Công nghệ đúc
là một trong những phương pháp gia công kim loại quan trọng nhất, kinh tế nhất trong ngành chế tạo cơ khí. Ngoài việc cung cấp phôi, công nghệ đúc còn có khả năng chế tạo được các sản phẩm trực tiếp tiêu thụ ở thị trường dưới dạng hàng công nghiệp hoặc các sản phẩm mỹ thuật. Khối lượng công việc đúc trong ngành chế tạo máy và ô tô máy kéo bình quân chiếm từ 60 - 80%, cá biệt có trường hợp lên tới 85 - 90%.
Ưu điểm chủ yếu của công nghệ này có thể kể đến là tạo ra những sản phẩm hình đáng hết sức phức tạp (ví dụ như thân máy, thân hộp số biến đổi tốc độ, xi lanh, pittông động cơ đốt trong, chân vịt tầu thuỷ,... ), có thể làm thay đổi thành phần hoá học của hợp kim nhằm thoả mãn yêu cầu về tính chất sử dụng mà không một phương pháp gia công nào khác (ví dụ như rèn, cán, hàn, dập,...) có thể làm được. Với một số chỉ tiết khó có thể gia công bằng phương pháp cắt gọt như cánh quạt tuabin khí được chế tạo bằng hợp kim đặc biệt thì phương pháp đúc tỏ ra là có ưu thế và rất hiệu quả.
Khối lượng, kích thước vật đúc dao động trong một phạm vi hết sức rộng, không bị hạn chế bởi loại hợp kim cần tạo nó; chỉ tiết có đủ độ bên cần thiết, đồng thời còn có thể làm việc được trong môi trường ăn mòn hoá học và mài mòn khắc nghiệt, có thể dùng trong điều kiện yêu cầu tiêu âm, chống ồn, còn có nhiều đặc tính tổng hợp khác tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng.
Do đó, khối lượng sản phẩm đúc trong ngành chế tạo cơ khí chiếm một tỷ trọng hết sức cao, đáp ứng yêu cầu chế tạo cho :
- Thiết bị chuyển đổi năng lượng.
- Thiết bị sản xuất vật chất ban đầu phục vụ cho ngành nông, lâm, súc, ngư nghiệp và khai khoáng.
- Thiết bị dùng trong lĩnh vực sản xuất vật chất khu vực hai như các thiết bị, máy móc dùng trong các ngành công nghiệp nặng và nhẹ.
- Thiết bị phục vụ các ngành kinh tế quốc dân khác như giao thông vận tải (dùng trong lĩnh vực hàng không, hàng hải, sông ngòi và đường bộ...); thiết bị y tế, thiết bị văn phòng.
- Thiết bị gia đình.
- Thiết bị, khí tài dùng trong công nghiệp quốc phòng phục vụ cho sự nghiệp
bảo vệ tổ quốc.
Do những thành quả về khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc trong lĩnh vực chế tạo cơ khí cuối thế kỷ thứ XX mà đặc điểm chủ yếu là:
e© Tăng tốc độ gia công, tăng độ chính xác của thiết bị gia công, giảm khối lượng công việc thủ công mang tính chất nghệ thuật.
e _ Phát triển những phương pháp công nghệ gia công không phoi như rèn, đúc, v.v...
e Triển khai hệ thống tự động hoá trong quá trình gia công.
166
e© Sử dụng những thiết bị gia cong điều khiển số, mềm hoá toàn bộ hệ thống gia công nhằm làm tăng hiệu quả sản xuất hàng loạt vừa và nhỏ, nhiều loại hình sản phẩm tới mức tiếp cận sản xuất hàng loạt lớn.
© Cai tiến kỹ thuật tạo hình và chế tạo các vật liệu kim loại và phi kim loại tiên tiến, mới, khó gia công.
Tất cả đã tác động mạnh mẽ tới quá trình đúc, làm tăng hiệu quả kinh tế, tăng năng suất lao động, cải thiện chất lượng vật đúc, tăng độ chính xác và độ nhắn bề mặt vật đúc nhờ vậy lượng dư gia công trên phôi đúc giảm đáng kể, thậm chí nhiều vật đúc không cần qua gia công cắt gọt mà chỉ cần tiến hành làm sạch bề mặt là đã có thể sử dụng được. Do đó có thể nói công nghệ đúc là một phương pháp gia công cơ bản cần thiết, không thể thiếu và ngày càng phát triển trong lĩnh vực chế tạo cơ khí.
Công nghệ đúc bắt đầu từ khuôn đá - hồi cổ đại phát triển sang việc đúc trong
khuôn đất, khuôn cát, khuôn kim loại, đúc dưới áp lực ( thấp và cao ), đúc chính xác, đúc liên tục,... Sau các thập kỷ 50 thuộc thế kỷ XX xuất hiện phương pháp làm khuôn đưới áp lực cao đối với hỗn hợp khuôn được tổ thành từ vật liệu rời rạc (chủ yếu là cát và chất dính ) nhờ vậy độ bền của khuôn tăng, có thể đúc được các vật lớn một cách kinh tế đồng thời có thể làm giảm kích thước và khối lượng khuôn. Chất dính được dùng đã và đang trải qua 5 thế hệ sau :
e Thế hệ l --- chủ yếu là chỉ đất sét.
e Thé hé 2 --- chủ yếu là chỉ các loại vật liệu từ nguồn vật liệu vô cơ (như nước thuỷ tĩnh, xi măng...)
e Thế hệ 3 --- chủ yếu là các loại vật liệu có nguồn gốc từ vật liệu hữu cơ ( như các chất nhựa, keo, phenolformaldehyd.,...)
e Thế hệ 4 --- chủ yếu là tác dụng liên kết các hạt vật liệu nền bằng biện pháp vật lý ( ví dụ như dùng vật liệu nền là các hạt sắt từ được liên kết bằng lực từ trường; tạo nên môi trường chân không giữa các hạt cát; làm khuôn đông lạnh nhờ việc cho nước liên kết các hạt cát đóng băng lại,...)
e Thế hệ 5 --- chủ yếu là chất dính được dùng từ nguồn sinh vật, ví dụ như các acid amin,...)
Phổ biến nhất hiện nay vẫn là chất dính thuộc 3 thế hệ đầu.
Ngoài các loại khuôn dùng các hạt nên chịu nhiệt được liên kết với nhau bằng chất dính, người ta còn dùng khuôn kim loại chế tạo liền thành 2,3 hoặc nhiều khối lắp ghép với nhau, gọi là khuôn kim loại hay khuôn vĩnh cửu, độ bên cao dùng được
nhiều lần, độ nhắn bề mặt cao, độ chính xác kích thước ổn định.
Vật liệu đúc
ngày một phong phú, đa dạng đáp ứng nhu cầu của xã hội đối với công cụ máy móc trong đời sống xã hội cũng như trong công nghiệp.
Từ các công cụ làm bằng đồng đỏ mà dân Tây Á và Ai Cập đã biết sử dụng cách đây khoảng 5500 năm; Đồng thau - nhiều cư đân trên thế giới đã biết dùng (cách đây khoảng 4000 năm) cho đến sắt ( cuối thiên niên kỷ II, đầu thiên niên kỷ I trước công nguyên), song phải đến khoảng thế kỷ thứ VII, ở Châu Âu vật liệu đúc bằng gang xuất hiện mới mở rộng phạm vi sử dụng vật đúc. Tới thế kỷ XV - XVI đã có rất
nhiều ống nước đúc bằng gang và được dùng rộng rãi ở nước Đức, Pháp và một số nước khác. Sau cách mạng công nghiệp ở thế kỷ thứ XVIII, công nghệ đúc bắt đầu
phát triển rất nhanh, chủ yếu phục vụ cho công nghiệp chế tạo máy hơi nước, máy dệt
và ngành đường sắt.
Bước vào thế kỷ thứ XX tốc độ phát triển về đúc càng nhanh hơn, một trong các nhân tố quan trọng là chất lượng sản phẩm yêu cầu càng cao về các tính chất cơ-lý- hoá của vật liệu, đồng thời lại phải dễ gia công cơ khí như cắt gọt,... nên nhiễu vật liệu mới có tính ưu việt ra đời như gang graphit cầu, thép không gi cácbon thấp, các loại hợp kim của nhôm, đồng; hợp kim trên cơ sở Titan, Niken,... dùng trong lĩnh vực hàng không, y học,...sau đó phát minh ra các phương pháp biến tính và hợp kim hoá làm tăng chất lượng vật liệu kim loại, vật đúc càng được dùng rộng rãi.
Ngoài những vật liệu truyền thống nói trên, người ta đang quan tâm tới một số vật liệu đặc biệt khác được goi là vát liệu mới, hay vật liệu đặc biệt, ví dụ như:
Vật liệu compôzii Vật liệu nguội nhanh Vật liệu gốm sứ
Vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao Vật liệu dùng trong lĩnh vực tên lửa
Vật liệu siêu dẫn Vật liệu siêu dẻo Vật liệu siêu bền
Hướng phát triển
Sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ đúc ở thế kỷ thứ XX cho đến nay có thể kể đến 3 phát minh mang ý nghĩa lớn lao : Đó là phương pháp biến tính gang cầu, làm khuôn tự hoá cứng và lò quay kiểu mới. Hai phát minh đầu đã phá vỡ thói quen truyền thống kéo dài hàng mấy nghìn năm, mở ra một viễn cảnh mới đây triển vọng cho công nghệ đúc, gây tác động lớn tới năng suất và chất lượng vật đúc, giảm giá thành đáng kể, thúc đẩy quá trình sản xuất hàng hoá, dụng cụ, thiết bị kim loại phục vụ cho nhu cầu xã hội. Phát minh thứ ba là do yêu cầu giảm thiểu ô nhiễm môi trường
xã hội Âu châu, từ năm 1980 hãng AIR LIQUIDE (Pháp) và hãng SOGEMI (Ý) cùng
cộng tác cho ra đời lò guay kiểu mới (NEW ROTARY FURNACE) và được đưa vào sản xuất năm 1984 để nấu chảy nhanh gang chất lượng cao, gang cầu, gang Ni-Hard và các loại hợp kim mầu khác dùng phối liệu rắn, thổi ôxy và khí đốt. Hiệu quả kinh
tế kỹ thuật cao, không gây ô nhiễm môi trường. Cho tới năm 1996 đã có 166 lò loại này được dùng rộng rãi, trong đó ở Âu châu (155), Nhật (8), Hàn Quốc (3) và lò đã được cải tiến tới thế hệ thứ 3.
Ba phát minh nêu trên là những ví dụ hết sức điển hình trong lĩnh vực chế biến và nấu chảy hop kim, công nghệ khuôn, hiện đại hoá nên sản xuất đúc trong xu thế
khoa học kỹ thuật toàn cầu phát triển như vũ bão.
Cũng còn phải kể tới 2 công nghệ tiên tiến khác đang được quan tâm, đó là công nghệ tạo dáng nhanh và công nghệ nấu chảy hợp kừn khó chảy bang chim électron :
e Công nghệ tạo dáng nhanh ( rapid prototyping technology ):
wn
Công nghệ tạo đáng nhanh RPT ( rapid prototyping technology ) mdi phat trién vào những năm cuối của thế kỷ thứ XX cho phép người ta thiết kế khuôn mẫu với độ chính xác hết sức cao trong không gian 3 chiều để sản xuất ra sản phẩm với số lượng tuỳ ý trong thời gian ngắn nhất với giá thành thấp nhất hiện đang rất phát triển và được dùng trong nhiều ngành kỹ thuật ở Mỹ, Pháp, Đức, Trung Quốc,... dựa trên nguyên lý làm việc chế tạo mẫu nhanh là cắt ảo trên máy vi tính mẫu 3D thành các lớp, xếp chồng các lớp này lên nhau, tái tạo trong thực tiễn mô hình CAD. Công nghệ này được gọi là ¿n lập thể ( Stereo lithographie) bằng vật liệu " zố? xấp xi” dé thir chic năng cơ học và nhiệt học, cực kỳ quan trọng đối với các vật thể lập thể định đạng cuối cùng hoặc thậm chí đi tới sản phẩm cuối cùng như tạo khuôn đúc chính xác.
Tiêu biểu nhất có thể kể đến việc sử dụng RPT để ghép xương, thay hộp sọ giống hệt bộ phận đã tổn thương trong cơ thể con người cũng như một số chỉnh hình, điều trị lâm sàng trong y học, trong lĩnh vực chính phục khoảng không vũ trụ, trong công nghiệp cũng như trong đời sống thường ngày của xã hội.
Ngoài việc dùng trang thiết bị tin học phục vụ cho công nghệ tạo dáng nhanh (RPT), đầu tư cho phân xưởng đúc máy vi tính kết nối với hệ điều khiển máy tính không có nhiều khó khăn đáng kể, nó còn có tác đụng quan trọng trong việc hiện đại hoá sản xuất, quản lý sản xuất một cách khoa học. Trong tương lai không xa,RPT sẽ nhanh chóng được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp, trong đó có ngành chế tạo cơ khí trên phạm vi toàn thế giới.
©_ Nấu chảy hợp kim khó chảy bằng chùm điện tử (Electron beam melting) :
Thích hợp đối với các loại siêu vật liệu hoặc hợp kim khó chẩy các hệ như đã nói ở phần vật liệu. Ngoài chùm điện tử ( chùm êlectron), có thể nấu chảy các loại vật liệu này trong lò hồ quang chân không.
Bước vào thế kỷ XXI, vật liệu mới trở thành một ngành công nghệ mới được tiếp tục khai thác cùng với một loạt khoa học mũi nhọn khác như sinh vội, vũ trụ, siêu
dẫn, điện tử, quang học và hải dương học và được sử dụng triệt để khi công nghiệp hoá trong khoảng đầu thế kỷ. Vật liệu đúc không chỉ cồn được tiếp tục phát hiện mà còn mang ý nghĩa kinh tế, làm sạch môi trường theo hướng tái sinh, bởi vì nguồn vật liệu khai thác được sẽ dần cạn kiệt.
Pham vi ứng dụng công nghệ mới ở khoảng đầu thế kỷ thứ XXI mang tính chất tổng hợp của nhiều ngành công nghiệp cơ bản như vật liệu, nguồn năng lượng, kỹ thuật tin học... Do đó, sẽ hình thành nhóm công nghiệp kỹ thuật mới có nội dung vô cùng phong phú và hướng phát triển về công nghệ chế tạo cơ khí nói chung và đúc nói riêng sẽ đi vào chiều sâu và chiều rộng đa dạng hơn nhằm phù hợp với nền công nghiệp kỹ thuật mới nói trên.