Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ thông khí của vỏ sơn ceramic đúc mẫu cháy

Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tăng nhiệt độ nung trong khoảng 100 ÷ 600 ^oC, độ thông khí tăng và đạt cực đại ở nhiệt độ 600 ^oC…

A study on the effect of heating temperature on the lost foam coating permeability

 ĐỖ PHƯƠNG THẢO^1,2,*, ĐINH QUẢNG NĂNG^1,*
1.Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội.
*Email: thaodophuong87tn@gmail.com, nangdq25@gmail.com
2.Trường Cao đẳng Cơ khí – Luyện kim

Ngày nhận bài: 7/2/2017, Ngày duyệt đăng: 21/3/2017

 TÓM TẮT

Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ thông khí của vỏ sơn gốm đúc mẫu cháy được trình bày trong nghiên cứu này.  Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tăng nhiệt độ nung trong khoảng 100 ÷ 600 ^oC, độ thông khí tăng và đạt cực đại ở nhiệt độ 600 ^oC. Trong giai đoạn này, quá trình nung một mặt làm mất nước và làm cháy các hợp chất hữu cơ, mặt khác làm nứt màng keo dính SiO₂ nên tạo cho sơn có độ thông khí tốt. Ở nhiệt độ nung 800 ^oC, độ thông khí của vỏ ceramic giảm do sự kết khối của keo silica. Độ thông khí và độ xốp tỷ lệ với nhau. Nhiệt độ nung 600 ^oC là tối ưu cho độ thông khí và độ xốp của sơn.
Từ khóa: độ thông khí, đúc mẫu cháy, nung, sơn gốm.

 ABSTRACT

The effect of the heating temperature on the lost foam ceramic coating permeability was reported. The results show that, when the heating temperature increases in the range 100 ÷ 600 ^oC, the pemeability increases and obtains maximum value at 600 _^oC. In this period, the heating  not only induces loosing of water and  burning of organic compounds but also causes fragmentation of SiO₂ binder film, so that the coating has enhanced perme- ability. At 800 ^oC, the permeability decreases due to sintering of colloidal silica. The permeability and the porosity are directly proportional.  The optimum firing temperature for the coating permeability and  porosity is 600 ^oC.
Keywords: ceramic coating, heating, lost foam casting, permeability.

1. MỞ ĐẦU

Trong công nghệ đúc mẫu cháy đốt mẫu trước (Replicast Process) mẫu xốp được sơn với chất dính hệ vô cơ, chiều dày lớp sơn từ 2 đến 5 mm. Sau đó, mẫu được sấy khô rồi đưa vào nung ở nhiệt độ (800 ÷1000) ^oC để cháy hết mẫu và chất dính SiO₂ thiêu kết làm tăng độ bền vỏ gốm. Tiếp đến chèn vỏ gốm vào khuôn để rót kim loại lỏng. Ngày nay chất dính dùng để chế tạo sơn phổ biến là keo silica thay cho ethylsilicat vì nó rẻ và thân thiện môi trường [1]. Ưu điểm của công nghệ này là đúc được các vật đúc có ruột phức tạp hoặc khi đúc thép sẽ không làm tăng hàm lượng cacbon trong thép [2]. Tuy nhiên sơn gốm trên cơ sở chất dính keo silica thường có độ thông khí thấp. Việc bổ sung chất phụ hữu cơ sẽ làm tăng độ bền tươi để chống nứt cho vỏ khuôn. Ở nhiệt độ nhất định nó bị cháy làm tăng độ thông khí cho vỏ gốm, nhưng ở nhiệt độ cao keo silica bị kết khối lại làm giảm độ thông khí của nó.

Nghiên cứu ảnh hưởng của ba loại vật liệu sơn với những độ thông khí khác nhau, Kyong-Whoan Lee và các cộng sự [3] đã nhận ra rằng tốc độ điền đầy khuôn của hợp kim magie lỏng tăng cùng với sự tăng độ thông khí của sơn. Trong trường hợp sơn có độ thông khí cao, các tác giả không nhận thấy khuyết tật cacbon. Khi kiểm tra ảnh hưởng của chiều dày lớp sơn tới đặc tính của quá trình đúc mẫu cháy hợp kim Al-Si-Cu, Majid Karimian và các cộng sự [4] đã nhận thấy khi tăng chiều dày lớp sơn, tỷ lệ khuyết tật rỗ khí trong sản phẩm đúc tăng lên. Bằng cách sử dụng mô hình quá trình điền đầy khuôn khi đúc gang theo phương pháp đúc mẫu cháy, T. Pacyniak [5] đã chỉ ra rằng cùng với sự giảm độ thông khí của sơn và sự tăng chiều dày lớp sơn, kích thước khe hở khí khi đúc rót tăng lên. Sơn có độ thông khí lớn hơn 5.10-9 m²/Pa.s ít ảnh hưởng đến kích thước khe hở khí, trong điều kiện này kích thước khe hở khí khoảng 2-3 mm. Theo W.D. Griffiths và các cộng sự [6] với quá trình đúc hợp kim nhôm, độ thông khí của sơn khoảng 0,1 Darcy (10-13 m²) là thấp và khoảng 1 Darcy (10-12 m²) là cao. M. Sands và các cộng sự [7] chỉ ra độ thông khí của sơn càng thấp, sự điền đầy của hợp kim nhôm lỏng càng khó khăn. Đối với các loại vật liệu chịu lửa, độ xốp nói chung và đặc biệt là độ xốp hở (các lỗ xốp hở liên thông với nhau) có ảnh hưởng lớn nhất tới độ thông khí [8,9]. Qua độ xốp người ta còn sơ bộ đánh giá được đặc tính nhiệt của vật liệu chịu lửa [9].

Những công trình nghiên cứu trên đã cho thấy độ thông khí của sơn ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm đúc. Trong bài báo này, ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ thông khí và độ xốp của sơn được nghiên cứu và phân tích.

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Vật liệu nghiên cứu

Thành phần vật liệu nghiên cứu gồm bột chịu lửa zircon, chất dính keo silica, các chất phụ ben- tonit trugel 100, carboxymethyl cellulose – CMC, sacaroza, xốp polystyren đã được trình bày trong các công trình nghiên cứu trước của cùng tác giả [2,12].

2.2. Cách chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm được chế tạo như sau:

Bước 1 – Chế tạo mẫu xốp hình trụ F 45 mm × 50 mm (hình 1) khối lượng 1,39 g.

Bước 2 – Chế tạo sơn gốm, thành phần sơn tối ưu (xem trong [2]) gồm: 58,38 % bột zircon; 39,93 % keo silica; 0,31 % bentonit; 0,12 % CMC; 1,26 % sacaroza.

Bước 3 – Sơn mẫu; mẫu xốp được sơn 6 lớp để đạt chiều dày lớp sơn trong khoảng (2,03÷2,06) mm. Sau mỗi lớp sơn, mẫu được sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ (45÷55) ^oC trong 3 giờ. Chiều dày lớp sơn được đo bằng thước kẹp điện tử Mitutoyo có độ chính xác ± 0,01 mm.

Nung mẫu thí nghiệm: Mẫu thí nghiệm đã sấy khô được đặt vào lò nung ở các nhiệt độ khác nhau là: 100, 200… cho đến 800 ^oC. Tại mỗi nhiệt độ giữ trong 2 giờ. Sau đó vỏ gốm được kiểm tra độ thông khí.

2.3. Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Phương pháp xác định độ thông khí của sơn

Cách làm thí nghiệm như sau:

Mẫu sau khi nung được đặt vào hòm đặc biệt rồi chèn chặt cát xung quanh. Thùng náy được nối với bình ổn áp của thiết bị tạo chân không. Sau khi đã phủ tấm nilon lên thùng có mẫu thử sẽ mở van để thùng thông với bình ổn áp. Lúc này áp suất chân không trong bình ổn áp bằng 0,7 at. Sau đó châm lửa tạo lỗ thủng trên mặt nilon và tính thời gian cho đến khi kim đồng hồ chỉ áp suất chân không của khuôn lùi về đến 0 (hình 3,4). Độ thông khí của mẫu được xác định theo công thức (1) [10]:

Ở đây: V- thể tích khí qua mẫu (m³); L – chiều dày mẫu thử (m); F – diện tích mẫu thử (m²); ∆p – độ chênh áp suất không khí ở phía trước hoặc sau mẫu (Pa); τ – thời gian để khí đi qua mẫu (s).

Trong thí nghiệm này vỏ sơn gốm là mẫu trụ có bán kính r = 22,5 mm, chiều cao h = 50 mm nên diện tích mẫu thử F được tính theo công thức (2):

F = F_xq + F_đáy                 (2)

Với F_xq, F_đáy là diện tích xung quanh và diện tích đáy của mẫu trụ được tính theo công thức (3) và (4):

Fxq = 2 x π x r x h           (3)
F_đáy = π x r²                    (4)

Kết quả tính toán cho diện tích mẫu thử F = 8,66×10-3 (m²). Thể tích khí đi qua mẫu chính là lượng khí đi vào bình ổn áp của máy hút chân không thí nghiệm. Thể tích của bình ổn áp 0,4 m³ nên thể tích khí đi qua mẫu để vào bình ổn áp (V) cũng bằng 0,4 m³.

Đồng hồ chân không có độ chân không là 0,7 at tức là áp suất khí trong bình ổn áp bằng -0,7 at. Khi đồng hồ chỉ áp về đén 0 thì áp suất khí trong bình là 1 at. Do vậy độ chênh áp suất ở trước và sau mẫu sơn gốm lúc đầu là 0,7 at. Độ chênh này sẽ giảm dần tới 0 khi khí đã đi qua mẫu để vào đầy bình ổn áp. Giả sử sự giảm đó là tuyến tính theo thời gian thì giá trị trung bình của sự giảm áp suất sẽ là 0,35 at. Do đó độ chênh áp suất không khí ở phía tiếp xúc với khí quyển và phía tiếp xúc với chân không ∆p = 0,35 at. Quy đổi: 1at = 98100 Pa [12].

2.3.2. Phương  pháp xác định độ xốp của sơn

Độ xốp của sơn được xác định theo TCVN 6530:1999 [8,9].  Độ xốp biểu kiến là biểu thị mối quan hệ giữa thể tích lỗ rỗng hở của mẫu với thể tích thực của mẫu, tính bằng %.

Lấy mẫu sơn gốm thí nghiệm có diện tích 1-2 cm², chiều dày khoảng 3 mm, sấy mẫu đến khối lượng không đổi ở (105÷110) oC. Đối với sản phẩm mới ra lò thì không cần sấy. Sau khi sấy mẫu, làm nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng rồi cân ngay khối lượng mẫu (m1).

Ngâm mẫu thử trong nước để mẫu ngấm đầy chất lỏng theo phương pháp đun sôi. Đặt mẫu thử trên tấm lưới ở đáy bình và đun sôi cho nước thấm vào mẫu trong 3 h. Làm nguội trong nước không ít hơn 1 h. Mực nước trong bình phải ngập mẫu thử 2-3 cm. Khi mẫu thử đã nguội, đem cân mẫu trong không khí (m²) và trong chất lỏng (m³).

2.3.3.Phương  pháp nghiên  cứu cấu trúc sơn

Cấu trúc sơn ở các nhiệt độ khác nhau được quan sát bằng phương pháp hiển vi điện tử quét phân giải cao (Model JSM-7600F).

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ thông khí của vỏ sơn ceramic

Bảng 1 và hình 5 chỉ ra kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ thông khí của vỏ sơn ceramic. Chuyển từ đơn vị m²/Pa.s sang đơn vị quy ước của độ thông khí Darcy với 1 Darcy = 9,86923×10-13 m² ≈ 10-12 m² [5,10], cần nhân thêm một hệ số độ nhớt không khí µ = 1,851×10-5  [10,11] vào công thức (1), được kết quả đưa ra trong cột 6 bảng 1.

Bảng 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ thông khí của vỏ sơn gốm

STT	Nhiệt độ nung (OC)	Chiều dày sơn, L (mm)	Thời gian không khí chuyển qua,   (s)	Độ thông khí của sơn, K (m2/Pa.s)	Độ thông khí của sơn, K (Darcy)
1	100	2,04	900	3,05×10-9	0,056
2	200	2,03	528	5,17×10-9	0,096
3	300	2,05	474	5,82×10-9	0,108
4	400	2,03	425	6,43×10-9	0,119
5	500	2,03	414	6,60×10-9	0,122
6	600	2,06	396	7,00×10-9	0,130
7	700	2,06	443	6,26×10-9	0,116
8	800	2,05	570	4,84×10-9	0,090

Từ bảng 1 và hình 5 nhận thấy từ 100 đến 600^oC nhiệt độ càng tăng thì độ thông khí của sơn càng tăng, nguyên nhân là do sự mất nước vật lý, hóa học và cháy các chất phụ hữu cơ trong sơn. Độ thông khí tăng mạnh khi nung từ 100 đến 300 ^oC do sự mất nước của sơn và cháy một phần hợp chất hữu cơ. Từ kết quả phân tích nhiệt DTG/DSC của mẫu sơn [2,12] thấy sự giảm trọng lượng sơn như sau: ở 300 ^oC sơn mất 3 % khối lượng, ở 600 ^oC sơn mất 4,7% khối lượng, trong khi ở 800 ^oC mất 5,3% khối lượng. Có nghĩa là ở 600 ^oC sự cháy các chất hữu cơ đã gần như hoàn toàn. Tuy nhiên ở nhiệt độ nung càng cao (trên 600 ^oC), độ thông khí của sơn lại giảm nhẹ vì có sự kết khối vật liệu ceramic. Nguyên nhân là do các hạt keo silica đã dehydrat hoàn toàn tạo cấu trúc các hạt nhỏ mịn, xếp khít và liên kết chặt chẽ với nhau [2].

Theo các tác giả [1], đặc trưng của cấu trúc keo silica là các nhóm silanol (Si-OH) ở trong cấu trúc và trên bề mặt các hạt keo silica. Các nhóm silanol này có thể ngưng tụ để tạo thành các cầu siloxan (Si-O-Si).  Các  cầu  siloxan  chịu  ứng  suất  biến dạng được hình thành trên bề mặt keo silica đến nhiệt độ khoảng 500 ^oC. Ở nhiệt độ cao hơn, cấu trúc ổn định hơn và quá trình kết khối xảy ra ở nhiệt độ trên 600 ^oC. Từ kết quả thí nghiệm ở cột 6 bảng 1, đối chiếu với kết luận của tác giả W.D. Griffiths  và  các  cộng  sự  [6],  nhận  thấy  sơn ceramic có độ thông khí thấp nên việc điền đầy khuôn của kim loại lỏng sẽ khó khăn, do vậy cần phải đốt mẫu trước.

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ xốp của vỏ sơn ceramic

Kết quả thí nghiệm và tính toán độ xốp biểu kiến của sơn theo phương pháp xác định độ xốp của ceramic (mục 2.3.2) được trình  bày trong bảng 2 và hình 6.

Bảng 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ xốp của vỏ sơn ceramic

STT	Nhiệt độ, ( C)	m1, (g)	m , (g)	m , (g)	Độ xốp (%)
1	100	3,41	3,63	2,38	17,6
2	200	2,76	2,96	1,96	20,0
3	300	4,78	5,19	3,48	24,0
4	400	4,63	5,03	3,39	24,4
5	500	4,32	4,70	3,18	25,0
6	600	3,92	4,29	2,87	26,1
7	700	4,69	5,11	3,47	25,6
8	800	4,69	5,10	3,44	24,7

 Từ kết quả bảng 2 và hình 5 thấy rằng trong khoảng (100 ÷ 600) ^oC, nhiệt độ nung càng tăng, độ xốp của vỏ sơn ceramic càng tăng. Độ xốp tăng mạnh nhất trong khoảng (100 ÷ 300) ^oC. Trên 600 ^oC, độ xốp giảm dần. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu về độ thông khí của sơn đã được trình bày ở mục 3.1. Điều này chứng tỏ khi nung ở nhiệt độ dưới 600 oC sự mất nước và sự cháy các hợp chất hữu cơ làm tăng độ xốp của vỏ gốm. Ở 600 ^oC màng keo bị nứt làm lỗ xốp thông trong cấu trúc của vỏ gốm. Ở nhiệt độ trên 600 ^oC, độ giảm của độ thông khí mạnh hơn độ giảm của sự giảm độ xốp. Điều này chứng tỏ sự kết khối mạnh của keo silica ở cấp độ vi mô đã hàn một phần các lỗ xốp thông. Khi độ xốp càng cao thì khả năng dẫn nhiệt càng thấp và do đó khả năng cách nhiệt càng cao [9]. Qua nghiên cứu về độ xốp và độ thông khí đã tôi đề xuất nung mẫu ở nhiệt độ 600 ^oC để sơn có độ thông khí tốt.

3.3. Cấu trúc của vỏ sơn ceramic ở các nhiệt độ nung khác nhau

Sơn ở 100 ^oC có những lỗ xốp nhỏ là do mất nước tự do trong sơn. Ở 300 ^oC có sự xuất hiện các lỗ xốp kích thước lớn, đây là do sự cháy các hợp chất hữu cơ trong sơn và mất nước liên kết hóa học của các hạt keo làm các hạt keo co lại gây ra nứt dẫn tới liên thông các lỗ xốp (trên ảnh hiển vi điện tử với độ phóng đại 10.000 lần quan sát thấy các vết nứt tăng đáng kể ở 300 ^oC. Do đó độ xốp và độ thông khí ở 300 ^oC tăng lên. Sự xuất hiện nhiều đường nứt là do sự co mạnh khi gel hóa của keo silica. Ở 600 ^oC, các chất hữu cơ cháy hoàn toàn, các lỗ xốp thông trở nên rõ hơn. Ở nhiệt độ này kích thước hạt keo silica nhỏ đi đáng kể và do đó độ xốp của vỏ sơn gốm tăng. Ở 800 ^oC, các hạt keo silica có kích thước nhỏ mịn, tương đối đồng đều, xếp khít nhau, độ trật tự trong cấu trúc cũng tăng lên rõ rệt [2]. Điều này chứng tỏ ở 800 ^oC, quá trình kết khối trong keo silica diễn ra rất mạnh, hàn một phần các lỗ xốp thông trong cấu trúc làm cho độ xốp và độ thông khí của sơn ở 800 ^oC giảm đi so với ở 600 ^oC.

 4. KẾT LUẬN

Khi nung vỏ sơn ceramic với nhiệt độ nung trong khoảng (100-600) ^oC, nhiệt độ nung càng tăng, độ thông khí và độ xốp càng tăng do sự mất nước và cháy hợp chất hữu cơ trong sơn. Từ nhiệt độ trên 600 ^oC, độ thông khí và độ xốp giảm khi tăng nhiệt độ nung do sự kết khối của keo sili- ca – thành phần chất dính của vỏ ceramic. Nhiệt độ nung 600 ^oC là tối ưu cho độ thông khí và độ xốp của sơn.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Horacio E. Bergna, William O. Roberts; Colloidal silica Fundamentals and Applications, Taylor and Francis Group Publisher, New York, 2006.
2. Đỗ Phương Thảo, Đinh Quảng Năng, Trần Viết Thường; Nghiên cứu xác định thành phần sơn mẫu cháy ceramic và cấu trúc của nó ở nhiệt độ cao, Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại, số 68, 2016, tr. 34-39.
3. Kyong-Whoan Lee, Gue-Serb Cho, Kyeong-Hwan Choe, Hyung-Ho Jo, Akirra Ikenaga and Sadatoshi Koroyasu; Effects of Reduced Pressure and Coat Permeability on Casting Characteristics of Magnesium Alloy in Evaporative Pattern Casting Process,Materials Transactions, Vol. 47, No. 11, 2006, pp. 2798-2803.
4. Majid Karimian, Ali Ourdjini, Mohd Hasbulluhidris, Hassan Jafari; Effect of pattern coating thickness on char- acteristics of lost foam Al-Si-Cu casting, Transactions of Nonferous Metals Society of China 22, 2012, pp.2092-2097.
5. T. Pacyniak, R. Kaczorowski; Modeling of mould cavity filling process with cast iron in Lost Foam method, Archives of Foundry Engineering, Vol. 6, Special Issue 3, 2008, pp 69-74.
6. W.D. Griffiths, P.J. Davies; The permeability of Lost Foam pattern coatings for Al alloy castings, Journal of Material Science 43, 2008, pp.5441- 5447.
7. M. Sands, S. Shivkumar; Influence of coating thickness and sand fineness on mold filling in the Lost Foam casting process, Journal of Materials Science 38, 2003, pp. 667-673.
8. Huỳnh Đức Minh, Nguyễn Thành Đông; Công nghệ gốm sứ, Nhà xuất bản Khoa học – kỹ thuật, Hà nội, 2009.
9. Nguyễn Đăng Hùng; Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa, Nhà xuất bản Bách khoa, Hà Nội, 2006.
10. Nang Dinh Quang, Anh Nguyen Quoc, Thao Do Phuong and Ha Tran Son; Effect of bentonite and additives on the permeability of the lost foam coating with modifying cassavar flour glue for iron casting, Proceeding of 13th Asian Foundary Congress, Hanoi, Vietnam, 2015, pp. 334-340.
11. Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông; Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, tập 1, tái bản lần 2, Nhà xuất bản Khoa học – kỹ thuật, Hà Nội, 2006.
12. Đỗ Phương Thảo, Đinh Quảng Năng, Trần Viết Thường, Nguyễn Ngọc Tiến; Nghiên cứu sự biến đổi trạng thái của mẫu xốp trong công nghệ đúc mẫu cháy đốt mẫu trước, Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại, số 69, 2016, tr. 23-28.