Công nghệ chế tạo Chi tiết máy Luyện gang Khuôn đúc

Công nghệ chế tạo Chi tiết máy Luyện gang Khuôn đúc

Bộ công THƯƠNG

TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM Viện Luyện kim Đen

Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen

Chủ nhiệm đề tài: tHs NGUYỄN THỊ HẰNG

6828

27/4/2008

Tháng 12/2007

Thông tin chung

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp sơn khuôn đúc gang, thép hợp kim

chất lượng cao thay thế nhập ngoại để đúc các chi tiết máy phụ vụ xuất khẩu

Thời hạn thực hiện: 12 tháng (Từ tháng 01/2007 đến tháng 12/2007) Chủ nhiệm đề tài: Ks Nguyễn Thị Hằng

Viện Luyện kim đen, Quán Gánh, Huyện Thường Tín, Tỉnh Hà Tây, Điện thoại: 034852026

Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim đen, Quán Gánh, Huyện Thường Tín, Hà Tây,

Điện thoại: 034 853255, Fax: 034769750

Cơ quan phối hợp chính

1-Viện Khoa học Vật liệu

Phó Giáo sư, Tiến sỹ Luyện kim Tô Duy Phương, Chủ trì đề tài Trưởng phòng Công nghệ Kim loại

Viện Khoa học Vật liệu, B1, 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội Điện thoại: 04 7562496, Fax : 04 7911673

2- Hội Đúc Luyện kim Hà Nội

3- Trung Tâm Đúc Luyện kim Hà Nội 4- Xưởng Đúc Viện Khoa học Vật liệu

5- Công ty Cổ phần Cơ khí xây dựng Phúc Sơn 6- Công ty Cổ phần Cơ khí Mê Linh

Danh sách những ngưòi thực hiện chính

1 Tô Duy Phương, P.Giáo sư, Tiến sỹ, Trưởng phòng,Viện Khoa học Vật liệu 2 Nguyễn Thị Hằng, Kỹ sư, Cán bộ, Viện Luyện kim đen 3 Nguyễn Văn Tuân, Kỹ sư, cán bộ Viện Khoa học Vật liệu 5 Trần Ngọc Bách, Kỹ sư đúc -nt-

14 Nguyễn Đức Minh, Kỹ sư luyện kim, P Giám đốc XN, Công ty CK Hà Nội 15 Nguyễn Vây, Kỹ sư, Giám đốc Xí nghiệp, Công ty TNHHNN1TV Mai Động

2.5 Nghiên cứu thử nghiệm, đánh giá kết quả hỗn hợp sơn cho khuôn

đúc gang, thép hợp kim chất l−ợng cao ở một số nhà máy đúc 33 Phần III, Kết quả nghiên cứu đạt đ−ợc và đánh giá kết quả 38

3.3 Các tính chất cơ học của hỗn hợp sơn khuôn đúc 44 3.4 Hình thái của lớp hỗn hợp sơn khuôn 44 3.5 Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế, khả năng áp dụng vào

Với những loại khuôn cát nhựa furan tự đông cứng, khuôn cát trắng nước thuỷ tinh tự cứng hoặc hoá cứng bằng khí CO2 vv người ta dùng loại hỗn hợp sơn khuôn khô nhanh với dung môi hoà tan là cồn công nghiệp, tôluen, xylen, xăng, hoặc dầu hoả để có thể tự khô hoặc đốt cháy làm khô nhanh phù hợp với yêu cầu của sản xuất khuôn đúc bảo đảm năng suất và chất lượng

Hiện nay chất sơn khuôn đúc được chế tạo và cung cấp bởi các hãng chuyên sản xuất và kinh doanh như FOSECO (Anh Quốc) Tế Nam (Trung Quốc), Đài Loan vv, chất lượng tốt và ổn định, nhưng giá thành cao và phải nhập lớn

Để chế tạo được chất sơn khuôn từ nguyên liệu trong nước đạt chất lượng, thay thế nhập ngoại, giá thành thấp, phục vụ kịp thời cho sản xuất các mặt hàng gang, thép hợp kim, đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo hỗn hợp sơn khuôn đạt chất lượng tương đương ngoại nhập Vấn đề trọng tâm cần giải quyết là công nghệ nghiền tuyển bột manhêzi đạt độ mịn khoảng 15-30 àm và công nghệ pha chế tạo dung dịch hỗn hợp sơn khuôn

Mục tiêu của đề tài là:

- Nghiên cứu tìm ra công nghệ chế tạo hỗn hợp bền nhiệt cao, chống dính bám từ vật liệu chịu lửa có ở Việt Nam để làm chất sơn khuôn đúc các chi tiết máy bằng gang, thép hợp chất lượng cao

- Triển khai chế tạo hỗn hợp sơn khuôn đúc ổn định, giá thành thấp cung cấp cho các nhà máy đúc hàng xuất khẩu.

Phần I, Tổng quan về đề tàI

1.1 Sơ lược tình hình nghiên cứu đề tàI

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Để đúc các loại gang, thép hợp kim cao; đặc biệt là thép bền nhiệt, chịu mài mòn như thép crôm, mangan, thì khuôn đúc các loại thép này phải được sơn phủ, bảo vệ bề mặt để chống cháy cát với kim loại lỏng dẫn đến thấm cát vào kim loại, tạo ra biếu làm hỏng sản phẩm Các chất sơn khuôn thường là các ôxýt có nhiệt độ nóng chảy cao như ZrO2.SiO2 (1900-1995OC), FeO.Cr2O3 ( 2180OC), MgO

( 1900oC), Al2O3 ( 2030OC ) và Cr2O3 ( 2265OC)

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại chất sơn khuôn hệ graphít, zecôni, crômít, ôlivin, manhêzi dùng cho đúc các loại gang và thép hợp kim khác nhau.v.v xem bảng 1:

Bảng 1, Các loại chất sơn khuôn đúc gang, thép hợp kim đang hiện hành TT Hỗn hợp sơn khuôn Chất pha Sử dụng cho đúc

Crômmanhêzi H3PO4 Thép và hợp kim cao

8 Manhêzi H3PO4 Thép và hợp kim cao

ở Anh và ấn Độ có cả những Công ty chuyên sản xuất, kinh doanh các chất sơn khuôn đúc như Foseco International Ltđ ấn Độ, Feseco mould coating Ceramol Anh Một số loại sơn khuôn đúc của Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc, úc, Anh, ấn Độ v.v Hãng FOSECO (Anh, ấn Độ, Thái Lan) đã cung cấp trên thị trường Việt Nam chất sơn khuôn DM có tỷ trọng 1,6 g/ml dùng để sơn khuôn đúc gang Chất sơn khuôn L.E.N có tỷ trọng 1,6 g/ml dùng cho sơn khuôn đúc thép mangan cao Chất sơn khuôn Z có tỷ trọng 2,0 g/ml dùng cho thép hợp kim Hãng Tế Nam - Trung Quốc có các loại sơn khuôn như sau (xem bảng 2):

Bảng 2, Các loại chất sơn khuôn đúc của hãng Tế Nam - Trung Quốc Ký hiệu FA 407 FQ 607L FAH 500 FAH 580 FAT 290 Thành

phần chính

Graphít Graphít + Zecôni

Zecôni Bôxít Manhêzi

Tỷ trọng g/cm3

1,15 - 1,35 1,10 - 1,30 1,60 - 2,00 1,40- 1,80 1,40-1,80 Dùng cho

khuôn đúc

Gang và kim loại màu

Gang cỡ lớn

gang

Thép Mn ở Nhật, Sec và các nước Đông Âu khác, chất sơn khuôn đúc sản xuất ra phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng khắt khe cho từng loại gang hoặc thép hợp kim

Nhiều loại sơn khuôn đúc đã được nhập vào Việt Nam, nhưng do vật liệu làm khuôn và điều kiện công nghệ đúc của Việt Nam có khác, kể cả điều kiện kinh tế, nên một số loại đã không đáp ứng

Nói chung trên thế giới các loại hỗn hợp sơn khuôn đúc gang thép hợp kim đã đi vào sản xuất ổn định về chất lượng và có thị trường rất lớn

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Các gang và thép hợp kim crôm, mangan chịu mài mòn thường hình thành các ôxýt crôm, mangan (kiềm tính) khi đúc vào các loại khuôn cát silic (tính axít) sẽ gây ra phản ứng giữa các ôxýt với nhau tạo ra xỉ (MnO.SiO2) ở nhiệt độ thấp và làm dính bám cát, xỉ vào sản phẩm đúc, làm hỏng bề mặt sản phẩm Để loại bỏ

dính bám cát, xỉ cần phải dùng các chất sơn khuôn đúc

Các xí nghiệp đúc ở Việt Nam như Công ty Cơ khí Hà Nội, Mai Động, Trần Hưng Đạo đã sử dụng các loại cát đúc mới và chất lượng như furan.v.v nhưng đang gặp nhiều khó khăn để đạt được chất lượng bề mặt sản phẩm dẫn đến giảm chất lượng và tăng phế phẩm

Để xử lý cháy cát, dính bám khuôn, nâng cao chất lượng, giảm phế phẩm đúc, nhiều xí nghiệp như Công ty Cơ khí Hà Nội đã phải nhập chất sơn khuôn của nước ngoài

Viện Khoa học Vật liệu đã có nghiên cứu thăm dò chế tạo hỗn hợp sơn khuôn crômít từ năm 2004, do nhu cầu của các nhà máy đúc của Công ty 1 thành viên Mai Động, Cơ khí Hà Nội, Công ty Cơ khí Trần Hưng Đạo, Công ty Cơ khí xây dựng số 7, Liên Ninh, Công ty Cơ khí xây dựng số 5 Tây Mỗ, Công ty Cơ khí Đông Anh v.v Vấn đề nghiên cứu này đã có một số kết quả được nhà máy chấp nhận, song còn một số vấn đề công nghệ chưa thể tháo gỡ được như tạo độ bền nhiệt ổn định và loại bỏ khí trong chất sơn khuôn đúc v.v Viện Khoa học Vật liệu đã xây dựng 1 dây chuyền công nghệ chế tạo bột đi từ nghiền, tuyển, rửa và nghiện mịn, tạo các hỗn hợp làm bột đúc, bột sơn khuôn với công suất tới vài tấn ngày Trong thời gian qua xưởng đã chế hàng tấn bột sơn khuôn crômít có độ

19-5 Hải Phòng v.v

Hiện nay để sản xuất các chi tiết máy bằng gang, thép hợp kim chất lượng cao phục vụ xuất khẩu phần lớn phải dùng lò điện; tường lò manhêzi sau một chu kỳ chạy tường lò được tháo dỡ thải bỏ, thải Một số xí nghiệp lớn ở khu Gang thép Thái Nguyên đã thu hồi, nghiền, xay làm bột đầm lò hoặc pha chế tạo vữa trát lò

Trong thời gian trước và sau Hội nghị đúc Châu á lần thứ 9 (AFC-9) được tổ chức tại Hà Nội năm 2005 tập đoàn FOSECO Thái Lan, úc, ấn Độ đã đưa vào Việt Nam một lượng lớn các loại bột sơn khuôn, có loại theo hệ manhêzi

Các công ty như Cơ khí Hà Nội, Bơm Hải Dương phải nhập các hỗn hợp sơn khuôn từ nước ngoài về với giá thành rất đắt; có loại tới 1,6 USD/kg

Viện Công nghệ xạ hiếm đã có nhiều năm nghiên cứu và đã chế tạo được chất sơn khuôn zecôni Đây là hỗn hợp sơn khuôn đúc có thành phần chủ yếu là silicát zecôni

Việc nghiên cứu chế tạo, sử dụng bột manhêzi hoặc crômmanhêzi đã qua thành lò, được nghiền tuyển, tách lọc tạo bột mịn tới 15 àm làm hỗn hợp sơn khuôn thì sẽ đạt chất lượng cao và thay thế được hỗn hợp chất sơn khuôn phải nhập ngoại với thị trường tiêu thụ rất nhiều.

1.2 Cơ sở lý luận để nghiên cứu đề tàI

1.2.1 Hiện tượng cháy dính cát ở vật đúc

Cháy bám dính cát ở vật đúc là một hiện tượng thường xảy ra trong quá trình sản xuất Các chi tiết lớn, thành dày, đúc rót ở nhiệt độ cao, cháy dính bám cát xuất hiện trên bề mặt vật đúc, là sự dính bám vững chắc giữa vật liệu làm khuôn với bề mặt vật đúc, do kết quả các quá trình nhiệt học, cơ học và hoá lí xảy ra trong giai đoạn đúc rót kim loại, đông đặc và làm nguội vật đúc Người ta chia ra hai dạng cháy bám dính cát là cháy dính cát cơ học và hoá học

cháy dính cát cơ học, bề mặt khuôn đúc phải được sơn phủ để làm giảm độ xốp của lớp bề mặt khuôn, bịt kín các lỗ hở giữa các hạt cát, làm nhẵn bề mặt khuôn

1.2.1.2 Cháy dính bám cát hoá học

Sự cháy dính bám cát hoá học thường xuất hiện ở các vật đúc gang, thép, do kết quả của các quá trình hoá lí xảy ra khi đúc rót gang, thép lỏng váo khuôn cát Chất cháy dính bám cát ở vật đúc là những hợp chất hoá học, là sản phẩm của phản ứng giữa các ôxýt kim loại với cát làm khuôn

Khi rót gang, thép lỏng vào khuôn cát, trên bề mặt kim loại lỏng tạo thành một lớp sắt ôxýt (FeO) có nhiệt độ nóng chảy thấp, lớp ôxýt này dễ dàng thấm ướt bề mặt các hạt cát và dưới tác dụng của áp suất mao dẫn có thể thẩm thấu sâu vào trong các lỗ khuôn tác dụng với các hạt cát, tạo ra những hợp chất lỏng dễ chảy và di động, có thể thấm sâu vào trong khuôn như các silicat sắt, mangan …theo các phản ứng sau:

/ Fe / + 1/2 O2(g) = ( FeO) (1) ( FeO ) + ( SiO2)cát = ( FeO.SiO2) (2) / Mn / + 1/2O2(g) = ( MnO ) (3) ( MnO ) + ( SiO2)cát = ( MnO.SiO2) (4) ( MgO ) + ( SiO2)cát = ( MgO.SiO2) (5) Lượng ôxýt kim loại trong lớp cháy dính cát nhiều thì lớp này có cấu tạo vô định hình dạng kính và dễ tách ra khỏi vật đúc Lớp cháy dính cát nào có lượng ôxýt kim loại không nhiều lắm thì có cấu tạo tinh thể và khó tách khỏi bề mặt vật đúc

Chất lượng bề mặt của chi tiết gang, thép đúc; đặc biệt là thép hợp kim crôm mangan bền nhiệt, chịu mài mòn phụ thuộc nhiều ở lớp màng ngăn cách giữa khuôn cát và chi tiết đúc Nguyên tắc là gang, thép lỏng trong khuôn đúc phải được ngăn cách với khuôn bằng một lớp chất hỗn hợp sơn phủ; nó là cơ sở ngăn cách biên, ngăn ngừa các phản ứng cháy trên biên gang, thép lỏng-khuôn cát

Các thép CrNi, CrNiMo, CrMn, Mn thường được đúc ở nhiệt độ cao sẽ làm chảy cát SiO2 , vì nhiệt độ chảy của nó khoảng gần 1723OC Trên cơ sở nhận biết này, phải tìm ra một hỗn hợp sơn phủ có nhiệt độ nóng chảy cao hơn Nhiệt độ nóng chảy của các chất ZrO2SiO2 là 1900-1995OC, MgO là 1900oC, Al2O3 là 2030OC

Hỗn hợp sơn khuôn manhêzi sẽ thực hiện chức năng là màng ngăn cách

chống chảy, dính bám cát vào chi tiết đúc (xem minh hoạ trên hình 1)

Khuôn Chất sơn khuôn s ilicát Phản ứng cháy cát

βquắc ở 573o C αquắc ở 870oC α Tridimit ở 1470oC α Cristobenit ở 1713o C lỏngγ

163oC 230oC

β Tridimit

β Cristobenit 117oC

γ Tridimit 117oC

Hình 2, Sơ đồ chuyển biến thù hình của cát silic

Sự thay đổi góc trong ô mạng dẫn đến hình dạng thù hình của SiO2 thay đổi và biến đổi thể tích như sau: β q α qtăng 0,2%, γt β T tăng 0,2%,

βC α C tăng 3,7%, α q α T tăng 0,2%, α T α C tăng 16%, α q Vô định hình tăng 15,4%

Việc chuyển biến thù hình đến cristobenít kèm theo sự thay đổi thể tích khi nung nóng sẽ dẫn đến nứt dạn khuôn cát làm cho thép thấm vào khuôn Để khống chế cần phải có chất sơn phủ chịu nhiệt

Như vậy để ngăn ngừa phản ứng cháy dính bám cát hoá học trên bề mặt vật đúc, phải sơn phủ lên mặt khuôn một lớp sơn có độ chịu nhiệt cao, có tính trơ hoá học như manhêzi (MgO), bôxít (Al2O3), crômit, zecôni (ZrSiO4)

1.2.2 Chức năng của lớp sơn phủ bền cơ, bền nhiệt

Lớp sơn phủ trên mặt khuôn cát tạo ra lớp màng ngăn cách giữa kim loại lỏng và khuôn Lớp màng ngăn cách này không cho phép kim loại lỏng làm chảy cát; có nghĩa là lớp sơn phủ phải có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ của kim loại lỏng

Lớp sơn phủ không tạo bọt khí cơ học để vỡ, nổ làm thủng màng và thâm nhập khí vào kim loại lỏng Điều này chỉ đáp ứng khi lớp màng được tạo ra từ những hỗn hợp cực mịn (<20 àm) mới phun phủ được, chứ không phảI sơn quét bằng chổi như phương pháp cổ điển Cũng nhờ cỡ hạt hỗn hợp bột cực mịn mới tạo ra được cấu trúc lớp sơn phủ xít chặt, bền chắc

Để làm tốt lên tính chịu nhiệt của của hỗn hợp sơn phủ cần phải:

-Tăng độ xít chặt của lớp màng, không bị dạn nứt cơ học đặc biệt là những chỗ sung yếu

- Tăng độ bền chống xói mòn nóng, nâng cao độ chống ăn mòn và bào mòn khi nung lên nhiệt độ cao

- Tăng độ dính kết với khuôn đúc, tránh bong rộp và tạo hổng khí ở nhiệt độ kim loại lỏng

Để tăng độ xít chặt không dạn nứt cơ học phải tiến hành pha trong dung môi thích hợp tạo gel huyền phù, có độ co ở nhiệt độ cao thấp và không nhạy phân huỷ nhiệt Cụ thể ở đây là nếu không có dung môi tạo gel huyền phù thích hợp thì khi cát chuyển hoá cristobenít sẽ tăng thể tích khối, phồng rộp lên và phá thủng màng sơn phủ

Việc nâng cao độ bền chống xói mòn, bào mòn và ăn mòn cơ học cần phải bảo đảm được khả năng dính kết tốt và ổn định ở nhiệt độ cao nhất, dung môi, kết dính này cũng phải có nhiệt độ nóng chảy cao Đây là vấn đề khó, vì rằng những dung môi kết dính thông thường như nước, cồn chỉ ổn định ở nhiệt độ thấp xem hình 3

Hình 3, Độ bền cơ ổn định ở nhiệt độ của các dung môi pha

Như vậy chất tạo gel kết dính tốt nhất là axít phốtsphoric Để tốt hơn nữa cần có chất dính kết chịu nhiệt đó là bentônít cao alumi và có độ nhớt cao

Trong nhiều trường hợp hỗn hợp cát làm khuôn có chứa các chất hữu cơ làm dễ dàng tạo ra môi trường khí theo các phản ứng sau:

C + CO2 = 2CO, (6) C + 2H2 = CH4, (7)

Môi trường chứa CO2, CO, CH4 là môi trường ôxy hoá khử, nó phụ thuộc vào thế các bon và như vậy các bon sẽ từ pha khí chuyển vào kim loại lỏng và các bon hoá bề mặt chi tiết đúc làm xuất hiện dung dịch các bon trong sắt /C/Feγ

hoặc Fe3C

Vì vậy hỗn hợp sơn phủ khuôn đúc cần đáp ứng việc tạo ra màng ngăn cách bền nhiệt, xít chắc, không nứt, không bong rộp, mỏng mịn có độ nóng chảy cao và chống được xói mòn, bào mòn và ăn mòn ôxy hoá khử

Hỗn hợp sơn khuôn phải có độ mịn nhất, dễ dàng tạo ra thể huyền phù trong dung môi bền nhiệt để có thể phun phủ lớp mỏng, bóng nhẵn…

Hệ số tốc độ biến đổi nhiệt khi nung được diễn đạt như sau:

K = (m2.OC/h) (8) ở đây: σ là độ bền cơ ở nhiệt độ tiến hành (kp/cm2)

α là hệ số dãn nở nhiệt (-/OC) a là độ dẫn nhiệt (m2/h) E là môđun đàn hồi (kp/cm2)

8

6

4

2

Như vậy là nếu thay đổi môđun đàn hồi nhỏ đi thì tỷ số σ/E sẽ tăng lên và sẽ làm thay đổi theo cả hệ số tốc độ biến đổi nhiệt; làm tốt lên độ bền nhiệt của hỗn hợp

Việc pha chế hỗn hợp sơn khuôn đúc tức là phân tán các hạt vật liệu chịu nhiệt trong dung môi kết dính tạo thành một dung dịch huyền phù có độ nhớt và tỷ trọng cần thiết, sao cho khối dung dịch đồng nhất, sự sa lắng đông tụ chậm xuất hiện để sau khi pha chế việc quét, nhúng , sơn khuôn đồng đều và dễ dàng Chất sơn khuôn chất lượng tốt, sử dụng được hoàn toàn

Trong các dung dịch hệ phân tán (hạt rắn trong chất lỏng) có các hạt với khối lượng tương đối lớn, dưới tác dụng của sức hút trái đất chúng bị sa lắng Nếu như các hạt chất phân tán đủ lớn, đủ nặng thì sau một thời gian tất cả bị kết tủa (hệ phân tán thô) Đối với các hệ có độ phân tán cao hơn (các hạt nhỏ hơn) sẽ tồn tại một trạng thái phân bố cân bằng của các hạt theo độ cao

Xét một hệ phân tán trong đó các hạt phân tán có khối lượng hiệu dụng là m

Mỗi hạt chịu một lực hút của trọng trường, hạt sẽ sa lắng với vận tốc U không đổi khi trọng lực bằng lực ma sát giữa hạt và môi trường, nghĩa là:

Trong đó: g: Gia tốc trọng trường

B: Hệ số ma sát giữa hạt và môi trường U: Vận tốc sa lắng

Như vậy:

U =

(10)

Khối lượng hiệu dụng của hạt trong môi trường được hiểu là khối lượng tương đối của hạt khi có lực đẩy Archimed

m = V (ρ - ρo) (11) Trong đó: V: Thể tích

ρ ; ρo khối lượng riêng của hạt và của môi trường

Đối với các hệ huyền phù kém bền động học, chúng ta có thể dễ dàng xác định được kích thước hạt phân tán dựa vào sự theo dõi vận tốc sa lắng Vận tốc sa lắng thiết lập theo biểu thức từ (14,15,16)

U=

BgV(ρưρ)

Thay vào (17) ta có: U =

2r2ư 0

Như vậy vận tốc sa lắng tỷ lệ thuận với bình phương kích thước hạt, với độ chênh lệch khối lượng riêng giữa chất phân tán và môi trường phân tán, tỷ lệ nghịch với độ nhớt của môi trường

Khi biết vận tốc sa lắng trong một hệ phân tán cho trước, ta có thể xác định kích thước hạt phân tán

r =

Biểu thức (19) được áp dụng cho các huyền phù trong nước với kích thước hạt trong khoảng từ 0,1 đến 100 àm

Trong trường hợp này vận tốc sa lắng không đổi và rất nhỏ

Đối với kích thước hạt lớn hơn 100àm chúng sẽ bị sa lắng với gia tốc nhất định và bị kết tủa hoàn toàn theo thời gian

Trong các hệ đơn phân tán, vận tốc sa lắng như nhau nên sự lắng trong xảy ra đồng đều Có thể xác định vận tốc sa lắng theo bề mặt phân chia lớp huyền phù được ở phía dưới và lớp dung môi trong suốt ở phía trên

Chất sơn khuôn yêu cầu có độ hạt 95% lọt qua sàng 0,0063 mm (<100àm) sẽ đảm bảo dung dịch tồn tại ở trạng thái huyền phù Sự sa lắng có thể xảy ra chậm không làm giảm chất lượng sơn khuôn

Độ đồng nhất dung dịch được quan sát bằng mắt và kính phóng đại kiểm tra độ đồng nhất của dung dịch

Độ sa lắng là phần trăm chất sơn khuôn bị lắng trong khoảng thời gian xác định tính theo biểu thức:

0n0 ư

Trong đó: - H0 : Chiều cao ban đầu dung dịch sơn

- Hn : Chiều cao chất sơn sau một thời gian (h) - H0 - Hn : Phần nước trong

Với chất sơn khuôn, dung môi dễ bay hơi, thời gian quét sơn cố gắng ngắn nhất, tuy nhiên thao tác sơn khuôn bằng tay không thể nhanh nên độ sa lắng tính khoảng thời gian 1 giờ hoặc 2 giờ Dung dịch sơn khuôn có độ sa lắng nhỏ sẽ đảm

bảo không bị phân lớp, chất sơn trong dung dịch ở dạng huyền phù đồng nhất Độ sa lắng còn được đánh giá bằng thể vẩn của dung dịch (%) trong khoảng thời gian:

Rượu nhẹ hơn nước có tỷ trọng ρ=0,8 g/cm3 Rượu là chất trung tính, không phân li thành các ion Rượu cồn dễ bay hơi có mùi thơm nên còn gọi là cồn thơm, nếu tiếp xúc nhiều dễ bị gây ảnh hưởng đến sức khoẻ, khi bảo quản cất giữ phải đựng trong thùng có nắp đậy kín, để nơi thoáng mát, xa nguồn phát lửa

Khi châm lửa rượu sẽ bị ôxy hoá - cháy theo phản ứng:

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O (20)

Phản ứng cháy toả nhiệt lớn làm nước bốc hơi và khuôn đúc được sấy nóng Rượu êtylic là dung môi hoà tan nhựa thông dùng trong chất sơn khuôn Rượu là dung môi hoà tan chất dính và làm thay đổi (tăng hoặc giảm) nồng độ dung dịch sơn khuôn làm thoả mãn nhu cầu của công nghệ sơn khuôn bằng phương pháp quét, nhúng hoặc phun v.v

Tôluen có công thức C6H5CH3 còn gọi là mêtyl benzen là chất lỏng có mùi đặc trưng giống mùi benzen, sôi ở 1100C có tỷ trọng < 0,8g/ml

Xylen có công thức là C6H4(CH3)2 còn gọi là đimêtyl benzen là chất lỏng có mùi hắc như xăng và dầu hoả, dễ bay hơi, dễ bắt lửa

Xăng gồm các bua hyđrô no dạng mạch nhánh và các bua hyđrô nhân benzen có công thức C8H18 (isooctan) và C6H5CH3 (mêtyl benzen)

Theo tiêu chuẩn ASTM thì xăng trên thị trường cung cấp cho động cơ là MOGAS 90; 92; 95 Số ôctan tương ứng là 90, 92 và 95 Trong thành phần của xăng có các nguyên tố chủ yếu là C và H khi bị cháy sẽ toả nhiệt và tuân theo các phương trình phản ứng :

C + O2 = CO2 2H2 + O2 = 2H2O (21) Xăng, dầu hoả đều là sản phẩm được chưng cất từ dầu mỏ có tỷ trọng ρ=0,65-0,8g/cm3, dễ bay hơi, dễ bắt lửa, có mùi khó chịu

1.2.3.2 Chất kết dính

Nhựa thông được dùng làm chất kết dính trong hỗn hợp sơn khuôn Nhựa thông ở dạng cục có màu vàng hoặc nâu, tương đối giòn, dễ đập vỡ, có thể nghiền nhỏ hạt mịn, có mùi thơm đặc trưng, nóng chảy ở 75- 135oC không hoà tan trong nước, hoà tan trong một số dung môi hữu cơ như rượu, cồn, toluen, xylen, xăng, dầu hoả, v.v tạo thành dung dịch dễ bắt lửa và dễ cháy Nhựa thông trong hỗn hợp sơn khuôn với vai trò chất kết dính, khi đó dung dịch sơn khuôn có thể tự khô hoặc châm lửa đốt cháy để sinh nhiệt làm khô nhanh lớp sơn ở mặt khuôn Điều kiện kỹ thuật của nhựa thông được cho they trên bảng 3

Bảng 3, Điều kiện kỹ thuật của nhựa thông

Dầu hoả Xylen Ghi chú Tốc độ hoà

tan

Nhanh 1

Trung bình

1,5

Chậm 1,8

Chậm 2,5

Nhựa thông nghiền nhỏ lọt qua sàng

0,3mm

Nhựa thông tan trong cồn khoảng 15-30 phút (tuỳ thuộc vào độ hạt nhựa) các dạng dung môi khác chậm hơn, do vậy khi pha chế chất sơn phải sau khoảng thời gian 8-12 giờ mới sử dụng để chất kết dính tan hết Nhựa thông có một số vật lẫn là chất không hoà tan (khoảng<10%) cần phải hoà tan trong dung môi và loại bỏ vật lẫn trước khi pha chất sơn

Nhìn chung hỗn hợp sơn khuôn đúc có các tác dụng như sau: - Phòng chống hiện tượng cháy dính bám cát ở vật đúc

- Tăng độ bền và độ chịu nhiệt của lớp bề mặt tránh cho khuôn không bị bong tơi, lở sụt cát

- Tăng độ nhẵn bề mặt khuôn sẽ làm tăng độ nhẵn bề mặt vật đúc Do vậy yêu cầu kỹ thuật đối với chất sơn khuôn là:

- Chất sơn khuôn có tính chịu nhiệt cao, không gây phản ứng hoá học làm ảnh hưởng đến thành phần, tính chất của kim loại lỏng khi đúc rót

- Không biến đổi thành phần, chất lượng trong quá trình chế biến, cất giữ, sơn phủ bề mặt khuôn trước khi rót khuôn

- Bảo đảm cỡ kích hình học của sản phẩm đúc đúng thiết kế

- Lớp sơn phủ trên mặt khuôn nhẵn, mịn, bền không bị bong tróc thành lớp tách khỏi mặt khuôn, không bị rạn nứt khi sấy khô, để nguội và cả khi đúc rót kim loại lỏng vào khuôn

- Có tính linh động tốt, có độ nhớt nhất định để khi sơn phủ không để lại vết chổi quét hoặc không tạo thành vệt chảy (giọt) trên bề mặt khuôn sau khi sơn Chất sơn khuôn đúc phải tạo được dung dịch huyền phù để có thể dễ dàng quét, phun lên bề mặt khuôn, lõi

- Chất sơn khuôn phải có hàm lượng khí thấp nhất, ít sinh khí để hạn chế rỗ khí ở vật đúc

- Chất sơn khuôn đúc phải khô nhanh, có trường hợp tự đống cứng nhanh, dễ đốt, cháy nhanh tạo cho lớp sơn phủ có độ bền chắc

- Chất sơn khuôn không chứa các chất độc hại tới sức khoẻ con người và gây ô nhiễm môi trường

- Chất sơn khuôn đúc phải có tính lưu biến tốt để đáp ứng các yêu cầu đồng đều, kín khít và độ dầy, mỏng của lớp sơn phủ tối ưu

- Chất sơn khuôn đúc phải có tính kinh tế khi sử dụng, không dùng các thành phần vật liệu quí hiếm để giá thành hạ

Để chất sơn khuôn đạt được các yêu cầu trên cần phải giải quyết những vấn đề chủ yếu sau

a) Vật liệu chính (MgO) phải có độ chịu nhiệt cao, nghiền mịn với độ hạt lọt qua sàng 0,0063mm đạt tới 95%

b) Dung dịch pha chế hỗn hợp sơn khuôn ở trạng thái huyền phù, có độ nhớt η nhất định và sự sa lắng xuất hiện chậm Chất sơn dễ bắt lửa hoặc tự khô để có độ bền cao

c) Các nguyên liệu dùng pha chế có sẵn trong nước, thiết bị pha chế đơn giản dễ sử dụng và giá thành thấp

Phần II, Nội dung và phương pháp nghiên cứu

2.1 Phương pháp và thiết bị nghiên cứu đề tàI

Đề tài đã tiến hành thu thập, phân tích, đánh giá thông tin, tài liệu, vật liệu về hỗn hợp sơn khuôn của nước ngoài nhập về đang sử dụng ở các nhà máy đúc của Việt Nam để lựa chọn được thành phần hỗn hợp sơn khuôn hợp với điều kiện vật liệu, sản xuất của Việt Nam

Chế tạo hỗn hợp bột bằng nghiền trộn trên máy nghiền 7,5 kW trọng lượng 200kg/mẻ nghiền (xem hình 4)

Hình 4, Thiết bị nghiền chế tạo bột MgO, 7,5 kW

Nghiền trộn hỗn hợp được tiến hành trong máy nghiền trộn 2,5 kW 10kg/mẻ (xem hình 5)

Hình 5, Thiết bị nghiền, trộn hỗn hợp sơn khuôn

Đo kiểm, phân tích độ sa lắng hay thể vẩn theo thời gian đ−ợc cho thấy trên hình 6) Thể vẩn của hỗn hợp sơn khuôn đạt càng lớn thì càng tốt

Nghiên cứu thể vẩn của các dung dịch sơn với các dung môi là r−ợu cồn (Rc) xăng A92; dầu hỏa (Dh); xylen (Xi) Các kết quả đo kiểm đ−ợc cho thấy ở bảng trong phần sau

Hình 6, Thiết bị xác định độ sa lắng – thể vẩn theo thời gian

Tỷ trọng và khối lượng riêng của dung dịch hỗn hợp sơn khuôn được đo bằng tỷ trọng kế ở 200C hoặc cân khối lượng chia cho thể tích: =ρ

(g/cm3; g/ml) hoặc đo bằng Bômê kế (xem hình 7); có khoảng độ từ 1,0 - 2,0, có thể đọc trên Bômê kế 0 – 70 Các kết quả đo kiểm được cho thấy ở bảng trong phần sau

Hình 7, Thiết bị đo tỷ trọng bằng tỷ trọng kế ở 200C

Độ nhớt của hỗn hợp sơn khuôn được đo bằng nhớt kế Engle; bằng thời gian (s) chảy hết 200ml dung dịch hỗn hợp sơn khuôn ra khỏi bình chuẩn ở 200C qua lỗ ∅4 hoặc ∅5 Thí nghiệm đo độ nhớt của hỗn hợp sơn khuôn với bốn dung môi khác nhau và so sánh với nước sạch (xem hình 8)

Độ hạt chất phân tán không đủ mịn và quá trình pha chế kém đồng đều hoặc vón cục làm tăng độ nhớt, làm chất sơn khuôn kém linh động (tính lưu biến kém) Hạt MgO đã nghiền tuyển đạt cỡ hạt 15 - 30 àm là điều kiện thích hợp để pha chế chất sơn khuôn đạt yêu cầu chất lượng Trong hỗn hợp còn phải có thành phần chất phụ gia tạo huyền phù Các kết quả đo kiểm được cho thấy ở bảng trong phần sau

Hình 8, Thiết bị đo độ nhớt Engle của chất lỏng theo thời gian Độ hạt được đo kiểm qua bộ sàng tiêu chuẩn

Phân tích thành phần hoá bằng phương pháp hoá học TCN TCN-II-HTNT/94 ở máy TQ(UV1201V), TQNL (Jenway-Anh) có độ nhạy 0,01% tại phòng phân tích hoá học của Trung tâm phân tích thí nghiệm địa chất và phân tích so sánh ở Phòng không kim loại của Trung tâm

01/PTH/94-Độ bền nén của hỗn hợp sơn khuôn được đo kiểm trên máy của phòng thí nghiệm cơ lý đất đá LAS-XD326, Trung tâm phân tích thí nghiệm địa chất

Phân tích độ bền chắc, xít chặtộ và cấu trúc của lớp hỗn hợp sơn khuôn được tiến hành theo phương pháp vi điện tử quét mặt gãy (fractograph - SEM/EDS ) trên máy JSM-6490, JEOL của Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu (xem hình 9)

Hình 9, Thiết bị phân tích vi điện tử quét SEM , máy JSM 6490 của hãng JEOL

Phân tích chụp cấu trúc tế vi lớp bề mặt sản phẩm (hỗn hợp sơn/kim loại) để xác định tác động của hỗn hợp sơn khuôn đến cấu trúc và chất l−ợng bề mặt của sản phẩm đúc theo mặt cắt ngang trên máy AXIOVERT 40 MAT của Trung tâm đánh giá h− hỏng vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu (xem hình 10)

Hình 10, Kính hiển quang học AXIOVERT 40 MAT

Thử nghiệm hỗn hợp sơn khuôn bằng phương pháp quét, phun lên bề mặt khuôn, lõi và đánh giá chất lượng bề mặt sản phẩm đúc sau đó chọn ra chất sơn khuôn tối ưu cho đúc gang cầu và thép hợp kim cao (xem hình 11)

Hình 11, Khuôn cát mẫu đúc được sơn bằng phương pháp quét

Độ chịu nhiệt của hỗn hợp sơn khuôn phụ thuộc chủ yếu vào các hạt phân tán trong hỗn hợp sơn khuôn; độ chịu nhiệt của vật liệu phải cao hơn nhiệt độ kim loại lỏng rót vào khuôn (gang 1250 -1350oC; thép 1450-1520oC ) Hỗn hợp sơn khuôn thường dùng các vật liệu chịu lửa cao như :

Silicat zecôni (ZrO2.SO2) : 1900oC

Crômit FeO.Cr2O3 : 2180oC Bôxít Al203 : 2030oC

Manhêzi MgO : 1900oC

Thành phần hạt của các hỗn hợp sơn khuôn là những phần tử vật liệu không nóng chảy và khuyếch tán, thường là các chất vô cơ bền hoá học ở nhiệt độ cao và có hoạt tính yếu với kim loại rót vào khuôn Các vật liệu như vậy là crômit, crômanhêzi, manhêzi, bôxít, zeconi v.v

Kiểm tra độ chịu nhiệt bằng phương pháp đo độ biến dạng và xác định nhiệt độ bắt đầu biến dạng của mẫu hỗn hợp sơn khuôn trên khuôn cát sau nung trong lò ở khoảng 1550OC hoặc dùng đèn xì mỏ đốt đốt trên bề mặt hỗn hợp sơn khuôn ở nhiệt độ khoảng 1600OC Độ chịu nhiệt của hỗn hợp sơn khuôn được tiến hành xác định bằng hình thái (chảy, biến mềm, phồng, rộp, co thắt, nứt, bong v.v.) và đo độ co từ rìa mép vào tính bằng mm(xem hình 12)

Hình 12, Kiểm tra độ chịu nhiệt bằng phương pháp đo độ biến dạng, co màng 2.2 Nghiên cứu lựa chọn thành phần hỗn hợp sơn khuôn tối ưu trên cơ sở ôxýt manhêzi

2.2.1 Đặc tính của hỗn hợp sơn khuôn

Đối với những khuôn cát nhựa tự đông cứng, khuôn cát – nước thuỷ tinh đông cứng bằng CO2 hoặc tự cứng thường dùng hỗn hợp sơn khuôn khô nhanh có đặc tính như sau:

1 Tính huyền phù bảo đảm là sau một thời gian pha trộn không phát sinh sa lắng, phân lớp bảo đảm tính đồng đều và chất lượng các lớp sơn

2 Tính dễ quét sơn là khi quét sơn phải linh hoạt, không làm bong tơi cát trên bề mặt khuôn Sau khi sơn trên mặt khuôn cát có thể tự động làm mất vết chổi quét tức là có tính lưu biến, để đạt được lớp mịn trên bề mặt thô nhám của mặt khuôn

3 Không chảy thành giọt (vệt) để mặt đứng của khuôn không bị chảy đọng xuống dưới, đảm bảo lớp sơn dày đều từ trên xuống dưới, cần có tỷ trọng hợp lý không quá loãng

4 Độ dày lớp hỗn hợp sơn khuôn bảo đảm là có chiều dày khi quét thường khoảng 0,15 – 0,4 mm Hỗn hợp sơn khuôn phải thẩm thấu vào lớp trong đạt đến độ sâu thích đáng, để làm cho các khe hở giữa các hạt cát ở mặt khuôn được che bịt kín Thông thường yêu cầu độ sâu lớp thẩm thấu đạt được 2- 3 lần đường kính hạt cát Độ sâu thẩm thấu quá mỏng, lớp sơn dễ nứt nẻ, bong cát Độ sâu lớp thẩm thấu quá lớn lãng phí vật liệu và công sức

5 Độ bền lớp hỗn hợp sơn khuôn cao là khi đã khô cứng không bị nứt, hỏng khi vận chuyển, ghép khuôn, đồng thời phải có độ bền ở nhiệt độ cao, để khi tiếp xúc với kim loại lỏng không bị nứt, bong, biến dạng

6 Tính sinh khí của hỗn hợp sơn khuôn phải ít để tránh tạo thành rỗ khí trên bề mặt vật đúc

7 Tính chống cháy cát cao là sau khi vật đúc đông nguội, lớp sơn có thể tự bong tách ra khỏi bề mặt vật đúc.Tính chống cháy, dính bám cát của hỗn hợp sơn

Phồn, rộp Co, thắtBiến mềm

Nứt

khuôn quyết định chủ yếu do chất chịu nhiệt trong hỗn hợp sơn, độ dày lớp hỗn hợp sơn và độ bền của hỗn hợp sơn khuôn

8 Các yêu cầu khác của hỗn hợp sơn khuôn phải đáp ứng là bảo đảm vệ sinh cho người lao động; không độc hại Nguyên liệu làm hỗn hợp sơn khuôn phải dễ mua, giá rẻ, hỗn hợp sơn khuôn còn phải phù hợp với yêu cầu an toàn phòng cháy Khi bảo quản, vận chuyển, sử dụng không bị lên men, biến chất

2.2.2 Nghiên cứu lựa chọn bột chế hỗn hợp sơn khuôn

Để chế tạo hỗn hợp sơn khuôn đúc, đề tài đã tiến hành nghiên cứu nhiều loại bột manhêzi hiện có ở Việt Nam; đặc biệt là loại sạn manhêzi được nghiền tới cỡ hạt 2-3mm từ các viên gạch xây lò điện luyện thép (xem bảng 3)

Bảng 3, Thành phần nguyên liệu chính để chế tạo bột

T.t Loại liệu Thành phần chính (%) Cỡ Khối hạt lượng

riêng

MgO Cr2O3 Fe2O3 Al2O3 CaO SiO2 mm g/cm3

1 Manhêzi Nga 86,65 0,85 1,7 1,25 0,23 2,5 1,0 2,96 2 Manhêzi TQ1 82,54 1,85 2,4 0,85 0,65 4,5 1,0 3,16 3 Manhêzi TQ2 78,12 3,85 0,15 2,25 0,54 3,6 1,5 3,0 0 4 Manhêzi HQ 89,20 0,15 4,03 0,74 2,72 2,93 1,0 3,26 5 Manhêzi VN 80,12 0,67 2,42 0,65 3,25 4,6 2,0 3,15

Bột manhêzi phổ biến và có giá thành thấp nhất hiện có ở Việt Nam theo bảng 3 là của Trung Quốc Trên cơ sở nghiên cứu, đo kiểm các tính chất hoá, lý, nhiệt đề tài đã chọn bột manhêzi của Trung Quốc với cỡ hạt 1 mm

2.2.3 Nghiên cứu lựa chọn thành phần hỗn hợp sơn khuôn tối −u

Một số kết quả đo kiểm các thông số kỹ thuật cơ bản của hỗn hợp sơn khuôn nghiên cứu lựa chọn đặc tr−ng đ−ợc cho thấy ở bảng 4

Bảng 4, Các tính chất kĩ thuật cơ bản của hỗn hợp sơn khuôn sơn sử dụng dung môi khác nhau

TT Chỉ tiêu

Tỷ trọng g/cm3

Độ nhớt (∅5250)S

Thể vẩn (%) sau

Graphít ch−a đủ

mịn Từ bảng 4 cho thấy hỗn hợp sơn khuôn đ−ợc pha trong cồn và dầu hoả có độ nhớt cao hơn khoảng 10s Hỗn hợp sơn khuôn với dầu hoả có thể vẩn và tỷ trọng thấp nhất Hỗn hợp sơn khuôn pha trong xăng có độ sa lắng thấp nhất, có độ nhớt thấp và thể vẩn cao

Các loại dung môi pha cồn, dầu hoả và xăng có thể thích hợp cho hỗn hợp sơn khuôn manhêzi của đề tài

Hỗn hợp sơn khuôn đ−ợc chế theo phần trăm trong hỗn hợp đ−ợc cho thấy trên bảng 5

Bảng 5, Thành phần hỗn hợp sơn khuôn tối −u TT Loại vật liệu % theo chất

khô

% theo dung dịch sơn

Bột MgO có độ hạt khoảng15 – 45 àm, 95% lượng bột lọt qua sàng 0,0063 mm Chất kết dính hoà tan vào dung môi và loại bỏ chất không hoà tan trước khi pha trộn Chất phụ gia tạo nên huyền phù của nước sơn khuôn, thường dùng các chất vô cơ Al(HPO4) (Hydro phốt phát nhôm), đất sét hoặc bentônít

CaO trong hỗn hợp khi phản ứng với nước trong dung môi

CaO + H2O → Ca(OH)2 (20) Ca(OH)2 sẽ khô tự nhiên khi phản ứng với CO2 trong không khí Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (21)

Để lựa chọn được thành phần hỗn hợp sơn khuôn đúc tối ưu đề tài đã tiến hành các mẫu thí nghiệm với thành phần hỗn hợp theo bảng 6

Bảng 6, Các đợt thí nghiệm pha chế hỗn hợp sơn khuôn đúc

Đợt Thành phần hỗn hợp (g)

mẫu Manhêzi Chất kết dính Dung môi pha

(MgO) Al(HPO4) Al2O3 Bentônít CaO Nhựa thông Cồn Xăng Dầuhoả Xylen Tôluen M1 200 6 - - - 10 200 - - - -

Hỗn hợp sơn khuôn của đề tài so sánh với các loại sơn khuôn của Trung Quốc được cho thấy ở bảng 7

Bảng 7, So sánh hỗn hợp sơn khuôn của đề tài với các loại sơn khuôn của Trung Quốc

Các loại hỗn hợp sơn khuôn Trung Quốc Đặc tính kỹ thuật

FQ 407 FQH 500 FQT 290

Sơn khuôn SK 3

Tỷ trọng g/cm3 1,15 – 1,35 1,60- 2,00 1,40 – 1,80 1,25 – 1,35 Màu sắc đen trắng đục vàng nhạt vàng nhạt Độ nhớt (φ4,25oC)s 13 - 17 15 - 21 13 - 18 10 - 11 (∅5)Thể vẩn (sau 2 h) 98 98 97 92 - 96

( sau 1h) Phạm vi sử dụng Gang, kim

loại màu

thép Thép Mn cao

Thép Mn cao Thành phần chính Bột graphít Ziricôn Bột MgO MgO

Từ bảng 7 cho thấy hỗn hợp sơn khuôn của đề tài có chất lượng tương đương loại FQT 290 của Trung Quốc

Kết quả nghiên cứu lựa chọn thành phần hỗn hợp sơn khuôn tối ưu (có so sánh với thành phần hỗn hợp của nước ngoài FQT290) là các mẫu M14 và M18

Thành phần hỗn hợp tối ưu theo lượng thành phần là 200g MgO, 10g Al2O3, 15g bentônít, 10-15g nhựa thông, 200g cồn hoặc xăng

2.3 Nghiên cứu công nghệ nghiền tuyển, pha chế hỗn hợp sơn khuôn đúc

Để chế tạo được hỗn hợp sơn khuôn chất lượng thì điều quan trọng trước tiên là quá trình chế tạo bột chịu nhiệt manhêzi Đi từ công nghệ nghiền tuyển ướt đề tài đã nghiền tuyển cả khô đạt kết quả bột mịn tới khoảng 20àm Qua nhiều đợt thí nghiệm nghiền tuyển với số lượng trên 500kg đề tài đã xác lập được công nghệ nghiền tuyển chế hỗn hợp sơn khuôn

2.31 Qui trình công nghệ nghiền tuyển chế tạo bột manhêzi

1 Phần kiểm tra thiết bị, dụng cụ, vật liệu

1 Kiểm tra cẩn thận về điện, nước (kể cả thoát nước thải), môtơ, bi trục, các dây côroa (đủ độ khít, không sây sước), bảo đảm máy nghiền ở vị trí cân bằng, bôi mỡ con lăn v.v trước khi vận hành máy

2 Kiểm tra, xem xét cẩn thận về độ sạch của bi đạn, tang quay sau mỗi chu kỳ vận hành

3 Kiểm tra, xem xét cẩn thận về độ sạch của vật liệu–bột nghiền, nếu không đúng chủng loại, độ sạch về màu, tạp chất, chất bẩn nhìn thấy bằng mắt thường, phải thay đúng yêu cầu hoặc xử lý đạt yêu cầu trước khi đổ vật liệu vào máy nghiền

2 Phần thao tác, vận hành

1 Xả nước vào khoảng 1/3 tang (ngập hết bi đạn trong tang), đóng điện cho nghiền không bột khoảng 15 đến 20 phút sau đó xả hết nước và tiếp tục cho vào 1 lượng nước nữa để rửa khi nào thấy nước thải không còn mầu mới thôi

2 Đổ bột từ bao tải vào tang quay theo yêu cầu về lượng cho 1 mẻ ( 100, 200, 300kg)

3 Xả nước vào cho tới khi đầy 1/2 tang (ngập trên bột tối thiểu 20cm) 4 Đóng khít các cửa tang quay để không còn dò dỉ

5 Đóng điện, vận hành máy nghiền

6 Cứ sau 15 phút nghiền phải kiểm tra, theo dõi, quan sát 1 lần các biểu hiện về điện, nước, bột và chuyển

động của tang quay

7 Sau khoảng 2 giờ (với 100kg bột/mẻ) và 3,5 giờ (với 200kg bột/mẻ) thì kiểm tra độ huyền phù (có nghĩa là độ nhuyễn-mịn bột) Khi thấy nước bột chỉ có một màu như nước sơn, không còn sa lắng là đạt

8 Xả nước vào tang quay để tháo bột ra thùng đựng

9 Ngắt điện máy, tiến hành hoà tách, chắt nước riêng, bột riêng (kể cả bẩn chất nếu có) ở trong thùng đựng với thời gian khoảng 1/2 ngày (tới ngày hôm sau), có che chắn chống bẩn bột

10 Xúc đổ bột vào túi vải lọc để tách nước cho đến khi tách được 1 lượng tối đa, bột còn lại ở dạng sệt, phải có che chắn chống bẩn bột

Trong công nghệ nghiền bột đề tài đã tiến hành theo hai phương pháp đó là nghiền nước và nghiền khô

Sơ đồ công nghệ của 2 quá trình nghiền tuyển bột manhêzi được cho thấy trên các hình 13,14

Hình 13, Sơ đồ công nghệ nghiền tuyển nước bột hỗn hợp sơn khuôn manhêzi Sạn manhêzi

Nước Sàng lọc

Tuyển, rửa Nghiền ướt = đạnKhuấy

Cấp liệu Tháo vào bể lắng Chắt bột

Lọc bộtPhơi, sấy bột

Bao gói sản phẩm Nghiền trộn Tách –lọc mịn

Hình 13, Sơ đồ công nghệ nghiền tuyển khô bột hỗn hợp sơn khuôn manhêzi

Công nghệ nghiền nước đã hoàn chỉnh qui trình công nghệ chế tạo và ban hành ở Viện Khoa học Vật liệu không chỉ với bột MgO mà cả với các loại bột vật liệu chịu lửa khác như crômít, sericit, silicát zecôni Với công nghệ nghiền nước, đề tài đã đạt được bột MgO mịn tới 15mà Đây là loại bột dễ ràng tạo huyền phù trong các loại dung môi đã nêu ở trên Nhưng có nhược điểm là sau khi khô bị vón cục bền chắc tái thô trở lại rất khó xử lý, thậm trí ảnh hưởng đến cả độ tan lẫn trong dung môi làm tăng độ sa lắng Với công nghệ nghiền nước thì có thể sử dụng dưới dạng bột trong nước ở thể huyền phù như nước sơn là tốt nhất

Từ những nhược điểm của phương pháp nghiền nước đề tài đã chuyển sang phương pháp nghiền khô Để đạt được bột mịn như nghiền nước, phương pháp nghiền khô phải tiến hành trong tang có nhiều chủng loại đạn nghiền nihart Thời

Sạn manhêzi Sàng lọcTuyển từ

Nghiền đạn các cỡ Cấp liệu Tách bột

Thu bột mịn

Bao gói sản phẩm Nghiền trộn hỗn hợp sơn

Tách –lọc mịn

Cấp chất kết dính

theo phương pháp này các giai đoạn tiếp theo sẽ đơn giản; không phải phơi sấy, nghiền lại và bảo quản tránh hút ẩm để vón cục, đóng cứng tái thô

Để hoàn thiện công nghệ nghiền khô, đề tài đã nghiền tới 400kg

Qua nhiều đợt thí nghiệm theo bảng 5 để lựa chọn thành phần hỗn hợp tối ưu, tìm ra dung môi pha thích hợp, đề tài đã tiến hành thử nghiệm rất nhiều loại bột manhêzi như bột manhêzi (khoảng >94% MgO), sạn đầm lò manhêzi của Trung Quốc, Nga, Triều Tiên, Hàn Quốc theo bảng 3 Đề tài đã thử nghiệm 5 loại chất kết dính từ hydrôphốtphát nhôm, ôxýt nhôm, bentônít, CaO, nhựa thông và có lẫn cả sét Dung môi pha đã thử nghiệm tất cả 5 loại từ cồn, xăng, dầu, xylen và tôluen

Từ các đợt thí nghiệm lựa chọn, nghiền chế, pha chế có so sánh với các loại hỗn hợp sơn của Trung Quốc, đề tài đã hoàn chỉnh công nghệ chế tạo hỗn hợp sơn khuôn

Qui trình pha chế hỗn hợp sơn khuôn

Pha chế hỗn hợp sơn khuôn tiến hành theo các bước sau:

1 Cân đủ thành phần hỗn hợp chất chịu lửa MgO; vật liệu chính của hỗn hợp sơn khuôn và chất phụ gia cho vào thùng trộn

2 Cân đủ lượng chất kết dính cho mẻ trộn, hoà tan chất dính vào trong dung môi tan (cồn công nghiệp 96o, xăng) Chất kết dính dạng khô độ hạt < 1- 3 mm cho vào thùng trộn để hoà tan trong khoảng 10- 30 phút

3 Cho dung dịch đã hoà tan chất kết dính vào thùng chứa MgO, trộn đều và nhuyễn (sao cho ở dạng nhão đồng nhất), có thể trộn bằng máy trộn cánh khuấy, tốc độ 1000 vòng/phút (chú ý đậy nắp thùng trộn và giữ an toàn khi trộn), cũng có thể trộn thủ công; thận trọng và liên tục

4 Kiểm tra chất lượng hỗn hợp sơn khuôn được tiến hành đo tỷ trọng độ nhớt và sa lắng

5 Hỗn hợp sơn khuôn được cất giữ bảo quản trong thùng kín có nắp đậy để bảo đảm chất lượng sản phẩm khoảng 6 tháng (đựng trong thùng nhựa hoặc kim loại), khi sử dụng lại khuấy trộn đều

2.4 Nghiên cứu chế tạo thử sản phẩm hỗn hợp sơn khuôn đúc hệ manhêzi

Để chế tạo thử nghiệm thành công hỗn hợp sơn khuôn hệ manhêzi đề tài đã tiến hành các mẫu thí nghiệm (xem hình 15) và 11 đợt thử nghiệm với thành phần hỗn hợp theo bảng 6 Mỗi đợt đã tiến hành khoảng 5 thí nghiệm để chọn ra kết quả đặc trưng Các kết quả nghiên cứu chế tạo thử nghiệm hỗn hợp sơn khuôn hệ manhêzi đặc trưng được cho thấy ở bảng 8

H×nh 15, C¸c mÉu s¬n khu«n thÝ nghiÖm cã so s¸nh víi lo¹i zec«ni sè 0 B¶ng 8, KÕt qu¶ chÕ t¹o thö nghiÖm hçn hîp s¬n khu«n hÖ manhªzi

Các thử nghiệm hỗn hợp sơn khuôn hệ manhêzi ở khuôn cát trắng nước thuỷ tinh CO2 được cho thấy trên hình 16

Các chỉ tiêu kỹ thuật và phương pháp kiểm tra chất lượng hỗn hợp sơn khuôn được cho thấy ở bảng 9

Bảng 9, Chỉ tiêu kỹ thuật và phương pháp kiểm tra chất lượng

1 Thành phần hỗn hợp Phân tích các thành phần pha chế 2 Độ đồng nhất dung dịch

Quan sát bằng mắt hoặc kính phóng đại, kiểm tra độ đồng nhất của dung dịch Phân tích độ sa lắng hay thể vẩn theo thời gian (h)

3 Tỷ trọng

Đo tỷ trọng bằng tỷ trọng kế ở 200C hoặc cân khối lượng chia cho thể tích: =ρ

ρ: g/cm3; g/ml ; hoặc đo bằng Bômê kế 4 Độ nhớt của dung dịch

Đo độ nhớt Engle của chất lỏng bằng cách đo thời gian (S) chảy hết 200cm3 chất lỏng ra khỏi bình chuẩn ở 200C (qua lỗ φ4 hoặc φ5)

5 Chất lượng chịu nhiệt

- Kiểm tra thành phần chủ yếu và tạp chất - Kiểm tra độ hạt qua bộ sàng tiêu chuẩn - Kiểm tra độ chịu lửa để xác định nhiệt độ bắt đầu biến dạng của mẫu (hỗn hợp vật liệu và chất dính tối ưu)

Hình 16, Các khuôn cát được sơn

bằng hỗn hợp sơn khuôn MgO để đúc thép

Kết quả thử nghiệm hỗn hợp sơn khuôn hệ manhêzi ở khuôn cát trắng nước thuỷ tinh CO2 từ hình 16 được cho thấy trên hình 17

Hình 17, Sản phẩm đúc nắp đậy thép Cr-Mn

sử dụng hỗn hợp sơn khuôn MgO-M18

Như vậy là quá trình nghiên cứu thử nghiệm chế tạo thử sản phẩm hỗn hợp sơn khuôn đúc hệ manhêzi đã thành công với mẫu hỗn hợp sơn khuôn M14 và M18

2.5 Nghiên cứu thử nghiệm, đánh giá kết quả hỗn hợp sơn

một số nhà máy đúc

2.5.1 Thử nghiệm các hỗn hợp sơn khuôn để đúc các sản phẩm

Quá trình nghiên cứu thí nghiệm 4 loại dung môi, thay đổi thành phần chất sơn khuôn với tỷ lệ chất chịu nhiệt và phụ gia, đã chọn chất sơn khuôn kí hiệu SK-3 là sản phẩm có thành phần MgO, dung môi cồn công nghiệp Các loại dung môi khác có nguồn gốc petrônat như tôluen, xylen, xăng, dầu hỏa khi dùng có gặp khó khăn cho sản xuất vì có mùi khó chịu, độc hại cho sức khoẻ, tốc độ hòa tan nhựa thông chậm, giá cung cấp cao Chọn dung môi “cồn thơm” vừa đảm bảo kĩ thuật, dễ mua lại không độc hại, giống như các chất sơn đang được cung cấp và sử dụng phổ biến hiện nay Sơn khuôn đúc bằng phương pháp quét, nhúng hoặc phun

Hỗn hợp sơn khuôn MgO sử dụng để sơn khuôn đúc các phụ tùng bơm cát, bơm bùn, xyclon từ hợp kim 18 - 28%Cr chịu mài mòn đã đạt được kết quả Các hỗn hợp sơn khuôn M14 (dung môi xăng) và M18 (dung môi cồn) đã sử dụng ổn đinh để đúc các chi tiết thiết bị thay thế nhập ngoại với số lượng lớn tại xưởng đúc thuộc Viện Khoa học Vật liệu

Một số kết quả sử dụng hỗn hợp sơn khuôn MgO ở xưởng đúc thuộc Viện Khoa học Vật liệu được cho thấy trên các hình 18-20

Hình 18, Các chi tiết đúc gang trắng crôm xyclon sử dụng hỗn hợp sơn khuôn

MgO-M12

Hình 19, Sản phẩm đúc xyclon từ gang trắng crôm sử dụng hỗn hợp sơn khuôn MgO-M14

Hình 20, Các chi tiết đúc gang trắng crôm dùng hỗn hợp sơn khuôn MgO-M16

Khuôn còn dính cát

Bề mặt đã gia công

Từ các hình 18 đến 20 cho thấy hỗn hợp sơn khuôn chứa MgO, bentônít, nhựa thông với các chất dung môi pha là cồn, xăng và dầu hoả là thích hợp cho khuôn đúc gang hợp kim crôm

Hình 20 cho thấy với hỗn hợp sơn khuôn có thành phần theo lượng pha là 200gMgO, 5gCaO, 10g nhựa thông với dung môi pha là cồn chưa thích hợp nên vẫn còn dính cát thậm trí có chi tiết còn dính phần lớn trên sản phẩm (hình 20)

Hỗn hợp sơn khuôn của MgO, Al2O3, nhựa thông pha trong dung môi xylen sử dụng để đúc các chi tiết là không thích hợp; vẫn còn dính bám cát

Ban đầu đề tài có được một ít Al(HPO4), chỉ tiến hành được một số thí nghiệm đã hết không tìm mua ở đâu được nữa, cũng không đủ sơn một chi tiết lớn, nhưng nếu sử dụng loại phụ gia dính kết này chắc chắn sẽ có kết quả vì trước đây Al(HPO4) đã được sử dụng để sơn điện cực hồ quang luyện thép ở Công ty Diesel Sông Công đã có tác dụng chống cháy hao thân điện cực

Kết quả cho thấy các sản phẩm đúc có sử dụng hỗn hợp sơn khuôn M14,M18 đạt được bề mặt nhẵn; đặc biệt là chi tiết đúc sử dụng M14 có bề mặt nhẵn có độ chính xác cao

Hỗn hợp sơn khuôn M18 (SK-3) đã được sử dụng để triển khai sơn khuôn đúc đúc tại Công ty Cổ phần Cơ khí Mê Linh Một số chi tiết đúc từ thép X22H18C2, khối lượng 15kg, đường kính ∅450, dầy 23mm, 2 chi tiết đúc từ thép 45 khối lượng 30kg/ cái, đường kính ∅360 dầy 25mm đã sử dụng hỗn hợp sơn khuôn M18 của đề tài Kết quả vật đúc không bị cháy dính bám cát, dễ làm sạch, bề mặt nhẵn tương tự như chất sơn khuôn hiện đang sử dụng tại xưởng

Tại Viện Công nghệ, hỗn hợp sơn khuôn của đề tài đã được sử dụng để sơn ruột khuôn cát nước thuỷ tinh cho đúc răng gầu xúc loại 16kg, kết quả chất lượng bề mặt tốt, bong cát như chất sơn zecôni đang sử dụng

Công ty Cơ khí Xây dựng Phúc Sơn, Văn Điển cũng đã sử dụng hỗn hợp sơn khuôn manhêzi M18 của đề tài để đúc các chi tiết lớn thép mangan, crômniken chịu mài mòn và bền nhiệt đạt kết quả tốt

2.5.2 Kết quả nghiên cứu thử nghiệm, đánh giá kết quả sử dụng hỗn hợp sơn khuôn đúc gang thép hợp kim chất lượng cao ở một số nhà máy đúc

Hỗn hợp sơn khuôn dùng trong sản xuất đúc có tác dụng chống hiện tượng cháy dính cát, nâng cao độ nhẵn và tăng chất lượng bề mặt vật đúc Hỗn hợp sơn khuôn được pha chế từ hỗn hợp manhêzi có nguồn gốc là sạn đầm tường lò luyện kim đã đạt chất lượng tốt

Chất lượng hỗn hợp sơn khuôn phụ thuộc vào độ mịn của bột MgO được nghiền, thường phải đạt cỡ hạt 15 - 45 àm (95% lọt qua sàng 0,0063mm)

Qua quá trình pha chế hỗn hợp sơn đã chọn dung môi hòa tan hợp lý để tạo được dung dịch huyền phù (có thể vẩn cao hoặc ít sa lắng) Hai vấn đề cơ bản

đã được đề tài nghiên cứu giải quyết là chế tạo bột mịn từ sạn manhezi cỡ hạt khoảng 2-3 mm có thành phần MgO 97,70%, Fe2O3 0,40% Sau khi tuyển rửa, nghiền thành bột siêu mịn có cỡ hạt 15 - 30 àm, thành phần MgO trên 94%

Pha chế dung dịch sơn có thành phần dung môi cồn công nghiệp chất phụ gia tạo huyền phù tốt nhất là hydrô phốt phát nhôm Al(HPO4), bentônít và nhựa thông

Dung dịch sơn đạt được tỷ trọng 1,25 - 1,35, thể vẩn sau 1 giờ là 93 - 96% tương đương với một số chất sơn đang sử dụng

Kết quả áp dụng ở một số cơ sở cho các vật đúc bằng hợp kim 18-28%Cr; thép 45, thép hợp kim X22H18C2 thép mangan cao đạt kết quả tốt; bề mặt vật đúc nhẵn, dễ làm sạch bong cát

Các hỗn hợp sơn khuôn của đề tài đã sử dụng đạt chất lượng có thể so sánh với chất sơn zecôni hiện đang sử dụng trong sản xuất ở một số cơ sở

Phần III, Kết quả nghiên cứu đề tài và đánh giá kết quả 3.1 Thành phần hoá

Qua hơn 20 mẫu thí nghiệm và 25 lần thử nghiệm các loạt hỗn hợp sơn khuôn với các loại dung môi pha là cồn, xăng, dầu hoả, xylen và tôluen đề tài đã tiến hành phân tích các mẫu đặc tr−ng, kết quả đ−ợc cho thấy trên bảng 9

Bảng 9, Thành phần hoá các mẫu đặc tr−ng

Ký Thành phần hoá (%) Ghi chú hiệu

mẫu MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3T TiO2 CaO P S Khác

M1 94,24 0,35 0,23 0,48 0,01 1,34 0,01 0,005 PTViệnĐC M2 66,78 6,64 0,69 0,97 0,01 4,21 0,04 0,002 có Cr2O3PTViệnĐC M3 67,21 4,04 0,46 0,83 0,02 1,64 0,02 0,008 PTViệnĐC M4 68,14 4,44 0,46 0,91 0,01 1,17 0,02 0,017 PTViệnĐC M5 68,24 4,72 4,86 0,92 0,02 0,94 0,01 0,004 PTViệnĐC M6 64,24 2,55 1,67 1,08 0,02 1,12 0,01 0,008 PTViệnĐC M11 69,19 5,96 2,66 0,92 0,01 1,65 0,40 0,00 133 TN M12 68,00 4,34 1,63 0,88 0,02 3,00 0,02 0,001 PTViệnĐC M13 68,24 4,55 2,34 0,98 0,01 1,34 0,01 0,002 PTViệnĐC M14 67,13 12,55 1,85 3,42 0,01 3,11 0,40 0,00 134 TN M16 61,21 4,80 7,30 0,78 0,01 3,05 0,30 0,00 135 TN M18 67,80 9,72 4,17 2,04 0,01 3,89 0,40 0,00 136 TN

Từ bảng 9 cho thấy thành phần của M1 là bột MgO sau khi nghiền tới khoảng 20 àm ch−a pha thành hỗn hợp Từ vật liệu ban đầu là bột MgO của Trung Quốc để đầm lò tần số có thành phần hoá 97%MgO Sau khi nghiền tuyển đã có chuyển biến còn lại chỉ 94,24%MgO, đây là hiện t−ợng đặc biệt ch−a rõ nguyên nhân Các mẫu M2,3,4,5,6,12,13 đ−ợc phân tích tại Viện địa chất khoáng sản Các mẫu M11, 14, 16, 18 đ−ợc tiến hành phân tích theo

phương pháp hoá học TCN01/PTH/94-TCN-IIHTNT/94 trên thiết bị

TQ(UV1201V), TQNL-Jenway của Anh ở Trung tâm phân tích thí nghiệm địa chất

Kết quả phân tích thành phần hoá các mẫu ở Trung tâm phân tích thí nghiệm địa chất cho thấy hàm lượng MgO xê dịch từ 67 đến 69% Hàm lượng silic xê dịch từ 4 đến 5% Thành phần nhôm do tăng cường kết dính bentônít nên có hàm lượng cao hơn một chút so với tiêu chuẩn dự tính Thành phần phốt pho cũng cao hơn do phải chuyển hoá kết dính thay cho hydrôphốtphát nhôm Nhưng từ phân tích đối chứng ở Viện địa chất khoáng sản với số lượng mẫu gấp 2 lần thì kết quả phân tích phốt pho có phần nhầm lẫn tới 10 lần, vì vậy thành phần phốt pho là dưới 0,04%P đạt tiêu chuẩn

Như vậy là thành phần hoá học của hỗn hợp sơn khuôn đúc đã đạt yêu cầu kỹ thuật, chỉ tiêu chất lượng đối với sản phẩm (xem phụ bản)

Đi từ các phần 2.2., 2.4.và 2.5., thì kết quả phân tích thành phần ổn định là 67-69%MgO, 4-5%SiO2, 1,6-2,6%Al2O3, 0,7-1%Fe2O3T, 1-2%CaO, P,S<0,04%

3.2 Độ chịu nhiệt

Độ chịu nhiệt của hỗn hợp sơn khuôn được tiến hành đo như ở phần 2.1 hình 12 bằng cách xác định biến dạng nhiệt theo hình thái và đo độ co thắt xem hình 21 và bảng 10

Bảng 10, Xác lập độ chịu nhiệt của các hỗn hợp sơn khuôn

Mẫu Môi trường Hình thái chịu nhiệt Độ co Ghi chú M lò đèn /OC/ Biến Phồng Rộp Nứt Bong Cháy /mm/

xì mềm

M5 X - 1550 lớn lớn lớn - nhỏ - 3 bắt lửa M6 X - 1550 nhỏ nhỏ nhỏ - - - 2,5 không bắt lửa M8 - X 1600 - - nhỏ - nhỏ - 2 bắt lửa M10 - X 1600 - - nhỏ - - - 2 bắt lửa M11 - X 1600 - - - nhỏ - - 1,5 bắt lửa

M12 X - 1600 - - - - - - 1 bắt lửa M14 X - 1550 - - - - - - - bắt lửa M16 X - 1550 - - - - - - - bắt lửa M17 - X 1600 - - - - - nhỏ 1 bắt lửa