Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền nén của mẫu được đưa ra ở hình 4.20 và tới độ bền uốn của mẫu ở hình 4.21. Kết quả phân tích cho thấy, độ bền nén và uốn giảm đáng kể khi tăng mô đun thủy tinh lỏng và giảm nhiệt độ nung. Ở mô đun thủy tinh lỏng càng nhỏ thì ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ bền nén và uốn lớn hơn ở mô đun cao. Hơn nữa, ở mô đun thủy tinh lỏng bằng 5 thì độ bền nén và uốn giảm không đáng kể khi giảm nhiệt độ nung. Với mô đun thủy tinh lỏng bằng 4 và nhiệt độ nung bằng 950oC, giá trị độ bền nén và uốn lần lượt là 14,92 MPa và 8,24 MPa.
Theo kết quả phân tích ở trên, do không có sự tạo thành pha mới nên độ bền của mẫu khuôn gốm thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào độ xốp của nó. Ở nhiệt độ thiêu kết lớn nhất trong khoảng khảo sát thì đạt độ bền cao nhất và độ xốp thấp nhất. Ta có thể nâng cao nhiệt nung lên trên 1000oC để tăng thêm độ bền cho mẫu khuôn gốm, tuy nhiên điều này là không cần thiết vì trong khoảng nhiệt độ 950 – 1000oC, đã đạt được độ bền cần thiết đối với khuôn gốm. Đặc biệt, việc nâng cao nhiệt độ nung sẽ làm giảm độ xốp, tăng chi phí sản xuất khuôn và tăng thời gian chế tạo khuôn
Hình 4.20: Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền nén của mẫu khuôn gốm
Hình 4.21: Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền uốn của mẫu khuôn gốm
Hình 4.22 và 4.23 trình bày ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tới độ bền nén và uốn của mẫu khuôn gốm. Cơ tính của mẫu khuôn gốm tăng khi tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng và tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng. Đặc biệt, độ bền nén và độ bền uốn tăng khá cao khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 lớn hơn 50/50 và tỷ trọng của thủy tinh lỏng lớn hơn 1,33 g/cm3. Độ bền nén và độ bền uốn của mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn nhất ở tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 cao nhất trong vùng khảo sát (70/30) và tỷ trọng thủy tinh lỏng bằng 1,38 g/cm3
lần lượt là 29 MPa và 17 MPa. Kết quả đạt được chỉ ra rằng tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 lớn hơn 50/50 và tỷ trọng thủy tinh lỏng lớn hơn 1,3 g/cm3 có thể chế tạo ra khuôn gốm có chất lượng. Tuy nhiên, khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng lên sẽ làm tăng giá thành khuôn.
Hình 4.22: Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ bền nén của mẫu khuôn gốm
Hình 4.23: Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ bền uốn của mẫu khuôn gốm
Ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng mô đun bằng 4 tới độ bền nén và uốn của khuôn gốm được trình bày ở hình 4.24. Độ bền nén và uốn của mẫu khuôn gốm tăng dần khi hàm lượng chất dính tăng và đạt giá trị cực đại ở 24%, sau đó độ bền nén và uốn giảm khi hàm lượng chất dính tăng. Độ bền nén của mẫu khuôn gốm sau khi đạt giá trị cực đại trong vùng khảo sát đã giảm giá trị khá nhiều, trong khi đó độ bền uốn của nó thay đổi không nhiều. Giá trị lớn nhất của độ bền uốn và nén đạt được ở 24% chất dính lần lượt là 8,33 MPa và 17,25 MPa. Kết quả phân tích này cho thấy hàm lượng chất dính hợp lý nằm trong khoảng 23 – 25%
khối lượng bột chịu lửa, nếu sử dụng hàm lượng chất dính cao quá vừa tăng chi phí sản xuất vừa làm giảm độ bền của khuôn gốm.
Hình 4.24: Ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tới độ bền của mẫu khuôn gốm
Hình 4.25: Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền nén của mẫu khuôn gốm
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền nén của mẫu khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun bằng 3 và 4, nung ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày ở hình 4.25. Kết quả cho thấy, độ bền nén của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 4 và nung ở 850oC không thay đổi nhiều khi hàm lượng nước mật mía tăng từ 1% đến 9%. Giá trị độ bền nén của nó nằm trong khoảng từ 8,7 đến 12,5 MPa. Tuy nhiên, ở các mẫu còn lại độ bền nén tăng khá nhanh khi hàm lượng nước mật mía tăng và đạt giá trị cực đại khi hàm lượng nước mật mía bằng 3%. Sau khi đạt giá trị lớn nhất thì độ bền nén của các mẫu này đều giảm dần khi hàm lượng nước mật mía lớn hơn 3%.
Hình 4.26: Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền uốn của mẫu khuôn gốm
Mặt khác, cùng một hàm lượng nước mật mía thêm vào thì độ bền nén của mẫu khuôn gốm tăng khi nhiệt độ nung tăng và độ bền nén giảm khi mô đun thủy tinh lỏng tăng. Ở mẫu sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 và 3% nước mật mía thì khi thay đổi nhiệt độ nung, độ bền nén của mẫu khuôn gốm thay đổi lớn nhất từ 12,5 MPa đến 21,7 MPa. Ở các mẫu còn lại cũng có sự thay đổi tương tự, tuy nhiên sự thay đổi này là không nhiều như trình bày ở hình 4.25.
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền uốn của mẫu khuôn gốm cũng tương tự như ảnh hưởng của nước mật mía tới độ bền nén. Tuy nhiên, sự tác động của nước mật mía tới độ bền uốn ở mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 là không đáng kể và nó tác động mạnh hơn tới mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, như được trình bày ở hình 4.26. Độ bền uốn của mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng mật mía thêm vào bằng 3%, sau đó giảm dần. Mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, nung ở 950oC có lượng giảm lớn nhất từ 21 MPa (ở 3% nước mật mía) giảm xuống còn 12 MPa (ở 9% nước mật mía). Kết quả phân tích XRD được trình bày ở phần trên cho thấy không có sự tạo thành pha mới khi bổ sung thêm nước mật mía. Điều này có thể lý giải cho việc tăng độ bền ở đây chủ yếu là chịu sự ảnh hưởng của độ xốp mẫu khuôn gốm.
- Phương trình hồi quy cho độ bền uốn:
σu = -64,5666 – 5,2825Mt.t.l + 0,038703T + 35,26325ρt.t.l + 20,19854C - Phương trình hồi quy cho độ bền nén:
σn = -126,057 – 9,6835Mt.t.l + 0,069369T + 75,32468ρt.t.l + 26,22925C
Từ các phương trình hồi quy ở trên, kết hợp với các điều kiện lý thuyết về các tính chất của khuôn gốm sử dụng các chất dính cao cấp như keo silic hay ethyl silicát đã được trình bày phần tổng quan làm cơ sở để xác định thành phần tối ưu cho hỗn hợp làm khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng trong phạm vi nghiên cứu. Để giải bài toán tối ưu này, công cụ Solver trong Excel đã được sử dụng với các điều kiện như sau:
- Mục tiêu: độ bền lớn nhất - Ràng buộc 1: độ co nhỏ hơn 2% - Ràng buộc 2: độ xốp lớn hơn 38% - Ràng buộc 3: độ bền uốn lớn hơn 7 MPa - Ràng buộc 4: độ bền nén lớn hơn 10 MPa - Mt.t.l = 3 ÷ 5 (mô đun thủy tinh lỏng) - T = 850 ÷ 1000oC (nhiệt độ nung)
- ρt.t.l = 1,27 ÷ 1,38 (tỷ trọng thủy tinh lỏng) - C = 0,3 – 0,7 (lượng ZrSiO4 trong hỗn hợp)
Kết quả giải bài toán tối ưu bằng công cụ Solver như sau:
Mt.t.l = 4; T = 938oC; ρt.t.l = 1,36; C = 0,7 (tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 70/30) và các giá trị về độ co, độ xốp, độ bền nén và độ bền uốn được trình bày ở bảng 4.3.
Bảng 4.3: Bảng giá trị tối ưu
Độ co (%) Độ xốp (%) Độ bền nén (MPa) Độ bền uốn (MPa)
1,8 39,4 21,1 12,7