Các dụng cụ dùng trong phòng thí nghiệm như: bômme kế dùng để xác định tỷ trọng của thủy tinh lỏng, các loại ống thủy tinh đong chất lỏng, cốc thủy tinh, que khuấy thủy tinh, cân khối lượng có độ chính xác 0,0001g; thước kẹp đo kích có độ chính xác 0,01 mm.
Lò sấy và lò nung điện trở có hệ thống kiểm soát nhiệt độ (hình 3.5)
Thiết bị phân tích phân bố độ hạt
Hình 3.5: Ảnh lò sấy (a) và lò nung điện trở (b)
3.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án đã sử dụng phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát của từng yếu tố) và phương pháp quy hoạch thực nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tác động).
Phân tích tổ chức tế vi bằng phương pháp hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét (SEM), trình bày ở hình 3.6.
Phân tích cấu trúc bằng kỹ thuật hiển vi điện tử, EDS, XRD (D8 Advance-Bruker, Đức)
Phân tích giãn nở nhiệt bằng máy TMA (DIL 402PC – Netzsch, Đức), hình 3.7
Đánh giá cơ tính bằng máy đo độ bền vạn năng MTS - 793 của Mỹ, hình 3.8a
Đo trường nhiệt độ của khuôn trong quá trình rót bằng thiết bị đo ghi nhiệt độ tự động Omega (Mỹ), đo cùng một thời điểm 8 can nhiệt, hình 3.8b
Sử dụng phần mềm mô phỏng Procast của công ty Cơ khí Hà Nội để mô phỏng trường nhiệt độ trong khuôn gốm
Hình 3.7: Ảnh máy đo giãn nở nhiệt TMA (Thermomechanical Analysis)
Hình 3.8: Ảnh máy đo cơ tính vạn năng (a) và thiết bị đo ghi nhiệt độ tự động (b)
Đánh giá tính chất công nghệ: Khuôn gốm có những đặc thù riêng, do đó khuôn gốm cũng có những tính chất công nghệ chung của vật liệu làm khuôn và tính chất riêng của khuôn gốm. Căn cứ vào các nghiên cứu trên thế giới, luận án sẽ áp dụng các phương pháp đó để xác định các tính chất công nghệ của khuôn, các tính chất công nghệ bao gồm: tỷ trọng, độ co, độ xốp của khuôn gốm.
- Tỷ trọng của khuôn gốm: Các nghiên cứu của Deyu Kong [24], F. Jorge Lino [33], H. Saridikmen [37] và J. Jiang [53, 56] đều sử dụng phương pháp Archimedes để xác định tỷ trọng mẫu. Do đó, luận án cũng sẽ sử dụng phương pháp này để xác định tỷ trọng mẫu trong quá trình nghiên cứu.
- Độ co: Độ co của mẫu được xác định thông qua đo kích thước của mẫu sau khi đóng rắn và sau nung bằng công thức 3.1:
100 % x V V V Co r n r (3.1)
Trong đó Vr là thể tích của mẫu sau khi đóng rắn, Vn là thể tích của mẫu sau khi nung. Mẫu dùng để xác định độ co là mẫu hình trụ, 10 mẫu cho một giá trị đo và kết quả được lấy là giá trị trung bình của 10 mẫu đo. Đặc biệt, Jiaren Jiang [53, 56] đã nghiên cứu về sự thay đổi kích thước hay còn gọi là độ co của khuôn và vật đúc với những kích thước khác nhau ở trong cùng một mẫu làm khuôn bằng cách sử dụng mẫu hình kim tự tháp. Từ đó có thể xác định được một tỷ lệ co chung cho
các kích thước khác nhau của khuôn gốm và tăng độ chính xác kích thước cho vật đúc. Luận án cũng sẽ sử dụng phương pháp này để xác định độ co đặc trưng của khuôn gốm, bản vẽ sơ bộ mẫu hình kim tự tháp được trình bày ở hình 3.9 trong đó phần đậu ngót Φ90 được làm rời chốt với khối hình kim tự tháp
Hình 3.9: Mẫu nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong khuôn gốm theo mô hình của J. Jiang [53, 56]
- Độ xốp: Độ xốp của mẫu khuôn gốm được xác định thông qua tỷ trọng tương đối, tỷ trọng của mẫu được xác định bằng phương pháp Archimedes và sử dụng công thức 3.2: % 100 ) 1 ( 0 x P (3.2)
Trong đó P là độ xốp của mẫu, ρ là tỷ trọng thực của mẫu và ρo là tỷ trọng lý thuyết. 10 mẫu đo hình trụ cho một giá trị độ xốp, kết quả độ xốp là giá trị trung bình của 10 giá trị đo.
Đánh giá cơ tính: Cơ tính của mẫu khuôn gốm được đo bằng máy đo độ bền vạn năng MTS - 793 của Mỹ, hình 3.8a. Do mẫu gốm có đặc tính là xốp nên tốc độ hạ tải phải rất chậm, tốc độ hạ tải thiết lập cho máy là 0,07 mm/s
- Độ bền nén: Mẫu đo độ bền nén có dạng hình trụ, 6 mẫu cho mỗi lần đo. Giá trị lớn nhất của mỗi lần đo được lấy để tính toán ra độ bền nén theo công thức 3.3:
1000 x A F n (3.3)
Trong đó, n là độ bền nén (MPa), F là tải trọng lớn nhất (KN), A là tiết diện mẫu (mm2). Giá trị độ bền nén cuối cùng là giá trị trung bình của 6 mẫu đo.
- Độ bền uốn: Để xác định độ bền uốn, phương pháp kiểm tra uốn 3 điểm đã được thực hiện, 5 mẫu cho mỗi giá trị đo. Độ bền uốn được xác định theo công thức 3.4 [17, 33]: 2 2 3 bd FL (3.4)
Trong đó σ: độ bền uốn (MPa), F: tải trọng lớn nhất (N), L: khoảng cách giữa 2 nhịp tải (span distance; mm), b: chiều rộng của mẫu (mm), d: chiều dày của mẫu (mm).
3.3. Mô hình thực nghiệm
3.3.1. Chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao
Quy trình thực nghiệm cụ thể được trình bày ở hình 3.10, thành phần pha trộn cụ thể được trình bày ở bảng 3.6. Đầu tiên thủy tinh lỏng, keo silic và nước được pha trộn trong bình thủy tinh theo tỷ lệ để có được mô đun thủy tinh lỏng mong muốn. Sau đó tiến hành khuấy đảo liên tục trong khoảng nhiệt độ từ 50 – 60oC. Sau khi kết tủa được đánh tan và đạt được dạng chất lỏng đồng nhất (khoảng 30 phút) thì ngừng khuấy đảo và để trong vòng một giờ mà không có hiện tượng sa lắng hay kết tủa là thu được thủy tinh lỏng có mô đun theo yêu cầu.
Bảng 3.6: Thành phần pha trộn 100g thủy tinh lỏng mô đun cao
Mô đun Thủy tinh lỏng (g) Keo silic (g) Nước (ml)
3,0 100 0 0
3,5 84,41 15,59 24
4,0 73,08 26,92 40
4,5 64,35 35,65 53
Hình 3.10: Sơ đồ thực nghiệm chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao
Đo thời gian tạo gel được tiến hành như sau: cho chất dính thủy tinh lỏng có mô đun khác nhau trộn đều với chất tạo gel NH4Cl 25% (10% khối lượng chất dính), sau đó đổ lên mặt kính và tính thời gian. Thời gian tạo gel được xác định khi có lớp màng trên bề mặt chất dính xuất hiện.
3.3.2. Chế tạo mẫu khuôn gốm
Quy trình chế tạo chung của mẫu khuôn gốm như sau: hỗn hợp bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 được trộn đều với chất tạo gel NH4Cl 25% (chiếm 10% khối lượng chất dính) trong vòng 2 – 3 phút. Sau đó hỗn hợp sẽ được trộn đều với chất dính thủy tinh lỏng trong vòng 2 – 3 phút. Trộn xong, hỗn hợp được đổ vào khuôn mẫu dạng trụ (hình 3.11a và hình 3.12) và khuôn mẫu dạng thanh (hình 3.11b), sau khoảng 30 phút để phản ứng tạo gel diễn ra hoàn toàn thì lấy mẫu ra khỏi khuôn và cho vào lò sấy ở 80oC trong vòng 12 giờ. Tiếp đó, mẫu được cho vào lò nung với tốc độ nâng nhiệt trung bình là 4oC/phút, thời gian giữ nhiệt là 2 giờ.
Hình 3.12: Ảnh mẫu hình trụ trước (a) và sau nung (b)
Quy trình thực nghiệm riêng của mỗi nghiên cứu được trình bày ở các hình từ hình 3.13 tới hình 3.16
- Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới các tính chất của khuôn gốm
Hình 3.13: Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
- Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
Hình 3.14: Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và thành phần bột chịu lửa tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
- Ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
Hình 3.15: Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
- Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
Hình 3.16: Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
3.3.3. Xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng
mô phỏng và thực nghiệm
Khuôn gốm được chế tạo bằng cách sử dụng hỗn hợp cát ziếc-côn và thạch anh (tỷ lệ 60/40 theo thể tích ZrSiO4/SiO2) làm vật liệu chịu lửa và thủy tinh lỏng có mô đun bằng bốn và tỷ trọng bằng 1,33 làm chất dính. Để đơn giản trong quá trình tính toán, vật đúc có dạng hình trụ đã được lựa chọn với sự tương quan giữa chiều cao và đường kính (kích thước Φ50x100 mm) và giả thiết là sự truyền nhiệt xung quanh vật đúc chủ yếu là hướng tâm và phân tích nhiệt một chiều đã được thực hiện. Đầu tiên là chế tạo mẫu sáp, sáp được nung nóng tới nhiệt độ nóng chảy và được rót vào khuôn nhựa đã có sẵn các can nhiệt được lắp như hình 3.17.
Sau khi sáp đông đặc, tiến hành lấy mẫu sáp ra khỏi khuôn nhựa trong môi trường nước, mẫu sáp được làm sạch và đưa vào làm khuôn gốm. Khuôn gốm sau khi được làm xong và đóng rắn hoàn toàn thì tiến hành thoát sáp, sau khi thoát sáp xong, khuôn được nung ở trong lò điện ở nhiệt độ 950°C và giữ nhiệt ở nhiệt độ này trong vòng 2h. Các can nhiệt luôn được giữ cố định trong suốt quá trình làm mẫu sáp và khuôn gốm, cách đáy khuôn 50mm. Can nhiệt số 1 được đặt vào trong vật đúc cách bề mặt khuôn 10mm, các can nhiệt từ số 2 đến 5 đặt
ở trong khuôn cách bề mặt vật đúc lần lượt là 0; 5; 10; 15mm. Trước khi đúc, khuôn được nung nóng lại trong lò điện.
Hình 3.17: Sơ đồ thực nghiệm cài đặt 5 can nhiệt
Khi khuôn đã đạt được nhiệt độ yêu cầu, khuôn được đưa tới vị trí rót. Hợp kim nhôm AlSi7 được nấu chảy và khi nhôm lỏng đạt nhiệt độ 750oC thì tiến hành rót khuôn đạt chiều cao 100mm. Nhiệt độ khuôn tại thời điểm rót nhôm là 670°C. Nhiệt độ ở năm can nhiệt đã được ghi lại bằng máy tính. Kết quả đo được dùng để xác định hệ số khuếch tán nhiệt và hệ số dẫn nhiệt theo công thức 3.5 [5]:
) .τ a 2. X ).erf( T (T T T(X,τ) mt tx mt (3.5)
Trong đó Tmt: nhiệt độ môi trường, Ttx: nhiệt độ tiếp xúc giữa khuôn và vật đúc, X: khoảng cách tính từ biên giới khuôn – vật đúc tới điểm tính toán và τ: bước thời gian.
3.3.4. Xác định hệ số giãn nở nhiệt của khuôn gốm
Đầu tiên, bột chịu lửa ZrSiO4 và SiO2 được trộn với nhau theo các tỷ lệ khác nhau về thể tích (ZrSiO4/SiO2 = 30/70; 60/40; 70/30). Sau đó, bột chịu lửa có các thành phần ZrSiO4/SiO2 khác nhau được trộn với chất dính thủy tinh lỏng có mô đun 4 và tỷ trọng 1,33. 10% chất xúc tác NH4Cl 25% được sử dụng làm tác nhân đóng rắn. Sau khi trộn tác nhân đóng rắn xong, hỗn hợp được cho vào khuôn để chế tạo mẫu gốm có kích thước Φ5x20 mm và mẫu được cho vào lò sấy ở nhiệt độ 80oC trong vòng 12h để đảm bảo mẫu được đóng rắn hoàn toàn.
Để tiến hành xác định hệ số giãn nở nhiệt, các mẫu được đo bằng máy đo giãn nở nhiệt TMA với tốc độ nâng nhiệt là 10oC/phút. Kết quả đo được dùng để xác định hệ số giãn nở nhiệt theo công thức 3.6 [102]:
L t T t L/ )/( / ) ( (3.6)
3.3.5. Sự thay đổi kích thƣớc của khuôn và đúc thử nghiệm
3.3.5.1. Sự thay đổi kích thước của khuôn
Quá trình thay đổi kích thước của khuôn gốm và vật đúc được nghiên cứu dựa trên mẫu hình kim tự tháp, bản vẽ chi tiết của mẫu được trình bày ở hình 3.9. Vật liệu làm mẫu bằng nhựa tổng hợp gia công trên máy CNC, độ côn thoát mẫu là 1%
Hỗn hợp làm khuôn dựa trên các kết quả nghiên cứu ở trên, sử dụng bột chịu lửa có tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40, chất dính thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 chiếm 25% khối lượng bột chịu lửa, nước mật mía chiếm 3% khối lượng chất dính thủy tinh lỏng và chất tạo gel là NH4Cl chiếm 10% khối lượng chất dính thủy tinh lỏng. Quá trình trộn hỗn hợp làm khuôn tiến hành giống như quá trình chế tạo mẫu thí nghiệm, sau khi đổ khuôn 30 phút thì tiến hành rút mẫu ra khỏi khuôn để đưa vào lò sấy ở 80oC, trong vòng 12h. Tiếp đó, khuôn được đưa vào nung ở 950oC, giữ nhiệt 2h. Nung xong, để nguội đến nhiệt độ môi trường thì tiến hành rót khuôn, kim loại đúc là thép C40. Ba mẫu khuôn gốm được cưa đôi để xác định kích thước trong lòng khuôn, ba mẫu vật đúc được đo để xác định kích thước vật đúc từ đó xác định được tỷ lệ co chung của khuôn và vật đúc so với mẫu ban đầu.
3.3.5.2. Đúc thử nghiệm
Chi tiết đúc thử nghiệm là một sản phẩm của công ty Monarch Industries Limited, Hoa Kỳ. Đây là loại sản phẩm đúc chính xác, đòi hỏi cao về chất lượng bề mặt và độ chính xác về kích thước, chi tiết về sản phẩm được trình bày ở phụ lục 2.
Khuôn gốm đúc sản phẩm của công ty Monarch có thành phần và quy trình nung như sau:
- Số lượng đúc thử: 5 sản phẩm
- Vật liệu chịu lửa: sử dụng hỗn hợp ZrSiO4/SiO2 có tỷ lệ 60/40.
- Chất dính: thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4, tỷ trọng bằng 1,33, chiếm 25% khối lượng bột chịu lửa
- Chất dính phụ: nước mật mía, chiếm 3% khối lượng chất dính thủy tinh lỏng - Chất xúc tác: NH4Cl 25%, chiếm 10% khối lượng chất dính
- Mẫu làm khuôn: mẫu sáp
- Thoát sáp: sử dụng phương pháp thoát sáp trong nồi autoclave
- Nung khuôn: nung trong lò điện trở ở 950oC, giữ nhiệt 2h và tốc độ nâng nhiệt khoảng 5o
C/phút.
Khuôn nung xong thì được lấy ra khỏi lò và đưa ra khu vực rót khuôn, kim loại lỏng được rót vào khuôn ngay sau đó.
3.4. Kết luận
Luận án đã xác định được đối tượng và phương pháp nghiên cứu cụ thể từ đó làm cơ sở để xây dựng nên mô hình thí nghiệm. Bột ziếc côn có kích thước hạt tập trung chủ yếu ở khoảng kích thước nhỏ hơn và bằng 25 µm, bột thạch anh được nghiền nhỏ từ cát tuyển có cỡ hạt khoảng 200 µm. Chất dính thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, keo silic có hàm lượng SiO2
bằng 30% khối lượng và kích thước hạt trong khoảng 8 – 20 nm. Nước mật mía có hàm lượng Saccharose bằng 34% khối lượng và độ pH = 5,7.
Luận án đã sử dụng phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát của từng yếu tố) và phương pháp quy hoạch thực nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tác động). Sử dụng các trang thiết bị phân tích kiểm định mẫu thí nghiệm hiện đại như: hiển vi điện tử quét, hiển vi quang học, nhiễu xạ rơn ghen, máy đo độ giãn nở nhiệt TMA, máy đo độ bền vạn năng MTS, đo trường nhiệt độ bằng máy ghi tự động...
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Xác định cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh
lỏng mô đun cao bằng thực nghiệm
4.1.1. Kết quả và thảo luận
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên hỗn hợp làm khuôn cát thạch anh – thủy tinh lỏng với 3 mô đun khác nhau (mô đun = 3; 4 và 5). Kết quả soi tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích EDS được trình bày từ hình 4.1 – hình 4.9.
Hình 4.1 trình bày ảnh SEM của hỗn hợp khuôn cát thạch anh – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, ở độ phóng đại thấp (hình 4.1a) cho thấy màng chất dính bao quanh các hạt cát