Đã nghiên cứu quá trình nguội của hợp kim silumin A356 trong các loại khuôn khác nhau của công nghệ đúc mẫu cháy.
Influence of molding materials on the cooling rate of A356 cast alloy in the Lost Foam Casting (LFC) process
Đinh Quảng Năng, Nguyễn Văn Thanh, Hồ Thị Hải Hà, Phạm Mai Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà nội
Nguyễn Minh Đạt
Viện Mỏ Luyên kim
(Nhận bài ngày 16/11/2011, duyệt đăng ngày 15/01/1012)
Tóm Tắt
Đã nghiên cứu quá trình nguội của hợp kim silumin A356 trong các loại khuôn khác nhau của công nghệ đúc mẫu cháy. Kết quả thu được cho thấy: tốc độ nguội trung bình của mẫu thí nghiệm trong khuôn kim loại nhanh nhất rồi đến khuôn cát-thuỷ tinh lỏng đóng rắn bằng CO2, tiếp đến là trong khuôn cát và chậm nhất trong khuôn cát không chất dính hút chân không. Song tốc độ nguội trong giai đoạn mất nhiệt quá nhiệt trong khuôn cát không chất dính hút chân không nhanh gấp ba lần trong khuôn cát khác. Khi được biến tính bằng hợp kim Al-Ti5-B (lượng chất biến tính bằng 5% mẻ nấu) thì nhiệt độ cùng tinh thấp hơn so với hợp kim không được biến tính.
Từ khóa: Tốc độ nguội, Hợp kim nhôm, Đúc mẫu cháy. .
Abstract
The effect of the cooling of the alluminium alloy (A356) melt modified by AlTi5B in the molds from diference materials in the Lost foam casting process are investigated. The obtained results show that the average of the solid ification rate of the experimental casting in the other molds reduce siquentially in order the permanent, CO2-mold, benotnite-sand and the last vacuum-rigid unbonded sand. The cooling rate during the supperheat transfer in the vacuum-rigid unbonded sand mold is tthree times more than the others sand molds. The eutectic temperature of the modifying Al-Ti5-B alloy is lower than the nonmodifying, quantity of the modifying substance is 5wt% of melt.
Key words: Cooling rate, Aluminum Alloy, Lost Foam casting
1. Mở đầu
Công nghệ đúc mẫu cháy (Lost Foam Casting LFC) do H.F. Shoyer phát minh ra vào năm 1958 với các tên gọi khác nhau: Công nghệ đúc khuôn đầy (Full Mold Casting-FMC), Công nghệ đúc mẫu bốc hơi (Evaporative Pattern Casting-EPC), Công nghệ đúc khuôn không hốc (Cavity-less Mold Casting-CLC). Mẫu được chế tạo từ polystyren. Khi làm khuôn không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn. Khi rót khuôn mẫu bị cháy và kim loại lỏng điền đầy vào thay thế mẫu. Hỗn hợp làm khuôn có thể là hỗn hợp khuôn tươi, hỗn hợp khuôn khô nhanh, hỗn hợp tự cứng.
Vào năm 1964 T. R. Smith đã phát triển dùng cát không chất dính [1-3]. Việc dùng cát không chất dính đòi hỏi phải khống chế chặt chẽ tốc đọ điền đầy khuôn, để khắc phục hạn chế này đã sử dụng chân không làm chắc khuôn. Công nghệ mới này có tên là công nghệ đúc mẫu cháy chân không (The Vacuum Evaporative Pattern Casting process-VAEPC) [4]. Trong thực tế công nghệ đúc mẫu cháy – LFC là tên gọi chung cho tất cả các công nghệ trên. Công nghệ LFC có các ưu điểm nổi trội: dễ dàng gia công cắt gọt mẫu với độ khó bất kỳ; không cần dùng lõi để tạo lõ rỗng trong vật đúc; vật đúc chính xác cao; vật đúc không có via; giá thành vật đúc rẻ hơn so với các công nghệ đúc khuôn cát khác; thân thiện môi trường [5]. Nhờ vậy, vào những năm đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 công nghệ đúc mẫu cháy đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Sản phẩm đúc có trọng lượng từ vài trăm gam đến vài tấn phục vụ cho các ngành công nghiệp chế tạo động cơ ô tô, xây dựng v.v như thân động cơ, cánh tuốc bin, máy bơm, tấm nghiền, răng gầu xúc, v.v… với hợp kim đúc khác nhau: hợp kim nhôm, hợp kim đồng, gang- thép hợp kim, v.v… [6].
Khi nghiên cứu quá trình điền đầy khuôn Ron Paul Walling [7] đã cho thấy có sự khác biệt lớn giữa khuôn đúc mẫu cháy và các công nghệ khuôn cát khác do có sự phân huỷ của mẫu trong quá trình đúc rót khuôn. Mặt khác ngay cả trong cùng công nghệ đúc mẫu cháy, thì khi đúc hợp kim khác nhau cũng có sự khác nhau trong vùng tiếp xúc giữa kim loại lỏng và mẫu xốp. Ramin Ajdar [2] đã nghiên cứu quá trình đông đặc của hợp kim silumin A356 trong các khuôn với cát không chất dính như cát silic, cát samốt, cát sắt không hút chân không cho thấy, tốc độ nguội của hợp kim lỏng trong khuôn cát sắt lớn nhất rồi đến khuôn cát silic, chậm nhất là khuôn cát samôt và do đó có ảnh hưởng lớn tới kích thước của tổ chức nhánh cây của pha α.
Sudhir Kumar. và đồng sự [4] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong công nghệ VAEPC tới độ bền của hợp kim silumin 7%Si cho thấy: độ bền của vật đúc lớn nhất khi cấp độ hạt cát là 60 μm, tần số rung khuôn là 460, thời gian rung khuôn là 70 giây, độ chân không hút khuôn là 400mmHg, nhiệt độ rót là 650 °C.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nguội tới khuyết tật rỗ khí trong vật đúc từ hợp kim nhôm silumin A356 Hieu Nguyen [8] cho thấy: tốc độ nguội càng tăng thì kích thước lõ rỗ khí trong vật đúc càng nhỏ và số lượng lõ rỗ càng ít. Trong bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu khuôn (hỗn hợp cát-sét; hỗn hợp cát-thuỷ tinh lỏng; cát silíc hút chân không; khuôn kim loại) tới tốc độ nguội của hợp kim A356. Theo lý thuyết kết tinh đông đặc, đường cong nguội lý tưởng của hợp kim trước và sau cùng tinh được đưa ra trên hình 1.
Hình 1. Đường cong nguội lý tưởng của hợp kim trước và sau cùng tinh, Gruzleski [2]
Trong hình này, hợp kim lỏng nguội đến nhiệt độ tại điểm 1 thì bắt đầu kết tinh ra pha thứ nhất, quá trình này kết thúc khi hợp kim lỏng nguội đến nhiệt độ ở điểm 2. Cùng tinh được kết tinh ra bắt đầu từ điểm 2 và kết thúc tại điểm 3, quá trình đông đặc của hợp kim lỏng đã xảy ra hoàn toàn.
Hình 2 Đường cong nguội thực tế của hợp kim trước hoặc sau cùng tinh [2]
Trong điều kiện thực tế, hợp kim lỏng bắt đầu đông đặc tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đường lỏng. Độ chênh nhiệt độ này được gọi là độ quá nguội và đường cong nguội thực của hợp kim trước hoặc sau cùng tinh có dạng như hình 2 [2]. Hợp kim silumin A356 là hợp kim trước cùng tinh có thành phần gồm:
≤0,2% Cu; ≤0,35% Mg; ≤0,1% Mn; ≤7% Si; ≤0,2% Fe; ≤0,1 Zn; ≤0,2% Ti; còn lại là Al.
Nó có nhiệt độ bắt đầu đông đặc là 620 °C và kết thúc đông đặc ở 555 °C [1]. Thời gian của quá trình đông đặc bao gồm thời gian để giảm nhiệt độ của hợp kim lỏng từ nhiệt độ rót đến nhiệt độ đường lỏng và thời gian đông đặc hoàn toàn hợp kim lỏng. Tốc độ nguội là sự thay đổi nhiệt độ kim loại theo thời gian trong suốt quá trình đông đặc của hợp kim lỏng [2]. Như vậy, muốn xác định được tốc độ nguội của hợp kim A356 trong khuôn đúc mẫu cháy cần phải xác định được đường cong nguội của nó.
