Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG
I. Thực chất, đặc điểm và phân loại vật đúc
1. Thực chất
Đúc là phương pháp chế tạo phôi bằng cách điền đầy kim loại lỏng vào lòng khuôn đúc, sau khi hợp kim đông đặc thì thu được sản phẩm có hình dạng kích thước yêu cầu. Sản phẩm của quá trình đúc được gọi là vật đúc. Vật đúc được đem dùng ngay gọi là chi tiết đúc (ví dụ: quả tạ, bi nghiền…), vật đúc phải qua các phương pháp gia công tiếp theo gọi là phôi đức hay bán thành phẩm đúc.
2. Đặc điểm
– Vật liệu đúc rất rộng rãi (vật liệu nấu chảy được là có thể đúc được) như kim loại, hợp kim, vật liệu phi kim (cao su, chất dẻo, paraphin…).
– Khối lượng, kích thước vật đúc có thể từ rất nhỏ đến rất lớn (từ vài gam đến hàng tấn, từ vài mm đến hàng chục m).
– Vật đúc có hình dáng phức tạp mà phương pháp chế tạo khác khó thực hiện hoặc không chế tạo được.
– Công nghệ đúc đơn giản, trang thiết bị không phức tạp lắm, vốn đầu tư ít, giá thành hạ. Khi sử dụng thiết bị và công nghệ cao cũng có thể tạo ra vật đúc có độ chính xác cao với năng suất cao.
– Vật đúc có nhiều khuyết tật: tổ chức dạng hạt, cơ tính không đồng đều làm giảm khả năng chịu lực; đúc trong khuôn cát có độ nhần và độ chính xác thấp, dễ rỗ khí, rỗ xỉ, lẫn tạp chất, nứt, lượng dư gia công lớn, tốn vật liệu…
Sản xuất đúc có từ rất lâu, ngày càng hoàn thiện hơn để tạo ra vật đúc với hình dáng phức tạp, khối lượng và kích thước lớn, độ chính xác cao. Sản phẩm đúc được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp và dân dụng (chi tiết chịu nén, tải trọng tĩnh, tải trọng phức tạp, khối lượng lớn bằng gang, thép…).
3. Phân loại phương pháp đúc
Phương pháp phân loại vật đúc cho trên hình 1.1; đặc trưng, ứng dụng của phương pháp đúc cho trong bảng
a. Theo loại khuôn
– Khuôn một lần: khuôn cát, khuôn vỏ mỏng, khuôn mẫu chảy…
– Khuôn bán vĩnh cửu: khuôn đất sét.
– Khuôn vĩnh cửu: khuôn kim loại.
b. Theo vật liệu làm khuôn, khuôn cất, khuôn đất sét, khuôn kim loại.
c. Theo phương pháp điền đầy hợp kim lỏng: đúc áp lực, đúc ly tâm…
1.2. Đúc trong khuôn cát
1.2.1. Khái niệm
Khuôn cát được chế tạo bằng hỗn hợp có thành phần chủ yếu là cát. Khuôn cát dễ tạo hình vật đúc (loại nhỏ, lớn, đơn giản, phức tạp), dùng một lần, năng suất thấp, độ chính xác và độ nhẵn bề mặt thấp, lượng dư gia công lớn, tốn nhiều kim loại. Khuôn cát thường dùng trong sản xuất đơn chiếc, hàng loạt nhỏ, vốn đầu tư ít, công nghệ đúc đơn giản.
Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ quá trình sản xuất một vật đúc trong khuôn cát.
2. Các bộ phận cơ bản của khuôn đúc bằng cát
Bộ phận cơ bản của một bộ khuôn đúc bằng cát (hình 1.3) gồm khuôn trên 1, khuôn dưới 2, được phân cách bởi mặt phân khuôn 3. Hòm khuôn 4 bằng gỗ hoặc kim loại, bên trong là hỗn hợp (có các lỗ hoặc rãnh thoát khí 5).
Hai hòm khuôn được lắp với nhau bởi chốt định vị 6 qua tại hòm khuôn 7. Lòng khuôn 8 tạo hình dáng bên ngoài, lõi tạo thành hình dáng bên trong (lỗ) vật đúc. Lõi gồm thân lõi 9, các gối lõi 10, khe hở gối lõi 11. Hệ thống rót để dẫn kim loại lỏng vào lòng khuôn, gồm cốc rót 12, ống rót 13, rãnh lọc xỉ 14, rãnh dẫn 15, đậu ngót hoặc đậu hơi 16. Xương khuôn, xương lõi 17 để tăng thêm độ bền cho khuôn và lõi. Hình 1.4 giới thiệu 1 vật đúc sau khi dỡ khuôn, phá lõi.
2. Sự kết tinh của kim loại
1. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của kim toại và hợp kim
a. Tính chất lý nhiệt của kim loại và hợp kim: nhiệt độ chảy (đông đặc), nhiệt độ rót, độ quá nhiệt…
b. Tính chất lý nhiệt của khuôn, vật liệu làm khuôn (cát, đất sét, gang, thép, đồng…), khuôn khô hoặc tươi, nhiệt độ của khuôn khi rót, phương pháp làm nguội…
c. Công nghệ đúc: phương pháp làm khuôn (bằng tay, bằng máy, đúc đặc biệt…), phương pháp rót (trực tiếp, xiphông, rung, đúc ly tâm, áp lực…).
2. Sự hình thành vật đúc trong khuôn (qua 4 giai đoạn)
a. Điền đầy hợp kim lỏng:yêu cầu điền đầy nhanh, liên tục để không làm giảm nhiệt độ của hợp kim lỏng.
b. Hạ nhiệt độtừ nhiệt độ rót đến nhiệt độ kết tinh, hợp kim lỏng xuất hiện phần tử rắn (trung tâm kết tinh – tâm mầm) lớn dần lên và xuất hiên các trung tâm kết tinh khác, đến khi tạo lớp kim loại rắn.
Vùng kết tinh theo hướng tản nhiệt vuông góc với thành khuôn (hình 1.6). Đáy và thành bên đông đặc trước (do truyền nhiệt với tốc độ khác nhau).
c. xéi tinh và đông đặc Khoảng nhiệt độ kết tinh được tính từ điểm lỏng (từ đường lỏng trở xuống) đên điểm đặc (từ đường đặc trở lên). Hướng tản nhiệt từ dưới lên, từ ngoài vào tâm. Sự đông đặc (theo lớp hay thể tích) ảnh hưởng trực tiếp đến tổ chức của vật đúc.
– Đông đặc theo lớp xảy ra với các kim loại nguyên chất, hợp kim cùng tình hoặc hợp kim có khoảng nhiệt độ kết tinh hẹp. Đồ thị (hình 1.5a) là đường cong biểu diễn trường nhiệt độ tăng dần từ hai phía thành khuôn (đỉnh cao nhất ở tâm). Tốc độ truyền nhiệt của hợp kim lỏng giảm dần từ ngoài vào. Hạ nhiệt độ đến nhiệt đô kết tinh, hình thành từng lớp tinh thể. Tại thời điểm t; đường cong 1 cắt đường biểu diễn nhiệt độ kết linh (Tkíttinh) tại a, xuất hiện lớp kim loại rắn (đông đặc) chiều dày S1 hạ nhiệt độ đến t2, đường cong 2 cắt đường biểu diễn nhiệt độ kết tinh (Tka linh) tại a2 ta có lớp kim loại đông đặc chiều dày S2. Hạ nhiệt độ đến thời điểm đường biểu diễn trường nhiệt độ nằm ngang (T < Tksì tinh) vật đúc đông đặc hoàn toàn.
– Đông đặc theo thể tích xảy ra khi hợp kim có khoảng nhiệt độ kết tinh lớn (2 pha lỏng và đặc của đường biểu diễn (hình 1.5b). Tại thời điểm t1, đường cong 1 cắt đường lỏng tại aL và cắt đường đặc tại b1 tạo lớp S1 có 2 pha lỏng và đạc. Khi hạ nhiệt độ đến thời điểm t2, đường cong 2 nằm dưới đường lỏng nên trong khoảng nhiệt độ kết tinh từ đến b, gồm tinh thể kết tinh (pha đặc) và tinh thể chưa kết tinh (pha lỏng). Khi nhiệt độ hạ xuống dưới đường đặc, hợp kim hoàn toàn đông đặc (pha rắn).
Do sự truyền nhiệt nên nhiệt độ giảm dần từ ngoài vào, hợp kim lỏng vẫn có xu hướng đông đặc theo lớp (từ ngoài khuôn vào tâm vật đúc).
e. Nguội ngoài khuôn (tốc độ nguội lớn), có thể ủ trong lò, bể, buồng ủ để tránh gây ứng suất dư, nứt nẻ vật đúc, hóa cứng bề mặt và làm đồng đều, ổn định thành phẩn hóa học…
3. tổ chức kim loại vật đúc
Tổ chức kim loại vật đúc phụ thuộc vào kết cấu, phương pháp và công nghệ đúc. Thỏi đúc trong điều kiện làm nguội bình thường (mặt cắt dọc và mật cắt ngang) được giới thiệu trên hình 1.7.
– Vùng 1: vỏ, hạt nhỏ có độ bền và độ cứng cao.
– Vùng 2: tinh thể hạt dài hình nhánh cây, theo hướng của vectơ tản nhiệt, vuông góc, xuyên tâm.
Nếu vật đúc có thành mỏng, tiết diện ngang nhỏ, tốc độ tản nhiệt lớn thì các hạt phát triển giao nhau ở tâm. Các hạt này gọi là dạng xuyên tâm
– Vùng 3: giữa thỏi đúc có những hạt to, đều trục, đẳng hướng.
4. Sự hình thành khuyết tật vật đúc
4.1. Lõm co
Đây là sự co thể tích, thường xảy ra ở phần trên khi đông đặc cuối cùng, tạo sự thiếu hụt (vùng 4 hình 1.7b).
Vùng này lẫn xỉ, tạp chất, nhiệt độ chảy thấp. Muốn giảm lõm co phải dùng đậu ngót đủ lớn dể bù ngót.
4.2. Rỗ co
Khi kết tinh, do các tinh thể nhánh cây phát triển, bao bọc phần kim loại lỏng, nên khi đông đặc hoàn toàn không được bù ngót. Sự co thể tích tạo nên các lỗ rỗng, gây nên những vùng tập trung ứng suất, làm giảm khả năng chịu lực. Để giảm xốp co, cần thiết kế kết cấu hợp lý, tránh tập trung kim loại, bơ trí hệ thống rót hợp lý để huớng kết tinh từ xa đến gần đậu ngót hay hệ thống rót.
4.3. Rỗ khí
Trong hợp kim lỏng hòa tan một lượng khí, khi kết tinh, tạo bọt khí tồn tại trong kim loại và hình thành rỗ khí, tập trung ứng suất, giảm khả năng chịu lực. Muốn giảm rồ khí, khuôn và lõi phải thoát khí tốt, có đậu hơi hợp lý, vật liệu nấu phải khô, sạch, giảm các chất tạo phản ứng sinh khí khi nấu hợp kim.
4.4. Thiên tích
Khi kim loại kết tinh nó tạo thiên tích vùng, thiên tích hạt, thiên tích nhánh cây gây ra sự không đồng đều về tổ chức, thành phần, độ hạt trong từng vùng, tùng hạt làm giảm cơ tính và khả năng chịu lực của kết cấu.
5. Yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc
Chất lượng vật đúc phụ thuộc vào yêu cầu của sản phẩm, chất lượng kim loại, quá trình công nghệ. Chất lượng vật đúc, được đánh giá bằng các chỉ tiêu về độ chính xác kích thước, hình dáng hình học, vị trí tương đối các bể mặt, chất lượng và độ nhẵn bề mặt. Sau đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến^hất lượng vật đúc.
5.1. Hợp kim đúc
Mỗi hợp kim có tính đúc khác nhau nên chất lượng vật đúc cổng khác nhau (không đồng nhất). Do đó đánh giá đúng tính đúc của họp Kim sẽ chọn được biện pháp công nghệ hợp lý. 5.2. Loại khuôn
Khuôn cát dẫn nhiệt kém do đó hợp kim lỏng nguội chậm, tạo hạt tinh thể lớn. Bề mặt long khuôn xù xì làm cho độ nhẩn bề mặt vật đúc thấp cũng có thể tạo nên dính cát, cháy cát dẫn đến chất lượng bề mặt vật đúc kém.
Khuôn kim loại dân nhiệt tốt làm cho tổ chức kim loại vật đúc có hạt nhỏ làm cơ tính tăng, nhưng do nguội nhanh nên thường gây ra ứng suất, nứt nẻ trong vật đúc. vỏ vật đúc thường bị hóa cứng, gây khó khăn cho quá trình cắt gọt.
5.3. Phương pháp làm khuôn Khuôn cát làm bằng tay cho chất lượng vật đúc trong khuôn này thấp hơn trong khuôn làm bằng máy (làm khuôn bằng máy cho độ chính xác cao, chất lượng đồng đều).
5.4. Công nghệ đúc Công nghệ đúc hợp lý sẽ làm giảm đến mức tối thiểu các khuyết tật của vật đúc. Nếu kèm theo trang thiết bị tiên tiến, hiện đại hóa quá trình công nghệ và quá trình sản xuất, nâng cao trình độ tay nghề của công nhân thì tất cả điều đó cũng hà những biện pháp cơ bản để nâng cao chất lượng vật đúc.
Công nghệ đúc bao gồm: – Công nghệ nấu chảy hợp kim đúc (kèm thiết bị hiện đại, khống chế thành phần, nhiệt độ…). – Công nghệ chê’ tạo khuôn và lõi (bằng tay, bằng máy, sấy…). – Công nghệ rót (có tác động cơ học, rung, lắc…).
