14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC
1.1. Công nghệ đúc áp lực
1.1.1. Đặc điểm của quá trình
Đúc áp lực cao là công nghệ đúc trong đó kim loại lỏng điền đầy khuôn và
đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao do khí nén hoặc dầu ép trong xilanh ép tạo
ra. Có thể hình dung quá trình công nghệ như trên (hình 1.1):
a) b)
c) d)
Hình 1.1. Quá trình đúc
a) Giai đoạn cấp liệu; b) Giai đoạn điền đầy và ép tĩnh
c), d) Giai đoạn tháo khuôn, lấy vật đúc
Khuôn đúc áp lực cao bao gồm 2 nửa khuôn, nửa khuôn động và nửa khuôn
tĩnh (5). Bắt đầu chu trình đúc, hai nửa khuôn đóng lại. Rót kim loại lỏng đã định
lượng vào buồng ép qua lỗ rót trên xilanh ép (2). Sau khi rót, pittông (1) trong
xilanh (2) đẩy kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn. Thời gian điền đầy rất nhanh chỉ
khoảng phần chục giây với tốc độ hàng trăm m/s và áp suất khoảng vài trăm đến
15
hàng nghìn atmôtphe. Áp suất được duy trì đến khi vật đúc đông đặc hoàn toàn. Rút
ruột khỏi vật đúc. Nửa khuôn động tách khỏi nửa khuôn tĩnh. Chốt đẩy (4) tống vật
đúc khỏi khuôn. Chu trình đúc mới lại bắt đầu.
Đúc áp lực cao có thể sử dụng máy buồng ép nóng hoặc máy buồng ép
nguội. Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh,
do pittông ép tạo ra. Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây
nên. Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất
khác nhau trong suốt một chu trình đúc. Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai
đoạn như trên (hình 1.1).
1.1.2. Các giai đoạn chính trong quá trình đúc
Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót. Vận tốc của pittông ép và áp
lực trong buồng ép còn nhỏ. Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong
buồng ép và xilanh thuỷ lực.
Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép. Tốc độ của pittông
tăng lên và đạt giá trị cực đại v2. Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng
các trở lực của dòng chảy trong buồng ép.
Hình 1.2. Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc
Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn. Do thiết diện
rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép
lại tăng lên. Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích
(quán tính ép) mà áp suất ép tiếp tục tăng lên. Sau khi các dao động áp suất tắt dần,
16
áp suất đạt giá trị không đổi. Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết
tinh.
Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh. Áp suất có thể đạt tới 50-5000 daN/cm2,
tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ. Khi áp lực đã đạt giá trị
thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim
loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao.
1.2. Khuôn đúc áp lực
1.2.1. Cấu tạo khuôn đúc áp lực
Khuôn được cấu thành từ rất nhiều linh kiện, mỗi linh kiện lại có chức năng
riêng. Ở đúc áp lực cao thì khuôn kim loại rất đắt tiền nên phải tính toán kỹ các
chức năng để hướng tới cấu tạo không có lãng phí. Ngoài ra, cần phải nỗ lực trong
việc cắt giảm chi phí khuôn bằng cách thúc đẩy tiêu chuẩn hóa linh kiện cấu thành,
nâng cao khả năng thay thế lẫn nhau của các linh kiện, cắt giảm số lượng linh kiện
bằng cách chế tạo liền, sử dụng linh kiện tiêu chuẩn được các công ty chế tạo khuôn
bán trên thị trường.
Hình 1.3. Kết cấu khuôn đúc áp lực
1- Kênh dẫn; 2- Rãnh dẫn; 3- Khuôn tĩnh; 4- Ruột; 5- Tấm đẩy;
6- Khuôn động; 7,8- Tấm lắp đặt hệ thống làm mát khuôn
17
1.2.2. Vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực
Vật liệu của khuôn được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường
hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt. Về vật liệu, xử lý
nhiệt, xử lý bề mặt của các linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu được thể hiện trong
(phụ lục 1)
Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm được sản xuất chủ yếu bằng thép
SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS G4404 (1983) Nhật Bản, có thành phần (bảng 1.1):
Bảng 1.1. Thành phần thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực
Thành phần hóa học %
C Si Mn Cr Mo V
0,32 – 0,42 0,8 – 1,2 ≤ 0,5 4,5 – 5,5 1,0 – 1,5 0,8 – 1,2
1.2.3. Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực
Trong khi làm việc bề mặt khuôn đúc áp lực phải tiếp xúc kim loại nóng
chảy làm cho bản thân nó cũng bị nung nóng. Nhiệt độ khuôn có thể lên tới
5000C÷6000C. Do đó thép làm khuôn đúc áp lực có các yêu cầu sau:
- Tính bền nhiệt cao tức là khả năng bảo đảm bề mặt làm việc của khuôn
không bị biến dạng dẻo, tính năng này có thể đánh giá qua chỉ tiêu giới hạn chảy ở
nhiệt độ cao hoặc độ cứng ở nhiệt độ cao không nhỏ hơn 45÷50HRC.
- Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt của thép có quan hệ mật thiết với độ dai của nó.
Thông thường yêu cầu ở nhiệt độ thường độ dai của thép không nhỏ hơn 35J/cm2, ở
nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ hơn 50J/cm2.
- Độ bền mỏi nhiệt cao: Thông thường thép có tính bền nhiệt và độ dai càng
cao, hệ số giãn nở nhiệt càng nhỏ thì độ bền mỏi nhiệt càng cao.
- Có khả năng chống ôxy hoá và chống ăn mòn tốt: Thép làm khuôn có đặc
điểm là dựa vào tác dụng hoá bền của cacbit, song để có được độ dai cao, độ bền
mỏi nhiệt cao lại mong muốn hàm lượng cacbon càng thấp càng tốt. Hàm lượng
cacbon trong thép không thể quá cao phần lớn là 0,3÷0,5%. Nếu hàm lượng cacbon
thấp hơn thì tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim cần cao hơn.
Xử lý nhiệt được xử lý bằng công đoạn thể hiện trong (hình 1.4) nhưng đặc
18
biệt điều quan trọng là phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường.
Nếu điều kiện bị sai lệch thì sẽ dẫn đến bất thường trong tổ chức, bất thường về độ
cứng, dẫn đến thoát cácbon của bề mặt, và trở thành nguyên nhân của tình trạng
sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ của khuôn.
Hình 1.4. Sử lý nhiệt khuôn đúc áp lực
Nhiệt độ nhôm khi đúc áp lực khoảng 6000C chà xát lên bề mặt khuôn, vì
vậy khuôn cần độ cứng bề mặt cao để không bị mài mòn. Đồng thời, khuôn còn
chịu lực ép lớn và thay đổi nên phải có độ dai va đập và chống biến dạng tốt. Không
những thế, khuôn đúc áp lực cần phải bảo đảm giữ được độ cứng ở nhiệt độ làm
việc trong thời gian càng dài thì tuổi thọ càng cao. Hay nói một cách khác, khuôn
đúc áp lực cần có tính cứng nóng cao.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn trong quá trình làm
việc:
Nếu coi thành phần SKD61 đã đúng theo tiêu chuẩn JIS quy định thì yếu tố
quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình
nhiệt luyện khuôn. Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn (hình 1.5).
Để đạt được độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 có thể tôi ở các nhiệt độ
khác nhau từ 9500C đến 11000C. Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì
tính cứng nóng và độ bền nóng sẽ được cải thiện.
Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn.
Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao
hơn, thời gian dài hơn.
Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 10800C) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai
của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm. Trái lại, nung tôi ở nhiệt
độ thấp quá (dưới 10000C) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn
định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn.
Tiế
p
nhận Gia nhiệ
t
Làm sạch Làm nguộiRam Kiểm tra
Tôi