Nghiên cứu quá trình điền đầy khuôn và khe hở khí trong công nghệ đúc mẫu cháy

Hình 5. Sự phụ thuộc của nhiệt độ và thời gian

    Kết quả xác định nhiệt độ trong vật đúc và trong mẫu polystyrene như trên hình 5. Trên hình 5, tại điểm A, mẫu polystyrol bắt đầu bị phân hủy, điểm A tương đương với vị trí hình 4.a. Tại vị trí B kim loại lỏng bắt đầu chạm vào đầu can nhiệt, tương ứng với hình 4.b. Tương tự đối với cặp nhiệt số 2. Điểm D là điểm cặp nhiệt số 2 bắt đầu tiếp xúc với khe hở khí. Kim loại lỏng dâng cao dần và tiếp xúc với đầu của cặp nhiệt số 2 tại điểm C. Hai cặp nhiệt đặt cách nhau khoảng cách s= 16cm =0.16m. Thời gian kim loại lỏng đi từ cặp nhiệt 1 đến cặp nhiệt 2 là khoảng thời gian giữa hai điểm BC được xác định là 5 giây.

    Tốc độ dâng của kim loại trong vật đúc:

    s              0.16                                    
v = ——— = ———— = 0.032 m/s = 3.2 cm/s
6                5                                  

    Chiều rộng khe hở khí tại vị trí đặt cặp nhiệt số 1 gọi là S1. Chiều rộng S₁ bằng tốc độ di chuyển của khí nhân với thời gian di chuyển. ở đây coi tốc độ di chuyển của khí xấp xỉ tốc độ dâng của kim loại, v = 3.2 cm/s. Thời gian khe hở khí đi qua cặp nhiệt 1 gọi là t₁, trên đồ thị t₁ là khoảng thời gian AB. t₁ = 0,5 giây. S₁ = v.t₁ = 3.2 x 1,2 = 3,84 cm. Chiều rộng khe hở khí tại cặp nhiệt thứ 2 goị là S₂.. Thời gian khe hở khí đi qua cặp nhiệt 2 là t₂ và được xác định trên đồ thị hình 5 là khoảng thời gian DC và bằng 1,5 (s). S₂ = v.t₂ =3.2 .x 1.5 = 4,8 cm.

    Thời gian điền đầy toàn bộ vật đúc có rãnh dẫn 1 cm² sẽ là:

                          H_vduc         20 cm                                   
t = ——— = ———— = 6.25s
                              v            3.2 cm/s                                  

Hình 6. Chiều rộng lớp đệm khí vào chiều cao mẫu

    Ta có đồ thị mô tả quan hệ chiều rộng khe hở khí và chiều cao vật đúc như trên hình 6. Trong quá trình kim loại dâng trong khuôn, khe hở khí liên tục bị thay đổi do lượng khí sinh ra trong kim loại cũng tăng theo thời gian. Tại thời điểm ban đầu, khi dòng kim loại lỏng bắt đầu tiếp xúc với mẫu xốp, kim loại lỏng điền đầy khuôn theo cơ chế tiếp xúc. Chiều dày khe hở khí rất nhỏ.

    Sau một khoảng thời gian nhất định, kim loại lỏng điền đầy khuôn theo cơ chế kiểu khe hở khí (gas gap). Sự thay đổi chiều rộng khe hở khí là rất quan trọng trong công nghệ đúc mẫu cháy. Nếu khe hở khí quá lớn sẽ gây ra hiện tượng sập khuôn. Nếu khe hở khí có giá trị quá nhỏ, quá trình phân hủy mẫu chậm, quá trình điền đầy vật đúc chậm cũng làm giảm chất lượng vật đúc. Tuy nhiên, lượng khí sinh ra do phân hủy mẫu lại nhanh chóng thoát ra ngoài qua lớp sơn khuôn để tạo sự cân bằng áp lực giữa lớp khí đệm và áp suất chân không trong quá trình điền đầy khuôn.

Diện tích rãnh dẫn (cm2)	Tốc độ dâng lý thuyết (m/s)	Tốc độ dâng thực tế (m/s)
1 cm2	0,52	0,032

Bảng 3. Tốc độ dâng kim loại thực tế và lý thuyết.

    Tốc độ dâng lý thuyết được tính toán dựa trên định luật bảo toàn khối lượng trong hệ thống rót, thường áp dụng cho tính toán hệ thống rót vật đúc nhôm trong khuôn cát hoặc khuôn kim loại. Việc tính toán này đã bỏ qua ảnh hưởng của áp lực do lớp khí đệm (gas gap) tác động ngược lại trong hệ thống rót. Bởi vậy, việc tính toán hệ thống rót trong đúc lost foam phải có thêm hệ số áp suất khí , fpr. 3.6. ứng dụng đúc xích tầu thủy bằng thép thép 20Mn₂. Bốn xích tầu thủy được đúc bằng thép 20Mn_2>2 theo phương pháp mẫu cháy với 4 tỷ trọng thay đổi là 0,32 g/cm³, 0,23g/cm³; 0,19/cm³ và 0,16g/ cm³. Thiết diện rãnh dẫn giống nhau và bằng 2cm². Kết quả, cả 4 vòng xích đều điền đầy hoàn hảo. Bề mặt kim loại càng đẹp khi tỷ trọng mẫu polystyren càng lớn.

Hình 7. Sản phẩm đúc xích tầu thủy

    Rõ ràng cùng hệ thống rót như đối với vật đúc thép (thiết diện rãnh dẫn là 2 cm²), vật đúc bằng nhôm điền đầy không hoàn toàn. Như vậy, đối với vật đúc bằng nhôm, rãnh dẫn phải có thiết diện lớn hơn nhiều so với đúc thép.

Kết luận

    1. Khi rót thép, hệ thống rót nói chung và rãnh dẫn nói riêng có ảnh hưởng rất mạnh đến quá trình điền đầy của vật đúc. Các kết quả đã chỉ ra rằng tiết diện rãnh dẫn thay đổi từ 0.25cm² đến 2 cm² vật đúc vẫn điền đầy tốt. Đối với vật đúc nhôm, vấn đề trở nên phức tạp hơn. Điều này có nghĩa là việc chọn các hệ số α và μ trong công thức F_min cần có điều chỉnh. Cách tính hệ thống rót đã trình bày trong bài váo này có thể áp dụng có hiệu quả với vật đúc nhôm.

    2. Áp suất hút chân không cho vật đúc nhôm nên dùng trong khoảng từ -0.3 đến -0.7 at. Nếu áp suất chân không quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng vỡ sơn, sụt mẫu. Còn nếu áp lực chân không quá nhỏ sẽ làm cho có khuyết tật không điền đầy, vật đúc có bề mặt nhăn.

    3. Tỷ trọng mẫu đối với đúc nhôm nên dùng ở cận nhỏ, đối với thép nên dùng giá trị lớn hơn.

    4. Tốc độ dâng của kim loại trong khuôn đối với nhôm thường là 0,4 m/s thì chiều dầy khe hở khí sẽ nằm trong khoảng (2-4)cm. Với các thông số này, vật đúc sẽ điền đầy hoàn hảo.

[symple_box color=”yellow” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Hữu Dũng. Các phương pháp đúc đặc biệt; NXB KHKT. 2006
2. Pravin Kannan, Joseph J. Biernacki, A review of physical and kinetic models of thermal degradation of expanded polystyrene foam and their application to the lost foam casting process. JOURNAL OF ANALYTI- CAL AND APPLIED PYROLYSIS. 2006.
3. D.A. Caulk. A foam engulfment model for lost foam casting of aluminum. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 3831-3845.
4. D.A. Caulk. A foam melting model for lost foam casting of aluminum. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 2124-2136
5. M. Khodai. Pressure measurement and some observation in lost foam casting. journal of Materials Processing Technology 206 (2008) 1-6

[/symple_box][symple_clear_floats]