Mẫu xốp trong cụng nghệ mẫu tự thiờu cú tỉ trọng 0,02 ữ 0,025g/cm3. Với tỉ
trọng này, lượng khớ sinh ra đảm bảo đủ để thoỏt ra ngoài lớp sơn và đảm bảo
khụng chỏy quỏ nhanh để khe hở giữa kim loại và khớ sinh ra quỏ rộng, ảnh hưởng đến chất lượng vật đỳc. Việc hỳt chõn khụng nhằm mục đớch tạo ra trong khuụn cú ỏp suất sao cho khi kim loại lỏng đi từ thấp lờn cao và thay thế vào vị trớ của mẫu và độ chõn khụng được duy trỡ khụng đổi, để kim loại tiếp tục dõng lờn theo suốt chiều cao của mẫu. Việc hỳt chõn khụng rất quan trọng vỡ sau khi rung và rải cỏt, khuụn
khụng đủ độ bền, khi rút kim loại vào khuụn, mẫu sẽ bị sập. Khi hỳt chõn khụng,
cỏc hạt cỏt sớt chặt lại với nhau và tạo thành một khối bền chắc.
Lực hỳt chõn khụng nếu quỏ mạnh sẽ làm biến dạng mẫu, nếu quỏ yếu khuụn dễ sập. Áp suất hỳt chõn khụng tốt nhất là nằm trong khoảng P = 0,4 ữ 0,7 atm.
1.2.10 Tốc độ dõng kim loại
Về mặt lý thuyết, tốc độ dõng kim loại trong khuụn phải đạt từ 0,05 – 0,1m/s. Với những vật đỳc nhỏ thỡ tốc độ dõng cũn cao hơn nữa. Bởi vậy đối với mẫu tự thiờu, việc thiết kế hệ thống rút là rất quan trọng. Nếu hệ thống rút quỏ nhỏ sẽ dẫn đến hiện tượng kim loại vào khuụn ớt và sẽ đụng đặc rất nhanh, vật đỳc khụng được điền đầy. Nếu hệ thống rút quỏ lớn thỡ lượng kim loại vào khuụn sẽ nhiều, nờn mẫu chỏy nhanh sinh ra lượng khớ quỏ lớn gõy nờn rỗ khớ trong vật đỳc. Ngược lại, khi lượng kim loại chảy vào khuụn ớt, tốc độ dõng kim loại chậm dễ gõy ra sập cỏt, vỡ khuụn.
1.2.11 Chiều dày lớp sơn
Trong đỳc mẫu chỏy, lớp sơn cú vai trũ rất quan trọng, đõy cũng là một điểm khỏc biệt của phương phỏp đỳc này so với cỏc phương phỏp đỳc thụng thường khỏc. Cần phải đảm bảo cho lớp sơn cú một chiều dày nhất định so với cỏc loại sơn khỏc nhau. Từ đú khuụn mới cú đủ độ bền cần thiết để khụng bị vỡ khi dũng kim loại chảy vào khuụn… nhưng nếu lớp sơn dày quỏ thỡ cũng khụng tốt vỡ nú cản trở việc thoỏt khớ do mẫu chỏy sinh ra. Do vậy, với mỗi loại sơn cú thành phần khỏc nhau thỡ chiều dày lớp sơn cũng phải cú sự khỏc nhau để đảm bảo cho quỏ trỡnh điền đầy vật đỳc.
Mẫu thường được sơn nhiều lớp. Sau khi sơn lớp đầu tiờn, mẫu được đem
sấy khụ hoặc để khụ tự nhiờn (nhiệt độ sấy khụng quỏ 700C). Sau khi lớp sơn thứ nhất đó khụ, tiến hành sơn lớp thứ hai và tương tự đến lớp thứ ba. Chiều dày trung bỡnh mỗi lớp sơn từ 0,2 – 0,3mm. Lớp sơn đầu tiờn thường mỏng hơn so với cỏc lớp sau do khả năng bỏm dớnh vào mẫu xốp kộm hơn so với khả năng bỏm dớnh vào lớp sơn khụ.
1.2.12 Khuyết tật đỳc
a) Chỏy cỏt:
( ) (2 cos / ) hay ( gh ) (2 cos / )
k z ng tt ck ng ck
p > p ⇒ p + p +p > − i% θ r p +ρ +p > − i% θ r (1-1)
Trong đú:
png: ỏp lực bờn ngoài tỏc động lờn kim loại lỏng; ptt: cột ỏp thủy tĩnh của kim loại lỏng;
pck: ỏp lực õm ở cuối ống mao dẫn; ρ: khối lượng riờng của kim loại lỏng;
h – cột ỏp thủy tĩnh lớn nhất trong khuụn đỳc; ĩ - sức căng bề mặt của kim loại lỏng;
θ - gúc thấm ướt giữa kim loại lỏng và ống mao dẫn.
Khi đỳc trong khuụn chõn khụng, pck << ptt đó tạo điều kiện cỏt chui vào cỏc lỗ của khuụn nờn khả năng chỏy dớnh cỏt cơ học là lớn hơn nhiều so với cỏc phương phỏp đỳc trong khuụn cỏt khỏc. Để ngăn ngừa chỏy dớnh cỏt, thường phải sử dụng chất sơn khuụn.
b) Sập khuụn, lẫn khớ hay vật liệu mẫu chỏy trờn bề mặt vật đỳc
Khi kim loại điền đầy khuụn, mẫu bị chỏy sinh khớ. Để đảm bảo vật đỳc tốt, nghĩa là khuụn khụng bị sập hoặc khụng cú khớ hay vật liệu làm mẫu lẫn vào vật đỳc, thỡ cần phải đảm bảo tốc độ dõng kim loại và tốc độ chỏy mẫu phự hợp sao cho tạo ra sự cõn bằng về lực trong phần khụng gian chỏy mẫu. Nếu vận tốc chỏy mẫu lớn qỳa, tốc độ dõng kim loại nhỏ quỏ sẽ sinh ra sập khuụn. Ngược lại, tốc độ chỏy
của mẫu nhỏ, tốc độ dõng của kim loại lỏng lớn (mẫu chỏy khụng kịp với sự điền
đầy của kim loại lỏng), sẽ sinh ra khớ hoặc tro của vật liệu làm mẫu cuộn bỏm vào bề mặt vật đỳc.
1.2.13 Một số vật đỳc bằng phương phỏp đỳc mẫu chỏy
Hỡnh 1.9 đưa ra một số vật đỳc từ hợp kim nhụm được chế tạo bằng cụng
nghệ đỳc mẫu chỏy
b)
d)
Hỡnh 1.9 Cỏc sản phẩm nhụm đỳc theo cụng nghệđỳc mẫu chỏy a-Thõn mỏy; b-Thõn mỏy và mẫu xốp; c-Nắp quy lỏt; c và d- Ống nối
1.3 NHẬN XẫT
Từ những vấn đề lý thuyết nờu trờn cú thể thấy trong cụng nghệ đỳc mẫu
chỏy những vấn đề quan trọng được cỏc nhà nghiờn cứu và cụng nghệ quan tõm
nhằm đảm bảo vật đỳc chất lượng là:
1. Mẫu đỳc: Tập trung vào nghiờn cứu cỏc vấn đề:
−Vật liệu làm mẫu (thường dựng polystyrene), tỷ trọng mẫu để đảm bảo độ
bền mẫu trong quỏ trỡnh làm khuụn và khả năng sinh khớ cũng như tạo tro là ớt nhất.
−Cụng nghệ chế tạo mẫu.
−Phương phỏp gắn mẫu.
2. Quỏ trỡnh kết tinh và đụng đặc của hợp kim đỳc: Tập trung nghiờn cứu cỏc ảnh hưởng sau tới quỏ trỡnh điền đày khuụn đỳc và tới sự kết tinh và đụng đặc của hợp kim đỳc:
−Ảnh hưởng của vật liệu làm khuụn. −Ảnh hưởng của ỏp suất hỳt chõn khụng.
−Ảnh hưởng của kớch thước hệ thống rút và kết cấu hệ thống rút 3. Chất sơn mẫu.
4. Khuyết tật đỳc.
Trong luận ỏn tập trung nghiờn cứu ảnh hưởng vật liệu làm khuụn và ỏp suất
Chương 2
SỰ KẾT TINH VÀ ĐễNG ĐẶC CỦA HỢP KIM NHễM
2.1 NHễM VÀ HỢP KIM NHễM ĐÚC 2.1.1 Nhụm
Nhụm là kim loại nhúm III. Cấu hỡnh điện tử của nhụm là 1s22s22p63s23p1. Nhụm sạch, Al (99,996%), cú nhiệt độ chảy 6600C, nhiệt độ sụi 12000C, hoỏ trị 3 , bỏn kớnh nguyờn tử 1,041Ao. Nú cú mạng tinh thể lập phương tõm diện với thụng số mạng từ 4,014Ao đến 4,047Ao tuỳ theo độ sạch, cú ẩn nhiệt kết tinh (L) là 0,6 cal/g, ẩn nhiệt sụi là 2500 cal/g, cú khối lượng riờng (ρ) là 2700kg/m3; cú nhiệt dung riờng (c) bằng 0,2502 cal/g.OC; Cú hệ số dẫn nhiệt (λ) bằng 0,46 - 0,55 cal/cm.s.0C)
Cơ tớnh của nhụm sạch như sau:
- σb : Độ bền kộo: 2 - 5 Kg/mm2. - σc : Giới hạn chảy: 2 - 6 Kg/mm2. - σđh: Độ bền đàn hồi: 1 - 3 Kg/mm2. - δs: Độ dón dài: 10 - 50%. - ak: Độ dai va đập: 10 - 20 Kg.m/cm2 - τcp: Độ bền cắt: 5 - 8 Kg/mm2 - E: Mụdun đàn hồi : 6900→7300 Kg/mm2 - HB: Độ cứng : 15 - 30.
Nhụm cú thể hoà tan cỏc nguyờn tố hợp kim để trở thành cỏc dung dịch rắn α.
Độ hoà tan phụ thuộc vào cỏc nguyờn tố hợp kim. Vớ dụ: cỏc nguyờn tố Mo, Cr, Mn, Si cú thể hoà tan vào Al đến 1,6%, cỏc nguyờn tố Cu cú thể hoà tan đến 7%, cũn với cỏc nguyờn tố Mg, Zn cú thể hoà tan đến 12%. Khụng chỉ ở trạng thỏi lỏng mà cả ở trạng thỏi rắn, nhụm cũng hoà tan khớ: H2, CH4, CO. Khả năng hoà tan khớ H2 tăng khi nhiệt độ tăng và rất lớn (bảng 2.1). Do vậy cần chỳ ý đến việc khử chỳng.
Bảng 2.1. Độ hoà tan H2 vào nhụm ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau
Trạng thỏi rắn Trạng thỏi lỏng
Nhiệt độ (0C) Độ hoà tan
(cm3/100g) Nhiệt độ ( 0C) Độ hoà tan (cm3/100g) 300 0,001 658 0,69 400 0,005 700 0,92 500 0,012 800 1,67 600 0,026 850 2,1 658 0,036
Nếu trong nhụm cú cỏc nguyờn tố kiềm như: K, Na, Li, Ca thỡ cỏc nguyờn tố này sẽ làm tăng khả năng hoà tan của H2. Cỏc khớ hoà tan vào nhụm cú thể ở dạng hợp chất: Al2S3, AlN, Al3P3, AlP, Al3P, Al4C3…
2.1.2 Hợp kim nhụm
xuất chia hợp kim nhụm thành 2 nhúm là hợp kim nhụm biến dạng và hợp kim
nhụm đỳc (hỡnh 2.1). Hợp kim nhụm biến dạng thường được gia cụng bằng biến
dạng như cỏn, dập, ộp đựn. Hợp kim này nằm bờn trỏi đường c-b, cũn hợp kim nhụm đỳc được dựng trong sản xuất đỳc. Hợp kim này nằm bờn phải đường c-b.
Căn cứ vào nguyờn tố hợp kim người ta lại chia hợp kim nhụm đỳc ra thành cỏc họ hợp kim: nhụm silumin (Al-Si); nhụm đồng (Al-Cu); nhụm magiờ (Al-Mg); nhụm kẽm (Al-Zn). Trong số hợp kim nhụm đỳc thỡ hợp kim silumin được dựng đến 50%, phổ biến để đỳc cỏc chi tiết của ụtụ, vỡ silumin nhẹ, dẫn nhiệt tốt, dón nở nhiệt nhỏ, chịu ma sỏt. Bản thõn nhụm silumin cũng cú rất nhiều mỏc khỏc nhau, phự hợp với từng loại chị tiết làm việc trong những điều kiện thớch ứng. Hợp kim Al với Si 7% được dựng phổ biến để đỳc thõn mỏy, chi tiết mỏy cần độ bền, cú thể đỳc cả trong khuụn cỏt lẫn khuụn kim loại. Do tớnh sử dụng rộng rói của hợp kim này nờn đối tượng nghiờn cứu chớnh của luận ỏn là AlSi7. Dưới đõy sẽ tỡm hiểu kỹ hơn về hợp kim silumin.
2.1.3 Hợp kim silumin
a) Giản đồ trạng thỏi và tổ chức của Silumin
Hỡnh 2.2 đưa ra giản đồ trạng thỏi hai nguyờn Al-Si. Theo giản đồ trạng thỏi, độ hũa tan cực đại của Si trong Al là 1,65% ở 570ºC. Lượng Si hũa tan giảm dần theo nhiệt độ, khi nhiệt độ bằng nhiệt độ phũng thỡ giỏ trị này rất nhỏ, khụng đỏng kể. Giữa Al và Si khụng tạo thành hợp chất. Khi hàm lượng Si trong nhụm bằng 12,5% sẽ cú điểm cựng tinh. Silumin được phõn chia thành hai loại cơ bản là silumin đơn giản và silumin phức tạp. Silumin đơn giản thành phần chỉ gồm cú Al và Si. Silumin phức tạp được hợp kim húa thờm một số cỏc nguyờn tố hợp kim khỏc như Cu, Mg, Mn… Trong cụng nghiệp sử dụng hợp kim silumin cú hàm lượng Si dao động trong khoảng 5-20%, song phổ biến hơn cả vẫn là silumin trước cựng tinh dựng để đỳc thõn mỏy khuụn cỏt và khuụn kim loại, silumin cựng tinh thường dựng trong đỳc ỏp lực cao, silumin sau cựng tinh cú thể dựng để đỳc piston.
Hỡnh 2.2 Giản đồ trạng thỏi hợp kim Al – Si
Hỡnh 2.3 đưa ra cỏc vựng tổ chức khỏc nhau của hợp kim silumin. -α là dung dịch đặc của nhụm hũa tan ớt Si
-[α + cựng tinh(α +Si)] : Hợp kim silumin trước cựng tinh. Cựng tinh cú độ bền cao hơn α nhưng kộm dẻo hơn.
-Cựng tinh (α + Si) :gồm cú những hạt Si trờn nền α.
-Sau cựng tinh [Si1 + (α+Si)]. Cỏc tinh thể Si1 được tiết ra đầu tiờn ngay khi cú chuyển biến từ pha lỏng sang pha rắn. Hạt Si1 thụ to kết tinh ở dạng khối đa diện chỉ xuất hiện khi lượng Si trong hợp kim lớn hơn 12%. Hạt Si này rắn, giũn, làm cơ tớnh giảm nhiều nhưng lại tăng tớnh chống ma sỏt.
Hỡnh 2.3 Tổ chức của hợp kim silumin b ) Tớnh chất của Silumin:
Cơ tớnh của hợp kim: Cơ tớnh của hợp kim Al-Si khụng cao, %Si tăng thỡ độ bền tăng nhưng độ dẻo giảm. Khi hàm lượng Si tăng đến 11,6% thỡ độ bền và độ dẻo bắt đầu giảm. Do đú hợp kim chứa nhiều Si chỉ dựng cho đỳc mà khụng dựng cho gia cụng biến dạng.
c) Tớnh đỳc:
Độ chảy loóng và khả năng điền đầy khuụn đỳc, nú phụ thuộc vào hàm lượng của Si, khi thành phần Si tăng tới 12,5% thỡ tớnh đỳc tăng, độ kớn khớt cao, ớt bị nứt. Hợp kim chứa 12,5% Si là dễ đỳc nhất. tuy nhiờn cơ tớnh của hợp kim lại giảm. Vỡ vậy, phải dựng cỏc biện phỏp làm nhỏ hạt để tăng cơ tớnh cho hợp kim. Silumin dự cú khoảng đụng nhỏ, dễ đỳc nhưng khi đỳc cần chỳ ý chống rỗ ngút tập trung.
Hợp kim Silumin khụng chứa Cu cú tớnh chống ăn mũn tốt trong hầu hết cỏc
phản ứng húa học. Chỉ trong dung dịch kiềm mới cú phản ứng của Si và Al với
kiềm.
e) Tớnh chịu mài mũn:
Tớnh chịu mài mũn của Silumin rất tốt, đặc biệt đối với hợp kim sau cựng tinh. Trong hợp kim này, những hạt Si thụ cứng sẽ được phõn bố đều và mịn do ảnh hưởng của chất biến tớnh. Theo nghiờn cứu thỡ tớnh chịu mài mũn của hợp kim cú hàm lượng Si lớn (20-25%) thỡ cao gấp 10 lần so với thộp khụng hợp kim và cú thể so sỏnh với bề mặt của thộp biến cứng (thộp tụi). Tuy nhiờn chỉ cú thể dựng hợp kim Al-Si làm ổ trục khi cú hợp kim húa một lượng thiếc đỏng kể.
f) Khả năng gia cụng cắt gọt:
Khả năng gia cụng cắt gọt của silumin rất kộm, bởi vỡ những hạt Si thụ cứng nằm trờn nền mềm cú khuynh hướng bào mũn dụng cụ cắt rất nhanh.
g) Tớnh chất lý học:
Lượng Si trong hợp kim càng lớn thỡ dẫn nhiệt càng tăng và gión nở nhiệt của hợp kim càng giảm. Silic làm giảm đỏng kể sự gión nở nhiệt và giảm nhiều khi thờm cỏc nguyờn tố khỏc ngoại trừ Mg. Thờm Mg cú khuynh hướng tăng sự gión nở nhiệt đụi chỳt. Hệ số gión nở của hợp kim tại nhiệt độ dưới 0 cũng thấp hơn 10-20%
so với hệ số gión nở trong Al sạch. Nếu vật liệu được chế tạo bằng phương phỏp
luyện kim bột , chứa tới 50% Si, thậm chớ cú hệ số gión nở cũn thấp hơn.
Độ dẫn điện dao động trong khoảng (1,2-1,6).10-2 giỏ trị nhỏ hơn ứng với hợp kim đỳc trong khuụn kim loại hoặc hợp kim được nhiệt luyện nhằm giữ lại Si, Cu hoặc Mg trong dung dịch đặc.
2.1.4 Ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố hợp kim.
Khi đưa vào hợp kim silumin cỏc nguyờn tố hợp kim khỏc nhau sẽ cú tỏc
Bảng 2.2 Ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố hợp kiim tới tớnh chất của silumin NT HK ρ, kg/m3 T chảy, OC Hợp chất hoỏ học Cỏc ảnh hưởng đặc trưng
Be 1835 1284 Al3BeFe Làm giảm đỏng kể ảnh hưởng cú hại của Fe
B 2340 2300 AlB2 Làm nhỏ hạt, làm tăng bền và tăng độ dẻo
Mg 1740 650 Al3Mg2 Làm tăng cơ tớnh, nhưng cũng tăng độ xốp
Cu 8900 1083 Al2Cu Làm tăng cơ tớnh, nhưng làm giảm tớnh
chịu ăn mũn
K 860 64 -
Li 530 179 -
Na 970 98 -
Làm tăng độ nhớt của hợp kim lỏng; làm nhỏ tổ chức cựg tinh; làm tăng độ xốp của hợp kim.
Sn 7300 232 - Làm giảm tớnh chịu ăn mũn
Zn 7130 419,5 - Làm tăng độ bền, làm xấu tớnh đỳc.
Ca 1550 849 Al4Ca Làm tăng tớnh dẫn điện; hoàn nguyờn Al từ
cỏc oxyt; CaO làm giảm tớnh chảy loóng và cơ tớnh của hợp kim.
Fe 7800 1539 Al3Fe Làm giảm độ dẻo, độ bền, nhưng làm tăng
tớnh bền núng. V 6110 1919 Al7V Cr 7200 1890 Al7Cr Mn 7400 1260 Al6Mn Co 8600 1480 Al9Co Mo 10200 2692 Al5Mo Ni 8900 1452 Al3Ni
Làm giảm đỏng kể ảnh hưởng cú hại của Fe; làm tăng độ bền núng và giảm độ xốp trong vật đỳc.
Ti 4540 1725 Al3Ti Làm nhỏ tổ chức, làm tăng mạnh cơ tớnh
của hợp kim
Zr 6250 1925 Al3Zr Làm nhỏ tổ chức, làm giảm độ xốp, làm
2.2 KHỬ KHÍ, TINH LUYỆN VÀ BIẾN TÍNH HỢP KIM NHễM 2.2.1 Tỏc dụng tương hỗ giữa khớ với kim loại lỏng 2.2.1 Tỏc dụng tương hỗ giữa khớ với kim loại lỏng
Đa số kim loại và hợp kim tỏc dụng mạnh với khớ của mụi trường nấu như: O2, H2, H2O thể hơi, CO, CO2, cỏc bua hydro ... để tạo thành hợp chất hoỏ học, hoặc hỗn hợp cơ học, hoặc dung dịch. Bản chất khớ, nhiệt độ mụi trường, ỏp suất khớ cú ảnh hưởng tới quỏ trỡnh tương tỏc trờn. Động học quỏ trỡnh tương tỏc giữa khớ với