tổng quan về đúc mẫu chảy doc

Hốc khuôn đúc được tạo từ mẫu bằng sáp hoặc các loại vật liệu có thể nung chảy ở nhiệt độ thấp.. Vì hốc khuôn được tạo thành từ mẫu đơn và không có công đoạn rút mẫu khỏi khuôn như đúc t

I. TỔNG QUAN VỀ ĐÚC MẪU CHẢY

Đúc mẫu chảy là một trong những phương pháp chế tạo cổ xưa nhất Cách đây 5000 năm, người Ai Cập dưới thời các vị vua Pharaohs đã dùng phương pháp này để chế tạo trang sức bằng vàng Phương pháp này được dùng để chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp, khó gia công với độ chính xác cao

Hốc khuôn đúc được tạo từ mẫu bằng sáp hoặc các loại vật liệu có thể nung chảy ở nhiệt độ thấp Mẫu được nhúng vào hỗn hợp huyền phù chịu lửa (tương) để tạo lớp mỏng huyền phù trên bề mặt mẫu, sau đó rắc cát lên bề mặt lớp mỏng để tạo lớp vỏ Kế đến sấy khô lớp vỏ rồi tiếp tục tạo lớp vỏ kế tiếp Quá trình tạo lớp vỏ và sấy cứ tiếp tục cho đến khi khuôn đủ độ dày cần thiết Sau đó, cả bộ khuôn và sáp được đặt vào lò để nung tách sáp Vì hốc khuôn được tạo thành từ mẫu đơn và không có công đoạn rút mẫu khỏi khuôn (như đúc trong khuôn cát thông thường) nên phương pháp này có thể đúc chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp Mẫu sáp có thể được chế tạo từ phương pháp ép phun hoặc từ tạo mẫu nhanh

Huyền phù là hỗn hợp của thạch cao (chất kết dính) và bột cát thạch anh (chất chịu lửa) nếu đúc hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp Nếu đúc hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao, hỗn hợp huyền phù gồm sillimanite hoặc bột zircon (chất chịu lửa) và silica (chất kết dính) Tùy vào mức độ nhẵn của hốc khuôn mà thêm vào sillimanite và ethyl silicate cho phù hợp Thành phần của huyền phù thay đổi từ lớp vỏ trong ra ngoài Khuôn có thể được dùng trực tiếp để đúc những chi tiết nhẹ (đúc vỏ mỏng) hoặc được đặt vào khuôn lớn, bao phủ bằng cát để đúc những chi tiết lớn hơn (đúc khuôn cát)

Trước khi rót kim loại vào, khuôn cần được nung lên 900 - 1000ºC để loại bỏ hết sáp dư, làm cứng chất kết dính Ngoài ra, nung khuôn còn giúp

kim loại lỏng điền đầy khuôn hoàn toàn Quá trình rót có thể được hỗ trợ bởi áp suất, chân không hoặc đơn giản là rót dưới điều kiện thường Cần chú ý đến vấn đề thoát khí khi rót với sự hỗ trợ của áp suất

Dung sai khoảng 0,5% chiều dài và khoảng 0,15% chiều dài cho các kích thước nhỏ Vật đúc có thể nặng từ vài gam đến 35kg, trong đó,

khoảng khối lượng thường gặp là 200g – 8kg Chiều dày thành mỏng nhất 0,5mm – 1mm

Hợp kim đúc khá đa dạng, gồm: nhôm, đồng, thép dụng cụ, thép không rỉ, hợp kim Xten-lit (hợp kim của W, Mo, Co, Cr), hastelloy (hợp kim của Ni, Cr, Mo) và kim loại quý Chi tiết đúc mẫu chảy thường không cần gia công lại

Phương pháp đúc mẫu chảy (LOST WAX CASTING) thường được ứng dụng để đúc các chi tiết có hình dáng đặc biệt và phức tạp, khó gia công như thân động cơ ô tô, đồ trang trí, và ứng dụng quan trọng nhất của phương pháp này là trong ngành hàng không, vũ trụ và trong quân sự, dùng để đúc các động cơ phản lực, tuabin, cánh máy bay và các chi tiết của xe tăng, của các loại vũ khí và thiết bị dùng trong quân đội,

II. QUY TRÌNH ĐÚC MẪU CHẢY

– Thiết kế và chế tạo khuôn ép mẫu

– Sử dụng khuôn ép đã chế tạo để ép mẫu, hệ thống rót bằng vật liệu dễ chảy

– Lắp ghép mẫu và hệ thống rót thành chùm gọi là chùm mẫu hoặc nhánh cây Khi lắp ghép phải đảm bảo dòng chảy kim loại trong khuôn êm, dễ dàng điền đầy hốc khuôn

– Tạo lớp vỏ khuôn bằng cách nhúng nhánh cây vào một dung dịch huyền phù gồm có chất dính và bột chịu lửa, rắc 1 lớp cát lên bề mặt mẫu và sấy khô Quá trình nhúng huyền phù – rắc cát – sấy khô được lặp lại nhiều lần tuỳ theo kích thước và yêu cầu của chi tiết đúc Trước khi nhúng mẫu vào

dung dịch huyền phù phải làm sạch dầu nhớt bôi khuôn khỏi bề mặt mẫu,

có thể phủ thêm một lớp chất trung gian để làm giảm sức căng bề mặt giữa dung dịch huyền phù và mẫu, tăng khả năng bám dính của dung dịch lên mẫu Dung dịch huyền phù phải được khử bọt khí cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của bề mặt vật đúc Ngoài ra còn có cách chế tạo khuôn khối bằng cách cho chùm mẫu vào hòm khuôn, đổ hỗn hợp làm khuôn rồi tiến hành rung lèn chặt

– Nung chảy mẫu khỏi khuôn

– Nung khuôn đến nhiệt độ cao để thiêu kết tạo vỏ gốm Quá trình nung này còn tạo các khe nứt tế vi trong vỏ khuôn để tăng độ thông khí cho khuôn, đuổi hết vật liệu làm mẫu, hơi nước và các chất sinh khí khác ra khỏi khuôn

– Rót khuôn ngay sau khi nung

– Phá khuôn, cắt vật đúc ra khỏi nhánh cây và làm sạch vật đúc

Hình 1 :Sơ đồ quy trình đúc mẫu chảy

Trong qui trình đúc khuôn mẫu chảy quan trọng nhất là vật liệu chế tạo mẫu và dung dịch huyền phù

III. Nguyên tắc thiết kế đúc mẫu chảy

Thiết kế đúc mẫu chảy là cơ sở để hình thành bản thiết kế hợp lý, đảm bảo khả năng sản xuất được và tuổi thọ của chi tiết

a Các nguyên tắc chung đối với chi tiết đúc mẫu chảy

Chi tiết hình dạng phức tạp, khó gia công có thể được sản xuất nhanh

và tiết kiệm bằng phương pháp đúc này Trong nhiều trường hợp, chi tiết gồm nhiều phần riêng biệt có thể được gom thành một chi tiết duy nhất nhằm loại bỏ các nguyên công lắp ráp

Cho phép lựa chọn kim loại và hợp kim đúc trong khoảng rộng (tham khảo bảng 1)

Một cách lý tưởng, quyết định dùng phương pháp đúc mẫu chảy để chế tạo chi tiết có thể được cân nhắc ngay từ khâu thiết kế Khi thiết kế đúc mẫu chảy, cần xem xét đồng thời khả năng chế tạo khuôn ép sáp và khuôn

vỏ

Sáp được ép vào khuôn do đó yêu cầu sử dụng mặt phân khuôn phẳng, đúng vị trí; bản thiết kế thích hợp và tránh các ba via

Nên dùng các góc lượn và bán kính lớn để làm chi tiết đẹp và bền hơn

 Bề dày thành nhỏ nhất

Bề dày thành vật đúc nhỏ nhất được quyết định trước tiên bởi độ chảy loãng của hợp kim Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào chiều dài của tiết diện liên quan Nếu tiết diện dài thì thành phải dày hơn

Bảng 1: Bề dày thành nhỏ nhất cho các hợp kim đúc mẫu chảy

Hợp kim Bề dày thành nhỏ nhất (mm)

Thép hợp kim thấp 1,5

 Độ phẳng và độ thẳng

Sai lệch về độ thẳng và độ phẳng giảm được bằng cách dùng kết hợp các gân và miếng đệm liên kết trong chi tiết

Do sự co của mẫu sáp, khuôn và kim loại trong quá trình đông đặc nên vật đúc có xu hướng bị lõm co ở bề mặt có độ dày lớn Lõm co có thể được giảm thiểu bằng cách đồng đều hóa bề dày thành của chi tiết (Hình 2)

Hình 2: Giữ bề dày thành đều để tránh lõm

 Bán kính

Dù đúc được nhưng các góc nhọn nên được bo tròn Góc lượn và bán kính lớn tạo điều kiện thuận lợi cho kim loại điền đầy khuôn, giúp vật đúc có kích thước chính xác và chất lượng tốt hơn (hình 3) Bán kính góc lượn tối thiểu là 0,75mm, trong một số trường hợp là 1,5-3mm

Hình 3: Nên dùng các bán kính và góc lượn

 Các bề mặt cong

Cả bề mặt lồi và lõm đều đúc được dễ dàng Tuy nhiên, bề mặt lõm đúc được chính xác hơn vì khi đông đặc và co, kim loại có khuynh hướng ôm lấy thay

vì tách rời khỏi vỏ khuôn

 Các tiết diện song song

Chi tiết có tiết diện song song có thể chia ra làm 2 nhóm chính: (1) dạng chạc ba và (2) dạng kẹp vòng Mỗi nhóm có những khó khăn riêng khi đúc

Trong hình 4, T là độ dày, L là độ dài mỗi nhánh và W là chiều rộng khe giữa hai nhánh chạc ba Khi T tăng, W cũng phải tăng theo để hỗn hợp làm khuôn

có thể đi vào khe giữa hai nhánh chạc ba

Độ dày T (mm)

Chiều rộng nhỏ nhất

W (mm)

6 2,4

Hình 4: Mối liên hệ giữa W và T của chi tiết dạng chạc ba

Đối với chi tiết dạng kẹp vòng (hình 5), chiều rộng W nhỏ nhất đối với

gang thép là 1,5mm và kim loại màu là 1,0mm

Hình 5: Chi tiết dạng kẹp vòng

 Tiết diện dạng chìa khóa và rãnh ổ khóa

Đối với chi tiết dạng này, để đảm bảo tính đúc, cần đảm bảo tỉ số giữa chiều rộng và chiều cao ≥ 1 Ngoài ra, chiều rộng then tối thiểu là 2,3mm cho gang thép và 1,5mm cho kim loại màu

Hình 6: Chi tiết dạng chìa khóa và rãnh ổ khóa

Trong đó: W là chiều rộng, D là chiều cao

 Lỗ

Để đảm bảo khả năng đúc được, đường kính lỗ nên ≥ 1,5mm cho vật đúc kim loại màu và ≥ 2,2mm cho vật đúc gang thép

 Lỗ kín

Không nên đúc lỗ kín vì nếu thợ làm khuôn không cẩn thận có thể gây ra bọng khí dẫn đến hình thành các khối bi tròn bên trong lỗ sau đúc Ngoài ra, chiều sâu lỗ lớn khiến khó rút mẫu sáp, từ đó gây khuyết tật bên trong lỗ Tuy nhiên, nếu quá cần thiết, có thể đúc lỗ kín với chiều sâu không lớn hơn đường kính lỗ

 Lỗ suốt

Trong nhiều trường hợp đúc lỗ suốt mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với đúc đặc rồi gia công lỗ Thêm vào đó, lỗ suốt giúp chiều dày thành vật đúc đồng đều, từ đó tránh hiện tượng lõm bề mặt, rỗ bên trong Dung sai cho lỗ

suốt giống như lỗ kín Tỷ lệ giữa chiều dài (L) và đường kính (D) của lỗ suốt

không nên vượt quá 4:1 cho gang, thép và 5:1 cho hợp kim đồng, nhôm

 Ruột gốm

Ruột gốm được dùng để tạo phần không gian phức tạp bên trong vật đúc mẫu chảy Ruột gốm đặc biệt cần thiết khi đúc cánh tua bin phức tạp hoặc ren trong của hợp kim khó gia công Sau khi đúc xong, ruột gốm được lấy ra Do

đó, phần kết cấu khuôn mẫu cho chi tiết có ruột gốm cần đảm bảo đỡ được ruột gốm khi ép sáp vào khuôn

 Độ xiên thành

Dù độ xiên thành không phải là vấn đề trong đúc mẫu chảy nhưng nên thêm một lượng nhỏ độ xiên thành (khoảng 1/4 – 1/2o) để đảm bảo việc rút mẫu sáp khỏi khuôn ép

Hình 7: Nên có độ xiên thành để dễ rút mẫu sáp khỏi khuôn

 Ren vít

Ren vít, cả trong lẫn ngoài, có thể được đúc trực tiếp Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, kết quả ren từ gia công vẫn tốt hơn đúc Lý do chính:

- Ren đúc thường được làm tinh sau khi đúc để có được bề mặt nhẵn với kích thước chính xác hơn

- Rất khó tạo tiết diện ren cho mẫu sáp hoặc mẫu nhựa Nếu đúc ren trong, lỗ ren phải là lỗ suốt để dễ làm sạch vật đúc

 Khía trên bề mặt (undercut)

Các khía trên bề mặt không ảnh hưởng đến quá trình đúc nhưng lại có nhiều ảnh hưởng trong quá trình tạo mẫu sáp và cần tránh nếu có thể

b Các nguyên tắc về kích thước

Kim loại co ngót đông đặc là nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự chính xác kích thước vật đúc mẫu Mẫu sáp, vật liệu làm khuôn, và hợp kim đúc có độ co khác nhau Mặc dù theo lý thuyết có thể ước lượng được các giá

trị này nhưng giá trị trong thực tế thường khác với giá trị lý thuyết và ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước vật đúc Ảnh hưởng của co ngót sẽ rõ rệt đối với các vật đúc có thành quá dày hay không đồng đều Lượng dư bù co thông thường giữa mẫu sáp và chi tiết cuối cùng cho từng phương pháp đúc như sau:

- Phương pháp khuôn vỏ mỏng: 1,6 – 1,7 %

- Phương pháp khuôn cát: 1,1 %

Các yếu tố ảnh hưởng xấu đến việc kiểm soát kích thước là:

- Biến đổi nhiệt độ khi rót

- Độ chảy loãng của hợp kim đúc

- Biến đổi kích thước mẫu và khuôn ép mẫu

- Cong vênh mẫu trong quá trình thao tác

- Khuôn gốm bị nứt và các biến đổi khác

- Mẫu sáp co và lún theo thời gian

c Dung sai

Dung sai khuyến khích cho góc, kính thước dài nói chung, độ tròn, mặt phẳng được thể hiện ở hình 8 và bảng 2 và bảng 4

Hình 8: Dung sai cho góc: (a) góc mở A (± 1,5o);

(b) góc giữa hai mặt B (± 0,5oC); (c) song song (± 2,0o)

Bảng 2: Dung sai cho kích thước dài nói chung

13 – 25 ± 0,4 ± 0,13

Bảng 3: Độ không tròn đối với tiết diện tròn, dạng ống

Tiết diện đặc Đường kính danh nghĩa (mm) Độ không tròn khuyến khích (mm)

Tiết diện dạng ống tube Đường kính ngoài (mm) Độ không tròn khuyến khích (mm)

Bảng 4: Dung sai cho độ phẳng và độ thẳng

Chiều dài của tiết diện (mm) Độ lệch cho phép

d Các nguyên tắc về thiết kế đúc

 Các nguyên tắc về hệ thống rót

Hệ thống rót là một phần của hốc khuôn để dẫn kim loại vào vật đúc Hệ thống rót giúp kiểm soát dòng kim loại vào khuôn Các yêu cầu cho hệ thống rót:

- Tốc độ và hướng dòng chảy phải đảm bảo cho vật đúc được điền đầy hoàn toàn trước khi xảy ra quá trình đông đặc

- Dòng chảy phải êm, ít xoáy cuộn để hạn chế các hiện tượng “bẫy khí”, oxi hóa và xói mòn khuôn

- Phân bố nhiệt độ trong vật đúc cần đảm bảo thuận lợi cho quá trình đông đặc, kết tinh

- Có thể dùng thêm mạng lọc để lọc xỉ, tạp chất

Khi thiết kế hệ thống rót cần tính đến trọng lượng và hình dạng vật đúc,

độ chảy loãng và khả năng oxi hóa của hợp kim Dù có nhiều kiểu hệ thống rót nhưng chung quy lại, chúng cần đảm bảo yêu cầu tiết kiệm kim loại, giảm chi phí làm khuôn và làm sạch vật đúc sau này

Hệ thống rót trong đúc mẫu chảy thường có dạng nhánh cây với chiều cao ống rót (nhánh chính) lớn Do đó, kim loại lỏng rót vào khuôn dễ bị bắn tóe và tạo thành dòng xoáy Hiện tượng này làm gia tăng nguy cơ xói mòn khuôn, oxi hóa dòng chảy Để giảm thiểu hiện tượng này, đáy ống rót nên có dạng chỏm cầu

Nếu có thể, bề mặt ống rót nên có được vát nghiêng Tác dụng của bề mặt nghiêng này là giảm xoáy cuộn, giúp ống rót đầy

Đối với vật đúc thép, nên rót vào thành dày để tạo đông đặc có hướng

 Các nguyên tắc về quá trình đông đặc

Trái với các phương pháp đúc thông thường, quá trình đông đặc trong đúc mẫu chảy phụ thuộc nhiều vào hai hiện tượng truyền nhiệt bức xạ và đối lưu Do đó, cần lưu ý điểm này khi thiết kế chùm mẫu Nguyên tắc chung:

- Để tạo đơng đặc cĩ hướng nên rĩt kim loại lỏng vào thành dày và hướng thành dày về phía nhánh chính Cách làm này một mặt giúp kim loại chỗ rĩt vào cĩ nhiệt độ cao mặt khác tận dụng được nhiệt bức xạ từ nhánh chính để duy trì nhiệt độ cao tại thành dày Từ đĩ làm tăng hiệu quả bù ngĩt

- Tùy vào dạng vật đúc mà quyết định chế độ làm nguội Ví dụ, đối với vật đúc cĩ thành mỏng thì khơng nên dùng quạt thổi (đối lưu cưỡng bức) để làm nguội (nếu thực hiện sẽ tăng nguy cơ nứt nĩng, cong vênh…); thay vào

đĩ nên dùng các chụp hoặc bột phát nhiệt để giúp vật đúc nguội chậm

- Nên cĩ khoảng cách hợp lý từ vật đúc đến nhánh chính Nếu được bố trí quá gần nhánh chính thì vật đúc cĩ nhiều nguy cơ xuất hiện rỗ ngĩt, cong vênh vì nhiệt bức xạ Nếu vật đúc được bố trí quá xa thì gây lãng phí kim loại

- Hiệu ứng gĩc nhọn cĩ ảnh hưởng rất mạnh đến thời gian đơng đặc Trong đĩ, hiệu ứng dương (gĩc nhọn hướng vào kim loại) cĩ tác dụng làm tăng thời gian đơng đăc; hiệu ứng âm (gĩc nhọn hướng vào khuơn) cĩ tác dụng làm giảm thời gian đơng đặc

Sử dụng các định hướng và nguyên tắc trên kết hợp cùng cơng cụ mơ phỏng sẽ cho phương án đúc hợp lý

IV. Các khuyết tật thường gặp

không đạt yêu cầu, miệng rót của chi tiết được thiết kế nhỏ và có thể đặt không đúng chỗ hoặc ít miệng rót Tớc đợ rót chậm, nhiệt đợ nung khuơn thấp so với yêu cầu đặt ra, hướng ráp mẫu không đúng làm cho dòng kim loại lỏng khó điền đầy lòng khuôn, và cũng có thể do các đường đẫn kim loại hoặc các nhánh cây nhỏ không đủ cho lượng kim loại lỏng chảy vào lòng khuôn

 Bọt khí: Do nhiệt độ nung khuôn quá cao dẫn đến khí hòa tan nhiều vào

bên trong kim loại lỏng, độ thoát khí của khuôn không tốt, chất khử khí cho vào kim loại không đạt yêu cầu, miệng rót của mẫu ngắn cũng có thể dẫn đến bọt khí do kim loại đông đặc trước khi khí thoát ra khỏi lòng khuôn của chi tiết, đường dẫn từ các nhánh cây có gắn mẫu đến nhánh cây chính ở phía trên gần miệng rót quá ngắn cũng có thể sinh ra bọt khí

do khí thoát lên miệng rót chưa kịp trước khi kim loại đông đặc Ngoài ra bọt khí cũng có thể là do hướng ráp nhánh không tạo cho dòng kim loại lỏng dễ chảy vào lòng khuôn của chi tiết

trong kim loại lỏng còn nhiều tạp chất, cát, , do thùng rót có nhiều tạp chất mà ta vệ sinh không kỹ như hạt bột của chất tré thùng rót, trong sáp làm mẫu và sáp làm nhánh cây đôi khi có cát và các tạp chất trong đó cho nên còn đọng lại trong lòng khuôn, đáng lưu ý nhất là sáp làm nhánh cây

do sáp này là sáp hỗn hợp được tái sử dụng từ các loại sáp trước

Một việc cũng khá quan trọng là cát rơi vào khuôn trong quá trình lưu trữ, cho nên trong quá trình lưu trữ khuôn, các khuôn phải được đặc miệng rót luôn úp xuống ở những nơi sạch sẽ và khô ráo

- Do vỏ khuôn được làm khô không tốt nên lớp vỏ khuôn còn yếu, dễ bị

xì trong khi rót kim loại ở nhiệt độ cao, do kỹ thuật nhúng khuôn chưa đạt yêu cầu nên vỏ khuôn bị yếu

- Do chi tiết có những lỗ nhỏ, rãnh nhỏ khó phủ đầy đủ các lớp cát cho nên lớp vỏ khuôn bị mỏng và bị yếu ngay tại đó cũng có thể dẫn đến

xì khuôn

- Do nhiệt độ nung khuôn quá cao dẫn đến khuôn bị giòn, dễ bị xì và bể khuôn trong khi rót kim loại

- Cách ráp mẫu quá khít nhau làm cho lớp cát giữa hai mẫu mỏng cũng

dễ làm xì khuôn trong khi rót kim loại hoặc hướng ráp mẫu làm cho