Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12 từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao

Header Page of 166 BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN Mã số: 02.10.RDBS/HĐ-KHCN Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12 từ mạt, ba via nhôm trình đúc áp lực cao CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN CÔNG NGHỆ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS TRẦN TỰ TRÁC 8322 Hà Nội, 2010 Footer Page of 166 Header Page of 166 BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI - KHCN Mã số: 02.10.RDBS/HĐ-KHCN Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12 từ mạt, ba via nhôm trình đúc áp lực cao CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG NGHỆ KS Trần Tự Trác Hà Nội, 2010 Footer Page of 166 Header Page of 166 NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI STT Họ tên Học vị, học hàm chuyên môn Cơ quan Trần Tự Trác KS Đúc- Luyện kim Viện Công nghệ Ngô Bảo Trung KS Vật liệu Viện Công nghệ Trần Hồng Quang KS Đúc Viện Công nghệ Nguyễn Tiến Trình Cử nhân Cơ khí Viện Công nghệ Lâm Hùng Minh Cử nhân Luyện kim Viện Công nghệ Phan Khắc Hùng Cao đẳng Cơ khí Viện Công nghệ Hoàng Thị Mai Cử nhân Kinh tế Viện Công nghệ Hoàng Minh Phượng Footer Page of 166 Th.S Địa lý- môi trường Viện Công nghệ Header Page of 166 MỤC LỤC TỔNG QUAN 1.1 Phế liệu hợp kim ADC12 đúc áp lực cao 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nội dung đề tài phương pháp nghiên cứu NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Nhôm, hợp kim nhôm ADC12 2.2 Nấu luyện hợp kim nhôm 2.2.1 Sự hoà tan khí ô xy hóa nấu luyện hợp kim nhôm 2.2.2 Tạo xỉ che phủ bảo vệ 2.2.3 Khử khí tinh luyện 2.2.4 Biến tính 2.2.5 Kỹ thuật nấu luyện 2.3 Các chất trợ dung nấu luyện hợp kim nhôm 2.4 Thiết bị nấu luyện thu hồi hợp kim nhôm 2.4.1 Lò phản xạ lò nồi dùng nhiên liệu 2.4.2 Lò điện TẬN THU PHẾ LIỆU ADC12 TRONG ĐÚC ÁP LỰC CAO 3.1 Chuẩn bị vật liệu, thiết bị, dụng cụ 3.1.1 Sơ chế phế liệu mạt, phoi hợp kim ADC12 3.1.2 Chuẩn bị trợ dung nấu luyện 3.1.3 Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ 3.2 Nấu luyện tận thu hợp kim ADC12 3.2.1 Phối liệu mẻ nấu luyện 3.2.2 Nấu luyện 3.2.3 Điều chỉnh thành phần mác hợp kim ADC12 3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tận thu hợp kim ADC12 3.3 Quy trình công nghệ 3.3.1 Sơ đồ khối quy trình công nghệ 3.3.2 Mô tả Các công đoạn chi tiết KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC HỢP KIM ADC12 TẬN THU 4.1 Kiểm tra chất lượng hợp kim ADC12 tận thu 4.2 Chế tạo chi tiết sản phẩm hợp kim ADC12 tận thu 4.3 Kiểm tra chất lượng sản phẩm chế tạo hợp kim ADC12 tận thu 4.4 Giá thành hợp kim ADC12 tận thu KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo Phụ lục: Biên nghiệm thu sản phẩm đề tài, kết thử nghiệm độ bền kéo độ cứng, kết thử nghiệm xác định nhiệt độ nóng chảy trợ dung, nhận xét chất lượng sản phẩm Footer Page of 166 Trang 2 5 6 9 10 12 13 14 14 19 19 21 22 22 22 23 25 27 27 27 29 31 35 35 37 39 39 40 42 44 45 46 47 Header Page of 166 TỔNG QUAN 1.1 Phế liệu hợp kim nhôm đúc áp lực cao Quá trình đúc áp lực mô tả ngắn gọn sau: kim loại lỏng đưa vào khuôn thông qua xylanh-piston nạp hay gọi buồng nạp, buồng ép (hình 1) Dưới áp lực lớn loại điền đầy khuôn đông đặc nhanh, tạo sản phẩm với tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn, nâng cao tính khả chịu mài mòn Hình 1.1 Mô tả đúc áp lực cao Do đạt chất lượng tốt có hình thức đẹp nên ngày nhiều chi tiết máy sản phẩm dân dụng chế tạo công nghệ đúc áp lực cao Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm sử dụng nhiều so với tất loại hợp kim khác Chỉ tính riêng Mỹ, hàng năm sản phẩm nhôm đúc áp lực đạt giá trị tới 2,5 tỷ đôla Đúc áp lực phù hợp với đúc hàng loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ, thường nặng tới 5kg [1], có trường hợp đúc chi tiết nặng tới 50kg giá thành cao [2] Đúc áp lực có ưu điểm giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn bóng, đảm bảo đồng chiều dày vật đúc Ở nước ta năm gần đây, thực chủ trương nội địa hóa phụ tùng máy móc, thiết bị Nhà nước, đúc áp lực dịp nở rộ mạnh mẽ Nhiều sở đúc áp lực cao đầu tư xây dựng, tạo loại sản phẩm từ chi tiết máy, Footer Page of 166 Header Page of 166 phụ tùng ô tô, xe máy, đến đồ tiêu dùng như: nắp động máy nổ, thân máy ảnh, vỏ đồng hồ điện, nước, vỏ moay ơ, chế hòa khí xe máy, mâm bếp ga, ổ nối tay cầm nồi chảo… Sản lượng đúc áp lực tăng dần năm, đến năm 2010 ước tính đạt đến 50.000 Trong đúc áp lực cao, đặc tính công nghệ thiết bị, xảy thất thoát hợp kim thông qua bắn tóe kim loại mặt ráp khuôn rãnh thoát khí Thống kê sở đúc áp lực cho thấy, khoảng 1,5 ÷ 2,5 % lượng hợp kim bị dạng phế liệu mạt ba via vụn Theo năm 2010, nước có tới 1.000 hợp kim nhôm bị hao tổn Mạt nhôm tên gọi dạng phế liệu sinh kim loại lỏng bị bắn tóe qua mặt ráp hai nửa khuôn đúc áp lực Lực ép lớn (vài chục đến vài trăm tấn) thiết bị, nhiệt độ làm việc cao (600 ÷ 650oC) khiến cho khuôn bị biến dạng hao mòn, không đạt độ kín khít cần thiết nguyên nhân gây bắn tóe kim loại lỏng Ngoài việc tính toán, cài đặt thông số công nghệ thiếu chuẩn xác thao tác bất cẩn làm gia tăng dạng phế liệu Khi đúc, kim loại lỏng bị bắn thành tia, màng dải nhỏ mỏng Ở nhiệt độ ~600oC, không khí, chúng nhanh chóng bị ô xy hóa bề mặt chồng chất lên thành mảnh, tảng phế liệu rơi rụng xuống bệ máy, sàn nhà a) Mạt nhôm đóng tảng Hình 1.2 Phế liệu mạt nhôm b) Mạt nhôm rời Dạng phế liệu thứ hai ba via, màng mảnh vụn nhôm sinh đường lấy hơi, rãnh thoát khí khuôn, bề mặt hai nửa khuôn xung quang mép chi tiết phôi đúc Với chiều dày từ 0,2 ÷ 0,4 mm bề rộng 1,5 ÷ mm, chúng thường vỡ vụn dỡ phôi đúc, làm hay làm nguội khuôn Footer Page of 166 Header Page of 166 Bị thổi văng khỏi khuôn, chúng rơi xuống bệ máy, xuống sàn nhà, lẫn vào dầu máy, bụi đất trở thành phế liệu a) Ba via, mảnh vụn nhôm bẩn b) Màng mảnh vụn nhôm lẫn dầu Hình 1.3 Các dạng phế liệu ba via nhôm vụn Cả hai dạng phế liệu nêu đưa trực tiếp vào mẻ kim loại nấu luyện để chế tạo sản phẩm, phần lớn chuyển sang dạng ô xyt bẩn lẫn với dầu máy, bụi bặm tạp chất khác Qua khảo sát số sở đúc áp lực Công ty kim khí Thăng Long, xưởng đúc Đồng Nhân, Công ty cổ phần Kim Long, Viện Công nghệ, biết, phế liệu chưa xử lý tái sinh để sử dụng lại vào đúc áp lực, mà thường bị bán làm phụ gia hoá chất Một vài sở thăm dò tái chế phế liệu nhôm hợp kim chưa đạt yêu cầu mong muốn Thấy công việc cách rách, kết thu hồi nhôm thấp, ~30 %, không đạt hiệu kinh tế nên đơn vị không tiếp tục triển khai thử nghiệm Qua tìm hiểu thực tế nghiên cứu lý thuyết thấy, việc chưa tái sử dụng lại mạt, ba via nhôm phát sinh đúc áp lực cao có nguyên nhân: - Khâu chuẩn bị xử lý mạt, ba via nhôm trước tái sinh phức tạp, tốn thời gian công sức - Công nghệ thiết bị tái sinh phế liệu nhôm chưa phù hợp khiến cho hiệu suất thu hồi nhôm thấp Footer Page of 166 Header Page of 166 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Nước ta chưa luyện nhôm, hoàn toàn phải nhập ngoại nhôm với giá gia tăng biến dộng Thế mà, năm nước có đến ngàn phế liệu nhôm hợp kim không tái chế thực trạng cần quan tâm giải Do đó, việc nghiên cứu tận thu nhôm hợp kim để sử dụng lại cần thiết Hơn nữa, việc tái chế tận thu nhôm tiêu hao lượng kinh tế so với sản xuất nhôm từ quặng Nhận thức rõ vấn đề, Viện Công nghệ đề xuất Bộ Công Thương giao thực đề tài “Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12 từ mạt, ba via nhôm trình đúc áp lực cao” Mục tiêu đề tài nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tái chế đưa vào sử dụng lại hợp kim nhôm ADC12 từ phế liệu (mạt, ba via) nhôm phát sinh trình đúc áp lực cao 1.3 Nội dung đề tài phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu nêu trên, tiến hành thực đề tài với nội dung sau đây: - Nghiên cứu lý thuyết nhôm hợp kim ADC12 - Nghiên cứu xử lý mạt- ba via nhôm trước nấu luyện - Nghiên cứu thiết lập quy trình công nghệ tái chế phế liệu nhôm - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi - Thử nghiệm tận thu phế liệu nhôm - Chế tạo sản phẩm đúc áp lực với hợp kim ADC12 thu hồi - Kiểm tra chất lượng hợp kim ADC12 thu hồi Trên sở nghiên cứu lý thuyết hợp kim nhôm ADC12, đề tài tiến hành thí nghiệm công nghệ nấu luyện tận thu hợp kim Từ kết thu được, xây dựng lên quy trình công nghệ tận thu hợp kim ADC12 đúc áp lực cao Thông qua thử nhiệm thực tế, điều chỉnh yếu tố công nghệ nâng cao hiệu suất tận thu Footer Page of 166 Header Page of 166 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Nhôm, hợp kim nhôm ADC12 2.1.1 Nhôm Ký hiệu hóa học Al, kim loại nhẹ, dẫn nhiệt dẫn điện Nhôm nguyên chất chịu ăn mòn không khí môi trường chất hữu Nhôm dễ bị ôxy hoá tạo màng ô xyt bền có tác dụng bảo vệ tránh cho nhôm không bị ôxy hoá tiếp Vì nhôm nguyên chất dùng bọc hợp kim cần làm việc môi trường ăn mòn Một số tính chất nhôm sau: Khối lượng riêng: 2,7g/cm3 Nhiệt độ chảy: 6600C 2,22J/cmKS Độ dẫn nhiệt 200C: Độ dẫn điện: 37,6m/Ωmm2 Cơ tính nhôm sau ủ không cao: = 80 ÷ 100 N/mm2 Độ bền, Rm Độ dẻo, δ = 35 ÷ 40% Modul đàn hồi = 72200N/mm2 Nhôm tác dụng với kiềm tạo thành aluminat, tác dụng với halogen (Cl2, I2…) thành muối halogen nhiệt độ cao tác dụng với S, N2, P, H2,C Nhôm nguyên chất dẻo dễ gia công biến dạng bền nên không dùng chế tạo chi tiết máy Các nguyên tố dùng pha chế tạo nên hợp kim nhôm bao gồm [3]: - Sắt: Lượng Fe chứa nhôm nguyên chất 0,05% sinh FeAl3 dòn dạng kim Trong hợp kim ADC12, sắt giới hạn < 1,3%, riêng đúc áp lực cao < 1,5% - Silic làm tăng độ bền, độ cứng cải thiện tốt tính đúc (nhiệt độ chảy, tính chảy loãng, độ co) cho hợp kim nên pha chế đến 12% Tuy nhiên sil ic có lẫn nhôm sắt tạo thành hợp chất dòn (AlFeSi) kết tinh dạng xương kim thô to, làm giảm nhiều độ dẻo Footer Page of 166 Header Page 10 of 166 - Măngan pha chế thêm vào nhôm hạn chế bớt ảnh hưởng xấu sắt hợp chất AlFeSiMn kết tinh dạng tập trung, hại đến tính dẻo Thêm Mn làm tính vững ăn mòn nhôm tốt Lượng dùng đến 0,5% - Đồng tăng thêm độ dẻo, độ chịu mài mòn, tính chịu nhiệt cho hợp kim, pha chế làm thành phần hợp kim với hàm lượng 1,5 ÷ 3,5% - Magiê giúp hợp kim có khả nhiệt luyện có MgSi hoà tan vào nhôm Tuy nhiên tăng magiê làm giảm tính dẻo, nên < 0,3% - Kẽm hoà tan nhiều pha α hợp kim không tạo pha làm α bền, làm Si sinh nhỏ mịn Đặc tính kẽm làm hợp kim đúc dễ hoá già tự nhiên, đúc xong để nhiệt độ thường tính tăng Hợp kim thường không dùng làm việc nhiệt độ cao giảm bền, giới hạn < 1% 2.1.2 Hợp kim nhôm ADC12 Thành phần hoá học hợp kim ADC12 theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302 giới thiệu bảng 2.1 [4] Bảng 2.1 Thành phần hóa học hợp kim nhôm ADC12 theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302 %Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni 9,6-12,0