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 khá trơn bóng và mịn, màng chất dính không xuất hiện các vết nứt. Ở độ phóng đại cao (hình 4.1b), quan sát được rất nhiều các hạt nhỏ li ti phân bố đều trên bề mặt màng chất dính, kích thước các hạt nằm trong khoảng 100 – 200 nm. Kết quả phân tích EDS được trình bày ở các hình 4.2 và hình 4.3 cho thấy: nền là gel silisic (EDS 1 – hình 4.2) và các hạt nhỏ li ti này là natri silicát (EDS 2 – hình 4.3)
Hình 4.1: Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3: độ phóng đại thấp, x197 (a) và độ phóng đại cao, x10590 (b)
Hình 4.2: EDS 1 tại hình 4.1b
Hình 4.4: Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4: độ phóng đại thấp, x400 (a) và độ phóng đại cao, x2013 (b)
Hình 4.4 trình bày ảnh SEM của hỗn hợp khuôn cát thạch anh – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4. Ở độ phóng đại thấp (hình 4.4a), khá nhiều vết nứt tế vi trên màng chất dính đã quan sát được. Ở độ phóng đại cao (hình 4.4b), các hạt natri silicát (EDS 2 – hình 4.6) có sự phát triển khá lớn về kích thước trên nền gel silic (EDS 1 – hình 4.5). Kích thước của các hạt natri silicát nằm trong khoảng 3 – 5 µm.
Hình 4.6: EDS 2 tại hình 4.4b
Hình 4.7: Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 5: độ phóng đại thấp, x208 (a) và độ phóng đại cao, x3084 (b)
Hình 4.8: EDS 1 tại hình 4.7b
Hình 4.9: EDS 2 tại hình 4.7b
Hình 4.7 trình bày ảnh SEM của hỗn hợp cát – nước thủy tinh có mô đun bằng 5, màng chất dính quan sát thấy là khá rời rạc, đặc biệt là quan sát ở độ phóng đại cao như được trình bày ở hình 4.7b. Khá nhiều vết nứt to đã quan sát được ở trên hình 4.7a. Đặc biệt, các hạt natri silicát ở mô đun 5 (EDS 2 – hình 4.9) cũng có kích thước to hơn các mô đun 4 và 3, kích thước các hạt này khoảng 5 – 7 µm. Các hạt natri silicát này nằm rời rạc trên nền gel silic (EDS 1 – hình 4.8), và chúng bao phủ gần như kín hoàn toàn nền gel silic.
Bảng 4.1: Thời gian tao gel của chất dính thủy tinh lỏng phụ thuộc vào mô đun thủy tinh lỏng
Mô đun thủy tinh lỏng 3,0 4,0 5,0
Thời gian tạo gel (phút) 134 65 42
Kết quả phân tích thời gian tạo gel của chất dính thủy tinh lỏng phụ thuộc vào mô đun thủy tinh lỏng được trình bày ở bảng 4.1 cho thấy: mô đun càng cao thì thời gian tạo gel càng ngắn. Ở thủy tinh lỏng mô đun bằng 3 có thời gian tạo gel lâu nhất, chính thời gian tạo gel lâu này đã tạo điều kiện cho phản ứng giữa thủy tinh lỏng và NH4Cl diễn ra nhiều hơn làm cho lượng Na tồn tại trong các hạt natri silicát ít hơn ở màng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao. Kết quả phân tích EDS đã chỉ ra thủy tinh lỏng mô đun bằng 3 có tỷ lệ SiO2/Na2O ở các hạt natri silicát cao nhất và thủy tinh lỏng mô đun bằng 5 có tỷ lệ SiO2/Na2O thấp nhất như được trình bày ở bảng 4.2.
Đặc biệt, thời gian tạo gel lâu đã làm cho các hạt natri silicát hình thành chậm hơn, do đó chúng có kích thước nhỏ hơn và phân bố đều trên nền gel silic. Ở mô đun thủy tinh lỏng cao hơn, quá trình hình thành gel diễn ra nhanh hơn, phản ứng giữa thủy tinh lỏng và NH4Cl diễn ra ít hơn và do đó lượng Na còn lại trong natri silicát cũng nhiều hơn. Thời gian tạo gel ngắn đã làm cho các hạt natri silicát hình thành nhanh hơn, có kích thước hạt lớn hơn và làm tăng độ xốp của màng chất dính, đây chính là nguyên nhân làm giảm độ bền của hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao.
Thời gian tạo gel ngắn đã làm cho lượng nước trong gel thoát ra ít hơn do các gel này đã tạo thành lớp màng ngăn cản sự thoát ra của nước (thời gian tạo gel dài, nước có đủ thời gian để thoát ra). Khi nung khuôn, dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ làm lượng nước còn lại này thoát hết ra để lại khoảng trống trong hỗn hợp, khoảng trống này càng nhiều khi thời gian tạo gel càng ngắn do đó làm tăng độ xốp và giảm độ bền của hỗn hợp làm khuôn sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao.
Bảng 4.2: Tỷ lệ SiO2/Na2O ở các hạt natri silicate phụ thuộc vào mô đun thủy tinh lỏng đầu vào
Mô đun 3 Mô đun 4 Mô đun 5
Na2O 3,95 5,0 6,3
SiO2 14,1 14,3 12,5
SiO2/Na2O 3,6 2,9 2,0
4.1.2. Nhận xét
Phần cơ sở lý thuyết ở chương 2 cho thấy, thủy tinh lỏng dính kết các hạt cát (trong khuôn và ruột) có thể được đóng rắn bằng sự thay đổi pH hoặc bằng sự khử nước vật lý hoặc bằng sự kết hợp của cả 2 cơ chế trên và sản phẩm cuối cùng sau đóng rắn đều là gel silisic. Tuy nhiên, bằng các phân tích ở trên cho thấy, sản phẩm sau đóng rắn của thủy tinh lỏng mô đun cao là nền gel silisic và các hạt natri silicát. Các hạt natri silicát có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền của hỗn hợp, các hạt này càng lớn thì càng làm tăng độ xốp và giảm độ bền của hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao.
4.2. Tính chất công nghệ của khuôn gốm
4.2.1. Tỷ trọng của khuôn gốm
Kết quả nghiên cứu về tỷ trọng của mẫu khuôn gốm được trình bày từ hình 4.10 tới hình 4.12 phụ thuộc vào các tham số vật liệu đầu vào khác nhau.
Hình 4.10: Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm
Hình 4.11: Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ trộn bột chịu lửa tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm
Hình 4.10 trình bày ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm. Tỷ trọng của mẫu sau nung giảm dần theo sự tăng mô đun thủy tinh lỏng và sự giảm dần của nhiệt độ nung. Ở nhiệt độ nung cao (1000o
C) thì có sự giảm tỷ trọng lớn nhất khi mô đun thủy tinh lỏng tăng từ 3 lên 3,5. Tuy nhiên, khi mô đun thủy tinh lỏng tăng lên lớn hơn 3,5 thì tỷ trọng của mẫu sau nung giảm không đáng kể. Ảnh hưởng của nhiệt độ
nung tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm ở các mô đun khác nhau cũng không chênh lệch nhau nhiều. Trong vùng khảo sát, tỷ trọng lớn nhất đạt được ở mẫu sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3 và nung ở 1000o
C là 2,64 g/cm3, tỷ trọng nhỏ nhất đạt được ở mẫu sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun bằng 5 và nung ở 850o
C là 2,08 g/cm3.
Hình 4.12: Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm
Hình 4.11 trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 và tỷ trọng của thủy tinh lỏng tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm. Tỷ trọng của mẫu khuôn gốm tăng dần theo sự tăng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và sự tăng hàm lượng ziếc côn trong hỗn hợp bột chịu lửa. Tỷ trọng của thủy tinh lỏng ảnh hưởng tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm không nhiều, tuy nhiên khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 thay đổi thì tỷ trọng của mẫu khuôn gốm thay đổi nhiều hơn. Tỷ trọng của mẫu khuôn gốm lớn nhất đạt được ở tỷ trọng thủy tinh lỏng bằng 1,38 g/cm3
và tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 bằng 70/30 là 2,5 g/cm3.
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun 3 và 4, nung ở hai nhiệt độ 850o
C và 950oC được trình bày ở hình 4.12. Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ trọng của mẫu khuôn gốm tăng dần theo hàm lượng nước mật mía tăng và đạt cực đại khi hàm lượng nước mật mía bằng 3% lượng chất dính thủy tinh lỏng. Sau đó, tỷ trọng của mẫu khuôn gốm giảm dần theo sự tăng của hàm lượng nước mật mía. Tuy nhiên lượng giảm này của tỷ trọng là không đáng kể.
Mặt khác, sự ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm ở mẫu sử dụng thủy tinh lỏng mô đun cao lớn hơn mẫu sử dụng thủy tinh lỏng mô đun thấp. Ở mẫu sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 4 thì tỷ trọng tăng nhiều hơn so với mẫu sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 3 ở cùng một nhiệt độ thiêu. Sự thay đổi của nhiệt độ có ảnh hưởng tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm, tuy nhiên sự ảnh hưởng này là không nhiều so với sự ảnh hưởng của các tham số khác và chỉ thể hiện rõ sự ảnh hưởng khi hàm lượng mật mía nhỏ hơn 3%. Tỷ trọng lớn nhất của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4, 3% hàm lượng nước mật mía và nung ở 950o
Nhìn chung, ảnh hưởng của các tham số vật liệu đầu vào và các tham số công nghệ tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm là không nhiều, tỷ trọng của mẫu khuôn gốm nằm trong khoảng từ 2,2 – 2,5 g/cm3
.
4.2.2. Độ co của khuôn gốm
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ thiêu kết tới độ co thể tích của mẫu được trình bày ở hình 4.13. Tương tự như tỷ trọng, độ co của mẫu khuôn gốm giảm dần theo sự tăng mô đun thủy tinh lỏng và giảm dần của nhiệt độ nung. Độ co thể tích có giá trị cao nhất ở mô đun bằng 3 và nung ở 1000oC là 1,96%. Độ co thể tích có giá trị thấp nhất ở mô đun bằng 5 và nung ở 850o
C.
Hình 4.13: Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ co thể tích của mẫu khuôn gốm
Hình 4.14: Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ co thể tích của mẫu khuôn gốm
Hình 4.14 trình bày ảnh hưởng của tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 và tỷ trọng của thủy tinh lỏng tới độ co thể tích của mẫu khuôn gốm. Độ co thể tích của mẫu khuôn gốm tăng dần theo sự tăng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và sự tăng hàm lượng ziếc côn trong hỗn hợp bột chịu lửa. Tỷ trọng của thủy tinh lỏng thấp ảnh hưởng tới độ co thể tích của mẫu khuôn gốm không nhiều như trình bày ở hình 4.14, tuy nhiên khi tỷ trọng của thủy tinh lỏng lớn (1,36 – 1,38 g/cm3) và tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 lớn hơn 50/50 thì độ co thể tích của mẫu khuôn gốm có tỷ lệ tăng khá cao. Độ co thể tích của mẫu khuôn gốm lớn nhất đạt được ở tỷ trọng thủy tinh lỏng bằng 1,38 g/cm3