Cơ sở lựa chọn phương pháp tạo hình:
- Hình dạng và tính chất đặc trưng của sản phẩm. - Tính chất kỹ thuật của phối liệu.
- Năng suất, giá thành.
Cụ thể:
- Các sản phẩm rỗng, thành mỏng đều, hình dạng không phức tạp như lọ hoa, ấm trà, tách, chén…nên chọn phương pháp rót hồ thừa.
- Sản phẩm rỗng và đặc, hình dáng bên ngoài phức tạp: tượng người, thú vật, chi tiết máy,…nên chọn phương pháp hồ đầy.
- Các loại sản phẩm thành mỏng, hình dạng đơn giản tròn xoay, phẳng nên chọn phương pháp xây trên bàn tua trong khuôn như chậu hoa kiểng tròn, nhỏ.
- Các sản phẩm hình dạng phức tạp có lỗ hay có ren: chọn phương pháp dẻo hay tiện bằng dao (ví dụ sứ điện).
Tuy nhiên căn cứ vào hình dạng sản phẩm chưa đủ mà còn phải tùy thuộc vào đặc tính kỹ thuật của phối liệu mới chọn đúng phương pháp tối ưu.
Ví dụ
- Phối liệu có độ dẻo cao: xây trên máy, ép hay tiện dẻo. - Phối liệu dẻo vừa: ép dẻo, đổ rót.
- Phối liệu kém dẻo nhưng độ đồng nhất cao: ép bán khô các sản phẩm có hình dáng phức tạp.
- Phối liệu kém dẻo: ép bán khô, nện đập thủ công sản phẩm hình dáng phức tạp.
Khi phối liệu kém dẻo thỏa nhiều phương pháp tạo hình thì chọn phương pháp nào có năng suất cao nhất khi hình dáng sản phẩm cho phép.
Để tạo hình đạt năng suất cao, phế liệu ít, chất lượng sản phẩm cao cần chủ động và quan tâm đến khâu lựa chọn nguyên liệu, tính toán phối liệu, chuẩn bị phối liệu theo phương pháp tối ưu để tính chất kỹ thuật của phối liệu thỏa mãn đầy đủ yêu cầu.
Với sản phẩm đòi hỏi sự chính xác cả về hình dáng lẫn kích thước, cần phải ghi nhận một cách chính xác độ co sấy và co nung của phối liệu, chủ động điều chỉnh độ co theo mong muốn khi tính phối liệu cũng như thiết kế khuôn sản xuất theo phương pháp tạo hình.
Với sản phẩm không đạt yêu cầu độ chính xác cao, có thể chấp nhận kích thước khuôn hay chính là kích thước sản phẩm lúc tạo hình như sau:
Gọi l0 là chiều dài sản phẩm vừa mới tạo hình (ướt), l1 là chiều dài sản phẩm sau nung, S: độ co tổng. *100,% l l l S 0 1 o − =
Khi thiết kế khuôn từ thạch cao phải lưu ý đến độ co của thạch cao. Muốn có kích thước sản phẩm chính xác hơn, lúc làm khuôn phải chú ý thêm một đại lượng dư: 1 1 1 0 l l l l l z − = ∆ = → S 1 S z − = hay z 1 z S + =
Nếu độ co tổng S ≤ 4% thì sự sai khác giữa z và S là không đáng kể.
3.5.1 Phương pháp tạo hình đổ rót:
3.5.1.1 Sự hình thành lớp mộc:
Khi đổ rót hồ vào khuôn thạch cao, do thạch cao có khả năng hút nước nên hồ chuyển động theo hướng vào thành khuôn, bám vào khuôn thành một lớp mỏng đều đặn và sít đặc, theo thời gian chiều dày lớp mộc tăng dần.
Gọi chiều dày lớp mộc bám vào khuôn là x. Trong một đơn vị thời gian dt, chiều dày lớp mộc tăng dx và tốc độ sẽ giảm dần khi chiều dày lớp mộc tăng vì khả năng hút nước của thạch cao giảm dần.
Giả thiết khả năng hút nước của thạch cao là hằng số, ký hiệu là a, ta có quan hệ giữa chiều dày lớp mộc và thời gian:
dx a x dt dt x a dx= → = t A at x at x x a 1 xdx a 1 t 2 2 = = → = = = ∫
Vậy chiều dày lớp mộc tỉ lệ với t , A (hằng số, có thể tìm được bằng thực nghiệm) Hồ Hồ Khuôn Nước trong khuôn thạch cao Mộc Khuôn x Hình 3.3. Sự hình thành lớp mộc
Trong sản xuất, để có chiều dày lớp mộc theo ý muốn, chúng ta phải làm thí nghiệm xác định tốc độ bám lõi, qua đó xác định thời gian cần thiết để lưu hồ trong khuôn. Chất lượng khuôn như độ ẩm, khả năng hút nước và đặc tính kỹ thuật của hồ quyết định thời gian đổ rót.
• Ưu điểm của phương pháp đổ rót: tạo hình các sản phẩm có hình dạng phức
tạp, mật độ đều song đòi hỏi có diện tích sản xuất lớn ngay cả sản xuất đã được tự động hóa.
3.5.1.2 Khuôn thạch cao:
Mặc dầu nghề gốm được phát triển cách đây vài nghìn năm nhưng phương pháp tạo hình đổ rót trong khuôn thạch cao mãi đến năm 1780 mới được tìm ra ở Pháp. Bí mật này được giữ kín những 100 năm và đến 1890 mới được phổ biến và sử dụng rộng rãi.
Thạch cao làm khuôn được khai thác từ mỏ thạch cao có công thức CaSO4.2H2O.
Thạch cao làm khuôn là ở dạng α-bán hydrat, thường gọi là thạch cao α → tạo khuôn rất bền. Thạch cao α được tạo thành bằng cách nung thạch cao CaSO4.2H2O dưới điều kiện áp suất và không khí bão hơi nước.
CaSO4. 2 1 H2O + 2 3
H2O → CaSO4.2H2O đóng rắn , làm khuôn.
Tuy nhiên, để tạo khuôn, phải thêm nhiều nước hơn lượng cần thiết để tạo thành một khối dẻo dễ tạo hình:
CaSO4.
2 1
H2O + xH2O → CaSO4.2H2O + yH2O
Nếu sử dụng ít nước, khuôn thạch cao sẽ rắn chắc hơn nhưng hút ít nước. Sử dụng nhiều nước khuôn không bền nhưng do có nhiều lỗ xốp nên có thể hút nước nhiều hơn.
Lượng nước thừa sau khi thạch cao đóng rắn được lấy khỏi khuôn bằng cách sấy nhẹ hoặc hong khuôn ngoài không khí. Nước thoát ra sẽ để lại trong khuôn những
lỗ xốp mao quản rất nhỏ và khi rót hồ vào, các lỗ này có khả năng hút lại nước. Khi khuôn ướt, độ hút nước kém. Lúc đó phải sấy khuôn.
Để đảm bảo chất lượng khuôn, nhiệt độ sấy không được quá cao vì khi đó lượng nước kết hợp trong CaSO4.2H2O có thể bị mất đi và khuôn trở nên giòn, dễ vỡ. Nhiệt độ sấy < 700C nhưng tốt nhất là hong ngoài không khí ở nhiệt độ ≈ 450C.
Như vậy khả năng hút nước của khuôn thạch cao là nhờ các lỗ xốp mao quản do nước bốc hơi để lại. Còn khuôn là ở dạng CaSO4.2H2O.
Trình tự sản xuất một khuôn thạch cao: Thiết kế mẫu
Mẫu (nhân với độ co đã biết) Khuôn con mẫu
Tạo hình thử
Hoàn chỉnh khuôn con mẫu Khuôn mẹ
Khuôn tạo hình (đổ rót)
1) Thiết kế mẫu: là giai đoạn quan trọng. Người thiết kế cần xây dựng nội dung và hình thức sản phẩm định thiết kế.
-Xây dựng các thông số bắt buộc của sản phẩm: khả năng chịu lực, độ bền nén, uốn, độ chịu va đập của sản phẩm khi sử dụng.
-Xét tính năng cơ lý của hồ đổ rót, phương pháp tạo hình, nhiệt độ nung, phương pháp xếp sản phẩm vào lò, độ co sấy và nung.
-Chế tạo mẫu: có nhiều phương pháp nhưng chung quy phải tuân theo nguyên lý cơ bản:
+Thiết kế bản mẫu dưỡng: từ kích thước sản phẩm thiết kế, tính lại công thức mẫu như sau:
S= .100 S 100 S 1 0 − S: kích thước dưỡng rập. S0: kích thước sản phẩm.
S1: độ co toàn phần (sấy, nung) tính theo %.
Sau khi tính xong, tiến hành phân chia giải thể hợp lý tùy từng góc độ của các bộ phận sao cho khi dựng hình và kiểm tra mẫu trong hệ không gian 3 chiều đạt được độ chính xác cao nhất.
-Đổ thạch cao thành khối có kích thước lớn hơn kích thước dưỡng rập 10% - 20%.
-Cắt gọt, tiện thạch cao theo hình dạng sản phẩm và kích thước rập. -Hoàn tất mẫu, kiểm tra lại kích thước và đánh bóng.
2) Tạo khuôn con mẫu:
Khuôn con mẫu được coi là bản gốc của khuôn con mẹ và hàng loạt khuôn tạo hình. Vì vậy cần lưu ý:
-Khi chia khuôn: mảnh đơn giản, dễ thao tác.
-Các vị trí phát sinh ứng lực khi đổ khuôn cần phải phân chia giải thể để đảm bảo độ bền khuôn mẹ.
3) Tạo khuôn mẹ: có thể sản xuất bằng thạch cao hoặc thạch cao + xi măng. 4) Đổ khuôn tạo hình: bằng thạch cao.
Trước khi đổ khuôn, thoa lên bề mặt khuôn mẹ lớp chất thoát khuôn, thường là xà phòng pha 1 ít dầu thực vật.
Đổ khuôn xong, tháo khuôn, sửa nguội, rửa và làm sạch khuôn và ghép khuôn. Đem sấy ở 45 – 55 0C.
Yêu cầu khuôn tạo hình:
-Độ rỗng: 30 – 40 %.
-Độ ẩm trước khi sử dụng: 5 – 7 %.
-Khi sử dụng khuôn trở nên ẩm 30 – 35% → sấy lại khuôn.
-Khuôn sử dụng 70 – 120 lần. Độ bền phụ thuộc chất lượng thạch cao. Nâng cao độ bền bằng cách hút chân không khi đổ khuôn, sử dụng thạch cao α…
3.5.1.3 Các phương pháp đổ rót:
Có hai phương pháp chính: đổ rót hồ thừa và đổ rót hồ đầy. Chọn phương pháp nào là do hình dáng sản phẩm quyết định.
Các loại sản phẩm hình dạng phức tạp, khuôn phải chia thành nhiều mảng để tháo khuôn dễ dàng, đôi khi phải tạo hình thành những chi tiết riêng biệt rồi mới gắn lại (ví dụ: quai ấm nước, tách…).
Tăng năng suất đổ rót bằng cách đổ rót tự động bằng máy, có hút chân không (khuôn nhựa đặc biệt).
3.5.1.4 Các yêu cầu cơ bản của hồ đổ rót:
Sản phẩm tạo hình bằng phương pháp đổ rót muốn đảm bảo chất lượng, ít phế phẩm thì hồ đổ rót phải đảm bảo yêu cầu sau:
hồ nước hấp thụ
rót hồ thừa hồ
Đổ rót hồ đầy
- Lượng nước ít nhất để giảm thời gian đổ rót và thời gian sấy, giảm độ co và ít gây nứt vỡ sản phẩm khi sấy và nung.
- Độ linh động cao tức độ nhớt nhỏ để dễ vận chuyển qua đường ống và dễ đổ rót.
- Độ bền cao: không có hiện tượng lắng, không keo tụ, không đóng sánh, độ nhớt ổn định.
- Tốc độ bám khuôn lớn.
- Lượng chất điện giải bé nhất (chọn chất điện giải tối ưu). - Khả năng thoát khuôn dễ, ít khuyết tật như rỗ mặt…
Chất lượng sản phẩm không những phụ thuộc vào hồ mà còn phụ thuộc khuôn thạch cao (độ mịn, bề mặt khuôn, độ bền cao, đồng nhất, hút ẩm đều vừa phải…)
• Hạt keo sét:
Các hạt khoáng sét trong nước tích điện âm do giữ lại gốc OH-. Ion H+ bao xung quanh tạo lớp điện tích kép. Trong điện trường keo sét chuyển dịch về anod (+). Chiều dày lớp điện tích kép do bản chất của ion trung tâm và các cation hay anion hấp thụ quyết định, tức là do cấu trúc khoáng sét và loại cation dùng làm chất điện giải quyết định.
Hồ gốm sứ khi không pha chất điện giải muốn đổ rót được thường cần một lượng nước rất lớn (40 – 50%). Để hồ đổ rót cho mộc cũng như sản phẩm tốt nhất cần giảm lượng nước đến mức thấp nhất, mà vẫn đổ rót tốt. Muốn vậy phải pha thêm chất điện giải. hạt sét (-) + + + + + + + 0 0 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
Quá trình pha loãng hồ dựa trên cơ sở làm thay đổi điện thế của mixen keo, tức là điện thế của lớp điện tích kép. Các ion của chất điện giải làm thay đổi lực hút và đẩy giữa mixen tích điện âm (lực đẩy tăng):
Đất sét - Ca2+ + Na2SiO3 → Đất sét – Na+ + CaSiO3↓ Na+
Các hạt keo có thể chuyển động tự do nhiều hơn nên độ nhớt giảm. Các cation hóa trị 1 làm chất điện giải tốt hơn cation hóa trị 2.
Trong dãy các cation hóa trị 1 thì muối Na+ của axit hữu cơ hay vô cơ mà trong phân tử, các anion có khả năng hình thành muối khó tan như silicat, phosphat có tác dụng tốt nhất. Thông thường ngoài thực tế người ta sử dụng Na2SiO3 (thủy tinh lỏng) làm chất điện giải cho hồ gốm sứ.
Tác dụng của Na+ trong hồ và phối liệu dẻo:
1: NaOH 2: Na2CrO4 3: Na2CO3 4: Na2SiO3
Hình 3.4. Ảnh hưởng chất điện giải tới thời gian chảy của huyền phù đất sét-nước
Khi sử dụng muối Na+ làm chất điện giải thì Na+ bị anion trên bề mặt hạt sét hấp phụ xảy ra sự xô đẩy trên bề mặt hạt sét (hồ bền). Ngược lại hạt sét chứa Ca2+ cần hai điện tích âm nên hạt sét dễ dính kết nhau (keo tụ).
Nếu hàm lượng chất điện giải quá lớn (thừa) thì hồ cũng bị keo tụ và dễ lắng. Trong sản xuất thường dùng nhớt kế để đo độ nhớt. Để nhanh hơn dùng dụng cụ chuẩn để đo độ linh động của hồ. Đo thời gian chảy của 1 lượng hồ xác định chứa trong 1 ống chuẩn (thể tích xác định) có lỗ ở đáy. Thường hồ chảy 10s cho 100cm3 là đạt yêu cầu.
Một hiện tượng khác là sự đóng sánh của hồ. Nếu ta khuấy cơ học thì hồ linh động, nhưng để 1 thời gian thì trở lại trạng thái ban đầu có độ linh động kém, thời gian chảy tăng. Nguyên nhân do lớp nước trong vỏ solvat liên kết lại với nhau.
Thí nghiệm thông thường đánh giá độ sánh hồ, là tỉ số thời gian hồ chảy 100 cm3 sau khi để yên 30 phút và thời gian hồ chảy 100 cm3 sau khi để yên 1 phút. Độ sánh hồ sứ thường là 1,8÷2,2.
3.5.2 Phương pháp dẻo:
Bao gồm: vuốt trên bệ quay, gắn ráp trong khuôn thạch cao, xây trên bàn tua dao bản, ép dẻo bằng các loại máy ép: ép ngói, gạch, ép thủy lực qua khuôn thạch cao.
Tạo hình bằng máy ép lento:
Thường dùng sản xuất gạch ống, gạch có lỗ, ngói lợp, gạch lát nền, ống nước, sứ cách điện, bugi,…
Quá trình ép đùn được sử dụng để tạo hình những sản phẩm dạng nằm ngang hoặc dùng để luyện đất sét thành cột rồi cắt thành từng đoạn để tạo hình bằng những phương pháp khác như tiện, xây,…
Cơ bản quá trình ép đùn là đẩy một cột đất sét qua một cái khuôn.
Quá trình ép đùn dùng để luyện đất, đẩy không khí ra khỏi đất sét làm đất sét sít đặc và dẻo hơn để khi tạo hình sản phẩm độ co, giảm nứt vỡ do không khí, bề mặt
Hút chân không Đầu tạo hình Buồng trộn đất sét Vít xoắn Lỗ định cỡ Vít xoắn Hình 3.5. Máy ép lento
sản phẩm mịn hơn. Có thể kết hợp hoặc không kết hợp khuôn tạo hình sản phẩm. Gạch, ống nước được đùn một cách liên tục và được cắt bằng dây kim loại thật căng.
Tạo hình bằng phương pháp tiện dẻo trên máy:
Cơ sở của phương pháp này là dựa vào tính dẻo của nguyên liệu và phối liệu (đất sét và cao lanh). Ngoài đặc tính cấu trúc khoáng sét quyết định tính dẻo còn phải xét đến các yếu tố ảnh hưởng khác như tỉ lệ đất sét và vật liệu gầy, biện pháp gia công (kích thước hạt), phụ gia điều chỉnh…
Tùy hàm lượng nước mà đặc tính của hỗn hợp nước – sét rất khác nhau. Với phối liệu dẻo, nếu lượng nước vừa đủ để các hạt sét hydrat hóa hoàn toàn thì hỗn hợp có độ dẻo cực đại.
Nội dung kỹ thuật tạo hình dẻo là nghiên cứu bản chất của phối liệu dẻo nhằm xác định đúng lực tác dụng bên ngoài hợp lý để phối liệu biến dạng dẻo theo hình dạng mong muốn mà không bị nứt. Thừa nhận phối liệu gốm sứ là loại vật thể dễ đàn hồi, chỉ biến dạng khi lực tác dụng bên ngoài lớn hơn hay bằng giới hạn chảy. Giới hạn chảy phụ thuộc hàm lượng nước (giới hạn chảy giảm khi tăng hàm lượng nước). Độ biến dạng luôn tăng khi hàm lượng nước tăng. Như vậy mỗi loại phối liệu có thành phần, cấu trúc khác nhau sẽ tạo hình thuận lợi ứng với một lượng nước nhất định - lượng nước ứng với trường hợp đó gọi là độ ẩm tạo hình thích hợp.
Theo kinh nghiệm thực tế, độ ẩm tạo hình thích hợp trên các máy ép lento của hầu hết các phối liệu dao động trong khoảng 26%.
Để đánh giá tính chất (độ dẻo) của nguyên phối liệu người ta thường xác định chỉ số dẻo theo nhiều phương pháp.
+ Thực tế sản xuất: xác định bằng vica chuẩn.
1: mẫu thử 2: cốc đựng mẫu 3: quả đối trọng
- Mẫu trộn kỹ với nước cho vào cốc, thả kim hình nón, sau 5 giây nếu kim lún