Tìm hiểu một số phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt: Phần 1

Chia sẻ: Túcc Vânn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn sách "Tìm hiểu một số phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt" trình bày các nội dung: Đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực, đúc ly tâm, đúc trong khuôn cát nước thủy tinh. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tìm hiểu một số phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt: Phần 1

2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Nguyễn Ngọc Hà CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2006
3 MỤC LỤC Lời nói đầu 7 Chương 1 9 ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI 1.1 MỞ ĐẦU 1.2 ĐẶC ĐIỂM VỀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT KHI ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI 1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CO 1.4 KHUÔN KIM LOẠI 1.5 RUỘT CHO KHUÔN KIM LOẠI 1.6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI 1.7 MÁY ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI 1.8 Ví dụ về sử dụng khuôn kim loại để đúc piston bằng hợp kim nhÔm Chương 2 70 ĐÚC ÁP LỰC 2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 2.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG 2.3 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA VIỆC ĐIỀN ĐẦY HỐC KHUÔN 2.4 CÁC ĐIỀU KIỆN VỀ NHIỆT CỦA SỰ HÌNH THÀNH VẬT ĐÚC 2.5 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC 2.6 MÁY ĐÚC ÁP LỰC 2.7 MỘT SỐ DẠNG KHÁC CỦA CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC Chương 3 123 ĐÚC LY TÂM 123 3.1 MỞ ĐẦU 3.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THỦY LỰC CỦA QUÁ TRÌNH ĐÚC LY TÂM 3.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ QUÁ TRÌNH ĐÔNG ĐẶC CỦA VẬT
4 ĐÚC LY TÂM 3.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC LY TÂM 3.5 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ ĐÚC LY TÂM CỤ THỂ 3.6 KHUYẾT TẬT VẬT ĐÚC KHI ĐÚC LY TÂM 3.7 ĐÚC BÁN LY TÂM (Semi-Centralfugal) 3.8 Máy đúc ly tâm Chương 4 155 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NƯỚC THỦY TINH 155 4.1 MỞ ĐẦU 4.2 NƯỚC THỦY TINH 4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO KHUÔN VÀ RUỘT BẰNG HỖN HỢP CÁT - NƯỚC THỦY TINH 4.4 TÁI SINH HỖN HỢP CÁT - NƯỚC THỦY TINH Chương 5 186 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT - NHỰA 186 5.1 MỞ ĐẦU 5.2 VẬT LIỆU LÀM KHUÔN CÁT NHỰA 5.3 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NHỰA ĐÔNG RẮN NÓNG 5.4 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NHỰA ĐÔNG RẮN NGUỘI 5.5 CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP CÁT - NHỰA 5.6 THIẾT BỊ ĐỂ LÀM KHUÔN VÀ RUỘT CÁT NHỰA Chương 6 231 ĐÚC TRONG KHUÔN MẪU CHẢY 231 6.1 BẢN CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP 6.2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẪU 6.3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM 6.4 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO KHUÔN MẪU CHẢY 6.5 LÀM SẠCH VẬT ĐÚC Chương 7 247 ĐÚC TRONG KHUÔN MẪU HÓA KHÍ 247
5 7.1 MỞ ĐẦU 7.2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐÚC TRONG KHUÔN MẪU HÓA KHÍ 7.3 THIẾT BỊ DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ ĐÚC TRONG KHUÔN MẪU HÓA KHÍ Chương 8 260 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 260 8.1 ĐÚC LIÊN TỤC 8.2 ĐÚC TRONG KHUÔN MÀNG MỎNG - CHÂN KHÔNG 8.3 ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG 8.4 ĐÚC DẬP LỎNG 8.5 ĐÚC TRONG KHUÔN TỪ Tài liệu tham khảo 282
6
7 Lời nói đầu Sản xuất đúc là một trong những ngành quan trọng của công nghiệp chế tạo máy. So với các phương pháp gia công tạo hình sản phẩm khác, đúc có nhiều lợi thế hơn. Đúc có năng suất cao hơn gia công cắt, nhất là khi sản xuất loạt lớn. Đúc có thể tạo ra chi tiết có hình dạng rất phức tạp và trong nhiều trường hợp đúc là giải pháp duy nhất. Đúc hầu như có thể áp dụng cho bất kỳ kim loại và hợp kim nào. Bằng phương pháp đúc có thể tạo ra các chi tiết rất bé (vài chục gram) đến những chi tiết rất lớn (hàng ngàn tấn). Trước đây, khi sử dụng khuôn cát - sét thông thường, khó chế tạo được vật đúc chất lượng cao. Vì thế, những phương pháp và công nghệ đúc mới dùng hỗn hợp có chất lượng cao hơn để làm khuôn hoặc dùng khuôn kim loại có gia công bề mặt nhẵn bóng đều được mang tên là phương pháp đặc biệt. Có thể chia các phương pháp đúc đặc biệt thành hai nhóm chính: - Nhóm 1: sử dụng vật liệu chịu nóng để chế tạo khuôn. Thông thường khuôn dùng một lần, tạo ra vật đúc có độ bóng bề mặt và độ chính xác cao: khuôn vỏ mỏng, khuôn mẫu chảy, khuôn mẫu hóa khí... - Nhóm 2: sử dụng khuôn bằng kim loại, được sử dụng nhiều lần, vật đúc có chất lượng cao. Bao gồm các phương pháp: đúc trong khuôn kim loại tĩnh, đúc áp lực, đúc ly tâm, đúc liên tục. Ở nước ta, sau một thời gian dài trì trệ: công nghệ lạc hậu, trang thiết bị sản xuất ở mức cơ khí hóa và tự động hóa rất thấp, ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ngành đúc đang bước vào một giai đoạn phát triển mới với nhu cầu lớn về trang bị các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT được biên soạn nhằm phục vụ công tác giảng dạy và học tập các môn học có liên quan đến công nghệ đúc, phù hợp với nội dung giảng dạy của Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM.
8 Sách gồm 8 chương: Chương 1: Đúc trong khuôn kim loại Chương 2: Đúc áp lực Chương 3: Đúc ly tâm Chương 4: Đúc trong khuôn cát – nước thủy tinh Chương 5: Đúc trong khuôn cát - nhựa Chương 6: Đúc trong khuôn mẫu chảy Chương 7: Đúc trong khuôn mẫu hóa khí Chương 8: Các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt khác Do lần đầu tiên biên soạn cuốn sách này nên không tránh khỏi các sai sót, rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và quý độc giả. Tác giả xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM, các phòng, ban, ngành có liên quan và các đồng nghiệp đã hỗ trợ để xuất bản cuốn sách này. Thư góp ý xin gởi về Bộ môn Công nghệ Vật liệu kim loại và hợp kim, Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM. Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Q.10. ĐT: 08-8661320 TS Nguyễn Ngọc Hà
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 9 Chương 1 ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI 1.1 MỞ ĐẦU Sự phát triển của sản xuất đúc gắn liền với sự hoàn thiện các loại khuôn đúc đã có và phát minh ra các loại khuôn đúc mới. Một trong những phương pháp đúc đặc biệt là đúc trong khuôn kim loại tĩnh hay còn được gọi là đúc trong khuôn kim loại dưới tác dụng của trọng trường (thường được gọi tắt là đúc trong khuôn kim loại). Đúc trong khuôn kim loại cho phép giải quyết các vấn đề về nâng cao hiệu quả và chất lượng vật đúc, chẳng hạn, trong một mức độ nhất định, cho phép điều chỉnh cơ tính của vật đúc. Bản chất của phương pháp này là khuôn đúc bằng kim loại được sử dụng nhiều lần thay cho khuôn cát được sử dụng một lần, còn ruột có thể là ruột cát hoặc ruột kim loại. Kim loại được điền đầy khuôn dưới tác dụng của lực trọng trường (khác với đúc áp lực: kim loại được điền đầy khuôn với tác động của áp lực). Hiện nay, sản lượng các vật đúc được đúc bằng phương pháp đúc này chiếm khoảng 30% tổng sản lượng các vật đúc được đúc bằng các phương pháp đặc biệt (đứng hàng thứ hai sau phương pháp đúc áp lực). 1.1.1 Đặc điểm của sự hình thành vật đúc trong khuôn kim loại Sự hình thành vật đúc trong khuôn kim loại có những đặc trưng khác hẳn so với đúc trong khuôn cát. Cụ thể: - Sự điền đầy khuôn, đông đặc và làm nguội vật đúc xảy ra với sự trao đổi nhiệt mạnh mẽ giữa khuôn và vật đúc, do đó vật đúc nguội nhanh hơn rất nhiều so với trong khuôn cát. Do nguội nhanh, vật đúc có thể có cơ tính cao hơn, nhưng
10 CHƯƠNG 8 phải chú ý đến khả năng gia tăng ứng suất trong vật đúc và việc biến trắng ở các vật đúc bằng gang - Khuôn kim loại không có khả năng thông khí, vì vậy phải bảo đảm việc thoát khí khi chọn kết cấu khuôn, bố trí vật đúc trong khuôn, cách dẫn kim loại vào khuôn... - Khuôn kim loại không chịu lún, cản co mạnh, do đó dễ tạo ứng suất trong vật đúc, làm vật đúc dễ cong vênh, nứt, khó lấy ra khỏi khuôn. 1.1.2 Ưu nhược điểm của quá trình đúc trong khuôn kim loại 1- Ưu điểm - Độ chính xác và độ bóng bề mặt vật đúc cao, lượng dư gia công thấp (giảm 2÷ 3 lần so với đúc trong khuôn cát - sét). Trong một số trường hợp không cần và không nên gia công cơ vì bề mặt vật đúc có khả năng chịu mài mòn và chống ăn mòn tốt - Vật đúc có tổ chức sít chặt, cơ tính cao (tăng 10÷ 30% so với đúc trong khuôn cát) - Giảm đáng kể lượng hỗn hợp làm khuôn và ruột sử dụng, trong nhiều trường hợp có thể hoàn toàn không sử dụng chúng. Chính vì vậy trang thiết bị cần thiết cho phương pháp đúc này ít hơn nhiều so với các phương pháp đúc trong khuôn cát. - Đặc điểm về tương tác giữa khuôn kim loại và vật đúc ổn định hơn so với khuôn cát, do đó giảm các yếu tố chủ quan và khách quan gây phế phẩm vật đúc. - Năng suất cao (tăng 2÷ 5 lần so với đúc trong khuôn cát - sét) - Dễ cơ khí hóa, tự động hóa vì các khâu làm khuôn, ráp khuôn, phá khuôn bị loại bỏ - Giá thành sản phẩm giảm nếu sản lượng đúc phù hợp - Giảm diện tích sản xuất - Không đòi hỏi tay nghề thợ cao - Giảm ô nhiễm môi trường so với đúc trong khuôn cát thế hệ 1 và 2.
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 11 2- Nhược điểm - Thời gian chuẩn bị sản xuất dài - Yêu cầu tổ chức quản lý kỹ thuật chặt chẽ - Giá thành khuôn kim loại cao, độ bền khuôn bị hạn chế, đặc biệt là khi đúc thép - Không hiệu quả khi sản xuất nhỏ - Tốc độ nguội của khuôn lớn, do đó khó đúc các vật đúc thành mỏng, dễ biến trắng khi đúc gang - Ứng suất trong vật đúc lớn do sự cản co của khuôn kim loại - Khó đúc các vật đúc có hốc sâu, có các phần lồi, gân... (thường phải dùng ruột hoặc miếng rời bằng hỗn hợp cát). Phải dùng nhiều ruột khi đúc các vật đúc phức tạp 1.1.3 Phạm vi sử dụng Do các đặc điểm đã nêu, lĩnh vực sử dụng có hiệu quả của phương pháp đúc trong khuôn kim loại là: - Các vật đúc có kết cấu không quá phức tạp, có thành không quá mỏng, không hoặc ít gia công cơ - Các vật đúc đòi hỏi tổ chức sít chặt - Các vật đúc bằng gang yêu cầu có lớp biến trắng ở bề mặt - Các vật đúc bằng hợp kim màu dễ chảy - Các vật đúc bằng thép có hình dạng đơn giản có thành dày ≥ 6÷ 10mm. Việc đúc trong khuôn kim loại chỉ đạt hiệu quả kinh tế khi sản xuất hàng loạt trở lên, đối với vật đúc nhỏ phải trên 400÷ 500 cái, đối với các vật đúc lớn trên 50÷ 150 cái. Phương pháp này có thể đúc được các vật đúc nặng từ vài lạng đến vài chục kg (đôi khi đúc các vật đúc đơn giản nặng đến vài tạ).
12 CHƯƠNG 8 1.2 ĐẶC ĐIỂM VỀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT KHI ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI 1.2.1 Mở đầu Sự hình thành vật đúc là vấn đề quan trọng của lý thuyết đúc. Nó phụ thuộc vào nhiều hiện tượng vật lý có bản chất khác nhau, trong đó hiện tượng nhiệt đóng vai trò cơ bản nhất vì sự phân bố và thay đổi nhiệt độ trong vật đúc là nguyên nhân đầu tiên dẫn tới các quá trình xảy ra trong đó. Đối với khuôn kim loại thì hiện tượng nhiệt lại giữ một vai trò cực kỳ quan trọng vì các lý do: - Khuôn kim loại có khả năng rộng lớn để thay đổi các điều kiện nhiệt của quá trình hình thành vật đúc (do đó có thể điều khiển sự hình thành cấu trúc và tính chất của vật đúc trong một giới hạn nhất định): chọn vật liệu làm khuôn, chọn chiều dày và kết cấu khuôn, chọn phương pháp và chế độ nguội cưỡng bức, chọn thành phần và chiều dày lớp sơn khuôn... - Trạng thái nhiệt của khuôn kim loại là yếu tố quyết định độ chính xác và tuổi thọ của nó. Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt của khuôn kim loại và vật đúc không những có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. 1.2.2 Các dạng bài toán về nhiệt của quá trình đúc trong khuôn kim loại Bài toán 1 Xác định các quy luật thay đổi về nhiệt độ, sự đông đặc và làm nguội vật đúc phụ thuộc vào các yếu tố của khuôn (chiều dày lớp sơn khuôn và thành khuôn, các tính chất nhiệt vật lý của chúng, chế độ làm nguội khuôn) nhằm thiết lập các quy luật hình thành cấu trúc vật đúc, đặc điểm ứng suất nhiệt xuất hiện trong vật đúc và thời điểm dỡ khuôn.
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 13 Sơ đồ bài toán: Cho trước - Chiều dày thành khuôn và lớp sơn các yếu tố khuôn của khuôn - Các tính chất nhiệt vật lý của khuôn, sơn khuôn - Chế độ làm nguội khuôn Các quy luật - Sự hình thành cấu trúc vật đúc về sự đông đặc - Ứng suất trong vật đúc và làm nguội - Thời gian đông đặc và làm nguội vật của vật đúc đúc Bài toán 2 Lựa chọn các tính chất nhiệt vật lý và hình học của khuôn và lớp sơn khuôn, chế độ làm nguội của khuôn với mục đích tạo điều kiện mong muốn cho việc hình thành vật đúc (tốc độ đông đặc, độ chênh nhiệt độ giữa các phần trong vật đúc) nhằm đạt được các tham số cần thiết về chất lượng vật đúc (độ bền, độ cứng, độ chính xác...). Đây có thể coi là bài toán ngược của bài toán 1. Bài toán 3 Xác định các điều kiện sử dụng khuôn kim loại như: thời gian chu trình nhiệt, nhiệt độ ban đầu của khuôn, giá trị ứng suất nhiệt và độ biến dạng của khuôn... Việc nghiên cứu các hiện tượng nhiệt trong hệ vật đúc - khuôn kim loại thường được thực hiện qua tiêu chuẩn X3/X1; với: X3 - chiều dày lớp sơn khuôn; X1 - nửa chiều dày thành vật đúc. 1.2.3 Đặc điểm của quá trình Thông thường, khuôn kim loại có lớp sơn khuôn mỏng nên X3/X1 ≤ 1 (H.1.1). Với điều kiện này, ta có hai hệ quả quan trọng: - Khả năng tích nhiệt của lớp sơn khuôn không đáng kể so với khả năng tích nhiệt của vật đúc. - Lớp sơn khuôn có thể được coi là phẳng. Hai hệ quả này cho phép coi trở nhiệt của lớp sơn khuôn
14 CHƯƠNG 8 như trở nhiệt của thành phẳng. T1 - nhiệt độ kim loại ở tâm T1bm - nhiệt độ ở bề mặt vật đúc T2bm - nhiệt độ mặt ngoài khuôn T’2bm - nhiệt độ mặt trong khuôn T1bđ - nhiệt độ ban đầu của kim loại lỏng trong khuôn T2bđ - nhiệt độ ban đầu của khuôn; X2 - chiều dày thành khuôn Hình 1.1 Trường nhiệt độ của hệ vật đúc - lớp sơn khuôn - khuôn kim loại Do λ3 = λ1 nên giữa vật đúc và thành khuôn hình thành lớp đệm có nhiệt trở lớn: 1 X3 = (1.1) β λ3 Do đó, hệ số tỏa nhiệt β của bề mặt vật đúc nhỏ. Điều này làm giảm tốc độ dẫn nhiệt q từ bề mặt kim loại lỏng: ′ ) q = β(T1bm – T2bm (1.2)
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 15 Như vậy, bằng cách thay đổi loại sơn (do đó thay đổi λ3) và chiều dày lớp sơn X3, ta có thể điều chỉnh được tốc độ dẫn nhiệt từ vật đúc, qua đó thay đổi được tổ chức, tính chất của nó.
16 CHƯƠNG 8 1.2.4 Sự hình thành vật đúc Quá trình hình thành vật đúc trong khuôn kim loại có thể được chia thành bốn giai đoạn: Giai đoạn 1: Dòng kim loại lỏng đi từ miệng gầu rót đến khuôn Trong quá trình này kim loại lỏng nguội đi. Sự thay đổi nhiệt độ của dòng kim loại được mô tả: T1  y = exp  − A(t − ) (1.3) Tr  u  với: T1 - nhiệt độ kim loại lỏng tại vị trí cách miệng gầu rót một khoảng cách y Tr - nhiệt độ rót; t - thời gian kể từ khi bắt đầu rót y - khoảng cách kể từ miệng gầu rót u - tốc độ chuyển động của dòng kim loại lỏng α1 A= Tr ρ1′ c1′ c1′ - nhiệt dung riêng của kim loại lỏng ρ1′ - khối lượng riêng của kim loại lỏng α1 - hệ số tỏa nhiệt của kim loại lỏng ra môi trường. Giai đoạn 2: Tỏa nhiệt quá nhiệt. Ở giai đoạn này nhiệt độ kim loại lỏng trong khuôn cũng thay đổi theo hàm mũ: T1  Fα  = exp  − 1 1 ⋅ t (1.4) T1bñ  M c′ 1 1  với F1 - diện tích bề mặt vật đúc; M1 - khối lượng vật đúc. T1bđ được xác định bằng cách thay t = t1 (t1 - thời gian rót) vào công thức (1.3). α1 - hệ số tỏa nhiệt từ vật đúc ra môi trường. Đối với khuôn mỏng:
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 17 1 α1 = X 2 X 3 X khí 1 + + + λ 2 λ 3 λ khí λ 2 α2 - hệ số tỏa nhiệt từ khuôn ra môi trường. X khí , λ khí - chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp màng khí Từ (1.4) có thể xác định được thời gian tỏa nhiệt quá nhiệt: M 1c1′ T t2 = ⋅ ln 1bñ F1α1 Tkt với: Tkt - nhiệt độ kết tinh của kim loại lỏng F1 - diện tích bề mặt vật đúc. Giai đoạn 3: Vật đúc đông đặc. Quá trình đông đặc của vật đúc phụ thuộc vào hình dạng và cường độ nguội của vật đúc, tức phụ thuộc vào tiêu chuẩn Biô: α1 X1 Bi1 = (1.5) λ1 Trong trường hợp Bi1 ? 1 (cường độ nguội vật đúc lớn) thì chiều dày lớp vỏ đông đặc vật đúc phẳng được tính theo công thức: 2n(n + 1)a1 ξ= (1.6) L + (n + 1) + Bi1 λ1 với: a1 = c ρ - hệ số truyền nhiệt độ của lớp vỏ kim loại đã đông 1 1 đặc n - chỉ số parabol mô tả trường nhiệt độ của lớp vỏ rắn r1 L= c1Tkt r1 - ẩn nhiệt kết tinh của hợp kim đúc. Khi đó, tốc độ đông đặc dài (tốc độ dịch chuyển mặt đông đặc từ bề mặt vào tâm vật đúc):
18 CHƯƠNG 8 dξ a1n = dt  1  (1.7) L + ξ  n + 1 - Trong trường hợp Bi1 = 1 (cường độ nguội vật đúc nhỏ): Thời gian vật đúc đông đặc hoàn toàn được tính bằng cách thay ξ = X1 vào (1.6). Giai đoạn 4: Làm nguội vật đúc đã đông đặc. Nhiệt độ vật đúc cũng giảm theo quy luật hàm mũ: T1  1   Fo  = 1 − Z n  exp  − −  Tkt n 1 1  1+   (n + 1) + Bi1  (1.8)  Bi1  a1t trong đó: Fo = X12 Ở tâm vật đúc Z = 0, ở bề mặt Z = X1 Nếu cường độ nguội của vật đúc nhỏ (Bi = 1) , công thức trên trở thành: T1 = exp(− Bi1Fo ) (1.9) Tkt 1.2.5 Sự hình thành khe hở khí Một đặc điểm quan trọng của quá trình truyền nhiệt khi đúc trong khuôn kim loại là sự hình thành khe hở khí giữa vật đúc và khuôn. Khe hở khí hình thành do sự co của vật đúc, do sự nở nhiệt và biến dạng của khuôn. Còn thành phần của khí là sản phẩm cháy của lớp sơn khuôn, khí hình thành và thoát ra từ hỗn hợp làm khuôn và ruột (nếu có), khí thoát ra từ vật đúc. Thực nghiệm cho thấy rằng, khe hở khí bắt đầu hình thành khi vật đúc đã đông đặc được 40÷ 50%. Thời điểm này tương ứng với thời điểm bề mặt làm việc của khuôn đạt T2′bmmax (H.1.2). Ở giai đoạn đầu khi khuôn và kim loại tiếp xúc trực tiếp nhau, ′ tăng dần đến giá trị cực đại T2′bmmax sau đó giảm dần tới giá T2bm trị cực tiểu và sau đó lại tiếp tục tăng nhẹ do khuôn không thể
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 19 truyền toàn bộ nhiệt nhận được từ vật đúc vào môi trường. Hình 1.2 Sự hình thành khe hở khí Hiện tượng giảm dần nhiệt độ bề mặt khuôn sau khi đạt T2′bmmax được giải thích là do sự hình thành khe hở khí làm tăng mạnh trở nhiệt giữa vật đúc và khuôn, do đó làm giảm cường độ trao đổi nhiệt trên bề mặt khuôn. Như vậy, tính chất giảm nhiệt độ bề mặt làm việc của khuôn sau khi đạt tới T2′bmmax được xác định bởi động học quá trình hình thành khe hở khí, khả năng tích nhiệt của khuôn và vật đúc. Sau khi đạt một giá trị nào đó, khe hở khí hầu như không đổi. Khe hở khí, do có khả năng truyền nhiệt thấp (hệ số truyền nhiệt của không khí thấp hơn chất sơn khuôn 7÷ 20 lần), làm cho vai trò trở nhiệt của chất sơn khuôn trở nên không đáng kể. Lúc này vai trò chủ yếu của chất sơn khuôn là làm giảm va đập nhiệt và gradient nhiệt độ ở bề mặt làm việc của khuôn khi khe hở khí chưa hình thành. Như vậy, khe hở khí hình thành giữa vật đúc và khuôn có nhiệt trở đáng kể, là một yếu tố quan trọng của quá trình đúc trong khuôn kim loại và cần được xét tới khi thiết kế quy trình công nghệ. Trong một số công trình nghiên cứu, người ta đã tạo được khe hở khí nhân tạo dày 2÷ 5mm. Khi đó khe hở khí, do có nhiệt trở khá lớn, có tác dụng ngăn ngừa một số dạng khuyết tật thường xảy ra khi đúc trong khuôn kim loại (biến trắng ở vật đúc bằng gang,
20 CHƯƠNG 8 nứt...) và nâng cao tuổi thọ của khuôn. 1.2.6 Ảnh hưởng của việc làm nguội cưỡng bức tới chế độ nhiệt của vật đúc và khuôn kim loại Mục đích của việc làm nguội cưỡng bức là làm tăng cường độ trao đổi nhiệt ở mặt ngoài của khuôn kim loại. Ảnh hưởng của việc làm nguội cưỡng bức tới sự hình thành vật đúc phụ thuộc đáng kể vào trở nhiệt trên bề mặt vật đúc. Thực nghiệm cho thấy rằng, ảnh hưởng của việc làm nguội cưỡng bức ở giai đoạn đông đặc nhỏ hơn so với giai đoạn làm nguội vật đúc đã đông đặc hoàn toàn (Các nghiên cứu cho thấy khi làm nguội cưỡng bức mặt ngoài khuôn bằng nước: thời gian đông đặc của vật đúc giảm 1,5 lần so với khi làm nguội tự nhiên, trong khi thời gian nguội của vật đúc đã đông đặc hoàn toàn giảm tới 3 lần). Ở giai đoạn vật đúc đang đông đặc, quan sát thấy độ chênh lệch nhiệt độ lớn nhất trong thành khuôn, dễ dẫn tới sự biến dạng của khuôn. Các thí nghiệm khi phân tích trường nhiệt độ của khuôn kim loại cho thấy rằng, chu trình của khuôn khi làm nguội bằng dầu giảm 6÷ 8 lần, bằng nước giảm 13÷ 15 lần so với làm nguội tự nhiên ngoài không khí. Quá trình nung - làm nguội khuôn nhiều lần, độ chênh nhiệt độ lớn trong thành khuôn tạo ra những điều kiện nặng nề trên bề mặt làm việc của thành khuôn. Ứng suất nhiệt sinh ra trên bề mặt làm việc của khuôn phẳng có thể được tính theo công thức: σ = (βE)(1 – ν) (T2′ − T2′′) (1.10) trong đó: β - hệ số nở dài của vật liệu làm khuôn E - mô đun đàn hồi của vật liệu làm khuôn ν - hệ số Poisson, trong tính toán có thể lấy ν = 0,3 T2′ - nhiệt độ bề mặt làm việc của khuôn T2′′ - nhiệt độ bề mặt được làm nguội của khuôn.
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 21 −σ, µN / m2 I- Vùng trạng thái đàn hồi; II - Vùng trạng thái đàn hồi - dẻo; III- Vùng trạng thái dẻo 1- Làm nguội bằng nước 2- Làm nguội bằng dầu 3- Làm nguội bằng dòng nước - khí 4- Làm nguội tự nhiên Hình 1.3 Giản đồ trạng thái ứng suất của gang xám GX 21-40 Hình 1.3 trình bày giản đồ trạng thái ứng suất của gang xám GX 21-40, được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm. Từ giản đồ có thể thấy: - Ứng suất nén lớn nhất xảy ra khi làm nguội bằng nước - Trong tất cả các trường hợp làm nguội, gang xám luôn nằm ở vùng biến dạng đàn hồi. Như vậy, việc làm nguội cưỡng bức cho phép: - Giảm đáng kể chu trình nhiệt của khuôn và thời gian làm nguội của vật đúc trong khuôn - Giảm nhiệt độ bề mặt làm việc của khuôn