1. MỤC ĐÍCH: Biết tính đúc của kim loại là gì, các yếu tố nào ảnh hưởng đến tính đúc của kim loại; Biết tính chất của một kim loại hoặc hợp kim (cụ thể là Kẽm); Biết cách chuẩn bị, tiến hành thí nghiệm kiểm tra, lấy số liệu và xử lý số liệu thuđược. Kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến độ chảy loãng của kim loại đúc; Xác định nhiệt độ rót thích hợp. Biết thiết bị, mẫu thử cho kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến độ chảy loãngcủa kim loại đúc. …2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT:2.1. Tính đúc của kim loại:Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử dụng rất rộng rãi trong cácngành công nghiệp. khối lượng vật đúc trung bình chiếm khoảng 40 80% tổngkhối lượng của máy móc và trong ngành cơ khí khối lượng vật đúc chiếm đến 90%mà giá thành chỉ chiếm 2025%. Tính đúc của hợp kim được xác định bằng cácyếu tố: Tính chảy loãng: Tính chảy loãng là mức độ chảy loãng hay sệt của hợp kimđúc, nó quyết định khả năng điền đầy khuôn và nhận được vật đúc rõ nét. Có cácyếu tố ảnh hưởng đến tính chảy loãng của hợp kim đúc: Nhiệt độ: T0 tăng lên (ở T0 nhất định) thì tính chảy loãng tăng. Cấu tạo hợp kim: Gang xám có tính chảy loãng cao nhất. Tạp chất: làm tăng độ sệt thuỷ lực. Ảnh hưởng của khuôn, thành phần hoá học và hình thức rót kim loạivào khuôn. Dùng mẫu thử có rãnh xoắn ốc, mẫu thử rãnh. Kim loại lỏng được rót vào cốc rót và chảy theo rãnh của mẫu thử. Độ chảy loãng của hợp kim đúc được xác định bằng chiều dài kim loạiđiền đầy mẫu thử. Chiều dài đó càng lớn thì độ chảy loãng càng lớn. Tính thiên tích: Là sự không đồng nhất về thành phần hoá học trong từngphần của vật đúc. Có 2 loại thiên tích: Thiên tích vùng: Là sự không đồng nhất về thành phần hoá học trongtừng vùng của vật đúc. Nguyên nhân là do tỷ trọng các nguyên tố tronghợp kim khác nhau và trong từng phần phần của vật đúc có sự chênhlệch áp suất. Thiên tích trong nội bộ hạt kim loại: do các nguyên nhân sau: Sự kếttinh của các nguyên tố hợp kim không cùng một lúc; Ngay trong hạtkim loại cũng lẫn xĩ và tạp chất; Do sự thẩm thấu giữa các phần tử tronghợp kim không triệt để. Tính co: Tính co là hiện tượng giảm thể tích và chiều dài của hợp kim khiT0 giảm xuống. Có 2 loại: Lõm co: Là những lổ rỗng hình nón hình thành ở trên bề mặt vật đúc.Nguyên nhân là do lớp ngoài đông đặc trước lớp trong. khí, nước trongkim loại thoát ra ngoài. Rổ co: Là những lổ rỗng nhỏ nằm bên trong vật đúc, nằm dọc trục thỏiđúc và nằm dưới lõm co. Tính hoà tan khí: Tính hòa tan khí là sự hoà tan các khí: O2, H2, N2, CO, CO2,CH4 vào kim loại lỏng gây nên rỗ khí.Hình 1. Các mẫu thử xác định độ chảy loãng của kim loại(Bên trái: Mẫu thử xoắn ốc, Bên phải: Mẫu thử rãnh)2.2. Tính chất của kim loại KẽmKẽm là một nguyên tố kim loại chuyển tiếp, ký hiệu là Zn và có số nguyêntử là 30. Nó là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 của bảng tuần hoàn các nguyêntố. Kẽm, trên một số phương diện, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion củachúng có bán kính giống nhau và có số ôxy hoá duy nhất ở điều kiện bình thườnglà +2. Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền.Quặng kẽm phổ biến nhất là quặng sphalerit, một loại kẽm sulfua. Những mỏ khaithác lớn nhất nằm ở Úc, Canada và Hoa Kỳ. Công nghệ sản xuất kẽm bao gồmtuyển nổi quặng, thiêu kết, và cuối cùng là chiết tách bằng dòng điện.Tính chất vật lý: Màu sắc: Ánh kim bạc xám. Trạng thái vật chất: Chất rắn. Nhiệt độ nóng chảy: 692,68 K (419,53 °C, 787,15 °F). Nhiệt độ sôi: 1.180 K (907 °C, 1.665 °F). Mật độ: 7,14 gcm3 (ở 0°C, 101.325 kPa). Mật độ ở thể lỏng: ở nhiệt độ nóng chảy: 6,57 gcm3. Nhiệt lượng nóng chảy: 7,32 kJmol. Nhiệt bay hơi: 123,6 kJmol. Nhiệt dung: 25,470 Jmol.K.3.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM3.1. Vật liệu thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm trên vật liệu Kẽm. Cắt mẫu phôi kẽm thích hợp cốc nấu.3.2. Thiết bị phục vụ thí nghiệm Cốc nấu. Lò nấu điện trở. Kẹp phôi, kẹp cốc.. Găng tay. Súng đo nhiệt độ. Mẫu thử. Thiết bị hỗ trợ rót kim loại. Khuôn kim loại. Máy cắt mẫu. Thước đo chiều dài mẫu thử.3.3. Thực hiện thí nghiệm Bước 1: Bật lò nấu ở nhiệt độ 4500C Bước 2: Cắt mẫu phôi kẽm theo kích thước phù hợp cốc nấu Bước 3: Cho mẫu vào cốc nấu và nấu mẫu phôi kẽm ở nhiệt độ 4500C đếnkhi phôi kẽm chảy hoàn toàn. Bước 4: Làm vệ sinh sạch khuôn mẫu thử, ráp khuôn mẫu thử, kiểm tra độkín khít, cố định vị trí rót, … Bước 5: Tiến hành rót kẽm ở nhiệt độ 4500C vào khuôn mẫu thử, lượng kimloại lỏng còn dư thì rót vào khuôn tạo phôi. Lưu ý, không để kẽm lỏng trongcốc nấu. Bước 6: Tháo khuôn mẫu thử, lấu mẫu thử và tiến hành đo các thông số đểxác định độ chảy loãng của kẽm ở nhiệt độ 4500C. Bước 7: Nâng nhiệt độ lò lên 5000C và tiến hành giống các bước trước đó. Bước 8: Nâng nhiệt độ lò lên 5500C và tiến hành giống các bước trước đó. Bước 9: Nâng nhiệt độ lò lên 6000C và tiến hành giống các bước trước đó.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN THIẾT BỊ VÀ CNVL CƠ KHÍ
-oOo -
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT CHẾ TẠO 1
NHÓM HỌC LÝ THUYẾT : Chiều thứ 3, tiết 7-9 NGÀY THỰC HÀNH : Chiều thứ 6, tiết 8-12
TP HỒ CHÍ MINH, ngày 07 tháng 11 năm 2019
Trang 2BÀI 1: XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ RÓT ĐỐI VỚI ĐỘ CHẢY LOÃNG CỦA KIM LOẠI ĐÚC (KẼM – Zn)
1 MỤC ĐÍCH:
- Biết tính đúc của kim loại là gì, các yếu tố nào ảnh hưởng đến tính đúc của kim loại;
- Biết tính chất của một kim loại hoặc hợp kim (cụ thể là Kẽm);
- Biết cách chuẩn bị, tiến hành thí nghiệm kiểm tra, lấy số liệu và xử lý số liệu thu được
- Kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến độ chảy loãng của kim loại đúc;
- Xác định nhiệt độ rót thích hợp
- Biết thiết bị, mẫu thử cho kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến độ chảy loãng của kim loại đúc
- …
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT:
2.1 Tính đúc của kim loại:
Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp khối lượng vật đúc trung bình chiếm khoảng 40 - 80% tổng khối lượng của máy móc và trong ngành cơ khí khối lượng vật đúc chiếm đến 90%
mà giá thành chỉ chiếm 20-25% Tính đúc của hợp kim được xác định bằng các yếu tố:
- Tính chảy loãng: Tính chảy loãng là mức độ chảy loãng hay sệt của hợp kim đúc, nó quyết định khả năng điền đầy khuôn và nhận được vật đúc rõ nét Có các yếu tố ảnh hưởng đến tính chảy loãng của hợp kim đúc:
Nhiệt độ: T0 tăng lên (ở T0 nhất định) thì tính chảy loãng tăng
Cấu tạo hợp kim: Gang xám có tính chảy loãng cao nhất
Tạp chất: làm tăng độ sệt thuỷ lực
Ảnh hưởng của khuôn, thành phần hoá học và hình thức rót kim loại vào khuôn
Dùng mẫu thử có rãnh xoắn ốc, mẫu thử rãnh
Kim loại lỏng được rót vào cốc rót và chảy theo rãnh của mẫu thử
Độ chảy loãng của hợp kim đúc được xác định bằng chiều dài kim loại điền đầy mẫu thử
Chiều dài đó càng lớn thì độ chảy loãng càng lớn
- Tính thiên tích: Là sự không đồng nhất về thành phần hoá học trong từng
Trang 3phần của vật đúc Có 2 loại thiên tích:
Thiên tích vùng: Là sự không đồng nhất về thành phần hoá học trong từng vùng của vật đúc Nguyên nhân là do tỷ trọng các nguyên tố trong hợp kim khác nhau và trong từng phần phần của vật đúc có sự chênh lệch áp suất
Thiên tích trong nội bộ hạt kim loại: do các nguyên nhân sau: Sự kết tinh của các nguyên tố hợp kim không cùng một lúc; Ngay trong hạt kim loại cũng lẫn xĩ và tạp chất; Do sự thẩm thấu giữa các phần tử trong hợp kim không triệt để
- Tính co: Tính co là hiện tượng giảm thể tích và chiều dài của hợp kim khi T0 giảm xuống Có 2 loại:
Lõm co: Là những lổ rỗng hình nón hình thành ở trên bề mặt vật đúc Nguyên nhân là do lớp ngoài đông đặc trước lớp trong khí, nước trong kim loại thoát ra ngoài
Rổ co: Là những lổ rỗng nhỏ nằm bên trong vật đúc, nằm dọc trục thỏi đúc và nằm dưới lõm co
- Tính hoà tan khí: Tính hòa tan khí là sự hoà tan các khí: O2, H2, N2, CO, CO2,
CH4 vào kim loại lỏng gây nên rỗ khí
-
Hình 1 Các mẫu thử xác định độ chảy loãng của kim loại
(Bên trái: Mẫu thử xoắn ốc, Bên phải: Mẫu thử rãnh) 2.2 Tính chất của kim loại Kẽm
Kẽm là một nguyên tố kim loại chuyển tiếp, ký hiệu là Zn và có số nguyên
tử là 30 Nó là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 của bảng tuần hoàn các nguyên
tố Kẽm, trên một số phương diện, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của chúng có bán kính giống nhau và có số ôxy hoá duy nhất ở điều kiện bình thường
là +2 Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trong lớp vỏ Trái Đất và có 5 đồng vị bền
Trang 4Quặng kẽm phổ biến nhất là quặng sphalerit, một loại kẽm sulfua Những mỏ khai thác lớn nhất nằm ở Úc, Canada và Hoa Kỳ Công nghệ sản xuất kẽm bao gồm tuyển nổi quặng, thiêu kết, và cuối cùng là chiết tách bằng dòng điện
Tính chất vật lý:
Màu sắc: Ánh kim bạc xám
Trạng thái vật chất: Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy: 692,68 K (419,53 °C, 787,15 °F)
Nhiệt độ sôi: 1.180 K (907 °C, 1.665 °F)
Mật độ: 7,14 g/cm3 (ở 0°C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng: ở nhiệt độ nóng chảy: 6,57 g/cm3
Nhiệt lượng nóng chảy: 7,32 kJ/mol
Nhiệt bay hơi: 123,6 kJ/mol
Nhiệt dung: 25,470 J/mol.K
3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
3.1 Vật liệu thí nghiệm
- Tiến hành thí nghiệm trên vật liệu Kẽm
- Cắt mẫu phôi kẽm thích hợp cốc nấu
3.2 Thiết bị phục vụ thí nghiệm
- Cốc nấu
- Lò nấu điện trở
- Kẹp phôi, kẹp cốc
- Găng tay
- Súng đo nhiệt độ
- Mẫu thử
- Thiết bị hỗ trợ rót kim loại
- Khuôn kim loại
- Máy cắt mẫu
- Thước đo chiều dài mẫu thử
3.3 Thực hiện thí nghiệm
- Bước 1: Bật lò nấu ở nhiệt độ 4500C
- Bước 2: Cắt mẫu phôi kẽm theo kích thước phù hợp cốc nấu
Trang 5- Bước 3: Cho mẫu vào cốc nấu và nấu mẫu phôi kẽm ở nhiệt độ 4500C đến khi phôi kẽm chảy hoàn toàn
- Bước 4: Làm vệ sinh sạch khuôn mẫu thử, ráp khuôn mẫu thử, kiểm tra độ kín khít, cố định vị trí rót, …
- Bước 5: Tiến hành rót kẽm ở nhiệt độ 4500C vào khuôn mẫu thử, lượng kim loại lỏng còn dư thì rót vào khuôn tạo phôi Lưu ý, không để kẽm lỏng trong cốc nấu
- Bước 6: Tháo khuôn mẫu thử, lấu mẫu thử và tiến hành đo các thông số để xác định độ chảy loãng của kẽm ở nhiệt độ 4500C
- Bước 7: Nâng nhiệt độ lò lên 5000C và tiến hành giống các bước trước đó
- Bước 8: Nâng nhiệt độ lò lên 5500C và tiến hành giống các bước trước đó
- Bước 9: Nâng nhiệt độ lò lên 6000C và tiến hành giống các bước trước đó
Bảng 1: Số liệu đo được của các thanh rãnh
Chiều dày
hi (mm)
Chiều rộng
bi (mm)
19,20 18,24 17,90 17,88 17,66 18,50 19,10
Bảng 2: Nhiệt độ rót và số liệu chiều dài vật đúc đo được (mm)
Chiều dài rãnh thứ Li
Nhiệt độ rót (oC)
Trang 6Bảng 3: Nhiệt độ của khuôn trứng khi nhiệt độ rót của kim loại lỏng là 600oC
Thời gian (s) Nhiệt độ (oC)
Trang 74 HÌNH ẢNH VẬT ĐÚC
Hình 4.1: Vật đúc ở nhiệt độ 450oC
Hình 4.2: Vật đúc ở nhiệt độ 500oC
Trang 8Hình 4.3: Vật đúc ở nhiệt độ 550oC
Hình 4.4: Vật đúc ở nhiệt độ 600oC
Trang 95 NHẬN XÉT VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU:
5.1 Phân tích và giải thích kết quả từ bảng 1 và bảng 2:
a) Xử lý số liệu:
Chiều rộng trung bình của thanh rãnh là:
19,2 18,24 17,90 17,88 17,66 18,50 19,10 18,35
7
tb
Kết hợp số liệu từ bảng 1 và bảng 2 ta tính được thể tích từng thanh của vật đúc
theo công thức 3
V b L h mm số liệu tính được như bảng dưới
Bảng 5.1: Thể tích các thanh của vật đúc
Vi(mm3)
Nhiệt độ rót (oC)
450 7,71 188,93 485,541 14224,92 809,98 64,94 17,18
500 10,79 553,436 1999,97 32800,99 6301,35 115,97 34,35
550 22,35 431,30 2436,95 43009,46 6381,29 125,25 51,53
600 38,54 524,81 1907,48 47862,67 10990,73 4030,03 200,38
b) Nhận xét:
Trang 10Hình 5.1: Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt dộ rót đến thể tích của các thanh mẫu
Trang 11Hình 5.2: Biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ rót với chiều dài của thanh mẫu
Dựa vào đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ rót với quảng đường mà kim loại lỏng di chuyển được (chính là chiều dài các thanh của vật đúc) ta thấy khi nhiệt độ tăng từ
450oC đến 600oC thì chiều dài các thanh của vật đúc đo được nhìn chung là cũng tăng dần, đặc biệt khi nhiệt độ tăng dần đến 600oC thì dòng kim loại lỏng dễ dàng điền đầy các thanh rãnh có độ dày nhỏ hơn Tuy nhiên, có một vài kết quả chưa phù hợp chẳng hạn như ở rãnh thứ 2 và thứ 3 khi nhiệt độ tăng dần đến 600oC thì ở rãnh thứ 2 chiều dài bị giảm từ 5,8mm (500oC) xuống còn 4,52mm (550oC) sau đó lại tăng lên 5,5mm (600oC), ở rãnh thứ 3 chiều dài bị giảm từ 21,08mm (550oC) xuống còn 16,5mm (600oC) lý do trong quá trình tiến hành thí nghiệm kim loại lỏng rót không liên tục làm ảnh hưởng đến chiều dài kim loại điền đầy mẫu thử
Điều đó cũng có nghĩa là khi nhiệt độ tăng từ 450oC đến 600oC dựa vào biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến thể tích mà kim loại lỏng chiếm chỗ ta thấy thể tích của các thanh mẫu ở các chiều dày khác nhau cũng tăng dần Từ đó, có thể kết luận rằng: + Nhiệt độ rót của kim loại lỏng có ảnh hưởng đến độ chảy loãng của kim loại đúc Để tiến hành đúc thì kim loại phải được gia nhiệt đến một nhiệt độ cao hơn nhiệt
độ nóng chảy của nó Tính chảy loãng của kim loại lỏng cho ta biết được khả năng điền đầy khuôn đúc của kim loại lỏng Nó quyết định quảng đường kim loại lỏng còn di chuyển được trong khuôn đúc trước khi đông đặc Nhiệt độ rót của kim loại lỏng càng cao thì tính chảy loãng càng cao, kim loại lỏng dễ dàng di chuyển trong hệ thống rót,
dễ điền đầy khuôn đúc và ngược lại
Trang 12+ Tuy nhiên nhiệt độ rót quá cao sẽ kéo theo mất mát kim loại do Ôxy hóa mạnh và khả năng thâm nhập khí cao hơn ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc và cơ tính vật đúc, tiêu tốn năng lượng nhiều hơn
5.2 Phân tích và giải thích kết quả từ bảng 3:
a) Xử lý số liệu:
Thông số biết trước:
Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách khuôn trong thời gian 1s là: q30W m2 Chiều dày khuôn là: 20,3mm0,0203m
Dựa vào số liệu bảng 3 ta có:
+ Nhiệt độ tại bề mặt bên ngoài khuôn lớn nhất là: t1 160,2o C 433,2K + Nhiệt độ tại bề mặt ngoài khuôn nhỏ nhất là: t2 30,5o C303,5K
Xem quá trình trên là quá trình dẫn nhiệt qua vách phẳng, ta tính được hệ số dẫn nhiệt của khuôn nhôm như sau:
30.0,0203 0,0047 433,2 303,5
q
t t
Hình 5.3: Biểu đồ sự thay đổi nhiệt độ của khuôn trứng theo thời gian
Trang 13b) Nhận xét:
Hệ số dẫn nhiệt của khuôn nhôm:0,0047W mK là rất nhỏ điều này có nghĩa rằng hệ số dẫn nhiệt của khuôn mà càng nhỏ thì tổn thất nhiệt qua vách khuôn là rất ít sẽ làm kim loại lỏng chậm đông đặc, tính chảy loãng của kim loại đúc tăng, kim loại lỏng dễ điền đầy tốt khuôn đúc
Từ đó ta có thể kết luận rằng:
+ Hệ số dẫn nhiệt của khuôn có ảnh hưởng đến tính chảy loãng của kim loại đúc Nếu vật liệu làm khuôn có hệ số dẫn nhiệt tốt sẽ làm giảm nhanh nhiệt độ dòng kim loại lỏng nên kim loại lỏng đông đặc nhanh, làm giảm tính chảy loãng Ngược lại khi kim loại làm khuôn có tính dẫn nhiệt kém, thì kim loại lỏng chậm đông đặc, tính chảy loãng tăng