Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu kim loại: Nghiên cứu chất sơn mẫu dùng cho công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí

Trong mảng các phương pháp đúc chính xác có thể chia làm hai nhóm: • Nhóm có mặt phân khuôn: đúc trong khuôn kim loại, đúc trong khuôn áp lực,… • Nhóm không có mặt phân khuôn: đúc trong

T ỔNG QUAN

M ở đầu

Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng cách 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 Hiện nay, xu thế của ngành đúc đi theo hai hướng chính:

- Giảm ô nhiễm môi trường: sử dụng hỗn hợp làm khuôn thân thiện với môi trường, xử lý hỗn hợp làm khuôn sau khi sử dụng hoặc đúc theo phương pháp dùng khuôn kim loại

- Tăng độ chính xác cho vật đúc: Độ chính xác của vật đúc phụ thuộc vào độ bóng của bề mặt hốc khuôn, có hay không có mặt phân khuôn

Trong mảng các phương pháp đúc chính xác có thể chia làm hai nhóm:

• Nhóm có mặt phân khuôn: đúc trong khuôn kim loại, đúc trong khuôn áp lực,…

• Nhóm không có mặt phân khuôn: đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn mẫu hóa khí,…

Các phương pháp đúc có mặt phân khuôn sẽ tồn tại hai nhược điểm chính:

- Khó đúc các chi tiết có hình dạng phức tạp, yêu cầu rất cao về độ chính xác kích thước hình học do phải có nhiều mặt phân khuôn

- Có mặt phân khuôn sẽ dễ dẫn đến sai lệch kích thước

Do đó, nhóm các phương pháp đúc chính xác không có mặt phân khuôn đang được định hướng là một trong các xu thế phát triển của ngành đúc, chúng cho thấy ưu thế vượt trội so với các phương pháp đúc khác vì những lý do nêu trên Công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí là một trong các phương pháp đó [1] [2] [3] [4]

Luận văn cao học– Chất sơn mẫu

L ịch sử hình thành và phát triển

Năm 1958, H.F Shroyer (Mỹ) phát minh ra kỹ thuật đúc kim loại dùng mẫu bọt xốp (foam) và được nhận bằng phát minh (số USP 2830343) [7] Đầu tiên, mẫu được gia công từ tấm vật liệu polystyrene (EPS), dùng hỗn hợp cát - đất sét làm khuôn đúc mỹ nghệ Theo phương pháp này, làm khuôn xong không cần lấy mẫu, khi rót kim loại lỏng vào khuôn, mẫu sẽ tự bốc cháy lộ ra hốc khuôn để điền đầy kim loại lỏng; sau khi kim loại lỏng đông đặc vật đúc sẽ hình thành Năm 1961,

Công ty Grunzweig và Hartmann (Đức) mua bản quyền này và có cải tiến để đến năm 1962 đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất

Kỹ thuật dùng cát khô không chứa chất dính trong sản xuất đúc do H Nellen (Đức) và T.R Smith (Mỹ) đăng ký bản quyền năm 1964 Vì trong quá trình rót vào khuôn cát không chất dính thường xuyên có hiện tượng sụt lún (slump) nên năm 1967 A Wittemoser (Đức) dùng các hạt sắt nhiễm từ làm vật liệu khuôn thay thế cho cát thạch anh và từ trường được dùng làm “chất dính” nên phương pháp này còn được gọi là “đúc trong khuôn từ” Cũng vì máy làm khuôn từ khó tạo được các khuôn kích thước lớn , độ phức tạp cao nên năm 1971, Nagano – người Nhật phát minh ra phương pháp V ( V-process: phương pháp đúc trong khuôn chân không) Ở đây cát khô không chứa chất dính được dùng làm vật liệu khuôn, dùng biện pháp hút chân không để cố định cát khuôn và tạo nên hốc khuôn phục vụ cho quá trình rót kim loại lỏng Từ phương pháp này, ngày nay rất nhiều nơi dùng phương pháp hút chân không để cố định cát trong khuôn mẫu xốp, một mặt khắc phục được hiện tượng sụt lún cát trong quá trình rót, mặt khác có lợi cho việc phân huỷ mẫu nhựa xốp và loại trừ chúng Trước năm 1980, nếu dùng công nghệ cát khô không chứa chất dính phải được sự đồng ý của công ty Full Mold Process, Inc – Mỹ Sau này, bản quyền trên không còn hiệu lực; do đó 20 năm gần đây kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu cháy trên phạm vi toàn thế giới phát triển rất nhanh

Sự phát triển của kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu cháy trải qua ba giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất:dùng nhựa bọt xốp làm mẫu và cát - đất sét làm khuôn, khuôn được chế tạo trên máy làm khuôn (ví dụ như máy ép, máy dằn).

Giai đoạn hai: dùng nhựa xốp làm mẫu, cát nhựa (vô cơ hoặc hữu cơ) làm khuôn

Giai đoạn ba:dùng mẫu tự tiêu và các hạt vật liệu khuôn không chứa chất dính, đầm khuôn bằng phương pháp vật lý (chân không hoặc từ trường). Đúc bằng mẫu cháy được viết tắt theo tiếng Anh là LFC (Lost Foam Casting) hoặc EFC (Expandable Pattern Casting), cũng còn gọi là đúc trong khuôn đầy (Full Mold Casting) Để giảm bớt những nhầm lẫn do ngôn ngữ gây nên, trong đề tài gọi phương pháp công nghệ này là “đúc trong khuôn mẫu hóa khí” (LFC – Lost Foam Casting).

Nguyên lý và đặc điểm phương pháp đúc trong khuôn mẫu hóa khí

1.3.1 Nguyên lý Đây là phương pháp đúc lợi dụng đặc tính của vật liệu xốp để tạo hình mẫu một cách đơn giản và rẻ tiền Các bước tiến hành cơ bản được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1: Quy trình công nghệ khuôn mẫu hóa khí tổng quát

- Tạo mẫu xốp theo hình dạng của chi tiết, các mẫu này có thể dùng như chi tiết đơn hoặc lắp thành cụm lại với nhau, sau đó mẫu được sơn bằng chất sơn mẫu

- Đặt mẫu vào hòm khuôn có đáy, đổ cát không hoặc có chất dính vào

- Rung hòm khuôn với chế độ rung (phương, biên độ, tần số và thời gian rung) thích hợp để cát điền đầy kín các hốc của mẫu và được lèn chặt để tạo thành một khối ổn định về mặt kích thước và duy trì không đổi trong quá trình đúc

- Rót kim loại vào khuôn Khi tiếp xúc với kim loại lỏng, mẫu sẽ chảy và hóa hơi tạo ra sản phẩm cháy đi vào cát rời Một số sản phẩm cháy sẽ nhanh chóng ngưng tụ, một số khác thoát ra ngoài qua khe cát nhờ hệ thống thông gió và được giữ lại ở hệ thống xử lý Chân không có thể được sử dụng trong quá trính rót nhằm tránh hiện tượng sụt lún hóc khuôn , bắn tóe kim loại do lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy mẫu xốp

- Sau khi vật đúc đông đặc và nguội, đổ cát ra, tách chi tiết, xử lý cát và hoàn nhiệt cho cát ở chu kỳ tiếp theo Lượng cát tiêu hao rất thấp

- Tiết kiệm thời gian cho khâu chuẩn bị sản xuất, năng suất cao hơn so với một số phương pháp đúc truyền thống Giảm được các chi phí cho khâu chuẩn bị và xử lý hỗn hợp, khâu chế tạo khuôn, xử lý bavia,…

- Mẫu nhẹ, rẻ tiền, dễ tạo hình Đối với mẫu lớn: cắt bằng dây điện trở nung đỏ rồi dán lại Đối với mẫu nhỏ: sản xuất hàng loạt bằng phương pháp ép ở 200÷250 o C Thời gian và chi phí tạo mẫu giảm đáng kể

- Không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn Không cần hai hòm khuôn cho một vật đúc và các thao tác liên quan

- Quá trình thiết kế đơn giản do hệ thống rót đơn giản, không có mặt phân khuôn, mặt phân mẫu

- Về nguyên tắc, có thể đúc các vật đúc có hình dạng bất kỳ, kích thước vật đúc nói chung không bị hạn chế (đã đúc được các vật đúc tới 20 tấn)

- Không cần ruột và đầu gác ruột đối với các vật đúc phúc tạp có lỗ và hốc

- Vật đúc không bị các khuyết tật về bavia, lệch khuôn, các khuyết tật liên quan đến ruột và hỗn hợp làm khuôn Vật đúc yêu cầu lượng dư gia công ít hơn, đạt được độ chính xác cao hơn so với các phương pháp đúc truyền thống

- Có thể dùng cát không cần chất dính do đó cát không bị nhiễm bẩn phải loại đi, có thể sử dụng lại nhiều lần, ít ô nhiễm môi trường Cũng có thể dùng các loại hỗn hợp khác để làm khuôn: hỗn hợp chảy lỏng, hỗn hợp tự đông rắn, hỗn hợp cát – sét…Có thể đúc trong khuôn chân không hoặc khuôn từ

- Có thể sử dụng cho mọi loại hình sản xuất: đơn chiếc, loạt nhỏ, hàng loạt

- Có thể đúc tất cả các kim loại và hợp kim

- Cần phải có thiết bị đúc chuyên dùng (tuy nhiên chi phí đầu tư thấp hơn nhiều phương pháp khác)

- Hộp mẫu để chế tạo mẫu xốp tương đối đắt tiền

- Cần thời gian chuẩn bị dài để chế tạo chi tiết mới

- Khi đúc gang và thép, thành phần cacbon khó xác định do việc hình thành lớp cacbon khi mẫu cháy sẽ sinh ra muội than và xâm nhập lên ở mặt trên và dưới

Khắc phục nhược điểm này người ta dùng copolymers

1.3.3 Phạm vi sử dụng Đây là phương pháp rẻ tiền và có thể đúc các chi tiết có hình dạng phức tạp như blốc động cơ, trục khuỷu, nắp xilanh, bộ lọc dầu, thân máy bơm, bệ tấm đỡ,… phù hợp cho sản xuất hàng loạt các chi tiết đúc bằng hợp kim nhôm có khối lượng đến 20kg, bằng gang và hợp kim đồng có khối lượng đến 50kg Phương pháp này không phù hợp đối với các chi tiết đúc bằng thép cacbon thấp và trung bình do khả năng làm tăng hàm lượng cacbon của mẫu xốp nhưng thích hợp để đúc thép có hàm lượng cacbon cao Dưới đây trình bày một số ứng dụng cụ thể của phương pháp này:

Cho đến nay, tỉ lệ lớn nhất của đúc nhôm là phục vụ cho ngành sản xuất động cơ Điều đó chứng tỏ rằng, có một thị trường rất lớn cần phương pháp đúc trong khuôn mẫu hóa khí. Ống nạp (động cơ): đây là một trong những ứng dụng thành công đầu tiên và được sử dụng cho đến tận ngày nay Thông thường, để sản xuất chi tiết này người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại tĩnh (gravity die casting), quy trình này thường chậm và giá thành đầu tư thiết bị khá đắt Phương pháp đúc trong khuông mẫu hóa khí là phương pháp tốt nhất để chế tạo ống nạp trong áo nước của bộ chế hòa khí [8]

Nắp xilanh: đây là ứng dụng có sự tăng trưởng nhanh nhất đối với ngành ô tô Thông thường nắp xilanh được chế tạo bằng phương pháp đúc trọng lực với bộ ruột rất phức tạp Đúc trong khuôn mẫu hóa khí, giúp quá trình làm nguội bề mặt làm việc của nắp xilanh được dễ dàng Buồng đốt, các lỗ bu lông có thể được tạo hình thông qua quá trình đúc, tránh gia công cơ khí, giúp giảm chi phí sản xuất [8]

Thân xilanh: các công ty sản xuất đang có xu hướng chuyển dần từ sử dụng gang xám qua hợp kim nhôm

Hàng loạt các bộ phận ô tô khác cũng đang được đúc bằng phương pháp này như vỏ máy bơm nước, giá đỡ, bộ trao đổi nhiệt, bơm nhiên liệu, xylanh phanh Các ứng dụng ngày càng được tăng lên, do các nhà sản xuất dần ý thức được những ưu điểm của phương pháp đúc này [8]

Sơ đồ quy trình công nghệ

Có nhiều quy trình công nghệ áp dụng cho khuôn mẫu hóa khí, song có bốn quy trình công nghệ chính, phổ biến được áp dụng rộng rãi trong công nghệ đúc này:

1 Quy trình công nghệ với cát không chất dính, có chân không 2 Quy trình công nghệ với cát có chất dính, có chân không 3 Quy trình công nghệ với cát không chất dính, không chân không 4 Quy trình công nghệ với cát có chất dính, không chân không

1.4.1 Quy trình công nghệ với cát không và có chất dính, có chân không

Hình 1.18: Quy trình công nghệ với cát không và có chất dính, có chân không

1.4.2 Quy trình công nghệ với cát không và có chất dính, không chân không

Hình 1.19: Quy trình công nghệ với cát không và có chất dính, không chân không

1.4.3 Lựa chọn quy trình công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí cho đề tài Đối với các quy trình công nghệ chính trên mục 1.4.1 và 1.4.2, khi sử dụng cùng một loại cát để làm khuôn, ta xem xét hai yếu tố chân không và chất dính nhằm chọn ra quy trình công nghệ cho đề tài

Chân không: khi rót kim loại lỏng vào trong khuôn, mẫu xốp sẽ cháy sinh ra một lượng khí lớn và đột ngột, tạo ra một áp lực lớn trong lòng khuôn được tạo sau khi mẫu xốp cháy, nếu không có giải pháp tháo nhanh lượng khí này ra có thể gây

Luận văn cao học– Chất sơn mẫu ra hiện tượng sụt lún khuôn, bắn tóe kim loại, khuôn sẽ không được điền đầy hoàn toàn do áp lực khí sinh ra khi mẫu cháy nằm trong hốc khuôn chưa kịp thoát qua các khe hở của cát sẽ cản trở kim loại lỏng vào điền đầy khuôn Do đó việc sử dụng chân không là cần thiết nhằm hút toàn bộ lượng khí sinh ra, loại bỏ các hiện tượng trên

Chất dính: Hầu hết các chất dính sử dụng trong công nghệ đúc đều có nhiệt độ nóng chảy thấp, nên khi trộn vào hỗn hợp làm khuôn sẽ làm giảm khả năng chịu nhiệt của hỗn hợp Chất dính làm giảm độ thông khí của hỗn hợp cát làm khuôn, điều này đặc biệt không có lợi cho quá trình điền đầy khuôn khi sử dụng công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí Khâu tái sử dụng hỗn hợp làm khuôn phải qua một công đoạn xử lý tốn kém và làm cồng kềnh chu kỳ đúc

Qua những gì phân tích nêu trên, đối với đề tài ta sẽ chọn: Quy trình công nghệ với cát không chất dính, có chân không.

T ổng quan về các nghiên cứu

Xốp polystyren được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí là dạng polyme vô định hình mạch thẳng chứa 92% C và 8%H về khối lượng và có trọng lượng phân tử từ 300,000-500,000 [11] Ngoài ra các loại xốp như polymetyl-metaacrylat (PMMA), PAC, polyurethan xốp…cũng được sử dụng trong khuôn mẫu hóa khí

Lượng khí sinh ra khi xốp bị phân hủy bởi nhiệt phụ thuộc vào khối lượng riêng của mẫu xốp, việc sử dụng xốp polystyren có kích thước hạt nhỏ sẽ cho phép đúc các chi tiết có thành mỏng ( 6 mm hoặc nhỏ hơn) phổ biến [12]

Bảng 1.2: Loại hạt polystyren cho công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí [13]

Loại hạt Đường kính hạt thô, mm Đường kính hạt ứng với khối lượng riêng

Bảng 1.3: Khối lượng riêng đề nghị của xốp polystyren trong công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí [13]

Kim loại đúc Nhiệt độ nóng chảy, o C Khối lượng riêng mẫu xốp Polystyren, kg/m 3

Nhôm 705-790 24-27 Đồng thau/ đồng thanh 1040-1260 20-21.6

Theo S.Mehta (1995), tính chất vật lý của hạt polystyrene thường được sử dụng trong đúc nhôm có khối lượng riêng 20-26 kg/m 3 và đường kính hạt trung bình là 1,4 mm Một hạt polystyren sẽ bị biến mềm ở khoảng 120 o C, nóng chảy ở 160 o C, và hoàn toàn hóa hơi giữa 470 và 500 o C [14]

Droke (2006) đã nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng riêng xốp polystyren đến khả năng điền đầy khuôn của kim loại lỏng đối với hợp kim AM60B Kết quả cho thấy khối lượng riêng của xốp polystyren thấp cho khả năng điền đầy của kim loại lỏng trong khuôn cao hơn so với mẫu xốp có khối lượng riêng cao hơn Tuy nhiên tốc độ điền đầy khuôn khi dùng xốp có khối lượng riêng cao lại nhanh hơn so với xốp có khối lượng riêng thấp [15] Suyitno và Abdul Karim (2012) cũng tiến hành xem xét ảnh hưởng của khối lượng riêng của xốp polystyren đến tính lưu động của hợp kim nhôm AA356.1 khi đúc trong khuôn mẫu hóa khí Kết quả cho thấy tính lưu động của hợp kim lỏng khi được rót vào khuôn giảm theo chiều tăng khối lượng riêng của xốp polystyren [16]

Qua hai nghiên cứu của M Sands and M Shivkumar (2003) và Sudhir

Kumara (2008) đã chứng minh rằng, việc giảm độ hạt cát làm khuôn có tác dụng tăng thời gian điền đầy khuôn của kim loại lỏng [17] và giúp giảm độ nhám bề mặt chi tiết [18] Tuy nhiên, theo nghiên cứu của S Izman (2012) cho thấy, độ hạt của cát làm khuôn ít ảnh hưởng tới khuyết tật rỗ khí trong vật đúc [19] Từ đó có thể kết luận độ hạt của cát sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt của chi tiết đúc

1.5.3 Nhiệt độ rót của kim loại lỏng

S Izman (2012) khi sử dụng hợp kim nhôm LM6 trong quá trình đúc nhận thấy rằng nhiệt độ rót sẽ ảnh hưởng tới lượng rỗ khí trong vật đúc và khi tăng nhiệt độ rót, hàm lượng rỗ khí trong vật đúc sẽ giảm [19], vì khi nhiệt độ rót kim loại cao sẽ giúp tăng thời gian loại bỏ khí trong vật đúc dưới tác dụng của chân không ngoài

Sudhir Kumar (2006) đã xem xét sự tác động của nhiệt độ rót đến độ nhám bề mặt chi tiết đúc bằng hợp kim nhôm Al-7%Si Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ rót từ 650 lên 750 o C thì độ nhám bề mặt chi tiết tăng Do khi tăng nhiệt độ rót, sức căng bề mặt của kim loại lỏng giảm, làm tăng khả năng di chuyển của kim loại lỏng vào các ống mao dẫn của cát làm khuôn dưới tác động của chân không ngoài được sử dụng [20]

1.5.4 Chất sơn mẫu Aurel Prstićvà các đồng nghiệp (2012) đã chế tạo hỗn hợp chất sơn mẫu dựa trên vật liệu chịu lửa là ZrSiO4 Kết quả vật đúc thu được có bề mặt sáng, sạch khi chiều dày lớp sơn khoảng 0.5mm Nhưng khi chiều dày lớp sơn tăng lên khoảng

1mm lúc này vật đúc có bề mặt gồ ghề, vì khi sử dụng lớp sơn dày sẽ làm giảm khả năng thoát khí qua bề mặt chất sơn mẫu dẫn đến việc hình thành xốp trong vật đúc

Tuy nhiên khi lớp sơn mẫu quá mỏng, lớp sơn sẽ không ngăn được kim loại lỏng thâm nhập vào cát làm khuôn có thể gây ra khuyết tật trên bề mặt vật đúc, đặc biệt tại những vị trí vật đúc có chiều dày lớn hơn 40mm [21]

Majid Karimian và các đồng nghiệp (2012) đã xem xét ảnh hưởng của chiều dày lớp sơn mẫu đối với quá trình đúc hợp kim Al−Si−Cu [22] Bột zircon và silica dạng keo được sử dụng trong thành phần của chất sơn mẫu Kết quả nhúng mẫu cho thấy độ dày lớp phủ sẽ tỷ lệ thuận với độ nhớt huyền phù của chất sơn mẫu với cùng một thời gian nhúng mẫu, khả năng điền đầy khuôn giảm theo chiều tăng độ nhớt

Trước đó (2003) M Sands và S Shivkumar cũng chứng minh rằng tăng chiều dày lớp sơn mẫu và giảm độ hạt của cát làm khuôn cùng có tác dụng tăng thời gian điền đầy khuôn của kim loại lỏng [17]

Lj Trumbulovic và các đồng nghiệp đã nghiên cứu hai hệ chất sơn mẫu trên cơ sở vật liệu chịu lửa cocđierit và Talc kết quả đúc cho thấy vật đúc có bề mặt sạch và mịn, kiễm tra cấu trúc và cơ tính của chi tiết cho thấy không có sự khác biệt đáng kể giữa chi tiết dùng hệ sơn Cocdierit và Talc [23]

Trong một nghiên cứu nhằm cải thiện tính chất của chất sơn mẫu, Sudhir Kumara và các đồng nghiệp đã sử dụng chất sơn mẫu trên cơ sở bột ZrSiO4, sét bentonit (270 mesh) và các vật liệu chịu nhiệt phụ (TiO2, Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 và SiO 3 ), dung môi là nước, hợp kim Al-7%Si nấu rót ở nhiệt độ 700 o C, chân không được sử dụng trong quá trình rót, chiều dày lớp sơn 0.15÷0.20mm Kết quả cho thấy, chất sơn mẫu với thành phần bột ZrSiO4 (80%), bentonit (4%), vật liệu chịu nhiệt phụ (16%) cho vật đúc có chất lượng tốt nhất không có sự thâm nhậm của khí cũng như nếp gấp trên bề mặt vật đúc [18]

Acimovic đã sử dụng chất sơn mẫu với thành phần vật liệu chịu lửa dựa trên bột zircon, cao lanh và bột talc dùng đúc hợp kim Al-7% Si, trong khi một hỗn hợp của bột zircon cùng với nhôm silicat và bentonit cũng đã được đề xuất cho hệ chất sơn mẫu dùng cho các hợp kim đúc tương tự

Đặt vấn đề

Trong khuôn mẫu hóa khí tồn tại hai nhược điểm lớn: vật đúc dễ bị cháy dính cát và khả năng điền đầy khuôn không cao

Hình 1.20 trình bày sơ đồ tương tác giữa kim loại lỏng và mẫu xốp trong quá trình điền đầy khuôn Mẫu xốp ở nhiệt độ đủ cao sẽ chảy và chuyển sang thể khí

Thực tế cho thấy rằng nếu không có lực hút cưỡng bức, trong phần lớn các trường hợp, khí không thể thoát kịp ra ngoài và sẽ tạo áp lực cản trở quá trình hợp kim đúc điền đầy hốc khuôn Nếu bề mặt mẫu được phủ một lớp sơn có tính chất và chiều dày thích hợp, khi có lực hút cưỡng bức, lớp sơn sẽ cho khí đi qua (do đó tăng cường khả năng điền đầy khuôn) và ngăn cản không cho kim loại lỏng đi qua (nhờ đó chống được hiện tượng cháy dính cát cơ học)

Hình 1.20: Tương tác giữa kim loại và mẫu xốp

1.6.1 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu bằng thực nghiệm nhằm tìm ra thành phần chất sơn mẫu đảm bảo các tính chất: độ huyền phù, độ bám dính, thời gian khô

- Xem xét ảnh hưởng chiều dày của lớp sơn mẫu và độ chân không đến khả năng điền đầy và mức độ cháy dính cát của vật đúc bằng hợp kim nhôm

- Tổng quan các nghiên cứu về chất sơn mẫu

- Lựa chọn các thành phần và khoảng khảo sát của hỗn hợp chất sơn mẫu

- Thực hiện các thí nghiệm đánh giá độ huyền phù, độ nhớt, thời gian khô của sơn

- Thực hiện các thí nghiệm đánh giá độ bám dính của sơn

- Lựa chọn các mẫu sơn đạt độ huyền phù, độ bám dính để tiến hành đúc thực nghiệm

- Xem xét ảnh hưởng của chiều dày lớp sơn và độ chân không đến khả năng điền đầy khuôn và mức độ cháy dính cát của vật đúc

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Tìm ra thành phần chất sơn mẫu, đồng thời góp phần giải giải quyết bài toán chống cháy dính cát và điền đầy khuôn cho công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí

Kết quả của đề tài có ý nghĩa thiết thực trong việc thúc đẩy sự phát triển của ngành đúc trong nước nói chung và công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí nói riêng Giúp đưa một phương pháp đúc tiên tiến đang là xu thế phát triển của ngành đúc ứng dụng vào sản xuất rộng rãi

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ chế nóng chảy và phân hủy của xốp polystyren

Trong đề tài, xốp polystyren được sử dụng trong quá trình thí nghiệm (mục 3.1.1.1), nên trong mục này, chúng ta chỉ đi xem xét cơ chế nóng chảy và phân hủy của xốp polystyren

Trong quá trình phân hủy nhiệt, khi nhiệt độ phân hủy dưới 500 0 C polystyren sẽ cho sản phẩm chính là các monome styren và các sản phẩm phụ bảo hòa và chưa bảo hòa [28] Khi nhiệt độ phân hủy cao hơn 500 0 C sẽ cho ra các sản phẩm như toluen, benzen và một lượng đáng kể sản phẩm khử trùng hợp dạng cặn nhớt [29]

Sự phân hủy của polystyren trải qua ba bước: bắt đầu , lan truyền và kết thúc

Hầu hết các phản ứng đều liên quan đến sự phân tách liên kết C-C, do đó độ bền nhiệt của polystyren phụ thuộc vào độ bền của các liên kết này Trong giai đoạn

“lan truyền” sẽ xảy ra các phản ứng: H-chia tách (abstraction), β-phân hủy (decomposition) hoặc giải nén (unzipping reaction) như hình 2.1

Hình 2.1: (a) phản ứng chia tách; (b) phản ứng phân hủy; (c) phản ứng giải nén

Khi polystyren rắn được nung nóng đến 100 o C thì xảy ra quá trình cắt mạch, nếu nhiệt độ tiếp tục tăng khối lượng phân tử sẽ giảm mạnh kèm theo sự co rút, thể tích bị giảm tới 4000% [11]

Xốp polystyren có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh vào khoảng 80-100 o C, bị co rút ở 110-120 o C, nóng chảy ở 160 o C, đỉnh nhiệt độ bay hơi bắt đầu ở 275-300 o C, đạt đỉnh ở 400-420 o C và kết thúc ở 460-500 o C Nhiệt cung cấp cho quá trình phân hủy xốp polystyren được tính toán vào khoảng 912 Jg -1 Lượng khí sinh ra trong quá trình phân hủy xốp polystyren không thay đổi ở nhiệt độ khác nhau và có giá trị 205±25 cm3 (STP)/g polystyren [31] Khi nhiệt độ lên tới 750 o C các sản phẩm phụ sinh ra (không hóa khí) từ quá trình phân hủy của xốp polystyren sẽ tồn tại dưới dạng cặn lỏng nhớt (khoảng 60%) chỉ có một phần nhỏ các sản phụ này hóa khí, phần lớn sẽ nằm lại trong khuôn sau quá trình đúc (trong trường hợp đúc hợp kim nhôm) [29]

Quá trình hình thành cặn lỏng polystyren từ xốp polystyren được khẳng định xảy ra chủ yếu ở phía trước kim loại lỏng Tuy nhiên cặn lỏng polystyren cũng có thể được tạo ra do sự tiếp xúc của khí sinh ra và xốp polystyren rắn, bởi vì sự phân hủy không hoàn toàn của xốp polystyren do nhiệt độ tương đối thấp của các sản phẩm khí (so với kim loại lỏng) Do đó, lượng cặn lỏng của Polystyren hình thành trong quá trình đúc sẽ tỷ lệ thuận với diện tích mặt trước của kim loại lỏng Dạng lỏng của các sản phẩm phân hủy hình thành ở một khoảng cách đáng kể so với mặt trước của kim loại lỏng và tồn tại trong khoảng một vài giây ở nhiệt độ thấp hơn (lên đến 400 o C) so với các sản phẩm khí [11].

Cơ chế điền đầy khuôn

Một mô hình vật lý chính xác của quá trình thay mẫu xốp của kim loại lỏng là điểm mấu chốt dẫn đến thành công của một mô hình tính toán

Các nghiên cứu trước đây cho rằng kim loại thay thế mẫu xốp bằng cách làm tan chảy và khí hóa chúng, khí thoát ra qua lớp phủ và cát xung quanh thông qua một khoảng cách giữa mặt trước kim loại lỏng và mẫu xốp đang bị phân hủy theo cùng chiều di chuyển của kim loại lỏng Tuy nhiên các tính toán đã chứng minh rằng, mô hình như trên là không thể, vì khoảng cách cần thiết đủ cho khí thoát ra theo mô hình trên là rất lớn, dẫn tới hệ quả là không đủ lượng nhiệt cung cấp cho

Luận văn cao học– Chất sơn mẫu mẫu xốp nhằm duy trì vận tốc của kim loại lỏng Các nghiên cứu sau này đã giải quyết được sự không thỏa đáng của mô hình trên, các kết quả cho rằng khí có thể thoát ra ngoài thông qua sự thẩm thấu lên mẫu xốp ngay phía trước kim loại lỏng

Thật không may, mô hình dòng chảy hai pha quá phức tạp cho đến nay chưa có một sự biểu diễn thỏa đáng nào cho mô hình này Các nghiên cứu của Metal Casting Technology (MCT) đã giúp chúng ta hiểu biết hơn về các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình kim loại điền đầy khuôn trong công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí Các kết quả nghiên cứu của MCT đề nghị mô hình vật lý như hình 2.2 [32]

Hình 2.2: Mô hình thay thế kim loại lỏng/xốp polystyren (EPS) của MCT [32]

Sản phẩm dạng lỏng được hình thành sau khi xốp polystyren phân hủy tạo thành các giọt lỏng nằm trên lớp sơn mẫu đằng sau mặt trước của kim loại lỏng, tại đây chúng sẽ hóa khí dưới tác dụng nhiệt của kim loại lỏng và thoát ra ngoài qua lớp sơn mẫu [32] Các đặc điểm của mô hình này được minh họa như hình 2.3 Điều quan trọng cần lưu ý là khả năng thẩm thấu của mẫu xốp có thể vượt quá khả năng thẩm thấu của lớp sơn mẫu, điều này sẽ dẫn đến:

- Hình thành áp lực lớn trong hốc khuôn, cản trở việc điền đầy khuôn, thậm chí khi áp lực quá cao có thể dẫn đến hiện tượng phun trào

- Hình thành các nếp gấp trên bề mặt vật đúc

- Có thể tồn tại rỗ khí trong vật đúc

Hình 2.3: Mô hình thay thế kim loại lỏng/xốp polystyren (EPS) [32]

Công ty General Motors đã tập hợp các nghiên cứu trước đây nhằm giải thích quá trình phân hủy của mẫu xốp theo 4 cơ chế sau: cơ chế tiếp xúc (Contact mode), cơ chế khoảng trống (gap mode), cơ chế sụp (collapse mode) và cơ chế nhấn chìm (engulf mode) [32]

Cơ chế tiếp xúc: Kim loại lỏng sẽ tạo rãnh khoét vào trong mẫu xốp, cơ chế này nhằm giải quyết vần đề về lượng nhiệt cung cấp cho mẫu xốp hay kích thước khoảng trống đã được nêu ở trên hình 2.4

Cơ chế khoảng trống:cơ chế này xuất hiện do lượng dư thừa polyme ( trong cơ chế này sự thẩm thấu của lớp sơn đạt đến giới hạn bảo hòa) bốc hơi đằng sau mặt trước của kim loại lỏng Cơ chế này thường xảy ra đối với mẫu xốp có thành dày,

Luận văn cao học– Chất sơn mẫu mà khi mẫu bị phân hủy trong cơ chế tiếp xúc lượng sản phẩm lỏng tạo ra vượt quá khả năng hấp thụ của mẫu xốp Lượng chất lỏng này bốc hơi đằng sau mặt trước của kim loại lỏng dưới tác dụng nhiệt của kim loại lỏng, hình thành các bọt khí, các bọt khí này đi qua vùng kim loại lỏng hình thành một vùng khoảng trống hữu hạn phía trước mẫu xốp (hình 2.5)

Hình 2.4: Cơ chế tiếp xúc [32]

Hình 2.5: Cơ chế khoảng trống [32]

Cơ chế sụp: cơ chế này được hình thành bởi những vết nứt nối liền các lỗ trống giữa các hạt xốp với bề mặt xốp bị chảy lỏng, kim loại lỏng thâm nhập vào các vết nứt này, làm cho các hạt xốp bị phân hủy từ bên trong khối mẫu tạo ra những khe chứa kim loại lỏng hình ngón tay (hình 2.6)

Cơ chế nhấn chìm: gây ra bởi độ nhớt của xốp lỏng ảnh hưởng đến hình dạng mặt trước của dòng kim loại lỏng Xốp bị bao quanh bởi kim loại lỏng, chúng bị phân hủy dưới tác dụng nhiệt khi kim loại lỏng tiến qua mẫu xốp, điều này tạo ra các bong bóng chứa đầy không khí, chất lỏng polyme và hơi.

Tương tác của kim loại lỏng với khuôn trong phương pháp đúc trong khuôn m ẫu hóa khí

Trong quá trình đúc trong khuôn cát, kim loại lỏng tiếp xúc với khuôn và tạo nên các tương tác cơ, nhiệt, nhiệt hóa làm ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc

Khi có sự tiếp xúc của kim loại lỏng với khuôn, có thể xảy ra một trong hai trường hợp sau:

- Kim loại không thâm nhập vào lỗ hổng giữa các hạt cát ở bề mặt khuôn

- Kim loại lỏng thâm nhập vào lỗ hổng giữa các hạt cát ở bề mặt khuôn và thâm nhập vào sâu hơn

Tác động của áp lực thủy tĩnh Áp lực cần thiết để làm cho kim loại lỏng thâm nhập vào khuôn sẽ xác định giới hạn giữa hai trường hợp trên Đó là áp lực cần thiết để đẩy kim loại vào các lỗ hổng giữa các hạt cát (ống mao dẫn) Để tính toán áp lực đó và xác minh bằng thực nghiệm với mức độ gần đúng nhất định, người ta có thể dùng ống mao dẫn bán kính r tương ứng lỗ hổng giữa các hạt cát của khuôn được dầm chặt Quan hệ sau đây thể hiện áp lực Pz ngăn cảng sự thâm nhập của kim loại lỏng vào lỗ hổng giữa các hạt cát:

Pz =−�2σ p cosθ� r [Nm −2 ] Trong đó: 𝜎 𝑝 – sức căng bề mặt (SCBM) của kim loại lỏng [Nm −1 ]

𝜃 – góc thấm ướt giữa kim loại lỏng và bề mặt ống mao dẫn r – bán kính ống mao dẫn [m]

Dấu (-) có nghĩa rằng, kim loại lỏng lõm xuống và cho biết kim loại thâm nhập vào khuôn Điều kiện xảy ra cháy dính cát cơ học: Để xảy ra cháy dính cát cơ học thì áp lực của kim loại lỏng pk phải lớn hơn áp lực ngăn cản kim loại lỏng thâm nhập vào lỗ rỗng pz: p k > p z ⇒ (p ng + p tt + p ck ) > -(2σ p cosθ/r) hay (p ng + ρgh + p ck ) > -(2σ p cosθ/r) (2.2)

Trong đó: p ng - áp lực bên ngoài tác động lên kim loại lỏng [ Nm −2 ];

Hình 2.7: những khả năng kim loại lỏng thâm nhập vào lỗ hổng của khuôn [4]

Luận văn cao học– Chất sơn mẫu p tt - cột áp thủy tĩnh của kim loại lỏng [Nm −2 ]; p ck - độ chân không ở cuối ống mao dẫn [Nm −2 ]; ρ - khối lượng riêng của kim loại lỏng [kg m -3 ]; h - cột áp thủy tĩnh lớn nhất trong khuôn đúc [m]; σ p - sức căng bề mặt của kim loại lỏng [Nm −1 ]; θ - góc thấm ướt giữa kim loại lỏng và bề mặt ống mao dẫn; g – gia tốc trọng trường [ms -2 ]

Nhận xét: Trong khuôn mẫu hóa khí:

- p ng ≈ 0, do không chịu tác dụng từ áp lực bền ngoài Do đó, bất đẳng thức (2.2) thỏa khi: ptt + p ck > -(2σcosα/r) hay ρgh + p ck > -(2σcosα/r)

- Khi đúc trong khuôn mẫu hóa khí có sử dụng chân không trong quá trình đúc thì p ck >> p tt Do đó, nguy cơ cháy dính cát là rất cao so với việc đúc trong khuôn không có chân không nên việc sử dụng chất sơn mẫu là cần thiết, để ngăn ngừa cháy dính cát

Trong lúc rót, nếu nhiệt độ rót của kim loại lỏng cao hơn nhiệt độ nóng chảy của các cấu tử thành phần hỗn hợp làm khuôn thì các cấu tử này bị chảy ra, trộn lẫn vào kim loại lỏng và khi vật đút nguội, tạo thành lớp vật liệu bám chắc vào vật đúc

Ta nói vật đúc bị cháy nhiệt

Thông thường, khi chọn vật liệu hỗn hợp làm khuôn, ta luôn chọn những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ rót của kim loại lỏng, nên vật đúc khó bị cháy cát nhiệt Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, hỗn hợp cát – sét bị nhiễm tạp chất và trộn lẫn với hỗn hợp cũ Hỗn hợp cũ này là lớp hỗn hợp sát bề mặt vật đúc khi đúc, đã bị nung và thoái hóa dần Do đó, nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp giảm nhiều và vật đúc dễ bị cháy cát nhiệt hơn

Một nguyên nhân khác dẫn đến cháy cát nhiệt là nhiệt độ rót của kim loại lỏng vượt quá giới hạn yêu cầu, nghĩa là kim loại lỏng được quá nhiệt lớn

Ngoài ra, tương tác nhiệt còn xảy ra khi khuôn hoặc một vị trí nào đó trong khuôn có độ dẫn nhiệt kém Các vị trí này thường là các góc nhọn, các chỗ chuyển tiếp chiều dày thành, các nút nhiệt, là những nơi có nhiệt độ cao hơn những vị trí khác trong khuôn Nếu ở những vị trí này, khuôn không được dẫn nhiệt nhanh thì nhiệt lượng sẽ bị tập trung lại và dễ gây cháy cát

Bảng 2.1: Nhiệt độ nóng chảy của một số chất [33]

Hợp chất Nhiệt độ nóng chảy

( 0 C) Hợp chất Nhiệt độ nóng chảy

Tác dụng nhiệt của dòng kim loại lỏng làm cho lớp hỗn hợp ở bề mặt khuôn xảy ra các phản ứng hóa học của các cấu tử thành phần hỗn hợp làm khuôn Các phản ứng đó có thể là:

- Thành phần hỗn hợp làm khuôn biến đổi hóa học Quặng đolomit thường được dùng để làm khuôn, quặng này chứa hàm lượng (Ca,Mg) CO3 cao Ở nhiệt độ 400 – 950 0 C, đolomit bị phân hủy theo phản ứng:

- Phản ứng hóa học giữa các oxit kim loại ở bề mặt và vật liệu làm khuôn Điều này dễ xảy ra khi đúc thép Mn cao Trong đúc thép hợp kim Mn (nhiệt độ rót khoảng 1420 0 C), MnO trên bề mặt dòng thép lỏng liên kết với SiO2 trong cát làm khuôn tạo ra các hợp chất như MnO.SiO2, 2MnO.SiO 2 , 3MnO.SiO 2 có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ rót rất nhiều (bảng 2.1) Các hợp chất này bị chảy và tạo thành cháy dính cát

- Phản ứng hóa học trực tiếp giữa khuôn và kim loại lỏng Hiện tượng này thường xảy ra khi đúc những hợp kim màu Ví dụ như hợp kim chứa Mg (đuara, hợp kim Mg,.v.v.), nếu dùng cát thạch anh làm khuôn thì sẽ xảy ra phản ứng :

Các phản ứng hóa học này xảy ra làm thay đổi sức căng bề mặt của kim loại lỏng với thành khuôn, đồng thời hình thành các lớp xỉ trên bề mặt vật đúc Lớp xỉ này bám chắc vào vật đúc và khó tách ra bằng các phương pháp thông thường

Như vậy, tương tác nhiệt và tương tác nhiệt-hóa xảy ra nhiều hay ít phụ thuộc vào kết cấu vật đúc, vào thành phần học của hỗn hợp làm khuôn và các kim loại lỏng

TH ỰC NGHIỆM

Điều kiện thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Xốp polystyren được sử dụng trong đề tài, do xốp polystyren là loại xốp thông dụng, dễ tạo hình, rẻ tiền được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí [11] Theo các kết quả nghiên cứu (mục 1.5.1), khi đúc với hợp kim nhômngười ta thường sử dụng xốp polystyren có khối lượng riêng 20- 26 kg/m 3 , độ hạt 1.4 mm Tuy nhiên nhằm tăng độ bền của mẫu trong quá trình nghiên cứu khả năng điền đầy khuôn của hợp kim đúc với thành mỏng đến 3mm, trong đề tài sẽ sử dụng xốp polystyren có khối lượng riêng 35 kg/m 3 , độ hạt 1,4 mm

Mẫu dùng trong thí nghiệm đúc có hình dạng và kích thước như hình 3.1, mẫu có kích thước tổng thể 200x80 mm, dạng bậc, nhằm mục đích xem xét khả năng điền đầy khuôn của kim loại lỏng dưới sự ảnh hưởng của chiều dày lớp sơn mẫu và độ chân không sử dụng trong quá trình đúc Các bậc lần lượt có kích thước:

24, 18, 12, 6 , 3 mm Mẫu được tạo hình qua việc cắt bằng dây điện trở mảnh

Hình 3.1: Mẫu xốp dùng cho thí nghiệm đúc

Hình 3.2: Mẫu xốp sau khi được tạo hình

Kích thước hạt cát làm khuôn càng nhỏ càng làm giảm độ nhám bề mặt của chi tiết [18] Độ hạt của cát làm khuôn ít ảnh hưởng tới khuyết tật rỗ khí trong vật đúc [19], từ đó ta nhận thấy rằng đối với công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí, cát làm khuôn có độ hạt càng mịn càng tốt

Trong công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí người ta thường sử dụng cát thạch anh, do cát thạch anh dễ kiếm, rẻ tiền, khả năng chịu nhiệt khá cao, có khả năng đúc hầu hết các kim loại thường dùng như gang, thép, hợp kim nhôm, đồng… do những ưu điểm trên và sự phân tích ở mục 2.3.4, trong đề tài sẽ chọn cát thạch anh cho các thí nghiệm đúc, cát sử dụng là loại đã qua tuyển có số hiệu T3C02A

3.1.1.3 Hỗn hợp chất sơn mẫu

Hỗn hợp chất sơn mẫu thường gồm 4 thành phần cơ bản như sau:

1 Chất chịu nhiệt 2 Dung môi 3 Chất dính 4 Chất ổn định huyền phù

Luận văn cao học– Chất sơn mẫu a) Chất chịu nhiệt

Các vật liệu chịu nhiệt thường được dùng là: bột zircon, bột thạch anh, bột corundum, bột silicat nhôm, graphite, bột manhezit Cơ chế chống cháy cát của mỗi chất là khác nhau

Trong công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí người ta cũng thường sử dụng bột graphite trong thành phần chất sơn mẫu, tuy nhiên khi chất sơn mẫu phân hủy trong quá trình điền đầy của kim loại lỏng dễ làm tăng hàm lượng cacbon trong chi tiết đúc nên không thích hợp để đúc các chi tiết bằng thép cacbon Do đó, để tối ưu chất sơn mẫu nhằm mục đích có thể đúc cho nhiều loại kim loại và hợp kim khác nhau, cùng với những phân tích được nêu trong mục 2.3.4 ta sẽ sử dụng bột Zircon (ZrSiO4>90%, kớch thước hạt