Báo cáo: Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết nắp hông động cơ RV 125-2 công nghệ đúc áp lực

Chia sẻ: Nguyen Bao Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

191
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong những năm gần đây, việc chế tạo các loại động cơ diezen, động cơ xăng và máy móc thiết bị phụ tùng phục vụ ngành nông lâm ngư nghiệp đang được chú ý phát triển ở nước ta. Hàng loạt động cơ diezen lạo RV125-2 của công ty VIKYNO đã được xuất xưởng và bán ra thị trường. Sản phẩm gọn nhẹ, mẫu mã đẹp, mức tiêu hao nhiên liệu thấp...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo: Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết nắp hông động cơ RV 125-2 công nghệ đúc áp lực

Bé C«ng th−¬ng Tæng C«ng ty M¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp ViÖn C«ng nghÖ B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KH-CN M∙ sè: 235.08/H§-KHCN Tên đề tài Nghiªn cøu c«ng nghÖ chÕ t¹o chi tiÕt n¾p h«ng ®éng c¬ RV 125-2 b»ng c«ng nghÖ ®óc ¸p lùc cao C¬ quan chñ qu¶n: Bé C«ng th−¬ng C¬ quan chñ tr×: ViÖn C«ng nghÖ Chñ nhiÖm ®Ò tµi: KS. TrÇn tù tr¸c 7099 16/02/2009 Hµ Néi - 2008
Bé C«ng th−¬ng Tæng C«ng ty M¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp ViÖn C«ng nghÖ B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KH-CN M∙ sè: 235.08/H§-KHCN Tên đề tài Nghiªn cøu c«ng nghÖ chÕ t¹o chi tiÕt n¾p h«ng ®éng c¬ RV 125-2 b»ng c«ng nghÖ ®óc ¸p lùc cao C¬ quan chñ tr× Chñ nhiÖm ®Ò tµi ViÖn C«ng nghÖ KS. TrÇn tù tr¸c Hµ Néi - 2008
Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn TT Hä vµ tªn Chuyªn m«n §¬n vÞ Trần Tự Trác Kỹ sư đúc-luyện kim Viện Công nghệ 1 Nguyễn Tiến Tài Thạc sỹ CN đúc Viện Công nghệ 2 Võ Thanh Sơn Kỹ sư đúc Viện Công nghệ 3 Trần Thanh Mai Kỹ sư đúc Viện Công nghệ 4 Lê Văn Trị Kỹ sư cơ khí Viện Công nghệ 5 Phạm Văn Lành Kỹ sư vật liệu Viện Công nghệ 6
MỤC LỤC Trang Mở đầu ………………………………………………………………………………….. 1 1. Nghiên cứu lý thuyết ……………………………………………………………. 3 1.1. Vật liệu chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 ………………………... 3 1.2. Nấu luyện hợp kim nhôm ………………………………………………… 7 1.2.1. Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa ……………………………………. 7 1.2.2. Tạo xỉ che phủ bảo vệ………………………………………………. 8 1.2.3. Khử khí và tinh luyện……………………………………………….. 11 1.2.4. Biến tính………………………………………………………………… 12 1.2.5. Kỹ thuật nấu luyện……………………………………………………. 13 1.3 Đúc áp lực cao ………………………………………………………………… 14 1.3.1. Khái niệm và nguyên lý đúc áp lực cao………………………... 14 1.3.2. Ảnh hưởng của áp lực đến quá trình điền đầy khuôn và 20 kết tinh của kim loại………………………………………………… 1.3.3. Phạm vi ứng dụng công nghệ đúc áp lực cao ………………. 21 2. Chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 ………………………………………. 22 2.1. Đặc điểm kết cấu của nắp hông động cơ RV125-2 ………………… 22 2.2. Các điều kiện cần thiết để chế tạo nắp hông …………………………. 24 2.2.1. Thiết bị công nghệ, vật tư, nhân lực …………………………… 24 2.2.2. Bộ khuôn đúc áp lực ………………………………………………… 25 2.3. Quy trình công nghệ chế tạo ……………………………………………… 27 2.3.1. Công nghệ nấu luyện hợp kim ……………………………………. 27 2.3.2. Công nghệ đúc áp lực cao…………………………………………. 30 2.3.2.1. Lắp đặt và thiết lập chế độ làm việc cho khuôn……... 30 2.3.2.2. Lập trình cho máy đúc……………………………………… 32 2.3.2.3. Thao tác đúc…………………………………………………… 37 2.4. Kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm ……………………………… 39 2.4.1. Kích thước hình học………………………………………………….. 39 2.4.2. Thành phần hóa học, tổ chức kim loại, cơ lý tính …………… 39 2.4.3. Xử lý khuyết tật trong quá trình đúc áp lực…………………… 42 3. Kết luận ……………………………………………………………………………… 45 Phụ lục……………………………………………………………………………………. 46 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………….. 47
Mở đầu Trong những năm gần đây, việc chế tạo các loại động cơ diezen, động cơ xăng và máy móc thiết bị phụ tùng phục vụ ngành nông lâm ngư nghiệp đang được chú ý phát triển ở nước ta. Hàng loạt động cơ diezen loại RV125-2 (12,5 mã lực theo mẫu thiết kế của hãng KUBOTA) của Công ty VIKYNO đã được xuất xưởng và bán ra thị trường. Sản phẩm gọn nhẹ, mẫu mã đẹp, mức tiêu hao nhiên liệu thấp, với tỉ lệ nội địa hóa hơn 70% và giá chỉ bằng 45% so với loại động cơ KUBOTA tương đương nhập từ Nhật Bản, nên được thị trường đánh giá cao và tiêu thụ mạnh. Nhu cầu về động cơ RV125-2 mỗi tháng từ 1500 ÷2000 chiếc. Trong đó, khoảng 50÷60%, xuất khẩu đi các nước: Indonesia, Srilanka, Hàn Quốc, Nhật. Động cơ chủ yếu dùng trong nông nghiệp và máy phát điện. Đây là sản phẩm động cơ diezen được ưa chuộng nhất trên thị trường hiện nay. Một số chi tiết của động cơ được nội địa hóa như: Bơm cao áp, vòi phun nhiên liệu, piston, sơ mi, nắp xy lanh,…đã đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, kỹ thuật cũng như công nghệ chế tạo. Tuy nhiên, nắp hông của động cơ hiện vẫn được chế tạo theo các công nghệ đúc truyền thống nên chưa hoàn toàn đảm bảo được năng suất cũng như chưa ổn định về chất lượng. Vì vậy, cần nghiên cứu ứng dụng công nghệ đúc áp lực cao vào việc chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 để giải quyết các vấn đề này. Nắp hông là một chi tiết của động cơ RV125-2, nằm ở phía ngoài bên phải động cơ (hình 1). Nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc che chắn bảo vệ động cơ và định vị một số chi tiết đối với động cơ như: bơm cao áp, cần điều tốc, cần ga, bơm dầu nhớt, ống dẫn dầu, van điều áp, trục khởi động. Phía trong nắp hông chứa dầu nhớt nên phải đảm bảo độ sít kín toàn bộ chi tiết cũng Hình 1. Nắp hông trên động cơ RV125-2
như bề mặt lắp ráp. Bản thân nắp chịu áp lực đến 1,5kg/cm2, riêng các lỗ dầu và phần lắp bơm dầu bôi trơn phải chịu áp lực đến 6kg/cm2. Nhiệt độ làm việc thường xuyên đối với nắp là 80 ÷ 1000C, lớn nhất lên đến 1200C. Trên nắp hông có các vị trí lắp ghép chính xác và định vị nhiều chi tiết với những tọa độ khác nhau, nên công nghệ chế tạo đòi hỏi phải đạt được sản phẩm có độ chính xác cao. Ngoài ra, nắp hông nằm bên ngoài nên còn yêu cầu về tính thẩm mỹ (hình 2). (a) (b) Hình 2. Chi tiết nắp hông, phía trong (a) và phía ngoài (b) Để đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu về vai trò, chức năng quan trọng đối với động cơ cũng như điều kiện làm việc khắc nghiệt nêu trên, việc chế tạo nắp hông cần được nghiên cứu kỹ lưỡng cả về vật liệu và công nghệ chế tạo. Do có hình dạng không gian phức tạp cùng với độ mỏng của nắp (~ 3mm), các công nghệ đúc thông thường như đúc khuôn cát tươi, khuôn cát khô rất khó chế tạo và không đạt yêu cầu. Có thể đúc trong khuôn cát nhựa, khuôn vỏ mỏng được nhưng chất lượng kém, tỉ lệ phế phẩm cao, tiêu hao vật liệu nhiều, năng suất thấp, tính thẩm mỹ kém. Công nghệ đúc áp lực cao thích hợp nhất để đúc nắp vì cho sản phẩm có chất lượng tốt, ổn định, năng suất cao, bề mặt đẹp. Trong phần tiếp tcủa báo cáo, chúng tôi sẽ giới thiệu về vật liệu và công nghệ chế tạo nắp hông động cơ RV125 qua nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thực nghiệm tại Viện Công nghệ.
1. Nghiên cứu lý thuyết 1.1 Vật liệu chế tạo nắp hông Xuất phát từ điều kiện làm việc cũng như hình dạng của nắp hông, vật liệu chế tạo nắp hông phải đáp ứng các yếu tố sau đây: - Có độ bền cơ học cao - Chịu được áp suất đến 1,5at - Chịu được nhiệt độ đến 120oC - Có tính đúc tốt (độ chảy loãng lớn, độ co ngót nhỏ) Qua tham khảo các tài liệu các nước ngoài, hợp kim nhôm- silic- đồng với hàm lượng silic ~ 12% mà đặc trưng là hợp kim nhôm ADC12 (bảng 1) có được những tính chất trên. Căn cứ kết quả phân tích thành phần sản phẩm nắp hông của Nhật (bảng 2) thì vật liệu nắp hông là hợp kim nhôm ADC12 theo tiêu chuẩn JIS H5302 của Nhật [1]. Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim nhôm ADC12 theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302 %Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni %Pb %Sn %Ti 9,6-12,0
- Nhôm: Nhôm là kim loại nền của hợp kim ADC12, chiếm trên 80% khối lượng thành phần. Nhôm ký hiệu hóa học Al là kim loại nhẹ, dẫn nhiệt và dẫn điện khá. Nhôm nguyên chất chịu ăn mòn trong không khí và trong môi trường chất hữu cơ. Nhôm dễ bị ôxy hoá tạo màng oxit bền chắc có tác dụng bảo vệ tránh cho nhôm không bị ôxy hoá tiếp. Vì vậy nhôm nguyên chất được dùng bọc ngoài các hợp kim cần làm việc trong môi trường ăn mòn. Một số tính chất cơ bản của nhôm như sau: 2,7g/cm3 Trọng lượng riêng: 6600C Nhiệt độ chảy: Độ dẫn nhiệt ở 200C: 2,22J/cmKS 37,6m/Ωmm2 Độ dẫn điện: Nhôm tác dụng với kiềm tạo thành aluminat, tác dụng với halôgien (Cl2, I2…) và ở nhiệt độ cao có thể tác dụng với cả S,N2, P, H2,C. Nhôm nguyên chất dẻo dễ gia công biến dạng nhưng kém bền nên không dùng chế tạo các chi tiết máy. Cơ tính của nhôm sau ủ không cao: = 80 ÷ 100 N/mm2 Độ bền, Rm Độ dẻo, δ = 35 ÷ 40% = 72200N/mm2 Modul đàn hồi Tùy theo mức độ tinh khiết nhôm nguyên chất được chia làm 3 loại. Nhôm rất sạch 99,995% Al dùng trong nghiên cứu 99,99% Al 99,97% Al 99,95% Al Nhôm sạch 99,7% Al dùng làm dây dẫn điện 99,6% Al dùng bọc kim loại, dây dẩn 99,5% Al dùng pha chế hợp kim nhôm biến dạng 99% Al dùng pha chế hợp kim nhôm đúc Nhôm kỹ thuật Al1, Al2 dùng khử ôxy khi luyện thép - Sắt: Lượng Fe chứa trong nhôm nguyên chất quá 0,05% thì đã sinh FeAl3 dòn ở dạng kim. Trong hợp kim ADC12, sắt được giới hạn < 1,3%, riêng khi đúc áp lực cao là < 1,5% - Silic có lẫn trong nhôm sẽ cùng sắt tạo thành hợp chất dòn (AlFeSi) kết tinh ở dạng bộ xương hoặc kim rất thô to, làm giảm nhiều độ dẻo. Tuy nhiên silic làm tăng độ bền, độ cứng và cải thiện rất tốt tính đúc (nhiệt độ chảy, tính chảy loãng, độ co) cho hợp kim nên được pha chế đến 12%.
- Măngan pha chế thêm vào nhôm có thể hạn chế bớt ảnh hưởng xấu của sắt vì hợp chất AlFeSiMn kết tinh ở dạng tập trung, ít hại đến tính dẻo. Thêm Mn cũng làm tính vững ăn mòn của nhôm tốt hơn. Lượng dùng đến 0,5%. - Đồng tăng thêm độ dẻo, độ chịu mài mòn, tính chịu nhiệt cho hợp kim, được pha chế làm thành phần hợp kim với hàm lượng 1,5 ÷ 3,5%. - Magiê giúp hợp kim có khả năng nhiệt luyện vì có MgSi hoà tan vào nhôm. Tuy nhiên nếu tăng magiê sẽ làm giảm tính dẻo, do đó chỉ nên < 0,3% - Kẽm hoà tan nhiều được trong pha α của hợp kim không tạo pha mới nhưng làm α bền, làm Si sinh ra nhỏ mịn. Đặc tính của kẽm là làm hợp kim đúc dễ hoá già tự nhiên, đúc xong cứ để ở nhiệt độ thường cơ tính cũng tăng. Hợp kim nay thường không dùng làm việc ở nhiệt độ cao vì giảm bền, giới hạn < 1%. ADC12 là hợp kim nhôm – silixi còn gọi là silumin là họ hợp kim được dùng nhiều chiếm khoảng 50% tổng số hợp kim nhôm đúc. Về tổ chức, trên giản đồ trạng thái ở hình 3 [2], ta thấy hợp kim nhôm- silic có những pha sau: - α là dung dịch đặc dẻo, hoà tan ít Si - Cùng tinh α +Si gồm những hạt silixi hình kim trên nền α, cùng tinh có độ bền cao hơn α nhưng kém dẻo. α Hình 3. Giản đồ trạng thái nhôm – silic
- Biến tính nhôm lỏng bằng Na hoặc muối fluorua natri sẽ làm cùng tinh trở thành hạt mịn. Si sẽ kết tinh ở dạng hạt tròn nhỏ, làm độ bền và dẻo của hợp kim đều tăng. Hợp kim chứa nhiều silíc thì khi biến tính càng thấy rõ hiệu quả này. - Silic thứ nhất thô to kết tinh ở dạng khối đa diện chỉ xuất hiện khi lượng silixi trong hợp kim lớn hơn 12%. Hạt Si rắn, dòn làm cơ tính giảm nhiều nhưng lại làm tăng tính chống ma sát. Tính chất của hợp kim nhôm – silic - Về cơ tính Độ bền của hợp kim nhôm silic tăng theo hàm lượng silic, trong khi đó độ dãn dài giảm. - Về khả năng nhiệt luyện Hợp kim Al-Si thường ít nhiệt luyện vì độ bền tăng không nhiều. Tuy nhiên có thể pha thêm những nguyên tố hợp kim khác như Mg, Cu, Zn làm cho hợp kim có thể nhiệt luyện tốt, độ bền tăng. - Về tính đúc Hợp kim Al-Si có khoảng đông nhỏ dễ đúc nhưng cần chú ý chống rỗ ngót tập trung. Độ chảy loãng của hợp kim khá tốt, thuận lợi cho việc điền đầy khuôn. - Về tính chịu ăn mòn Chịu ăn mòn tốt trong không khí và cả trong nước, axít yếu nếu trong hợp kim có pha thêm đồng và khi nấu không bị hoà tan nhiều sắt. - Về lý tính khác Tăng silic sẽ làm độ dẫn điện và dãn nở nhiệt của hợp kim Al – Si giảm Trong thực tế ta hay dùng hai nhóm mác hợp kim 1- Nhóm Al – Si (5% Si) 2- Nhóm Al – Si (12% Si) Như đã giới thiệu trong bảng 1 và bảng 2, vật liệu chế tạo nắp hông động cơ RV125 thuộc nhóm 2. Nguyên tố silic với hàm lượng 12% sẽ mang lại độ cứng vững cần thiết cho nắp, đồng thời cũng giúp cho nắp hông không bị giãn nở quá nhiều trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao. Ở hàm lượng gần tới 12,6% Si (gần sát điểm cùng tinh), theo giản đồ trạng thái hình 3 hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất 577oC, khoảng đông đặc nhỏ nhất, rất thuận lợi cho đúc áp lực. Khi đúc áp lực, quá trình điền đầy và kết tinh diễn ra rất nhanh, khí không có điều kiện thoát ra nên không gây rỗ cho sản phẩm. Các nghiên cứu [3] đã cho thấy, Si có tác dụng tốt với vật đúc hợp kim nói chung và đặc biệt với hợp kim nhôm. Nó làm tăng tính chảy loãng, giảm độ co, giúp sản phẩm được điền đầy và không bị nứt vỡ.
1.2 Nấu luyện hợp kim nhôm Các vấn đề cần chú ý và các biện pháp xử lý trong nấu luyện hợp kim nhôm bao gồm 1.2.1 Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa Lượng hoà tan của khí trong nhôm lỏng tăng dần theo thứ tự sau: N2, SO2, CO, CO2, O2, khí đốt (CmHn), H2. Nhiệt độ hợp kim càng cao, thời gian nấu càng dài thì lượng khí hoà tan càng lớn [2]. Khi nấu nhôm người ta chú ý nhiều nhất tới sự hoà tan của khí H2.: Ở 6000C nhôm đặc hoà tan tới 0,037 cm3H2/100gAl Ở 6600C nhôm lỏng hoà tan tới 0,7 cm3H2/100gAl, tăng gấp 10 lần so với trạng thái đặc. Các nguồn chủ yếu mang khí H2 vào là hơi nước H2O, dầu mỡ bám ở liệu kim loại và khí CmHm trong khói lò. Vì thế cần có biện pháp ngăn chặn khí từ gốc khi nấu luyện: - Sấy cho hết độ ẩm trong tường lò, nồi graphít, than, chất trợ dung, liệu, nồi rót... để tránh phản ứng 2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 - Nung liệu tới 3000C cho cháy hết dầu mỡ rồi mới cho vào lò - Môi trường khí lò phải có tính oxy hoá nhẹ và không chứa ẩm Nhôm có ái lực với ô xy rất mạnh, nhất là ở nhiệt độ cao. Khi nấu nhôm phải quan tâm đến sự oxy hoá, nếu không nhôm có thể bị cháy hao nhiều. Thực tế cho thấy: Nấu nhôm thỏi có khi cháy hao tới 1,5%, nhôm vụn cháy hao tới 5 ÷ 10% Bề mặt nhôm được phủ màng oxyt dầy 0,05 µm, có khả năng ngăn không cho oxy trong không khí tiếp tục thấm vào nhôm lỏng. Nếu khuấy động bề mặt nhôm lỏng làm vỡ rách màng oxyt nhôm, sẽ tạo thêm màng oxyt mới sinh nhiều xỉ, hao nhiều nhôm. Màng oxyt nhôm chìm vào nhôm lỏng sẽ làm giảm độ chảy loãng và giảm cơ tính. Đặc biệt những vẩy oxit sắt (ở nồi gang, ở gầu múc và dụng cụ thao tác) rơi vào nhôm sẽ có nguy cơ tạo thành những khối oxit nhôm rất rắn nằm trong kim loại. Để hạn chế sự oxy hoá trong quá trình nấu nhôm cần phải chú ý: - Nấu nhanh, nhiệt độ hợp kim không cao quá - Ít cào xỉ ở mặt thoáng kim loại lỏng - Tránh nấu đi nấu lại hoặc rót chuyển nhiều lần - Tránh dùng liệu vụn và cấm dùng phoi nhôm để nấu trực tiếp hợp kim. - Nấu các hợp kim nhôm, nhất là hợp kim có Mg phải có biện pháp che phủ bảo vệ.
1.2.2 Tạo xỉ che phủ bảo vệ Để tránh khí xâm nhập vào hợp kim nhôm gây các tác hại như đã giới thiệu ở trên, người ta thường dùng biện pháp hữu hiệu là tạo xỉ che phủ bảo vệ. Nấu nhôm thỏi nguyên chất không cần che phủ bảo vệ, vì đã có màng oxit nhôm bền vững bao bọc. Nấu các hợp kim nhôm có Mg với khối lượng lớn thường dùng một lượng nhỏ berili [3] cho vào hợp kim (0,03 ÷ 0,07% ) để tạo màng oxit bêrêlima nhẹ, bền ở bề mặt kim loại lỏng. Màng õit này có tác dụng bảo vệ kim loại lỏng khỏi bị hoà tan khí và oxy hoá. Với hợp kim chứa >1% Mg thì màng oxyt chỉ toàn là MgO xốp, do đó việc che phủ bảo vệ là cần thiết. Dùng berili tiện nhưng rất độc, nên trên thực tế ít áp dụng mà thường dùng chất trợ dung hay còn gọi là các muối để tạo xỉ bảo vệ bề mặt kim loại lỏng thay cho Be. Ngoài tác dụng bảo vệ, một số chất trợ dung như cryolit còn có khả năng tinh luyện và khử khí. Cryolit hoà tan oxit nhôm Al2O3 làm cho màng oxit ở bề mặt nhôm lỏng mất đi, tạo điều kiện cho khí trong kim loại lỏng có thể thoát ra. a. Yêu cầu đối với chất tạo xỉ - Nhiệt độ chảy tương đối thấp, thường khoảng 7000C - Chảy loãng tốt để có thể dễ che phủ kín bề mặt kim loại lỏng, nhưng không quá loãng để cào xỉ dễ dàng, tránh để lọt xỉ theo kim loại lỏng chảy vào khuôn. - Trọng lượng riêng nhỏ hơn nhôm, thường khoảng 1,4 ÷ 1,6 ở nhiệt độ 0 750 C, ít hút ẩm. Trên thực tế các muối clorua, nhất là ZnCl2 và MgCl2 hút ẩm mạnh, cần chú ý đặc biệt khi dùng. - Không độc hại và hòa tan được oxit, nhất là oxit nhôm. - Dễ phân ly hoặc bốc hơi để có thể tạo bọt khí nổi lên làm cho kim loại sạch bớt màng Al2O3, bớt khí hoà tan. b. Chọn chất tạo xỉ Để đạt hiệu quả cao, thường không dùng chất tạo xỉ đơn lẻ mà nên dùng một hỗn hợp đa nguyên. Các hỗn hợp đa nguyên chất tạo xỉ cho nhiệt độ chảy, tính chảy loãng phù hợp yêu cầu nấu luyện hơn. Tùy mục đích có thể chọn các chất tạo xỉ theo một số yếu tố sau đây. - Muốn thành phần chất tạo xỉ có nhiệt độ chảy thích hợp, căn cứ vào giản đồ trạng thái giữa các muối để tính ra. Các loại flourua có nhiệt độ chảy cao hơn thường được dùng để điều chỉnh độ loãng của xỉ.. - Muốn hoà tan oxit nhôm dùng chất tạo xỉ có nhiều cryôlit. - Muốn tạo khả năng khử khí dùng fluosilicat natri, hexaclo êtan hoặc clorua kẽm. - Nấu hợp kim nhôm có Mg thường phải dùng thêm MgCl2 trong chất tạo xỉ để hạn chế cháy hao Mg vì các loại clorua và florua kiềm và kiềm thổ thường để tác dụng với Mg làm giảm lượng Mg trong hợp kim do đó gây giảm độ bền. - ZnCl2 và đặc biệt là MgCl2 hút ẩm mạnh cần chú ý khi dùng.
Khối lượng riêng và nhiệt độ chảy của một số muối dùng làm chất tạo xỉ được nêu trong bảng 3 [4]. Bảng 3. Khối lượng riêng và nhiệt độ chảy của một số muối dùng làm chất tạo xỉ Khối l−îng riªng NhiÖt ®é (g/cm3) ch¶y Muèi (0C) Khi r¾n Khi láng Clorua natri NaCl 2,17 1,55 805 Florua natri NaF 2,77 1,95 992 Clorua kali KCl 1,99 1,53 772 Florua kali KF 2,48 1,91 860 Clorua canxi CaCl2 2,15 2,06 744 Flourua canxi CaF2 3,18 1378 Cry«lit AlF3.3NaF 2,95 2,09 995 Cacnalit KCl MgCl2 - 1,5 487 Clorua kÏm ZnCl2 2,91 365 Cloruamagan MnCl2 2,98 650 Cloruamanhª MgCl2 2,18 715 Clorua nh«m AlCl3 2,44 1,33 Một số thành phần chất tạo xỉ thường dùng trong sản xuất đúc hợp kim nhôm được giới thiệu trong các bảng 4, 5,6 dưới đây. Bảng 4. Chất tạo xỉ có khả năng hoà tan oxit NhiÖt ®é nãng TT Hçn hîp muèi Thµnh phÇn % ch¶y 0C 1 Cry«lit AlF3.3NaF 33 735 Clorua natri NaCl 67 2 Cry«lit AlF3.3NaF 15 660 Clorua natri NaCl 60 Clorua kali KCl 25 3 Cry«lit AlF3.3NaF 50 743 Cacbonnat natri Na2CO3 15 Clorua natri NaCl 35 4 Florua natri NaF 10 700 Clorua kali KCl 90 5 Florua natri NaF 20 743 Clorua kali KCl 80 6 Florua natri NaF 10 604 Clorua kali KCl 45 Clorua natri NaCl 45 7 Florua natri NaF 30 720 Clorua kali KCl 50 Clorua natri NaCl 20
Bảng 5. Chất tạo xỉ có tác dụng khử khí, tinh luyện TT Hçn hîp muèi Thµnh phÇn % Clorua kẽm ZnCl2 8 50 Clorua natri NaCl 50 Clorua kẽm ZnCl2 9 22 Clorua natri NaCl 73 Clorua kali KCl 5 10 Flousilicat natri 85 Cry«lit AlF3.3NaF 5 Clorua natri NaCl 5 Clorua kali KCl 5 11 Flousilicat natri 20 Florua Kali KF 10 Clorua natri NaCl 40 Clorua kali KCl 30 12 Flousilicat natri 35 Clorua natri NaCl 30 Clorua kali KCl 28 Hexacloretan 7 Bảng 6. Chất tạo xỉ dùng khi nấu luyện hợp kim nhôm có Mg TT Hçn hîp muèi Thµnh phÇn % 13 Clorua manhª MgCl2 70 Clorua natri NaCl 30 14 Clorua manhª MgCl2 34 Clorua natri NaCl 33 Clorua kali KCl 33 15 Clorua manhª MgCl2 58 Clorua natri NaCl 24 Clorua kali KCl 18 16 Clorua manhª MgCl2 55 Clorua kali KCl 39 Clorua canxi CaCl2 9 17 Clorua manhª MgCl2 50 Clorua natri NaCl 7 Clorua kali KCl 36 Clorua canxi CaCl2 7 Khi dùng chất tạo xỉ cần chú ý một số điểm sau: - Chất tạo xỉ phải được sấy khô trước khi cho vào lò. Phải bảo quản trong thùng, hộp kín và chỉ mở ra trước khi dùng. Cũng có thể nấu để cho chất tạo xỉ chảy ra, hơi ẩm bốc hết, sau đó đổ thành miếng và dùng ngay. Tuyệt đối không dùng chất tạo xỉ ẩm gây rỗ khí. Những chất tạo xỉ bị ẩm rắc lên bề mặt kim loại
lỏng thường nổ lách tách và bắn tung toé, nếu nhấn chìm vào kim loại lỏng sẽ gây sôi dữ dội. - Chất tạo xỉ che phủ có thể cho vào sớm cùng liệu kim loại (khi nấu hợp kim Al – Mg) nhưng thường cho vào khi kim loại đã chảy hết. - Lượng dùng từ 0,5 ÷ 1% trọng lượng nhôm. Đối với xỉ có tác dụng tinh luyện không nên cho vào một lần mà cho ít một để tránh vón cục kém tác dụng. Thường dùng dụng cụ riêng nhấn chìm chất tạo xỉ trong kim loại lỏng và chờ ít lâu để có phản ứng tạo bọt. - Chú ý đến sự cháy hao của Mg (nguyên tố có tác dụng tốt đến khả năng nhiệt luyện của hợp kim), nên dùng chất tạo xỉ có clorua manhê. 1.2.3 Khử khí và tinh luyện Khi nấu xong, trước khi rót phải có biện pháp làm cho khí hoà tan trong kim loại lỏng thoát ra ngoài (khử khí) và giảm bớt lượng oxit nhôm và các tạp chất rắn (Al2O3, SiO2) trong kim loại lỏng (tinh luyện) [5]. Hai cách phổ biến nhất vừa khử khí vừa có tác dụng tinh luyện là: a. Thổi khí clo (Cl2) vào kim loại lỏng. Khí clo khô (đã được hút ẩm qua axít sunphuaric đặc hoặc CaCl2) được thổi vào đáy nồi nhôm lỏng. Các bọt khí Cl2 và các khí HCl, AlCl3 bay lên sẽ mang theo H2 và màng Al2O3 ra khỏi kim loại lỏng. 3Cl2 + 2Al → 3AlCl3↑ Cl2 + H2 → 2HCl↑ Cách này tốt nhưng khí clo độc nên chỉ dùng trong xưởng luyện kim còn xưởng đúc ít được áp dụng. Cũng có thể dùng khí N2 nhưng dễ tạo nitrit nhôm là hợp chất xấu khi nhiệt độ quá 7100C. b. Dùng muối clorua Có thể dùng muối clorua có khả năng phản ứng với nhôm (như MgCl2, MnCl2) tạo bọt khí AlCl3 bay lên: 3ZnCl2 + 2Al → 2 Al Cl3↑ + 3Zn 3MnCl2 + 2Al → 2 Al Cl3↑ + 3Mn Dùng MnCl2 tốt hơn vì ít hút ẩm, và Mn còn lại trong nhôm lỏng cũng không có hại như Zn. Khối lượng muối dùng chỉ khoảng 0,05 ÷0,2% khối lượng kim loại lỏng. Nhiệt độ kim loại lỏng chỉ nên cao trên nhiệt độ chảy khoảng 30 ÷ 500C. Nếu nhiệt độ cao quá sẽ lưu nhiều khí, thấp quá bọt khí khó nổi lên làm cho tác dụng tinh luyện kém. Nên tiến hành khử khí khi kim loại còn trong nồi nấu, sau đó tăng nhiệt độ đến nhiệt độ rót yêu cầu.
Ngoài ra còn có thể khử khí bằng các phương pháp sau: - Dùng siêu âm tác dụng vào nồi rót sẽ tạo nên những khu vực chân không nhỏ trong kim loại lỏng, khí H2 sẽ tập trung vào đó tạo thành bọt khí và nổi lên. - Đặt nồi rót vào trong buồng kín tạo chân không khoảng 0,1 mmHg. Khí H2 hoà tan trong kim loại lỏng sẽ tiết ra thành bọt và nổi lên cuốn theo những mảng Al2O3 lơ lửng trong kim loại lỏng. Toàn bộ quá trình này tiến hành khoảng 4÷5 phút. 1.2.4 Biến tính Đối với những hợp kim Al – Si (nhất là nhiều Si) cần tiến hành biến tính [3] để đạt tổ chức hạt nhỏ mịn khi đúc. a. Biến tính bằng natri kim loại Hợp kim nhôm lỏng sau khử khí sẽ được rải trên mặt một hỗn hợp chất tạo xỉ: 33%NaCl, 67%NaF (với lượng dùng khoảng 0,6% hợp kim lỏng). Nâng nhiệt độ tới 7600C, giữ nhiệt 5 ÷10 phút cho xỉ chảy loãng thì cho natri kim loại vào. Natri được lấy ra khỏi dầu bảo vệ và bọc bằng giấy nhôm mỏng cho vào chụp có lỗ và nhấn chìm trong hợp kim lỏng. Cứ 100kg hợp kim nhôm thì dùng 30 ÷ 60g natri kim loại (thành mỏng < 6 mm dùng ít, thành vật đúc dầy 20 ÷ 30 mm dùng nhiều). Natri có nhiệt độ bốc hơi thấp nên gây sôi dữ dội. Chờ 5 ÷ 10 phút gạt xỉ và rót. Cách này nhanh nhưng gây bắn tóe nhiều, hợp kim dễ bị oxy hoá. Mặt khác Na nhẹ nên phân bố trong hợp kim không đều. b. Biến tính bằng hỗn hợp muối Nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên tới 760 ÷ 8000C rồi rắc lên trên bề mặt kim loại lỏng một lượng muối khoảng 0,6 ÷1% trọng lượng kim loại lỏng, dùng chụp nhấn chìm và khuấy trong 10 ÷ 15 phút cho nhôm tác dụng với muối, tạo ra Na hoà tan vào kim loại. 3NaF + Al → AlF3 + 3Na Vì ở nhiệt độ thấp muối phản ứng chậm nên khi biến tính đòi hỏi phải dùng lượng muối tương đối nhiều. Tùy theo chiều dày của vật đúc có thể chọn nhiệt độ kim loại lỏng thích hợp để biến tính tương ứng với hổn hợp muối đã chọn. Một số thành phần hỗn hợp muối thường dùng được nêu trong bảng 7. Bảng 7. Một số thành phần hỗn hợp muối thường dùng Loại muối NhiÖt ®é ch¶y ( 0C ) NaCl (%) KCl (%) NaF (%) 1 33 - 67 2 20 45 35 650 3 40 40 20 600 4 40 12.5 47.5
Có thể dùng những hình thức thao tác khác nhau nhằm tăng khả năng biến tính như: - Cho muối vào đáy nồi rót trước rồi đổ kim loại lỏng vào sau - Nấu hỗn hợp muối chảy lỏng rồi rót hợp kim nhôm cần biến tính vào Khi biến tính cần chú ý một số điểm sau: - Lượng Na xâm nhập vào kim loại lỏng nên vừa phải, khoảng 0,005 ÷ 0,010%. Nếu nhiều quá sẽ gây kết tinh thô giòn cho hợp kim. - Đảm bảo nhiệt độ kim loại lỏng khi biến tính. Nếu nhiệt độ biến tính thấp quá sẽ kém hiệu quả vì biến tính xong, nhiệt độ nguội quá không rót được. Nếu nhiệt độ biến tính cao quá khí hoà tan nhiều. - Phải đảm bảo đủ thời gian biến tính cho muối phản ứng hết với nhôm lỏng. Khi biến tính xong phải rót ngay, để chờ lâu quá thì hiệu quả biến tính mất dần, dẫn đến thô hạt vật đúc. Nên biến tính trong nồi rót, hoặc có thể biến tính ở nồi nấu đặt trong lò nhưng cứ sau 10 phút phải biến tính lại một lần. - Nếu hợp kim dùng đúc các vật mỏng hơn 6 mm trong khuôn kim loại thì không cần biến tính vì khuôn kim loại làm nguội nhanh cũng tạo hạt mịn. - Lượng Fe > 0,75% thì biến tính không có hiệu quả lắm. - Khi biến tính thường cháy hao Mg (nếu dùng nhôm vụn có Mg trong thành phần hợp kim), vì thế thường phải thêm Mg khoảng 0,1% bằng cách bọc Mg trong giấy nhôm rồi cho vào chụp nhấn chìm trong kim loại lỏng. 1.2.5 Kỹ thuật nấu luyện Hợp kim nhôm nấu xong phải đảm bảo được ba yêu cầu sau: - Không còn khí hoà tan - Không có oxit nhôm - Đúng thành phần đã định Để đạt yêu cầu kỹ thuật, trong quá trình nấu luyện cần: + Chọn lò và liệu thích hợp + Sấy kỹ nồi lò và nung liệu trước khi cho vào lò. + Tạo môi trường khí oxy hoá yếu, có che phủ để hạn chế diện tích mặt thoáng của kim loại lỏng, tránh khí thâm nhập. + Rút ngắn thời gian nấu + Tránh nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên quá cao, giữ lâu ở nhiệt độ cao (hoà tan nhiều khí, làm hạt thô) + Có tiến hành khử khí và tinh luyện kim loại lỏng trước khi rót. + Hạn chế khuấy động kim loại lỏng khi nấu. + Tránh rót đi rót lại vào nồi chuyển nhiều lần.
1.3 Đúc áp lực cao 1.3.1 Khái niệm và nguyên lý đúc áp lực cao 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. Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp kim khác. Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm sản phẩm nhôm đúc áp lực đạt giá trị tới 2,5 tỷ đôla. Đúc áp lực rất phù hợp với đúc hàng loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ, thường có thể nặng tới 5kg [6], cũng có trường hợp đúc chi tiết nặng tới 50kg nhưng giá thành rất cao [7]. Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn bóng, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc. Quá trình đúc áp lực có thể mô tả như sau: kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng áp lực cao thông qua một bộ xylanh-piston nạp hay còn gọi là buồng nạp, hoặc buồng ép (hình 4). Áp lực lớn, tốc độ nguội nhanh, sẽ làm cho sản phẩm đạt tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn, tăng cơ tính và khả năng chịu mài mòn. Có 2 dạng đúc áp lực là đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) và đúc áp lực buồng nóng (hot chamber). Đúc áp lực buồng nguội (hình 4) với bộ xylanh- piston nạp- ép của thiết bị đúc nằm bên ngoài lò- bể chứa kim loại lỏng. Kim loại lỏng được đưa vào xylanh ép thông qua gáo rót. Xylanh này được coi là buồng nguội vì có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kim loại nóng chảy. Hình 4. Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nguội
Hợp kim nhôm thường được đúc với buồng nguội vì có thể sử dụng áp lực đúc lớn, thiết bị không phải liên tục tiếp xúc với nhiệt độ cao [8]. Còn ở đúc áp lực buồng nóng thì bộ phận xylanh– piston nạp được đặt ngay trong kim loại nóng chảy (hình 5) hoặc đặt trong một hệ thống lò nung và nối thẳng với bộ phận lò nấu chảy [9]. Như vậy bộ xylanh– piston có nhiệt độ bằng với nhiệt độ kim loại nóng chảy. Trong trường hợp này, bộ xylanh– piston có tuổi thọ thấp do luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao. Hình 5. Mô hình máy đúc áp lực cao có buồng ép nóng Các chu trình hoạt động chính của máy đúc áp lực buồng nguội được phân ra thành 08 công đoạn. 1. Chuẩn bị và đóng ráp khuôn 2. Rót hợp kim lỏng vào buồng nạp- ép 3. Dồn ép hợp kim lỏng ở vận tốc chậm 4. Ép hợp kim lỏng ở vận tốc nhanh 5. Tăng áp lực 6. Mở khuôn 7. Tháo ruột 8. Đẩy vật đúc, lấy sản phẩm ra khỏi khuôn Việc chia ra các công đoạn khác nhau có ý nghĩa về mặt công nghệ, kỹ thuật, để tính toán các thông số hợp lý như quãng đường chuyển động của piston, áp lực ép, lắp tháo ruột, làm sạch và sơn khuôn, thời gian hợp kim kết tinh, vận tốc vào ra của khuôn động… và cài đặt cho máy đúc áp lực. Trên thực tế, các công đoạn diễn ra liên tiếp với thời gian rất ngắn và máy làm việc hoàn toàn tự động theo chương trình đã cài đặt.
Các công đoạn cụ thể được mô tả trong các sơ đồ minh họa sau 1. Chuẩn bị và đóng ráp khuôn Khuôn được làm sạch, xì chất sơn chống dính, bảo vệ khuôn, ráp chặt hai nửa với nhau, ruột được lắp đặt theo lập trình, sẵn sàng đúc. E E M M E M 2. Rót hợp kim lỏng vào buồng nạp Lấy hợp kim lỏng từ nồi nấu vào gáo định lượng, rót vào buồng ép (nạp) E E M M E M