Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu sơn với chất dính keo silica dùng trong công nghệ đúc mẫu tiêu

A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN<br /> 1.Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu<br /> Đúc mẫu tiêu (Đúc mẫu cháy – Lost Foam Casting LFC) là một trong những công<br /> nghệ đúc chính xác, được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Trong mấy chục năm trở lại<br /> đây nhiều cơ sở đúc thuộc quản lý Nhà nước và Tư nhân ở nước ta đã nhập dây<br /> chuyền đúc mẫu tiêu để đúc các sản phẩm có chất lượng bề mặt và độ chính xác kích<br /> thước cao.<br /> Trong công nghệ đúc mẫu tiêu sơn mẫu xốp đóng vai trò vô cùng quan trọng. Tuy<br /> nhiên hầu hết các công trình nghiên cứu về sơn mẫu xốp không đưa ra thành phần sơn<br /> cụ thể, mà chỉ đưa ra các cấu tử cơ bản có trong sơn như bột chịu lửa. Khi đúc các sản<br /> phẩm có khối lượng lớn, hoặc các chi tiết có ruột phức tạp thường dùng chất dính<br /> ethylsilicat. Chất dính này đắt và có mùi khó chịu. Chất dính keo silica dùng cho sơn<br /> có tính chịu nhiệt rất cao. Keo silica đã được sử dụng thay thế ethylsilicat trong công<br /> nghệ đúc mẫu chảy vì nó rẻ và thân thiện môi trường. Ưu điểm của sơn mẫu tiêu với<br /> chất dính keo silica là cho độ bền và độ chịu nhiệt cao nên đúc được các vật đúc có<br /> thành dày với khối lượng lớn, cũng như với các sản phẩm có ruột phức tạp. Hơn nữa<br /> keo silica đang được dùng phổ biến ở các cơ sở đúc mẫu chảy ở nước ta. Việc sử dụng<br /> keo silica làm chất dính cho sơn mẫu tiêu hiện chưa có ở nước ta và cũng chưa được<br /> quan tâm nghiên cứu đầy đủ ở trên thế giới. Vì thế đề tài “Nghiên cứu sơn với chất<br /> dính keo silica dùng trong công nghệ đúc mẫu tiêu” đã được thực hiện trong luận<br /> án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu.<br /> <br /> 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án<br /> Khi sử dụng sơn với chất dính là keo silica, vấn đề lớn gặp phải là sơn bị nứt trong<br /> quá trình hong khô, độ thông khí của sơn rất thấp. Do vậy cần tìm ra các chất phụ với<br /> hàm lượng thích hợp để chống nứt cho sơn. Vì thế mục tiêu của đề tài là: xây dựng<br /> được thành phần sơn mẫu tiêu với chất dính keo silica dùng cho công nghệ<br /> Replicast-CS. Để đạt được mục tiêu trên, luận án cần thực hiện các nội dung chính<br /> sau:<br /> • Xác định tính chất của vật liệu chế tạo sơn<br /> • Sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao xác định được thành phần sơn hợp lý<br /> • Xác định tính chất của sơn ở nhiệt độ cao<br /> • Xác định các thông số công nghệ của công nghệ đúc mẫu tiêu đốt mẫu trước.<br /> <br /> 3. Những đóng góp mới của luận án<br /> ❖ Về khoa học và kỹ thuật:<br /> • Làm rõ hơn hành vi biến đổi trạng thái của polystyren xốp trong quá trình nung<br /> mẫu.<br /> • Đã giải thích rõ sự hình thành lỗ xốp, vết nứt và kết khối xảy ra trong quá trình<br /> nung sơn. Đã khẳng định độ thông khí và độ xốp của sơn lớn nhất khi nung đến 600<br /> o<br /> C, sau đó độ xốp độ thông khí giảm là do sự kết khối của màng chất dính. Ở nhiệt độ<br /> 908,6 oC trở lên gel silica từ dạng vô định hình chuyển sang dạng tinh thể -cristobalit<br /> cho sơn chắc đặc và độ bền cao.<br /> • Chiều dày màng chất dính lý thuyết khoảng 4,636 m.<br /> ❖ Các kết quả có tính mới:<br /> • Lần đầu tiên ở nước ta, luận văn nghiên cứu sơn mẫu tiêu với chất dính là keo<br /> silica<br /> 1<br /> <br /> • Đã xây dựng được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố thành<br /> phần của sơn tới tính chất của sơn<br /> • Đã xác định được thành phần sơn hợp lý gồm: 40% keo silica; 0,1% CMC;<br /> 1,25% saccaroza; 0,3% bentonit; 58,35 % bột zircon<br /> • Khẳng định sơn mẫu xốp với keo silica không thể dùng cho công nghệ đúc mẫu<br /> tiêu thông thường – LFC khi đúc gang và đúc thép<br /> • Bước đầu đề xuất công nghệ đúc mẫu tiêu đốt mẫu trước là: Mẫu được sơn với<br /> chiều dày 3 mm; Nhiệt độ nung mẫu ở 600 hay 800 oC trong 2 giờ tùy thuộc vào độ<br /> phức tạp của vật đúc<br /> ❖ Các kết quả có ý nghĩa thực tiễn:<br /> • Thành phần hợp lý cho sơn mẫu xốp với keo silica<br /> • Đề xuất công nghệ đúc mẫu tiêu đốt mẫu trước<br /> <br /> 4. Bố cục của luận án<br /> Luận án gồm 175 trang được chia thành các phần như sau: Mở đầu 2 trang,<br /> chương 1: Tổng quan về sơn mẫu tiêu 26 trang, chương 2: Keo silica – Tính chất và<br /> ứng dụng 16 trang, chương 3: Phương pháp và đối tượng nghiên cứu 23 trang, chương<br /> 4: Kết quả nghiên cứu xác định thành phần sơn ceramic 27 trang, chương 5: Kết quả<br /> nghiên cứu tính chất của sơn sau nung 20 trang, chương 6: Kết quả nghiên cứu công<br /> nghệ đúc Replicast – CS 14 trang, Kết luận và kiến nghị 1 trang, có 130 hình vẽ và đồ<br /> thị, 21 bảng, 13 phụ lục và tham khảo 93 tài liệu.<br /> <br /> B.NỘI DUNG CHÍNH<br /> Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SƠN MẪU TIÊU<br /> 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC MẪU TIÊU<br /> Công nghệ đúc mẫu tiêu (Đúc mẫu cháy LFC – Lost foam casting) hiện nay đã trở<br /> thành một công nghệ đúc được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Một dạng khác của công<br /> nghệ đúc mẫu tiêu là công nghệ Replicast - CS. Công nghệ này dùng chất sơn mẫu<br /> được chế tạo từ chất dính vô cơ. Khuôn có thể là khuôn khối hoặc khuôn vỏ gốm.<br /> Khuôn được nung ở nhiệt độ 800oC – 1000oC rồi đốt mẫu trước khi rót kim loại lỏng<br /> vào khuôn. Ưu điểm của công nghệ này là có thể đúc được các vật đúc có ruột rất phức<br /> tạp, phù hợp với mọi loại thép (nhất là thép cacbon thấp hoặc thép hợp kim cao) mà<br /> không xảy ra hiện tượng tăng cacbon, có thể đúc được vật đúc to hơn nhiều so với khi<br /> đúc theo công nghệ đúc mẫu chảy. Độ chính xác và độ nhẵn bề mặt của vật đúc trong<br /> công nghệ này tương đương với vật đúc trong công nghệ đúc mẫu chảy.<br /> <br /> 1.2. TỔNG QUAN VỀ SƠN MẪU TIÊU<br /> ▪ Vật liệu chế tạo sơn gồm dung môi, bột chịu lửa, chất dính kết, chất ổn định<br /> sơn, và một số chất phụ khác (chất chống thối, chất khử bọt).<br /> ▪ Các tính chất quan trọng của sơn là: độ nhớt, độ ổn định, tính bám dính mẫu, độ<br /> bền, độ chịu nhiệt, độ thông khí<br /> ▪ Ảnh hưởng của lớp sơn tới quá trình điền đầy khuôn thông qua ảnh hưởng của<br /> độ thông khí, tính cách nhiệt và chiều dày sơn tới quá trình điền đầy khuôn.<br /> <br /> 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SƠN MẪU TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ<br /> TRONG NƯỚC<br /> 2<br /> <br /> Trên thế giới, thành phần sơn cụ thể của các hãng và của một số nước không được<br /> công bố chi tiết, mà chỉ đưa ra ký hiệu của các loại sơn thương mại. Đại đa số các<br /> công ty đúc mẫu chảy lớn ở Anh và Mỹ đang sản xuất đều sử dụng chất dính keo silica<br /> trên cơ sở dung môi nước cho sơn dùng trong công nghệ Replycast. Cho đến nay còn<br /> rất ít những nghiên cứu sử dụng keo silica làm chất dính cho sơn mẫu tiêu được công<br /> bố. Việc sử dụng keo silica làm chất dính trong công nghệ đúc mẫu chảy ở nước ta<br /> hiện nay rất phổ biến, nhưng sử dụng nó cho sơn mẫu tiêu còn chưa có cả trong nghiên<br /> cứu và thực tế.<br /> <br /> 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1<br /> 1.4.1. Các hướng đang được nghiên cứu về công nghệ đúc mẫu tiêu<br /> ▪ Vật liệu sơn mẫu<br /> ▪ Quá trình điền đầy và đông đặc của kim lỏng trong khuôn. Mô hình hóa quá<br /> trình điền đầy khuôn<br /> ▪ Khí trong khuôn và mô hình hóa quá trình thoát khí<br /> ▪ Đổi mới công nghệ đúc mẫu tiêu<br /> Đề tài nghiên cứu theo hướng sơn mẫu tiêu.<br /> 1.4.2. Những vấn đề đã thống nhất về sơn mẫu tiêu<br /> ▪ Vật liệu chế tạo sơn gồm bột chịu lửa, chất dính và chất phụ. Chất phụ có tác<br /> dụng làm tốt tính dính bám mẫu, làm tăng tính ổn định và kéo dài tuổi song của sơn.<br /> ▪ Bột chịu lửa được chọn phụ thuộc vào chất dính sử dụng để chế tạo sơn và phụ<br /> thuộc vào hợp kim đúc. Khi đúc gang nên sử dụng bột thạch anh, đúc thép nên dùng<br /> bột zircon, đúc thép mangan cao nên dùng bột manhezit. Tuy nhiên nếu đúc gang, thép<br /> hay nhôm với những vật đúc quan trọng nên dùng bột zircon. Do vậy trong luận án đã<br /> sử dụng bột chịu lửa là bột zircon.<br /> ▪ Thành phần sơn quyết định tính chất sơn<br /> ▪ Độ thông khí của sơn tăng khi độ xốp của nó tăng. Độ thông khí là tính chất đặc<br /> biệt quan trọng của sơn, nó ảnh hưởng tới chất lượng vật đúc.<br /> ▪ Tính chất của sơn được chú ý là: độ nhớt, độ ổn định, tính bám dính mẫu, độ<br /> bền, độ chịu nhiệt, độ thông khí.<br /> 1.4.3. Những vấn đề còn đang cần quan tâm giải quyết về sơn mẫu tiêu<br /> ▪ Sử dụng chất dính mới trong đó có keo silica làm sơn mẫu tiêu<br /> ▪ Thành phần của sơn<br /> ▪ Sử dụng các loại bột chịu lửa mới như bột silica nung chảy, ferolit…<br /> ▪ Cải thiện khả năng thông khí của sơn.<br /> <br /> Chương 2. KEO SILICA -TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG<br /> 2.1. KHÁI QUÁT VỀ KEO SILICA<br /> Thuật ngữ “keo silica” dùng để chỉ một hệ keo phân tán ổn định mà bên trong hệ<br /> pha phân tán là các hạt keo oxit silic, hay còn gọi là silica vô định hình. Keo silic<br /> thương mại thường ở dạng sol, gel hoặc dạng bột. Luận án sử dụng vật liệu đầu ở dạng<br /> sol.<br /> <br /> 2.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KEO SILICA<br /> Cấu trúc silica là tứ diện SiO4, với 4 nguyên tử oxi ở 4 góc của tứ diện cân đối và<br /> nguyên tử silic ở trung tâm. Các tính chất của keo silica gồm sự ổn định, ảnh hưởng<br /> của các chất điện ly tới độ nhớt và độ ổn định, sự tạo gel của silica (gel hóa và ngưng<br /> 3<br /> <br /> kết, làm khô gel), các yếu tố ảnh hưởng tới sự tạo gel (gồm độ pH, kích thước hạt và<br /> nồng độ, dung dịch điện ly và chất lỏng hữu cơ, nhiệt độ), độ xốp – độ thấm khí của<br /> silica gel, sự đông kết và kết khối. Hình 2.5 diễn tả sự ảnh hưởng của độ pH tới độ ổn<br /> định của keo silica.<br /> <br /> Hình 2. 5. Ảnh hưởng của độ pH tới sự ổn định (thời gian Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc keo<br /> tạo gel) của keo silica<br /> silica bị khử nước<br /> Hiện tượng động học tạo gel tăng cùng nhiệt độ, vì trong quá trình tạo gel, hệ số<br /> nhiệt ảnh hưởng đáng kể tới tốc độ hình thành cầu siloxan giữa các hạt. Nồng độ của<br /> các nhóm OH trên bề mặt giảm một cách đều đặn cùng với sự tăng nhiệt độ khi silica<br /> được nung dưới điều kiện chân không. Hầu hết nước hấp phụ vật lý được loại bỏ ở<br /> nhiệt độ khoảng 150oC. Ở 200oC tất cả nước từ bề mặt được loại đi để bề mặt được<br /> cấu tạo từ các nhóm silanol đơn lẻ, nhóm kép, nhóm kề cận và nhóm cuối và các cầu<br /> siloxan (hình 2.6). Ở khoảng 450 – 500oC, tất cả các nhóm kề cận ngưng tụ, tạo ra<br /> nước bay hơi và chỉ có các nhóm silanol đơn lẻ, nhóm kép, nhóm cuối và các cầu<br /> siloxan chịu ứng suất biến dạng vẫn còn lại (hình 2.13a). Các nhóm silanol nội bộ bắt<br /> đầu ngưng tụ ở khoảng 600-800oC và trong một số trường hợp ở nhiệt độ thấp hơn<br /> (hình 2.13b). Ở nhiệt độ cao hơn ở 1000-1100oC, chỉ có các nhóm silanol đơn lẻ vẫn<br /> còn trên bề mặt silica (hình 2.14).<br /> <br /> Hình a<br /> Hình b<br /> Hình 2. 13. Các nhóm silanol liên kết nhau (hình a) và cầu siloxan (hình b) trên bề<br /> mặt keo silica<br /> <br /> Hình 2. 11. Sự hình thành cầu siloxan trong keo silica<br /> 2.3. ỨNG DỤNG KEO SILICA LÀM CHẤT DÍNH<br /> 4<br /> <br /> Keo silica được sử dụng làm chất dính trong cơ sở trong tổng hợp xúc tác dùng<br /> cho sản xuất axit sunfuric hoặc dehyrat rượu, trong công nghệ giấy, cao su, thuốc lá,<br /> trong y học, dược học…<br /> 2.4. SỬ DỤNG KEO SILICA TRONG SẢN XUẤT ĐÚC<br /> Nếu như ở nhiệt độ thường, keo silica có tính dính kết kém thì ở nhiệt độ khoảng<br /> 1000oC, keo silica có độ bền dính kết hàng đầu. Công nghệ đúc mẫu chảy là công nghệ<br /> sử dụng rộng rãi nhất keo silica làm chất kết dính ở miền nhiệt độ cao. Không phải cứ<br /> sử dụng hàm lượng keo silica trong sơn ở mức độ nhiều nhất sẽ cho độ bền sơn tốt<br /> nhất. Việc xác định hàm lượng keo silica tối ưu cần tiến hành từ thực nghiệm.<br /> <br /> 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2<br /> Những nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết cho thấy silica là một chất dính tiềm năng,<br /> mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng triển vọng trọng công nghệ đúc mẫu tiêu.<br /> 2.5.1.Các vấn đề đã được thống nhất<br /> ▪ Thành phần của hệ keo silica – nước thường gồm 10-50% keo silica, ổn định<br /> bằng kiềm tới pH 9-10, kích thước hạt keo từ 10-50 nm. Sự ngưng kết và tạo gel của<br /> keo silica bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: pH, kích thước hạt và nồng độ keo, dung<br /> dịch điện ly, nhiệt độ. Khi sử dụng keo silica với vai trò là chất dính cần chú ý đến các<br /> yếu tố này cũng như sự tương tác với các vật liệu khác trong hệ huyền phù để đảm bảo<br /> duy trì được tính chất của keo silica. Keo silica chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ nhưng lại<br /> quyết định độ bền sơn vì chất dính có tác dụng đảm bảo tính liên tục, sít chặt của lớp<br /> sơn, độ bền dính bám của sơn lên bề mặt mẫu.<br /> ▪ Bằng cách thay đổi độ pH hoặc làm mất nước sẽ làm cho keo silica trùng ngưng<br /> tạo gel. Cơ chế đóng rắn của keo silica là quá trình sol  gel  rắn. Khi keo ngưng<br /> kết sẽ tạo ra một khối sệt. Khối sệt có cấu trúc khung. Khung chính là các hạt gel silica<br /> rắn, trong các ô khung chứa đầy nước. Khi này khung silica có độ xốp lớn và rất yếu,<br /> rất dễ bị phá vỡ. Khi mất nước độ bền của gel tăng, thể tích của khối gel giảm, cùng<br /> với nó có hiện tượng nứt trên bề mặt. Để chống nứt phải cho thêm chất phụ hữu cơ và<br /> chú ý đến chế độ sấy cũng như chiều dày lớp sơn.<br /> ▪ Khi nhiệt độ nung càng cao, nước mất càng nhiều, thể tích khối gel càng giảm,<br /> độ xốp cũng giảm theo vì có hiện tượng kết khối của gel. Ở nhiệt độ 600oC trở lên gel<br /> kết khối càng mạnh.<br /> ▪ Keo silica đã được sử dụng trong công nghệ đúc mẫu chảy khá phổ biến ở trên<br /> thế giới và trong nước do nó rẻ và thân thiện môi trường..<br /> ▪ Bột zircon hay bột silica nung chảy rất tốt với chất dính là keo silica khi chế tạo<br /> sơn mẫu cháy đúc gang, thép. Bột zircon rất đắt. Để giảm chi phí có thể sử dụng bột<br /> thạch anh khoảng 30% thay thế cho bột zircon.<br /> 2.5.2. Các vấn đề còn tồn tại<br /> Khi dùng keo silica làm chất dính cho sơn mẫu tiêu cần phải giải quyết những vấn<br /> đề sau:<br /> ▪ Giải quyết tính bám dính của sơn lên mẫu xốp<br /> ▪ Chống nứt cho sơn trong điều kiện hong khô hoặc sấy mẫu ở 45-50 oC<br /> ▪ Khả năng thông khí của sơn.<br /> ▪ Chưa có những công bố về thành phần sơn mẫu xốp cho đúc gang hay đúc thép.<br /> <br /> 5<br /> <br />