Bài giảng công nghệ kim loại

Sự kết tinh của kim loại vật ñúc trong khuôn Quá trình kết tinh của kim loại ñúc phụ thuộc vào các yếu tố: - Tính chất lý nhiệt và nhiệt ñộ rót của hợp kim ñúc - Tính chất lý nhiệt của v

LỊCH SỬ NGHỀ ĐÚC

Lịch sử 5000 năm của nghề ñúc kim loại

Hình 1: Nấu kim loại và ñúc ở Ai Cập năm 1450 trước Công nguyên

Hình 2: Vật ñúc bằng phương pháp mẫu chảy thời kỳ ñồ ñồng ở châu Âu

Hình 3: Mũi giáo ñúc, niên ñại thời kỳ ñồ ñồng (900 ñến 800 trước Công nguyên)

Hình 4: Súng thần công thời kỳ Trung cổ

Hình 5: Vỏ ñộng cơ tàu thủy (diesel)

Tạo mẫu

5000 BC Khuôn ñúc bằng ñá ở vùng Cận Đông

3000 BC Đúc bằng mẫu chảy ở vùng Cận Đông và Ấn Độ

1500 BC Ống be thay cho ống thổi ở Ai Cập

Lò và Kỹ thuật nấu kim loại

3000 BC Lò nấu ñồng ở Trung Quốc

2700 BC Thời kỳ ñồ ñồng ở Châu Âu

1100 BC Thời kỳ ñồ sắt ở châu Âu

Đúc súng thần công và ñạn

1630 Bằng sáng chế ñầu tiên của Anh về ủ gang

1800 Tìm ra các kim loại nhẹ (Ti 1791, Mg 1808, Al 1825)

1921 Al ñược sử dụng làm vật liệu ñúc

Trống đồng Việt Nam

Trống đồng Việt Nam cĩ nhiều loại hình, nhưng tất cả khởi nguồn từ trống

Đơng Sơn mà đỉnh cao là sự hồn thiện kỹ thuật chế tạo là trống đồng Ngọc

Lũ

Trống đồng Việt Nam cĩ niên đại khởi đầu khoảng thiên niên kỷ I trước Cơng nguyên cho đến một vài thế kỷ sau cơng nguyên Trống đồng là biểu hiện tập trung nhất những thành tựu trong sinh hoạt kinh tế, văn hĩa, xã hội và quyền uy của một nhà nước được xác lập đầu tiên trên đất nước ta - Nhà Nước Hùng Vương Trống đồng và những hình khắc họa trên trống đã giúp chúng ta ngày nay hình dung được đơi nét về cuộc sống của người Việt cổ ở thời xa xưa ấy Hoa văn trên trống đồng cĩ nhiều loại, kiểu bố trí hợp lý trên các phần mặt, tang

và thân trống Nĩ được các nhà nghiên cứu tìm hiểu, phân tích để làm một trong những cơ sở khoa học trong phân loại trống và khắc họa những nét sinh hoạt kinh tế, xã hội, văn hĩa Đơng Sơn thời bấy giờ

Trống Đồng Ngọc Lũ: Tìm thấy ở chùa Ngọc Lũ (Hà Nam) vào năm 1901 Trống này cao 0,63 mét (1.8 ft), đường kính mặt trống 0,86 mét (2.5 ft), được trang trí bằng các hình chạm sâu xuống cả trên mặt trống lẫn tang trống Chính giữa mặt trống là một hình ngơi sao (hay mặt trời) 14 cánh Chung quanh ngơi sao này là 16 vịng trịn đồng tâm cĩ trang trí bằng nhiều hình kỷ hà hay hình vẽ khác nhau Giữa vịng thứ 5 và thứ 6 cĩ khắc hình 2 căn nhà mái cong, cĩ sàn, trong cĩ người tĩc dài ngồi Trước nhà là 4 dàn trống và đồn vũ nhạc nhảy múa, thổi khèn Sau nhà cĩ 2 người đang giã gạo Xen kẽ với 2 nhà sàn trên là 2 nhà sàn mái trịn trong cĩ người cầm kiếm Trước nhà này cĩ một người tay phải cầm kiếm, tay trái cầm một con chim Sau nhà là một đồn võsĩ cầm lao, cầm kiếm đang múa Giữa vịng thứ 7 và thứ 8 cĩ chạm hình 2 đàn hươu (10 con mỗi đàn) và xen kẽ với 2 đàn chim đang bay (mỗi đàn 8 con) Giữa vịng thứ 8 và thứ 9 cĩ khắc 18 con chim mỏ dài đang bay, xen kẽ với 18 con chim đang đậu dưới đất Trên tang trống, phần phình ra cĩ khắc hình thuyền trên cĩ những người cầm lao, kiếm, cung, đang chuẩn bị chiến đấu, hoặc đang nhảy múa hoặc

Hình 6: Trống đồng Ngọc Lũ

chèo thuyền Trên phần thẳng ñứng có những ñường trang trí kỷ hà thẳng ñứng hay nằm ngang ñóng khung lấy những hình người cầm rìu và lá chắn

Trống Đồng Hòa Bình:

Tìm thấy ở Mường Dâu, Hòa Bình Trống này ñược gọi là trống Moulié (tên người mua ñược và tặng lại cho Viện Bảo Tàng) Trống này ñược tàng trữ trong Bảo Tàng Quân Đội Pháp, rồi ñược chuyển cho Bảo Tàng Viện Guimet (Paris)

Trống Đồng Hoàng Hạ :

Tìm thấy ở làng Hoàng Hạ (Hà Đông), cao 0,615 mét (1.84 ft) và ñường kính mặt trống là 0,78 mét (2.3 ft) Mặt trống ñồng Hoàng Hạ cũng trang trí bằng các vòng tròn ñồng tâm trong ñó có khắc hình nhà sàn, người, chim bay Tang trống chỗ phình ra cũng khắc hình thuyền Các nhân vật trên thuyền tương tự như ở trống Ngọc Lũ, nhưng thứ tự bố trí hơi thay ñổi một chút Các trống ñồng tìm thấy ở Hoa Nam, Lào, Cam bốt, Mã Lai tuy về hình thức (hình dáng và trang trí) có giống trống ñồng Lạc Việt, nhưng những nét chạm trổ còn thô sơ vô cùng Có thể ñấy chỉ là những trống bắt chước trống Lạc Việt một cách vụng về mà thôi Trống ñồng Hoàng Hạ là một di vật rất quý

PHẦN I CÔNG NGHỆ ĐÚC Chương 1 KHÁI NIỆM VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐÚC 1.1 Phân loại các phương pháp ñúc

1.1.1 Định nghĩa: Đúc là quá trình ñiền ñầy kim loại ở thể lỏng vào lòng khuôn

ñúc có hình dạng và kích thước ñịnh sẵn Kim loại ñông ñặc, ta ñược vật ñúc khi

dỡ khuôn Nếu vật ñúc ñược tiếp tục gia công bằng cắt gọt, áp lực ta gọi là phôi

ñúc

1.1.2 Đặc ñiểm:

- Đúc ñược nhiều vật liệu (nấu chảy ñược) khác nhau

- Vật ñúc có kết cấu phức tạp, khối lượng lớn

- Sản phẩm chất lượng cao, kích thước chính xác, ñộ bóng bề mặt cao Có thể cơ khí hóa và tự ñộng hóa (Đúc mẫu chảy, ñúc liên tục )

- Giá thành hạ

Khuyết ñiểm

- Dễ bị các khuyết tật: rỗ co, rỗ khí, nứt, lẫn tạp chất

- Đúc trong khuôn cát ñộ bóng thấp, ñộ chính xác thấp

- Tốn kim loại cho hệ thống rót, ñậu ngót,

1.1.3 Phân loại các phương pháp ñúc

1.2 Sự kết tinh của kim loại vật ñúc trong khuôn

Quá trình kết tinh của kim loại ñúc phụ thuộc vào các yếu tố:

- Tính chất lý nhiệt và nhiệt ñộ rót của hợp kim ñúc

- Tính chất lý nhiệt của vật liệu khuôn

- Công nghệ ñúc

Quá trình kết tinh gồm các giai ñoạn:

a Giai ñoạn ñiền ñầy kim loại lỏng vào khuôn: tính từ lúc bắt ñầu rót kim

loại nóng chảy vào khuôn cho ñến khi kim loại lỏng ñiền ñầy hệ thống rót

và ñậu ngót

b Giai ñoạn hạ nhiệt ñộ từ nhiệt ñộ rót ñến nhiệt ñộ ñiểm lỏng: kim loại

nóng chảy bắt ñầu truyền nhiệt vào khuôn, hướng tản nhiệt luôn vuông góc với thành khuôn Kim loại ở bên dưới lòng khuôn và phần kim loại tiếp xúc với lòng khuôn bắt ñầu ñông ñặc

c Giai ñoạn kết tinh tính từ nhiệt ñộ ñiểm lỏng ñến nhiệt ñộ ñiểm ñặc

(khoảng ñông ñặc): có hai cơ chế ñông ñặc:

Đông ñặc theo lớp: Những kim loại nguyên chất, hợp kim cùng tinh

hoặc khoảng kết tinh hẹp thường ñông ñặc theo lớp

Đông ñặc thể tích: những hợp kim có khoảng nhiệt ñộ kết tinh lớn

thường xảy ra ñông ñặc thể tích

d Giai ñoạn nguội trong khuôn: ñược tính từ nhiệt ñộ ñiểm ñặc trở xuống

(khi kim loại ñã ñông ñặc hoàn toàn) cho ñến khi lấy vật ñúc ra khỏi khuôn

e Giai ñoạn nguội ngoài khuôn: ñược tính từ lúc vật ñúc ñược lấy ra khỏi

khuôn Thời ñiểm này tùy thuộc vào công nghệ ñúc cũng như hợp kim

ñúc

Lõm co hình thành do kim loại co thể tích khi ñông ñặc, nằm ở phía trên cùng

của vật ñúc, tại ñó kim loại ñông ñặc sau cùng Để khắc phục lõm co ta phải thiết kế ñậu ngót ñể bổ sung thêm kim loại lỏng cho thể tích vật ñúc

Rỗ co tương tự lõm co, nhưng phân bố trong vật ñúc, kích thước to nhỏ khác

nhau Sự hình thành rỗ co, xốp co là do những nơi mà vật ñúc có thể tích lớn, vì tốc ñộ nguội của vùng này nhỏ hơn xung quanh nên khi kim loại co không ñược

bổ sung thêm

- Rỗ khí: do khí xâm nhập vào hợp kim lỏng khi nấu hoặc rót, hoặc các

phản ứng sinh khí trong quá trình ñúc

- Thiên tích: là sự không ñồng ñều về thành phần hóa học, do kim loại kết

tinh ở các giai ñoạn khác nhau

- Nứt

- Cháy cát

- Lệch khuôn

 Các khuyết tật trên làm giảm tiết diện chịu lực, giảm cơ tính của vật ñúc

1.4 Quá trình sản xuất ñúc bằng khuôn cát và các bộ phận cơ bản của một khuôn ñúc

Quá trình sản xuất ñúc bao gồm:

Thiết kế: bộ phận thiết kế quyết ñịnh công

nghệ gia công chi tiết

Tạo mẫu ñúc và hòm khuôn bằng gỗ hoặc nhựa

Làm khuôn ñúc

Làm lõi

Nấu chảy kim loại ñúc

Đổ khuôn

Tháo khuôn, làm sạch vật ñúc, kiểm tra sản phẩm ñúc

Hòm khuôn hai nửa và lõi

Những nhân tố ảnh hưởng ñến chất lượng vật ñúc

Chất lượng vật ñúc bao gồm các chỉ tiêu:

Độ chính xác hình dạng và kích thước

Độ nhẵn bóng mặt ngoài

Chất lượng vật ñúc tùy thuộc vào các yếu tố:

Hợp kim ñúc:

Loại khuôn ñúc và phương pháp ñúc

Ảnh hưởng của công nghệ ñúc, bao gồm:

Công nghệ nấu chảy hợp kim ñúc

Công nghệ chế tạo khuôn và lõi

Công nghệ rót

Các bước làm khuôn:

Hình dạng kích thước kết cấu và khối lượng vật ñúc

Ký hiệu: bằng gạch xanh, mũi tên T chỉ phần vật ñúc thuộc khuôn trên, còn D thuộc về khuôn dưới

Chọn mặt phân khuôn dựa vào công nghệ làm khuôn (rút mẫu, sửa chữa

lòng khuôn, ñịnh vị lõi, lắp các nửa khuôn):

Mặt phân khuôn ñi qua tiết diện lớn nhất ñể tiện cho việc rút mẫu

Lòng khuôn nông (cạn) ñể dễ sửa lòng khuôn, dễ ñiền ñầy kim loại, dòng chảy của kim loại lỏng êm

Lòng khuôn trên nông (cạn) hơn khuôn dưới

Mặt phân khuôn nên là mặt phẳng

Chọn mặt phân khuôn dựa vào ñộ chính xác của lòng khuôn

Lòng khuôn tốt nhất chỉ phân bố trong một hòm khuôn, vì sẽ tránh ñược lệch khuôn khi ráp

Dùng phần ñất phụ ñối với các vật ñúc có nhiều tiết diện khác nhau và yêu cầu ñộ ñồng tâm cao

Nếu vật ñúc có lõi, nên bố trí lõi thẳng ñứng vì dễ ñịnh vị, tránh bị kim loại lỏng làm biến dạng lõi

Số lượng mặt phân khuôn càng ít càng bảo ñảm chính xác

Không chọn mặt phân khuôn qua chỗ có tiết diện thay ñổi

Chọn mặt phân khuôn dựa vào chất lượng hợp kim ñúc

Những bề mặt quan trọng cần chất lượng cao nên bố trí ở dưới hoặc ở hai bên

Chọn mặt phân khuôn sao cho hướng kết tinh từ xa chuyển dần về chân

ñậu ngót hoặc hệ thống rót

Hoặc:

Nên ñặt các phần thành mỏng xuống dưới và chân ñậu ngót hay hệ thống rót ñặt ở chỗ tập trung kim loại và cao nhất

Chọn mặt phân khuôn sao cho khi ñặt hệ thống rót ñảm bảo ñược kim loại lỏng ñiền ñầy nhanh, ñồng ñều, không tạo dòng chảy rối làm hỏng khuôn

3.1.3 Xác ñịnh các ñại lượng của bản vẽ vật ñúc

a Lượng dư gia công cắt gọt: là phần kim loại dôi ra (dư ra) dùng cho

các nguyên công gia công cắt gọt ñể ñạt ñược ñộ bóng và ñộ chính xác yêu cầu

Những bề mặt không ghi ñộ bóng (không cần phải gia công sau ñúc) sẽ không xác ñịnh lượng dư

Lượng dư gia công phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Vị trí bề mặt cần gia công của vật ñúc trong khuôn (mặt ở phía trên, bên hông hay phía dưới): xỉ, oxyt và bọt khí thường nhẹ nên nổi lên trên nên lượng dư gia công ở những mặt phía trên của vật ñúc bao giờ cũng lớn hơn

Kích thước vật ñúc: vật ñúc càng lớn, lượng dư gia công càng lớn

Độ chính xác ñúc (ñúc trong khuôn cát, khuôn kim loại; mẫu bằng gỗ,

bằng nhựa hay bằng kim loại)

Dạng sản xuất (ñơn chiếc, hàng loạt )

Kim loại vật ñúc: vật ñúc bằng thép có lượng dư gia công lớn hơn vật ñúc gang và lượng dư gia công của vật ñúc bằng kim loại nhẹ ít hơn nữa

Hình : Ký hiệu lượng dư gia công bề mặt vật ñúc theo tiêu chuẩn DIN ISO 1302

b Độ dốc rút mẫu (góc thoát khuôn): trên các thành ñứng (vuông góc với mặt

phân khuôn) cần có ñộ dốc rút mẫu gọi là ñộ dốc ñúc

Chiều cao mẫu

Độ dốc rút mẫu (góc thoát khuôn)

Bảng : Độ côn trên chiều dài mẫu theo tiêu chuẩn EN 12890

c Góc ñúc: là góc tiếp giáp giữa hai bề mặt giao nhau của vật ñúc

Góc ñúc hợp lý sẽ ñảm bảo cho khuôn không bị vỡ khi rút mẫu và vật ñúc không

bị nứt khi ñông ñặc trong khuôn Góc ñúc cũng giúp cho mẫu nâng cao ñộ bền,

d Dung sai vật ñúc: là sai số của kích thước vật ñúc cho phép so với kích thước

danh nghĩa Dung sai của vật ñúc phụ thuộc vào các yếu tố: phương pháp ñúc, loại khuôn ñúc, loại mẫu, hộp lõi

0,15 0,20 0,25

0,15 0,20 0,25

0,25 0,30 0,35

0,2 0,3 0,3

0,4 0,5 0,6

0,30 0,30 0,35

0,30 0,30 0,35

0,45 0,50 0,60

0,4 0,5 0,6

0,7 0,8 0,9

0,40 0,45 0,50

0,40 0,45 0,50

0,65 0,70 0,80

0,6 0,7 0,8

1,0 1,1 1,2

0,6 0,6 0,7

0,6 0,6 0,7

0,9 1,0 1,1

0,9 1,0 1,1

1,4 1,6 1,8

0,8 1,0 1,1

0,8 1,0 1,1

1,3 1,5 1,8

1,3 1,5 1,8

2,1 2,5 3,0

1,4 1,6 2,0

1,4 1,6 2,0

2,2 2,7 3,2

2,2 2,7 3,2

3,5 4,3 5,0

Bảng : Dung sai cho phép của vật ñúc (sai lệch kích thước cho phép +/-)

3.1.4 Xác ñịnh lõi và gối lõi

a Lõi: dùng ñể tạo lỗ hoặc phần lõm trong vật ñúc

Các dạng lõi:

Lưu ý:

Những lỗ cần gia công cắt gọt, tùy theo dạng sản xuất, nếu kích thước nhỏ

có thể không cần ñặt lõi mà ñúc liền (sản xuất ñơn chiếc d ≤ 50 mm, sản xuất hàng loạt d ≤ 30, sản xuất hàng khối d ≤ 20 có thể ñúc liền, sau khi

ñúc sẽ tạo lỗ bằng gia công cắt gọt)

Các bậc dày hơn 25mm và các rãnh có chiều sâu lớn hơn 6mm trên các vật ñúc nhỏ và vừa ñều ñược tạo nên ngay từ khi ñúc

Những lỗ không qua gia công cắt gọt cần phải ñặt lõi dù kích thước lỗ nhỏ

Số lượng lõi càng ít càng tốt Có thể thay thế lõi bằng các phần nhô của khuôn

b Thiết kế gối lõi:

Gối lõi là bộ phận dùng ñể ñịnh vị lõi trong khuôn ñúc Gối lõi phải ñảm bảo

ñịnh vị chính xác và cứng vững, phải dễ lắp ráp lõi vào khuôn

Tùy thuộc vào vị trí của lõi trong khuôn ñúc, ta có hai loại lõi: lõi ñứng và lõi ngang

Lõi ñứng: gối lõi ñược ñịnh vị theo hướng vuông góc với mặt phân khuôn nằm

ngang Gối lõi có hình côn với kích thước ñảm bảo theo ñiều kiện: h > h1, α <

β Trong ñó α và β lần lượt là góc côn của gối lõi dưới và gối lõi trên Gối lõi

dưới dễ lắp ráp nhưng phải ñảm bảo ñộ chính xác và tính ổn ñịnh nên góc α bé hơn và chiều cao h của gối lõi lớn hơn so với gối lõi trên

Để dễ lắp ráp, tránh vỡ khuôn, lõi thì giữa lõi và khuôn phải có khe hở s, a, f

(S1, S2, S3)

Đối với những lõi ñứng có tỷ lệ

D

H

- chiều cao trên ñường kính thân lõi lớn, ñể tránh mất ổn ñịnh, người ta thiết kế lõi có ñế

Lõi ngang: lõi nằm ngang và gối lõi phân bố cả ở khuôn trên và khuôn dưới, ở

mặt phân khuôn Tiết diện ngang của lõi có thể là tròn xoay, vuông hoặc những hình dạng khác

Kích thước của gối lõi cũng như gối lõi của lõi nằm ngang: h > h1, α < β

Thông thường α = 5° (khi chiều dài gối lõi < 70) và α = 3° (khi chiều dài gối

lõi > 70)

β = 8° ÷ 15°

Bài tập:Vẽ bản vẽ thiết kế ñúc của chi tiết sau:

Nhiệm vụ:

Xác ñịnh mặt phân khuôn, góc thoát khuôn

Xác ñịnh lượng dư và mô tả lượng dư gia công trên bản vẽ

Xác ñịnh lõi và gối lõi

3.2 Thiết kế mẫu và hộp lõi

3.2.1 Thiết kế mẫu

- Mẫu là bộ phận cơ bản trong bộ mẫu

- Một bộ mẫu bao gồm: mẫu, hệ thống rót, ñậu hơi, ñậu ngót và tấm mẫu

- Mẫu là bộ phận tạo ra lòng khuôn ñúc khi làm khuôn, in hình trong khuôn

ñể tạo ra mặt ngoài của vật cần ñúc Do vậy mẫu có hình dạng giống như

vật cần ñúc, tuy nhiên kích thước của mẫu sẽ lớn hơn kích thước của vật cần ñúc (dung sai ñúc) tùy thuộc vào công nghệ ñúc (ñúc khuôn cát, khuôn kim loại, mẫu chảy ), hợp kim ñúc (do mỗi loại hợp kim có ñộ co

ñúc khác nhau) và phần tai mẫu ñể tạo vị trí gác gối lõi

Bản vẽ mẫu:

Căn cứ vào bản vẽ ñúc ñể thành lập bản vẽ mẫu Những căn cứ là:

Mặt phân khuôn;

Hình dáng và kích thước mặt ngoài của vật ñúc;

Hình dạng và kích thước của gối lõi nếu có, kể cả những lõi phụ hoặc miếng ñất phụ ñược thiết kế khi chọn mặt phân khuôn;

Vật liệu dự ñịnh ñể chế tạo mẫu

Trình tự các bước ñể vẽ bản vẽ mẫu:

Xác ñịnh mặt phân mẫu, thường thì mặt phân mẫu trùng với mặt phân khuôn Ngoài ra, mẫu có thể gồm nhiều phần ghép lại có thể tháo rời

Xác ñịnh hình dạng và kích thước tai mẫu

Kích thước và dung sai kích thước mẫu (lưu ý tới hệ số co của hợp kim

ñúc: gang xám 1%, thép 2%, gang trắng 1,5%, hợp kim ñồng và nhôm

1,5%)

Cấu tạo của mẫu

Phần ñịnh vị khi ghép mẫu

Ngoài ra, trên bản vẽ mẫu phải xác ñịnh thêm ñộ nhẵn bóng bề mặt, màu sơn của các bộ phận mẫu