Tìm hiểu một số phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt: Phần 2

Chia sẻ: Túcc Vânn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Tìm hiểu một số phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt" trình bày các nội dung: Đúc trong khuôn cát nhựa, đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn mẫu hóa khí, các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt khác. 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 2

186 CHƯƠNG 8 Chương 5 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT - NHỰA 5.1 MỞ ĐẦU Độ chính xác cao là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng vật đúc. Độ chính xác của vật đúc phụ thuộc vào nhiều nhân tố: độ chính xác của mẫu, độ chính xác và sắc nét khi in hình mẫu trong khuôn, độ chính xác khi lắp ráp khuôn, độ biến dạng của khuôn khi rót, độ co của hợp kim đúc... Khi đúc trong khuôn cát - sét, khó chế tạo được vật đúc có độ chính xác cao. Hiện nay, nhờ các biện pháp kỹ thuật cao, độ chính xác của các vật đúc trong khuôn cát đã được nâng cao lên gần ngang bằng với các phương pháp đúc đặc biệt trong khuôn kim loại. Một trong những phương pháp đó là công nghệ đúc trong khuôn cát - nhựa. Nhựa là chất dính hữu cơ được tổng hợp từ dầu mỏ, than đá và các chất có chứa xenlulô (gỗ, tre, rơm...). Nhựa là chất dính không thuận nghịch, độ bền riêng cao. Nhựa được dùng trong sản xuất đúc đầu tiên tại Mỹ vào năm 1958, ở châu Âu vào năm 1960 và ở Liên Xô vào năm 1963. Dưới đây tóm tắt lịch sử hình thành và sử dụng nhựa trong sản xuất đúc:
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 187 Năm 1958 Phát minh công nghệ hỗn hợp cát - nhựa axit phenolic không nung đầu tiên tại Mỹ Năm 1960 Phát minh công nghệ hộp nóng furan Năm 1962 Phát minh công nghệ hộp nóng phenolic Năm 1965 Phát minh công nghệ urêthan không nung Năm 1970 Phát minh công nghệ phenolic không nung Năm 1974 Phát minh công nghệ phốt phát alumina không nung Năm 1977 Phát minh công nghệ hỗn hợp cát - furan - SO 2 Năm 1978 Phát minh công nghệ polyurêthan không nung Năm 1978 Phát minh công nghệ hộp ấm Năm 1982 Phát minh công nghệ FRC - SO2 Năm 1983 Phát minh công nghệ Epoxy - SO2 Năm 1984 Phát minh công nghệ Phenolic ester không nung Năm 1984 Phát minh công nghệ Phenolic ester hộp nguội 5.2 VẬT LIỆU LÀM KHUÔN CÁT NHỰA Thành phần của hỗn hợp cát nhựa gồm hai phần chính là vật liệu chịu lửa và chất dính (nhựa). Ngoài ra còn có thể chứa một số chất phụ gia khác như chất làm ẩm, chất tách mẫu, chất phụ gia đông rắn... 5.2.1 Vật liệu chịu lửa 1- Mở đầu Cũng như trong hỗn hợp cát - sét, vật liệu chịu lửa trong hỗn hợp cát nhựa cũng phải đáp ứng các yêu cầu về độ trơ hóa học, độ chịu lửa, độ nở nhiệt. Tuy nhiên, khuôn vỏ mỏng thường dùng đúc các vật đúc có độ chính xác và độ bóng bề mặt cao nên các yêu cầu đó phải cao hơn. Việc chọn cát không đúng sẽ dẫn đến các tác hại: - Độ nhẵn bề mặt khuôn giảm do sự tích tụ tự nhiên của cát - Độ chính xác về kích thước khuôn kém do độ nở nhiệt của khuôn lớn
188 CHƯƠNG 8 - Tốn nhiều chất dính và độ bền khuôn không cao do cát bẩn. 2- Yêu cầu đối với cát làm hỗn hợp cát - nhựa - Cỡ hạt Cỡ hạt quá bé sẽ làm tổng bề mặt các hạt cát tăng lên nên lượng nhựa cần thiết để phủ bề mặt cát cũng tăng. Với cùng một tỉ lệ nhựa trong hỗn hợp, cát có cỡ hạt nhỏ hơn sẽ làm cho hỗn hợp có độ bền kém hơn. Nhưng nếu hạt cát quá lớn thì lỗ rỗng giữa các hạt cát cũng lớn nên độ bền khuôn cũng giảm. Mặt khác, nếu độ hạt của cát quá lớn thì độ nhẵn bề mặt vật đúc cũng không cao. Thông thường, đối với cát thạch anh, cỡ hạt cát nên là 01, 016, 02 (một số trường hợp đặc biệt có thể sử dụng cát có cỡ hạt 0075, 0063). Đối với khuôn cát nhựa, đặc biệt đối với khuôn vỏ mỏng, thường dùng cát có độ hạt phân tán vì như thế các hạt cát sẽ đạt nhiệt độ chuyển biến thù hình ở các thời điểm khác nhau do đó làm giảm sự thay đổi đột ngột về thể tích có thể gây nứt vỏ khuôn. - Hình dạng hạt cát Có ba loại: tròn, nửa tròn và góc cạnh. Cát tròn có bề mặt riêng nhỏ nhất do đó tốn ít nhựa nhất để tạo lớp màng liên kết, đồng thời diện tích tiếp xúc giữa các hạt cát cũng nhỏ nhất làm cho độ thông khí cao nhưng độ bền lại giảm. Tuy nhiên, đối với khuôn cát nhựa nói chung, khuôn vỏ mỏng nói riêng, độ bền được quan tâm nhiều hơn là độ thông khí (do độ dày của khuôn nhỏ: 5÷ 15mm đối với khuôn vỏ mỏng) do đó nên sử dụng loại cát góc cạnh để tăng độ sít chặt của vỏ và hạn chế khả năng kim loại lỏng len vào vỏ gây cháy dính cát cơ học. - Thành phần hóa học của cát Hỗn hợp cát nhựa có yêu cầu rất chặt chẽ về thành phần hóa học của cát, đặc biệt trong trường hợp đông rắn nguội vì các tạp chất như kiềm, kiềm thổ... làm trung hòa các chất xúc tác đông rắn (thường là các axít), làm giảm tốc độ đông rắn và độ bền của khuôn. Nhìn chung, hàm lượng các ôxit kiềm, kiềm thổ không nên vượt quá 0,5%.
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 189 Hình 5.1 trình bày ảnh hưởng của CaO và MgO tới độ bền nén của hỗn hợp cát nhựa. Hình 5.1 Hình 5.2 Lượng sét trong cát càng cao, độ bền của hỗn hợp cát nhựa càng giảm vì sét hấp thụ rất mạnh ion H + (1% sét sẽ liên kết với khoảng 6%H+ trong chất xúc tác), làm giảm độ axít của chất xúc tác, do đó làm giảm tốc độ đông rắn và độ bền của hỗn hợp. Ngoài ra, sét cũng có thể làm yếu liên kết giữa màng chất dính với các hạt cát. Hình 5.2 biểu thị ảnh hưởng của sét tới giới hạn bền nén của hỗn hợp cát - nhựa. Cát đã rửa sạch có thể làm tăng độ bền của hỗn hợp lên 8÷ 12%. Hàm lượng ẩm trong cát cũng làm giảm tốc độ đông rắn và độ bền của hỗn hợp do nước có tác dụng pha loãng, làm giảm nồng độ chất xúc tác. Cát được dùng phổ biến nhất cho hỗn hợp cát nhựa là cát thạch anh. Đối với những vật đúc đặc biệt quan trọng có thể dùng những vật liệu chịu lửa đắt tiền như cát ơlivin, silicat ziếccôn... 5.2.2 Nhựa Phụ thuộc vào môi trường xúc tác mà ta có nhựa nhiệt dẻo (novolac) hay nhựa nhiệt rắn (rezolic). Nhựa nhiệt dẻo là nhựa mà sản phẩm sau khi trùng hợp có tính dẻo. Ở nhiệt độ cao, nhựa nhiệt dẻo biến mềm và chảy lỏng, khi nguội đến một mức độ nào đó thì đông rắn.
190 CHƯƠNG 8 Nhựa nhiệt rắn là loại nhựa mà sản phẩm của nó sau trùng hợp thì đông cứng và không bị biến mềm khi ở nhiệt độ cao. Trong sản xuất đúc, yêu cầu sản phẩm cuối cùng sau quá trình trùng hợp là nhựa nhiệt rắn để trong quá trình đúc, khuôn không bị chảy mềm. Theo đặc tính đông rắn của nhựa, trong sản xuất đúc có hai loại hình đông rắn của nhựa là đông rắn nóng và đông rắn nguội. Sơ đồ quá trình đông rắn nguội của hỗn hợp cát-nhựa: A→B Sơ đồ quá trình đông rắn nóng của hỗn hợp cát-nhựa: A→B→ C trong đó: A - trạng thái ban đầu của nhựa nhiệt rắn (rezolic). Nhựa có thể ở trạng thái lỏng hoặc rắn và có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ; B - trạng thái nhựa đã trùng hợp bởi các cầu nối CH 2. Phản ứng trùng hợp xảy ra ở nhiệt độ khoảng 200 oC. Ở nhiệt độ này, nếu như ban đầu nhựa ở trạng thái lỏng thì sẽ keo lại do các phân tử rượu phenol liên kết với nhau nhờ cầu nối CH 2, còn nếu như ban đầu nhựa ở trạng thái rắn thì sẽ mềm ra, đồng thời các phân tử rượu phenol cũng liên kết với nhau nhờ cầu nối CH 2. CH2 hình thành do urôtrôpin (tên hóa học: hexametyltetramin, công thức: (CH)6N4) phân hủy ở 200oC; C - trạng thái nhựa đã trùng hợp ở dạng nhiệt rắn, có cấu trúc không gian ba chiều, có độ bền cao và không bị hòa tan lại trong dung môi hữu cơ. Để chuyển từ trạng thái B sang C phải nung nhựa ở nhiệt độ 350÷ 400oC. Như vậy, về bản chất, nhựa dùng trong hỗn hợp đông rắn nguội là nhựa được đa tụ trong môi trường axit để tạo ra nhựa nhiệt rắn. Hiện nay có rất nhiều loại nhựa khác nhau, nhưng thường được sử dụng cho hỗn hợp cát - nhựa là ba nhóm nhựa: phenol formaldehyt, ure formaldehyd, furan. 1- Nhựa phenol formaldehyt Nhựa phenol formaldehyt có cấu trúc hóa học gồm hai nhóm hợp chất hóa học là phenol và formaldehyt.
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 191 - Nhóm phenol có thể là: phenol (C 6H5OH), crezol (CH3C6OH), xylenol ((CH3)2C6H3OH) - Nhóm aldehyt có thể là: formaldehyt (CH 2O), fufurol (CH3COCOH), axêtoldehyt (CH3CHO). Phụ thuộc vào tỉ lệ chất tham gia phản ứng, chất xúc tác, nhiệt độ mà sản phẩm thu được sau phản ứng đa tụ giữa nhóm phenol với nhóm aldehyd là nhựa nhiệt dẻo hay nhựa nhiệt rắn và có thể tồn tại ở thể lỏng hoặc thể rắn. Phenol là hợp chất hữu cơ, trong điều kiện thông thường, có dạng tinh thể hình kim không màu, có mùi hăng, ăn da tay và khá độc. Phenol có khối lượng phân tử 94,2, khối lượng riêng 1,054kg/dm3, sôi ở 182,1oC, nhiệt độ nóng chảy 40,6 oC. Formaldehyd là hợp chất hữu cơ, là khí không màu, có mùi mạnh và làm chảy nước mắt. Khi làm lạnh, formaldehyd chuyển sang trạng thái lỏng và được gọi là phocmalin. Phocmalin có khối lượng phân tử 30, khối lượng riêng 0,815kg/dm3, sôi ở - 21oC, nhiệt độ nóng chảy - 93oC. Trùng hợp nhựa là phản ứng tạo thành hợp chất cao phân tử từ hai hoặc vài đơn phân tử. Quá trình trùng hợp nhựa phenol formaldehyt xảy ra như sau: - Đầu tiên tạo ra rượu phenol nhân đơn: - Các phenol nhân đơn tương tác với nhau và với phenol tạo ra rượu phenol nhân kép rồi đến phenol đa nhân: - Theo mức độ đa tụ, kích thước của cao phân tử tăng dần làm cho dung dịch tăng dần độ nhớt. Nhờ các nhóm metyl hoạt tính –CH2OH–, nhựa này có thể đa tụ tiếp để tạo ra cấu trúc không gian.
192 CHƯƠNG 8 Quá trình đa tụ có thể tạm ngưng ở bất cứ giai đoạn nào nếu làm nguội dung dịch, trung hòa môi trường axit. Sau đó nếu tạo môi trường đa tụ trở lại thì nhựa lại tiếp tục đa tụ. Chính nhờ tính chất này mà nhựa được sử dụng làm chất dính trong hỗn hợp đông rắn nguội. Như vậy, trong quá trình chế tạo nhựa phenol formaldehyt (phản ứng ngưng tụ), phenol liên kết với formaldehyt tạo thành rượu phenol. Những phản ứng tiếp theo sẽ dẫn đến sự hình thành những hợp chất của phenol tạo thành những mạch dài. Tính chất của sản phẩm cuối cùng của phản ứng này phụ thuộc vào môi trường xảy ra phản ứng. Trong dung dịch axit sẽ tạo thành nhựa novalac dễ chảy và khi nung sẽ đông rắn lại. Cho thêm 7÷ 15% urôtropin ((CH2)6N4) vào trong nhựa và khi nung nóng, urôtropin sẽ cho ra formaldehyt liên kết các mạch phân tử nôvalac làm cho chúng đông cứng lại. Trong môi trường kiềm, sản phẩm cuối cùng của phản ứng là nhựa nóng chảy được (rezol) Những nhựa này khi nung nóng có thể ở ba trạng thái: A - lỏng; khi nung nóng, nhựa lỏng sẽ mất độ hoạt và chuyển sang dạng keo (trạng thái B); tiếp tục nung nóng sẽ dẫn tới sự tạo thành những mạng nguyên tử không gian ba chiều, đông cứng không thuận nghịch (trạng thái C). Nhựa phenol formaldehyt có độ bền cao nhưng đắt tiền. 2- Nhựa ure formaldehyt Nhựa ure formaldehyt có cấu tạo hóa học gồm hai nhóm hợp chất hóa học là nhóm amin và nhóm aldehyt. - Nhóm amin gồm: cacbamit (còn gọi là ure: [CO(NH2)]2), tioure ([CS(NH2)]2), dicisidiamit (NH–C–HN–NH2)... - Nhóm aldehyt: formaldehyt (CH 2O). Ure nguyên chất là những tinh thể không màu, hình kim hoặc lăng trụ, chứa 46,66% nitơ, có khối lượng phân tử 60,66, khối lượng riêng khoảng 1,330kg/dm3, nhiệt độ nóng chảy 132÷ 133oC. Ure hòa tan trong nước, rượu, amoniac lỏng, ít hòa tan trong ete. Ở nhiệt độ cao hơn 133 oC, ure phân hủy ra amoniac theo phản
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 193 ứng: [CO(NH2)]2 NH3 + H2NCONHCONH2 Trong môi trường kiềm (pH > 11), ure tác dụng với formaldehyd tạo ra monouremetyl: Trong môi trường trung tính, monouremetyl tiếp tục tác dụng với formaldehyd để tạo ra diuremetyl. Trong môi trường axit yếu và thừa ure, có thể tạo ra triuremetyl, pentauremetyl, hecxauremetyl. Quá trình đa tụ nhựa sẽ chỉ xảy ra khi chúng chứa các gốc metyl tự do. Kết quả của quá trình đa tụ là tạo ra các liên kết ngang giữa các phân tử. Những chất dính thuộc nhóm này trước khi dùng không phải gia công gì thêm, dùng để chế tạo các chất dính khô nhanh và chất dính tự khô. Nếu để lâu nhựa sẽ đặc lại, khi đó phải dùng nước lạnh để hòa tan. Nếu để quá lâu (trên một năm) thì các chất dính sẽ tự trùng hợp, mất tính dính kết. Nhóm nhựa này rẻ, có độ bền riêng thấp và dễ gây rỗ khí do có nitơ trong thành phần nhựa. Để khắc phục những nhược điểm này, thường sử dụng hàm lượng nhựa trong hỗn hợp thấp và biến tính để tăng bền. 3- Nhựa furan Furan là chất lỏng không màu, có mùi của cloroforma, có khối lượng phân tử 68,07, nhiệt chảy lỏng –85,6 o, nhiệt độ sôi 31,3 o, có khả năng hòa tan trong rượu, axêton, diokxan. Đơn vị cấu trúc cơ bản của nhựa furan có dạng mạch vòng gồm bốn nguyên tử cacbon, một nguyên tử ôxy, có công thức hóa học C 4H4O. Nếu trong gốc furan thiếu một nguyên tử hydro sẽ có tên là furil. Nếu thay nguyên tử hydro bằng nhóm CH 2, sẽ gọi là furfuril, bằng nhóm CH - furfural, bằng nhóm CO - furfurol. Khi cho furfurol đa tụ trong hecxametylentetramin hoặc trong axetôn với những tỷ lệ khác nhau ta sẽ nhận được các loại nhựa dùng làm chất dính trong sản xuất đúc.
194 CHƯƠNG 8 Từ ba nhóm nhựa cơ bản trên, có thể kết hợp nhựa của nhóm này với nhựa của nhóm khác để tạo nên nhựa đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế theo mong muốn. Ví dụ, khi kết hợp nhựa phenol formaldehyd với nhựa ure formaldehyd ta sẽ được nhựa phenol ure formaldehyt, khi kết hợp nhựa phenol formaldehyd với nhựa furan - được nhựa phenol formaldehyd furan, khi kết hợp nhựa urea formaldehyt với nhựa furan - được nhựa ure formaldehyt furan. 5.3 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NHỰA ĐÔNG RẮN NÓNG 5.3.1 Mở đầu Cho đến nay, hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nóng vẫn còn được sử dụng phổ biến để chế tạo khuôn vỏ mỏng và ruột nhỏ, phức tạp, yêu cầu cao về độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt. Chất dính cho hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nóng thường dùng là phenol formaldehyd, ure formaldehyd, furan hoặc hỗn hợp của các nhóm nhựa trên mà thuộc họ nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa phản ứng nhiệt. Hỗn hợp nhựa đông rắn nóng có hai công nghệ chính: công nghệ C (Croning) hay công nghệ Hot-box và công nghệ D (Dietert). Khi đúc trong khuôn cát - sét thông thường, chỉ có lớp hỗn hợp ở bề mặt khuôn (cát áo hay cát mặt) là tác dụng với kim loại lỏng và vật đúc đông đặc, phần hỗn hợp còn lại (cát đệm) chỉ có tác dụng tạo độ bền cần thiết cho khuôn. Do hỗn hợp cát - sét có độ bền nhỏ nên phần cát đệm nhiều gấp hàng chục lần phần cát áo. Vì thế trong các xưởng đúc sử dụng khuôn cát - sét, người ta phải sử dụng, xử lý và vận chuyển một khối lượng hỗn hợp rất lớn (4÷ 12 tấn hỗn hợp/1 tấn vật đúc). Vì lí do đó (và cả những lí do khác), người ta đã tìm ra những chất dính cho phép nâng cao độ bền của hỗn hợp ở trạng thái “khô”. Trên cơ sở đó đã xuất hiện phương pháp đúc trong khuôn vỏ mỏng. Phụ thuộc vào bản chất chất dính và phương pháp làm đông rắn hỗn hợp cát mà chúng ta có các phương pháp làm khuôn và ruột khác nhau. Một trong những loại khuôn vỏ mỏng đầu tiên
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 195 được sử dụng rộng rãi trong hơn nửa thế kỷ qua là khuôn vỏ mỏng bằng cát - nhựa được chế tạo theo phương pháp nóng. Hỗn hợp đông rắn nóng theo công nghệ C là hỗn hợp cát được trộn với bột nhựa và chất đông rắn hoặc cát được hồ nhựa một lớp mỏng lên bề mặt. Đổ hỗn hợp cát - nhựa này lên mẫu hoặc vào hộp ruột đã được nung nóng đến nhiệt độ 200÷ 250oC, nhựa bị chảy và chất xúc tác bị phân hủy tạo ra môi trường để nhựa trùng hợp tiếp tạo ra nhựa nhiệt rắn. Điển hình cho loại hỗn hợp này là hỗn hợp cát với nhựa punvebakelit. Punvebakelit là hỗn hợp ở dạng bột hoặc vẩy của nhựa phenol - formaldehyt với 7÷ 15% urotropin. Bản chất quá trình đông rắn xảy ra như sau: Để có nhựa phenol-formaldehyt cần có phenol và formaldehyt. Khi cho hai thành phần này tác dụng với nhau theo một tỉ lệ xác định sẽ tạo ra nhựa nhiệt dẻo. Nếu tỷ lệ phenol : formaldehyt = 6 : 5 sẽ tạo ra nhựa novolac. Ở nhiệt độ đủ cao, nhựa này sẽ bị chảy lỏng. Nếu có dư formaldehyd, nhựa lại tiếp tục trùng hợp với các gốc có H trong phenol để tạo ra nhựa nhiệt rắn. Chính ở nhiệt độ cao, urotropin (CH) 6N4 bị chảy ra và đóng vai trò chất đông rắn. Do nhựa phenol-formaldehyt độc nên thường dùng các loại nhựa khác chứa ít hoặc không chứa phenol để thay thế như nhựa ure-formaldehyt, nhựa ure-furfurol-formaldehyt, nhựa phenol- furfurol-formaldehyt, nhựa furan. Với các nhựa không có hoặc ít phenol, chất xúc tác là axit. 5.3.2 Đặc điểm của phương pháp đúc trong khuôn cát - nhựa đông rắn nóng 1- Ưu điểm Hỗn hợp cát - nhựa có độ linh động cao, do đó khuôn có đường nét sắc sảo và nhờ thế cho phép độ chính xác của vật đúc cao - Cho phép sử dụng cát làm khuôn cỡ hạt nhỏ để nâng cao độ bóng bề mặt vật đúc mà vẫn bảo đảm được độ thông khí của
196 CHƯƠNG 8 khuôn do vỏ khuôn mỏng
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 197 - Trong quá trình rót khuôn, do cháy nhựa, sẽ hình thành một lớp khí mỏng trên bề mặt làm việc của khuôn, có tác dụng bảo vệ bề mặt vật đúc khỏi cháy dính cát - Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình - Có thể bảo quản khuôn, ruột lâu dài và dễ dàng do tính không hút ẩm của hỗn hợp - Giảm công lao động - Giảm lượng dư gia công xuống khoảng hai lần so với vật đúc trong khuôn cát - sét (có thể lấy lượng dư 1÷ 3mm, khi gia công mài có thể lấy 0,25÷ 0,50mm) - Giảm lượng hỗn hợp làm khuôn xuống còn 0,5÷ 1 tấn/1 tấn vật đúc. 2-Nhược điểm - Giá thành hỗn hợp cát - nhựa cao - Giá thành bộ mẫu cao - Nếu chất dính là nhựa nhiệt cứng sẽ có độ sinh khí cao làm vật đúc dễ bị rỗ khí. Do đó phải tăng cường thông gió và xử lý khí thải cho xưởng - Độ ô nhiễm tương đối cao - Khối lượng và kích thước vật đúc bị hạn chế. 3- Phạm vi sử dụng Phương pháp này được sử dụng để đúc các vật đúc nhỏ (0,5÷ 100kg) bằng hợp kim màu, gang, thép có hàm lượng cacbon không quá thấp, có thành không quá dày, với sản lượng phải từ tương đối lớn trở lên. Vật đúc đạt độ bóng bề mặt cấp 4÷ 6, độ chính xác cấp 5÷ 8. Chế tạo các ruột nhỏ, phức tạp, ruột vỏ mỏng. Bằng phương pháp này có thể đúc các vật đúc bằng gang thành mỏng mà không sợ biến trắng, làm lớp lót trong cho khuôn kim loại khi đúc tĩnh hay đúc ly tâm. 5.3.3 Các phương pháp chuẩn bị hỗn hợp cát nhựa Hỗn hợp cát nhựa thường được chuẩn bị dưới hai dạng chính: hỗn hợp cơ học và hỗn hợp bao phủ.
198 CHƯƠNG 8 1- Hỗn hợp cơ học Hỗn hợp cơ học là hỗn hợp mà trong đó nhựa ở dạng bột nằm lẫn cơ học giữa các hạt cát (H.5.3a). Hỗn hợp loại này dễ bị phân lớp do độ chênh lệch lớn về khối lượng riêng giữa nhựa và cát. Nhựa cũng dễ bị mất mát khi chế tạo khuôn, ruột, đặc biệt bằng phương pháp thổi cát. Hình 5.3 a) Hỗn hợp cơ học; b) Hỗn hợp bao phủ Phương pháp chế tạo hỗn hợp cơ học - Sấy khô cát, sàng, cho vào máy trộn con lăn - Cho chất làm ướt vào (thường dùng dầu hỏa), đảo trộn trong vài phút - Cho nhựa rắn (thường ở dạng bột hoặc dạng vẫy) vào và trộn trong 8÷ 10 phút. Sau khi trộn xong, hỗn hợp có thể dùng được ngay. Máy trộn con lăn nên có nắp và trang bị hệ thống hút bụi. 2- Hỗn hợp bao phủ Nhựa bao quanh các hạt cát thành một màng mỏng (H.5.3b). Hỗn hợp bao phủ có chất lượng cao hơn hỗn hợp cơ học về độ bền, khả năng thông khí, khả năng điền đầy hốc của tấm mẫu, hộp ruột. Hình 5.4 so sánh độ bền hỗn hợp cát - nhựa ở hai dạng hỗn hợp nêu trên. Hỗn hợp bao phủ có độ bền cao hơn 15÷ 20% so với hỗn hợp cơ học. Trong điều kiện sản xuất hàng loạt thì sự chênh lệch này còn cao hơn do sự phân lớp của hỗn hợp cơ học. Hình 5.5 trình bày độ thông khí của hai dạng hỗn hợp cát nhựa. Khi tăng hàm lượng nhựa, độ thông khí của hỗn hợp bao phủ tăng nhưng ở hỗn hợp cơ học lại giảm. Điều này được giải thích là ở hỗn hợp bao phủ, nhựa bao quanh các hạt cát làm kích
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 199 thước các hạt cát tăng lên nên độ thông khí tăng, còn ở hỗn hợp cơ học, nhựa lại nằm ở khoảng trống giữa các hạt cát nên làm giảm độ thông khí. Khả năng điền đầy hốc của tấm mẫu, hộp ruột của hỗn hợp bao phủ cũng cao hơn vì màng chất dính bao quanh các hạt cát làm giảm ma sát giữa chúng, làm độ chảy của hỗn hợp tăng lên. 1- Hỗn hợp bao phủ 1, 3- Hỗn hợp cơ học; 2, 4- Hỗn hợp 2- Hỗn hợp cơ học bao phủ Hình 5.4 Ảnh hưởng của Hình 5.5 Ảnh hưởng của lượng hàm lượng nhựa đến độ nhựa đến độ thông khí K của hỗn bền uốn của hỗn hợp cát hợp khi chiều dày của mẫu thử nhựa a) 10mm; b) 50mm a) Chế tạo hỗn hợp bao phủ bằng phương pháp hồ nguội - Nhựa dạng bột được hòa tan sơ bộ trong các dung môi dễ bay hơi (axêtôn, cồn...) - Sấy cát, để nguội, cho vào máy trộn - Cho dung môi đã hòa tan nhựa vào, trộn đều với cát để các hạt cát được phủ đều một lớp nhựa. Không khí được thổi qua một thiết bị đặc biệt vào máy trộn để dung môi được bốc hơi nhanh. b) Chế tạo hỗn hợp bao phủ bằng phương pháp hồ nóng - Nung nóng cát đến 130÷ 140oC (hoặc nung máy trộn tới
200 CHƯƠNG 8 150÷ 170oC);
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 201 - Cho nhựa vào trộn. Đảo trộn cát trong 10 phút để nhựa nóng chảy và bao phủ các hạt cát. Nhựa khi trộn với cát sẽ không có khả năng tự trùng hợp và chuyển sang trạng thái không thuận nghịch do chưa cho chất xúc tác vào; - Khi nhiệt độ hỗn hợp đạt 80÷ 90oC thì cho dung dịch urôtrôpin vào làm chất xúc tác hóa rắn; - Đảo trộn tiếp trong 5 phút và tháo hỗn hợp ra ở dưới 50 oC. - Thường hỗn hợp này chứa 94,5% cát thạch anh, 4% nhựa nôvalac số 18, 0,5% urôtrôpin. Phương pháp hồ nóng dài hơn và phức tạp hơn phương pháp hồ nguội do phải khống chế các thông số nhiệt của quá trình. Tuy nhiên, chất lượng của hỗn hợp hồ nóng cao hơn nhiều so với hồ nguội. Mặt khác, phương pháp hồ nguội có phần nguy hiểm hơn vì các chất hòa tan dễ bốc cháy. c) Chế tạo hỗn hợp bao phủ bằng phương pháp hồ nguội có thêm chất hòa tan Đây là phương pháp thông dụng nhất hiện nay. Trình tự chuẩn bị hỗn hợp như sau: - Sàng cát, cho vào máy trộn - Cho 0,8÷ 1,2% furfurol (dầu hướng dương) vào, trộn trong 2 phút - Cho nhựa dạng bột hoặc vẩy vào, trộn tiếp trong 8÷ 10 phút. Trong giai đoạn này tiến hành thổi không khí vào hỗn hợp - Tháo hỗn hợp ra khỏi máy trộn. Nghiền nhỏ, sàng. Đây là phương pháp hoàn chỉnh hơn cả: cho phép giảm lượng tiêu thụ chất hòa tan, tính chất của hỗn hợp cao... 5.3.4 Các phương pháp chế tạo khuôn vỏ mỏng 1- Phương pháp thùng lật (H.5.6) Phương pháp này còn được gọi theo tên người phát minh là phương pháp Croning hay còn gọi tắt là phương pháp C. Đây là phương pháp chế tạo khuôn vỏ phổ biến nhất. Các bước cơ bản của phương pháp C (H.5.6) - Làm sạch và sơn tấm mẫu (H.5.6a)
202 CHƯƠNG 8 - Nung nóng tấm mẫu trong lò đến nhiệt độ 200÷ 300oC Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp thùng lật - Lấy tấm mẫu khỏi lò, quay 180 o, bắt chặt vào thùng quay. Trong thùng có chứa hỗn hợp cát - nhựa (H.5.6b) - Quay thùng cùng tấm mẫu 180 o. Lúc này hỗn hợp cát - nhựa nằm trên tấm mẫu đã được nung nóng. Chiều cao hỗn hợp trên tấm mẫu phải trên 300mm. Kết cấu của thùng phải bảo đảm chiều cao rơi của hỗn hợp trên 400mm để tạo ra mức lèn chặt cần thiết. Để tăng khả năng điền đầy hốc tấm mẫu, có thể tiến hành rung hệ thống thùng - tấm mẫu - hỗn hợp trong 1÷ 3s. Thời gian giữ hỗn hợp trên tấm mẫu khoảng 15÷ 60s phụ thuộc vào chiều dày khuôn vỏ muốn đạt được. Dưới tác dụng của nhiệt, nhựa biến mềm và làm dính các hạt cát tạo thành một lớp vỏ tương đối cứng (H.5.6c) - Quay thùng cùng tấm mẫu về vị trí ban đầu. Hỗn hợp thừa (nhựa chưa bị biến mềm) rơi trở xuống thùng. Đưa tấm mẫu cùng nửa khuôn vỏ đã được tạo thành ra khỏi thùng (H.5.6d) - Quay tấm mẫu cùng vỏ 180 o vào lò ở 300÷ 400oC trong vòng
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 203 1÷ 3 phút. Trong quá trình nung, nhựa trùng hợp và đi vào trạng thái rắn không thuận nghịch, tạo cho khuôn vỏ độ bền cuối cùng. - Tách khuôn vỏ ra khỏi tấm mẫu nhờ hệ thống các chốt đẩy 7 (H.5.6e) - Đặt bề mặt làm việc của khuôn vỏ còn nóng lên một tấm phẳng nguội để ngăn ngừa sự cong vênh của khuôn. - Ghép hai nửa khuôn vỏ lại vời nhau (H.5.6f). Ghi chú: đôi khi chế tạo khuôn vỏ chỉ qua một lần nung tấm mẫu ở 350÷ 400oC. Lúc này ngay sau quá trình tạo vỏ là quá trình làm bền vỏ. Chất lương khuôn vỏ được chế theo phương pháp nung một lần thấp hơn so với phương pháp nung hai lần. 2- Phương pháp thùng cố định (H.5.7) Trong phương pháp này, thùng nằm cố định, chỉ có tấm mẫu quay lật cùng bàn máy. 1- Trục của bàn lật 2- Bàn máy 3- Mẫu 4- Hòm khuôn 5- Hỗn hợp cát nhựa 6- Bunke 7- Gầu 8- Băng tải gầu Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý tạo vỏ khuôn bằng phương pháp cố định Tấm mẫu 3 được bắt lên bàn máy 2. Tấm mẫu có thể được nung bằng điện trở được bố trí ở mặt dưới tấm mẫu hoặc trên mặt bàn và cũng có khi tấm mẫu được nung nóng bằng lò chụp di động. Hỗn hợp cát nhựa 5 được chứa trong thùng cố định 6. Hòm khuôn 4 được cấp hỗn hợp cát - nhựa nhờ cơ cấu rung và cơ cấu định lượng bố trí trên thùng. Sau quá trình nung nóng để tạo khuôn vỏ, hỗn hợp thừa chưa bị biến mềm trong hòm khuôn sẽ được chuyển xuống thùng chứa bên dưới nhờ thao tác lật của bàn
204 CHƯƠNG 8 máy 2 quanh trục 1. Sau đó, bàn máy quay 180 o về vị trí cũ. Tấm mẫu cùng vỏ khuôn được nung nóng tiếp để làm bền vỏ và sau đó khuôn vỏ được tách khỏi tấm mẫu nhờ hệ thống chốt đẩy. Thùng 6 được cung cấp cát nhựa nhờ gầu tải 8. 3- Phương pháp thổi cát bằng tấm viền (H.5.8) Phương pháp này còn được gọi là phương pháp Dietert hay gọi tắt là phương pháp D. Khác với hai phương pháp trên, ở phương pháp này, cả hai mặt của khuôn vỏ đều được tạo hình nhờ mẫu. Kết cấu của hộp mẫu có nhiều lỗ thoát khí. Hình 5.8 Sơ đồ phương pháp thổi cát bằng tấm viền Hộp mẫu được bắt trên bàn máy và được nung nóng bằng điện trở nung. Phương pháp này cho năng suất cao hơn và có thể chế tạo các vật đúc lớn hơn so với phương pháp C. Phương pháp này cũng được sử dụng để chế tạo lớp áo cho khuôn kim loại đúc tĩnh hay đúc ly tâm. Ngoài ra, phương pháp này còn được sử dụng cho hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nguội, hỗn hợp cát - nước thủy tinh. 4- Phương pháp thổi cát bằng màng cao su (H.5.9)
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 205 Hình 5.9 Phương pháp thổi cát bằng màng cao su Tấm mẫu được nung nóng và gá vào thùng cố định. Hỗn hợp cát nhựa được đưa vào khoảng trống giữa tấm mẫu và màng cao su, sau đó, dưới tác dụng của không khí nén, màng cao su sẽ ép chặt vào tấm mẫu. Sau một khoảng thời gian xác định (phụ thuộc vào vào độ dày mong muốn của vỏ khuôn), thải áp lực của không khí nén, hỗn hợp cát dư ra sẽ đổ vào màng cao su. 5.3.5 Các phương pháp chế tạo ruột Dùng ruột vỏ mỏng bằng cát - nhựa có những ưu điểm: - Bề mặt vật đúc nhẵn, kích thước chính xác - Giảm đáng kể khối lượng ruột, tiết kiệm vật liệu - Ruột thoát khí tốt - Phá ruột dễ dàng, đơn giản - Có thể dùng ruột vỏ mỏng bằng cát - nhựa cho khuôn cát - sét, khuôn kim loại... Về nguyên lý, các phương pháp chế tạo ruột vỏ mỏng cũng giống như các phương pháp chế tạo khuôn vỏ mỏng. 1- Phương pháp thùng lật (H.5.10) 2- Phương pháp thùng cố định (H.5.11) 3- Dùng tấm viền để thổi (H.5.12) 4- Dùng màng cao su để thổi (H.5.13)