Báo cáo khoa học Nghiên cứu công nghệ đúc chính xác không gây ô nhiễm môi trường bằng phương pháp màng mỏng chân không trong khuôn cát không dùng chất dính kế

-Thế hệ khuôn thứ ba: Hỗn hợp làm khuôn chỉ có cát, không dùng chất dính và dùng các phương pháp vật lý từ, chân không … để giữ các hạt cát khô nằm cố định trong khuôn khi rót; đúc xong

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC CHÍNH XÁC KHÔNG GÂY Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÀNG MỎNG CHÂN KHÔNG TRONG KHUÔN CÁT KHÔNG DÙNG CHẤT DÍNH KẾT

TP HỒ CHÍ MINH

09/2007

Đơn vị công tác Nhiệm vụ

1 Nguyễn Ngọc Hà GVC-TS Đúc-luyện

kim

Khoa CNVL- ĐHBK TP.HCM

8 Lê Phương Thu Kỹ sư CN vật liệu Khoa CNVL- ĐHBK

TP.HCM

Cộng tác viên

khoa công nghệ

Cộng tác viên

Phần 1: Mở đầu

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 1

1.1.1 Một số so sánh giữa các phương pháp đúc 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu 6

1.2 Các bước cơ bản của công nghệ đúc trong khuôn màng mỏng chân không 7

1.3 Ưu nhược điểm chính của công nghệ đúc trong khuôn màng mỏng chân không 12

1.3.1 Ưu điểm 12

1.3.2 Nhược 12

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khuôn màng mỏng chân không 13

1.5 Mục tiêu của đề tài 14

Phần 2: Nội dung nghiên cứu 2.1 Cát làm khuôn 16

2.1.1 Thành phần khoáng và hàm lượng sét trong cát 16

2.1.2 Thành phần độ hạt 17

2.1.3 Hình dạng hạt cát 18

2.1.4 Nhận xét 20

2.2 Nghiên cứu chế độ rung lèn chặt 21

2.2.1 Nội dung nghiên cứu 21

2.2.2 Thiết bị thí nghiệm 21

2.2.3 Khảo sát mật độ cát ở các chế độ rung lèn chặt khác nhau 22

2.2.4 Khảo sát sự phân bố lại độ hạt theo chiều cao hòm khuôn sau khi rung 24

2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ chân không đến độ bền của khuôn màng mỏng chân không 30

2.3.1 Liên kết trong khuôn màng mỏng chân không 30

2.3.2 Ảnh hưởng của độ chân không đến độ bền của khuôn 30

2.3.3 Sự phân bố chân không trong khuôn màng mỏng chân không 31

2.3.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến việc phân bố chân không trong khuôn 33

2.3.7 Xử lý kết quả thực nghiệm 45

2.3.8 Bàn luận kết quả 48

2.4 Nghiên cứu chất sơn màng cho khuôn màng mỏng chân không 50

2.4.1 Mở đầu 50

2.4.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 55

2.4.3 Thực nghiệm 64

2.4.4 Xử lý kết quả thực nghiệm 68

2.4.5 Bàn luận kết quả 69

2.4.6 Đúc thử hợp kim nhôm 70

2.5 Nghiên cứu khả năng biến dạng của màng 71

2.5.1 Mở đầu 71

2.5.2 Phương pháp nghiên cứu 73

2.5.3 Kết quả thực nghiệm 77

2.5.4 Xử lý kết quả thực nghiệm 78

2.5.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm 81

2.5.6 Thử nghiệm làm khuôn 82

2.6 Nghiên cứu tốc độ rót khuôn 86

2.6.1 Mở đầu 86

2.6.2 Thực nghiệm 86

2.6.3 Bàn luận kết quả thực nghiệm 87

2.7 Thiết kế, chế tạo và lắp đặt trang thiết bị 89

2.7.1 Mở đầu 89

2.7.2 Hệ thống cấp chân không 89

2.7.3 Hòm khuôn 91

2.7.4 Tấm mẫu 93

2.7.5 Thiết bị rung 97

2.7.6 Thiết bị nung màng 98

2.7.7 Chế tạo khuôn đúc và vật đúc 99

2.8 Đánh giá chất lượng vật đúc 101

Phụ lục 1 111 Phụ lục 2

Phụ lục 3

PHẦN 1

MỞ ĐẦU

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ

TÀI

1.1.1 Một số so sánh giữa các phương pháp đúc

Đúc là quá trình rót kim loại lỏng vào khuôn đã được tạo hình trước để tạo ra sản

phẩm đúc Cho đến hiện nay, đúc vẫn là một trong những phương pháp tạo phôi

quan trọng nhất Căn cứ vào vật liệu làm khuôn đúc ta có các phương pháp đúc

trong khuôn cát và các phương pháp đúc trong khuôn kim loại Do những đặc điểm

riêng có của mình, đúc trong khuôn cát vẫn giữ vai trò quan trọng trong sản xuất

đúc

Căn cứ vào phương pháp tạo mối liên kết giữa các hạt cát trong khuôn, có thể

chia khuôn cát trong sản xuất đúc ra ba thế hệ khuôn:

-Thế hệ khuôn thứ nhất: Dùng lực cơ học dầm chặt hỗn hợp dẻo dính để tạo nên

khuôn, khuôn đạt độ bền không cao (khuôn cát – sét) Thế hệ khuôn thứ nhất tồn tại

từ hàng ngàn năm nay và hiện vẫn còn sử dụng nhờ một số ưu điểm của nó

-Thế hệ khuôn thứ hai: Dùng các phản ứng hóa học tạo lực liên kết giữa các hạt cát

và chất dính, khuôn đạt độ bền rất cao (khuôn cát – nhựa, khuôn cát – dầu …) Thế

hệ khuôn thứ hai bắt đầu xuất hiện từ thập niên 40 và cực thịnh ở các thập niên 60,

70, 80 của thế kỷ 20ø nhưng hiện nay một số công nghệ thuộc thế hệ khuôn này dần

ít được sử dụng do những đặc điểm tiêu cực về môi trường của chúng

-Thế hệ khuôn thứ ba: Hỗn hợp làm khuôn chỉ có cát, không dùng chất dính và dùng

các phương pháp vật lý (từ, chân không …) để giữ các hạt cát khô nằm cố định trong

khuôn khi rót; đúc xong phá dỡ khuôn dễ dàng, cát được sử dụng lại hầu như hoàn

toàn Thế hệ khuôn thứ ba bắt đầu được nghiên cứu từ thập niên 70 của thế kỷ 20 và

được dự báo sẽ dần thay thế hai thế hệ khuôn trên Tiêu biểu cho thế hệ khuôn này

là khuôn từ và khuôn màng mỏng – chân không

Bảng 1.1 : So sánh một số đặc điểm của các thế hệ khuôn cát [14]:

Thế hệ khuôn 1 2 3

-Chất dính

-Phương pháp tạo liên kết

-Khả năng tạo hình

-Tính chịu co bóp

sét

cơ xấu xấu

hóa chất hóa trung bình→tốt xấu→trung bình

không có lý tốt tốt -Trang thiết bị

-Diện tích sản xuất

-Phá dỡ khuôn

phức tạp lớn khó

phức tạp trung bình khó→dễ

đơn giản hơn nhỏ rất dễ -Vốn đầu tư

-Giá thành

lớn cao

trung bình→ lớn

cao

nhỏ thấp -Tiếng ồn

-Bụi

-Khí độc

-Rung

-Ô nhiễm nước

-Chất thải rắn

nhiều nhiều trung bình mạnh trung bình nhiều

trung bình→ ít trung bình→ nhiều trung bình→ nhiều

ít nặng nhiều

rất ít trung bình→ rất ít

rất ít rất ít không rất ít

Dưới đây là một số so sánh về một số chỉ tiêu giữa các phương pháp đúc [10]:

♦Tuổi thọ của trang bị mẫu – hòm khuôn :

Khuôn kim loại

♦Chi phí cho thiết bị :

Khuôn cát sét Màng mỏng

-Chân không

Khuôn kim loại

Mẫu hoá khí Đúc áp lực

Khuôn kim loại

Khuôn cát - sét

Đúc áp lực Mẫu hóa khí

♦Độ bóng bề mặt :

Khuôn cát sét

Khuôn kim lọai

Màng mỏng - Chân không

Mẫu hóa khí Đúc áp lực

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

♦Dung sai kích thước :

Khuôn cát sét

Khuôn kim loại

♦Mức độ khó dễ trong việc thay đổi kỹ thuật :

Đúc áp Khuôn kim Mẫu hóa Màng mỏng - chân

1.1.2 Tình hình nghiên cứu

a Tình hình nghiên cứu trong nước

Không có

b Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Năm 1971 Y.Kubo và K.Nakata tìm ra công nghệ này và thông báo phát minh

năm 1972 với tên gọi là Phương pháp V (V-process)

Tháng 06/1973 Nhật đã đưa vào sản xuất dây chuyền làm khuôn tự động theo

phương pháp V có kích thước hòm khuôn 600 x 600 x 150 mm với năng suất 90

khuôn/ giờ và sau đó là dây chuyền có năng suất 40 khuôn/giờ cho hòm khuôn có

kích thước 1370 x 990 x 940 mm

Từ năm 1973 ÷ 1978 Nhật đã cấp 98 licence liên quan đến phương pháp đúc này

Năm 1983 sản lượng đúc theo phương pháp này ở Nhật đã vượt quá 100.000 tấn,

bao gồm: 89.000 tấn gang, 8.000 tấn thép, 8.000 tấn hợp kim màu

Năm 1986 sản lượng đúc theo phương pháp này ở Liên xô khoảng 2.000 tấn và

đến năm 1990 đã đạt 28.000 tấn

Năm 1986 Xí nghiệp Pont – a – Mousson (Pháp) đã xây dựng Xưởng đúc có năng

suất 100 khuôn (≈25 tấn) / ca, có thể đúc được vật đúc nặng tới 500 kg

Từ thập niên 80 của thế kỷ 20 cho đến nay công nghệ này đã được nghiên cứu,

hoàn thiện và đã phát triển mạnh mẽ ở Nhật, Mỹ, Nga, Tây Aâu để chế tạo các chi

tiết đúc bằng các hợp kim trên cơ sở nhôm, đồng, sắt … để phục vụ cho các ngành

xây dựng, dệt, chế tạo máy, đóng tàu, chế tạo xe máy … và nhanh chóng chiếm một

vị trí vững chắc trong ngành đúc do những ưu điểm vượt trội về tính môi trường của

công nghệ này

Riêng tại Mỹ, năm 1981, Bill Wilmont, chủ tịch Công ty Hermon đã mua công

nghệ này của Nhật và mở ra công ty Harmony Castings Inc Từ 11 nhân viên năm

1986 đến năm 2000 Công ty đã có khoảng 130 nhân viên với doanh số hơn 12 triệu

USD và phát triển mạnh mẻ về chiều rộng lẫn chiều sâu của công nghệ này

Năm 1988, Minneapolis Electric Co (Mỹ) xây dựng xưởng đúc thép theo phương

pháp này với năng suất 40.000 tấn / năm, có thể đúc được vật đúc nặng tới 4.000 kg

Cho đến nay đã có một số công ty hàng đầu chuyên về đúc trong khuôn màng

mỏng chân không Sản phẩm đúc bằng phương pháp này thường chiếm một tỉ lệ khá

nhỏ trong tổng sản lượng của công ty nhưng lại là những sản phẩm đặc biệt, dùng

trong những ngành công nghiệp đặc biệt như các chi tiết trong khung kính hiển vi

hồng ngoại (Công ty Spectra– Tech,Inc.Shelton, Connecticut), khung cho động cơ xe

máy (hãng xe máy Harley – Davision), chế tạo mẫu cho phương pháp đúc áp lực

(hãng Metaalgieterij Kinheikho) …

Hiện nay, nhiều phụ tùng xe máy bằng hợp kim nhôm được chế tạo bằng công

nghệ khuôn màng mỏng – chân không mà một trong các Công ty đi tiên phong là

Harley Davidson

Theo các thông tin Chúng tôi thu thập được trên mạng, hiện công nghệ này đã

và đang được sử dụng nhiều ở các nước: Nhật, Mỹ, CHLB Đức, Nga, Hàn Quốc…

Một Công ty Nhật tại Tỉnh Bình Dương đã sử dụng công nghệ này để đúc các chi

tiết bằng hợp kim nhôm

1.2 CÁC BƯỚC CƠ BẢN CỦA CÔNG NGHỆ ĐÚC TRONG KHUÔN MÀNG

MỎNG-CHÂN KHÔNG

Phương pháp đúc màng mỏng chân không được tiến hành như sau:

1- Mẫu của khuôn màng mỏng chân không được chế tạo có các lỗ thông hơi trên

bề mặt mẫu Mẫu được gắn lên tấm mẫu rỗng có lỗ hút chân không (hình 1.1)

Hình 1.1: Tấm mẫu của khuôn màng mỏng chân không 2- Màng mỏng làm bằng chất dẻo có độ dày từ 0.05mm – 0.20 mm, được nung

nóng trong thời gian thích hợp để có tính dẻo cao, độ biến dạng tốt (hình 1.2)

Hình 1.2: Màng mỏng được nung nóng tạo độ dẻo, dễ biến dạng

3- Màng sau khi đã nung sẽ được phủ lên tấm mẫu đã được hút chân không với độ

chân không 250 – 600mmHg [10] Aùp suất chân không thông qua các lỗ trên

mẫu hút cho màng mỏng ép sát vào bề mặt mẫu (hình 1.3)

Hình 1.3: Màng mỏng được hút ép chặt vào bề mặt mẫu nhờ áp suất chân không

4- Hòm khuôn được đặt lên trên mẫu đã phủ màng mỏng Thành hòm khuôn có kết

cấu đặc biệt để có thể hút chân không bên trong hòm (hình 1.4)

Hình 1.4: Hòm khuôn được đặt trên tấm mẫu đã được phủ màng mỏng

5- Cát khô và nguội được cho vào hòm khuôn Cát phải sạch, không được lẫn chất

kết dính hay hóa chất nào khác và có độ hạt thích hợp Sau đó, tiến hành rung

lèn chặt cát với biên độ, tần số và thời gian thích hợp để mật độ, độ sít chặt của

cát trong khuôn là phù hợp nhất mà không phân bố lại độ hạt (hình 1.5)

Hình 1.5: Đổ cát vào hòm khuôn và rung lèn chặt 6- Tạo hình phễu rót và làm phẳng bề mặt cát ở mặt trên khuôn Sau đó phủ màng

lên bề mặt khuôn Tấm màng này có thể không cần nung nóng vì nó chỉ ép sát

vào mặt phẳng cát mà không đòi hỏi độ mềm và biến dạng cao (hình 1.6)

Hình 1.6: Tạo phễu rót, làm phẳng khuôn và đặt màng mỏng lên trên

7- Tiến hành hút chân không trong hòm khuôn Aùp chân không hút màng ép chặt

vào cát làm khuôn để các hạt cát liên kết với nhau tạo thành khuôn chân không

cứng và bền vững Aùp suất chân không trong hòm khuôn cân bằng với áp suất

chân không trong tấm mẫu Tiến hành thải chân không ở tấm mẫu; tách lấy tấm

mẫu ra khỏi khuôn sẽ được nửa hòm khuôn với lòng khuôn có biên dạng vật đúc

(hình 1.7) Thực hiện tương tự đối với nửa hòm khuôn còn lại

Hình 1.7: Hút chân không khuôn và thải chân không tấm mẫu để lấy khuôn

8- Sơn lên màng một lớp sơn, sau đó ráp nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới (hình

1.8), rót kim loại lỏng vào khuôn (trong quá trình rót, vẫn hút chân không)

Hình1.8: Ráp khuôn trên và khuôn dưới; vẫn giữ chân không chờ rót

9- Sau khi vật đúc đông đặc và nguội đến nhiệt độ thích hợp, thải chân không trong

các hòm khuôn (hình 1.9) Cát được thải chân không rơi tự do ra khỏi hòm

khuôn thành vật liệu rời không có hiện tượng dính thành từng cục như các

phương pháp dùng chất dính kết khác Cát sau khi nguội được sử dụng lại

Hình 1.9: Thải chân không, lấy vật đúc ra khỏi hòm khuôn

Khuôn MMCK sử dụng cát khô làm vật liệu làm khuôn, không dùng chất kết

dính Cát này có độ hạt mịn hơn nhiều so với loại cát thường được dùng để đúc trong

khuôn cát thông thường [11] Để liên kết các hạt cát lại với nhau, người ta dùng lực

rung, lực hút chân không và màng mỏng

Hình 1.10 mô tả sơ đồ công nghệ chế tạo vật đúc trong khuôn màng mỏng –

chân không

Hình 1.10: Sơ đồ quy trình công nghệ khuôn màng mỏng chân không

Chuẩn bị cát sạch Chuẩn bị mẫu, hệ thống rót, ruột, tấm mẫu Chuẩn bị màng và các thiết bị chân không

Gắn mẫu, hệ thống rót vào tấm mẫu Uùp màng thứ nhất lên mẫu

Đặt hòm khuôn vào, lấp cát đầy hòm khuôn

Rung nhẹ để khối cát đạt độ chặt cần thiết

Đặt màng thứ hai lên mặt trên của khối cát

Hút chân không trong khối cát, và chỉ nhả chân không khi đúc xong Nhả chân không đang giữ màng thứ nhất để lấy mẫu ra

Nung màng

Nửa hòm khuôn trên Nửa hòm khuôn dưới

Cát đã sử

dụng

Làm nguội cát

Hút chân không trong tấm mẫu và giữ nguyên độ

chân không đó

Lắp ruột và hai nửa hòm khuôn với nhau, rót kim loại lỏng

Để nguội, vẫn giữ chân không trong khối cát

Sau khi vật đúc đủ nguội, nhả chân không

Chi tiết đúc

Nấu luyện

Sơn khuôn Rây

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CHÍNH CỦA CÔNG NGHỆ ĐÚC TRONG

KHUÔN MÀNG MỎNG – CHÂN KHÔNG

1.3.1 Ưu điểm

- Nguyên công lấy mẫu ra khỏi hòm khuôn rất đơn giản (chỉ cần thải chân

không); mẫu hầu như không cần độ xiên thành và cũng không cần thao tác

đánh động mẫu, do đó độ chính xác của vật đúc cao, giảm đáng kể lượng dư

gia công

- Độ chân không duy trì trong quá trình chế tạo khuôn và rót có tác dụng hút

khí, do đó hầu như loại bỏ hoàn toàn các khuyết tật liên quan đến rỗ khí trong

vật đúc

- Do chỉ sử dụng cát sạch, không dùng chất dính nên sau khi đúc xong, cát hầu

như không cần phải xử lý Điều này làm giảm đáng kể lượng tiêu hao vật liệu

làm khuôn, chi phí xử lý hỗn hợp làm khuôn và đặc biệt giảm ô nhiễm môi

trường trong sản xuất đúc

- Việc sử dụng cát mịn, khô, sạch làm bề mặt khuôn nhẵn, trở lực của khuôn

đối với dòng chảy nhỏ nên có thể đúc các vật đúc thành mỏng, độ bóng bề

mặt cao

- Do mẫu luôn được phủ một màng chất dẻo ngăn cách mẫu với cát khuôn nên

làm giảm hao mòn mẫu Điều này làm tăng tuổi thọ của bộ mẫu, góp phần

làm tăng độ chính xác của vật đúc

- Không yêu cầu cao về tay nghề công nhân

- Dễ cơ khí hóa và tự động hóa

1.3.2.Nhược điểm:

- Khó đúc các chi tiết có tỉ số giữa chiều cao và chiều dày thành lớn

- Không phù hợp với sản xuất đơn chiếc

- Với các hòm khuôn có kích thước lớn, việc cấp chân không là không đơn

giản

1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHUÔN MÀNG

MỎNG – CHÂN KHÔNG

Qua trình bày ở phần trên, có thể liệt kê được những yếu tố ảnh hưởng đến quá

trình chế tạo vật đúc bằng phương pháp màng mỏng - chân không Các yếu tố đó

là:

1.4.1 Các tính chất của cát làm khuôn

Theo nhiều tài liệu tham khảo, cát dùng cho khuôn màng mỏng – chân không

phải có độ sạch cao (đảm bảo khả năng chịu nhiệt), hàm lượng sét càng thấp càng

tốt (để không đi qua lưới lọc cát), hạt mịn (tạo điều kiện cho vật đúc có độ bóng bề

mặt cao), có mức độ phân tán độ hạt đủ cao (bảo đảm mật độ cát cao sau khi rung

lèn chặt)

1.4.2 Loại màng, chiều dày màng và chế độ nung màng

Màng phải đủ mỏng, bền, có khả năng biến dạng tốt để đảm bảo khả năng tạo

hình của màng

1.4.3 Chế độ rung lèn chặt ( biên độ , tần số và thời gian rung ) của cát làm

khuôn

Chế độ rung lèn chặt phải bảo đảm cát có mức độ lèn chặt cao, không bị phân

lớp về độ hạt, ít tiêu tốn năng lượng rung lèn chặt

1.4.4 Độ chân không và công suất cấp chân không

Đối với khuôn màng mỏng – chân không, áp lực chân không là lực duy nhất để

liên kết các hạt cát, tạo cho khuôn có độ bền nhất định Nếu độ chân không không

đủ lớn, khuôn không đủ bền, lòng khuôn dễ biến dạng trong quá trình thao tác công

nghệ Ngược lại, nếu độ chân không quá lớn, khuôn quá bền tạo cản co cho vật đúc

trong quá trình đông đặc và làm nguội, vật đúc dễ bị cong vênh và nứt

1.4.5 Chất sơn màng và chế độ sơn màng

Khi rót khuôn, ngay khi chưa tiếp xúc với kim loại lỏng, màng đã bị phân hủy

Điều này có thể dẫn tới hiện tượng sụp khuôn do mất chân không Có thể tránh hiện

tượng này bằng cách dùng chất sơn màng thích hợp Chất sơn màng còn có tác dụng

chống cháy dính cát cơ học, tăng độ bóng bề mặt cho vật đúc

1.4.6 Kết cấu của tấm mẫu, hòm khuôn:

Kết cấu của tấm mẫu, hòm khuôn phải đảm bảo khả năng cấp chân không và

hạn chế khả năng thất thoát chân không

1.5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu công nghệ đúc chính xác không gây ô nhiễm môi trường bằng phương

pháp màng mỏng-chân không trong khuôn cát không dùng chất dính kết Đây là

công nghệ đúc mới, được dự báo là một trong những công nghệ đúc có triển vọng

nhất trong thế kỷ 21 nhờ những ưu điểm như đã trình bày ở trên

Các mục tiêu cụ thể của đề tài:

- Thiết lập các thông số công nghệ cho khuôn màng mỏng – chân không (loại

cát làm khuôn, chế độ nung màng, chế độ rung lèn chặt, độ chân không …)

trong điều kiện sử dụng nguyên vật liệu có sẳn trong nước (cát làm khuôn,

màng chất dẻo …)

- Thiết kế hệ thống thiết bị cho công nghệ khuôn màng mỏng – chân không ở

quy mô thí nghiệm và sản xuất thử

- Nghiên cứu sử dụng loại màng chất dẻo thích hợp cho khuôn màng mỏng –

chân không

- Chế tạo thử một chi tiết bằng hợp kim nhôm trong khuôn màng mỏng – chân

không

- Đánh giá khả năng ứng dụng và triển khai trong điều kiện Việt Nam

- Xác lập các thông số cơ bản về thiết kế đúc cho công nghệ khuôn màng

mỏng – chân không

PHẦN 2

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 CÁT LÀM KHUÔN

Sau khi khảo sát, chúng tôi chọn 3 loại cát để tiến hành đánh giá độ hạt và hình

dạng hạt cát:

- Loại 1: Cát đã tuyển, xuất xứ từ Cam Ranh, đánh giá cảm quan: cát có độ hạt mịn;

- Loại 2: Cát đã tuyển, cũng có xuất xứ từ Cam Ranh, đánh giá cảm quan: cát có độ

hạt to hơn;

- Loại 3: Cát chưa qua tuyển, xuất xứ từ Bình Châu

2.1.1 Thành phần khoáng và hàm lượng sét trong cát

Kết quả phân tích về thành phần các loại cát trên được trình bày ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Thành phần khoáng các loại cát (%)

Tổng sunfua

Cát loại 1 99,1 0,16 0,24 0,27 0,12

Cát loại 2 98,7 0,48 0,44 0,58 0,26

Cát loại 3 96,2 1,28 0,92 1,16 0,47

Với thành phần như trên, cát loại 1 và loại 2 thuộc loại cát 1C, còn cát loại 3

thuộc loại 2C : tất cả đều rất tốt với mục đích làm khuôn đúc

Kết quả phân tích về hàm lượng sét trong cát được trình bày ở bảng 2.2

Bảng 2.2: Hàm lượng sét trong cát, % Mẫu cát Loại 1 Loại 2 Loại 3

Hàm lượng sét 0,23 0,34 0,77

Với hàm lượng sét trong cát như trên, cả ba đều rất tốt với mục đích làm khuôn đúc

2.1.2 Thành phần độ hạt

Việc thử nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm “Hỗn hợp làm khuôn” của

Phân xưởng Đúc thuộc Công ty Cơ khí Thủ Đức Sử dụng bộ rây tiêu chuẩn DIN với

10 cỡ rây có kích thước lỗ rây như sau (mm): 0,71; 0,5; 0,355; 0,25; 0,18; 0,125;

0,09; 0,063; 0,045 và 0

a Cát loại 1

Bảng 2.3: Kết quả phân tích thành phần độ hạt cát loại 1, %

Cỡ hạt(μm) 710 500 355 250 180 125 90 63 45 <45 Lần 1 0.84 2.24 4.10 21.86 28.38 19.82 10.34 6.98 2.02 0.52

2.1.3 Hình dạng hạt cát

Hình dạng hạt cát được chụp qua kính lúp

a Cát loại 1

Hình 2.1: Hình dạng các hạt cát loại 1

Cát hạt tròn , độ hạt tập trung cao

b Cát loại 2

Hình 2.2: Hình dạng các hạt cát loại 2

Cát dạng hạt dài lẫn với vuông , độ hạt tập trung rất cao

c Cát loại 3

Hình 2.3: Hình dạng các hạt cát loại 3

Cát dạng hạt tròn lẫn với vuông

2.1.4 Nhận xét

Qua các kết quả phân tích, thí nghiệm trên:

- Về thành phần khoáng: cát loại 1 có hàm lượng SiO2 cao nhất (99,1%)

- Cả 3 loại cát đều có hàm lượng sét rất thấp (<1%)

- Về thành phần độ hạt: cát loại 1 có độ hạt mịn nhất (rây 0.180 chứa 28,36%)

và mức độ tập trung độ hạt vừa phải (∑(0.250 + 0.180 + 0.125) = 69,88% );

cát loại 2 có độ hạt to nhất (rây 0.355 chứa 39,09%) và mức độ tập trung độ

hạt khá cao (∑(0.500 + 0.355 + 0.250) =87,97% ); cát loại 3 có độ hạt gần như

tương đương cát loại 1

- Về hình dạng hạt cát: cát loại 1 hạt tròn; cát loại 2 hạt dài, nửa tròn; cát loại

3 hạt tròn-vuông

Theo [9, 11], cát dùng cho khuôn màng mỏng-chân không nên đáp ứng các yêu

cầu:

- Có độ hạt mịn hơn so với cát khuôn có dùng chất dính (do không phải quan

tâm đến độ thông khí của khuôn)

- Hạt cát nên dạng tròn để dễ lèn chặt (xét về phương diện ma sát)

- Mức độ tập trung độ hạt vừa phải để mật độ khuôn sau khi lèn chặt là cao

nhất đồng thời không xảy ra hiện tượng phân bố lại độ hạt

Từ các yêu cầu trên chúng tôi chọn cát loại 1 và cát loại 3 để tiến hành các

nghiên cứu tiếp

2.2 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ RUNG LÈN CHẶT

2.2.1 Nội dung nghiên cứu

- Xác định chế độ rung (thời gian, biên độ, tần số rung) hợp lý để khuôn được

lèn chặt tối đa trong thời gian ngắn nhất

- Đánh giá khả năng bị phân lớp của cát sau khi rung lèn chặt Nếu sau khi

rung lèn chặt, cát bị phân lớp đáng kể về độ hạt sẽ phát sinh ứng suất trong

khuôn khi hút chân không tạo bền, làm biến dạng lòng khuôn

2.2.2 Thiết bị thí nghiệm

- Bộ rây tiêu chuẩn (Công ty cơ khí Thủ Đức)

- Thiết bị rung theo phương đứng có tần số rung 50 Hz và biên độ rung có thể

điều chỉnh từ 0 đến 1,0mm (Công ty cơ khí Thủ Đức)

- Oáng mô phỏng chiều cao khuôn (hình 2.4) Oáng bằng thép có đường kính

trong 57mm, được ghép bởi 20 đoạn ống cao 20mm Khi cần có thể lấy cát ở

từng đoạn ống ra để khảo sát (tự thiết kế và chế tạo)

Hình 2.4: ống mô phỏng chiều cao khuôn

2.2.3 Khảo sát mật độ cát ở các chế độ rung lèn chặt khác nhau

Sử dụng thiết bị rung đứng và ống mô phỏng chiều cao khuôn để tiến hành thí

nghiệm ở các biên độ rung (mm): 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 với thời gian rung

(s): 1; 3; 5; 7; 10; 20; 30; 40 Ở từng dãy thí nghiệm tiến hành đo mật độ cát và lập

biểu đồ đánh giá Biên độ rung A (m) và tần số rung f (Hz) được đánh giá tổng hợp

qua gia tốc rung a (m/s2 ) theo công thức:

a = 4Aπ2 f2 (2.1)

a Cát loại 1

Bảng 2.6 và hình 2.5 trình bày tổng hợp các kết quả thí nghiệm cho cát loại 1

Bảng 2.6: Mật độ (kg/dm 3 ) của cát loại 1 sau khi rung

Thời gian rung (s) Biên độ rung A (mm) và

gia tốc rung a 0 1 3 5 7 10 20 30 40

Bảng 2.7: Mật độ (kg/dm 3 ) của cát loại 3 sau khi rung

Thời gian (s) Biên độ rung A (mm)

và gia tốc rung a 0 1 3 5 7 10 20 30 40

Hình 2.6: Mật độ (kg/dm 3 ) của cát loại 3 sau khi rung

c Nhận xét

♦ Đối với cát loại 1

- Mật độ của cát trước khi rung lèn chặt là 1,372 Kg/dm3

- Trong tất cả các trường hợp, sau khi rung 5s mật độ gần như đạt giá trị tới

hạn

- Với gia tốc rung a> 5,036g (g: gia tốc trọng trường), hỗn hợp đạt mật độ tối

đa ∼ 1,585 kg/dm3 Mật độ hỗn hợp trước và sau khi rung tăng 15,54% Do

các hạt cát có dạng tròn và mức độ tập trung độ hạt tương đối cao nên độ

rỗng m của hỗn hợp khi mật độ đạt giá trị tối đa là [ 5]:

M = (2,6 – 1,585) / 2,6 = 39%

♦ Đối với cát loại 3

- Mật độ của cát trước khi rung lèn chặt là 1,524 Kg/dm3

- Trong tất cả các trường hợp, sau khi rung 5s mật độ gần như đạt giá trị tới

hạn

- Với gia tốc rung a> 5,036g, hỗn hợp đạt mật độ tối đa: ∼ 1,608 kg/dm3 Mật

độ hỗn hợp trước và sau khi rung tăng 5,5% Do các hạt cát có dạng tròn và

mức độ tập trung độ hạt tương đối cao nên độ rỗng m của hỗn hợp khi mật độ

đạt giá trị tối đa là:

M = (2,6 – 1,608) / 2,6 = 38%

Cả hai loại cát đều đạt được mật độ lèn chặt tới hạn ở cùng chế độ rung

2.2.4 Khảo sát sự phân bố lại độ hạt theo chiều cao hòm khuôn sau khi rung

a Thí nhiệm

Sử dụng thiết bị rung đứng và ống mô phỏng chiều cao khuôn để tiến hành thí

nghiệm ở các biên độ rung A (mm): 0,6; 0,8 với thời gian rung τ (s): 20; 30 và có

cùng tần số rung là 50 Hz Ở từng thí nghiệm tiến hành đánh giá sự phân bố độ hạt

của cát theo chiều cao của ống mô phỏng bằng cách xác định thành phần độ hạt của cát trong từng đoạn ống

Chúng tôi chỉ tiến hành nghiên cứu cho cát loại 1

Các kết quả thí nghiệm được trình bày ở các bảng 2.8 ÷ 2.11 và các hình 2.7 ÷

2.10

Bảng 2.8: A = 0,6 mm; τ = 20 s

Cỡ hạt (μm) Chiều cao

Cỡ hạt (μm)

Hình 2.7: A = 0,6 mm ; τ = 20 s

Bảng 2.9: A = 0,6 mm ; τ = 30 s

Cỡ hạt (μm) Chiều cao

710 500 355 250 180 125 90 63 45 <45

H=20mm H=40mm H=60mm H=80mm H=100mm Tỷ lệ %

Cỡ hạt (mm)

Hình 2.8: A = 0,6 mm ; τ = 30 s

Bảng 2.10: A = 0,8 mm ; τ = 20 s

Cỡ hạt (μm) Chiều cao

(mm) 710 500 355 250 180 125 90 63 45 <45

H=20 1.08 3.00 4.50 20.50 26.12 22.50 9.30 7.08 2.50 1.08H=40 0.70 2.52 5.08 20.10 28.10 22.70 10.48 6.88 2.30 0.68H=60 0.68 3.12 3.70 19.90 29.12 23.00 9.00 5.00 3.00 0.70H=80 0.70 2.50 4.90 21.70 28.10 22.46 8.50 7.74 2.24 0.70H=100 0.48 2.50 5.08 20.50 27.00 22.60 9.12 6.80 2.50 0.52

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

710 500 355 250 180 125 90 63 45 <45

H=20mm H=40mm H=60mm H=80mm H=100mm Tỷ lệ %

Cỡ hạt (μm)

Hình 2.9: A = 0,8 mm ; τ = 20 s

Bảng 2.11: A = 0,8 mm ; τ = 30 s

Cỡ hạt (μm) Chiều cao

710 500 355 250 180 125 90 63 45 <45

H=20mm H=40mm H=60mm H=80mm H=100mm Tỷ lệ %

Hình 2.10: A = 0,8 mm ; τ = 30 s

b Nhận xét và ý kiến

- Sau khi rung ở các chế độ khác nhau, sự phân bố lại độ hạt theo chiều cao

ống mô phỏng là không đáng kể: trên tất cả các chiều cao của ống, thành

phần độ hạt của cát gần như là như nhau

- Khác với các kết quả nhận được từ đề tài này, theo công trình [12], qua các

thí nghiệm có những chế độ rung làm cho cát bị phân lớp về độ hạt rất đáng

kể Có thể giải thích điều này như sau: trong công trình này, cát làm thí

nghiệm có độ đồng nhất về thành phần cao (%SiO2 = 99,1), hàm lượng các

khoáng tạp không đáng kể, do đó trong quá trình rung lèn chặt, lực quán

tính rung là đồng nhất

2.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CHÂN KHÔNG ĐẾN ĐỘ

BỀN CỦA KHUÔN MÀNG MỎNG – CHÂN KHÔNG

2.3.1 Liên kết trong khuôn màng mỏng – chân không

Liên kết trong khuôn màng mỏng – chân không không phải do lực kết dính của

các chất dính như trong khuôn cát thông thường Các chất dính này liên kết các hạt

cát lại với nhau thành một hệ gồm chất dính và các phần tử rời rạc; hỗn hợp này đạt

độ thông khí và độ bền nhất định

Hỗn hợp làm khuôn trong khuôn chân không là cát thạch anh sạch, hệ tồn tại là

hệ rời rạc; lực liên kết chính trong khuôn chân không là lực chân không Lực này

được tạo thành do sự mất cân bằng của áp suất trong khuôn với áp suất khí quyển

bên ngoài Lực này được ngăn cách bởi màng mỏng, tác dụng lên khối cát làm

khuôn, làm cho chúng sít chặt vào nhau, tạo thành một khối thống nhất và bền chặt

Thành phần độ hạt của cát làm khuôn, chất lượng màng, chế độ rung lèn chặt, độ

chân không đều ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ liên kết trong khuôn chân không

Tuy nhiên, yếu tố quyết định đến lực liên kết trong khuôn chân không là độ chân

không và mật độ của cát (được quyết định bởi chế độ rung lèn chặt)

Tuỳ theo kích cỡ vật đúc, cỡ hòm khuôn mà độ chân không được lựa chọn thích

hợp đủ để tạo độ bền khuôn Nếu độ chân không quá cao sẽ gây cản co cho vật đúc;

ngược lại, độ chân không quá thấp sẽ không bảo đảm độ bền khuôn

2.3.2 Aûnh hưởng của độ chân không đến độ bền khuôn

Trong quá trình hút chân không, màng mỏng đặt ờ 2 mặt khuôn, ngăn cách lòng

khuôn với môi trường bên ngoài Tuy nhiên, không phải lúc nào màng cũng có thể

ép sát kín vào hòm khuôn Giữa màng và hòm khuôn có thể có khe hở làm thất

thoát chân không, do đó làm yếu lực liên kết trong hòm khuôn Vì vậy, độ kín của

khe hở giữa khuôn và màng có ý nghĩa quan trọng đến độ bền khuôn

Xét một lớp kim loại lỏng ở sát bề mặt vật đúc (hình 2.11) gần vị trí đặt ống rót

và đang đông đặc Lớp kim loại này chịu tác động của:

- Aùp suất khí quyển pa

- Aùp lực kim loại lỏng pM

- Aùp lực thành khuôn pC

- Aùp suất chân không tác động từ thành khuôn pB

PM

Pa

Hình 2.11: Lực tác dụng lên lớp kim loại ở sát thành khuôn

Phương trình cân bằng áp suất tại lớp kim loại ở sát thành khuôn:

pM + pa = pC + pB (2.2) B

Trong khuôn chân không, áp suất chân không pB ~ 0,5pa; nếu không tính đến tổn

thất áp suất do thẩm thấu qua lớp hỗn hợp, có thể xem pB = 0,5pB a Thay vào phương

trình (2.2), ta được:

pM + pa = pC + 0,5pa (2.3)

pC = pM + 0,5pa (2.4)

Như vậy, áp lực tác động từ thành khuôn phụ thuộc vào pM , tức phụ thuộc vào

chiều cao mức kim loại trong cốc rót Vật đúc càng dày yêu cầu độ chân không càng

lớn tương ứng để khuôn có đủ độ bền khi rót

2.3.3 Sự phân bố chân không trong khuôn màng mỏng – chân không

Aùp suất chân không không như nhau trong thể tích hòm khuôn Điều này ảnh

hưởng đến độ bền khuôn và năng lượng tiêu tốn cho việc tạo chân không

Theo [11], nhân tố cơ bản để giảm tiêu thụ năng lượng cho việc tạo chân không

là trở kháng của khuôn tới dòng không khí WΦ Trở kháng này ảnh hưởng đến lưu

lượng Q của dòng không khí chảy trong khuôn và vận tốc hút khí SH

Hòm khuôn chân không là loại hòm 2 mặt; cả 2 mặt đều được ép sát bởi màng,

ngăn cách lòng khuôn với môi trường bên ngoài Khi hút chân không ở một vị trí

của hòm khuôn, chân không không được hút qua các khe hở giữa thành hòm và

màng Trở kháng của hòm khuôn được tính như sau [11]:

WΦ= W1.W2/( W1 + W2) (2.5)

Trong đó:

W1, W2 – trở kháng từ hai mặt hòm;

W1 =WB1 + WH1; W2 =WB2 + WH2

WB – trở kháng của khe và lối vào;

WH – trở kháng của cát làm khuôn

Xét sự phân bố chân không trong hòm khuôn khi chưa rót khuôn Oáng hút chân

không được đặt ở một bên thành hòm khuôn (hình 2.12)

Hình trên cho thấy rằng đường cong phân bố áp suất trong nửa khuôn có dạng

hyperbol Những điểm cùng nằm trên một đường cong có cùng một áp suất Càng xa

khỏi vị trí hút chân không, độ chân không càng giảm

Tại những vị trí gần khe B, độ chân không giảm đáng kể Điều này là do màng

không bịt kín với hòm khuôn Trở kháng của khuôn lúc này là trở kháng khe (WB )

Tại những vị trí giáp với thành khuôn (đoạn BΦ), độ chân không tăng dần từ trên

xuống Trở kháng của cát khuôn càng lớn khi cát có độ hạt càng nhỏ

Hình 2.12: Sự phân bố chân không trong khuôn chân không [11]

2.3.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố độ chân không trong khuôn

Như đã trình bày ở trên, trở kháng của khuôn ảnh hưởng đến sự chân không hoá

trong khuôn, thể hiện ở sự phân bố áp suất chân không trong tiết diện hòm khuôn

Bản thân trở kháng của khuôn cũng phụ thuộc trở kháng khe và trở kháng của cát

khuôn Trở kháng khe lại phụ thuộc vào chu vi, tiết diện hòm khuôn và đặc trưng bịt

kín của màng Trở kháng của cát khuôn phụ thuộc vào độ hạt và hình dạng hạt của

cát làm khuôn

Dưới đây sẽ xem xét các nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố chân không trong

khuôn chân không

a Thành phần độ hạt của cát làm khuôn

Thành phần độ hạt ảnh hưởng đáng kể đến trở kháng của khuôn Cát có độ hạt

càng mịn, kích thước hạt càng không đều thì trở kháng của cát càng cao, do đó sự

phân bố độ chân không trong khuôn sẽ càng không đều Điều này là do khi dùng cát

hạt mịn hoặc các hạt cát có kích thước không đều nhau, cát hạt có kích thước nhỏ sẽ

nằm xen kẽ vào các lỗ rỗng giữa các hạt lớn nên độ xốp của cát khuôn sẽ giảm

b Đặc trưng hình học của khuôn

Mối quan hệ giữa WH với đặc trưng hình học của khuôn [11]: