Bài báo này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của mô-đun nước thủy tinh và tỉ lệ bột chịu lửa/chất dính đến chất lượng vật đúc trong công nghệ đúc mẫu chảy cải tiến…
The permeability of ceramic moulds applied in the vacuum investment casting technology
NGUYỄN HỒNG HẢI1, PHẠM VĂN MẠNH2, DƯƠNG VĂN CƯỜNG2, NGUYỄN HỮU DŨNG1,*
1.Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
2.Sinh viên Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
*Email: dung.nguyenhuu@hust.edu.vn
Ngày nhận bài: 6/5/2019, Ngày duyệt đăng: 18/6/2019
TÓM TẮT
Công nghệ đúc mẫu chảy trong khuôn gốm dùng để đúc các vật đúc có độ chính xác cao, bề mặt nhẵn đẹp. Trong công nghệ này, lớp áo vỏ đầu tiên tiếp xúc với vật đúc có vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình hình thành vật đúc. Việc rót khuôn ở nhiệt độ cao, khoảng 900 oC, cũng góp phần đáng kể vào quá trình điền đầy vật đúc trong khuôn gốm. Để nâng cao hơn nữa độ nhẵn bóng bề mặt và khả năng điền đầy khuôn, chân không hóa hốc khuôn là một phương pháp có hiệu quả. Nội dung của phương pháp đúc mẫu chảy cải tiến là có thể rót khuôn ở nhiệt độ thường và dùng áp lực hút chân không trong vỏ khuôn. Để cho lực hút chân không phát huy tác dụng trong khi rót, vỏ gốm phải có độ thông khí đủ lớn và độ bền vừa đủ để chịu các lực tác dụng trong quá trình rót. Bài báo này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của mô-đun nước thủy tinh và tỉ lệ bột chịu lửa/chất dính đến chất lượng vật đúc trong công nghệ đúc mẫu chảy cải tiến. Kết quả chỉ ra rằng, huyền phù có thủy tinh lỏng mô đun 3,1 trộn với bột chịu lửa thạch anh theo tỷ lệ 50/50 và 0,5% CMC đảm bảo cho khuôn gốm vừa có độ bền và độ thông khí tốt, vật đúc điền đầy tốt.
Từ khóa: độ thông khí, đúc mẫu chảy, vỏ gốm.
ABSTRACT
Investment casting technology is capable of producing complex parts with superior dimensional accuracy and excellent as-cast surface finishes. In this technology, the first layer of slurry has an important role in casting for- mation processes. Pouring at high temperature, around 900 oC or more, also significantly increases the castabili- ty of molten metal in ceramic moulds. In order to improving as-cast surface finishes and castability even more, vac- uuming the mould cavity is one of effective methods. It is an object of the improved investment casting technology to decrease the pouring temperature and apply the vacuum pressure in shell moulds. To achieve the effectiveness of vacuum pressure, the sufficient permeability and strength of ceramic moulds must be obtained to withstand forces that may °Ccur during pouring processes. This paper focuses on studying the influence of modulus of liquid glass and refractory powder/binder ratio to the permeability of improved investment casting production. Results show that, slurry contenning 50 wt.% liquid glass (modulus is 3,1), 50 wt.% refractory powder and 0,5% CMC.
Keywords: permeability, ceramic moulds, investment casting.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong đúc mẫu chảy truyền thống, vỏ gốm sau khi thoát sáp sẽ được nung đến nhiệt độ khoảng 900-1000 °C rồi tiến hành rót kim loại lỏng trực tiếp vào khuôn gốm. Chất lượng vật đúc phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ bền, độ thông khí của vỏ gốm, chất lượng thoát sáp, nhiệt độ nung vỏ gốm trước khi rót. Thành phần và cách chế tạo lớp áo vỏ thứ nhất của vỏ gốm được coi là một trong những yếu tố cơ bản nhất trong công nghệ chế tạo khuôn gốm đúc mẫu chảy. Chất lượng bề mặt vỏ khuôn được cải thiện nhờ việc thay đổi tỉ lệ giữa hạt mịn ziecon/chất dính. Tỉ lệ này đạt khoảng 3,5 là giá trị tốt nhất [1].
Chất dính dùng trong khuôn gốm trước đây thường dùng etyl-silicat. Hiện nay etyl-silicat ít được dùng do nó gây ô nhiễm môi trường. Chất dính thủy tinh lỏng hoặc keo silica đã được sử
dụng khá nhiều trong đúc mẫu chảy. Tuy nhiên, vỏ khuôn gốm dễ bị nứt rạn do độ bền tươi của vỏ gốm khá thấp. Bởi vậy, K.Tamta đã dùng keo dán gỗ (fevicol) biến tính chất dính này để nâng cao tính ổn định của huyền phù và ngăn ngừa hiện tượng nứt chân chim trên bề mặt trong của vỏ gốm [2].
Độ thông khí của vỏ khuôn sẽ giảm khi tăng chiều dày lớp vỏ, tuy nhiên không bị ảnh hưởng khi tăng nhiệt độ nung khuôn [3]. Chiều dày đóng rắn của vỏ khuôn gốm và thời gian đóng rắn vỏ gốm phụ thuộc vào chất dính, tỉ lệ chất phụ và tỉ trọng của huyền phù. Long não là chất phụ có tác dụng làm thay đổi chiều dày đóng rắn vỏ gốm, nâng cao độ bền và giảm giá thành khi sản xuất vỏ gốm [4].
Hiện nay, để cải thiện chất lượng khuôn vỏ gốm sử dụng chất dính nước thủy tinh, các nhà nghiên cứu trong nước đã nghiên cứu theo hướng tăng mô đun của nước thủy tinh sử dụng NH4Cl hoặc áp dụng công nghệ khuôn đổ với mô đun thủy tinh lỏng bằng 4 và nung vỏ khuôn tại tại 950 °C [5]. Việc nung vỏ khuôn lên nhiệt độ cao là bắt buộc nhằm làm thoát sáp triệt để hơn, đồng thời tạo một lớp thiêu kết bền và làm đầy các vết nứt tế vi trên bề mặt vỏ gốm. Nhiệt độ vỏ gốm cao cũng làm tăng tính điền đầy của vật đúc.
Để đảm bảo tính điền đầy tốt và nâng cao tính thẩm mỹ của vật đúc mẫu chảy, có thể rót khuôn ở nhiệt độ thường có kết hợp với sử dụng chân không trong hốc khuôn. Vấn đề là, vỏ gốm phải có độ thông khí đủ lớn để bắt kim loại lỏng kết tinh dưới áp lực chân không.
Bài báo này giới thiệu một phương pháp đúc mẫu chảy cải tiến. Thông qua nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ bột chịu lửa/chất dính cũng như hàm lượng CMC đến độ thông khí của khuôn gốm; phương pháp này đã cho thấy nhiệt độ nung khuôn thấp hơn so với phương pháp truyền thống, khuôn đúc có thể rót tại nhiệt độ rót thông thường mà vẫn đảm bảo tính điền đầy và chất lượng vật đúc.
THỰC NGHIỆM
1.1. Vật liệu ban đầu
Keo silica mác 380 (Sizol A30), xuất xứ viện Xạ hiếm Việt Nam. Thành phần: 30 %SiO2; 0,88 % Na2O; pH bằng 10; kích thước hạt keo 37,7-50,7 nm.
Nước thủy tinh mua trên thị trường có các thông số như sau: 11 %Na2O; 31 %SiO2; modun 2,9; tỉ trọng 1,39 g/cm3. Để nâng cao mô-đun của nước thủy tinh, thực nghiệm được tiến hành như sau.
Đầu tiên thủy tinh lỏng, keo silic và nước được pha trộn trong bình thủy tinh theo tỷ lệ tại bảng 1. Sau đó tiến hành khuấy đảo liên tục trong khoảng nhiệt độ từ 50 – 60 °C.
Sau khi kết tủa được đánh tan và đạt được dạng chất lỏng đồng nhất (khoảng 30 phút) thì ngừng khuấy đảo và để trong vòng 02 giờ mà không có hiện tượng sa lắng hay kết tủa là thu được thủy tinh lỏng có mô-đun theo yêu cầu.
Bảng 1. Thành phần pha trộn để nâng cao mô-đun nước thủy tinh
| Mô- đun | Nước thủy tinh (g) | Keo silic (g) | Nước (g) |
| 2,91 | 100 | 0 | 0 |
| 3,11 | 93,19 | 6,81 | 10 |
| 3,35 | 86,82 | 13,80 | 20 |
Bột thạch anh có thành phần SiO2 lớn hơn 99,5 % và có kích thước hạt nhỏ hơn 45 µm tới 95 %.
Theo số liệu nhà cung cấp nhóm hạt từ 1-10 µm là 12 %; 10-30 µm là 40 %; 30-44 µm là 43 % và 44-60 µm là 5 %.
Carboxymethyl cellulose (CMC): [C6H7O2(OH)x(OCH2COONa)y]n là một dẫn xuất của xenlulo tự nhiên, xuất xứ từ Trung Quốc. Khối lượng riêng: 1,59 g/cm3. Ít tan trong nước lạnh.
Bảng 2. Thông số của dung dịch huyền phù dùng làm khuôn gốm
| TT | Mô-đun | Tỉ lệ bột/thủy tinh lỏng | Tỷ trọng (g/cm3) | Độ nhớt(Eo ) |
| M1 | 2,9 | 50/50 | 1,72 | 16,5 |
| M2 | 55/45 | 1,76 | 60 | |
| M3 | 3,1 | 50/50 | 1,69 | 9,5 |
| M4 | 55/45 | 1,73 | 36,5 | |
| M5 | 3,3 | 50/50 | 1,66 | 5 |
| M6 | 55/45 | 1,70 | 24 |
1.2. Chế tạo vỏ gốm
Dung dịch huyền phù pha trộn theo thành phần bảng 1. Quy trình tạo vỏ gốm như sau:
– Nhúng mẫu sáp vào dung dịch huyền phù. Rắc cát cỡ hạt 0,1-0,2. Đông cứng bằng CO2 trong không khí 2 giờ.
– Mẫu được tiếp tục nhúng vào dung dịch huyền phù. Rắc cát cỡ hạt 0,45-0,63. Đông cứng trong không khí 2 giờ để tạo lớp áo vỏ thứ 2.
– Tương tự, khi tạo lớp áo vỏ thứ 3. Dùng cát cỡ hạt 0,8-1,0. Đông cứng trong không khí 2 giờ.
– Tách sáp bằng hơi nóng khoảng 90-100 °C. Nung đến 900 °C và giữ nhiệt trong khoảng 2,5 giờ. Nguội trong không khí.
1.3. Xác định độ thông khí
trong đó:
K: độ thông khí của sơn (độ thông khí của khuôn gốm);
V: thể tích không khí đi qua mẫu thử (m³);
d: chiều dày mẫu thử (m);
F: diện tích bề mặt mẫu thử mà khí đi qua (m²);
p: áp suất khí đi qua mẫu thử (Pa);
t: thời gian lượng khí V đi qua mẫu thử (s). Mẫu vỏ gốm đo độ thông khí là mẫu hình trụ, hở một đầu (hình 2).
D1 = 40 mm, đường kính bên trong của khuôn gốm;
D2 = 44 mm, đường kính bên ngoài của khuôn gốm;
d = 2 mm, chiều dày khuôn gốm;
H = 50 mm, chiều cao bên trong khuôn gốm.
Cách tiến hành thí nghiệm: Đặt mẫu thử vào thùng tạo chân không, xung quanh vỏ gốm được chèn cát thô và khô. Trên bề mặt thùng, dùng mảnh nilon phủ kín, đảm bảo độ chênh áp (p-po) không bị rò rỉ khi đo. Đặt áp suất ở po = 30 kPa và duy trì hệ thống ổn định. Chọc thủng mảnh nilon tại vị trí mặt mẫu trụ. Đếm thời gian cho đến khi độ chênh áp suất về không.
1.4. Mẫu thử mức độ điền đầy
Dạng mẫu bậc. Chiều dày mỗi bậc chênh lệch nhau 1 mm. Bậc thứ 5 có độ vát từ 1 mm về 0 mm (hình 3).
2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
2.1. Độ bền uốn của khuôn gốm
Mẫu vỏ gốm đo độ bền uốn là mẫu hộp rỗng. Dùng mẫu sáp kích thước 15 mm × 15 mm × 200 mm để tạo vỏ gốm có chiều dày 2 mm theo quy trình đã mô tả trên. Kết quả độ bền uốn vỏ gốm sau nung phụ thuộc mô-đun thủy tinh lỏng được thể hiện trên bảng 3 và trên hình 4.
Bảng 3. Ảnh hưởng của mô-đun M và tỷ lệ bột chịu lửa/nước thủy tinh tới độ bền uốn của khuôn gốm
| M | Bột/nước thủy tinh | Độ bền uốn (MPa) |
| 2.9 | 50/50 | 0,23 |
| 55/45 | 0,19 | |
| 3.1 | 50/50 | 0,20 |
| 55/45 | 0,17 | |
| 3.3 | 50/50 | 0,15 |
| 55/45 | 0,11 |
2.2. Độ thông khí của khuôn gốm
Độ thông khí của vỏ gốm phụ thuộc vào hai yếu tố cơ bản: tỉ lệ giữa hạt chịu lửa/chất dính; cỡ hạt vật liệu chịu lửa và hàm lượng chất phụ. Trong thí nghiệm này, cỡ hạt vật liệu và hàm lượng chất phụ giữ không đổi. Tỉ lệ hạt chịu lửa/chất dính thay đổi ở hai mức: 50/50 và 55/45.
Bảng 4. Ảnh hưởng của mô-đun M và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ thông khí của khuôn gốm
| M | Bột/ nước thủy tinh | Thời gian không khí chuyển qua (s) | Độ thông khí của khuôn (m2 /Pa.s) |
| 2,9 | 50/50 | 106 | 1×10-8 |
| 55/45 | 90 | 1,18×10-8 | |
| 3,1 | 50/50 | 90 | 1,18×10-8 |
| 55/45 | 80 | 1,32×10-8 | |
| 3,3 | 50/50 | 75 | 1,41×10-8 |
| 55/45 | 67 | 1,58×10-8 |
Khi mô-đun thủy tinh lỏng tăng nghĩa là, tỉ trọng của thủy tinh lỏng sẽ giảm và hiển nhiên, tỉ trọng của huyền phù cũng giảm. Đối với nước thủy tinh có tỷ trọng thấp, ngoài việc hình thành nhiều khung xương dạng không gian trong cấu trúc, thì lượng nước mất đi sẽ nhiều, nên sẽ làm tăng độ xốp, do đó làm tăng độ thông khí của vỏ khuôn gốm và đồng thời làm giảm độ bền uốn của khuôn gốm. Khi thủy tinh lỏng có tỷ trọng cao có lượng nước mất đi ít hơn nên độ thông khí của nó thấp hơn và đồng thời độ bền uốn của khuôn gốm cao hơn.
Khi tăng hàm lượng bột chịu lửa thì lượng hạt chịu lửa có kích thước siêu mịn (bột thạch anh) tăng lên, điều này làm cho số lượng lỗ xốp nhỏ li ti trong mẫu khuôn gốm tăng lên và làm tăng độ thông khí, đồng thời làm giảm độ bền uốn của khuôn gốm.
Tỉ lệ bột chịu lửa/chất dính thay đổi từ 50/50 đến 55/45 là hợp lí vì nếu pha trộn tỉ lệ trên là 45/55 thì huyền phù rất loãng, dính bám không tốt trên bề mặt mẫu sáp. Tỉ lệ 60/40 làm cho huyền phù quá sệt, việc nhúng mẫu khó khăn và chiều dày lớp huyền phù quá dày, chiều dày vỏ gốm không đồng đều.
2.3. Ảnh hưởng của bột CMC tới độ thông khí của khuôn gốm
Để nâng cao khả năng điền đầy vật đúc trong công nghệ đúc mẫu chảy, có thể sử dụng công nghệ đúc mẫu chảy cải tiến. So với công nghệ mẫu chảy truyền thống là rót khuôn ở nhiệt độ cao, khoảng 900-1000 °C, công nghệ mới là rót khuôn gốm trạng thái nguội, có sử dụng chân không. Muốn vậy, cần cải thiện độ thông khí của vỏ gốm.
Chất phụ được sử dụng trong trường hợp này là Carboxymethyl cellulose (CMC). Vai trò chính của CMC trong chất sơn nói chung và trong chất huyền phù đúc mẫu chảy nói riêng, là nâng cao tính ổn định của sơn.
Bảng 5. Ảnh hưởng của bột CMC tới độ thông khí
| M | Hàm lượng CMC theo khối lượng huyền phù (%) | Thời gian không khí chuyển qua (s) | Độ thông khí (m2 /Pa.s) |
| 3,1 | 0 | 80 | 1,32×10-8 |
| 0,2 | 75 | 1,41×10-8 | |
| 0,5 | 70 | 1,51×10-8 |
Trong thí nghiệm này, để đảm bảo cả độ bền và độ thông khí được tối ưu, mô đun nước thủy tinh được sử dụng là 3,1; tỷ lệ bột chịu lửa/nước thủy tinh là 55/45; chiều dày khuôn là 2 mm. Kết quả trong bảng 5 và hình 6 chỉ ra rằng dùng một lượng rất nhỏ CMC đã nâng cao độ thông khí của vỏ gốm từ 1,3.10-8 lên 1,5.10-8 m2/Pa.s.
Khả năng điền đầy khuôn được đánh giá bằng mẫu thử hình bậc (hình 3 và 8). Đối với hợp kim nhôm, áp suất chân không 10 kPa là chưa đủ để điền đầy vật đúc có chiều dày nhỏ hơn 1 mm. Khi đặt áp suất 30 và 50 kPa, vật đúc đã điền đầy hoàn toàn đến chiều dày 0,1 mm. Với hợp kim đồng thau, áp suất chân không 30 kPa đã làm cho vật đúc điền đầy hoàn toàn, kể cả chiều dày 0,2 mm.
Tương tác khuôn và vật đúc chịu tác dụng của áp suất chân không. Điều này thể hiện qua lượng hỗn hợp làm khuôn còn dính bám trên bề mặt ngóc ngách và phức tạp của vật đúc là con gà sau khi phá khuôn (hình 9).
Bảng 6 chỉ ra rằng, độ chân không cao, trên bề mặt vật đúc còn nhiều vật liệu làm khuôn, khó làm sạch hoàn toàn qua thao tác làm sạch sợ bộ. Áp suất chân không nhỏ hơn (30 kPa) có thể làm sạch hoàn toàn qua thao tác làm sạch sơ bộ bằng dũa, búa,…
Bảng 6. Khối lượng vật đúc ở các áp suất khác nhau
| Áp suất (kPa) | Khối lượng vật liệu làm khuôn còn bám dính (g) |
| 10 | 0,94 |
| 5 | 0,7 |
| 3 | 0 |
Dựa trên kết quả từ các thí nghiệm cơ bản về độ nhớt, độ bền, độ thông khí của vỏ gốm, một bộ thông số cơ bản của huyền phù vỏ gốm đã được sử dụng để đúc hai chi tiết thành mỏng và có hoa văn phức tạp, đó là trống đồng và con gà trống. Mô-đun thủy tinh lỏng bằng 3,1; Tỉ lệ bột/chất dính 50/50; 0,5 % CMC làm chất phụ; áp suất chân không bằng 30 kPa.
Các chi tiết đúc đều in hình, rõ nét các hoa văn họa tiết. Vật đúc dễ dàng làm sạch, không có cát bám trên bề mặt vật đúc.
3. KẾT LUẬN
Hai thông số quan trọng trong công nghệ đúc mẫu chảy là mô-đun nước thủy tinh và tỉ lệ bột chịu lửa/chất dính đã được nghiên cứu. Khi mô- đun tăng thì độ bền uốn của khuôn gốm giảm, độ thông khí tăng lên. Khi thay đổi tỷ lệ pha trộn giữa bột chịu lửa và chất dính thủy tinh lỏng theo hướng tăng bột chịu lửa thì độ bền uốn giảm và độ thông khí tăng lên.
Chất phụ CMC làm cho khả năng thông khí của vỏ gốm tăng. Điều này đáp ứng được độ thông khí khi dùng lực hút chân không trong quá trình rót khuôn.
Việc sử dụng vỏ gốm có độ thông khí tốt kết hợp chân không thấp đã góp phần hoàn thiện công nghệ đúc mẫu chảy, làm cho vật đúc điền đầy in hình rõ nét hơn.
Huyền phù có thủy tinh lỏng mô-đun 3,1 trộn với bột chịu lửa thạch anh theo tỷ lệ 50/50 và 0,5 % CMC đảm bảo cho khuôn gốm vừa có độ bền và độ thông khí tốt và vật đúc điền đầy tốt.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Balwinder Singh, Pradeep Kumar, B.K.Mishra; Evaluation of primary slurry used in ceramic shell investment casting process, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 2, Issue 10, 2012, pp. 525-529. ISSN 2250-2459.
- Khyati Tamta, Umesh Wankhede, D. B. Karunakar; Investigation on modification of binder system in invest- ment casting, International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 05, Special Issue 13, 2016, pp. 122-124. eISSN: 2319-1163 | pISSN: 2321-7308.
- D. M. Kline; Improving investment mould permeability using graphite particle, AFS Transactions, 2010, pp.109-165.
- Khyati Tamta, D. Benny Karunakar; Intensification of mechanical properties of the investment shell using camphor, International Journal of Engineering Development and Research, Vol. 2, Issue 2, 2014, pp. 2675-2679. ISSN: 2321 -9939.
- Đỗ Văn Quảng, Đào Hồng Bách, Đinh Quảng Năng, Nguyễn Đặng Thủy; Ảnh hưởng của mô-đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ thiêu kết tới tính chất của khuôn gốm, Tạp chí Khoa học – Công nghệ Kim loại, Số 35, 2011, p. 36-39. ISSN 1859-4344.
- Đỗ Phương Thảo; Luận án Tiến sỹ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2017.
