CHƯƠNG 4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐÚC
PHẦN 7 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT – NƯỚC THỦY TINH
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
1
Từ khóa
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
2
• Glass Water
1. MỞ ĐẦU 1.1. Nguyên lý
Trộn hỗn hợp cát – nước thủy tinh (NTT)
Điền đầy HH vào khuôn hoặc hộp ruột
theo một tỉ lệ thích hợp
pháp nào đó
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
3
Làm đông cứng HH bằng một phương
1.2. Ưu điểm
đúc trong khuôn cát – sét
Độ chính xác của vật đúc cao hơn so với
Giảm được các thao tác làm xương, găm
đinh do độ bền khuôn, ruột cao hơn Tính chảy HH cao dễ điền đầy hòm
khuôn
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
4
Năng suất lao động cao Ít ô nhiễm môi trường
1.3. Nhược điểm
Độ bền tươi của HH thấp Thời gian bảo quản khuôn, ruột bị hạn chế Tuổi xuân HH ngắn Chất lượng cát nguyên liệu phải cao Khó phá khuôn, ruột nếu không có biện pháp
thích hợp
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
5
Tính bám dính của HH vào mẫu cao
1.4. Phạm vi sử dụng
Dùng đúc các VĐ bằng gang, thép có kích
thước nhỏ, trung bình, lớn với độ chính xác và
độ bóng bề mặt khá
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6
Phù hợp với tất cả các loại hình SX
2. NƯỚC THỦY TINH (NTT) 2.1. Mở đầu
Là chất dính vô cơ không thuận nghịch Dung dịch nước của silicat kiềm có công thức
R2O.mSiO2.nH2O, trong đó:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7
- m: module của NTT - R: Na, K, Li Công dụng: - Silicat natri: làm khuôn, ruột, vữa xây lò … - Silicat kali: thuốc bọc vỏ que hàn - Silicat liti: công nghệ thủy tinh
2.2. Cấu trúc silicat natri
các ion natri mang điện tích dương
Bao gồm các oxit silixit mang điện tích âm và
Khi hàm lượng oxit natri lớn: silicat natri có
cấu trúc lớp: tính chất được đặc trưng bởi liên kết ion
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
8
Khi hàm lượng oxit natri bé: silicat natri có cấu trúc không gian: tính chất được đặc trưng bởi liên kết cộng hóa trị
2.3. Cấu trúc của NTT
Silicat natri hòa tan trong nước tạo thành NTT NTT là dung dịch của các ion Na+, OH-, H+ và các anion. Số
lượng và dạng tồn tại phụ thuộc vào nồng độ silicat natri và m theo quy luật:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
9
2.4. Cơ chế đông rắn của NTT 2.4.1. Hình thành silicat natri
Khi sấy, NTT mất nước hình thành cấu trúc
có dạng khung xương tứ diện silixit có đỉnh tự
do và ion Na+ liên kết ion với khung xương
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
10
Silicat natri có độ bền cao
2.4.2. Hình thành gel silixit (silicagel)
chất xúc tác đông rắn Quá trình tạo Silicagel: - Chất đông rắn kết hợp với ion natri: axit silixit
đơn được tạo thành trong NTT
Gắn liền với sự thay đổi pH của NTT bởi các
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
11
- Các axit silixit đơn trùng hợp tạo ra đa axit silixit, kết quả là tạo thành Silicagel ngậm nước
2.4.2. Hình thành gel silixit
Xúc tác đông rắn là axit: Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 H2SiF6 + 3Na2SiO3 + 7H2O 6NaF + 4Si(OH)4 H2SiF6 + 3Na2Si2O5 + 13H2O 6NaF + 7Si(OH)4 Xúc tác đông rắn là natrisiliflorat: Na2SiF6 + 4H2O 2NaF + 4HF + Si(OH)4 Na2O.mSiO2.nH2O + 2HF 2NaF +
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
12
mSiO2.(n+1)H2O
2.4.2. Hình thành gel silixit
Xúc tác đông rắn là các hydroxit KL kiềm thổ: Na2O.mSiO2 + Ca(OH)2 + 6H2O = NaOH + (m-
1)SiO2 + CaSiO3.6H2O
Xúc tác đông rắn là ferosilic: Na2O.mSiO2 + 2mH2O +FeSi = Na2O.nSiO2 +
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
13
mSi(OH)4 + nFe + 2nH2
Xúc tác đông rắn là khí CO2: Na2O.mSiO2 + CO2 = NaCO2/NaHCO2 + Si(OH)2 nSi(OH)2 = SinO2n-m + 2(n-m)H2O
2.4.3. Hình thành pha mới
Khi tác dụng các chất chứa Ca (xi măng, thạch
cao, disilicat canxi …), NTT sẽ đông rắn Các phản ứng đông rắn (khi m= 2 và 3):
Ca2SiO4+Na2O.2SiO2+3H2O= 2CaH2SiO4+Na2H2SiO4
2CaSiO4+Na2O.2SiO2+5H2O = 4CaH2SiO4+2NaOH
3Ca2SiO4+Na2O.3SiO2+7H2O= 6CaH2SiO4+ 2NaOH
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
14
2Ca2SiO4+Na2O.3SiO2+5H2O=4CaH2SiO4+Na2H2SiO4
2.5. Các tính chất của NTT 2.5.1. Module của NTT
M= số mol SiO2 / số mol Na2O
M=(%khối lượng SiO2/%khối lượng Na2O)x1,032
Module M ảnh hưởng mạnh đến các tính chất của
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
15
NTT
Điều chỉnh module của NTT
Để tăng M, cho clorua amôn vào NTT:
Na2O.mSiO2+2NH4Cl mSiO2+2NaCl+2NH3+H2O
Để giảm M, cho xút khô vào NTT:
(n/2)H2O
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
16
Na2O.mSiO2 + nNaOH (1 + n/2)Na2O.mSiO2 +
2.5.2. Độ nhớt của NTT
cao, NTT khó phân bố đều trên bề mặt các hạt
Là tính chất quan trọng của NTT: khi độ nhớt
Khi tăng M và tỉ trọng: độ nhớt của NTT tăng
cát
Khi tăng nhiệt độ: độ nhớt của NTT giảm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
17
và ngược lại
3. CHẾ TẠO KHUÔN, RUỘT BẰNG HỖN HỢP CÁT – NTT 3.1. Hóa bền bằng cách thổi khí CO2 3.1.1. Mở đầu
Đây là pp phổ biến và đơn giản
Khi tác dụng với CO2, NTT chuyển thành gel
axit silixic một cách nhanh chóng, liên kết các
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
18
hạt cát lại với nhau
3.1.1. Mở đầu
Khi thổi CO2 vào thì không phải toàn bộ NTT kịp biến thành gel axit silixit. Khi để ngoài không khí, cả gel và silicat chưa phân hủy đều mất nước và xảy ra 2 quá trình ngược nhau:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
19
- Gel mất nước: làm giảm bền HH - Silicat mất nước: làm tăng bền HH Khuôn chế tạo xong không rót ngay: ngừng thổi CO2 trước khi khuôn đạt độ bền tối đa để sau đó độ bền sẽ tăng dần khi để khuôn ngoài không khí
3.1.2. Một số vấn đề công nghệ a. Chế tạo mẫu
Mẫu gỗ phải được mài bóng và sơn với những chất không phản ứng với NTT
Mẫu KL cần gia công thật bóng và không cần sơn Hệ đường ống để dẫn khí CO2 vào HH có thể bố trí ngay trên mẫu
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
20
b. Hóa bền khuôn, ruột trước khi lấy mẫu, HR ra
Lưu ý giữ cho khuôn không bị biến dạng ở
trạng thái tươi
Khi khuôn đã đông rắn rất khó rút mẫu
mẫu phải được thiết kế, gia công tốt và nên
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
21
lay kỷ mẫu trước khi thổi khí CO2
Làm khuôn trên máy
Thổi CO2 cho khuôn dưới Thổi CO2 cho khuôn trên
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
22
Làm khuôn bằng tay – khuôn nhỏ
1.Khuôn dưới; 2.Mẫu; 3.Khuôn trên; 4.Phần rỗng của mẫu; 5.Mẫu; 6.Vòng kẹp; 7.Ống dẫn CO2; 8.Xiên hơi; 9.Ống thổi
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
23
Làm khuôn bằng tay – khuôn lớn
Làm khuôn xong,
dùng que xiên hơi
tạo đường hơi từ
phía MPK
Cho các đầu ống vào
đường hơi, thổi CO2 vào
1.Khuôn; 2.Mẫu; 3.Cát áo; 4.Đường hơi; 5.Đầu ống côn; 6.Ống cao su mềm; 7.Ống góp; 8.Van a) Khuôn; b) Ống góp
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
24
Làm ruột – dùng nhiều ống để thổi
phức tạp
1- Hộp ruột 2- Hỗn hợp 3- Đường hơi 4- Mẫu KL 5- Ống mềm 6- Ống góp
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
25
Dùng cho ruột lớn hoặc ruột có hình dạng
Làm ruột – dùng chụp để thổi
Thường dùng đối với ruột
vừa và nhỏ, hình dạng đơn
giản
Đầu chụp có đệm cao su để
bảo đảm độ kín giữa chụp và
hộp ruột
1-Hộp ruột; 2-Hỗn hợp; 3-Chụp; 4-
Trên hộp ruột bố trí các lỗ
Vòng đệm; 5-Lỗ thoát
thoát khí
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
26
c. Hóa bền khuôn, ruột sau khi lấy mẫu, HR ra
Đặc điểm: - Độ chính xác kém hơn phương pháp trên;
nhưng tốc độ hóa bền cao hơn
- Độ nhẵn của khuôn và ruột không cao
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
27
- HH phải có độ bền tươi cao hơn để giữ cho khuôn, ruột khỏi bị biến dạng (thường cho thêm sét vào HH)
Hóa bền bằng cách thổi lên bề mặt khuôn
Sử dụng cho khuôn vừa và
nhỏ
Phần làm việc của ống thổi được khoan các lỗ 1-1,5mm
Ống thổi di chuyển qua lại với vận tốc 3-5m/phút Ống thổi nối với bình CO2
bằng ống dẫn mềm
Chiều dày lớp hóa bền
100mm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
28
3.1.3. Thành phần HHLK cho khuôn đúc thép
VẬT ĐÚC
THÀNH PHẦN HỖN HỢP, %
Cát mới
NaOH
Hỗn hợp cũ
Sét mới
Dầu mazut
Tổng lượng sét
NTT cacbonat M=2,6-2,8
Nhỏ
50
-
4-8
5-7
0,5-1,5
-
C016A 50
Trung bình
25
-
< 5
7,0
1,0
0,5
C016A 75
Lớn
-
2-3
< 5
6,5-7,5
1,0
0,2-0,3
C02A 100
-
-
-
7,5
-
-
100
>5000kg, thành dày
30
70
1
-
5,2
1,1
0,6
Thông dụng
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
29
3.1.4. Lưu ý khi dùng khí CO2
Sản xuất nhỏ: thường dùng bình 40 lít, áp suất 60at, khối lượng 60kg; có giảm áp nối với ống cao su mềm Khi dùng liên tục, tuyết sẽ
bám bộ giảm áp, dễ làm tắt khí nên dùng nhiều bình nối qua bộ góp chung Bình đặt đứng, xa các
nguồn nhiệt, thiết bị hàn
1- Bình chứa CO2 2, 5- Van 3- Ống dẫn 4- Bộ giảm áp + đồng hồ đo áp
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
30
3.2. Hóa bền bằng cách sấy hoặc hong 3.2.1. Hong khô tự nhiên
Thực chất là quá trình làm mất nước
Khuôn nhỏ: sau 2 – 5 h, có thể lắp khuôn và rót
Khuôn lớn: sau 12 – 24 h, có thể lắp khuôn và rót
thổi cưỡng bức
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
31
Nên hong khuôn ở nơi có gió hoặc dùng quạt gió
3.2.2. Hóa bền bằng phương pháp sấy
Thổi gió nóng qua HTR
Dùng chụp để sấy • Nếu nhiệt độ gió nóng 200-3000C: thời gian sấy: 5 – 20 phút; chiều dày lớp hóa bền 15- 30mm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
32
3.3. Hóa bền bằng phụ gia 3.3.1. Các chất hóa bền
Các chất phụ gia rắn ở dạng bột: fero-silic,
silico canxi, fero-canxi, disilicat canxi, xỉ luyện
gang, xi măng, nephelin, muối Na2SiF6...
Các chất phụ gia dạng lỏng: các este hữu cơ:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
33
momoaxetin (CH3COOCH2(HOCH2)2), diaxetin ((CH3COOCH2) HOCH)...
3.3.2. Công nghệ
Trộn trước cát và NTT trong máy trộn cánh Trước khi làm khuôn, ruột, cho chất phụ gia
phụ thuộc:
đông rắn vào trộn tiếp, rồi đem sử dụng ngay Thời gian HH đông rắn từ 10 phút đến 6 giờ,
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
34
- Loại chất xúc tác và lượng sử dụng - Độ mịn của chất xúc tác - Nhiệt độ, độ ẩm của môi trường - Chiều dày thành khuôn, ruột
3.3.3. Ưu điểm- Nhược điểm
Giá rẻ Độ chính xác khuôn cao hơn so với CN CO2 Chủ động điều chỉnh được thời gian đông rắn
HH có tính chảy cao hơn, đặc biệt khi dùng
và độ bền của khuôn
chất phụ gia dạng lỏng
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
35
Độ sinh khí ít Tuổi xuân của HH thấp
3.3.4. Một số thành phần hỗn hợp (%)
92,594,5 cát thạch anh + 46 nước thủy tinh (M = 2,1; = 1,321,40 kg/dm3) + 1,5 FeSi 75 47 nước thủy tinh (M = 2,0; = 1,30kg/dm3) +
14 FeSi 75 + cát thạch anh (còn lại)
Cát thạch anh + 610% nước thủy tinh (M =
2,12,2; = 1,421,50kg/dm3) + 28% các chất chứa oxit canxi
2,04,5 nước thủy tinh (M = 2,52,8; =
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
36
1,481,50kg/dm3) + 0,20,5 este + cát thạch anh (còn lại)
4. HH CÁT-NTT DẺO TỰ ĐÔNG RẮN 4.1. Mở đầu
Được phát minh năm 1960 tại Thụy Sĩ HH gồm cát, NTT, chất phụ gia đông rắn và
được cho thêm bùn nephelin để tạo độ dẻo cho hỗn hợp (còn đóng vai trò chất phụ gia đông rắn)
Nephelin là chất thải của quá trình sản xuất
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
37
boxit từ quặng nephelin. Thành phần hóa học: 5456% CaO; 2930% SiO2; 33,5 Al2O3; 2,9 3% Fe2O3; 2,33% (Na2O + K2O)... Thời gian đông rắn: 5 phút – 6 giờ
4.2. Đặc điểm của hỗn hợp
In hình tốt
Độ bền tươi khá cao
Dễ phá dỡ khuôn
Ít sinh khí, độ thông khí cao
Ít ô nhiễm môi trường, không độc hại
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
38
Rẻ tiền
4.3. Một số thành phần hỗn hợp (%)
(97,4 cát + 2,6 bùn nephelin) + 7,3 nước thủy tinh (M = 3,03,2; = 1,48kg/dm3) + 0,7 xút (= 1,151,25kg/dm3). Làm khuôn, ruột cho đúc thép
6,07,0 nước thủy tinh (M = 3,03,2; = 1,45kg/dm3) + 0,70,8 xút ( = 1,151,25kg/dm3). Làm khuôn và ruột cho vật đúc lớn bằng thép cacbon và thép hợp kim 90,3 cát + 7 nước thủy tinh + 2 bùn nephelin +
(97,5 cát silicat Zr + 2,5 bùn nephelin) +
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
39
0,7 xút ( = 1,25kg/dm3)
5. HH CÁT-NTT CHẢY LỎNG TỰ ĐÔNG RẮN 5.1. Mở đầu
Công bố năm 1961 tại Liên Xô
Đây là HH cát – NTT – chất phụ gia đông rắn +
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
40
chất hoạt tính bề mặt
5.2. Đặc điểm
chặt với chế độ rung thích hợp
Không cần đầm khuôn mà chỉ cần rung lèn
Dễ phá khuôn hơn các PP làm khuôn bằng HH
Độ thông khí tốt; độ sinh khí thấp Dễ tái sinh HH Không độc hại, thân thiện với môi trường Rẻ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
41
cát – NTT khác
5.2. Đặc điểm
(chỉ cao hơn HH cát – sét chút ít)
Độ bền khuôn sau đông rắn không cao lắm
Tuổi xuân HH ngắn
HH có độ rã cao: khó dùng sơn nước
HH dễ dính vào mẫu, HR. Nên sơn mẫu, HR
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
42
bằng parafin, silicon …
5.3.Chất hoạt tính bề mặt (chất tạo bọt) 5.3.1. Mở đầu
Để HH rời rạc chuyển sang trạng thái chuyển động lỏng cần phải cho vào HH chất hoạt tính bề mặt (HTBM)
Chất HTBM là chất có khả năng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha và làm giảm năng lượng tự do bề mặt của chúng
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
43
Phân tử chất HTBM gồm 2 phần: một đầu là gốc ưa nước để chất HTBM dễ hòa tan trong nước; một đầu là gốc kị nước để tạo bọt khí làm HH chuyển sang trạng thái chuyển động lỏng
5.3.2. Một số chất tạo bọt Alkilsulphonat: tên thương mại: sulphonat, chứa 1218 nguyên tử cacbon, công thức hóa học CnH2n+1 – SO3Na;
Alkilsulphat: tên thương mại: Progres, công thức
cấu tạo:
Alkilarilsulphonat: là muối alkillarilsulphatnatri,
công thức cấu tạo :
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
44
R: gốc kị nước chứa 8 – 12 nguyên tử cacbon
5.3.3. Nguyên lý làm khuôn
Cho chất tạo bọt vào HH cát – NTT – chất phụ
Trình tự trộn: trộn cát, chất tạo bọt; cho NTT vào trộn tiếp; cho chất xúc tác đông rắn vào trộn tiếp
Trộn xong, đem “rót” ngay HH vào khuôn hoặc hộp ruột (đặt trên sàn rung); rung với chế độ rung thích hợp
gia đông rắn: HH sẽ có tính “chảy lỏng”
Sau 15 – 60 phút: tháo mẫu (hộp ruột) Sau 4 – 12 h: HH đạt độ bền cao nhất: lắp
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
45
khuôn và rót
5.4. Một số thành phần hỗn hợp (%) Chất phụ gia đông rắn thường dùng: xi măng portland,
disilicat calci, xỉ luyện gang …
(93 cát thạch anh + 7 xỉ ferro crôm) + 8 NTT
(M = 2,72,8; = 1,301,32kg/dm3) + 0,05 chất tạo bọt
(96 cát thạch anh + 4 xỉ ferro crôm) + 7 NTT
(M = 2,72,8; = 1,301,32kg/dm3) + 0,3 xút ( = 1,3kg/dm3) + 0,12 chất tạo bọt . Dùng làm khuôn đúc thép
(94,6 cát thạch anh + 4 xỉ ferro crôm + 1,4 bột than) + 7
NTT (M = 2,72,8; = 1,301,32kg/dm3) + 0,3 xút ( = 1,3kg/dm3) + 0,15 chất tạo bọt. Làm khuôn đúc gang
(95 cát thạch anh + 5 xỉ ferro crôm ) + 8 NTT
(M = 2,73,0; = 1,32kg/dm3) + 0,100,15 chất tạo bọt. Làm khuôn đúc gang, thép
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
46
