Nghiên cứu công nghệ và vật liệu để đúc các loại ghi lò có kết cấu dạng lưới, thành mỏng từ 6 8mm, dùng cho thiết bị nhiệt luyện chân không và hoá nhiệt luyện

Trong lò nhiệt luyện chân không ghi lò là chi tiết dùng để đỡ các sản phẩm, đây là vị trí làm việc khắc nghiệt chịu tải trọng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và chịu sốc nhiệt trong q

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Nghiên cứu công nghệ tận thu hợp kim nhôm ADC12

từ mạt, ba via nhôm trong quá trình đúc áp lực cao

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS TRẦN TỰ TRÁC

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Nghiên cứu công nghệ và vật liệu để đúc các loại ghi lò có kết cấu

dạng lưới, thành mỏng từ 6 – 8 mm, dùng cho thiết bị nhiệt luyện

chân không và hoá nhiệt luyện

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS TRẦN HỒNG QUANG

9030

Hà Nội 12-2011

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

Nghiên cứu công nghệ và vật liệu để đúc các loại ghi lò có kết cấu dạng lưới, thành mỏng từ 6 – 8 mm, dùng cho thiết bị nhiệt luyện chân không và hoá nhiệt

CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA

1 Vũ Văn Miêng Kỹ sư Đúc

2 Nguyễn Thanh Tùng Kỹ sư Đúc

3 Thái Văn An Kỹ sư Luyện Kim

4 Trần Thị Thanh Mai Kỹ sư Đúc

5 Nguyễn Việt Dũng Kỹ sư Đúc

6 Hoàng Anh Tuấn Kỹ sư Đúc

7 Lâm Hùng Minh Cử nhân Luyện kim

Hà Nội 12-2011

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đem lại nhiều thành tựu phục vụ ngày càng tốt hơn cho cuộc sống của nhân loài Tuy nhiên nó cũng đặt

ra một số yêu cầu nhất định, để đạt được cần phải có những bước đột phá trong công nghệ và công nghệ nhiệt luyện chân không là một trong số đó

Với đặc điểm tạo ra môi trường chân không, sản phẩm không bị ôxy hóa trong quá trình nhiệt luyện công nghệ này đem lại nhiều ưu điểm nổi bật so với công nghệ nhiệt luyện truyền thống Hiện tại công nghệ và thiết bị của dây truyền này hoàn toàn là của nước ngoài, trong nước chưa có đơn vị nào nghiên cứu sản xuất

Trong lò nhiệt luyện chân không ghi lò là chi tiết dùng để đỡ các sản phẩm, đây là vị trí làm việc khắc nghiệt chịu tải trọng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài và chịu sốc nhiệt trong quá trình làm nguội sản phẩm Ghi lò có kết cấu dạng ô lục giác, thành mỏng giúp khí lưu thông tốt trong không gian lò nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt Để đáp ứng được yêu cầu này thì ghi lò được chế tạo bằng thép hợp kim chịu nhiệt với độ chính xác cao không có khuyết tật đúc và có khả năng chịu nhiệt tốt

Vì vậy Bộ Công Thương đã cho phép Viện Công Nghệ thực hiện đề tài

“Nghiên cứu công nghệ và vật liệu để đúc các loại ghi lò có kết cấu dạng lưới, thành mỏng từ 6-8 mm, dùng cho thiết bị nhiệt luyện chân không và hóa nhiệt luyện” Việc nghiên cứu đề tài này là việc làm cần thiết trong kế hoạch phát triển nghành công nghệ đúc tại Việt Nam tiến tới việc làm chủ công nghệ tự chủ trong sản xuất tránh phụ thuộc vào nước ngoài

Phần I Ghi lò nhiệt luyện chân không

1.1 Đặc điểm của ghi lò nhiệt luyện chân không 4

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất làm việc của thép

2.4.1 Ảnh hưởng của thành phần hóa học 12

2.4.2 Ảnh hưởng của công nghệ đúc 12

2.4.3 Ảnh hưởng của quá trình sử lý nhiệt 13

2.5 Chọn vật liệu làm ghi lò

Phần III Công nghệ đúc

1.2.1 Cấu trúc hệ thống dẫn kim loại lỏng 32

1.2.2 Kích thước hệ thống dẫn kim loại lỏng 32

Phần II sơn và chèn khuôn

2.1 Sơn, sấy mẫu 2.1.1 Nguyên liệu 33 2.1.2 Thiết bị và dụng cụ 33

2.1.3 Các công đoạn thực hiện 34

2.1.3.1 Tính toán vật tư 34

2.1.3.2 Ngâm ủ

2.1.3.3 Khuấy trộn 34

2.1.3.4 Lọc 34

2.1.3.5 Sơn mẫu 34 2.1.3.6 Sấy mẫu 34 2.2 Quy trình tạo khuôn

2.2.2 Trang thiết bị công nghệ 35

Phần III Nấu luyện, đúc rót

3.1 Quy trình nấu luyện

3.2.3 Tháo rỡ vật đúc, hoàn thiện sản phẩm 41

Phần IV Công nghệ sử lý nhiệt sau đúc, khảo nghiệm

Chương 3 : Kết quả nghiên cứu và bình luận

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC:

Bản vẽ thiết kế, bản vẽ công nghệ, giấy chứng nhận kiểm định sản phẩm, sơ đồ

công nghệ, biên bản khảo nghiệm…

Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài :

- Khảo sát, thu thập tài liệu về lò nhiệt luyệt chân không: sơ đồ nguyên lý làm việc, điều kiện làm việc Tiến hành đo, vẽ chi tiết ghi

lò, dựa trên mẫu ghi được cấp theo hệ thống lò nhiệt luyện chân không của Viện Công Nghệ

- Từ cơ sở lý thuyết, điều kiện làm việc thực tế của ghi lò, nghiên cứu tính chất của vât liệu, chọn vật liệu chế tạo phù hợp với môi trường làm việc của ghi

- Lựa chọn phương án công nghệ đúc phù hợp để đáp ứng được các yêu cầu đề ra đảm bảo về độ dầy, bề mặt… tiến hành tính toán thông

số thiết kế công nghệ đúc với phương án công nghệ đúc đã chọn

- Chế tạo mẫu theo thiết kế công nghệ đúc, các giải pháp công nghệ

để chế tạo sản phẩm, đúc thử, tìm ra các thông số phù hợp nhất với điều kiện sản xuất trong nước

- Nghiên cứu quy trình nấu luyện mác hợp kim đã chọn trên cơ sở thiết bị lò cảm ứng trung tần của Viện Công Nghệ

- Chế tạo sản phẩm, hoàn thiện và khảo nghiệm trong lò nhiệt luyện chân không của Viện Công Nghệ

- Kết quả đáng giá và đề nghị rút ra trong thực tế

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Phần I : Ghi lò nhiệt luyện chân không

1.1 Đặc điểm của ghi lò nhiệt luyện chân không

Ghi lò nhiệt luyện chân không có cấu tạo dạng lưới, ô lục giác thành mỏng 6-8

mm Làm giá đỡ các sản phẩm trong buồng lò Nhiệt luyện chân không (hình 1)

Ghi lò có nhiệm vụ làm giá đỡ các sản phẩm nhiệt luyện với tải trọng tối đa

là 800kg, nó nằm dọc trong buồng lò, chịu nhiệt độ 1100˚C-1200˚C Tùy từng chế

độ nhiệt luyện, ghi lò có thể phải chịu sốc nhiệt Khi xả khí nitơ trong quá trình tôi, nhiệt độ đột ngột giảm từ 1.100˚C xuống còn 110˚C, trong khoảng thời gian 5 phút

Do vậy, vật liệu dùng chế tạo ghi lò đòi hỏi phải có tính chất như chịu sốc nhiệt, bền nhiệt ở nhiệt độ cao và chịu tải trọng lớn

Phần II:Thép bền nóng

2.1 Đặc tính của vật liệu

Để có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng lớn thì vật liệu phải có tính ổn định nóng (tính bền hoá học ở nhiệt độ cao) và tính bền nóng (giữ được độ bền cơ học cao ở nhiệt độ cao)

2.1.1 Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp

kim chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng, sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa CO2, SO2, H2S…, muối nóng chảy

có chứa ion Cl-…) Trong các dạng phá huỷ này thì hay gặp nhất và nguy hiểm nhất là sự ôxi hoá ở nhiệt độ cao, tức là sự tạo thành các vẩy ôxít kim loại, ví dụ đối với sắt thép là Fe2O3, Fe3O4 và FeO, trong đó FeO có cấu tạo mạng không xít chặt nên tạo cho quá trình ôxi hoá phát triển thuận lợi

ngừa sự ôxi hoá tiếp theo) hay không Màng bảo vệ phải có những tính chất:

- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại;

- Bền với tác động của môi trường;

- Có sự bám dính tốt với kim loại nền;

- Có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng của kim loại

Các ôxít Cr2O3, Al2O3 và SiO2 có các đặc tính này Vì vậy người ta thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al và Si để nâng cao tính chịu nhiệt của thép

2.1.2 Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng ở nhiệt độ

cao Dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong một thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp được gọi là dão Đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá

trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây ra hoá bền và kết tinh gây ra thải bền

Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì kim loại sẽ bị biến dạng dẻo nhiều và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đó.Để nâng cao tính bền nóng ta phải tìm cách chống lại hiện tượng biến dạng dão Muốn vậy phải tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại sự chuyển động của lệch mạng cũng như sự xê dịch biên giới hạt ở nhiệt

độ cao

Các nguyên tố hợp kim Mo, W, Nb, Ti… tạo ra các pha biến cứng phân tán làm cản trở chuyển động của lệch mạng và tạo ra hạt nhỏ mịn nên có tác dụng nâng cao tính bền nóng của hợp kim Các nguyên tố Ni và Mn có tác dụng làm ổn

định cấu trúc austenit nên cũng có tác dụng nâng cao tính bền nóng [4]

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền nóng

Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao Khi

có cùng nhiệt độ nóng chảy thì kim loại nào có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn thì sẽ

có tính bền nóng cao hơn Mọi yếu tố nâng cao nhiệt độ kết tinh lại đều làm tăng tính bền nóng

Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng, cụ thể trường hợp của thép: thép có tổ chức austenit có tính bền nóng cao hơn so với thép có tổ chức ferit hay hỗn hợp ferit và cácbit (do austenit có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn) Đối với thép, các nguyên tố hợp kim như: Mo, W, Nb,Ti, Zr có tác dụng tạo

ra các pha hoá cứng phân tán (cacbit, nitrit…) có tác dụng chống dão, các nguyên

tố như: Ni, Mn có tác dụng ổn định tổ chức austenit,… đều có tác dụng nâng cao tính bền nóng

Để xác định tổ chức của thép khi biết thành phần hoá học của nó, người ta thường dùng giản đồ Schaeffler (hình 2)

Hình 2 Giản đồ Schaeffler – tổ chức của thép phụ thuộc lượng Cr, Ni quy đổi:

(M-vùng tồn tại của máctenxit; α-ferit; γ-austenit)

Trên giản đồ này, trục hoành biểu thị lượng Cr quy đổi (tương đương), được tính theo công thức sau:

Crtđ = %Cr + %Mo + 1,5.%Si + 0,5.%Nb (1) Tương ứng với tác dụng tổng hợp của các nguyên tố mở rộng vùng α Còn trục tung biểu thị lượng Ni quy đổi (tương đương), được tính theo công thức sau: Nitđ = %Ni + 30.%C + 0,5.%Mn (2) Tương ứng với tác dụng tổng hợp của các nguyên tố mở rộng vùng γ Các vùng bên trong giản đồ cho biết tổ chức của thép sau khi nóng chảy rồi để nguội ngoài không khí, hoặc sau khi austenit hóa rồi làm nguội nhanh trong nước (tôi) nhằm giữ lại tổ chức của thép ở nhiệt độ cao [1]

2.3 Thép bền nóng

51015202530

M +ferit Maus+M

M +ferit

aus+ferit +M

ferit

aus+ferit aus

35

Cr

Ni tđ

tđ

Các chi tiết làm việc đến 6000C (đầu xả

bộ góp khí gas, đường ống thiết bị lọc dầu lửa, nắp và hộp để thấm cácbon

Cr18Ni12Mo2

Bền nóng khi nhiệt độ đến

6000C

Các cánh quạt máy nén, thiết bị phun

và các chi tiết làm việc lâu dài ở nhiệt

độ 6000C Cr18Ni12Mo3Ti

Bền nóng Các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao và

tải trọng lớn (các băng tải con lăn trong

lò, các cơ cấu cặp chặt)

Cr18Ni12Mo3TiĐ ≤ 0,12 ≤ 1,0 1,0-2,0 0,030 0,035 16-19 11-13 Mo: 3,0-4,0

Ti: 0,3-0,6 Cr21Ni11W2Đ 0,1-0,25 0,7-1,5 0,6-1,2 0,030 0,035 20-22 11-12,5

Mo: ≤ 0,25 Ti: 0,05-0,2 W: 2,4-3 Cr24Ni12SiĐ ≤ 0,4 0,5-1,5 0,3-0,8 0,030 0,035 22-26 11-13

20Cr25Ni20Si2Đ 0,2 2,0-3,0 ≤ 1,5 0,020 0,035 24-27 18-21

20Cr25Ni24Si2Đ 0,2 2,0-3,0 ≤ 1,5 0,020 0,035 24-27 23-25

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất làm việc của thép

2.4.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học

Các nguyên tố hợp kim đưa vào sẽ làm thay đổi nhiệt chuyển pha thù hình của Fe, nhiệt độ các phản ứng cùng tinh, cùng tích Một số nguyên tố tác dụng với cácbon tạo ra cacbit Chúng tương tác với nhau hoặc với Fe tạo ra các pha trung gian, các pha liên kết kim loại Các nguyên tố tạo ra cacbit xếp theo thứ tự tăng dần như sau: Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, Ti [6]

Nguyên tố Niken không có khả năng kết hợp với cacbon trong sắt tạo thành cacbit mà chỉ ở dạng dung dịch rắn γ với Fe và là thành phần thông dụng để tăng độ mềm dẻo, dễ uốn và tính tạo hình cho thép không gỉ

Khả năng chống lại sự oxi hoá từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ crôm có trong hợp kim (nhỏ nhất là 10.5% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường khắc nghiệt)

Trạng thái bị oxi hoá của crôm thường là crôm III ôxit Khi crôm trong hợp kim thép tiếp xúc với không khí thì một lớp crôm III ôxit rất mỏng xuất hiện trên bề mặt vật liệu Lớp này mỏng đến mức không thể thấy bằng mắt thường, có nghĩa là

bề mặt kim loại vẫn sáng bóng Tuy nhiên, chúng lại hoàn toàn không tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ được lớp thép bên dưới Hiện tượng này gọi là sự ôxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu

Nguyên tố crôm (Cr) còn tạo ra cacbit crôm có độ cứng rất cao, hơn 600HB Crôm cường hóa nền, tăng tính thấm tôi, làm nhỏ mịn hạt cacbit, dẫn đến tăng độ bền cho thép

Cácbon làm tăng lượng xementit trong thép Do vậy tăng cácbon thì độ bền,

độ cứng tăng, còn độ dẻo và độ dai giảm Độ phân tán của pha cácbít được quyết định bởi chế độ nhiệt luyện và thành phần của thép

Phốt pho và lưu huỳnh là các tạp chất có hại đến cơ tính của thép, nó làm giảm độ bền, độ dai, tăng khả năng nứt nóng cho vật đúc

2.4.2 Ảnh hưởng của công nghệ đúc

Trên thế giới có nhiều phương pháp đúc: Đúc bằng khuôn cát, bằng khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc bằng khuôn mẫu chảy Mỗi phương pháp có đặc điểm riêng phù hợp với từng loại sản phẩm nhất định, chính vì thế công nghệ đúc ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm

Chọn lựa được phương pháp đúc hợp lý làm cho vật đúc kết tinh đồng đều trên toàn tiết diện, tổ chức hạt nhỏ mịn và không có các khuyết tật đúc Điều đó thuận lợi các nguyên công tiếp theo Khi nhiệt luyện sẽ ít gây ứng suất dẫn đến biến dạng, nứt sản phẩm Ngoài ra thiết kế công nghệ hợp lý còn tạo điều kiện thuận tiện cho việc cắt đậu ngót và làm sạch phôi đúc

Việc thiết kế bố trí rãnh dẫn, đậu ngót quyết định đến chất lượng của chi tiết Kiểu đúc rót quyết định cách thức đông đặc, dẫn đến khả năng bù ngót tốt hay xấu Chi tiết khi rót ở trạng thái đứng sẽ tạo điều kiện cho vật đúc đông đặc có hướng từ dưới lên Lúc này nếu bố trí đậu ngót ở vị trí cao nhất gần rãnh phân phối thì đậu ngót sẽ là nơi đông đặc cuối cùng và làm nhiệm vụ bổ ngót cho vật đúc

Nếu không thể bố trí rót theo kiểu đứng thì mới rót ở vị trí ngang, lúc này quá trình đông đặc sẽ đồng thời trên toàn chi tiết.Việc bố trí đậu ngót khó khăn hơn Ngoài ra còn có kiểu rót phân tầng lúc này vật đúc ở trạng thái đứng, rãnh dẫn cắt vào ở các vị trí cao thấp khác nhau kim loại có dòng chảy êm, tạo đông đặc có hướng Tuy nhiên hệ thống rót kiểu này khó lọc xỉ, do vậy phải sử dụng nồi rót có vách ngăn xỉ hoặc cào sạch xỉ trước khi rót khuôn

Việc lựa chọn phương pháp công nghệ đúc tùy theo vật liệu chế tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và các yêu cầu khác để cho phù hợp đảm bảo chất lượng vật đúc và có hiệu quả kinh tế trong sản xuất

2.4.3 Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt

Khả năng làm việc của các chi tiết máy ngoài các yếu tố vật liệu, chất lượng vật đúc còn phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nhiệt luyện

Tuỳ theo vật liệu chế tạo, hình dáng kích thước của chi tiết và phương pháp đúc mà lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp để đạt được cơ tính vật liệu theo yêu

cầu Chính vì vậy đây là một khâu công nghệ quan trọng quyết định đến tính chất

cơ học của các loại hợp kim Các chế độ nhiệt luyện bao gồm: ủ, thường hoá, tôi, ram Các quá trình xử lý nhiệt đều phải qua các bước: Gia nhiệt nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội

Tuy nhiên ứng với mỗi loại vật liệu, kích thước…các thông số nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt…khác nhau vì vậy phải nghiên cứu để thực hiện các nguyên công cho phù hợp với mỗi loại vật liệu, độ thành dày và độ phức tạp của từng chi tiết Các quá trình nhiệt luyện có nhiệm vụ đưa tổ chức thép về austenít và hòa tan các pha cacbit dư Ngoài ra còn có tác dụng khử ứng suất và làm nhỏ mịn tinh thể khi kết tinh lại Với thép có tổ chức austenit, chủ yếu nhằm hoà tan cácbít crôm dư vào austenít đồng nhất tổ chức và làm nhỏ mịn tinh thể

Thời gian giữ nhiệt là khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thấu nhiệt cho toàn bộ chi tiết và hoàn thành quá trình biến đổi pha, tuy nhiên nếu tính toán không hợp lý để dài quá sẽ làm hỏng tổ chức, hạt thô to và thoát các bon bề mặt của thép

Làm nguội sau khi nung của quá trình nhiệt luyện cũng là quá trình rất phức tạp, phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã chọn Bao gồm làm nguội chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường dầu, nguội trong môi trường nước… Mỗi chế độ làm nguội sẽ cho ta cơ tính khác nhau Vì vậy, tùy loại vật liệu cũng như yêu cầu làm việc, phải chọn chế độ làm nguội phù hợp

2.5 Chọn vật liệu làm ghi lò nhiệt luyện chân không

Xét công dụng và thành phần hóa học các loại thép đã nêu trên, căn cứ vào kết quả phân tích thành phần hóa học của ghi lò nhiệt luyện chân không Viện Công Nghệ thấy rằng có hai mác thép phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết hơn cả:

1 20Cr25Ni24Si2Đ,

2 20Cr25Ni20Si2Đ

Hai loại thép này đều không chứa các nguyên tố đắt tiền và khó kiếm như:

W, Ti, Mo… Chúng vừa đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật, đáp ứng điều kiện làm việc lò nhiệt luyện chân không lại vừa có giá thành thấp hơn so với các loại còn lại

Vì vậy nếu đưa vào sử dụng sẽ thu được hiệu quả kinh tế cao hơn các mác khác

35

1 2

Cr

Ni

M +M

tđ

tđ

vì không những thoả mãn điều kiện làm việc mà còn phù hợp với điều kiện sản xuất

ở nước ta (do giá cả và nguồn cung ứng Niken)

Thành phần hóa học thép 20Cr25Ni20Si2Đ được giới thiệu trong bảng dưới đây:

Bảng 3 Thành phần hóa học mác thép

C(%) Si(%) Mn(%) S(%) ≤ P(%) ≤ Cr(%) Ni(%) ≤0,2 2,0-3,0 ≤1,5 0,020 0,035 24-27 18-21

Phần III : Công Nghệ Đúc

3.1 Lựa chọn công nghệ làm khuôn

Trong công nghệ đúc, lựa chọn phương án thiết kế đúc thích hợp là vấn đề quan trọng; tuy vậy việc chọn ra được công nghệ chế tạo khuôn cũng là một vấn đề lớn cần được giải quyết sao cho thích hợp với quy mô sản xuất, chất lượng sản phẩm và cả điều kiện kinh tế …

Với chi tiết ghi lò nhiệt luyện chân không, ta chọn công nghệ mẫu tự thiêu vì một số lý do sau:

- Xét về mặt kinh tế thì công nghệ mẫu tự thiêu giá thành sản phẩm sẽ rẻ hơn nhiều so với các công nghệ chế tạo khuôn khác do hoàn toàn tái sử dụng lại cát cũ Như khuôn CO2 thì không tái sử dụng được cát cũ, khuôn Furan thì độc hại và giá thành cao, khuôn khô thì tốn nhiều công đoạn như: sơn, sấy khuôn…

- Xét theo hình dạng và kết cấu sản phẩm đúc, chi tiết ghi lò nhiệt luyện chân không có kết cấu dạng lưới thành mỏng, các gân giao nhau tạo thành các hình lục giác Do vậy, nếu ta chọn chế tạo bởi các công nghệ khuôn đúc với độ bền của vật liệu làm khuôn cao thì trong quá trình kết tinh và đông đặc trong khuôn sẽ có hiện tượng cản co, gây lên hiện tượng nứt nóng hoặc gây ứng suất dư trong chi tiết Cho nên chi tiết khi làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, chịu tải trọng sẽ có tuổi bền thấp, dễ bị phá huỷ trong quá trình làm việc

Để khắc phục những nhược điểm nêu trên, sau khi phân tích nhóm đề tài lựa chọn công nghệ đúc mẫu tự thiêu Vì công nghệ đúc này vật liệu làm khuôn có tính linh động tốt, do vậy trong quá trình kết tinh, chi tiết dễ dàng co ngót, tránh được hiện tượng cản co Ngoài ra, sản phẩm của công nghệ mẫu tự thiêu có bề mặt đẹp,

độ chính xác cao, không bị biến dạng nhiều như khuôn sấy khô, thường được đưa vào sử dụng ngay nếu có thì qua nguyên công gia công rất ít nên hoàn toàn phù hợp yêu cầu của đề tài

3.2 Công nghệ mẫu tự thiêu :

3.2.1 Khái quát công nghệ mẫu tự thiêu:

Công nghệ mẫu tự thiêu được phát triển và cấp bằng phát minh vào những năm

1958 Mẫu đúc gắn với hệ thống rót được chèn chặt trong hỗn hợp định dạng bất kì bằng hệ thống hút chân không (có thể là cát không có chất liên kết, có thể là bi kim loại ) Trước khi rót kim loại lỏng vào khuôn, mẫu đúc không cần lấy ra Kim loại nóng chảy thông qua hệ thống rót đổ trực tiếp vào mẫu Dưới tác dụng nhiệt năng của kim loại lỏng, mẫu bị hoá hơi, tạo nên khoảng trống trong khuôn, kim loại lỏng điền đầy vào khoảng trống đó, tạo thành sản phẩm đúc có hình dáng đúng với hình dáng của mẫu đúc Với đặc điểm này công nghệ mang lại những ưu điểm nổi bật như : Nâng cao độ chính xác của các sản phẩm đúc do giảm được sai số trong thao tác làm khuôn làm ruột, và lắp ráp khuôn ruột Có thể tạo ra các sản phẩm đúc có hình dáng phức tạp, nhiều ngóc ngách mà không cần sử dụng ruột

Đơn giản hóa quá trình chế tạo khuôn cũng như quá trình tháo dỡ sản phẩm đúc sau khi đúc xong

Giảm chi phí gia công cơ khí sau đúc, chi phí cát làm khuôn…

Công nghệ mẫu tự thiêu có nhiều ưu điểm nhưng vì kĩ thuật công nghệ phức tạp, phụ thuộc nhiều vào hình dáng và khối lượng của sản phẩm đúc Trong quá trình đúc rót có phản ứng hóa lí phức tạp xảy ra giữa kim loại lỏng và các sản phẩm phân hủy của mẫu xốp Các sản phẩm này nếu không thoát ra ngoài khuôn trước khi kim loại lỏng điền đầy sẽ nằm lại trong khuôn, tạo thành các khuyết tật cho sản phẩm đúc như bọt khí, rỗ…

Tại Viện Công nghệ thuộc Tổng Công ty Máy Động lực và Máy Nông nghiệp – Bộ Công Thương công nghệ đúc bằng mẫu tự thiêu đã được nhập vào từ năm 1998 qua con đường chuyển giao công nghệ của Ucraina, công nghệ này dùng để chế tạo các sản phẩm có khối lượng nhỏ, thành mỏng như các phụ tùng ngành dệt, phụ tùng máy động lực như puly, trục khuỷu

Qua quá trình sản xuất và cải tiến hiện tại công nghệ này chủ yếu có hai phương pháp đó là rót đùn trên và rót đùn dưới :

- Rót đùn dưới lên luôn tạo hướng thoát khí thuận, tức là khí bốc hơi từ dưới lên trên, vì vậy khí dễ dàng thoát ra khỏi khuôn đi ra ngoài.Tuy nhiên rót đùn dưới lại khó tạo ra hiệu quả bù ngót cho các sản phẩm đúc thép có thành dày và khối lượng lớn

+ Ưu điểm của phương pháp này là không làm biến dạng mẫu đúc với các mẫu

có thành vách mỏng, đảm bảo độ chính xác hình học cho sản phẩm đúc Phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ

+ Nhưng trong trường hợp rót các vật đúc có thành dày, khối lượng lớn hoặc tăng sản lượng vật đúc trong một hệ thống rót, thì khối lượng khí sinh ra rất lớn Tốc

độ sinh khí lớn hơn lưu lượng hút khí của bơm hút chân không nên khí sinh ra không thoát ra ngoài kịp, gây cản trở cho quá trình điền đầy khuôn, tạo ra các khuyết tật cho vật đúc

- Sử dụng phương pháp điền đầy kim loại từ trên xuống Đây là phương pháp rót

có hiệu quả bù ngót rất cao, rất phù hợp với sản phẩm đúc cần bù ngót lớn, ví dụ như vật đúc có thành dày, khối lượng lớn, các vật đúc bằng thép, đồng

+ Phương pháp rót từ trên xuống cũng tăng được hiệu suất kim loại có ích Trong hòm khuôn chuyên dùng đường dẫn thoát khí được bố trí trên mặt đáy và toàn

bộ xung quanh thành hòm khuôn để tạo hướng đi cho khí cháy thoát ra theo hướng ra xung quanh và đi từ trên xuống dưới Lúc này hướng thoát khí thuận với hướng cấp kim loại lỏng, vì vậy khí thoát ra ngoài dễ dàng hơn

+ Bơm hút chân không sử dụng có lưu lượng hút khí từ 20- 30 m3/phút Với bơm hút chân không có lưu lượng hút khí lớn thì khí phân hủy thoát ra ngoài nhanh hơn Nhưng với những sản phẩm đúc có thành mỏng, khi tốc độ hút khí lớn cũng dễ

gây ra biến dạng mẫu Để khắc phục nhược điểm này công nghệ được trang bị van điều tiết trên đường ông hút, cùng với đó lựa chọn chất sơn mẫu cũng như công nghệ sơn mẫu phù hợp, nâng cao kĩ thuật chèn mẫu, chống biến dạng mẫu

3.2.2 Các quá trình xảy ra khi đúc rót

Khi kim loại nóng chảy được rót vào trong khuôn, mẫu bị phân hủy hình thành pha khí, do tác động tăng dần liên tục của áp suất trong ống rót, tốc độ dâng kim loại tăng và mẫu bị nóng chảy

Tại thời điểm này áp suất khí trong khuôn là lớn nhất Nếu độ thoát khí của hỗn hợp tạo khuôn thấp thì áp suất của khí sẽ đẩy kim loại trào ngược ra theo hệ thống rót, gây ra các khuyết tật đúc như là vật đúc không điền đầy, bị biến dạng và vỡ khuôn Do vậy độ thoát khí của khuôn phải tốt, kim loại lỏng phải được đưa liên tục vào khuôn

Do tác động nhiễu loạn của áp suất khí trong khuôn dẫn đến sau khi tốc độ cung cấp kim loại đạt giá trị cao nhất thì tốc độ cấp kim loại bắt đầu giảm đi Sự giảm tốc

độ cấp kim loại dẫn đến hình thành khe hở giữa mặt thoáng kim loại và mặt mẫu nóng chảy, lúc này diện tích đẩy khí ra thành khuôn tăng lên, tiếp đó, tốc độ nóng chảy của mẫu đạt tới giá trị lớn hơn so với tốc độ dâng của kim loại trong khuôn, áp suất trong khuôn từ từ giảm đi

Pha khí của sản phẩm phân hủy, dưới tác dụng của áp suất sẽ tiến dần tới các lỗ rỗng của hỗn hợp làm khuôn Trong quá trình lọc khí qua lỗ rỗng sẽ xảy ra hiện tượng tích hợp hơi trên bề mặt lớp cát tạo khuôn

Tuỳ theo mức độ làm nguội luôn chuyển động của hỗn hợp khí, sự tích tụ không đồng thời mà tương ứng theo nhiệt độ sôi của các chất trong sản phẩm phân hủy Sát với thành vật đúc là các chất có nhiệt độ sôi cao nhất, các chất nằm trong lỗ rỗng của vật liệu làm khuôn có nhiệt độ sôi thấp nhất [3]

3.2.3 Tính toán thiết kế

Tính toán hệ thống rót trong công nghệ đúc mẫu tự thiêu dựa vào tốc độ dâng tối ưu của kim loại trong khuôn (tham khảo bảng 2.3) và tiết diện đặc trưng của sản phẩm đúc ở trong thùng khuôn, vuông góc với hướng chuyển động của kim loại ở

trong khuôn Nếu như ở trong khuôn có bố trí nhiều mẫu trên cùng một hệ thống rót,

thì tiết diện đặc trưng là tổng tiết diện của từng sản phẩm gắn chung với hệ thống rót

đó

Suất tiêu hao thể tích kim loại trong gầu rót được xác định:

Q = FVĐ VKL (3)

FVĐ – tiết diện đặc trưng của sản phẩm đúc (tính toán từ bản vẽ thiết kế)

VKL – tốc độ dâng kim loại

Sự tính toán hệ thống đúc phải đảm bảo sao cho toàn bộ các tiết diện của sản

phẩm đúc được điền đầy với tốc độ gần sát với tốc độ tối ưu Trong trường hợp này

cho phép tồn tại độ lệch khỏi tốc độ tối ưu ở trong quá trình rót khuôn đúc là (30 -

40%) Các giá trị giới hạn tốc độ tương ứng với giá trị lớn nhất cho phép (tham khảo

bảng 4)

Theo giá trị đã tìm được Q chúng ta xác định được kích thước bát rót và

độ cao của ống đậu rót đứng

Kích thước đường kính lỗ của bát rót dϕ(cm):

gh

V F d

gh

Q d

KL VD

2 785 , 0

.

2 785 , 0

µ ϕ

µ ϕ

Độ dầy, cạnh vách ngăn Tối ưu Cao nhất cho phép

của sản phẩm đúc, mm Gang Thép Gang Thép

Kích thước của ống rót (diện tích cắt ngang của ống, cm2) F rot

) (

.

d VD KL

VD rot

h h

G n

hVD - chiều cao vật đúc (cm)

hd - chiều cao dư của ống rót (cm) Diện tích của tiết diện cắt ngang của ống đậu dẫn Fdan được chúng ta lấy tùy thuộc vào cấu trúc của sản phẩm đúc và độ dày của nó

Đối với các sản phẩm đúc có kích thước lớn và hình dáng đơn giản:

∑Fdan = 0,5 Frot, (6) Đối với các sản phẩm đúc có thành mỏng và hình dáng phức tạp thì:

∑Fdan = Frot, (7) Còn trong các trường hợp khác thì lấy:

∑Fdan = 1,5 Frot (8)

Từ tốc độ đã biết của sự dâng cao kim loại lỏng trong khuôn VKL và từ độ cao

hVD của sản phẩm đúc chúng ta xác định thời gian (tính bằng s) để rót kim loại lỏng vào khuôn:

Tiếp đó theo thời gian đã biết được của quá trình đúc và theo khối lượng GVDcủa sản phẩm đúc chúng ta xác định tốc độ toàn phần đổ khuôn kim loại (kg/s):

3.2.4 Đặc điểm của khuôn làm từ cát khô không liên kết:

Phương pháp sản xuất đúc bằng công nghệ mẫu tự thiêu dùng hạt vật liệu chịu nhiệt để tạo khuôn được phát minh từ năm 1968 tại Anh

Khi đúc bằng công nghệ mẫu tự thiêu, khuôn được làm chặt tới mức giới hạn

để không xảy ra sự biến dạng dư dưới tác dụng của áp suất thủy lực của kim loại lỏng

do vậy giữ nguyên hình dạng mẫu đúc Trong hệ thống kim loại lỏng – mẫu – khuôn thì vật liệu làm khuôn tác dụng lực lên mẫu, còn kim loại lỏng lại tác động lên vật liệu làm khuôn

Sự cân bằng vị trí của hạt rời rạc phụ thuộc vào lực ma sát, lực ma sát lại phụ thuộc vào góc ma sát Góc ma sát lại phụ thuộc vào tỉ trọng của cát chèn, hình dáng hạt và thành phần khoáng của nó.Cát thạch anh là vật liệu lý tưởng cho công nghệ này

Các tính chất như: cấu trúc, cơ tính, thành phần hóa học, hình dáng và kích thước hạt cũng như độ ẩm của hạt đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của vật liệu khuôn (tức là làm chặt và thoát khí tốt) Nếu như trong cát thạch anh có lẫn thành phần đất sét thì độ thông khí của hỗn hợp bị giảm đi đáng kể, đồng thời khả năng tự lèn chặt khi rung lắc cũng bị giảm đi

3.3 Cát thạch anh

Là loại vật liệu chủ yếu đáp ứng được yêu cầu và điều kiện làm việc của khuôn đúc đồng thời đảm bảo các tính chất kinh tế có sẵn Các hạt có kích thước và hình dạng nhất định có độ đồng đều cao Thành phần cát gồm có:

) 9 ( h

GVD

tp

3.3.1 Thành phần khoáng:

Thành phần khoáng chủ yếu của cát là Thạch anh Ngoài ra trong cát còn có nhiều khoáng khác như: sét, mica, các oxit…Thạch anh là hợp chất hoá học của SiO2, có cấu trúc ô mạng cơ bản là hình tứ diện mà tâm là ion Si+4, có đỉnh là bốn ion O-2

Thạch anh có:

- Khối lượng riêng bằng 2500 ÷ 2800 kg/m3

- Độ cứng là 7 Mo (độ cứng của khoáng được đo theo thang Mo mà độ cứng lớn nhất là của kim cương bằng 10 Mo)

- Nhiệt độ nóng chảy ở 1713oC

- Độ dẫn nhiệt là 0,016 cal/cm.s.oC

Hình 4 Cấu trúc của cát Thạch anh [6]

Tuy nhiên độ dẫn nhiệt của cát Thạch anh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

độ ẩm, độ sít chặt, khối lượng riêng, cấu tạo hạt cát, hàm lượng sét trong cát…

Cát có màu vàng trắng nâu hay đen phụ thuộc vào các ion kim loại hấp phụ trên bề mặt hạt cát Khi nung nóng và làm nguội Thạch anh có chuyển biến thù hình theo sơ đồ sau [5]: