Trong quá trình trao đổi nhiệt giữa kim loại lỏng và khuôn, vật đúc sẽ hình thành sau khi kết tinh và đông đặc. Điều khiển hợp lý các thông số đông đặc sẽ nhận được vật đúc có chất lượng, hiệu quả kinh tế cao.
Determination of solidification parameters using physical and mathematical models
Phạm Mai Khánh, Nguyễn Đình Bình, Ngô Mạnh Tuấn
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tóm tắt
Đã dùng paraphin, atearin làm vật liệu mô phỏng trong mô hình vật lý để theo dõi quá trình đông đặc của vật đặc bằng nhôm và hợp kim AlSiCu. Đã xác định hệ số đông đặc của vật đúc trên bằng mô hình toán học, có kiểm chứng bằng phương pháp rót ra ngoài, kết quả nghiên cứu thu được từ các phương pháp khác nhau phù hợp, do đó có thể chọn phương pháp thích hợp trong điều kiện cho phép.
Abstract
Paraphin and stearin have been used as materials to simulate by physical model for solidification and casting of aluminum and aluminum alloy AlSiCu. The solidification coefficient of casting has been determined by mathe- matical model. The testion was made by pouring-out method. Obtained results are in good agreement with that other methods, so it’s possible to choose a suitable method for coresponding conditions.
1. Đặt vấn đề
Đúc là một biện pháp công nghệ chế tạo sản phẩm bằng cách rót kim loại hoặc hợp kim lỏng vào khuôn. Trong quá trình trao đổi nhiệt giữa kim loại lỏng và khuôn, vật đúc sẽ hình thành sau khi kết tinh và đông đặc.
Điều khiển hợp lý các thông số đông đặc sẽ nhận được vật đúc có chất lượng, hiệu quả kinh tế cao.
Phương trình đông đặc nồi tiếng Chvorinov biểu thị mối quan hệ giữa thời gian đông đặc (t) và chiều dày đông đặc (ξ) với hệ số đông đặc (k) khác nhau khi điều kiện công nghệ thay đổi.
Dưới đây các tác giả dùng phương pháp Saitô (rót ra ngoài), mô hình vật lý và mô hình toán học để xác định thông số đông đặc nói trên. Toàn bộ nghiên cứu được tiến hành tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Công ty Cơ khí Hà Nội [1].
2. Thực nghiệm
Rót hợp kim nhôm AlSiCu với thành phần hoá học (bảng 1) và các tính chất nhiệt lý (bảng 2) vào khuôn chế tạo bằng gang (hình 1, hình 2), với tính chất nhiệt lý được ghi trong bảng 3.
Bảng 1. Thành phần hoá học của hợp kim
[symple_box color=”gray” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]
AlSiCu (%): Si 129 ; Fe 1,27 ; Cu 2,11; Mn 0,2 ; Mg 0,29; Zn 1,37 ; Ti 0,03;
Cr 0,02 ; Ni 0,12 ; Pb 0,12 ; Sn 0,04 ; Sb 0,02; Al còn lại.
[/symple_box][symple_clear_floats]
Hình 1. Khuôn đúc
Hình 2. Sau khi rót paraphin vào khuôn
Bảng 2. Tính chất nhiệt lý của hợp kim AlSiCu
| Tính chất | Ký hiệu |
Thứ Nguyên |
Trạng thái | |
| Đặc | Lỏng | |||
| Khối lượng riêng | P | kg/m3 | 2735 | 2487 |
| Nhiệt dung riêng | C | J/kg, độ | 1014 | 1300 |
| Hệ số dẫn nhiệt | λ | W/m, độ | 39 | 35 |
| Ẩn nhiệt kết tinh | L | J/kg | 368 | |
Bảng 3. Tính chất nhiệt lý của khuôn gang
| Tính chất | Ký hiệu | Thứ nguyên | Giá trị |
| Khối lượng riêng | ρ | kg/m3 | 7200 |
| Nhiệt dung riêng | c | J/kg. độ | 542 |
| Hệ số dẫn nhiệt | ξ | W/m. độ | 52,2 |
Hợp kim AlSiCu được nấu trong lò điện trở và được rót ở nhiệt độ 650°C vào khuôn. Sau mỗi mức thời gian 5, 8, 12 (s) đổ khối kim loại lỏng trong lòng khuôn ra ngoài, phần kim loại còn lại trong khuôn là lớp đã đông đặc. Đo chiều dầy đông đặc (ξ) ứng với từng mức thời gian nói trên và ghi kết quả. Dùng phương pháp bình quân để xác định quan hệ ξ = k.t0,5 (phương trình Chvorinov), trong đó k= 5,36.10-3 (m/s2) (khi nhiệt độ ban đầu của khuôn là 30°C) và k = 2,85.10-3 (khi nhiệt độ ban của khuôn là 100°C).
Hình 3. Stearin, paraphin và hợp kim nhôm
Tiến hành thí nghiệm tương tự như trên dùng paraphin và stearin làm mô hình vật lý (hình 3). Tính chất của chúng xem bảng 4.
Bảng 4. Tính chất của vật liệu mô phỏng
| Vật liệu | p (kg/m3) | C (J/kg. độ) | λ (W/m. độ) | L (kJ/kg) |
| Paraphin | 930 | 3230 | 0,268 | 151 |
| Stearin | 1015 | 3000 | 0,2 | 145 |
Hệ số đông đặc của paraphin sau thí nghiệm là k = 0,24.10-3(m/s2).
Hệ số đông đặc của Stearin sau thí nghiệm là k = 0,233.10-3(m/s2).
