CHệễNG 1 KIẾN THỨC TỔNG QUÁT NDT
1.2. CÁC QUÁ TRÌNH GIA CÔNG VÀ CÁC KHUYẾT TẬT LIÊN QUAN
1.2.1. Công nghệ đúc và rèn dập – các dạng bất liên tục liên quan
Đúc kim loại là rót hoặc ép kim loại nóng chảy vào trong một vật rỗng có hình dạng đặc trưng, ở đú kim loại đụng đặc lại. Vật rỗng hay là khuụn cú hỡnh dạng đặc thu ứ sao cho khi kim loại đã đông đặc và lấy ra, có thể gia công thêm hay không cần để trở thành một chi tiết được chế tạo theo như yêu cầu thiết kế đặt ra.
Các bước cơ bản trong quá trình đúc là :
(a) Chuẩn bị một mẫu đúc hay khuôn (pattern or die) để tạo dạng và kích thước hoàn thiện của một chi tiết cần đúc.
(b) Chuẩn bị khuôn đúc bằng cách dùng mẫu đúc và vật liệu làm khuôn thích hợp.
(c) Nung nóng và làm chảy kim loại.
(d) Rót kim loại nóng chảy vào trong khuôn đúc.
(e) Lấy sản phẩm ra, làm sạch và gia công thêm nếu cần thiết.
Các phương pháp đúc :
Có nhiều quá trình đúc, chúng được chia thành từng nhóm : dùng khuôn không thường xuyên, tức là khuôn chỉ được dùng một lần và loại dùng khuôn vĩnh cửu có thể dùng để tiếp tục đúc lại lần sau.
Một vài dạng dùng khuôn không thường xuyên như :
Đúc khuôn cát.
Đúc khuôn vỏ mỏng.
Đúc khuôn mẫu chảy hoặc chính xác.
Công nghệ đúc với khuôn vĩnh cửu như :
Đúc ly tâm.
Đúc trong khuôn kim loại hay đúc áp lực.
Dưới đây sơ lược các nguyên lý chính của quá trình đúc nêu trên, cần lưu ý rằng các quá trình này sẽ được điều chỉnh và thay đổi nhiều, khi thiết kế cho các vật đúc đặc biệt.
Hình 1.9 – Các bước trong kỹ thuật đúc.
Công nghệ đúc trong khuôn cát :
Khuôn đúc dùng trong công nghệ đúc bằng khuôn cát có thể dùng loại cát xanh hay cát khô. Cát Silicat thường được dùng làm vật liệu khuôn đúc do tính chịu nhiệt của nó, giá thành thấp và dễ tìm. Trong khuôn đúc, cát xanh được tạo tính dẻo nhờ vào mối liên kết với đất sét có sẵn trong cát hoặc cho thêm vào. Nước cũng được thêm vào vừa đủ để giữ cho các phần liên kết với nhau. Trong khuôn cát khô, cát được tạo tính dẻo bằng cách tương tự, nhưng khuôn đúc được sấy khô trước khi rót kim loại vào, như vậy sẽ giảm bớt được sự tạo thành hơi nước và ngăn chặn bớt các khuyết tật đúc do sự tạo khí.
Khi làm khuôn thường dùng một mẫu đúc bằng gỗ đặt bên trong khung khuôn và cát làm khuôn được nhồi vào xung quanh nó. Thông thường khuôn được làm thành hai phầ n, phần khuôn trên được gọi là “Cope” (nắp khuôn) và phần khuôn dưới được gọi là
“Drag” (đế khuôn).
Mẫu đúc được thiết kế sao cho nó có thể lấy ra khỏi khuôn mà không làm xáo trộn, hư hỏng cát, và cát kết dính để lại khoảng trống của mẫu đúc trong khuôn. Lõi khuôn được làm bằng cát trộn với dầu được thiêu kết, rồi đặt trong khuôn rỗng đã làm trước đó, để
Mẫu đúc Mẫu đúc trong khuôn cát
Vật đúc hoàn chỉnh bị dính vào hệ thống rót Khuôn rỗng với hệ thống rót
CHệễNG 1 22
tạo các lỗ hổng khác bên trong vật đúc. Các lõi này thường bị nứt vỡ do chịu tải và sự xói mòn của kim loại nóng chảy, do vậy chúng được làm khô và thiêu kết để đạt được độ bền cần thiết. Nắp khuôn (Cope) và đế khuôn (Drag) được chuẩn bị riêng rẽ. Trước khi chúng được ghép với nhau làm thành khuôn đúc, người ta tạo một hệ thống đậu dẫn, và đậu rót để đưa kim loại lỏng vào khuôn.
Trong hầu hết các trường hợp, người ta tạo ra trong khuôn một khoảng trống chứa kim loại dư (các đậu ngót). Kim loại dâng lên đi vào các chỗ chứa này và giúp quá trình điền đầy vật đúc khi nó đông đặc. Sau khi lắp ghép khuôn lại thì rót kim loại chảy lỏng vào miệng rút hay rút trực tiếp vào trong đậu rút, kim loại đi vào hệ thống đậu dẫn, va ứ cuối cùng làm đầy khoảng trống trong khuôn và các đậu ngót. Sau khi kim loại đã đông đặc và đủ nguội thì phá khuôn cát và lấy vật đúc thô ra, vật đúc được làm sạch và hoàn taát theo yeâu caàu.
Đúc trong khuôn vỏ mỏng (Shell Molding) :
Trong kỹ thuật này, vật liệu làm khuôn được làm từ một loại cát đặc biệt được trộn với một loại nhựa nhiệt rắn (Thermosetting Plastic) dạng bột. Mẫu đúc bằng kim loại dùng để đúc sản phẩm được nung nóng đến khoảng 2000C, sau đó được bao phủ bằng hỗn hợp cát và nhựa nhiệt rắn. Nhiệt lượng từ mẫu đúc làm cho nhựa nhiệt rắn chảy dẻo sau đó hoá cứng lại, tạo thành một lớp vỏ mỏng, sau đó được nung nóng thêm một thời gian ngắn ở nhiệt độ cao hơn. Lớp vỏ mỏng sau đó được lấy ra khỏi mẫu đúc. Các hình dạng do mẫu đúc để lại trong lớp vỏ mỏng tạo thành một nửa khuôn. Một quá trình tương tự như vậy để tạo một nửa khuôn còn lại. Khuôn thường được gia cường thêm bên ngoài bằng các vật liệu khác như cát xốp để tăng bền trước khi tiến hành đúc.
Khuôn vỏ mỏng tạo ra sản phẩm có độ chính xác cao về kích thước và bề mặt trơn láng tốt, làm giảm nhẹ khâu gia công cơ khí hay khâu hoàn tất. Tốc độ sản xuất khá cao và phù hợp cho sản xuất các sản phẩm nhỏ có độ chính xác cao.
Đúc trong khuôn mẫu chảy (Investment or Precision Casting) :
Công nghệ này còn được gọi là đúc chính xác vì nó có thể đúc được các vật có độ chính xác cao và bề mặt nhẵn, với yêu cầu chỉ gia công chút ít hoặc không cần phải gia công.
Có nhiều quá trình đúc khuôn loại này được phát triển từ quy trình làm khuôn mẫu sáp chảy (lost – wax) và được sử dụng rộng rãi. Thường dùng mẫu đúc bằng sáp hay chất dẻo để tạo khuôn. Các mẫu đúc bằng sáp hay chất dẻo được chế tạo hàng loạt bằng các khuôn dập làm bằng kim loại hoặc bằng một loại thạch cao đặc biệt (Plaster of Paris).
Một mẫu đúc được nhúng vào trong vữa loại vật liệu có độ bền nhiệt cao và chúng được phủ thêm bên ngoài lớp vật liệu này (vật liệu là thạch cao hoặc hỗn hợp gốm sứ chịu nhiệt). Tiếp đó, lấy đi lớp sáp của mẫu đúc khỏi khuôn đúc bằng cách nung nóng để sáp chảy ra ngoài. Hình 1.10 mô tả các bước tiến hành trong quá trình đúc bằng khuôn mẫu chảy. Quy trình đúc này rất lý tưởng bởi vì nó có độ chính xác chi tiết đúc cao, nên thường dùng để đúc các chi tiết phức tạp, mà không thể làm được hay khó làm khi rèn hoặc gia công cơ khí.
Phương pháp này thường dùng để đúc các chi tiết nhỏ, có khối lượng dưới 1Kg, tuy nhiên đôi khi cũng có thể đúc các chi tiết lớn hơn.
Hình 1.10 – Các bước trong quá trình đúc khuôn mẫu chảy Công nghệ đúc kim loại :
Kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp có thể đúc dưới áp lực, trong thiết bị đúc sử dụng khuôn kim loại để tạo hình. Kim loại lỏng dưới tác dụng của trọng lực hay các lực khác, được đưa cuỡng bức vào trong bộ khuôn lắp ghép sẵn trước đó. Kim loại đông đặc nhanh chóng và khi bộ khuôn tách ra từng phần, chi tiết sẽ được lấy ra bằng cách tự rơi hay bị lực đẩy ra.
Có thể làm nguội khuôn bằng nuớc và kỹ thuật này có thể tiến hành tự động. Các công việc trên được kiểm tra kỹ càng và đúc ra các chi tiết có độ chính xác cao, dung sai nhỏ, bền chắc, độ hạt mịn. Công nghệ này thường áp dụng đúc hàng loạt sản phẩm đồng dạng.
Công nghệ đúc ly tâm :
Các chi tiết hình trụ rỗng có thể được đúc bằng cách rót kim loại chảy lỏng vào trong khuôn đúc hình trụ dạng vĩnh cửu, trong khi khuôn đang quay nhanh. Kim loại lỏng bị ép chặt vào bề mặt trong của khuôn do tác dụng của lực ly tâm, đồng thời đông đặc lại tạo thành sản phẩm có dạng ống mỏng (Tube) hay dạng trụ rỗng (ống dày – Pipe). Bề dày thành ống tùy thuộc vào lượng kim loại rót vào nhiều hay ít. Khi kim loại đã đông cứng thì khuôn ngừng quay, chi tiết hay “lớp bên trong” (inner lining) được lấ y ra.
Lực ly tâm tác dụng làm gia tăng mật độ và độ bền sản phẩm. Quá trình đúc này phù hợp để sản xuất các loại ống, ống mỏng, ống lót (Breshings), lớp lót (Lining).v.v…Tuy vậy có thể đúc các chi tiết có hình dạng phức tạp hơn, khi đó phải sử dụng thêm các lõi, đậu ngót, đậu dẫn.v.v…Cùng quay quanh trục của khuôn.
Mẫu đúc bằng sáp Phủ một lớp vật lieọu chũu nhieọt
mỏng
Gia cường bẳng đế thạch cao (mẫu chảy)
Nung nóng để hóa lỏng hay bốc hơi mẫu đúc (để lấy ra)
và sấy khô khuôn.
Rót kim loại vào Tháo gỡ chi tiết đã đúc
CHệễNG 1 24
Các dạng bất liên tục khi đúc :
Các loại khuyết tật và bất liên tục vật đúc tùy thuộc vào từng loại vật liệu và p hương pháp đúc khác nhau. Các dạng bất liên tục thường xảy ra được phân loại như sau :
(i) Co ngót.
(ii) Do đầy khí.
(iii) Do không đồng đều trong quá trình nguội.
(iv) Tạp chất.
(v) Sự tách lớp.
(vi) Nứt nguội, chồng nguội.
(vii) Do lệch lõi (thao đúc).
(viii) Do rót thiếu.
Các bất liên tục do co ngót :
Là các khoảng rỗng tạo ra khi kim loại đặc lại, chất lỏng bị co rút khi hoá rắn. Các khuyết tật này thường không liên quan đến các bọng khí, nhưng nếu có nhiều khí thì độ lớn của khuyết tật gia tăng. Dạng này thường xảy ra ở những nơi giữ độ nóng lâu trong vật đúc, như vùng đậu ngót, đậu dẫn.v.v…Nghĩa là chúng có liên quan với các vị trí có hiện tượng lõm co.
Hình 1.11 – Các dạng khuyết tật do co ngót.
Dạng bất liên tục do co ngót khác như là dạng sợi chùm, dạng co ngót vùng trung tâm, bao gồm các chuỗi dài các đường chạy song song không thẳng hàng quấn chặt vào nhau như mạng lưới. Mạng lưới này tạo thành dải bên trong và ở giữa chi tiết. Khó có thể phân biệt co ngót dạng sợi này với các vết nứt nóng (hot tear). Co ngót tế vi hay rỗ bọt tế vi là các dạng khuyết tật nhỏ xảy ra trong vật đúc mà nguyên nhân là d o một trong hai hoặc cả hai hiện tượng co ngót hoặc bọng khí, xảy ra với một lượng các bọng trống quanh ranh giới hạt (giữa tinh thể – Interdendritic), giữa các phiến dạng nhánh cây.
Dưới đầu nhánh Ở gần đầu rót
Co ngót vi mô
Một dạng khuyết tật thô và cục bộ của loại co ngót “giữa tinh thể” (Intercrystalline) và giữa nhánh cây được gọi là dạng xốp (Sponginess).
Các bất liên tục do bẩy khí :
Khi chất khí được tạo ra trong quá trình rót kim loại không thể thoát ra khỏi khuôn, hoặc ra khỏi đậu ngót hay các chỗ cần thoát khác, thì khí có thể bị chặn lại trong kim loại nóng chảy. Các khí này sinh ra từ chính kim loại nóng chảy, từ khuôn “cát xanh” - tức là cát còn ướt, từ hơi nước, hoặc đơn thuần do sự khuấy động khi rót kim loại.
Các lỗ khí (hoặc bọt khí) gây ra bởi không khí ở trong khuôn hoặc lõi hoặc hơi nước bị chận lại trong vật đúc, thường nằm ở trên khuôn trong quá trình đông đặc. Chúng xuất hiện ở dạng bọt đơn hoặc tập trung thành cụm và có dạng nhẵn, tròn, kéo dài hoặc bầu dục với các kích thước khác nhau. Thỉnh thoảng xuất hiện các bọt khí dạng dài giống như dạng rỗng do co ngót, tuy nhiên có khác là hai đầu của bọt khí thườ ng tròn và nhẵn.
Rỗ khí là dạng bất liên tục sinh ra từ các chất khí hoà tan trong kim loại nóng chảy, sau đó bị chận lại trong vật đúc khi đông đặc. Kích thước và số lượng của chúng tùy thuộc vào lượng khí chứa trong kim loại và tốc độ đông đặc của vật đúc. Rỗ khí có thể xuất hiện cùng khắp hay cục bộ trong vật đúc.
Bọt khí kín là dạng bất liên tục sinh ra do sự bẩy khí trong quá trình rót. Dạng bất liên tục này có thể xuất hiện trong các vật đúc đơn chiếc, dưới dạng nhiều lỗ hổng ở phía dưới và song song với bề mặt vật đúc
Nứt (Crack):
Là dạng bất liên tục do đứt gãy kim loại trong quá trình đông đặc hoặc sau khi đông đặc.
Các vết xé nóng (hot tears) chính là các vết nứt không liên tục có dạng gờ sắc, không nhẵn. Chúng sinh ra do ứng suất gia tăng ở gần nhiệt độ đông đặc, là lúc thép có độ bền yếu nhất. Các ứng suất sinh ra do co rút của kim loại khi nguội bị cản lại bởi khuôn (còn gọi là cản co) hay lõi hoặc bởi phần mỏng hơn đã hoá rắn trước. Hình 1.12 mô tả các nguyên nhân và vị trí của loại nứt này.
Nứt do ứng suất là một rãnh rõ ràng và gần như là một đường đứt gãy thẳng tạo thành khi kim loại đông đặc hoàn toàn. Ứng suất phải đủ lớn mới có thể gây ra loại nứt như vậy. Các bất liên tục loại này được phân loại tùy thuộc vào thời điểm xuất hiện nứt gãy, chẳng hạn như vết nứt ứng suất do co ngót, ứng suất dư do va đập hay do sử dụng.
CHệễNG 1 26
Hình 1.12 – Các vết xé nóng.
Tạp chất (Inclusions) :
Tạp chất là tên gọi chung để chỉ các loại vật liệu như cát, xỉ, oxit…bị kẹt lại trong vật đúc. Hầu hết các khuyết tật loại này xuất hiện gần bề mặt, như là hiệu ứng bề mặt (skin effect), tuy nhiên, thỉnh thoảng chúng có thể xuất hiện ở giữa vật đúc tùy thuộc vào dòng chảy kim loại lỏng.
Sự phân lớp (Segregation) :
Phân lớp là một hiện tượng phức tạp xảy ra khi một hay nhiều nguyên tố của hợp kim không khuếch tán đều mà tập trung lại ở một số vùng nào đó trong vật đúc. Phân lớp có thể phân thành ba loại : Phân bố đều, cục bộ và dạng chuỗi.
Phân lớp đều xảy ra khắp vật đúc và có hình dạng thay đổi, chẳng hạn như phân lớp giữa các tinh thể (intercrystalline Segregation).
Phân lớp cục bộ xảy ra ở các lỗ hỏng do co ngót (lõm co), vết xé nóng được điền đầy toàn bộ hay một phần bởi các thành phần khác có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn. Thuật ngữ phân lớp co ngót (Shrinkage Segregation), phân lớp xé nóng (Hot Tear Segregation) được dùng thích hợp cho hai trường hợp này.
Phân lớp dạng chuỗi gặp chủ yếu khi đúc ly tâm, nhưng khi đúc khuôn tĩnh cũng có thể xảy ra. Chúng có dạng các lớp xen kẽ với hợp kim thêm vào để làm cải tiến cơ tính Sự nứt nguội (Cold Shuts) :
Đây là dạng bất liên tục sinh ra do thiếu hụt của dòng kim loại lỏng khi gặp dòng kim loại lỏng khác hay gặp kim loại rắn, chẳng hạn như tình trạng bắn tóe khi rót, gặp các vật cứng bên trong các giá đỡ. Thông thường dạng này được phát hiện nhờ kiểm tra bằng mắt và trông giống như một vết nứt có đường viền cong và nhẵn. Nếu nó chỉ có ở bề mặt thì được gọi là nếp ghép nguội (cold lap) – hình 1.13.
Khuôn đúc
Các vết xé nóng
Các tiết diện nhỏ (đông rắn và co lại nhanh hơn các tiết diện lớn
Hình 1.13 – Nứt nguội Dịch lõi, lệch lõi :
Các vật đúc khi đúc thường có các lỗ rỗng bên trong thân, vì thế phải đưa vào bên trong khuôn rỗng một lõi (ruột) làm bằng cát để tạo các chỗ trống. Nếu lõi không được giữ chắc chắn thì nó sẽ bị dịch chuyển khi rót kim loại xung quanh nó. Gây nên các khuyết tật liên quan đến dịch lõi như bề dày thành thay đổi …vv.
Sự rót thiếu :
Sự rót thiếu xảy ra khi kim loại nóng chảy không điền đầy hoàn toàn khuôn đúc, tạo ra các lỗ rỗng, thành kim loại bị thủng …vv
1.2.2 Công nghệ rèn dập :
Công nghệ rèn dập được thực hiện bằng máy dập hoặc máy ép. Máy dập hay ép ngang được dựng trong một số trường hợp nhất định để rốn cỏc chi tiết nhỏ. Cỏc mỏy re ứn dập khác là loại thẳng đứng, có khuôn dập phía dưới cố định, trong khi khuôn dập phía trên có thể di chuyển trên một con trượt thẳng đứng. Trong trường hợp rèn bằng búa máy, khuôn được nâng lên bằng một hệ thống cơ và thực hiện hành trình rèn bằng sự rơi tự do của khuôn. Khi rèn bằng máy ép, việc nâng lên và hạ xuống của khuôn và kim loại được thực hiện bằng một áp lực chậm và ổn định. Công nghệ rèn không chỉ dùng để chế tạo các chi tiết có hình dạng không thể cán được, mà còn dùng để chế tạo các chi tiết có hình dạng đơn giản tròn hay chữ nhật và có kích thước lớn hoặc là khi số lượng yêu cầu quá nhỏ không thể tiến hành cán được. Các loại thép dụng cụ thường được rèn dập để cải thiện các cơ tính của nó. Rèn dập có thể chia thành hai loại :
(a) Khi khuôn có bề mặt làm việc phẳng hoặc cong đều và quá trình rèn có các thao tác sử dụng đơn giản, loại này được gọi là “rèn khuôn hở”.
(b) Khi dùng các khuôn có phần bên trong lõm và kim loại được nén ép cưỡng bức vào trong rãnh lõm của khuôn để tạo hình cần thiết, loại này được gọi là “rèn khuôn kín”.
Trong loại thứ nhất : các vật rèn có mặt cắt tròn đều hoặc chữ nhật và các vật rèn có hình dạng phức tạp, quá lớn, nên việc gia công trong khuôn kín không được, hay giá
Các vết kim loại bị bắn tóe lên
Nếp gấp nguội (chồng nguội hay nứt nguội) hở trên bề mặt (xuất hiện với dạng phẳng hoặc cong)