a) Vật liệu làm khuôn đúc
Khuôn đúc th−ờng đ−ợc làm bằng cát hoặc bằng kim loại, ng−ời ta sử dụng cát thạch anh để làm khuôn đúc. Mẫu đ−ợc lấy bằng cách phá khuôn nên mỗi lần đúc cần thay một khuôn mới. Khuôn bằng cát có −u điểm là rẻ tiền, tốc độ nguội của vật đúc chậm hơn so với khuôn đúc làm bằng kim loại, dễ chế tạo nh−ng mất nhiều thời gian để làm khuôn, chỉ thích hợp với công nghệ đúc gang hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao và có số l−ợng không nhiều.
Khuôn kim loại đ−ợc sử dụng nhiều. Vật liệu làm khuôn th−ờng là gang chịu nhiệt, chốt bằng thép chịu nóng. Sau khi đúc, để cho khuôn nguội đi ít nhiều rồi lại đúc tiếp, do đó khuôn kim loại đ−ợc dùng nhiều lần.
Mặt ngoài vật đúc bằng khuôn kim loại sạch, không bám cát, do đó giảm bớt đ−ợc khâu làm sạch vật đúc. Hơn nữa, tổ chức hạt của vật đúc nhỏ mịn do kim loại đ−ợc làm nguội nhanh, vì vậy vật đúc trong khuôn kim loại có độ bền chắc cao hơn và l−ợng phế phẩm ít hơn so với đúc trong khuôn cát.
Chế tạo khuôn kim loại tốn kém hơn so với khuôn cát, tuy nhiên đối với sản xuất hàng loạt thì chi phí sẽ rẻ hơn khuôn cát, mặt khác đúc trong khuôn kim loại có năng suất cao hơn.
b) Nhiệt độ và tốc độ rót
Nhiệt độ rót ảnh h−ởng lớn đến độ lớn của rỗ co. Nếu rót ở nhiệt độ cao thì sẽ bị co nhiều trong khuôn đúc, rót ở nhiệt độ thấp thì rất dễ xảy ra hiện t−ợng không điền đầy khuôn đúc.
ảnh h−ởng của tốc độ rót đến độ lớn rỗ co cũng t−ơng tự nh− ảnh h−ởng của nhiệt độ rót. Rót nhanh nhiệt độ kim loại lỏng khi đi vào khuôn cao và ng−ợc lại, khi rót chậm kim loại đã nguội đi phần nào trong khi rót. Đến khi rót xong, những vật đúc đ−ợc rót với tốc độ nhanh thì kim loại còn khá nóng, còn vật đúc rót với tốc độ chậm sẽ nguội hơn. Kim loại rót vào khuôn càng nóng thì độ co trong khuôn
40
càng lớn. Do đó rỗ co của vật đúc rót với tốc độ nhanh sẽ lớn hơn của vật đúc rót với tốc độ chậm.
c) Các ph−ơng pháp nâng cao chất l−ợng protector
Việc nâng cao chất l−ợng protector kẽm liên quan trực tiếp đến các quá trình công nghệ nấu đúc và công nghệ xử lý nhiệt sau khi đúc.
* Nâng cao chất l−ợng protector trong khi nấu đúc
Trong sản xuất công nghiệp chế tạo protector nền kẽm rất khó thu đ−ợc những sản phẩm đúc có thành phần và cấu tạo đồng đều. Chất l−ợng protector phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu tạo của kim loại đúc, nó thay đổi trong quá trình nấu đúc do những yếu tố luyện kim.
- Thành phần nguyên tố hợp kim: sai lệch với tiêu chuẩn và tạp chất quá giới hạn trong nguyên tố hợp kim làm ảnh h−ởng đến tính chất của kim loại đúc protector. Để chế tạo protector có tính chất điện hóa tốt, cần phải sử dụng phối liệu nấu có độ sạch rất cao. Để nâng cao chất l−ợng protector khi nấu luyện và giảm giá thành sản phẩm, có thể đ−a vào các nguyên tố hợp kim hóa có tác dụng loại bỏ tạp chất.
- Thay đổi yếu tố công nghệ nấu đúc: có ảnh h−ởng lớn đến chất l−ợng protector. Sử dụng hồi liệu và các kim loại nấu lại khác nhau sẽ dẫn đến sự thay đổi tính chất điện hóa của hợp kim.
- Thay đổi chế độ nguội khi đúc: ảnh h−ởng lớn đến chất l−ợng protector. Ví dụ đúc trong khuôn cát để nguội chậm, đúc khuôn kim loại sau đó ủ trong cát, đúc khuôn kim loại để nguội ngoài không khí, đúc khuôn kim loại sau đó đ−ợc nguội nhanh trong n−ớc để tăng tốc độ nguội.
* Xử lý nhiệt nâng cao chất l−ợng protector sau khi đúc
Đối với protector nền kẽm sau khi nấu đúc, ng−ời ta th−ờng áp dụng hai dạng nhiệt luyện sau: ủ và tôi.
ủ là ph−ơng pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng kim loại hay hợp kim đúc đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt và làm nguội chậm. Sau khi ủ, kim loại sẽ có tổ chức và thành phần hóa học đồng đều hơn. Với mục đích làm đồng đều thành phần hóa học trong vật đúc, cần tiến hành ủ đồng đều hóa hay gọi là ủ khuếch tán để giảm sự thiên tích nhánh cây sinh ra trong quá trình vật đúc kết tinh [11, 16, 30].
41
Nhiệt độ ủ đối với hợp kim kẽm trong khoảng 320 ữ 370oC. Tùy thuộc vào thành phần hợp kim, dạng vật đúc và nhiệt độ ủ mà thời gian giữ nhiệt có thể kéo dài từ 6 ữ 8 giờ. Sau khi ủ khuếch tán vật đúc đ−ợc làm nguội chậm trong lò.
ủ hóa mềm hay ủ kết tinh lại nhằm mục đích hồi phục tính dẻo của hợp kim kẽm sau khi gia công biến dạng nguội. Quá trình đ−ợc tiến hành ở gần 200oC, thời gian ủ khoảng 2 ữ 3 giờ.
Ph−ơng pháp tôi cũng th−ờng đ−ợc áp dụng với hợp kim kẽm. Tôi là công nghệ nung nóng hợp kim đến trên nhiệt độ có trạng thái pha nhất định, giữ nhiệt và làm nguội nhanh (Vng>Vth) để quá trình khuếch tán không kịp xảy ra, cho phép thu đ−ợc tổ chức không cân bằng, có các tính chất đặc biệt nhất định. Thời gian giữ nhiệt trong khi tôi đ−ợc chọn sao cho quá trình hòa tan tạo thành dung dịch rắn quá bão hòa. Để quá trình hòa tan hoàn toàn tạo thành dung dịch rắn quá bão hòa để tạo thành dung dịch rắn 1 pha, nâng cao độ dẻo cho hợp kim kẽm bằng cách nung đến 360oC, giữ nhiệt 2 ữ 5 giờ, sau đó làm nguội nhanh trong môi tr−ờng n−ớc.
Sau khi nghiên cứu ảnh h−ởng của nhiệt luyện đến tính chất của protector nền kẽm hệ Zn - Al có thể kết luận rằng: Sự nhiệt luyện có thể cải thiện tính chất điện hóa của protector chỉ trong tr−ờng hợp nó có tác dụng hòa tan hoàn toàn l−ợng nhôm vào dung dịch rắn một pha α. Khi đó, thành phần nhôm trong hợp kim chỉ chiếm d−ới 1,02%. Khi hợp kim có hàm l−ợng nhôm >1,02%, nghĩa là quá giới hạn hòa tan, thì các ph−ơng pháp nhiệt luyện không thể tác động đến tính chất điện hóa của protector đ−ợc nữa.
42
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHáP NGHIÊN cứu 2.1. Ph−ơng pháp chế tạo hợp kim
Chế tạo trực tiếp từ kẽm nguyên chất. Đây là ph−ơng pháp phổ thông nhất. Ưu điểm của ph−ơng pháp là năng suất cao, có thể chế tạo hợp kim có thành phần định tr−ớc với l−ợng tạp chất thấp nhất và có thể áp dụng với các loại lò có kết cấu và dạng khác nhau. Liệu dùng trong ph−ơng pháp gồm kẽm điện phân thỏi sạch nấu lần đầu và các thành phần hợp kim khác,… Khi đ−a liệu vào lò cần phải tuân theo trình tự nhất định. Ban đầu chất phần lớn kẽm thỏi vào lò, nấu chảy sau đó đ−a những thành phần hợp kim dạng sạch, rồi đ−a nốt phần kẽm thỏi còn lại vào để nấu chảy.
2.2. Chuẩn bị nguyên liệu
- Kẽm : dùng kẽm sạch 99.995% (hình 2.1). Bảng 2.1. Thành phần và các tạp chất trong kẽm Ký hiệu Thành phần hóa học, % Tạp chất (max), % Zn (min) Al Cu Cd Fe Sn Pb Zn sạch 99,995% 99,9945 0,0001 0,0010 0,0021 0,0015 0,0004 0,0004 - Nhôm có độ sạch cao A8 Bảng 2.2. Thành phần và các tạp chất trong nhôm Ký hiệu Thành phần hóa học, % Tạp chất (max), % Al (min) Fe Si Cu Zn Ti Tổng cộng A8 99,8 0,12 0,10 0,01 0,04 0,02 0,20 Hình 2.1. Phôi kẽm sạch 99,995% (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
43
- Cacdimi(Cd) và đồng sạch (M1).
2.3. Bảng phối liệu để chế tạo protector
Để chế tạo ra các mác hợp kim kẽm khác nhau thì phải phối liệu thành phần Al, Cd, Cu khác nhau với cùng chế độ nấu đúc. Sử dụng cân phân tích kỹ thuật HANGPING JA1203, cân đ−ợc tối đa 2000g với độ chính xác ±0,0001g.
Bảng 2.3.Bảng phối liệu chế tạo protector
Mẻ nấu Zn Al Cd Cu M0 1000g 0 0 0 M1 1000g 1,40g 0,19g 0,15g M2 1000g 2,40g 0,19g 0,15g M3 1000g 2,40g 0,19g 0,25g M4 1000g 2,40g 0,10g 0,15g M5 1000g 3,60g 0,19g 0,15g M6 1000g 2,40g 0,35g 0,15g
Nấu mẻ M1, M2, M5 (bảng 2.3) với thành phần phối liệu Zn, Cd, Cu giống nhau, nh−ng thành phần Al khác nhau để khảo sát ảnh h−ởng của nguyên tố Al đến chất l−ợng của anốt.
Để khảo sát ảnh h−ởng của nguyên tố Cd đến chất l−ợng của protector, tiến hành nấu mẻ M2, M4, M6 với thành phần phối liệu Zn, Al, Cu giống nhau, nh−ng thay đổi thành phần của nguyên tố Cd.
Để khảo sát ảnh h−ởng của nguyên tố Cu đến chất l−ợng của protector, tiến hành nấu mẻ M2, M3 với thành phần phối liệu Zn, Al, Cd giống nhau, nh−ng thay đổi thành phần của nguyên tố Cu.
2.4. Thiết bị sử dụng nghiên cứu
Hình 2.2. Lò điện trở và nồi lò
44
- Lò điện trở: Nhiệt độ lớn nhất lò có thể đạt đ−ợc 1100oC (hình 2.2). - Nồi lò là vật liệu ceramic có thể nấu 2 kg vật liệu/mẻ.
- Khuôn đúc bằng thép.
- Dụng cụ khuấy trộn làm bằng vật liệu ceramic.
- Xác định tổ chức tế vi của protector bằng thiết bị kính hiển vi quang học
AXIOVERT đặt tại phòng thí nghiệm bộ môn nhiệt luyện ĐHBKHN và kính hiển vi
quang học Leica DM2500 M đặt tại phòng thí nghiệm Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (hình 2.3).
- Thiết bị phổ phát xạ METALAB 75/80J MUU - ITALY tại Viện Mỏ năng l−ợng dùng để xác định thành phần hóa học của vật liệu ban đầu và protector.
- Thiết bị Autolab PG302 tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (hình 2.4) dùng để nghiên cứu các tính chất điện hóa của mẫu kẽm sạch và protector.
Hình 2.3. Kính hiển vi quang học Hình 2.4. Thiết bị Autolab PG302
45
- Thiết bị phân tích nhiệt vi sai NETZSCH STA 409 PC/4/H Luxxđ của Cộng hòa liên bang Đức tại Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự dùng để xác định khoảng nhiệt độ bắt đầu nóng chảy và cháy hao (hình 2.5).
2.5. Ph−ơng pháp nấu luyện protector
Tr−ớc khi nấu luyện, vật liệu và các dụng cụ (nồi lò, que khuấy,…) phải làm sạch, sấy nóng lên đến 150oC-160oC.
Hợp kim kẽm làm anốt hy sinh có nhiệt độ bắt đầu nóng chảy khoảng 400 ữ 420oC, nhiệt độ bị cháy hao mạnh là khoảng ≥ 420oC. Do vậy, phải tiến hành thao tác nhanh khi nâng nhiệt độ ≥ 420oC.
Quy trình nấu: chất 2/3 l−ợng kẽm vào lò và tăng nhiệt độ lên 460oC ữ 480oC, chờ cho kẽm tan hết rồi đ−a lần l−ợt theo thứ tự: Cu(M1), nhôm A8, Cd, chất trợ dung vào, nhấn chìm xuống ngập trong kẽm lỏng, nâng nhiệt độ lò sao cho nhiệt độ kim loại lỏng khoảng 650oC ữ 700oC và khuấy đều chờ các nguyên tố hợp kim tan hết. Cho 1/3 l−ợng kẽm còn lại đã đ−ợc sấy 150oC - 160oC vào lò và khuấy đều cho đến khi kẽm tan hết (nhiệt độ kim loại lỏng khoảng 460oC ữ 480oC). Sau khi hợp kim đã nấu chảy xong ta vớt hết lớp xỉ nổi trên bề mặt rồi ta tiến hành rót vào khuôn.
2.6. Ph−ơng pháp đúc protector
Bề mặt trong của khuôn đ−ợc làm sạch, sơn khuôn hoặc quét lớp dầu vào thành trong của khuôn và nung nóng khuôn đến nhiệt độ 150 ữ 160oC. Khuôn đ−ợc đặt trên mặt phẳng nằm ngang. Sau khi rót kim loại lỏng vào khuôn chờ cho vật đúc đông đặc. Tr−ờng hợp nguội chậm là để kim loại nguội cùng khuôn đến nhiệt độ th−ờng rồi mới lấy ra khỏi khuôn hoặc đúc bằng khuôn cát. Tr−ờng hợp nguội nhanh là sau khi vật đúc bắt đầu đông đặc trong khuôn, tiến hành phun n−ớc vào khuôn. Khuôn đúc có thể chọn khuôn sao cho đúc đ−ợc mẫu hình tròn hoặc hình chữ nhật. Tốt nhất là chọn khuôn, đúc đ−ợc mẫu hình trụ có đ−ờng kính d = 10 mm, để dễ cho việc xác định các thông số điện hóa hơn.
Nhiệt độ rót: Sau khi nấu chảy xong, giữ nhiệt độ kim loại lỏng khoảng từ 460 ữ 480oC rồi rót vào khuôn. Tại nhiệt độ rót này, kim loại lỏng sẽ điền đầy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
46
khuôn, hạn chế rỗ co và đồng đều thành phần. Quá nhiệt độ này, hợp kim lỏng dễ bị oxi hóa, có khí hòa tan, cháy hao tăng lên, ảnh h−ởng đến thành phần và tính chất của hợp kim.
Tốc độ rót: ảnh h−ởng của tốc độ rót cũng giống nh− ảnh h−ởng của nhiệt độ rót. Rỗ co của vật đúc trong tr−ờng hợp rót với tốc độ nhanh sẽ lớn hơn vật đúc trong tr−ờng hợp rót với tốc độ chậm.
Tốc độ nguội: Tốc độ nguội ảnh h−ởng đến độ hạt của vật đúc, ảnh h−ởng đến tổ chức của vật đúc. Do đúc bằng khuôn kim loại, mẫu đúc có kích th−ớc nhỏ nên tốc độ nguội lớn, bởi vậy cấu trúc vật đúc đồng đều thành phần và kích th−ớc hạt nhỏ mịn. Nếu đúc bằng khuôn cát, tốc độ nguội chậm hơn khi đúc bằng khuôn kim loại nên tổ chức vật đúc sau khi nguội rất dễ có hiện t−ợng thiên tích thành phần và hình thành nhánh cây trong vật đúc.
47 các b − ớ c công nghệ nấu
Cho các nguyên tố hợp kim hóa Al, Cd, Cu, nâng nhiệt độ lò lên 650oC ữ 700oC khuấy đều khoảng 15 phút chờ tan hết
Nạp tiếp 1/3 kẽm còn lại vào lò và chờ cho kẽm tan hết. Nhiệt độ lò giữ khoảng 460oC ữ 480oC trong 10 phút
Cho phụ gia ZnCl2hoặc NH4Cl vào khuấy đều giữ ở nhiệt độ 460oC ữ 480oC trong 10 phút
Cân ZnCl2
hoặc NH4Cl bằng 0,2%, sấy đến 500C Đặt nồi nấu, nâng nhiệt
độ lò lên 150o ữ 160oC
Làm vệ sinh nồi nấu
Nạp 2/3 liệu vào nồi, nâng nhiệt độ lò lên 460oC ữ 480oC cho kẽm tan hết Sấy 1/3 l−ợng kẽm còn lại đến 150o ữ 160oC Sấy các nguyên tố hợp kim hóa Al, Cd, Cu đến 150o ữ160oC
Vớt hết lớp xỉ bề mặt gạt xỉ, gáo múc tới Sơn, sấy dụng cụ 150o ữ 160oC Sơn khuôn hoặc quét
dầu, sấy khuôn đến
150o ữ 160oC
Rót vào khuôn kim loại hoặc khuôn cát
Làm sạch sản phẩm và sửa chữa khuyết tật, sau đó đem đi nhiệt luyện.
Các b − ớc c n đúc
Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ nấu đúc hợp kim kẽm làm protector
48
2.7. Ph−ơng pháp nâng cao chất l−ợng của protector nền kẽm sau khi đúc
Trong khi đúc do quá trình thiên tích xảy ra dẫn đến thành phần của vật đúc không hoàn toàn đồng đều dẫn đến độ phân cực lớn. Do đó, để nâng cao chất l−ợng của protector, tiến hành nhiệt luyện nhằm đồng đều hóa thành phần, tăng đặc tính cơ học và giảm độ phân cực của protector. Nhiệt luyện là biện pháp công nghệ xử lý bằng nhiệt bao gồm các quá trình nung nóng, giữ nhiệt, làm nguội theo những chế độ nhất định nhằm làm thay đổi tổ chức, do đó làm thay đổi tính chất của kim loại và hợp kim theo ý muốn. Đặc biệt là các mẫu đúc protector bằng khuôn cát do chế độ nguội là chậm nên mẫu sau khi đúc th−ờng có tổ chức nhánh cây (nhất là mẫu đúc có nhiều thành phần nguyên tố hợp kim). Trong luận văn này, ph−ơng pháp xử lý nhiệt đ−ợc dùng là tôi. Do mẫu đúc nghiên cứu nhỏ nên nhiệt độ tôi đ−ợc khảo sát trong khoảng từ 340oC đến 380oC, giữ nhiệt trong 2h, sau đó đ−ợc làm nguội bằng n−ớc.
2.8. Khảo sát chất l−ợng protector
2.8.1. Xác định thành phần protector
Để đánh giá một cách chính xác thành phần của protector, cần phải kiểm tra thành phần tại các vị trí khác nhau của mẫu đúc. Các mẫu đ−ợc cắt thành các phần nhỏ và đem đi xác định thành phần bằng ph−ơng pháp phổ phát xạ trên máy METALAB 75/80J MUU – ITALY tại Viện Mỏ năng l−ợng.
3.8.2. Xác định tổ chức và pha của protector
Ph−ơng pháp kim t−ơng đ−ợc dùng xác định tổ chức và pha của protector. Tr−ớc khi soi kim t−ơng mẫu đ−ợc chuẩn bị nh− sau:
- Cắt mẫu: Để đánh giá một cách chính xác chất l−ợng của protector về thành phần
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});