3.3. Công nghệ nấu luyện.
Trong thành phần hợp kim có các nguyên tố dễ cháy hao là Mg và Zn. Hàm lượng nguyên tố Mg rất nhỏ nên nếu nấu hợp kim SAM 15 đi từ kim loại ngun chất sẽ rất khó tính tốn đảm bảo được thành phần. Do đó để đảm bảo thành phần mác hợp kim cần nấu luyện tạo hợp kim trung gian Al5Mg.
Các mục đích chính việc nấu luyện hợp kim trung gian Al5Mg như sau:
a. Đểđảm bảo chính xác thành phần hóa học:
Mỗi hợp kim theo một tiêu chuẩn nào đó đều chỉ cho phép độ chênh lệch thành phần hóa học dao động trong khoảng rất hẹp, khi đưa nguyên tố hợp kim hóa ở dạng nguyên chất vào hợp kim thì khó khống chế được khoảng dao động đó, do có sự cháy hao của các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy thấp hoặc các nguyên tố dễ bị ơxy hóa. Ngồi ra, hợp kim SAM 15 có hàm lượng nguyên tố Mg nhỏ thì đưa vào dạng nguyên chất hợp kim sẽ khó đồng đều về thành phần của các nguyên tố đó. Khi sử dụng hợp kim trung gian giàu hàm lượng của các nguyên tố hợp kim hóa thì sự cháy hao sẽ nhỏ, dễ đạt được thành phần hóa học chính xác đồng đều hơn [41].
b. Để giảm lượng cháy hao các nguyên tố hợp kim hóa:
Trong thành phần hợp kim SAM 15 có các nguyên tố cháy hao rất mạnh là Mg và Zn. Nếu đưa dưới dạng hợp kim trung gian thì sẽ giảm được lượng cháy hao này.
c . Để giảm độ chênh lệch nhiệt độ nóng chảy của nguyên tố hợp kim: Kẽm có nhiệt độ nóng chảy là 419,530 C khá chênh lệch so với nhiệt độ nóng chảy của Al là 6600 C và Mg là 6500 C. Việc đưa hợp kim trung gian sẽ thuận lợi hơn vì nhiệt độ hợp kim trung gian giảm nhiều so với dạng nguyên chất.
d . Để làm giảm sự chênh lệch về tỷ trọng:
Sự chênh lệch về tỷ trọng các nguyên tố Al, Mg, Zn cũng làm khó khăn về sự đồng đều thành phần hóa học khi pha chế hợp kim. Hợp kim trung gian Al5Mg sẽ giúp giảm sự chênh lệch này.
Các bước tiến hành nấu luyện hợp kim như sau:
- Sử dụng nồi nấu graphit (nồi được tạo thành từ than điện cực), nồi được nung đỏ, sau đó cho nhơm vào và tăng cơng suất lị lên để nhơm chảy hịa tan và quá nhiệt nhôm đến nhiệt độ yêu cầu.
- Cho Mg vào nhôm lỏng (Mg đã được sấy khô sơ bộ tránh ẩm ướt ), mỗi lần cho Mg vào nhơm lỏng chiếm khoảng 30% khối lượng tồn bộ Mg cho vào. Mỗi lần cho vào cần khuấy kĩ (khoảng 5 phút) sau đó mới cho tiếp để đồng đều thành phần hợp kim. Que khuấy dùng là thanh titan hoặc thanh graphit.
- Sau khi cho hết Mg vào, giữ nhiệt độ một thời gian, khuấy thật kĩ lần cuối, sau đó vớt xỉ ra và rót vào khn. Khn cần nung nóng trước đến 1500 C ÷ 2000 C để tránh hiện tượng nổ khi gặp hơi ẩm và để bề mặt thỏi đúc được nhẵn đẹp. Để hạn chế cháy hao khi nhơm bắt đầu chảy, cho trợ dung che phủ có thành phần (50% NaCl + 35% KCl + 15 % Na3AlF6 ) với khối lượng 2,5 % khối lượng mẻ nấu [42].
Với qui trình nấu luyện như trên tiến hành nấu như sau. Nhiệt độ chảy của Mg là 6500 C do đó nhơm được nấu chảy đến 6800 C ÷ 7000 C dưới lớp trợ dung che phủ có thành phần: 60 % canalit + 40% CaCl2, với khối lượng trợ dung 2 % ÷ 3% trên một mẻ liệu, cho dần Mg khuấy đều và rót ra khn. Hàm
Mặt khác Mg dễ cháy khi nấu luyện ở dạng kim loại sạch. Vì vậy để cho Mg vào nhơm lỏng thì cần cho Mg vào chụp graphit hoặc cuộn vào lá nhơm và dìm sâu dưới nhơm lỏng. Điều kiện nấu:
- Khối lượng mẻ nấu: 500 g .
- Nhiệt độ nấu luyện: 7000 C÷ 7500 C. - Thời gian nấu luyện: 30 phút.
Kết quả đạt được:
- Thành phần hợp kim: 93,8 % Al và 5,1 % Mg còn lại là tạp chất. - Hiệu suất thu hồi kim loại là 97%.
Hình 3.1. Rót hợp kim trung gian Al5Mg ra khuôn.
Như vậy để nấu luyện hợp kim SAM 15 cần chế tạo hợp kim Al5Mg. Để có được hợp kim chất lượng tốt đảm bảo thành phần các nguyên tố mác hợp kim
cần phải tìm ra các thơng số công nghệ nấu luyện phù hợp cho hiệu quả kinh tế cao nhất.
Các thông số công nghệ nấu luyện cần khảo sát là nhiệt độ nấu luyện, thời gian nấu luyện, tỉ lệ chất tinh luyện và khử khí.
3.4 Cơng nghệ chế tạo bạc lót từ hợp kim SAM 15.
Từ bản vẽ chi tiết bán tinh bạc lót mà cơng ty cơ khí luyện kim SADAKIM đã gửi nhóm nghiên cứu đã thiết kế khn đúc kim loại bằng vật liệu phổ biến hiện nay là gang xám [43].
Hình 3.2. Bản vẽ bạc lót trục cán của máy cán 300.
Khi thiết kế khuôn cần quan tâm đến chiều dày thành khuôn. Đây là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội khn. Ngồi ra, khi thiết kế khuôn phải chú ý đểdư các kích thước nhằm mục đích gia cơng cơ khí khn sau khi đúc. Khn được thiết kếdưới dạng hai nửa khuôn và được ghép chặt lại
chốt so le nhau và hai lỗ vào chốt cũng so le nhau). Mục đích của chốt là để định vị khuôn và kết nối hai nửa khuôn. Khuôn được thiết kếnhư sau:
Hình 3.3. Bản vẽkhn gang đúc bạc lót máy cán 300.
Sau khi đúc xong khn ta cịn phải đem đi gia cơng làm bóng sạch lịng khn trước khi đem ra sử dụng để có thể cho chất lượng vật đúc tốt.
Chế tạo ruột khuôn:
Đề tài chọn phương pháp rót hợp kim lỏng từ trong ruột khuôn ra. Ruột khuôn được chế tạo từ hỗn hợp của cát, nước thủy tinh và sử dụng khí CO2 để đóng bánh [44]. Với các thơng số sản phẩm và khuông đúc, ruột khuôn được thiết kế như sau:
Hình 3.4. Ruột khn.
Ruột khuôn được thiết kế như hình trên gồm có một lỗ rót và một lỗ lọc xỉ. Hợp kim lỏng đi vào từ lỗ rót qua lỗ lọc xỉ từ đó xỉ được giữ lại và phần kim loại lỏng sạch đi tiếp vào lịng khn đúc.
Trước khi đúc ruột khn phải được qt chất chống dính và đưa vào lị sấy khô để tăng độ bền của ruột khuôn, chống hiện tượng ruột khuôn bị ẩm ướt gây hiện tượng cháy nổ. Ruột khuôn không khô sẽ gây hiện tượng xuất hiện bọt khí trong khi đúc ảnh hưởng chất lượng vật đúc [45].
Để có được sản phẩm đúc chất lượng đạt hiệu quả kinh tế cao cần phải khảo sát xác định các thông số công nghệ đúc phù hợp.
3.5 Công tác phân tích.
- Phân tích thành phần hố học các hợp kim HKTG Al5Mg và hợp kim kẽm nhôm SAM 15.
- Thử cơ lý tính một số mẫu vật đúc theo hình dạng chi tiết sản phẩm bạc lót theo mẫu của cơng ty cổ phần cơ khí Luyện kim – SADAKIM tại trung tâm phân tích cuả Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim và cơ quan ngoài.
3.6. Sơ đồ công nghệ dự kiến.
Zn Al Mg
Hình 3.5. Sơ đồ công nghệ dự kiến
Nấu hợp kim trung gian
Nấu tạo mác hợp kim SAM 15
Đúc phôi
Gia cơng cơ khí
Nhiệt luyện
Sản phẩm cuối cùng Lắp khuôn
Chương 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện tới thành phần của hợp kim được tiến hành với các điều kiện:
- Nhiệt độ nấu được thay đổi từ 480°C÷640°C.
- Nguyên liệu cho chế tạo hợp kim được sấy khô trước khi tiến hành nấu luyện trong lò trung tần. Đầu tiên, kẽm được nấu chảy trong nồi Tỉ lệ phối liệu (được tính trên cơ sở hợp kim lý thuyết Zn15Al0.5Mg)
o Zn 8,5 Kg o Al 1,4 Kg o HKTG Al5Mg 0,1 Kg - Thời gian giữ nhiệt: 15 phút. - Chất tinh luyện khử khí VZ-DPL - Chất tách xỉ kẽm VZ-DPH
Nguyên liệu cho chế tạo hợp kim được sấy khô trước khi tiến hành nấu luyện trong lò trung tần. Đầu tiên, kẽm được nấu chảy trong nồi graphit, nhôm được đưa vào ở 460°C và hợp kim trung gian Al5Mg được đưa vào ở 480°C, quá trình hợp kim hóa có kết hợp với khuấy để góp phần đồng đều thành phần hợp kim.
Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện tới thành phần hợp kim được thể hiện trong bảng 4.1 và hình 4.1.
Nhiệt độ nấu luyện là một trong những yếu tố có ảnh hưởng rất lớn tới thành phần của hợp kim thu được, đặc biệt là đối với những hợp kim có chứa các kim loại có độ cháy hao lớn trong quá trình nấu luyện. Nhiệt độ nấu luyên
độ cao cũng thúc đẩy q trình oxi hóa (cháy hao) của các nguyên tố hợp kim. Đối với hợp kim có chứa Mg, sự cháy hao trở nên đặc biệt quan trọng do Mg bị cháy hao rất mạnh trong quá trình nấu luyện [46]. Như được trình bày trong bảng 4.1 và hình 4.1, khi nấu luyện ở 640°C, hợp kim thu được có hàm lượng Mg là 0.039% hay lượng Mg thực thu trong quá trình nấu chỉ là 78%.
Bảng 4.1. Bảng thực thu các nguyên tố khi thay đổi nhiệt độ. Thí nghiệm Nhiệt độ (oC) Thành phần tính tốn (%) Thành phần hợp
kim thu được (%)
Hiệu suất thực thu (%) Zn Al Mg Zn Al Mg Zn Al Mg 1 480 85 15 0,05 82,5 14,0 0,042 97,06 93,30 84,0 2 520 85 15 0,05 84,1 14,7 0,045 98,94 98,00 90,0 3 560 85 15 0,05 84,0 14,5 0,043 98,82 96,67 86,0 4 600 85 15 0,05 83,2 14,2 0,040 97,88 94,67 80,0 5 640 85 15 0,05 82,8 14,0 0,039 97,41 93,30 78,0
Hình 4.1. Biểu đồ thực thu các nguyên tốkhi thay đổi nhiệt độ nấu luyện. Có thể giảm cháy hao kim loại bằng cách hạ thấp nhiệt độ nấu luyện. Tuy nhiên, nhiệt độ nấu thấp có thể dẫn đến phân bố khơng đều của nguyên tố hợp
kim trong nền. Đồng thời cũng có khả năng gây dính nồi làm mất mát kim loại trong quá trình nấu.
Nhiệt độ nấu luyện cũng quyết định nhiệt độ rót của q trình đúc và do vậy ảnh hưởng tới quá trình đúc chi tiết. Nhiệt độ nấu luyện phù hợp phải đủ cao để đáp ứng u cầu nhiệt độ rót cho q trình đúc đồng thời không quá cao để giảm cháy hao kim loại trong quá trình nấu. Dựa trên các kết quả thực nghiệm, nhiệt độ nấu luyện phù hợp được chọn là 520°C.
4.2 Ảnh hưởng của thời gian nấu luyện.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nấu luyện tới thành phần của hợp kim được tiến hành với các điều kiện:
- Nấu luyện trong lò điện trung tần với khối lượng 10 Kg/ mẻ nấu.
- Tỉ lệ phối liệu (được tính trên cơ sở hợp kim lý thuyết Zn15Al0.5Mg)
o Zn 8,5 Kg
o Al 1,4 Kg
o HKTG Al5Mg 0,1 Kg
- Nhiệt độ nấu luyện là: 5200 C.
- Chất tinh luyện khử khí VZ-DPL.
- Chất tách xỉ kẽm VZ-DPH.
- Thời gian nấu được thay đổi từ 10 phút ÷30 phút.
Các nguyên liệu trước khi nấu sẽ được sấy khô để tránh gây ra hiện tượng cháy nổ. Thí nghiệm được tiến hành như sau: cho tồn bộ kẽm kim loại vào nồi nấu. Bật lò và nâng nhiệt độ lò lên khoảng 4600 C và chờ đến khi Zn chảy hồn tồn. Sau đó cho Al vào khuấy kĩ để các nguyên tố hòa tan vào nhau. Nâng nhiệt độ lên 4800 C và cho hợp kim trung gian Al5Mg khuấy kĩ lần nữa tránh hiện tượng Al và Mg chưa tan nổi trên bề mặt. Tiếp tục nâng nhiệt độ lên 5200 C và bắt đầu khảo sát với các khoảng thời gian khuấy là 10 phút, 15 phút, 20 phút, 25
Kết quả thí nghiệm được trình bày như bảng sau:
Bảng 4.2. Thành phần hợp kim thu được sau thí nghiệm. Thí nghiệm Thời gian nấu (Phút) Thành phần tính tốn (%) Thành phần hợp kim thu được (%) Hiệu suất thực thu (%) Zn Al Mg Zn Al Mg Zn Al Mg 1 10 85 15 0,05 83,5 14,1 0,044 98,20 94,0 88,0 2 15 85 15 0,05 84,1 14,7 0,045 98,94 98,0 90,0 3 20 85 15 0,05 83,8 14,4 0,041 98,59 96,0 82,0 4 25 85 15 0,05 83,3 14,3 0,039 98,00 95,33 78,0 5 30 85 15 0,05 82,6 14.1 0,037 97.18 94,00 74,0
Kết quả thí nghiệm cho thấy hợp kim SAM 15 nấu luyện ở nhiệt độ 5200 C với thời gian giữ nhiệt 10 phút các cho hiệu suất thực thu các nguyên tố hợp kim không cao do các nguyên tố thành phần chưa kịp hòa tan hết vào hợp kim. Với thời gian giữ nhiệt lớn hơn 15 phút các nguyên tố hợp kim bắt đầu cháy hao nhiều hơn. Đặc biệt magie hiệu suất thực thu chỉ còn 74% nếu thời gian giữ nhiệt là 30 phút.
Bảng 4.2 và hình 4.2 cũng chỉ ra thời gian giữ nhiệt 15 phút cho hiệu suất thực thu các nguyên tố hợp kim cao nhất. Thời gian nhỏhơn 15 phút sẽkhông đủđể ta khuấy đều các kim loại và hợp kim trong nồi nấu dẫn đến hiện tượng các kim loại hoặc hợp kim chưa tan hết còn lắng đọng dưới đáy nồi nên hiệu suất thu hồi chưa cao. Thời gian giữ nhiệt lớn hơn 15 phút bắt đầu xuất hiện hiện tượng cháy
hao các nguyên tố hợp kim nên hiệu suất thu hồi cũng giảm dần.
4.3 Ảnh hưởng của chất tinh luyện khử khí.
Trong quá trình nấu luyện tạo mác hợp kim ln cần chọn và sử dụng chất tinh luyện và khử khí hợp lý.
Thành phần hợp kim SAM 15 có các nguyên tố Al, Zn, Mg:
- Al: 15 %.
- Mg: 0,05 %
- Zn còn lại
Đây đều là các nguyên tố dễ cháy hao đặc biệt là Mg vì thế phải tìm được chất che phủ bề mặt để phủ bề mặt hợp kim trong quá trình nấu làm giảm cháy hao Mg. Ngoài ra để khử các tạp chất các khí có hại trong mẻ nấu cần phải dùng chất tinh luyện và khử khí ởđây đề tài chọn chất tinh luyện khử xỉ kẽm VZ-DPL và chất tách xỉ kẽm VZ-DPH.
GIỚI THIỆU CHẤT TINH LUYỆN KHỬ XỈ KẼM VZ-DPL
Chất tinh luyện khử xỉ kẽm VZ-DPL có dạng bột màu trắng. Đóng gói nhỏ trong túi nilong, miệng túi dán bằng nhiệt, trọng lượng 1kg/ túi. Đặc điểm tính năng:
- Chất tinh luyện khử xỉ kẽm VZ-DPL có tính năng khử khí và tạp chất lẫn trong kẽm hoặc hợp kim kẽm, cải thiện chất lượng bên trong của vật liệu và nâng cao cơ tính cho sản phẩm.
- Trong q trình sử dụng, chất tinh luyện khử xỉ VZ- DPL khơng sinh ra khí độc, khơng khói, khơng tổn hại thiết bị, không độc hại cơ thể người, là sản
phẩm thân thiện với môi trường.
GIỚI THIỆU CHẤT TÁCH XỈ KẼM VZ-DPH.
Chất tách xỉ kẽm VZ-DPH được đóng gói nhỏ trong túi nilong, miệng túi dán bằng nhiệt và là có dạng bột màu trắng. Đặc điểm tính năng:
- Trong quá trình sử dụng, chất tách xỉ kẽm VZ-DPH có đặc tính phát nhiệt, tốc độ tạo xỉ nhanh, vớt xỉ dễ dàng.
- Nhiệt độ khi sử dụng VZ-DPH thấp, xỉ và kẽm lỏng tách triệt để, hàm lượng kẽm lẫn trong xỉ thấp, tiêu hao kẽm khơng đáng kể, tính năng tách xỉ rất tốt.
- Chất tách xỉ kẽm VZ-DPH thích hợp sử dụng trong lĩnh vực nhúng kẽm, nấu lại kẽm phế liệu và sản xuất phôi hợp kim kẽm.
- Trong quá trình sử dụng , chất tách xỉ kẽm VZ-DPH khơng có khí độc, khơng khói. Khơng làm hỏng thiết bị, khơng độc hại với cơ thể người, là sản phẩm thân thiện với môi trường.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chất tách xỉ kẽm VZ-DPH tới thành phần của hợp kim được tiến hành với các điều kiện:
- Nấu luyện trong lò điện trung tần với khối lượng 10 Kg/ mẻ nấu.
- Tỉ lệ phối liệu (được tính trên cơ sở hợp kim lý thuyết Zn15Al0.5Mg)
o Zn 8,5 Kg o Al 1,4 Kg o HKTG Al5Mg 0,1 Kg - Nhiệt độ nấu luyện là: 5200 C.