CHƢƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM
2.5. Vật liệu chịu lửa và chất phụ
2.5.1. Thạch anh
Trong khuôn đúc, độ dẫn nhiệt của thạch anh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ ẩm, độ xít chặt, khối lượng riêng, cấu tạo hạt cát, hàm lượng chất dính, chất phụ... Khi nung nóng và làm nguội thạch anh có chuyển biến thù hình theo hình 2.21 [3] và cấu trúc ô mạng của các dạng thù hình được trình bày ở hình 2.22 [1, 3]. Kèm theo với quá trình chuyển biến thù hình là quá trình biến đổi thể tích. Nhiệt độ chuyển biến thù hình và giá trị biến đổi thể tích được đưa ra ở bảng 2.5 [3].
Hiện tượng biến đổi thù hình là khả năng biến đổi của cùng một chất. Vật chất có cùng công thức hóa học nhưng có nhiều dạng cấu trúc mạng tinh thể khác nhau ta gọi là vật chất đó có nhiều dạng thù hình. Một chất có thể có ít nhất hai dạng thù hình như α-CaO.SiO2 và β- CaO.SiO2 nhưng cũng có chất có nhiều dạng thù hình như: α-SiO2, β-SiO2 (quắc), α-triđimit,
β-triđinit, γ-triđimit, α-cistobalit, β-cistobalit, SiO2 có thể có 7 dạng thù hình: 2 dạng quắc, 3 dạng triđimit, 2 dạng cistobalit và một pha SiO2 nóng chảy [1]. Khi nghiên cứu tính chất các dạng thù hình của vật chất, rõ ràng một chất chuyển từ trạng thái này sang trạng thái kia kèm theo thay đổi tính chất hóa lý cơ bản của nó.
Hình 2.21: Sơ đồ chuyển biến thù hình của cát thạch anh [3]
Bảng 2.5: Nhiệt độ chuyển biến thù hình và độ thay đổi thể tích của cát thạch anh [3]
(%)
Hình 2.22: Cấu trúc ô mạng của thạch anh ở các dạng thù hình: α-thạch anh (a), α- cristobalite (b), α-tridimit (c) và thạch anh được biến tính (d) [1, 3]
Hình 2.23: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự giãn nở nhiệt của thạch anh [77].
Thạch anh là một loại vật liệu không phản ứng với kim loại đúc và đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu đối với một vật liệu dùng làm khuôn hoặc ruột trong ngành đúc như: khả năng ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao và khả năng chống sốc nhiệt. Ngoài những ưu điểm nổi bật kể trên thì thạch anh có nhược điểm là sự chuyển biến thù hình thành cristobalite kéo theo sự thay đổi thể tích lớn (hình 2.23), sự thay đổi thể tích này là nguyên nhân chính tạo ra sự nứt khuôn trong quá trình nung khuôn khối một lớp.
2.5.2. Ziếc côn
Ziếc côn được quan tâm như là một vật liệu gốm và vật liệu chịu lửa ngày càng cao do có những tính chất nhiệt lý tuyệt vời như: hệ số giãn nở nhiệt thấp (hình 2.24 [10]), hệ số dẫn nhiệt thấp cũng như khả năng chịu ăn mòn tốt để chống chịu lại sự tác động của xỉ và kim loại lỏng trong quá trình ứng dụng làm khuôn đúc [41, 78, 91]. Theo đó, ziếc côn có một khoảng ứng dụng khá rộng như là vật liệu xây dựng, ứng dụng trong ngành sản xuất gang thép, trong ngành công nghệ năng lượng và đặc biệt ứng dụng làm khuôn, ruột trong công nghệ đúc chính xác hoặc dùng làm sơn khuôn đúc thép.
Mặc dù thực tế là tất cả ứng dụng ở nhiệt độ cao phụ thuộc rất nhiều vào sự ổn định nhiệt của ziếc côn. Các tài liệu đã công bố trước đây cho thấy ziếc côn phân ly bằng phản ứng trạng thái rắn ở nhiệt độ trong khoảng 1285 – 1700oC như được chỉ ra ở giản đồ pha của ziếc côn (hình 2.25) [10, 16, 96]. Hơn nữa, trong ngành công nghiệp đúc chính xác thì các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao như các hợp kim của Ni và Ti có yêu cầu rất cao về nhiệt độ đối với các vật liệu dùng làm khuôn đúc, thông thường là vượt quá 1600oC, khoảng nhiệt độ này là khá phù hợp với ziếc côn.
Hình 2.24: Sự giãn nở nhiệt của một số vật liệu chịu lửa dùng trong khuôn gốm [11]
Như vậy, với những nhận định ở trên ta có thể thấy vấn đề thiêu kết đối với vật liệu làm khuôn khối trên cơ sở hỗn hợp của thạch anh và ziếc côn chính là sự chuyển biến thù hình của thạch anh. Sự chuyển biến thù hình của thạch anh ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng khuôn khối đúc, chuyển biến thù hình ở thạch anh kéo theo sự thay đổi thể tích của nó. Khi sự giãn nở này vượt quá giới hạn cho phép thì nó sẽ gây ra nứt khuôn và làm giảm độ bền của khuôn khối. Do vậy, những nghiên cứu về tác động nhiệt như quá trình nung khuôn, rót kim loại lỏng… ảnh hưởng tới chất lượng khuôn sẽ tập trung chủ yếu vào thạch anh. Sự có mặt của ziếc côn sẽ làm giảm ảnh hưởng do sự giãn nở nhiệt của thạch anh gây ra, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của ziếc côn như thế nào tới thạch anh sẽ được làm rõ hơn ở phần nghiên cứu thực nghiệm.
Hình 2.25: Giản đồ pha ZrO2 – SiO2 theo Butterman và Foster [16]
2.5.3. Chất phụ
Chất phụ được bổ sung vào hỗn hợp làm khuôn nói chung và hỗn hợp khuôn gốm nói riêng nhằm cải thiện một số tính chất của hỗn hợp để đạt được tính chất khuôn mong muốn như: cải thiện khả năng phân tán của chất dính lên trên bề mặt hạt chịu lửa, cải thiện khả năng dầm chặt của hỗn hợp khuôn, tăng độ bền khuôn, tăng độ thông khí, cải thiện khả năng phá dỡ của hỗn hợp....Các chất phụ được dùng phổ biến như: ôxit sắt, đường tinh luyện, nước mật mía, tinh bột, bột than, mùn cưa, đất sét... Trong công nghệ khuôn gốm, chất phụ được dùng phổ biến trên thế giới nhằm mục đích cải thiện độ bền, tăng độ thông khí cho khuôn như: PVA, sợi nylon, polyme tổng hợp [17, 28, 33]. Các chất phụ này có giá thành cao và do đó sẽ nâng cao giá thành khuôn. Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, các sản phẩm từ mía đường (đường tinh luyện và mật mía) là khá phổ biến và có giá thành rẻ, chất phụ này có tính dẻo cao (có cấu trúc mạch thẳng) có thể bổ trợ cho tính cứng và ròn của chất dính thủy tinh lỏng (đặc biệt là thủy tinh lỏng mô đun cao) nên có thể cải thiện độ bền cho hỗn hợp khuôn khối. Đặc biệt, các sản phẩm từ mía đường có khả năng hòa tan rất tốt trong môi trường nước nên chúng có khả năng hòa tan vào thủy tinh lỏng. Hơn nữa, đây là chất phụ hữu cơ nên chúng dễ dàng bị phân hủy sau khi nung khuôn mà không để lại những “tạp chất” gây hại cho khuôn khối. Do vậy, luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một chất dính phụ nhằm cải thiện độ bền cho khuôn khối một lớp.