Nghiên cứu sử dụng thủy tinh lỏng mođun cao thay thế keo silica làm chất dính đúc mẫu chảy sử dụng cho làng nghề

Mục đích của bài báo là áp dụng các kết quả đã có trước đây về nâng cao mođun thủy tinh lỏng bằng keo silica để làm chất dính trong công nghệ đúc mẫu chảy các sản phẩm mý nghệ nhằm giảm chi phí cho sản xuất…

The study of sodium silicate binder with high ratio of SiO₂/Na₂O to replace the coloidal silica used in craft villages

ĐÀO HỒNG BÁCH^1*, ĐỖ VĂN QUẢNG^2
1School of Materials Science and Engineering, Hanoi University of Science and Technology, Hanoi
²May casting company limited
*Email: bach.daohong@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 2/5/2019, Ngày duyệt đăng: 24/6/2019

 TÓM TẮT

Keo silica được sử dụng ngày càng nhiều trong đúc mẫu chảy các chi tiết dùng trong công nghiệp cơ khí, hàng tiêu dùng chất lượng cao. Tuy nhiên, do chi phí nguyên vật liệu và thiết bị công nghệ cao nên việc sử dụng nó trong các làng nghề đúc còn hạn chế. Mục đích của bài báo là áp dụng các kết quả đã có trước đây về nâng cao mođun thủy tinh lỏng bằng keo silica để làm chất dính trong công nghệ đúc mẫu chảy các sản phẩm mý nghệ nhằm giảm chi phí cho sản xuất. Chất dính có giá thành thấp hơn, nhưng đáp ứng yêu cầu đúc mẫu chảy các sản phẩm nhỏ ở các làng nghề đúc mỹ nghệ. Các thí nghiệm được thực hiện tại làng nghề từ các nguyên liệu đầu vào như thay cát zircon bằng cát thạch anh hoặc sử dụng thủy tinh lỏng (TTL) mođun cao bằng cách pha thêm vào TTL một lượng keo silic hợp lý. Các phân tích sâu hơn về cấu trúc vật liệu đã được đề cập trong các công trình trước đây.

Từ khóa: thủy tinh lỏng, mođun cao, keo silica, làng nghề

 ABSTRACT

Colloidalsilica is increasingly used in investment casting for high quality parts. However, due to the high cost of materials and equipment, its use in the craft villages is a difficul choose. The purpose of the paper is to apply the earlier results of improving the sodium silicate with high ratio of SiO₂/Na₂Obyaddingcoloidal silica used as binder in investment casting with a reducing product price. The binder has a lower cost, but will satisfy the casting requirements in craft villages during casting small products. The experiments has been conducted in villages with input materials such as zircon sand replaced with quartz sand and silicate sodium added by reasonable amount of coloidal silica. The in-depth analysis of material microstructure has been reported in the previous works.

Keywords: silicate sodium, high ratio of SiO₂/Na₂O,coloidal silica, craft village

1.   ĐẶT VẤN ĐỀ

Đúc mẫu chảy (Lost wax casting hoặc Investment casting) được sử dụng rộng rãi để đúc các chi tiết phức tạp thành mỏng, đặc biệt phổ biến trong đúc mỹ nghệ. Để chế tạo khuôn vỏ, trước đây ở Liên Xô, Anh, Tây Đức và Đông Đức thường dùng chất dính là Ethyl silicat [1], gần đây ở các nước Tây Âu thường dùng keo silica rẻ và không gây ô nhiễm môi trường [2]. Ở Việt Nam trước kia các nhà máy trong quân đội dùng Ethyl silicat, nhà máy Cơ khí Hà Nội dùng thủy tinh lỏng (TTL). Ngày nay các nhà máy quốc phòng dùng keo silica. Thủy tinh lỏng dùng làm chất dính có ưu điểm là rẻ, hóa cứng vỏ không cần thiết bị chân không. Mặt khác, nó không chỉ tạo huyền phù tốt với bột zircon mà còn tốt với cả bột thạch anh rẻ tiền hơn. Nhược điểm của khuôn vỏ gốm từ chất dính TTL là độ bền khuôn thấp, nên chỉ dùng để đúc vật đúc nhỏ. Ngoài ra, khi đúc thép và gang rất dễ bám dính bề mặt vật đúc. Ở Liện Xô khi đúc mẫu chảy vật đúc nhỏ, nhất là trong đúc mỹ nghệ dùng TTL có thành phần là 32-34,5 %SiO₂; 11- 13,5 %Na₂O; không lớn hơn 57 %H2O; tỷ trọng 1,5-1,55 g/cm3 [3]. Cơ chế đóng rắn của TTL cũng đã được thống nhất [4-6] và TTL với mođun (M) cao được khuyến khích dùng trong đúc mẫu chảy nhằm đảm bảo chất lượng khuôn vỏ gốm và hạ giá thành khuôn.

Ở nhà máy đúc Hà Nội trước kia khi tăng M thường dùng dung dịch NH₄Cl. Phương pháp này có nhược điểm là chỉ nâng cao M thêm được 0,5. Gần đây các tác giả [7, 8] đã sử dụng keo silica làm tăng M của TTL lên tới 5. Để ứng dụng cách pha chế này vào thực tiễn sản xuất nhằm phổ biến công nghệ đúc mẫu chảy với chất dính TTL trong các làng nghề đúc, bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha chế giữa keo silic với TTL tới cơ tính của khuôn vỏ ở trạng thái sau đóng rắn và sau nung trên cơ sở dùng TTL và bột chịu lửa SiO₂ sẵn có trong nước, nhằm xác định tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa chúng.

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Chuẩn bị vật liệu chế tạo khuôn vỏ gốm

Thủy tinh lỏng gốc có hàm lượng 32,79 %SiO₂; 11,29 %Na₂O; M = 2,99; tỷ trọng 1,38 g/cm³. Để nâng cao M thủy tinh lỏng đã dùng keo silica mác 830 có đặc tính kỹ thuật nêu ở bảng 1. Sơ đồ quy trình pha chế nâng cao M thủy tinh lỏng xem trên hình 1.

Bảng 1. Thông số kỹ thuật keo silica mác 830 (Sizol A30)

SiO2 (%)	Na2O (%)	pH (20 oC)	Tỷ trọng (20 oC, g/cm3)	Độ nhớt (20 oC, mPa*S)	Cỡ hạt (mm)
30,5 ± 1	≤ 0,5	9,5 – 11,0	1,19 – 1,21	≤ 10	8 – 11

Cách pha chế nâng cao M thủy tinh lỏng như sau: Chưng cách thủy thủy tinh lỏng ở nhiệt độ 60 ^oC, rồi cho dần keo silica vào với tỷ lệ đã định trước (xem cột 2 và 3 bảng 2), vừa cho vừa khuấy bằng máy khuấy với tốc độ khuấy 60 v/ph trong 30 phút. Sau đó nhấc bình chứa thủy tinh lỏng ra để nguội qua 2 h mà không thấy có hiện tượng phân lớp là được. Nếu có phân lớp thì phải đưa bình thủy tinh lỏng vào thiết bị chưng trộn tiếp.

Bột chịu lửa để chế tạo huyền phù là bột thạch anh có thành phần > 99,5 %SiO₂, kích thước hạt bằng 0,074 mm. Cát phủ ngoài là cát có hàm lượng > 97 %SiO₂ và kích thước  0,297 mm.

2.2. Chế tạo khuôn vỏ gốm

a) Chế tạo huyền phù

Huyền phù được chế tạo thành 15 loại từ các chất dính có M thủy tinh thay đổi từ 2,99 đến 11,22 (cột 5 bảng 2), tương ứng tỷ lệ pha chế giữa keo silica với thủy tinh lỏng thay đổi (xem cột 2 và 3 bảng 2) và tỷ lệ bột SiO₂ pha vào có thay đổi (xem cột 4 bảng 2) sao cho huyền phù có dộ nhớt như nhau. Độ nhớt được đánh giá bằng phễu đo độ nhớt Bz8. Cách chế tạo huyền phù như sau: Cân chất dính và bột SiO₂ theo liều lượng xác đinh trước với tỷ lệ theo cột 4 bảng 2. Đổ bột dần vào chất dính, vừa đổ vừa khuấy, sau đó khuấy thêm 5 phút. Tốc độ trục khuấy là 60 v/ph. Kết quả là có 15 mẫu thí nghiệm.

Mẫu số	Tỷ lệ khối lượng trong chất dính (%)		Bột thạch anh (so với chất dính)	Mođun TT lỏng
	Keo silica	Thủy tinh lỏng
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)
1	100	0	1,7:1	–
2	100	0	2:1	–
3	100	0	2,3:1	–
4	75	25	0,8:1	11,22
4,1	75	25	1,0:1	11,22
5	75	25	1,2:1	11,22
6	75	25	1,4:1	11,22
7	50	50	0,4:1	5,74
8	50	50	0,6:1	5,74
9	50	50	0,8:1	5,74
10	25	75	0,5:1	3,91
11	25	75	0,7:1	3,91
12	25	75	0,9:1	3,91
13	0	100	0,2:1	2,99
14	0	100	0,4:1	2,99
15	0	100	0,6:1	2,99

b)  Bọc vỏ khuôn cho mẫu sáp

Bước 1: Chế tạo mẫu sáp có hình dạng như hình 2. Thành phần mẫu sáp được chọn theo [8] cũng phù hợp với mác sáp làm mẫu ПC50-50 của Liên Xô [3] gồm 50 % paraffin và 50 % stearin. Sáp này có nhiệt độ biến mềm 42-45 ^oC và nhiệt độ chảy là 51 ^oC, co dài 0,8-1 %, độ bền ở 20 ^oC là 1,8-2 MPa, độ tro là 0,03-0,1 %. Đầu tiên cho parafin vào nồi đun chảy ra rồi cho stearin vào, sau đó khuấy đều rồi để nguội (vừa để nguội vừa khuấy) cho đến khi thấy sáp sệt lại thì rót vào khuôn tạo mẫu sáp. Để cho khuôn nguội rồi dỡ lấy mẫu sáp ra và cho vào thùng dung dịch xút 0,5%. Khi đổ sáp vào khuôn thì cắm vào giữa khuôn móc thép có đường kính 4-5 mm). Mẫu sáp phải được làm sạch dầu trên bề mặt trước khi làm khuôn vỏ gốm.

Bước 2: Bọc lớp khuôn vỏ mẫu sáp

– Tạo lớp vỏ khuôn thứ nhất: Nhúng mẫu sáp vào trong huyền phù, chao nhẹ để huyền phù phủ đều lên mẫu sáp, rồi nhấc mẫu sáp lên. Quan sát thấy huyền phù bám phủ đều tren toàn bộ mặt mẫu là được. Chuyển mẫu sang vị trí rắc cát lên trên lớp huyền phù. Sau đó treo mẫu lên giá để hong khô tự nhiên trong 24

– Tạo lớp vỏ thứ hai: Mẫu thí nghiệm sau khi đã làm xong bước 1 được nhúng tiếp vào huyền phù rồi lại rắc cát và hong khô như bước

– Tạo lớp vỏ thứ ba: Làm như bước

Bước 3: Thoát mẫu sáp

Sau khi hoàn thành bước 2, khuôn được đặt vào lò sấy ở 100 ^oC trong 12 h để thoát sáp.

2.3. Đánh giá cơ tính của khuôn

a) Xác định độ bền của khuôn sau thoát sáp. Cách làm như sau: khuôn sau khi thoát sáp xong, để nguội rồi được đo độ bền kéo bằng máy đo độ bền vạng năng.

b) Xác định độ cứng của khuôn phụ thuộc vào thời gian lưu khuôn. Thí nghiệm này nhằm mục đích đánh giá tác động của độ ẩm môi trường tới vỏ khuôn. Cách làm như sau: để khuôn sau khi đã thoát sáp ở trong phòng 2 ngày và 10 ngày rồi đo độ cứng của khuôn bằng dụng cụ đo độ cứng

c) Xét nghiệm sự co của khuôn sau Cách làm như sau:

Bước 1: Khuôn sau khi đã thoát sáp (hoàn thành xong bước 3) được để nguội đến nhiệt độ phòng rồi đo kích thước để xác định thể tích của khuôn.

Bước 2: Xếp khuôn vào lò nung ở nhiệt độ 900 ^oC trong 2 h, với tốc độ nung khuôn khoảng 3 ^oC/ph.

Bước 3: Đo kích thước khuôn sau nung. Để khuôn sau nung nguội đến nhiệt phòng. Rồi đo kích thước của khuôn để xác định thể tích khuôn sau nung.

Độ co tương đối (e_V) của khuôn được xác định theo công thức (1)

e_V = (V_{trước nung} – V_{sau nung} )/ V_{trước nung} (%)   (1)

c) Xác định độ bền của khuôn sau Khuôn sau khi đã nung như trên được để nguội rồi đưa đi thử độ bền kéo.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Kết quả xét nghiệm đặc tính của khuôn được nêu trong bảng 2.

Bảng 2 Kết quả xét nghiệm đặc tính của khuôn

Mẫu số	st	HA2	HA10	sn	eV	Bột SiO2/CD	Tỷ lệ TTL/K	M
(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	(7)	(8)	(10)
1	0,11	88	75	14,88	1,29	1,7:1	0/100	–
2	0,2	92,5	87,2	33,6	1,2	2:1	0/100	–
3	0,16	75,3	81,2	32,16	1,17	2,3:1	0/100	–
4	0,07	72,8	70,5	7,92	2,03	0,8:1	25/75	11,22
4,1	0,11	81,5	78,8	12,72	1,83	1,0:1	25/75	11,22
5	0,16	79,5	78,4	9,84	1,67	1,2:1	25/75	11,22
6	0,15	95,3	90,7	–	–	1,4:1	25/75	11,22
7	0,25	84,7	81,2	21,36	1,8	0,4:1	50/50	5,74
8	0,32	83,7	78	18,24	1,61	0,6:1	50/50	5,74
9	0,26	96,7	72,3	10,56	1,32	0,8:1	50/50	5,74
10	0,33	84	69,7	19,2	1,37	0,5:1	75/25	3,91
11	0,55	92,3	82,8	36,48	1,26	0,7:1	75/25	3,91
12	0,46	80,7	73,9	17,52	1,22	0,9:1	75/25	3,91
13	0,39	95,5	73	33,84	2,14	0,2:1	100/0	2,99
14	0,54	88,3	99,5	21,12	1,92	0,4:1	100/0	2,99
15	0,71	88,3	78,5	15,12	1,7	0,6:1	100/0	2,99

 Chú thích: s_t – Độ bền sau thoát sáp ở đây gọi là độ bền tươi (MPa); HA2 – Độ cứng tươi sau 2 ngày (SorA); HA10- Độ cứng tươi sau 10 ngày (SorA); s_n – Độ bền nung (MPa); e_V – Độ co ngót thể tích (%); SiO₂/CD – Tỷ lệ khối lượng bột thạch anh so với chất dính (tổng thủy tinh lỏng và keo silica) trong huyền phù (1); TTL/K – Tỷ lệ khối lượng thủy tinh lỏng trong chất dính (%); M – Mô đun thủy tinh lỏng.

3.1. Độ bền khuôn

Độ bền của khuôn được xác định ở hai trạng thái là độ bền sau thoát sáp được gọi là độ bền tươi (s_t) và độ bền sau khi nung ở 90 ^oC được gọi là độ bền nung (s_n). Kết quả xác định độ bền được đưa ra trong cột 2 và 5 bảng 2 và được biểu diễn trên đồ thị hình 3 và hình 4. Từ các đồ thị này có nhận xét:

– Khi tăng tỷ phần keo silica K/TTL trong chất dính bằng 75/25 thì độ bền tươi và độ bền nung của khuôn vỏ bé nhất. Sau đó tiếp tục giảm tỷ phần này thì chúng tăng và độ bền tươi đạt giá trị lớn nhất khi tỷ lệ keo silica K/TTL = 0, còn độ bền nung đạt giá trị lớn nhất khi tỷ lệ K/TTL = 25/75.

– Độ bền tươi và bền nung của khuôn vỏ còn phụ thuộc vào hàm lượng bột chịu lửa trong huyền phù. Độ bền tươi cao nhất, khi keo silica/thủy tinh lỏng (K/TTL) = 100/0, thì tỷ lệ bột chịu lửa/chất dính (B/CD) = 2; khi K/TTL = 75/25 thì B/CD = 1; khi K/TTL = 50/50 thì B/CD = 0,6; khi K/TTL = 25/75 thì B/CD = 0,7; khi K/TTL = 0/100, thì B/CD = 0,6. Trong khi đó độ bền nung ở các khuôn với chất dính có tỷ lệ K/TTl = 50/50 và 0/100 lại không theo quy luật trên mà đạt giá trị độ bền cao nhất khi tỷ lệ B/CD thấp nhất tương ứng B/CD là 0,4/1 và 0,2/1.Kết quả trên được giải thích như sau. Độ bền khuôn tươi của khuôn trên cơ sở chất dính là keosilica có độ bền thấp hơn các khuôn khác là do khi sấy ở 100 ^oC trong gel SiO₂ còn chứa một lượng nước lớn, nó chỉ mất hết khi nung ở 600 ^oC, vì thế độ bền của gel silic còn yếu [9]. Tuy nhiên sau khi sấy ở 100 ^oC trong chất dính TTL ngoài gel SiO₂ còn có Na₂CO₃ (tạo ra trong quá trình đóng rắn thủy tinh lỏng) làm tăng bền [10]. Lượng thủy tinh lỏng trong chất dính càng tăng thì Na₂CO₃ trong màng chất dính càng tăng dẫn tới độ bền của khuôn càng  tăng. Tuy nhiên ở khuôn có tỷ  lệ K/TTL = 75/25 độ bền khuôn thấp nhất vì khi này chất dính tạo ra không ổn định, có sự trùng ngưng của gel silic ngay trong quá trình chế tạo chất dính. Khi nung đến 800 ^oC gel SiO₂ thiêu kết lại làm cho độ bền của khuôn tăng lên rất cao. Trong khuôn được làm từ chất dính có TTL thì sẽ có sự chảy dính của silicat natri điền vào các vết nứt của khuôn, khi nguội nó kết khối làm cho độ bền khuôn rất cao.

3.2.   Độ cứng khuôn tươi

Độ cứng của khuôn phụ thuộc vào thời gian lưu khuôn trong xưởng được đưa ra trên hình 5, đường nét liền là độ cứng của khuôn sau khi để trong phòng 2 ngày, đường nét liền – 10 ngày. Nhìn chung độ cứng của 5 loại huyền phù đều giảm khi để lâu ngoài không khí (ở đây là giảm từ 2 ngày đến 10 ngày). Riêng độ cứng của khuôn làm từ chất dính có tỷ lệ K/TTL = 25/75 thì không thay đổi nhiều. Sở dĩ độ cứng của khuôn bị giảm dần theo thời gian là do có sự hấp thụ nước từ môi trường vào làm cho độ bền của gel silic giảm. Trong nhiều trường hợp khi độ ẩm của môi trường cao, khuôn bị tã ra. Vì thế, sau khi thoát sáp, không nên giữ khuôn lâu mà cần đưa vào nung ngay, nhất là vào mùa nồm.

3.3. Co ngót thể tích của khuôn sau nung 

Kết quả xét nghiệm co thể tích của khuôn vỏ gốm sau nung được đưa ra trong cột 6 bảng 2 và được biểu diễn trên đồ thị hình 6.Từ đồ thị hình 6 cho thấy độ co thể tích của khuôn vỏ gốm phụ thuộc vào loại chất dính và tỷ lệ giữa bột chịu lửa với chất dính. Độ co của khuôn với chất dính từ keo silic có hàm lượng B/CD = 1,7 và khuôn từ chất dính có tỷ lệ K/TTL = 50/50 với B/CD = 0,8/1 là nhỏ nhất.

4.   KẾT LUẬN

Kết quả thực nghiệm cho thấy việc sử dụng thủy tinh lỏng M cao tới 3,84 (pha chế chất dính có tỷ lệ K/TTL = 25/75) là có tính khả thi và hiệu quả trong đúc mỹ nghệ sản phẩm nhỏ. Khi này khuôn vỏ có độ bền tổng hợp thỏa mãn, độ bền tươi, độ bền nung cao và độ co của khuôn thấp nhất tương tự khi sử dụng chất dính keo silica.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. К.Kocняну, Bидя; Литьё в Kepaмичecкиe Фopмы. Maшинocтpoeниe, Мocквa 1980
2. Horacio Bergna, William O. Roberts; Colloidal silica fundamentals and applications, Taylor and Francis Group Publisher, New York, 2006
3. A. Oзeрoв, B. Ф. Баранин; Литьё Пoвышeннoй Тoчнocти пo paзoвым Мoдeлям. Вышaя Шкoлa, 1988
4. Đỗ Văn Quảng, Đào Hồng Bách và Đinh Quảng Năng; Cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng mođun cao dùng trong ngành đúc; Tạp chí Khoa học và Công nghệ Kim loại, 77, 2018, 33-36
5. Owusu, A; Physical – chemical study of sodium silicate as a foundry sand binder, Advances in Colloid and Interface Science, Vol. 18, 1982, pp. 57-91
6. Đinh Quảng Năng, Vật liệu làm khuôn cát, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2003
7. Đỗ Văn Quảng, Đào Hồng Bách, Đinh Quảng Năng và Nguyễn Đặng Thủy; Ảnh hưởng của mođun thủy tinh lỏng và nhiệt độ thiêu kết tới tinh chất của khuôn vỏ gốm, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Kim loại, 35, 2011, 36-39
8. Nguyễn Hữu Dũng, Các phương pháp đúc đặc biệt,NXBKhoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2006
9. Đỗ Phương Thảo, Đinh Quảng Năng, Trần Viết Thường; Nghiên cứu xác định thành phần sơn mẫu cháy tối ưu và cấu trúc của nó ở nhiệt độ cao, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Kim loại, số 38, 10/2011, 38 – 41
10. Đinh Quảng Năng, Tổ chức tế vi của màng chất dính thuỷ tinh lỏng trong công nghệ khuôn CO2và công nghệ đóng rắn buồng chân không (VRH), Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 38, tháng 10/2011.