được nấu chảy theo yêu cầu thì rãnh thoát kim loại lỏng được mở kimloại lỏng thoát ra ngoài chuẩn bị cho quá trình rót

1.2.3 Lò nồi

− Trong kiểu nung bằng lò nồi thì kim loại không tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệucháy Kiểu lò này thường dùng để nung kim loại màu như đồng thiếc, đồngthau, hợp kim của thiếc và nhôm

− Ưu điểm của loại lò này là kim loại không tiếp xúc trực tiếp với các thiết bịnung nên rất dễ dàng kiểm soát môi trường nung kim loại Do đó, kim loại lỏngsau khi nung sạch và có chất lượng tốt hơn Lò nung cảm ứng được dùng cóyêu cầu cao về độ sạch của kim loại lỏng Thép, gang, hợp kim nhôm cũngthường được nấu chảy bằng lò cảm ứng.

Hình 2.6 Hình ảnh lò cảm ứng

2 RÓT KIM LOẠI

− Rót kim loại là một bước rất quan trọng trong quá trình sản xuất đúc và có ảnhhưởng lớn đến chất lượng của sản phẩm đúc Quá trình rót kim loại được xem làthành công khi kim loại lỏng được điền đầy vào tất cả các ngõ ngách bên tronglòng khuôn trước khi bắt đầu đông đặc

− Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rót kim loại:

• Tính chảy loãng của kim loại

• Nhiệt độ rót

• Tốc độ rót

• Chế độ chảy (độ rối) của dòng kim loại lỏng

2.1 Tính chảy loãng của kim loại

− Tính chảy loãng của kim loại là khả năng điền đầy khuôn đúc của kim loại lỏng

Nó quyết định quãng đường kim loại lỏng còn di chuyển được trong khuôn đúc trước khi đông đặc

− Các thông số ảnh hưởng đến tính chảy loãng của kim loại:

• Độ nhớt

• Nhiệt độ rót kim loại

• Vật liệu kim loại

• Sức căng bề mặt

• Tốc độ đông đặc

Sự ảnh hưởng của số Reynold đến quá trình rót:

Re < 2000, chảy tầng, ƣu tiên chọn

Re ~ 2000, giới hạn từ chảy tầng sang chảy rối Re > 2000, chảy rối

Re > 20000, chảy cực rối, đây là nguyên nhân làm không khí xâm nhậpvào và tạo ra hiện tượng xỉ gây ra khuyết tật vật đúc

Để điều chỉnh thông số Re ta thiết kế ống rót và kênh dẫn thích hợp

=

3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG RÓT

3.1 Khái niệm

− Hệ thống rót là hệ thống dẫn kim loại lỏng từ thùng rót vào khuôn Sự bố trí

hệ thống rót quyết định chất lượng vật đúc và giảm được sự hao phí kim loạivào hệ thống rót Hao phí do hệ thống rót gây ra đạt đến 30% Các bộ phậnchính của hệ thống rót bao gồm: (1) phễu rót, (2) ống rót, (3) rãnh lọc xĩ, (4)rãnh dẫn

Hình 2.7 Cấu tạo cốc rótYêu cầu đối với hệ thống rót:

• Toàn bộ lòng khuôn phải được điền đầy kim loại

• Dòng kim loại chảy phải đều, cân, không va đập

• Hệ thống rót phải chắc, không bị vỡ

Chú ý:

• Không nên để máng dẫn nằm dưới ống rót vì như thế xỉ dễ đi vào trongkhuôn

• Không nên đặt máng dẫn nằm ở mép tận cùng của rãnh lọc xỉ vì kim loại

dễ bắn tung tóe làm hỏng khuôn và xỉ dễ vào khuôn

• Không đặt máng dẫn nằm trên rãnh lọc xỉ vì như vậy rãnh lọc xỉ sẽ mất tácdụng lọc xỉ

3.2 Các bộ phận của hệ thống rót

3.2.1 Cốc rót

− Cốc rót cỏ tác dụng chủ yếu: giữ không cho xỉ và tạp chất vào ống rót; đón kimloại từ thúng chứa rót vào khuôn; làm giảm lực và khống chế tốc độ kim loạichảy vào khuôn

− Có các loại cốc rót sau:

a Cốc rót hình phễu

− Đây là loại cốc rót đơn giản, dễ chế tạo khi làm khuôn,nhưng vì thể tích nhỏlàm cho dòng kim loại bị xoáy, dễ cuộn khí vào ống rót Loại này thườngdùng cho vật đúc cỡ nhỏ, yêu cầu không cao

Hình 2.10 Cốc rót hình chuậ có máng lọc

• Cốc rót có màng ngăn: loại này có màng ngăn nên xỉ và tạp chất phi kim

nhẹ nổi lên trên bị màng ngăn cản lại, kim loại sạch qua khe hở ở dưới chảyvào khuôn

Hình 2.11 Cốc rót có màng ngăn

• Cốc rót có nút đậy: trước khi rót kim loại, đậy lỗ bằng 1 nút làm bằng vật

liệu chịu nóng, xỉ nhẹ nổi lên trên, mở nút kim loại sạch ở dưới chảy vàokhuôn

Hình 2.12 Cóc rót có nút đậy

3.2.2 Ống rót

− Ống rót dùng để dẫn kim loại từ phễu rót đến rãnh lọc xỉ, có ảnh hưởng lớn đếntốc đợ chảy của kim loại vào luôn đúc Áp lực của kim loại lên thành khuônđúc phục thuộc vào chiều cao ống rót

− Nói chung chiều cao ống rót cao hơn mặt cao nhất của vật đúc khoảng 100 200mm

-− Ống rót thường là hình trụ côn 30, trên to dưới nhỏ (a) Loại này dễ làm khuônđồng thời bảo đảm kim loại chảy đều vào rãnh lọc xỉ Nếu ống rót cao quá thìphải làm ống rót nhiều bậc (b) hoặc ống rót hình rắn (c) để giảm tốc độ củadòng kim loại

Hình 2.13 Các lạo ống rót

3.2.3 Rãnh lọc xỉ

− Rãnh lọc xỉ thường bố trí nằm ngang để chặn xỉ đi vào khuôn Bao giờ nó cũngđược bố trí trên rãnh dẫn, nhằm để tự xỉ nhẹ nổi lên trên và ở lại trong rãnh lọc,còn kim loại sạch theo rãnh dẫn vào khuôn

− Rãnh lọc xỉ thường có tiết diện hình thang (a), ít mất nhiệt và dễ nổi xỉ; đôi khidùng các loại có tiết diện tam giác và bán nguyệt

− Khi đúc những chi tiết quan trọng người ta còn dùng các loại rãnh lọc xỉ cómàng ngăn (b), rãnh lọc xỉ gấp khúc và nhiều bậc (c)

Hình 2.14 Các loại rãnh lọc xĩ

3.2.4 Rãnh dẫn

− Rãnh dẫn dùng để dẫn kim loại lỏng từ rãnh lọc xỉ vào khuôn Nhiệm vụ cảurãnh dẫn là khống chế tốc độ và định hướng dòng kim loại chảy vào khuôn.Hình dáng, vị trí và số lượng rãnh dẫn có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng vậtđúc

− Tiết diện ngang của rãnh dẫn thường là hình thanh dẹt, ngoài ra còn có hìnhtam giác, bán nguyệt Ưu điểm của rãnh dẫn hình thang dẹt là dễ nổi xỉ, dễ cắtrãnh dẫn khỏi vật đúc, giảm khuynh hướng tạo xốp co ở chỗ dẫn kim loại vàolòng khuôn Chiều dài và số lượng rãnh dẫn phụ thuộc vào khối lượng, chiềudày thành và độ phức tạp về hình dáng của vật đúc

− Vị trí đặt rãnh dẫn có ảnh hướng rất lớn đến chất lượng vật đúc Người ta nhậnthấy rằng: khi đúc hợp kim có độ co nhỏ mới dùng kiểu dẫn vào phần mỏngnhất của vật đúc (gang xám), khi đúc vật đúc có thành dày và co nhiều thườngdẫn kim loại vào chỗ thành dày để vật đúc đông đặc theo một hướng nhất định(thép) Khi đúc những vật đúc có thành dày, mỏng khác nhau thì căn cứ vàoyêu cầu kết tinh cùa vật đúc để quyết định vị trí dẫn kim loại cho thích hợp.Ngoài rãnh dẫn thẳng tiêu chuẩn thì người ta còn dùng các loại rãnh dẫn sau:

• Rãnh dẫn nhiều tầng: ưu điểm là điền đầy kim loại vào khuôn cùng một

lúc và vật đúc nguội đều trong khuôn, thích hợp với các vật đúc cao và to

Hình 2.15 Rãnh dẫn nhiều tầng

• Rãnh dẫn có khe mỏng: vừa có tác dụng dẫn kim loại vừa có tác dụng bổ

sung kim loại cho vật đúc, do đó bảo đảm kim loại được điền đầy, vật đúcnguội đều và và chặn xỉ tốt

Hình 2.16 Rãnh dẫn có khe mỏng

• Rãnh dẫn kiểu mưa rơi: kim loại lỏng từ rãnh lọc xỉ vòng qua nhiều rãnh

dẫn đứng “rơi” vào lòng khuôn Loại này điền đầy kim loại đồng thời nênđảm bảo nguội đều, tổ chức mịn chặt hơn

Hình 2.17 Rãnh dẫn kiểu mưa rơi

• Rãnh dẫn kiểu xifong: điền kim loại lỏng vào khuôn bằng cách dâng từ

dưới lên trên Loại rãnh dẫn này đảm bảo kim loại chảy êm, từ từ nên khôngphá hỏng khuôn Thường dùng rãnh này khi đúc các vật cỡ lớn

Hình 2.18 Rãnh đúc kiểu xifong

3.3 Chọn vị trí dẫn kim loại vào khuôn

− Đối với vật đúc có khối lượng nhỏ hơn 1,5 tấn và chiều dài nhỏ hơn 1,3m thìnên dẫn kim loại theo 1 phía

− Đối với loại lớn hơn dẫn vào giữa vật đúc Đối với các vật đúc phức tạp cónhiều dài hơn 2m nên dẫn kim loại theo 2 phía bằng các hệ thống rót riêng biệt

− Khi đúc gang nhiều graphit, chiều dày không khác nhau lắm nên dẫn kim loạivào chỗ mỏng nhất nhằn đảm bảo tốc độ nguội đồng đều

− Đúc gang ít cacbon có nhiều chỗ dày nên dẫn kim loại vào chỗ dày làm vật đúcnguội từ tiết diện bé nhất đến lớn nhất, do đó khử được ứng suất bên trong vậtđúc

− Vật đúc tròn xoay, cần bố trí rãnh dẫn tiếp tuyến với thành khuôn, đồng thờicần bảo đảm dòng kim loại xoay tròn theo 1 hướng

− Có thể dẫn kim loại vào khuôn từ trên xuống (khi vật đúc thấp, đúc trong 1hòm khuôn…); từ giữa vào (khi vật đúc trung bình, đúc trong hai hoặc nhiềuhòm khuôn); từ dưới lên (vật đúc quan trọng, cao, kim loại màu…)

3.4 Đậu ngót, đậu hơi

3.4.1 Đậu hơi

− Đậu hơi dùng đề thoát khí từ trong lòng khuôn ra ngoài

− Đậu hơi thường có dạng hình trụ côn 3-50 trên to dưới nhỏ, hoặc có tiết diệnhình chữ nhật

3.4.2 Đậu ngót

− Dùng để bổ sung kim loại cho vật đúc khi đông đặc Thường dùng khi đúcgang trắng, gang bền cao, thép, hợp kim màu, gang xám thành dày Đậu ngótphải được đặt vào chỗ thành vật đúc tập trung nhiều kim loại vì ở đó kim loạiđông đặc chậm nhất và co rút nhiều nhất

4 QUÁ TRÌNH ĐÔNG ĐẶC

− Quá trình đông đặc của kim loại khác nhau tùy thuộc vào kim loại đúc là kim loại nguyên chất hay hợp kim

4.1 Đường nguội của kim loại

a Đường nguội của kim loại nguyên chất

Hình 2.19 Quá trình đông đặc của kim loại nguyên chất diễn ra

và kết thúc tại một nhiệt độ xác định

b Đường nguội của hợp kim

Hình 2.30 Quá trình đông đặc của hợp kim diễn ra

và kết thúc trong một khoảng nhiệt độ

4.2 Quá trình kết tinh của vật đúc

− Ngay khi rót kim loại lỏng vào khuôn, do tiếp xúc với thành khuôn nguội, lớpkim loại lỏng tiếp xúc thành khuôn có tốc độ nguội rất lớn sẽ kết tinh ngaythành một lớp kim loại mỏng Bản thân thành khuôn đóng vai trò mầm ký sinhcũng làm tăng tốc độ tạo mầm và kết tinh Chiều dày của lớp kim loại này tăng

dần theo quá trình đông đặc, tạo thành một lớp vỏ kim loại bao xung quanhkim loại lỏng phía trong Lớp kim loại này có cấu trúc hạt nhỏ, mịn, trục địnhhướng bất kỳ và rất mỏng (Vùng I)

− Vùng tiếp theo có cấu trúc tinh thể hạt dài, có phương vuông góc với thànhkhuôn Tốc độ nguội càng lớn càng dễ dàng cho sự phát triển của tinh thể địnhhướng và chúng có thể tiếp xúc nhau ở trung tâm tạo thành tổ chức xuyên tinh

Tổ chức này có mật độ cao, nhưng dị hướng, dễ nứt khi bị biến dạng (Vùng II)

− Vùng trong cùng có tổ chức những hạt đa cạnh Lúc này, thành khuôn đã nónglên, kết tinh xảy ra với độ quá nguội nhỏ, hướng tỏa nhiệt theo mọi phương gầnnhư nhau, tinh thể phát triển đều theo mọi phương tạo ra tổ chức hạt thô đềutrục (Vùng III)

Hình 2.31 Cấu trúc tinh thể của vật đúcVùng I: Chill zone; Vùng II: Columnar zone; Vùng III: Equiaxed zone

− Tuy nhiên, không phải bất kỳ vật đúc nào cũng có tổ chức với đầy đủ cả ba

vùng như trên Tốc độ nguội có ảnh hưởng lớn đến vùng II và vùng III Tốc độ nguội nhanh thì vùng II phát triển và ngược lại, tốc độ nguội chậm thì vùng III phát triển.

− Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ nguội:

• Khối lượng vật đúc càng lớn thì tốc độ nguội càng chậm

• Bản chất vật liệu làm khuôn và chiều dày thành khuôn: khuôn cát, đất sétnguội chậm hơn khuôn kim loại; khuôn thép nguội chậm hơn khuôn đồng

• Nhiệt độ rót càng cao thì tốc độ nguội càng lớn

− Ngoài ra, bản chất và độ sạch của kim loại cũng ảnh hưởng đến quá trình kết tinh và do đó ảnh hưởng đến tố chức vật đúc Lượng tạp chất và nguyên tố hợp kim tăng làm tăng lượng mầm ký sinh, hạn chế phát triển của tinh thể định hướng và mở rộng vùng tinh thể đều trục phía trong

Hình 2.32 Tổ chức của kim loại nguyên chất và Tổ chức của hợp kim

4.3 Thời gian đông đặc

− Thời gian đông đặc của vật đúc được tính theo công thức Chvoninov:

n m

V TST C

n: hằng số, thường lấy giá trị bằng 2

C m: hằng số đặc trung cho khuôn đúc, phụ thuộc vào điều kiện diễn ra quá trìnhđúc (vật liệu khuôn, tính chất vật liệu đúc, nhiệt độ rót) (phút/cm2)

4.4 Co ngót

− Co ngót là sự giảm kích thước, và do đó thể tích, của vật đúc trong suốt quátrình làm nguội và đông đặc Co ngót xảy ra tuần tự theo 3 bước:

• Kim loại lỏng co lại suốt quá trình làm nguội trước khi đông đặc

• Co trong quá trình hóa rắn (chuyển từ pha lỏng sang pha rắn)

• Co do nhiệt trong suốt quá trình vật đúc (đã đông đặc) nguội xuống nhiệt độphòng

Quá trình co bao gồm 3 bước này được mô tả như hình sau:

Hình 2.33(1) Mức kim loại lỏng trong khuôn ngay sau khi rót

(2): Mức kim loại hạ thấp xuống do kim loại lỏng bị co lại khi hạ nhiệt độ(3): chiều cao của vật đúc tiếp tục giảm và hình thành những lỗ co do sự cotrong quá trình đông đặc

(4): chiều cao tiếp tục bị giảm, đồng thời đường kính khối kim loại cũng giảm

do sự co vì nhiệt khi khối kim loại nguội đi

− Co ngót diễn ra đối với hầu hết kim loại trong quá trình đông đặc vì khối lượngriêng của kim loại ở thể rắn nhỏ hơn khối lượng riêng của kim loại lỏng Sựđông đặc làm giảm thể tích của kim loại trên một đơn vị khối lượng

− Dưới đây là độ co thể tích của một số kim loại và hợp kim thông dụng:

Bảng 2.1 Độ co thể tích của một số kim loại và hợp kim thông dụng

Kim loại (hợp kim)

Thép hàm lượng cacbon thấp 3.0 7.2

− Trong các kim loại (hợp kim) thông dụng thì chỉ có gang xám với hàm lượngcacbon cao là không co thể tích khi đông đặc Điều này được lý giải bởi vớigang xám với hàm lượng cacbon cao, sự graphit hóa cacbon trong giai đoạncuối của quá trình đông đặc gây giãn nở thể tích chống lại sự co thể tích dochuyển pha từ lỏng sang rắn

− Do xảy ra co ngót trong quá trình đông đặc nên thể tích lòng khuôn đúcthường được thiết kế lớn hơn so với kích thước vật đúc mong muốn

4.5 Đông đặc có định hướng

− Tác hại của co ngót khi đông đặc sẽ được giảm thiểu nếu vùng xa vị trí ốngrót nhất được đông đặc trước nhất, và quá trình đông đặc được định hướng từnhững vùng này về phía vị trí đặt đậu ngót Do đậu ngót đông đặc sau cùngnên vật đúc giảm thiểu được các rổ co trong suốt quá trình đông đặc, vì vậtđúc vẫn được cung cấp kim loại lỏng từ đậu ngót cho đến khi đông đặc toànbộ

− Để định hướng quá trình đông đặc, quy tắc Chvorinov được áp dụng trongthiết kế vật đúc, định hướng vật đúc trong khuôn, và thiết kế hệ thống đậungót Nếu vật đúc có tỷ số V/A nhỏ hơn so với tỷ số V/A của đậu ngót, thì đậungót sẽ đông đặc sau cùng

− Một phương pháp khác để định hướng quá trình đông đặc là dùng các chốtkim loại có chức năng làm nguội đặt bên trong lòng khuôn trước khi rót kim

loại hoặc đặt bên trong thành khuôn (khuôn cát) Các chốt kim loại này làm

cho vùng xung quanh nó có tốc độ nguội cao hơn các vùng còn lại Kim loạilàm nguội đặt trong lòng khuôn phải có thành phần hóa học giống với kim loạiđúc, tốt nhất nên dùng chính kim loại đúc vào mục đích này

Hình 2.34 Vật đúc trong trường hợp(a) có định hướng đông đặc và (b) không định hướng đông đặc

5 CHẤT LƯỢNG VẬT ĐÚC (KHUYẾT TẬT VẬT ĐÚC)

5.1 Sai hình dáng kích thước và trọng lượng

a Thiếu hụt: hình dáng vật đúc trong đầy đủ có nhiều nguyên nhân:

− Kim loại lỏng thoát ra do lắp, lượng kim loại rót không đủ

− Độ chảy loãng thấp, nhiệt độ rót thấp, ráp không kín, kẹp chặt hay đè khuôn thiếu lực

− Hệ thống thoát khí không đạt yêu cầu tạo áp lực trong khuôn nâng lên đến mức kim loại lỏng không điền đầy được

Hình 2.38 Vật đúc bị lòi

e Vênh:

− Là sự thay đổi hình dạng, kích thước vật đúc do kết cấu vật đúc không hợp lý,không đảm bảo cứng vững, do mẫu bị cong vênh, do công nghệ rót, làm nguộikhông hợp lý hoặc do ứng suất bên trong vật đúc khi kết tinh

f Sứt:

− Thao tác cơ học khi phá khuôn, các hệ thống rót, đậu rót, làm sách hoặc nhưng

va chạm trong vận chuyển làm sứt mẻ vật đúc dẫn đến sai khác hình dạng,thiếu hụt kích thước vật đúc

− Sai kích thước trọng lượng: sự sai lệch kích thước và trọng lượng là do kíchthước mẫu, hộp lõi kích thước mẫu, hợp lõi thiết kế sai, lắp ráp và kiểm trakhuôn không cẩn thận

5.2 Khuyết tật mặt ngoài

a Cháy cát:

− Do vật liệu là khuôn lõi bị cháy dưới tác dụng của nhiệt độ rót bám dính lên bềmặt vật đúc làm giảm trạng thái bề mặt

− Nguyên nhân cháy cát bao gồm:

+ Độ bền nhiệt của hỗn hợp kém, nhiều tạp chất

+ Nhiệt độ rót quá cao

+ Hệ thống rót thiếu hợp lý để kim loại tập trung cục bộ quá lớn làm cháy hỗnhợp ở đó.

+ Lớp sơn khuôn không đảm bảo

− Là lỗ có hình dạng, kích thước khác nhau làm giảm chiều dày vật đúc

− Nguyên nhân chính: do khuôn bị vỡ để lại lượng hỗn hợp chiếm chỗ trong lòngkhuôn

5.3 Nứt

− Nứt là khuyết tật tương đối phổ biến và nguy hiểm đối với vật đúc

− Nguyên nhân: Chủ yếu là do ứng suất bên trong, do có giọt không đồng đềugiữa các vùng khác nhau trong vật đúc cả trong khi kết tinh và là nguội theonhiệt độ tạo nứt, ta có hai loại chính:

Hình 2.41 Nứt nóng

b Nứt nguội

+ Nứt nguội xảy ra ở nhiệt độ thấp, nên bề mặt vết nứt sạch do không bị oxy hóa

Hình 2.42 Nứt nguội

Hình 2.43 Rỗ khí

Biện pháp khắc phục rỗ khí:

− Nguyên tắc chung là giảm lượng khí sinh ra khi nấu chảy và rót kim loại lỏngvào khuôn, ngăn ngừa không cho nguồn tạo khí tiếp xúc với kim loại lỏng khirót Vì vậy cần phải đảm bảo:

• Vật liệu sạch, khô

• Rút ngắn thời gian nấu chảy, nhất là thời gian quá nhiệt

• Hỗn hợp khuôn và lõi phải thông khí tốt

− Nguyên nhân chủ yếu là do kết câu vật đúc không hợp lý, bố trí hệ thông rót,đậu ngót không đúng nên không đón được hướng đông đặc.

Hình 2.44 Rõ co

5.6 Có lẫn tạp chất.

− Đó là những phần không chứa kim loại mà chứa tập chất như xỉ, cát hoặc cácphi kim khác Nguyên nhân do lọc xỉ không tốc, không khử hết oxy khi nấu,nhiệt độ rót thấp, độ bền của khuôn kém, hệ thống rót thiếu hợp lý

5.7 Sai tổ chức

− Nhóm này có tổ chức kim loại hình dạng, kích thước và số lượng hạt kim loạikhông đúng yêu cầu những phần vật đúc nguội nhanh thì hạt nhỏ, độ cứng lớnkhố gia công cắt gọt

− Tốc độ nguội không đều,khống chế nguội không hợp lý sẽ gây ra thiên tích vềthành phần hóa học và thiên tích tổ chức trong kim loại vật đúc

5.8 Sai thành phần hóa học và cơ tính.

− Thành phần hóa học sai với yêu cầu là do mẻ liệu đưa vào tính toán sai Điều này dẫn đến sai lệch cả lý hóa tính, cơ tính vật đúc

− Khuyết tật vật đúc cũng có thể được phân loại theo nguyên nhân gây ra khuyết tật, gồm có: khuyết tật do lẫn khí, khuyết tật do co ngót, khuyết tật do vật liệu làm khuôn, khuyết tật do rót kim loại, khuyết tật do nấu luyện kim loại

5.9 Khuyết tật do lẫn khí:

a Rỗ khí và rỗ bề mặt

− Nguyên nhân: Do khí không thoát hết được ra khỏi lòng khuôn và lõi tại thời

điểm rót kim loại

− Biện pháp khắc phục: Rỗ khí và rỗ bề mặt là những khuyết tật rất khó khắc

phục trong đúc kim loại Tuy nhiên ta có thể giảm thiểu các khuyết tật loại này bằng cách thiết kế khuôn bằng vật liệu thông khí tốt, thông khí cho khuôn và thiết kế đậu hơi hợp lý

b Kim loại lỏng bị lẫn khí

− Nguyên nhân:

• Nhiệt độ rót cao làm tăng sự hấp thụ khí vào kim loại lỏng

• Hệ thống rót không đạt yêu cầu

− Khuyết tật loại này là do sự co ngót khi kim loại lỏng đông đặc và làm nguội

Để khắc phục nó cần thiết kế hệ thống dẫn kim loại thích hợp và thiết kế vậtđúc một cách hợp lý

5.11 Khuyết tật do vật liệu làm khuôn

a Sẹo

− Nguyên nhân: Dòng chảy kim loại khiến thành khuôn cát bị xói mòn.

− Biện pháp khắc phục:

• Cải thiện khuôn cát sao cho vững chắc hơn

• Thiết kế hệ thống rót hợp lý để hạn chế vận tốc của dòng kim loại lỏng chảytrong khuôn

b Kim loại thấm qua khuôn

− Nguyên nhân: Kim loại lỏng thấm qua khe hở giữa các hạt cát, làm xấu bề

mặt vật đúc

− Biện pháp khắc phục: Chọn loại cát thích hợp, làm sạch khuôn.

c Cháy cát làm xấu bề mặt vật đúc

− Nguyên nhân:

• Cát làm khuôn chịu nhiệt kém

• Nhiệt độ rót quá cao

− Biện pháp khắc phục

• Chọn loại cát chịu nhiệt tốt hơn

• Chọn nhiệt độ rót thích hợp

d Run out

− Nguyên nhân: Kim loại lỏng rò rỉ ra ngoài khuôn.

− Biện pháp khắc phục: Thiết kế lại khuôn.

e Bọng cát, cong vênh

− Nguyên nhân:

• Độ dãn nở của khuôn kém, khuôn chịu nhiệt kém

• Nhiệt độ rót quá cao

• Kim loại lỏng không hoàn toàn được điền đầy vào khuôn.

• Các dòng kim loại không hòa vào nhau hoàn toàn gây ra những vùng kim loại không liên tục

• Tính chảy loãng của kim loại lỏng thấp

• Thành vật đúc có những chỗ quá mỏng

− Biện pháp khắc phục: Thiết kế vật đúc hợp lý hơn.

5.13 Khuyết tật do nấu luyện

a Kẽ nứt

− Nguyên nhân:

• Do kim loại lỏng nguội không đều

• Thiết kế vật đúc không hợp lý

− Biện pháp khắc phục:Thiết kế vật đúc hợp lý hơn

6 KIM LOẠI TRONG SẢN XUẤT ĐÚC

− Phần lớn các sản phẩm đúc được chế tạo từ hợp kim thay vì kim loại nguyênchất Nhìn chung hợp có tính dễ đúc tốt hơn kim loại nguyên chất và cho sảnphẩm chất lượng cao hơn Hợp kim đúc được phân loại thành hợp kim đen vàhợp kim màu Hợp kim đen được phân loại thành gang và thép

6.1 Hợp kim đen: Gang

− Theo tổ chức tế vi, có thể phân loại gang thành gang xám, gang dẻo, gangtrắng, gang cầu và gang hợp kim

Gang xám

+ Gang xám là loại gang mà toàn bộ hay phần lớn cacbon trong nó tồn tại dướidạng tự do graphit Graphit của nó tồn tại ở dạng phiến, tấm, chuỗi, … Mặt gãy

có màu xám nên được gọi là gang xám Đây là loại gang phổ biến nhất và được

sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật

+ Thành phần hóa học: 2,8-3,5%C; 1,5-3%Si; 0,5-1%Mn; 0,1-0,2%P; 0,012%S

0,08-+ Cơ tính: Do có graphit dạng tấm nên làm giảm độ bền kéo của gang, chỉ bắng1/3 đến 1/5 so với thép tương ứng Giới hạn bền kéo khoảng 150-350 Mpa

+ Tuy nhiên, gang xám có tính bôi trơn tốt làm giảm ma sát, tăng tính chống màimòn, có tác dụng hấp thu rung động và dập dao động cộng hưởng.

+ Độ cứng thấp 150-250 HB, phoi dễ gãy, cắt gọt tốt Gang xám gần như khôngbiến dạng dẻo được

+ Gang xám được sử dụng rộng rãi làm vỏ máy, nắp máy, thân máy, vỏ hộp số,mặt bích, các-te, bánh răng tốc độ chậm, bánh đà, sơ-mi, xéc-măng, …

Hình 2.45 Cấu trúc tế vi của gang xám

Gang dẻo

+ Là loại gang có tổ chức graphit tương đối thu gọn ở dạng cụm và bông, tínhdẻo tương đối cao, mặt gãy có màu xám Nhìn bề ngoài khó phân biệt với gangxám

+ Thành phần hóa học: hàm lượng cacbon thấp khoảng 2,2-2,8% để ít graphit hóanâng cao tính dẻo, tổng lượng cacbon và silic thường khoảng 3,5%

+ Cơ tính: có độ dẻo cao do hàm lượng cacbon thấp, cơ tính trung gian giữa gangxám và gang cầu, giới hạn bền 300-600MPa, độ cứng trên dưới 200HB, dễ cắtgọt

+ Gang dẻo thường dùng làm các chi tiết có hình dáng phức tạp (đòi hỏi tính đúccao), chịu va đập (tính dẻo), tiết diện mỏng

Gang cầu

+ Là loại gang có graphit thụ gọn nhất ở dạng cầu, do đó gang cầu là loại gang có

độ bền cao nhất trong các loại gang có cacbon tồn tại ở dạng graphit

+ Thành phần hóa học: gang cầu có thành phần hóa học giống gang xám nhưng

có một số đặc điểm sau:

• Lượng cacbon và silic cao tới 5-6% để bảo đảm khả năng graphit hóa

• Không có hay rất ít các nguyên tố gây cản trở quá trình cầu hóa như Ti, Al,

Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là S

• Chứa một lượng nhỏ chất biến tính Mg hay Ce (0,04-0,08%)

• Có các nguyên tố nâng cao cơ tính: Ni<1%; Mn 2%

+ Cơ tính: gang cầu có cơ tính khá cao, giới hạn bền kéo bằng 70-80% so vớithép tương ứng; độ bền từ 400-1000Mpa Gang cầu ít bị phá hủy dòn hơn sovới gang xám Độ cứng xấp xỉ 200HB, gia công cắt gọt tốt

+ Gang cầu chủ yếu dùng thay thép để chế tạo các chi tiết hình dạng phức tạpnhư trục khuỷu xe ô tô du lịch và vận tải nhỏ Ngoài ra, nó còn được dùng làmmột số chi tiết quan trong khác

Hình 2.46 Cấu trúc tế vi của gang cầu

6.2 Hợp kim đen: thép

− Thép là vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí Tuy nhiên, thép khó gia côngđúc Thép có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn rất nhiều so với các kim loại phổ biếndùng để đúc Đường đông đặc của thép cacbon thấp tại 1540oC Điều này cónghĩa là nhiệt độ nóng chảy yêu cầu của thép rất cao khoảng 1650oC Tại nhiệt

độ cao thép bị oxy hóa, vì thế phải sử dụng những phương pháp đúc đặc biệt từ

quá trình nấu chảy tới quá trình rót kim Thép có độ chảy lỏng thấp do đó, hạnchế bền dày của vật đúc.

− Thép có giá trị lớn trong ngành cơ khí, đáng để chúng ta giải quyết những vấn

đề trên Khả nằng chịu kéo lớn hơn rất nhiều so với hầu hết các kim loại đúckhác, thấp nhất khoẳng 410Mpa Thép đúc có ứng xuất uốn lớn hơn hầu hết cáchợp kim đúc khác Đặc điểm của thép đúc là tính đẳng hướng: lực tác động nhưnhau ở mọi hướng ví dụ: cán và rèn Dựa vào yêu cầu sản phẩm, ta có nhữngtrạng thái đẳng hướng như mong muốn

6.3 Hợp kim màu

Hợp kim nhôm

+ Là hợp kim thông dụng để đúc Điểm đông đặc của nhôm nguyên chất là

6000C, vì thế nhiệt độ nóng chảy của nhôm thấp hơn so với đúc gang thép Vì đặc tính là kim loại nhẹ và là kim loại phổ biến nên nhôm được sử dụng để đúc

Hợp kim thiếc

+ Thiếc là kim loại có nhiệt độ đông đặc thấp nhất trong những kim loại đúc Hợp kim nền thiết được sử dụng phổ biến trong đúc Chúng có khả nằng chịu bền mòn tốt nhưng độ bền thấp, ứng dụng chủ yếu là các sản phẩm yêu cầu độ bền thấp

Hợp kim kẽm

+ Được sử dụng phổ biến trong đúc Kẽm có nhiệt độ đông đặc thấp và dộ chảy loãng cao, khả nằng đúc tốt Hạn chết là độn bền biến dạng thấp, vì thế kẽm không được sử dụng để đúc những vật chịu ứng suất lớn

Hợp kim niken

+ Có độ bền nóng tôt và chịu bền mòn tốt, được sử dụng để làm những bộ phận thường xuyên làm việc ở nhiệt độ cao như các chi tiết của động cơ phản lực, tên lửa, màn chắn nhiệt, các chi tiết phổ biến khác Hợp kim niken cũng có nhiệt độ đông đặc cao, khó đúc.

Hợp kim titan

+ Để đúc những vật chịu bền mòn và chịu ứng suất lớn Tuy nhiên, titan có nhiệt

độ đông đặc cao, độ chảy loãng thấp, và bị oxy hóa ở nhiệt độ cao Những tính chất đó làm titan khó gia công đúc

7 THIẾT KẾT QUÁ TRÌNH ĐÚC

− Để có sản phẩm đúc có chất lượng, khi thiết kế đúc cần lưu ý đến các vấn đềsau:

Kết cấu vật đúc đơn giản

Phương pháp đúc có thể tạo ra các sản phẩm có hình dáng kết cấu phứctạp, tuy nhiên đơn giản hóa chi tiết sẽ nâng cao chất lượng vật đúc Giảm thiểunhững chi tiết phức tạp không cần thiết sẽ đơn giản hóa việc thiết kế khuôn,làm lõi và cải thiện cơ tính vật đúc

Chiều dày mặt cắt ngang nên được thiết kế đồng đều nhau để tránh rổ

co Ở những vùng dày hơn thì thời gian đông đặc sẽ lâu hơn những vùng cònlại, rổ co dễ hình thành tại các vùng này

Hình 2.48 Chiều dày mặt cắt ngang

Độ dốc của thành khuôn và vật đúc

Bề mặt vật đúc tiếp xúc với thành khuôn nên được thiết kết với gócnghiêng từ 10đến 30để có thể dễ dàng lấy vật đúc ra khỏi khuôn sau khi đôngđặc

Hình 2.49 Độ dốc của thành khuôn và vật đúc

Lượng dư gia công

Vì đúc là phương pháp không đạt độ chính xác cao nên trong nhiềutrường hợp cần phải gia công cơ sau khi đúc để được chi tiết mong muốn Do

đó, khi thiết kế đúc cần tính đến lượng dư gia công hợp lý

Chọn phương pháp đúc phù hợp với yêu cầu về độ chính xác kích thước

và chất lượng bề mặt

Dưới đây là độ chính xác và chất lượng bề mặt vật đúc đối với một sốphương pháp và vật liệu đúc thông dụng:

Bảng 2.2 So sánh các phường pháp đúc