Đồ án: nghiên cứu sử dụng thuỷ tinh lỏng để làm khuôn, ruột theo công nghệ CO2 ở công ty Phúc Sơn doc

Đồ án tốt nghiệp

Đồ án: nghiên cứu sử dụng thuỷ tinh lỏng để làm khuôn, ruột theo
công nghệ CO2 ở công ty Phúc Sơn
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
1
Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
Lời nói đầu 5
CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ ĐÚC PHUN SẢN PHẨM NHỰA 7
I. Chất dẻo 7
1.1. Định nghĩa 7
1.2. Phân loại chất dẻo 7
1.3. Những tính chất của chất dẻo 8
1.4. Các chất phụ gia sử dụng trong chất dẻo 9
II. Các phương pháp gia công chất dẻo 10
2.1. Công nghệ cán 10
2.2. Công nghệ phủ chất dẻo 10
2.3. Công nghệ đùn 11
2.4. Gia công vật thể rỗng 11
2.5. Công nghệ ép 11
2.6. Công nghệ tạo xốp chất dẻo. 12
2.7. Công nghệ hàn chất dẻo 12
2.8. Công nghệ dán chất dẻo 12
2. 9. Công nghệ đúc phun 12
III. Công nghệ đúc phun gia công sản phẩm nhựa 13
3.1. Vật liệu sử dụng để đúc 13
3.2. Máy đúc phun 15
3.2.1. Phân loại máy đúc phun 16
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội

2
Đồ án tốt nghiệp
3.2.2. Nhiệm vụ và đặc trưng quan trọng của các cụm kết cấu 17
3.3. Quá trình đúc phun 22
3.3.1. Giai đoạn dẻo hóa và chuyển hóa vật liệu sang trạng thái nóng chảy 22
3.3.2. Giai đoạn điền đầy khuôn và làm nguội sản phẩm 23
3.3.3. Giai đoạn lấy sản phẩm ra khỏi khuôn 25
3.4. Khuôn đúc phun 26
3.4.1. Định nghĩa và các thành phần cơ bản của khuôn. 27
3.4.2. Phân loại khuôn 29
3.4.3. Hệ thống cấp nhựa 32
3.4.4. Hệ thống đẩy 34
3.4.5. Điều khiển nhiệt độ khuôn 37
3.4.6. Lõi mặt bên 38
3.4.7. Các chi tiết khuôn cơ bản 41
3.5. Các khuyết tật của sản phẩm đúc phun và cách khắc phục 43
3.5.1. Đường hàn và đường hợp 43
3.5.2.Cản khí 44
3.5.3.Vết nứt 45
3.5.4. Sự cong vênh 45
3.5.5. Sự tạo đuôi 46
3.5.6. Lõm co và rỗ co 46
3.5.7. Sản phẩm thiếu nhựa 47
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT VÀ CÁC PHẦN MỀM CAD/CAM - CNC 49
I. Nguyên lý chung của kỹ thuật CAD/CAM 49
1.1. Quá trình CAD 49
1.2. Quá trình CAM 50
II. Phần mềm Mastercam X 53
2.1. Giới thiệu chung 53
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội

3
Đồ án tốt nghiệp
2.2. Giao diện vùng làm việc của Mastercam X 54
2.3. Thiết lập thông số gia công trên máy 57
2.4. Xuất mã NC 62
III. Phần mềm SolidWorks 2005 62
3.1. Giới thiệu chung 62
3.2. Giao diện và một số chức năng cơ bản 63
3.2.1. Mở một bản vẽ SolidWorks 64
3.2.2.Vẽ phác 64
3.3.3. Chức năng tiện ích trong thiết kế 3D 66
3.3.4. Bản vẽ lắp 68
IV. Phần mềm Moldflow Plastics Insights 70
4.1. Giới thiệu chung 70
4.2. Giao diện chương trình 71
4.3. Các chức năng chính 71
4.4. Các loại kết quả 72
CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ KHUÔN ÉP PHUN SẢN PHẨM NHỰA 76
I. Máy gọt bút chì 76
1.1. Thiết kế sản phẩm máy gọt bút chì có ứng dụng SolidWorks 2005 76
1.2. Công dụng và nguyên lý hoạt động của máy gọt bút chì 79
1.2.1. Công dụng 79
1.2.2. Nguyên lý hoạt động 79
1.3. Tính công nghệ của vỏ máy gọt bút chì 80
II. Thiết kế khuôn đúc 81
2.1. Cơ sở dữ liệu cho thiết kế khuôn 81
2.2. Các bước thiết kế khuôn đúc 82
2.2.1 Vẽ to hình sản phẩm, xác định đường phân khuôn 82
2.2.2. Xác định vị trí đặt miệng phun và chốt đẩy 83
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội

4
Đồ án tốt nghiệp
2.2.3. Xác định bạc cuống phun 83
2.2.4. Xác định hệ thống lõi mặt bên, miếng ghép lòng và lõi khuôn 84
2.2.5. Xác định hệ thống làm nguội, vị trí chốt dẫn hướng và vít kẹp 87
2.2.6.Thiết kế chiều dày của các tấm khuôn 88
2.2.7. Xác định quá trình đẩy và độ dày tấm đẩy 89
Lời nói đầu
Ngành đúc ra đời và phát triển từ rất lâu đời. Ngành đúc là một ngành không thể
thiếu, nó được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp với nhiều tính
năng và công dụng khác nhau.
Công nghệ sản xuất Đúc được đặc trưng bởi hai nhân tố cơ bản: Kỹ thuật vật liệu
và kỹ thuật khuôn. Kỹ thuật làm khuôn gắn liền với vật liệu làm khuôn và công
nghệ làm khuôn. Chúng quyết định chất lượng khuôn, ruột và cũng là một trong
những nhân tố cơ bản quyết định chất lượng vật đúc.
Trước đây các sản phẩm đúc được sản xuất chủ yếu theo công nghệ khuôn, ruột
cát sét với những yêu điểm nổi bật như tính tạo hình tốt, dễ làm khuôn, vật liệu rẽ
sẵn có. Nhưng cũng có một số khuyết điểm như hỗn hợp cát – sét có độ bền không
cao, độ ẩm cao, độ thông khí kém nên dễ gây khuyết tật đúc.
Ngày nay ngành đúc đang dần hoàn thiện, cải tiến, áp dụng các thành tựu của
khoa học kỹ thuật vào sản xuất. Nhờ sự phát triển mạng mẽ của khoa học kỹ thuật
đặc biệt là ngành công nghiệp hoá học, sinh học. Việc sử dụng các loại chất dính
mới thay thế đất sét như nhóm chất dính hữu cơ gồm nhựa, dầu. Chất dính vô cơ
như thuỷ tinh lỏng. Chất dính thuỷ tinh lỏng đã được sử dụng khá phổ biến trong
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
5
Đồ án tốt nghiệp
các xưởng đúc, đáp ứng được các yêu cầu về công nghệ như độ bền của hỗn hợp
cao, ít sinh khí, chất lượng sản phẩm đúc cao. Tuy nhiên cũng gặp một số vấn đề
khó khăn như khó tái sinh cát, tính phá rỡ kém, tuổi xuân của hỗn hợp không cao.

Với xu hướng phát triển hiện tại và tương lai của ngành đúc là khả năng thích
ứng, năng xuất, chất lượng, tiết kiệm nguyên vật liệu và đảm bảo vệ sinh môi
trường. Để thoã mãn những yêu cầu đó trong lĩnh vực chế tạo khuôn, ruột đúc thì
việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ chế tạo khuôn ruôt theo công nghệ CO
2
là
hêt sức cần thiết.
Đồ án nghiên cứu sử dụng thuỷ tinh lỏng để làm khuôn, ruột theo công nghệ CO
2
ở công ty Phúc Sơn nhằm tìm ra thành phần hỗn hợp hợp lý để làm khuôn, ruột cho
từng loại sản phẩm cụ thể nhằm góp phần nâng cao chất lượng vật đúc, giảm lãng
phí nguyên vật liệu chế tạo hỗn hợp làm khuôn, ruột, hạ giá thành sản phẩm. Đồng
thời đề tài góp phần khẳng định các giá trị có ý nghĩa khoa học trong lý thuyết
công nghệ CO
2
.
Đồ án gồm 4 chương
Chương I: Tổng quan về hỗn hợp đóng rắn nguội trên cơ sở thuỷ tinh lỏng.
Chương II: Cơ sở lý thuyêt thiết kế đúc.
Chương III: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu.
Chương IV: Khảo sát công nghệ chế tạo chi tiết búa nghiền bi.
Do thời gian có hạn nên đồ án có nhiều khuyết điểm, thiếu sót, rất mong các thầy
giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Liệu và
Công nghệ Đúc, tập thể cán bộ công nhân viên công ty Phúc Sơn, các kỹ sư phòng
thí nghiệm. Đặc biệt PGS.TS Đinh Quảng Năng đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ
chúng em hoàn thành đồ án này.
Hà nội ngày…tháng…năm2008
Nhóm sinh viên thực hiện:
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội

6
Đồ án tốt nghiệp
Nguễn vănDương.
Mai hồng Quân.
Lê hoài Nam.
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ HỖN HỢP LÀM KHUÔN
ĐÓNG RẮN NGUỘI
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỖN HỢP ĐÓNG RẮN HÓA HỌC
Hỗn hợp đóng rắn hóa học là tên gọi chung của các loại hỗn hợp khác cát-
sét. Dựa vào đặc tính đóng rắn mà người ta phân chia chúng thành ba loại:
− Hỗn hợp đóng rắn nóng (Hot – Box và Warm – Box)
− Hỗn hợp tự cứng (No Bake hay Self Setting)
− Hỗn hợp đóng rắn nguội (Cold – Box)
Hỗn hợp đóng rắn nóng dùng trong công nghệ khuôn vỏ mỏng. Nó gồm có
cát sạch, nhựa và chất đóng rắn, hoặc cát và nhựa. Tùy loại nhựa mà khi nung
hỗn hợp đến nhiệt độ từ 180 - 280
O
C sẽ có phản ứng đóng rắn nhựa liên kết các
hạt cát lại với nhau thành một khối. Ưu điểm của hỗn hợp đóng rắn nóng là hỗn
hợp có độ bền cao, khuôn ruột có độ chính xxác cao, tính phá dỡ tốt, vật đúc
không bị rỗ cát, không bị rỗ khí, bề mặt nhẵn đẹp, độ chính xác cao, dễ cơ khí
hóa và tự động hóa quá trình chế tạo khuôn ruột. Nhược điểm là làm ô nhiễm môi
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
7
Đồ án tốt nghiệp
trường, gây độc hại cho công nhân, có mùi khó chịu. Mẫu và hộp ruột phải bằng
kim loại. Tốn năng lượng nung nóng mẫu và hộp ruột. Giá thành nhựa cao. Chỉ
đúc được vật đúc có thành mỏng và không lớn.
Hỗn hợp tự cứng được chế tạo trên cơ sở chất dính thủy tinh lỏng hoặc xi

măng hoặc nhựa, hoặc dầu. Ưu điểm của công nghệ làm khuôn ruột từ hỗn hợp
loại này là có thể dùng mẫu và hộp ruột bằng gỗ, dễ cơ khí hóa và tự động hóa,
chất lượng khuôn cao. Hiện nay trên thế giới phổ biến sử dụng hỗn hợp tự cứng
trên cơ sở chất dính thủy tinh lỏng và nhựa. Hỗn hợp tự cứng cát-thủy tinh lỏng
không gây độc hại, không có mùi, có thể đúc được các vật đúc lớn thành dày từ
bất cứ hợp kim đúc nào. Tuy nhiên chất đóng rắn ester đắt và khó kiếm. Nếu sử
dụng các chất đóng rắn khác như các chất chưa C
2
S, xi măng, Fe-Si thì hỗn hợp
khó tái sinh cát. Hỗn hợp tự cứng trên cơ sở cát nhựa rất phổ biến vì có thể tái
sinh cát đến 90%. Chất dính phổ biến là nhựa Furan ít độc hại. Chất đóng rắn là
axit. Hỗn hợp làm ra phải làm khuôn ngay. Nhược điểm lớn nhất của loại hỗn
hợp này là nếu dùng loại nhựa có chứa nhiều Ni tơ sẽ gây rỗ khí. Khuôn ruột làm
ra để lâu dễ hút ẩm. Độ bền của hỗn hợp nhỏ hơn hỗn hợp đóng rắn nóng.
Hỗn hợp đóng rắn nguội là hỗn hợp sau khi dằm chạt khuôn xong mới thổi
chất đóng rắn vào. Hỗn hợp này có hai dạng là hỗn hợp trên cơ sở cát nhựa,
khuôn làm xong được thổi khí SO
2
. Hỗn hợp cát-thủy tinh lỏng, khuôn dằm chặt
xong được thổi khí CO
2
. Ưu điểm của công nghệ này là tuổi xuân của hỗn hợp
cao, thời gian đóng rắn nhanh, dễ cơ khí hóa và tự động hóa, độ bền khuôn cao,
độ chính xác khuôn cao, ít gây khuyết tật rỗ khí, rỗ cát.
Khi làm khuôn trên cơ sở hỗn hợp cát-thuỉy tinh lỏng đóng rắn bằng CO
2
gọi là công nghệ CO
2
hay công nghệ hộp nguội – Col Box. Công nghệ này ra đời
từ ânh vào năm 1950 và nhanh chống được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới. Ở

nước ta công nghệ này mới phát triển từ những năm 90 của thế kỷ 20.
1.2. HỖN HỢP ĐÓNG RẮN NGUỘI TRÊN CƠ SỞ THỦY TINH LỎNG
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
8
Đồ án tốt nghiệp
Hỗn hợp làm khuôn đóng rắn nguội được sử dụng rất phổ biến ở
nhiều nước trên thế giới đặc biệt là chất dính thuỷ tinh lỏng và nhựa xem số liệu
ở việc sử dụng chất dính thuỷ tinh lỏng và nhựa xem số liệu ở bảng 1.1.
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
9
Đồ án tốt nghiệp
Nước
Nhựa dùng
cho đóng rắn
nguội
Thuỷ tinh
lỏng dùng
cho
Thuỷ tinh lỏng dùng cho
Công nghệ
CO
2
Công nghệ
với este
Các công
nghệ khác
Pháp
CHLBĐức
ý
Thụy sĩ

Anh
Mỹ
7.000
6.000
1.900
3.500
1.200
10.000
10.000
9.000
5.200
600
100.000
1.200
27.600
20.000
800
800
1.300
1.200
1.200
9.000
6.000
200
6.000
4.100
28.800
1.200
3.400
3.400

Bảng 1.1 Nhu cầu về chất dính thuỷ tinh lỏng và nhựa
dùng trong sản xuất đúc ở một số nước (tấn/năm).
1.2.1. Đặc điểm và lĩnh vực ứng dụng hỗn hợp đóng rắn nguội trên cơ sở
thủy tinh lỏng.
Như trên đã nói, hỗn hợp đóng rắn nguội trên cơ sở TTL đã được dùng để
chế tạo khuôn ruột theo công nghệ CO
2
ra đời từ năm 1950 ở nước Anh. Nhờ có
nhiều ưu điểm vượt trội của nó mà công nghệ này được sử dụng rất rỗng rãi ở
nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt nam.
a. Ưu điểm của hỗn hợp đóng rắn nguội trên cơ sở TTL:
• Có thể dùng mẫu và hộp ruột bằng gỗ
• Không độc hại , không gây ô nhiễm môi trường.
• Loại hỗn hợp này có thể dùng chế tạo khuôn ruột cho nhiều loại hợp
kim vật đúc khác nhau.
• Độ chính xác khuôn ruột cao.
• Độ bền, độ thông khí lớn.
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
10
Đồ án tốt nghiệp
• Chất lượng bề mặt vật đúc tốt.
• Năng suất chế tạo khuôn lớn .
• Dễ cơ khí hóa tự động hóa quá trình chế tạo khuôn ruột.
b. Nhược điểm :
• Độ bền còn lại sau đúc lớn làm hỗn hợp khó phá giỡ.
• Khó tái sinh cát.

Hình 1.1: Sự thay đổi độ bền còn lại của hỗn hợp theo nhiệt độ.
Nhiều công trình nghiên cứu về độ bề còn lại của hỗn hợp phụ thuộc vào
nhiệt độ (hình 1.1.) đã giải thích như sau: Từ đồ thị ta thấy độ bền còn lại của hỗn

hợp chia làm 4 lần:
Lần 1: Đạt cực đại lần thứ nhất tại 200
0
C do gel Silic mất nước.
Lần 2: Đạt cực tiểu lần thứ nhất tại 500
0
C ÷ 600
0
C do quá trình chuyển
biến thù hình của SiO
2
làm nứt vỡ màng liên kết của chất dính (Thạch anh T.α.β
↔

573
α).
Lần 3: Đạt cực trị lần thứ hai tại 800
0
C, độ bền sau nung đạt cực trị do
Silicat Natri chảy ra và điền kín các vết nứt lập lại mối liên kết liên tục:
Na
2
CO
3

→
Na
2
O +CO
2

Na
2
O +SiO
2

→
Na
2
O.2SiO
2

Na
2
CO
3
+ 2SiO
2

→
Na
2
O.SiO
2
+ CO
2
– 14,4Kcal
Thực chất của quá trình biến đổi trên chính là quá trình tạo ra silicat natri
từ SiO
2
và NaCO

3
được sinh ra trong quá trình đóng rắn thủy tinh lỏng. Nghĩa là
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
11
Đồ án tốt nghiệp
số lượng thủy tinh lỏng đưa vào hỗn hợp và môđun của nó sẽ quyết định số lượng
và mođun của silicat natri tạo ra sau này. Do vậy, %TTL và mô đun TTL là hai
yếu tố quyết định độ bền còn lại sau nung nóng ở 800
0
C.
Lần 4: Đạt cực tiểu lần thứ hai 800
÷
1200
0
C,độ bền còn lại đạt cực tiểu do
các tinh thể (SiO
2
) biến đổi thể tích lớn bị vỡ ra. Nó được xem như tạp chất lạ có
tác dụng như các vết nứt bên trong tạo sự tập trung ứng xuất bên trong.
Nếu độ bền còn lại càng cao thì tính phá dỡ càng kém. Do đó cần phải
giảm độ bền còn lại. Hàm lượng nước thủy tinh càng cao thì độ bền còn lại khuôn
ruột càng lớn, tính phá dỡ càng kém. Vì vậy người ta có xu hướng làm giảm
lượng TTL nhưng vẫn phải đảm bảo độ bền cho hỗn hợp.
Hiện nay ở các xưởng đúc ở nước ta đang dùng hỗn hợp cát + nước TTL
đóng rắn bằng CO
2
với hàm lượng TTL trong khoảng 7 - 10%.
Để giảm độ bền còn lại, tăng tính phá dỡ cho hỗn hợp có thể dùng các chất
phụ gia như bột than, nhựa phenol, dầu ma zut, mùn cưa.
Trong quá trình thổi CO

2
vào hỗn hợp cát - TTL sản phẩm tạo ra sau phản
ứng là Na
2
CO
3
và SiO
2
Na
2
O.mSiO
2
nH
2
O + CO
2
→ Na
2
CO
3
+ m SiO
2
+nH
2
O
Nhưng nếu tiếp tục thổi CO
2
thì sản phẩm tiếp theo là NaHCO
3
do:

H
2
O +

CO
2
→ H
2
CO
3

H
2
CO
3
+ Na
2
CO
3
→ 2NaHCO
3
.
Lượng CO
2
dư càng nhiều thì NaHCO
3
sinh ra càng lớn. Na
2
CO
3

kết tinh
có 10 phần tử nước có tính kết dính mạnh đến nỗi cùng với gel của H
2
SiO
3
quyết
định độ bền cuối cùng của hỗn hợp. Còn NaHCO
3
dễ bị phân hủy ngay ở nhiệt độ
thường .
NaHCO
3
→ H
2
O + Na
2
CO
3
+CO
2
.
Do có sự xuất hiện của NaHCO
3
nên độ bền của khuôn ruột giảm và độ rã
bề mặt của chúng tăng. Lượng CO
2
lý thuyết không vượt quá (0,5%) trọng lượng
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
12
Đồ án tốt nghiệp

của hỗn hợp. Nhưng thực tế ở nhiều xưởng đúc lượng CO
2
dùng lênn tới 3
÷
6%.
Do đó gây lãng phí CO
2
và làm ảnh hưởng tới chất lượng khuôn ruột.
Để khắc phục nh ư ợc đi ểm tr ên, m ột trong nh ững bi ện ph áp hi ệu quả
nhất và kinh tế đã được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới là công nghệ CO
2
trong
chân không.
1.2.2. Vật liệu dùng cho Hỗn hợp đóng rắn nguội trên cơ sở thuỷ tinh lỏng.
Hỗn hợp ĐRN thuỷ tinh lỏng (Còn được gọi là hỗn hợp khô nhanh) gồm: Cát,
TTL, Chất phụ gia (có thể không có), Chất đóng rắn - khí CO
2
. Tuỳ theo tỷ lệ
giữa các thành phần trong hỗn hợp sẽ tạo ra các loại hỗn hợp có tính năng khác
nhau.
a) Thuỷ tinh lỏng:
TTL là chất dính vô cơ không thuận nghịch, thuộc nhóm chất dính B-1.
TTL là dung dịch nước của Silicat kiềm có công thức hoá học
Me
2
O.mSiO
2
.nH
2
O. Tính chất của TTL và khả năng tham gia tương tác hoá lý

của nó với các chất khác phụ thuộc vào tính chất của Silicat kiềm. Kim loại kiềm
có thể là Na, K, Liti. Trong sản xuất đúc thường dùng silicat Natri vì nó rẻ,
nhưng có độ bền thấp hơn, đặc biệt trong môi trường ẩm.
• Cấu trúc SilicatNatri
Cấu trúc của Silicat Nattri rất phức tạp. Các lý thuyết cho rằng trong Silicat
Natri dạng kính đều có những vùng cấu trúc cao phân tử nhỏ không có tính chu
kỳ nhưng có trật tự riêng kiểu khung xương gần với cấu trúc tinh thể. Tuỳ thuộc
vào mô đun mà Silicat Natri có cấu trúc mạng không gian hay cấu trúc mạch
vòng. Cấu trúc của Silicat phụ thuộc vào tỷ số giữa ôxít kim loại hoặc kiềm với
ôxít Silic, mà nó có thể có dạng mạch dài, mạch kép, mạch lưới vòng hay khối
không gian vòng.
Trong Silicat có hai kiểu liên kết là liên kết ion giữa Natri với ôxy và liên
kết iôn cộng hoá trị giữa silic với ôxy. Nếu Silicat Natri giàu ôxít Natri, cấu trúc
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
13
Đồ án tốt nghiệp
của nó gồm gốc kiềm hoặc gốc ôxít silic (Si-O-Si) xếp thành lớp được nối với
nhau nhờ ôxit Natri. Trong trường hợp này tính chất của nó được quyết định bởi
mối liên kết ion. Nếu Silicat Natri nghèo ôxy Natri cấu trúc của nó có dạng
khung liên tục . Khi đó tính chất của nó được quyết định bởi mối liên kết ion
cộng hoá trị.
Hình 1.2. Đưa ra giản đồ trạng thái của hệ Na
2
O – SiO
2
, bảng 1.2. là các
điểm thuộc giản đồ này. Từ giản đồ trạng thái và các điểm đặc trưng trong giản
đồ cho thấy sự tồn tại của 3 loại Silicat là: 2Na
2
O. SiO

2
, Na
2
O.SiO
2
, Na
2
O. 2SiO
2
.
Bảng 1.2 Các điểm đặc trưng trong giản đồ trạng thái Na
2
O-SiO2
Các
điểm
Pha rắn cân bằngvới pha
lỏng
Đặc tính của các điểm Thành phần
%
Nhiệt
độ

O
C
A Na
2
O Chất lỏng không phân huỷ 100 0 1391
B 2 Na
2
O. SiO

2
+ Na
2
O Chất lỏng có phân huỷ 59,3 40,7 1391
C Na
2
O .Si O
2
+ Na
2
O. SiO
2
Cùng tinh 56,79 43,1 1293
D Na
2
O .SiO
2
Chất lỏng không phân huỷ 50,9 49,1 1362
E Na
2
O .SiO
2
+ Na
2
O. 2SiO
2
Cùng tinh 37,9 62,1 1119
F Na
2
O .2SiO

2
Chất lỏng không phân huỷ 34,04 65,96 1147
G Quắc+ Na
2
O .2SiO
2
Cùng tinh 26,1 73,9 1066
H Quăc+ Na
2
O.2SiO
2
Cùng tinh giả 25,4 74,6 1055
M Quắc Tridimit Biến đổi thù hình 22 78 1143
L Dung dịch rắn của Quắc Cân bằng 3 pha 22 78 941
K Dung dịch rắn của
Na
2
O .SiO
2
trong Na
2
O.
SiO
2
Cân bằng 3 pha 22 78 1073
J Na
2
O.2 SiO
2
, Na

2
O.SiO
2
Biến đổi thù hình 34,4 65,96 951

CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
14
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.2. Giản đồ trạng thái Na
2
O -

SiO
2

Hình 1.3. Giản đồ 3 nguyên Na
2
O- SiO
2
- H
2
O
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
15
Đồ án tốt nghiệp
-Vùng1: Hỗn hợp của Na
2
O và 2 Na
2
O.SiO

2
.
-Vùng 2: 2Na
2
O.SiO
2
tinh thể.
-Vùng 3: Hỗn hợp của 2 Na
2
O.SiO
2
và thuỷ tinh lỏng.
-Vùng 4: Silicat Natri dạng kính.
-Vùng 5: Silicat Natri ngậm nước.
-Vùng 6: Silicat bị Hyđrat hoá.
-Vùng 7: Rắn và lỏng .
-Vùng 8: Chất lỏng nhớt.
-Vùng 9: Thuỷ tinh lỏng thương mại.
-Vùng 10: Dung dịch pha loãng.
-Vùng11: Chất lỏng không ổn định.
• Cấu trúc của thủy tinh lỏng
Silicat Natri hoà tan trong nước sẽ phân li thành các cation và anion phức
của axit Sililic tạo ra dung dich nước Silicat natri . Hình 1.3. đưa ra giản đồ trạng
thái ba nguyên Na
2
O – SiO
2
– H
2
O. Từ giản đồ trạng thái này cho thấy không tồn

tại TTL với mô đun quá cao hoặc quá thấp.
Cấu trúc của TTL rất phức tạp. Trước kia nó được coi là hệ keo ưa dung
môi gần đây có giả thiết cho rằng nó là dung dịch Polime vô cơ với các cation
Na
+
và OH
+
, anion OH ֿ, Silic. Kết quả nghiên cứu bằng quang phổ, độ chịu nén ,
tính dẫn điện cho thấy TTL là dung dịch thực.
• Tính chất của thủy tinh lỏng
TTL có mầu vàng hoặc mầu trắng xanh. Các chỉ số cơ bản để đánh giá
TTL là mô đun (M), tỷ trọng (
ρ
), độ nhớt (
η
) mô đun là đại lượng vật lý đặc
trưng cho thành phần hoá học của TTL. Do vậy biết được môđun và tỷ trọng là
biết được thành phần cơ bản của TTL. Tính chất của hỗn hợp làm khuôn phụ
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
16
Đồ án tốt nghiệp
thuộc nhiều vào thành phần hoá học của TTL tức là phụ thuộc vào môđun của nó.
Tuỳ theo mô đun mà trong TTL có thể chứa những phần tử anion Sililic có kích
thước khác nhau, do đó chúng có độ nhớt khác nhau. Môđun TTL càng cao các
anion Sililic trùng hợp để tạo các phần tử kích thước càng lớn, dẫn tới dung dịch
càng nhớt đến một nức nhất định chúng có thể trở thành dung dịch keo.
Ví dụ: Tromg môi trường có độ PH > 13,6 và rất loãng monosilicat
Na
2
O.SiO

2
.H
2
O có thể bền vững. Khi độ PH<13,6 các monosilicat sẽ trùng hợp
tạo thành disilicat Na
2
O.2SiO
2
.H
2
O. Khi Ph < 10,9 các disilicat sẽ lại trùng hợp
với nhau tạo nên những polysilicat có kích thước phân tử lớn hơn .
- Mô đun: là tỷ số giữa số mol SiO
2
với số mol Na
2
O trong dung dịch
thực được xác định theo công thức (1.1).
M=% SiO
2
/% Na
2
O*1,032 (1.1)
Môđun TTL có ảnh hưởng lớn tới các tính chất cơ, hóa, lý của hỗn hợp.
Chính vì thế trong sản xuất đòi hỏi môđun TTL phải chính xác.
Muốn giảm mô đun TLL dùng NaOH. Khi cho NaOH vào TTL sẽ xảy ra
phản ứng theo phương trình:
Na
2
O.m.SiO

2
+n.NaOH=(1+n/2). Na
2
O.m. SiO
2
+n/2. H
2
O.
Lượng Na
2
O liên kết với SiO
2
được tăng lên làm giảm tỷ lệ SiO
2
/ Na
2
O do
đó làm giảm mô đun TTL. Lượng NaOH khô bổ sung vào TTL được xác định
theo công thức(1.2).
X =
ONaM
SiO
2
2
%9,12
%3,13
−
(g/1kgTTL) (1.2)
Ở đây: M là mođun cần chế tạo.
% SiO

2
, % Na
2
O là hàm lượng của Na
2
O và SiO
2
trong TTL ban
đầu.
Muốn tăng môđun dùng amonclorua. Khi cho amonclorua vào TTL sẽ xảy
ra phản ứng sau:
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
17
Đồ án tốt nghiệp
Na
2
O.m.SiO
2
+ 2NH
4
Cl → m.SiO
2
+ 2NaCl +2NH
3
+H
2
O
- Tỷ trọng TTL: Là một đại lượng vật lý có thứ nguyên là (kg/m
3
). không

gây ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất của TTL mà tác động thông qua độ nhớt.
Mối quan hệ giữa môđun và tỷ trọng được xác định theo công thức (1.3):
(%H
2
O/a)+(p/b)=1 (1.3)
Trong đó:
a=182-M
b=(86,31-
38,46
M
)
c=4,447+2,183.M)
p=1+c/(
0
w
+
1
w
)
% H
2
O_Hàm lượng nước trong TTL
a,b,c: Các hệ số phụ thuộc môđun TTL
W
0
: Số mol nước trên số mol Silicat trong TTL. Xác định theo công
thức (1.4).
W
0
=% H

2
O(62+60*M):18*(100- H
2
O) (1.4)
W
1
: Hệ số phụ thuộc môđun TTL: W
1
=1,349M+1,347
Muốn giảm tỷ trọng cần pha thêm nước. Lượng nước bổ xung phụ thuộc
vào môđun và tỷ trọng của TTL. Tuy nhiên việc tính toán rất phức tạp, để đơn
giản lượng nước đươc bổ xung được tính toán gần đúng theo công thức (1.5):
W=(
0
ρ
-
1
ρ
)/(
ρ
-1)(ml/100g TTL) (1.5)
Trong đó:
ρ
: Tỷ trọng cần giảm

1
ρ
: Tỷ trọng TTL ban đầu.
Muốn tăng tỷ trọng phải chưng nó trong các thiết bị đặc biệt để tránh tác
dụng hóa học của khí CO

2
trong không khí với silicatNatri.
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
18
Đồ án tốt nghiệp
Thành phần hoá học của TTL dung trong sản xuất đúc ở MỸ,Liên Xô cũ
theo bảng 1.3 và 1.4 .
Bảng 1.3: Thành phần hoá học của TTL ở Mỹ
M %SiO2 %Na
2
O %H
2
O B
0
1.6 23.0 14.4 62.4 45.5
2.1 29.0 1 4.7 55.9 50.5
2.4 32.7 13.7 53.2 52.0
2.9 31.9 11.0 56.2 47.0
3.2 28.5 8.8 62.0 41.0
3.7 25.3 6.8 67.4 35.0
Bảng 1.4: Thành phần hoá học của TTL ở Liên Xô cũ
- Sử dụng TTL: Thủy tinh lỏng có ưu điểm rẻ, dễ sản xuất, không gâyđộc hại,
không làm ô nhiễm môi trường. Trong sản xuất đúc, TTL đươc dùng để làm
khuôn, ruột, làm khuôn vỏ gốm trong đúc mẫu chảy, chất dính cho vữa xây lò,
đắp gầu rót. TTL có độ bền riêng cao và dễ phân bố đều lên bề mặt cát đúc.
b) Cát thạch anh:
Là sản phân hủy tự nhiên của đá bởi các tác động của thường xuyên của
nắng, mưa, nhiệt độ,…cát tích tụ lại thành mỏ.
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
Mác %SiO2 %Na

2
O % H
2
O
ρ
(kg/
3
m
)
A
28.2
÷
31.6
14.2
÷
14.6 2
÷
2.3 1480
÷
1520
B
29.6
÷
32.8
13.0
÷
13.2 2.31
÷
2.6 1470
÷

1510
C
30.7
÷
34.0
10.8
÷
11.2 2.61
÷
3.0 1470
÷
1500
19
Đồ án tốt nghiệp
Cát thạch anh được sử dụng nhiều trong các xưởng đúc. Đứng về mặt kỹ
thuật và kinh tế, nó đều đáp ứng được các yêu cầu cơ bản: chịu nóng tốt, sẵn có
nên khai thác dễ dàng vận chuyển nhanh chóng, giá thành thấp. Các hạt có kích
thước và hình dáng nhất định nhưng đảm bảo độ bền cao. Cát thạch anh có nhược
điểm là giãn nở nhiệt nhiều, sinh bụi silic.
Thành phần của cát làm khuôn gồm có:
1. Cát thạch anh: Thạch anh là hợp chất hoá học của ôxy và silíc, có công thức
hoá học là SiO
2
.
Hình 1.4. Ô cơ bản của cát thạch anh.
Thạch anh là một dạng thù hình, tinh thể của SiO
2
có dạng tứ diện, tâm là
Si
+4

bốn đỉnh là Oֿ
2
. Khối lượng riêng 2,5
÷
2,8g/cm
3
, nhiệt độ nóng chảy là
1731
0
C. Cát có mầu vàng nâu hay đen phụ thuộc vào ion kim loại hấp phụ trên
bề mặt hạt cát. Nhiệt dung phụ thuộc vào nhiệt độ ở 500
0
C và 1000
0
C. Độ dẫn
điện phụ thuộc vào nhiệt độ và hướng truyền nhiệt. Cát thạch anh khi bị nung
nóng có tính chuyển biến thù hình do thay đổi góc trong ô mạng và kèm theo là
sự thay đổi thể tích theo sơ đồ sau:
Sơ đồ chuyển biến thù hình của cát thạch
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
20
Đồ án tốt nghiệp
ở 573
0
C ở 870
0
C ở 1470
0
C ở 1713
0

C

β
quắc

→

dimTri it
α

→
tobenitCrs
α

→
lỏng

↓

↓

β
Tridimit

Cristobenit
β


↓

γ
Tridimi
583
0
C 117
0
C

β
q
→

α
q
tăng 0,02%
γ
T
→


β
T
tăng 0,2%.
163
0
C 870
0
C

β
c

→

α
c
tăng3,7 %
α
q

→


α
T
tăng 0,2 %.
1470
0
C 1731
0
C

α
T

→

α
c

tăng 16%
α
q

→

vô định hình tăng 15,4%
2.Fensfat:
Có công thức hoá học MeO.Al
2
O
3
.6SiO
2
(Tong đó Me=K,Na). Nhiệt độ
nóng chảy 1170
÷
1550
0
C. Độ dãn nở nhiệt ở 1000
0
C bằng 2,75%. Fensfat làm
giảm tính chịu nhiệt .
3. Mica:
Ở hai dạng : + Dạng Muskovis (K
2
O.Al
2
O
3

.6 SiO
2.
H
2
O).
+ Dạng Diotit (K
2
O.6(Mg,FeO).Al
2
O
3
.
.
H
2
O).
Mica có khối lượng riêng: 2,7
÷
3,2(g/cm
3
), nhiệt độ nóng chảy 1150
÷
1400
0
C, độ giãn nở nhiệt ở 1000
0
C bằng 1,55%. Mica làm xấu tính chịu nhiệt của
cát .
4. Các ôxit sắt :
• Hematit: Fe

2
O
3
có khối lượng riêng 5
÷
5,3%g/cm
3
, nhiệt độ nóng chảy
1560
0
C.
• Inmenhit: FeO.TiO
2
có khối lượng riêng 4,72(g/cm
3
).
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
21
Đồ án tốt nghiệp
• Mannhehit: (Quặng sắt từ) FeO.Fe
2
O
3
có khối lượng riêng 4,9
÷
5,2g/cm
3
), nhiệt độ nóng chảy 1510
0
C.

• Hydroxit sắt: n.Fe
2
O
3.
.x.
.
H
2
O làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cát, người
ta đưa hydroxit sắt để chống cháy cát.
5. Cacbonat: Là các muối kim loại CaCO
3
. Nhiệt độ phân huỷ khoảng 500
÷
900
0
C
làm xấu tính chịu nhiệt của cát . Khi phân huỷ sinh ra khí CO
2
.
Thành phần độ hạt:
Kích thước hạt được xác định theo bộ sàng tiêu chuẩn và được quy ước
bằng chiều rộng của mắt sàng mà cát nằm lại trên sàng đó. Các hạt có kích thước
nhỏ hơn 0,022 mm được gọi là cát bột, các hạt nằm trong dải kích thước 0,022- 3
mm gọi là cát.
Bảng1.5: Phân loại cát làm khuôn (
Γ
OTC 35847-50)
Tên cát Nhóm Số hiệu rây Kích thước hạt cát (mm)
Cát thô 063 1-063-04 0,1

÷
1
Cát rất to 04 063-04-0315 1,135
÷
0,63
Cát to 0315 04-0135-02 0,2
÷
0,4
Cát vừa 02 0135-02-016 0,16
÷
0315
Cát nhỏ 016 02-016-01 0,1
÷
0,2
Cát rất nhỏ 01 016-01-0063 0,063
÷
016
Cát mịn 0063 01-0063-0005 0,05
÷
0,1
Cát bột 005 0063-005-Nhỏ mịn <0,05
Thành phần hóa học:
Trong cát ngoài SiO
2
ra còn có các thành phần hóa học khác như: Al
2
O
3
, MgO,
CaO, NaCl, NaCO

3
,… phần lớn các chất trên đều làm xấu tính chất của cát như:
làm giảm độ chịu nóng, tăng độ tạo khí,…
Hình dạng và trạng thái bề mặt hạt cát:
Hình dạng hạt cát rất khác nhau, chia ra làm bốn loại cát tròn, cát nửa tròn,
cát góc cạnh và cát hình phiến. Do thành phần hóa học và tác dụng xâm thực của
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
22
Đồ án tốt nghiệp
môi trường mà cát có trạng thái bề mặt khác nhau như cát có bề mặt nhẵn và
không nhẵn.
Phân loại cát:
Cát thường được phân loại theo hàm lượng đất sét, hàm lượng SiO
2
và theo
thành phần độ hạt. tùy thuộc hàm lượng hàm lượng sét trong cát cũng như SiO
2
mà chia ra các loại cát khác nhau (xem bảng 1.6).
Bảng 1.6. Phân loại cát thạch anh
Tên cát
Ký
hiệu
cấp cát
Hàm
lượng
sét %
Hàm
lượng
SiO
2

Tạp chất có hại
sunfit(
%)
oxít kim
loại kiềm và
kiềm
thổ(%)
oxit sắt
(%)
Cát thạch
anh Cát
thạch anh
được
tuyển rửa
T1C
T2C
T3C
≤ 0,2
≤ 0,5
≤ 1,0
≥ 98,5
≥ 98,0
≥ 97,5
0
0
0
≤ 0,40
≤ 0,75
≤ 1,00
0,20

0,40
0,60
Cát thạch
anh
1C
2C
3C
4C
≤ 2
≤ 2
≤ 2
≤ 2
≥ 97
≥ 96
≥ 94
≥ 90
0
0,025
0,025
-
≤ 1,20
≤ 1,50
≤ 2,00
-
0,75
1,00
1,50
-
Cát thạch
anh

fenspat
C
f
≤ 2 < 90 - - -
Cát gầy
Cát nửa
mỡ
Cát mỡ
Cát rất mỡ
G
NM
M
RM
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
Ảnh hưởng của cát tới tính chất của hỗn hợp làm khuôn đúc:
Các loại cát khác nhau có tính chất nhiệt lý của chúng cũng khác nhau.
Cát có độ dẫn nhiệt lớn hơn, nhiệt dung cao, tỷ trọng lớn làm cho kim loại lỏng
nguội càng nhanh.
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
23
Đồ án tốt nghiệp
Độ bền của hỗn hợp làm khuôn phụ thuộc vào kích thước hạt cát, vào trạng
thái bề mặt, vào thành phần độ hạt và độ sạch của cát. Cát có độ hạt lớn, tập
trung, mặt nhẵn cho hỗn hợp có độ thông khí cao, tính chảy cao. Nếu trong cát có
chứa muối NaCO
3
sẽ làm nhanh quá trình chuyển biến thù hình của α
quắc
→
α
tridimit
.
6. Đất sét:
Đất sét là sản phẩm của sự phân huỷ tự nhiên các nhan thạch, có độ hạt
nhỏ hơn 0,002mm. Qúa trình xuất hiện đất sét giống như của cát. Sét là chất dính
thông dụng và được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất đúc.
Thành phần khoáng đất sét gồm 4 loại chính:
• Sét montmorillonit. Sét bị phân huỷ ở nhiệt độ 735→850
o
c, nhiệt độ
chảy của sét trong khoảng 1250→1300

o
c.
• Sét haloizit: Sét này có có tính dính khá, giữ nước tốt, nhưng phân tán
nhanh trong nước sét này thuộc loại trung tính thiên axit pH =5,3→6,6.
• Sét illit có tính ổn định kém hầu như không hấp thụ ion kiềm, khả năng
dính khá, không được sử dụng làm vật liệu chịu lửa, sét có tính trung
tính pH =6,8.
• Sét kaolinit khả năng kết dính khác nhau, khả năng trao đổi cation kém,
là vật liệu trung tính, là nguyên liệu cơ bản làm vật liệu chịu lửa, làm
gốm sứ… Trong sản xuất đúc làm vật liệu vữa xây lò.
Sét làm khuôn thông thường có 2 loại: Sét kaolinit hay còn gọi là sét
kaolin, phổ biến được dùng làm khuôn khô hoặc làm khuôn tươi nhưng sản phẩm
đúc không đòi hỏi chất lượng cao. Sét montmoillinit: hay còn gọi là sét bentonít,
rất tốt cho dùng khuôn tươi và đặc biệt là khi làm trên dây truyền.
Thông thường sét làm khuôn phải thoả mãn yêu cầu:
+ Có tính dính kết cao khi được trộn với cát trong điều kiện cần một
lượng nước tối thiểu.
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
24
Đồ án tốt nghiệp
+ Chịu được tác dụng nhiệt để có thể sử dụng lại và lượng sét chết khi
bị tác dụng nhiệt là ít nhất.
+ Cho hỗn hợp vào làm khuôn có tính tạo hình và mật độ đồng đều. Dễ
vận chuyển lưu giữ bảo quản và dễ phân phối chính xác trên dây truyền đúc.
+ Bù hoà cho sự giãn nở nhiệt của cát silic nhằm chống được các khuyết
tật đúc như: Bọng cát, rỗ cát, cháy cát…
+ Nhanh chóng hình thành màng đất sét - nước bao quanh hạt cát khi
trộn hỗn hợp với lượng nước ít nhất.
+ Cho hỗn hợp làm khuôn có độ bền, độ dẻo, độ in hình cao thoả mãn
các yêu cầu của khuôn khi lấy mẫu, vận chuyển ráp và rót.

+ Cho hỗn hợp làm khuôn có tính dễ phá cao.
+ Đảm bảo tính kinh tế và thuận lợi trong khai thác vận chuyển và sử
dụng.
Tuỳ thuộc vào nguồn gốc của cát mà trong cát có lượng đất sét từ 0,5%
÷
50%. Ngoài ra còn có các muối NaCl, MgCl
2
,…làm giảm tính chịu lửa của cát .
c) Chất phụ:
Chất phụ được dùng để làm tốt hơn một số tính chất đặc biệt cần có của
hỗn hợp, hoặc chế một số tính chất không phù hợp của nó. Tạo ảnh hưởng tới tác
dụng qua lại giữa kim loại đúc và vật liệu làm khuôn, làm giảm độ bền còn lại ,
tăng cường tính dễ phá của khuôn và ruột.
Những chất phụ thường dùng là:
• Bột than: Sử dụng chủ yếu trong hỗn hợp làm khuôn đúc gang để chống cháy
cát. Cỡ hạt <0,065
÷
0,16mm lượng chất bốc >30%. Tuy nhiên cũng gây ra
Nhược điểm: Hỗn hợp làm khuôn chứa bột than có độ thông khí thấp, chứa
nhiếu bụi và chịu nóng kém dần .
• Dầu mazut: Để chống cháy cát trên mặt vật đúc gang và đồng. Nhưng ít được
dùng vì sinh nhiều khí, dễ gây rỗ khí trong vật đúc .
CNVL_4 - - ĐHBK–Hà Nội
25