Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



ĐỖ VĂN QUẢNG




NGHIÊN CỨU KHUÔN GỐM TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU
TRONG NƢỚC






LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



ĐỖ VĂN QUẢNG



NGHIÊN CỨU KHUÔN GỐM TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU
TRONG NƢỚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Đào Hồng Bách
2. GS.TS. Đinh Quảng Năng






Hà Nội - 2014
a



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả đạt
được của đề tài nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công
bố trong bất kỳ công trình nào.



Người cam đoan

Đỗ Văn Quảng

b




LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
Viện Khoa học & Kỹ thuật vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong
quá trình học tập tại Trường.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới tập thể hướng dẫn trực tiếp là
PGS.TS. Đào Hồng Bách và GS.TS. Đinh Quảng Năng. Hai Thầy đã đưa
ra những lời khuyên, những định hướng khoa học rất quý báu để tôi có
thể triển khai công việc nghiên cứu của mình.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, các bạn đồng nghiệp trong Bộ
môn Vật liệu & Công nghệ đúc, nơi tôi đang làm việc đã nhiệt tình giúp
đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin chân
thành gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Nguyễn Hữu Dũng, PGS.TS. Nguyễn
Hồng Hải, TS. Phạm Mai Khánh, TS. Trần Đức Huy, ThS. Bùi Bỉnh Hà và
TS. Nguyễn Hồng Hải.
Trong quá trình làm thực nghiệm, Phòng thí nghiệm của Viện Khoa
học & Kỹ thuật vật liệu đã tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi làm thực
nghiệm. Nhân đây, tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Đặng Thủy,
ThS. Hoàng Thị Ngọc Quyên, ThS. Đỗ Minh Đức và TS. Nguyễn Thị
Hoàng Oanh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành các thực nghiệm. Ngoài
ra, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới ThS. Nguyễn Minh Đạt, Viện Mỏ -
Luyện kim Việt Nam đã giúp đỡ tôi hoàn thành một số thực nghiệm tại
Viện Mỏ - Luyện kim.
Nhân đây, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới các chị và các em ở

công ty TNHH Đúc Tháng Năm đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá
trình hoàn thành luận án này.
Với tấm lòng biết ơn đến các Thầy Cô, các nhà khoa học, các đồng
nghiệp và bạn bè thân hữu đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình
nghiên cứu.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình - nơi
nuôi dưỡng và là nguồn động lực để tôi vượt mọi trở ngại khó khăn để
hoàn thành luận văn này.
Đỗ Văn Quảng
i



MỤC LỤC

Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
vi
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………….
1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHUÔN GỐM…………………………
4
1.1. Công nghệ khuôn gốm đúc chính xác………….………………………………
4
1.1.1. Phân loại khuôn gốm…………………………………………………………
4

1.1.2. Công nghệ khuôn gốm vỏ mỏng………………………………………………
5
1.1.3. Công nghệ khuôn khối…………………………………………………
6
1.2. Thực trạng của công nghệ khuôn khối……….………………………………….
9
1.2.1. Tình hình công nghệ khuôn khối trên thế giới…………………………
9
1.2.2. Tình hình công nghệ khuôn gốm ở Việt Nam…………………………
15
1.3. Triển vọng của công nghệ khuôn khối….………………………………………
16
1.4. Mục đích nghiên cứu……………… ……………………………………
17
CHƢƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM………………….
18
2.1. Chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc……………… ………………
18
2.1.1. Tính chất hóa lý của thủy tinh lỏng……………………………………
18
2.1.2. Cấu trúc của thủy tinh lỏng……………………………………………………
19
2.1.3. Giản đồ trạng thái của thủy tinh lỏng…………………………………………
20
2.1.4. Quá trình polyme hóa của thủy tinh lỏng………………………………
22
2.1.5. Ảnh hưởng của độ ẩm tới độ bền khuôn, ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng
28
2.2. Keo silic dùng trong ngành đúc… ……………………………………………
29

2.3. Thủy tinh lỏng mô đun cao và nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic,
31
2.3.1. Thủy tinh lỏng mô đun cao…………………… … …………………………
31
2.3.2. Nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic….…………………………….
32
2.3.3. Độ bền của khuôn, ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao…… …
33
2.4. Cơ chế hình thành độ bền của khuôn khối một lớp sử dụng chất dính thủy
tinh lỏng mô đun cao
33
ii



2.4.1. Cơ chế hình thành độ bền trước nung………………….………………
34
2.4.2. Cơ chế hình thành độ bền khi nung……………………………………
36
2.5. Vật liệu chịu lửa và chất phụ………….…………………………………
38
2.5.1. Thạch anh………………………………………………………………
38
2.5.2. Ziếc côn………………………………………………………………………
40
2.5.3. Chất phụ………………………………………………………………………
42
2.6. Thông số nhiệt lý và hệ số giãn nở nhiệt…… ….………………………………
43
2.6.1. Hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt ……………………………

43
2.6.2. Hệ số giãn nở nhiệt……………… …………………………………………
44
2.7. Kết luận và phạm vi nghiên cứu…… …………………………………………
44
CHƢƠNG 3: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………………….
46
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ……………………………………
46
3.1.1. Vật liệu chịu lửa ……………………………………………………………….
46
3.1.2. Chất dính và chất tạo gel ……………………………………………
48
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ……… ……………………………………………….
49
3.2.1. Thiết bị nghiên cứu……………………………………………………………
49
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu……………………………………………………….
50
3.3. Mô hình thực nghiệm……………………………………………………………
53
3.3.1. Chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao…………… ……………………………
53
3.3.2. Chế tạo mẫu khuôn gốm…….………………………………………………….
54
3.3.3. Xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng mô
phỏng và thực nghiệm……………… ………………………………………
58
3.3.4. Xác định hệ số giãn nở nhiệt của khuôn gốm….… ………………………….
59

3.3.5. Sự thay đổi kích thước của khuôn và đúc thử nghiệm… …………………
60
3.4. Kết luận……………………………………………………………………………
60
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………………………
62
4.1. Xác định cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao
bằng thực nghiệm……………………………………… ………………………
62
4.1.1. Kết quả và thảo luận……………………………………………………………
62
4.1.2. Nhận xét………………………………………………………………………
67
4.2. Tính chất công nghệ của khuôn gốm…………………………………………….
68
iii



4.2.1. Tỷ trọng của khuôn gốm.………………………………………………………
68
4.2.2. Độ co của khuôn gốm…………………………………………………………
70
4.2.3. Độ xốp của khuôn gốm…………… …………………………………………
71
4.3. Cơ tính của khuôn gốm …… …………………………………………………
74
4.4. Cấu trúc và tổ chức tế vi của mẫu khuôn gốm………………………………….
79
4.4.1. Cấu trúc của mẫu khuôn gốm…… …………………………………………

79
4.4.2. Tổ chức tế vi của mẫu khuôn gốm……………………………………………
80
4.5. Tính chất nhiệt lý của khuôn gốm….…….………………………………………
90
4.5.1. Hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng mô phỏng và
thực nghiệm…………………………………………………………………….
90
4.5.2. Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm………………… ………………….
92
4.6. Đúc thử nghiệm……………………………………………………………………
96
4.6.1. Độ co của khuôn đúc……………………………………………………………
96
4.6.2. Sản phẩm đúc thử………………………………………………………………
97
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN…………………………………………………………….
99
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………………
101
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN………………………………
108
PHỤ LỤC 1: Phân tích cấu trúc khuôn gốm…………………………………………………
109
PHỤ LỤC 2: Bản vẽ sản phẩm đúc thử………………………………………………………
111
PHỤ LỤC 3: Xác định phương trình hồi quy………………………… …………………….
112
PHỤ LỤC 4: Trường nhiệt độ của khuôn gốm đúc dùng để xác định hệ số khuếch tán nhiệt
độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm…………………………………………………………….

119
PHỤ LỤC 5: Giãn nở nhiệt của khuôn gốm……………………………………………………
151







iv



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
a: Hệ số khuếch tán nhiệt độ
c: Tỷ nhiệt (nhiệt dung riêng)
ρ: Khối lượng riêng
λ: Hệ số dẫn nhiệt
σ
u
: Độ bền uốn
σ
n
: Độ bền nén
dΦ: Độ co thể tích
M
t.t.l
: Mô đun thủy tinh lỏng
ρ

k
: Tỷ trọng của khuôn
ρ
t.t.l
: Tỷ trọng thủy tinh lỏng
C: Tỷ lệ pha trộn ZrSiO
4
/SiO
2

DTA/TG: Phân tích nhiệt vi sai/phân tích nhiệt trọng (Differential Thermal Analysis/
Thermogravimetric)
EDS: Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)
ES: Ethyl Silicate
ES/ATB: Ethyl silicate - aluminum tri-sec-butoxide
GS.: Giáo sư
MTS: Máy đo độ bền vạn năng
Opt: Hiển vi quang học
PGS.TS.: Phó giáo sư – tiến sỹ
PVA: Poly Vinyl Acetate
SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope )
TCN: Tiêu chuẩn ngành
TMA: Phân tích nhiệt cơ (Thermomechanical Analysis)
XRD: Nhiễu xạ Rơnghen (X-ray Diffraction)
VRH: Công nghệ CO
2
hóa rắn trong chân không

v



DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
Nội dung
Trang
Bảng 1.1
Đặc tính của công nghệ khuôn gốm so với một số công nghệ khuôn khác
4
Bảng 1.2
So sánh giữa hai phương pháp khuôn khối và khuôn vỏ mỏng
5
Bảng 1.3
Vật liệu chịu lửa và nhiệt độ nóng chảy của nó dùng để chế tạo khuôn
gốm
11
Bảng 1.4
Độ co, độ xốp và tỷ trọng của mẫu khuôn gốm sử dụng hai loại chất dính
ethyl silicate (ES) và kết hợp hai loại chất dính ethyl silicate - aluminum
tri-sec-butoxide (ES/ATB) phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian thiêu kết
13
Bảng 1.5
Cơ lý tính của hỗn hợp khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 3,

tỷ trọng 1,33 và cát thạch anh, nung ở 950
o
C
16
Bảng 2.1
Các điểm đặc trưng trong giản đồ trạng thái Na
2
O – SiO
2

21
Bảng 2.2
Ảnh hưởng của hàm lượng nước trong thủy tinh lỏng (có mô-đun =2,4)
tới độ bền của khuôn, ruột đóng rắn bằng khí nóng ở 150
o
C, sử dụng các
loại cát khác nhau
27
Bảng 2.3
Tập trung nồng độ lớn nhất của SiO
2
và Na
2
O trong thủy tinh lỏng
32
Bảng 2.4
Ảnh hưởng của phương pháp đóng rắn tới độ bền của khuôn và ruột sử
dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun khác nhau
35
Bảng 2.5

Nhiệt độ chuyển biến thù hình và độ thay đổi thể tích của cát thạch anh
39
Bảng 3.1
Sự phân bố kích thước hạt của bột ziếc côn
46
Bảng 3.2
Sự phân bố kích thước hạt của bột thạch anh
48
Bảng 3.3
Thành phần của thủy tinh lỏng
48
Bảng 3.4
Thành phần keo silic
49
Bảng 3.5
Thành phần nước mật mía
49
Bảng 3.6
Thành phần pha trộn 100g thủy tinh lỏng mô đun cao
53
Bảng 4.1
Thời gian tao gel của chất dính thủy tinh lỏng phụ thuộc vào mô đun thủy
tinh lỏng
67
Bảng 4.2
Tỷ lệ SiO
2
/Na
2
O ở các hạt natri silicate phụ thuộc vào mô đun thủy tinh

lỏng đầu vào
67
Bảng 4.3
Bảng giá trị tối ưu
79
vi



DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
TT
Nội dung
Trang
Hình 1.1
Quy trình chế tạo chi tiết đúc bằng phương pháp đúc mẫu chảy
6
Hình 1.2
Linh kiện trong động cơ máy bay Boing 747 bằng hợp kim Ti (a) và các
linh kiện trong nhà máy điện hạt nhân bằng hợp kim Ni (b)
6
Hình 1.3
Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn Shaw một lớp
7
Hình 1.4
Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn Shaw hai lớp
8
Hình 1.5
Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn khối bằng phương pháp Unicast
9
Hình 1.6

Ảnh SEM của khuôn gốm sử dụng chất dinh ethyl silicát (a) và kết hợp 2
chất dính ethyl silicát - aluminum tri-sec-butoxide (b)
10
Hình 1.7
Ảnh sản phẩm đúc bằng thép không gỉ sử dụng khuôn gốm có thành phần
là bột ziếc côn và chất dính ethyl silicát (a), kết hợp 2 chất dính ethyl
silicát - aluminum tri-sec-butoxide (b)
10
Hình 1.8
Ảnh hiển vi quang học của mẫu khuôn gốm sử dụng kết hợp các loại hạt
chịu lửa có kích thước khác nhau alumino silicát (Al
2
O
3
.2SiO
2
), ziếc côn
(ZrSiO
4
) và TiO
2

11
Hình 1.9
Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết và thời gian giữ nhiệt tới độ xốp của mẫu
khuôn gốm sử dụng kết hợp các loại hạt chịu lửa khác nhau alumino silicát
(Al
2
O
3

.2SiO
2
), ziếc côn (ZrSiO
4
) và TiO
2

12
Hình 1.10
Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết và thời gian giữ nhiệt tới độ bền uốn của
mẫu khuôn gốm sử dụng kết hợp các loại hạt chịu lửa khác nhau alumino
silicát (Al
2
O
3
.2SiO
2
), ziếc côn (ZrSiO
4
) và TiO
2

12
Hình 1.11
Ảnh hưởng của nhiệt độ chân không tới độ co và độ bền của khuôn khối
một lớp sử dụng chất dính keo silic
14
Hình 1.12
Ảnh hưởng của thời gian chân không tới độ co và độ bền của khuôn khối
một lớp sử dụng chất dính keo silic

14
Hình 1.13
Ảnh hưởng của độ chân không tới độ co và độ bền của khuôn khối một lớp
sử dụng chất dính keo silic
15
Hình 2.1
Ảnh hưởng của mô đun và hàm lượng nước tới độ nhớt của thủy tinh lỏng
18
Hình 2.2
Phân tích DTA/TG của thủy tinh lỏng có tỷ lệ SiO
2
/Na
2
O = 3,27; 27% khối
lượng SiO
2

19
Hình 2.3
Một dạng cấu trúc đặc trưng của thủy tinh lỏng
20
vii



Hình 2.4
Giản đồ trạng thái 2 pha của hệ Na
2
O – SiO
2

21
Hình 2.5
Giản đồ trạng thái ba nguyên của thủy tinh lỏng: hỗn hợp của Na
2
O và
2Na
2
O.SiO
2
(vùng 1), 2Na
2
O.SiO
2
tinh thể (vùng 2), hỗn hợp của
2Na
2
O.SiO
2
và thủy tinh lỏng (vùng 3), silicát natri dạng kính (vùng 4),
silicát natri ngậm nước (vùng 5), silicát bị hydrát hóa (vùng 6), rắn và lỏng
(vùng 7), chất lỏng nhớt (vùng 8), thủy tinh lỏng thương mại (vùng 9),
dung dịch loãng (vùng 10), chất lỏng không ổn định (vùng 11)
22
Hình 2.6
Ảnh hưởng của pH tới sự ổn định của thủy tinh lỏng
23
Hình 2.7
Sự tạo thành chuỗi siloxane thông qua sự polyme hóa ngưng tụ
24

Hình 2.8
Phản ứng polyme hóa của axit polysilicic từ dạng monomer thành Trimer
24
Hình 2.9
Sự polyme hóa ngưng tụ của phân tử axit orthosilicic: phân tử Si(OH)
4
(a),
hai phân tử nước bổ sung thêm (b), sự hình thành chuỗi phân tử (c), các
nhóm chuỗi phân tử liền kề (d), sự ngưng tụ (e, f)
25
Hình 2.10
Sự phát triển gel silica (6,8% SiO
2
và 1,78N HCl) được hình thành bằng sự
trung hòa thủy tinh lỏng (có tỷ lệ SiO
2
/Na
2
O = 2,5) ở 23
o
C
26
Hình 2.11
Sơ đồ diễn tả quá trình polyme hóa và tạo gel của thủy tinh lỏng
26
Hình 2.12
Ảnh màng chất dính đóng rắn khi sấy ở 200
o
C
28

Hình 2.13
Ảnh SEM cầu dính kết của khuôn, ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng
đóng rắn bằng năng lượng vi sóng: trước khi hấp thụ độ ẩm (a), sau khi hấp
thụ độ ẩm (98%, 24 giờ)
29
Hình 2.14
Ảnh SEM của chất dính keo silic
30
Hình 2.15
Cấu trúc mạng của keo silic
30
Hình 2.16
Ảnh hưởng của hàm lượng NH
4
Cl tới thời gian tạo gel
35
Hình 2.17
Ảnh tổ chức hiển vi điện tử quét của khuôn cát – nước thủy tinh sau khi
sấy ở 70
o
C
36
Hình 2.18
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ bền của khuôn, ruột sử dụng chất dính thủy
tinh lỏng
37
Hình 2.19
Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung tới sự chuyển biến cristobalite
từ thạch anh
37

Hình 2.20
Ảnh hưởng của sự chuyển biến cristobalite tới độ bền uốn
38
Hình 2.21
Sơ đồ chuyển biến thù hình của cát thạch anh
39
Hình 2.22
Cấu trúc ô mạng của thạch anh ở các dạng thù hình: α-thạch anh (a), α-
39
viii



cristobalite (b), α-tridimit (c) và thạch anh được biến tính (d)
Hình 2.23
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự giãn nở nhiệt của thạch anh
40
Hình 2.24
Sự giãn nở nhiệt của một số vật liệu chịu lửa dùng trong khuôn gốm
41
Hình 2.25
Giản đồ pha ZrO
2
– SiO
2
theo Butterman và Foster
42
Hình 3.1
Ảnh SEM của bột ziếc côn có độ phóng đại nhỏ (a) và độ phóng đại lớn (b)
46

Hình 3.2
EDS của bột ziếc côn


47
Hình 3.3
Ảnh SEM của bột thạch anh có độ phóng đại nhỏ (a) và độ phóng đại lớn
(b)
47
Hình 3.4
EDS của bột thạch anh
48
Hình 3.5
Ảnh lò sấy (a) và lò nung điện trở (b)
50
Hình 3.6
Ảnh máy hiển vi quang học (a) và máy hiển vi điện tử quét (SEM, b)

50
Hình 3.7
Ảnh máy đo giãn nở nhiệt TMA (Thermomechanical Analysis)
51
Hình 3.8
Ảnh máy đo cơ tính vạn năng (a) và thiết bị đo ghi nhiệt độ tự động (b)
51
Hình 3.9
Mẫu nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong khuôn gốm theo mô hình của
J. Jiang

52

Hình 3.10
Sơ đồ thực nghiệm chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao
54
Hình 3.11
Ảnh khuôn chế tạo mẫu dạng trụ (a) và dạng thanh (b)
54
Hình 3.12
Ảnh mẫu hình trụ trước (a) và sau nung (b)
55
Hình 3.13
Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và
nhiệt độ nung tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
55
Hình 3.14
Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và
thành phần bột chịu lửa tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
56
Hình 3.15
Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy
tinh lỏng tới các tính chất của mẫu khuôn gốm
57
Hình 3.16
Sơ đồ thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới
các tính chất của mẫu khuôn gốm
58
Hình 3.17
Sơ đồ thực nghiệm cài đặt 5 can nhiệt
59
Hình 4.1
Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3: độ phóng đại

thấp, x197 (a) và độ phóng đại cao, x10590 (b)
62
ix



Hình 4.2
EDS 1 tại hình 4.1b
63
Hình 4.3
EDS 2 tại hình 4.1b
63
Hình 4.4
Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4: độ phóng đại
thấp, x400 (a) và độ phóng đại cao, x2013 (b)
64
Hình 4.5
EDS 1 tại hình 4.4b
64
Hình 4.6
EDS 2 tại hình 4.4b
65
Hình 4.7
Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 5: độ phóng đại
thấp, x208 (a) và độ phóng đại cao, x3084 (b)
65
Hình 4.8
EDS 1 tại hình 4.7b
66
Hình 4.9

EDS 2 tại hình 4.7b
66
Hình 4.10
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới tỷ trọng của
mẫu khuôn gốm
68
Hình 4.11
Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ trộn bột chịu lửa tới tỷ trọng
của mẫu khuôn gốm
68
Hình 4.12
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm
69
Hình 4.13
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ co thể tích
của mẫu khuôn gốm
70
Hình 4.14
Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ co thể
tích của mẫu khuôn gốm
70
Hình 4.15
Ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tới độ co của mẫu
khuôn gốm
71
Hình 4.16
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ xốp của mẫu
khuôn gốm
72
Hình 4.17

Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ xốp của
mẫu khuôn gốm
72
Hình 4.18
Ảnh hưởng của hàm lượng chất dính tới độ xốp của mẫu khuôn gốm
73
Hình 4.19
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ xốp của mẫu khuôn gốm
74
Hình 4.20
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền nén của
mẫu khuôn gốm
75
Hình 4.21
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền uốn của
mẫu khuôn gốm
75
x



Hình 4.22
Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ bền nén
của mẫu khuôn gốm
76
Hình 4.23
Ảnh hưởng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và tỷ lệ bột chịu lửa tới độ bền uốn
của mẫu khuôn gốm
76
Hình 4.24

Ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tới độ bền của mẫu
khuôn gốm
77
Hình 4.25
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền nén của mẫu khuôn
gốm
77
Hình 4.26
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền uốn của mẫu khuôn
gốm
78
Hình 4.27
Ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sau khi đóng rắn (chưa nung)
80
Hình 4.28
Ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sau khi nung ở 950
o
C
80
Hình 4.29
Ảnh SEM của mặt gãy khuôn gốm nung ở 850
o
C, mô đun bằng 4
81
Hình 4.30
Ảnh SEM của mặt gãy khuôn gốm nung ở 950
o
C, mô đun bằng 3
82
Hình 4.31

Ảnh SEM của mặt gãy khuôn gốm nung ở 950
o
C, mô đun bằng 4: độ
phóng đại thấp (a) và độ phóng đại cao (b)
82
Hình 4.32
Ảnh SEM của mặt gãy khuôn gốm nung ở 950
o
C, mô đun bằng 5
83
Hình 4.33
Ảnh hiển vi quang học của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có tỷ
trọng bằng 1,3 và phụ thuộc vào tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
: 30/70 (a),
50/50 (b) và 70/30 (c). Độ phóng đại x100.
83
Hình 4.34
Ảnh SEM mặt gãy của mẫu khuôn gốm sử dụng tỷ lệ bột chịu lửa
ZrSiO
4
/SiO
2
bằng 60/40, sử dụng thủy tinh lỏng có tỷ trọng bằng 1,33: Độ
phóng đại nhỏ x100 (a), độ phóng đại lớn x5000 (b)
84
Hình 4.35
Ảnh SEM lớp vỏ mẫu khuôn gốm sử dụng 24% chất dính

85
Hình 4.36
Ảnh SEM lớp vỏ mẫu khuôn gốm sử dụng 26% chất dính
85
Hình 4.37
Ảnh SEM lớp vỏ mẫu khuôn gốm sử dụng 27% chất dính
86
Hình 4.38
Ảnh SEM của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4,
nung ở 950
o
C, tỷ lệ ZrSiO
4
/SiO
2
= 60/40 và hàm lượng nước mật mía 1%:
bề mặt mẫu (a) và mặt gãy cắt ngang mẫu (b)
87
Hình 4.39
Ảnh SEM của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4,
nung ở 950
o
C, tỷ lệ ZrSiO
4
/SiO
2
= 60/40 và hàm lượng nước mật mía 3%:
bề mặt mẫu (a) và mặt gãy cắt ngang mẫu (b)
87
xi

Hình 4.40
Ảnh SEM của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4,
nung ở 950
o
C, tỷ lệ ZrSiO
4
/SiO
2
= 60/40 và hàm lượng nước mật mía 5%:
bề mặt mẫu (a) và mặt gãy cắt ngang mẫu (b)
88
Hình 4.41
Ảnh EDS của mẫu khuôn gốm nung ở 850
o
C, mô đun bằng 4
88
Hình 4.42
Ảnh EDS của mẫu khuôn gốm nung ở 950
o
C, mô đun bằng 4
89
Hình 4.43
Ảnh EDS của mẫu khuôn gốm nung ở 950
o
C, mô đun bằng 4
89
Hình 4.44

Ảnh EDS của mẫu khuôn gốm nung ở 950
o
C, mô đun bằng 4
90
Hình 4.45
Đường cong nguội của vật đúc và khuôn gốm bằng thực nghiệm
90
Hình 4.46
Mô phỏng trường nhiệt độ của khuôn gốm bằng Procast
91
Hình 4.47
Sự thay đổi hệ số khuếch tán nhiệt độ của khuôn gốm
91
Hình 4.48
Sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khuôn gốm
92
Hình 4.49
Sự thay đổi kích thước mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2

= 30/70 theo nhiệt độ
93
Hình 4.50
Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2

= 30/70 thay đổi theo nhiệt độ
94
Hình 4.51
Sự thay đổi kích thước mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2

= 60/40 theo nhiệt độ
94
Hình 4.52
Sự thay đổi kích thước mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2

= 70/30 theo nhiệt độ
95
Hình 4.53
Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2

= 60/40 thay đổi theo nhiệt độ
95
Hình 4.54
Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO

2

= 70/30 thay đổi theo nhiệt độ
96
Hình 4.55
Độ co của khuôn gốm và vật đúc theo chiều cao của mẫu hình kim tự tháp
97
Hình 4.56
Độ co của khuôn gốm và vật đúc theo chiều ngang của mẫu hình kim tự
tháp
97
Hình 4.57
Sản phẩm đúc thử
98



1



LỜI MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài: Khuôn gốm thường được dùng để đúc những vật đúc có hình dạng
phức tạp, cần độ chính xác cao, giảm thiểu tối đa gia lượng công cơ tiếp theo. Trong lĩnh vực
đúc, sản lượng đúc trong khuôn gốm chiếm tỷ trọng không cao chỉ khoảng 7%, tuy nhiên vì
những ưu điểm nổi trội kể trên mà nó có vị trí đặc biệt trong ngành chế tạo. Trên thế giới,
phương pháp đúc sử dụng khuôn gốm đã và đang được nghiên cứu với mục đích tạo ra các vật
đúc có độ chính xác cao về hình dạng và kích thước nhằm tiết kiệm vật liệu, giảm gia công cơ
khí, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Ở nước ta hiện nay, cùng với các ngành công nghiệp khác thì công nghiệp chế tạo cũng

đang có những sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo xe máy,
ô tô và cơ khí chế tạo Đó là những ngành có nhu cầu về các sản phẩm đúc chính xác rất cao.
Tuy nhiên số lượng nhà máy đúc sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn gốm ở nước ta còn ít, có
thể kể đến như: Công ty Máy kéo & Máy Nông Nghiệp Hà Tây, Công ty Z183 ở Yên Bái,
Công ty Cơ khí Hà Nội, Công ty Cổ phần Công Nghiệp CIMC Việt Nam, Công ty Z125 Các
công ty này sử dụng chất dính là thủy tinh lỏng trong công nghệ khuôn gốm, dùng để đúc các
chi tiết nhỏ có nhiệt độ nóng chảy thấp và đòi hỏi chất lượng bề mặt không cao. Thời gian gần
đây, các công ty Z183 và Z125 đã chuyển sang sử dụng chất dính ethyl silicát để đáp ứng cho
các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm đúc.
Nhìn chung, công nghệ khuôn gốm đúc chính xác chưa nhận được nhiều sự quan tâm
của các nhà khoa học trong nước cũng như các nhà máy sản xuất. Bởi vì nền công nghiệp chế
tạo ô tô, hàng không vũ trụ, công nghiệp năng lượng chưa được phát triển ở nước ta trước
đây. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển chung trên thế giới, nền công nghiệp chế tạo ở Việt
Nam đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ. Các công ty sản xuất ô tô và xe máy hàng
đầu thế giới đã có ở Việt Nam như: Toyota, Ford, Honda, Piagio, Yamaha có nhu cầu về các
sản phẩm đúc chính xác ngày càng cao trong công nghiệp lẫn đời sống xã hội. Công nghệ
khuôn gốm đúc đã được ứng dụng song chưa đáp ứng về chất lượng, nên vẫn chưa phát triển
rộng rãi, cũng như chưa đáp ứng được đòi hỏi chất lượng sản phẩm của xã hội. Chính vì vậy
việc nghiên cứu công nghệ đúc khuôn gốm sẽ có ý nghĩa không chỉ trong khoa học tạo vật liệu
mới thay thế mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao. Ở Việt Nam hiện nay, khuôn gốm chủ yếu là
được làm theo công nghệ khuôn vỏ gốm còn công nghệ khuôn khối chưa được quan tâm
nghiên cứu và ứng dụng nhiều ở nước ta. Khuôn vỏ gốm sử dụng vật liệu chịu lửa chủ yếu là
bột thạch anh có kích thước hạt khoảng 100µm, chất dính là thủy tinh lỏng có mô đun lớn nhất
bằng 3 và chất tạo gel là NH
4
Cl. Việc sử dụng hỗn hợp làm khuôn này có ưu điểm là rẻ tiền và
sẵn có ở Việt Nam. Tuy nhiên khuôn vỏ gốm hay bị nứt sau nung, độ thông khí thấp, độ co
lớn, vật liệu khuôn dễ cháy dính vào bề mặt vật đúc thép
Mục đích của luận án: Từ những phân tích khoa học trên, đã chọn đề tài nghiên cứu
là: “Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước”. Luận án đã tập trung vào việc

nghiên cứu nâng cao chất lượng của khuôn gốm theo phương pháp khuôn khối một lớp (khuôn
shaw một lớp), với mục đích cụ thể là cải thiện độ xốp, độ bền cho khuôn gốm, giảm thiểu khả
năng nứt khuôn sau khi thoát sáp và sau nung
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Luận án đã sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có
mô đun lớn hơn 3,3 nhằm giảm khả năng hút ẩm, tăng độ xốp và giảm thiểu khả năng nứt
khuôn sau nung.
2



Nguyên nhân khác nữa ảnh hưởng tới chất lượng khuôn gốm đúc trong nước là vật liệu
chịu lửa. Việc sử dụng vật liệu chịu lửa có độ ổn định nhiệt thấp là thạch anh đã làm tăng khả
năng nứt khuôn. Do vậy, luận án đã sử dụng kết hợp 2 loại bột chịu lửa là ziếc côn và thạch
anh để tăng độ ổn định nhiệt cho vật liệu chịu lửa, giảm khả năng nứt khuôn do sự giãn nở
nhiệt gây ra. Sự giãn nở nhiệt của khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng trong quá trình
nung khuôn cũng được nghiên cứu trong luận án, thông qua xác định hệ số giãn nở nhiệt của
khuôn.
Các chất dính phụ là polyme trong công nghệ khuôn gốm đang được nghiên cứu rất
nhiều trên thế giới, tuy nhiên trong điều kiện nước ta là khá khó khăn do sẽ đẩy giá thành
khuôn gốm lên cao. Do vậy, việc chọn lựa chất dính phụ phù hợp trong điều kiện nước ta là
cần thiết. Nước mật mía, là sản phẩm của mía đường nên rất dễ kiếm và rẻ tiền ở nước ta.
Nước mật mía đã được ứng dụng nhiều trong công nghệ khuôn dùng trong đúc, tuy nhiên
trong công nghệ khuôn gốm thì việc ứng dụng nước mật mía như là một chất phụ nhằm cải
thiện tính công nghệ của khuôn gốm là chưa có. Luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một
chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất của khuôn gốm.
Tóm lại, luận án đã nghiên cứu chế tạo khuôn gốm đúc theo phương pháp khuôn khối
một lớp dựa trên vật liệu bao gồm chất dính là thuỷ tinh lỏng mô đun cao từ 3,5 – 5,0 (sử dụng
keo silic để nâng mô đun cho thủy tinh lỏng), nước mật mía làm chất dính phụ (chiếm từ 1 –
9% khối lượng chất dính), bột chịu lửa là SiO
2

, ZrSiO
4
và chất tạo gel là NH
4
Cl.
Phƣơng pháp nghiên cứu: Để hoàn thành mục đích nghiên cứu, luận án đã sử dụng
phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát của từng yếu tố) và phương pháp quy hoạch thực
nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tác động). Sử dụng các trang thiết bị
phân tích kiểm định mẫu thí nghiệm hiện đại như: hiển vi điện tử quét, hiển vi quang học,
nhiễu xạ rơn ghen, máy đo độ giãn nở nhiệt TMA, máy đo độ bền vạn năng MTS, đo trường
nhiệt độ bằng máy ghi nhiệt tự động
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Bằng nghiên cứu thực nghiệm về sự thay
đổi của mô đun thủy tinh lỏng (M
t.t.l
= 3 ÷ 5), nhiệt độ nung (T = 850 ÷ 1000
o
C) đã xác định
quy luật giảm độ bền uốn (σ
u
), độ bền nén (σ
n
), độ co (dΦ) và tỷ trọng của khuôn gốm (ρ
k
),
còn độ xốp của nó (γ
k
) tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng của M
t.t.l
và giảm khi nhiệt độ nung tăng.
Độ bền, độ co, độ xốp và tỷ trọng của khuôn gốm tăng theo chiều tăng của hàm lượng bột

ZrSiO
4
có trong hỗn hợp bột chịu lửa. Khi tỷ trọng của thủy tinh lỏng tăng thì độ xốp của
khuôn gốm giảm, còn độ bền và độ co của nó tăng. Độ bền của khuôn gốm đạt giá trị cao nhất
khi hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng bằng 24 – 25% khối lượng bột chịu lửa và hàm lượng
mật mía bằng 3% khối lượng chất dính. Nước mật mía đưa thêm vào không ảnh hưởng nhiều
tới độ xốp (độ thông khí) của khuôn gốm. Hơn nữa, luận án đã xây dựng các mô hình toán học
thực nghiệm với hàm mục tiêu đã chọn phụ thuộc vào các thông số khảo sát của luận án ở
dạng mô hình tuyến tính.
Luận án đã áp dụng kết quả nghiên cứu để đúc thử nghiệm một loại sản phẩm đúc điển
hình theo bản vẽ thiết kế của công ty Monarch Industries Limited (USA) đạt yêu cầu kỹ thuật
về kích thước hình học và độ nhám bề mặt đạt 2,54 – 3,05µm.
Đóng góp mới của luận án: Luận án cũng đã nghiên cứu sự giãn nở nhiệt của khuôn
gốm với tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
= 0,3; 0,6 và 0,7; phụ thuộc vào nhiệt độ
nung. Trong khoảng nhiệt độ nung có hai sự chuyển pha ở 117
o
C và 573
o
C, ở khoảng nhiệt độ
có sự chuyển pha, tốc độ nâng nhiệt nên để bằng 0 trong một khoảng thời gian nhất định
3



(khoảng 30 phút) để quá trình chuyển pha diễn ra hoàn toàn, như vậy sẽ giảm khả năng nứt
khuôn tới mức cao nhất có thể. Nhiệt độ nung khuôn phù hợp là 950

o
C, với tốc độ nâng nhiệt
khoảng 5
o
C/phút. Hàm lượng thạch anh trong hỗn hợp càng tăng thì sự thay đổi kích thước
của khuôn gốm khi nung càng lớn và làm tăng khả năng nứt khuôn. Bên cạnh đó sự giãn nở
của khuôn gốm càng lớn cũng sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của kích thước vật đúc. Độ giãn
nở nhiệt trung bình của khuôn gốm trong khoảng nhiệt độ từ 30 – 900
o
C ứng với tỷ lệ bột chịu
lửa ZrSiO
4
/SiO
2
= 30/70 ; 60/40 và 70/30 lần lượt là (-2,976±0,5)x10
-6
/
o
C; (-6,02±0,5)x10
-
6
/
o
C; (-11,9±0,5)x10
-6
/
o
C. Đặc biệt, hệ số khuếch tán nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt giữa mô
phỏng và thực nghiệm là khá tương đồng. Hệ số khuếch tán nhiệt độ bằng mô phỏng và thực
nghiệm trong khoảng nhiệt độ từ 440 – 650

o
C là (32±0,5)x10
-6
(m
2
/s) và (31±0,5)x10
-6
(m
2
/s)
và hệ số dẫn nhiệt độ bằng mô phỏng và thực nghiệm là 79±0,5 (W.m
-1
.K
-1
)) và 77,5±0,5
(W.m
-1
.K
-1
)). Hơn nữa qua việc phân tích tổ chức màng chất dính bao gồm gel silisic và silicát
natri, thủy tinh lỏng mô đun càng cao thì thời gian tạo gel càng ngắn và kích thước các hạt
silicate natri càng to. Đây là nguyên nhân chính làm giảm độ bền và tăng độ xốp của hỗn hợp
khuôn sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao.
Luận án được chia làm 4 chương chính và kết luận chung luận án như sau:
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ khuôn gốm: Chương này tập trung phân tích tình
hình nghiên cứu về công nghệ khuôn gốm trên thế giới và ở Việt Nam từ đó xác định
được mục đích nghiên cứu của luận án
- Chương 2: Đặc tính của vật liệu chế tạo khuôn gốm: Chương này phân tích cơ sở lý
thuyết về vật liệu chế tạo khuôn gốm từ đó xác định được phạm vi nghiên cứu của luận
án

- Chương 3: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Chương này trình bày kết quả phân
tích đối tượng nghiên cứu, từ đó lựa chọn ra được thiết bị và phương pháp nghiên cứu
phù hợp. Cách thức chế tạo mẫu thí nghiệm và kiểm tra, đánh giá mẫu thí nghiệm
- Chương 4: Kết quả và thảo luận: Chương này trình bày kết quả nghiên cứu của luận án
và những phân tích đánh giá về kết quả của luận án
- Kết luận chung luận án










4



CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHUÔN GỐM
1.1. Công nghệ khuôn gốm đúc chính xác
1.1.1. Phân loại khuôn gốm
Sản phẩm đúc bằng khuôn gốm đúc chính xác có bề mặt nhẵn, có độ phức tạp cao về
hình dạng, độ chính xác cao về kích thước. Kim loại lỏng dễ điền đầy khuôn gốm nên có thể
đúc được các chi tiết thành mỏng và rất nhỏ. Tuy nhiên, quy trình công nghệ chế tạo khuôn
gốm khá phức tạp và cần có những thiết bị đặc thù. Bảng 1.1 cho thấy khuôn gốm có thể đúc
được các sản phẩm có khối lượng từ 0,005 kg tới trên 1000 kg với chất lượng vật đúc nằm ở
mức cao nhất so với các phương pháp đúc khác.
Bảng 1.1: Đặc tính của công nghệ khuôn gốm so với một số công nghệ khuôn khác [11].

Công nghệ
khuôn
Kim loại
đúc
Trọng lượng vật đúc
(kg)
Độ nhẵn bề
mặt vật đúc
(micron, Ra)
Độ phức tạp
của vật đúc
(1 –tốt nhất)
Cấp chính xác
của vật đúc (1
– tốt nhất)
Nhỏ
nhất
Lớn nhất
Cát
Tất cả
0,05
Không giới
hạn
5 - 26
1 - 2
3
Vỏ mỏng
Tất cả
0,05
~100

1 - 3
2 - 3
2
Gốm
Tất cả
0,005
~1000
1 - 3
1
1
Kim loại
Tất cả
0,5
300
2 - 3
3 - 4
1
Đúc áp
lực
Kim loại
màu
0,05
50
1 - 2
3 - 4
1
Đúc ly
tâm
Tất cả

~5000
2 - 10
3 - 4
3

Để phân loại khuôn gốm, người ta dựa vào phương pháp làm khuôn và mẫu đúc. Dựa
vào phương pháp làm khuôn thì khuôn gốm được chia làm hai loại là khuôn khối (hay còn gọi
là khuôn đổ - ceramic mold casting) và khuôn gốm vỏ mỏng (investment casting). Khuôn khối
được làm theo hai công nghệ là công nghệ Shaw và công nghệ Unicast, phù hợp với nhiều loại
vật đúc có kích thước từ nhỏ tới to. Khuôn gốm vỏ mỏng chỉ phù hợp với các sản phẩm vừa và
nhỏ và gắn liền với mẫu chảy. Dựa vào mẫu đúc thì công nghệ khuôn gốm cũng được chia làm
hai loại là khuôn gốm đúc mẫu chảy và khuôn gốm đúc mẫu cứng. Theo sự phân loại này thì
mẫu cứng chỉ có thể sử dụng cho phương pháp khuôn khối, còn mẫu chảy có thể sử dụng cho
cả hai phương pháp khuôn khối và khuôn gốm vỏ mỏng [18, 53, 56]. Như vậy, hai loại khuôn
này giống nhau về chất dính và thành phần bột chịu lửa. Điểm khác biệt nổi bật nhất của hai
loại khuôn này chính là ở điểm khuôn khối có mặt phân khuôn hoặc không còn khuôn vỏ
mỏng thì không có mặt phân khuôn. Bảng 1.2 đã chỉ ra khuôn khối có ưu điểm hơn khuôn vỏ
mỏng do có sự đa dạng hơn về vật liệu làm mẫu, không giới hạn chủng loại vật đúc và thời
gian làm mẫu ngắn. Tuy nhiên, khuôn khối có chi phí gia công cao hơn và độ phức tạp kém
hơn so với khuôn vỏ mỏng.
5



Bảng 1.2: So sánh giữa hai phương pháp khuôn khối và khuôn vỏ mỏng [11, 19]
Yêu cầu của vật đúc
Khuôn gốm vỏ mỏng
(mẫu chảy)
Khuôn khối
(mẫu chảy và mẫu cứng)

Độ nhám bề mặt
40 – 125 microinch
80 – 125 microinch
Độ phức tạp
Cao nhất
Kém hơn tới bằng
Thành mỏng của vật đúc
Mỏng nhất
Dày hơn tới bằng
Dung sai
Nhỏ nhất
Lớn hơn tới bằng (0.25mm)
Chi phí gia công
Rất ít
Lớn hơn khuôn gốm vỏ mỏng
Thời gian làm khuôn
Rất dài
Ngắn hơn khuôn gốm vỏ mỏng
Loại vật đúc
Nhỏ
Không giới hạn
Loại hợp kim
Không giới hạn
Không giới hạn
Chi phí làm mẫu
Rất cao
Thấp hơn tới bằng

1.1.2. Công nghệ khuôn gốm vỏ mỏng
Đúc mẫu chảy là một trong những công nghệ tạo hình cổ xưa nhất được biết đến. Từ

5000 năm trước khi mẫu được làm từ sáp ong cho đến công nghệ sáp hiện đại ngày nay cùng
với vật liệu chịu lửa và hợp kim đặc biệt, đúc mẫu chảy cho phép sản xuất các chi tiết có độ
chính xác và năng suất cao đối với nhiều loại hợp kim. Phương pháp đúc này có thể đúc ra
những chi tiết có hình dạng phức tạp, loại khó có thể đúc đối với các phương pháp đúc thông
dụng. Chi tiết đúc bằng phương pháp đúc mẫu chảy không cần phải gia công bề mặt nhiều,
quy trình chế tạo của phương pháp được trình bày ở hình 1.1 [11, 75] và một số chi tiết tiêu
biểu của phương pháp được trình bày ở hình 1.2.
Nhìn chung, công nghệ khuôn gốm vỏ mỏng tiết kiệm nguyên liệu làm khuôn hơn so
với công nghệ khuôn khối. Tuy nhiên, quy trình công nghệ của phương pháp này lại khá phức
tạp, thời gian làm khuôn dài, chịu chi phối của nhiều yếu tố công nghệ [49, 65, 80, 85]. Một
trong các yếu tố này là vật liệu chế tạo mẫu chảy, vật liệu làm mẫu thuộc dòng hữu cơ có nhiệt
độ chảy thấp và thường được làm bằng paraphin, stearin có pha thêm một số chất độn nhằm
cải thiện tính chất công nghệ của mẫu chảy. Loại vật liệu làm mẫu và thành phần mẫu quyết
định tính chất của mẫu và phụ thuộc vào khối lượng chi tiết đúc để chọn, phụ thuộc vào các
yêu cầu chính sau: nhiệt độ biến mềm, nhiệt độ nóng chảy và độ giãn nở nhiệt.
6




Hình 1.1: Quy trình chế tạo chi tiết đúc bằng phương pháp đúc mẫu chảy [11, 75]


(a) (b)
Hình 1.2: Linh kiện trong động cơ máy bay Boeing 747 bằng hợp kim Ti (a) và các linh kiện
trong nhà máy điện hạt nhân bằng hợp kim Ni (b) [75]
1.1.3. Công nghệ khuôn khối
Công nghệ khuôn khối có hai ứng dụng thay thế khuôn gốm vỏ mỏng là:
- Dùng để tạo ra các sản phẩm đúc chính xác có kích thước và khối lượng lớn mà
phương pháp khuôn mẫu chảy không sử dụng được

- Chế tạo các vật đúc chính xác có số lượng nhỏ vì sẽ tiết kiệm được thời gian và chi phí
sản xuất so với phương pháp đúc mẫu chảy.
Công nghệ khuôn khối dùng để chế tạo vật đúc có chất lượng cao, không chỉ về độ
chính xác kích thước và chất lượng bề mặt của vật đúc mà còn đạt được cả về cơ tính của sản
phẩm đúc. Trong một vài trường hợp, phụ thuộc vào hình dạng của vật đúc thì phương pháp
khuôn khối có thể đạt được độ chính xác về kích thước cao hơn khuôn vỏ mỏng. Bởi vì khuôn
vỏ mỏng sử dụng mẫu chảy dễ bị biến dạng hoặc thay đổi kích thước trong quá trình chế tạo
mẫu sáp và thoát sáp. Nhược điểm chính cản trở khả năng ứng dụng của công nghệ khuôn
7



khối chính là chi phí giá thành cho vật liệu làm khuôn cao, vật liệu làm khuôn được sử dụng
với số lượng lớn hơn rất nhiều so với công nghệ khuôn vỏ mỏng và lại không có khả năng tái
sinh.
1.1.3.1. Công nghệ khuôn khối theo phương pháp Shaw
Công nghệ khuôn khối theo phương pháp Shaw (hay còn gọi là công nghệ khuôn
Shaw) lại được chia làm hai loại là: công nghệ khuôn Shaw một lớp và công nghệ khuôn Shaw
hai lớp (giống như công nghệ khuôn cát sử dụng hai lớp cát áo và cát mặt). Việc lựa chọn công
nghệ khuôn Shaw nào phụ thuộc vào kích thước của vật đúc và giá thành của vật liệu làm
khuôn. Các vật đúc nhỏ thường được chế tạo bằng khuôn Shaw một lớp (hình 1.3) do chi phí
về vật liệu làm khuôn ở mức trung bình và dễ áp dụng làm khuôn hơn so với khuôn Shaw hai
lớp (hình 1.4). Ngược lại, khuôn Shaw hai lớp thường được áp dụng cho các vật đúc lớn để
giảm chi phí về vật liệu làm khuôn nhằm hạ giá thành sản phẩm.
Quá trình làm khuôn bao gồm 3 công đoạn chính: Đóng rắn sơ bộ bằng phản ứng
tạo gel giữa chất dính và chất tạo gel xong thì tiến hành lấy mẫu ra khỏi khuôn, sau đó khuôn
được đưa vào sấy khuôn để khuôn đóng rắn hoàn toàn. Cuối cùng khuôn được đưa vào nung,
nhiệt độ nung khuôn thường trong khoảng 815 – 980
o
C để đảm bảo khuôn đạt độ bền cần thiết

chống chịu lại các tác động của kim loại lỏng trong quá trình rót khuôn.

Hình 1.3: Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn Shaw một lớp [11]
8




Hình 1.4: Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn Shaw hai lớp [11]
1.1.3.2. Công nghệ khuôn khối theo phương pháp Unicast
Công nghệ khuôn khối theo phương pháp Unicast là một dạng khác của công nghệ
khuôn Shaw hai lớp, tuy nhiên quy trình công nghệ của phương pháp này ngược với quy trình
công nghệ khuôn Shaw hai lớp. Ở phương pháp này, lớp thứ nhất được làm trước và lớp thứ
hai được làm sau, quy trình cụ thể được trình bày ở hình 1.5 [11]. Phương pháp làm khuôn này
thường được áp dụng cho những vật đúc có kích thước trung bình và lớn.


9




Hình 1.5: Sơ đồ lưu trình công nghệ chế tạo khuôn khối bằng phương pháp Unicast [11]
1.2. Thực trạng của công nghệ khuôn khối
1.2.1. Tình hình công nghệ khuôn khối trên thế giới
Khuôn gốm nói chung và khuôn khối nói riêng có những yêu cầu cao hơn các loại
khuôn khác về vật liệu làm khuôn, đặc biệt là vật liệu chịu lửa và chất dính để đạt được các
tính chất khuôn mong muốn. Chất dính dùng trong khuôn khối phổ biến là keo silic và ethyl
silicát [37, 44, 56, 66]. Ngoài ra còn có chất dính thủy tinh lỏng, chất lượng khuôn sử dụng
chất dính này không cao so với hai loại chất dính trên nên hiện nay ít được sử dụng trên thế

giới [11]. Trong thời gian gần đây, thế giới đang có xu thế thay thế chất dính hòa tan trong cồn
bằng chất dính hòa tan trong nước ở công nghệ khuôn khối, đại diện tiêu biểu cho chất dính
tan trong nước là keo silic. Loại chất dính này chứa khoảng 20 – 30% SiO
2
tính theo khối
lượng và được duy trì sự ổn định bằng các ion Na
+
[44, 66]. Cơ chế đóng rắn của keo silic chủ
yếu dựa trên quá trình làm mất nước hoặc thay đổi pH do sự có mặt của các tác nhân đóng rắn
[88, 99]. Đặc biệt là sự có mặt của Natri trong chất dính có tác dụng đẩy mạnh sự tinh thể hóa
của Cristobalít [87] trong khuôn khối làm tăng độ bền khuôn và giảm thiểu các khuyết tật đúc
mà nguyên nhân từ độ bền của khuôn gây ra. Nhìn chung, keo silic đang được dùng nhiều trên
thế giới, tuy nhiên vì là chất dính dựa trên cơ sở nước nên có nhược điểm chính là thời gian
đóng rắn dài. Chính điều này làm giảm khả năng ứng dụng của keo silic trong công nghệ
khuôn gốm ngày nay vì nó sẽ làm tăng thời gian làm khuôn gốm. Ngoài ra, keo silic sử dụng
trong công nghệ khuôn khối có độ bền tươi khá thấp và thường xuyên bị nứt trước và sau
nung.
Đặc biệt việc kết hợp nhiều loại chất dính với nhau để cải thiện các tính chất của khuôn
như giảm tương tác hóa học giữa khuôn và kim loại với mục đích tăng chất lượng bề mặt
khuôn cũng đã được các nhà nghiên cứu quan tâm. H. Saridikmen và N. Kuskonmaz [37] đã
nghiên cứu thành công việc sử dụng kết hợp 2 loại chất dính ethyl silicát và aluminum tri-sec-
butoxide dùng trong công nghệ khuôn khối để đúc thép không gỉ. Hình 1.6 trình bày ảnh tổ
chức tế vi của khuôn gốm được làm từ bột chịu lửa ziếc côn và sử dụng hai loại chất dính khác
nhau là ethyl silicát (hình 1.6a) và kết hợp hai loại chất dính ethyl silicát – aluminum tri-sec-
butoxide (hình 1.6b). Kết quả nghiên cứu cho thấy sự kết hợp của hai loại chất dính đã giải
10



quyết được vấn đề tương tác hóa học giữa kim loại lỏng và khuôn, do đó làm tăng chất lượng

bề mặt vật đúc như được trình bày ở hình 1.7. Điều này được giải thích là SiO
2
có trong chất
dính ethyl silicát sẽ tham gia phản ứng với Al
2
O
3
có trong chất dính aluminum tri-sec-butoxide
ở giai đoạn thiêu kết tạo thành pha mullít không tương tác với kim loại lỏng.

Hình 1.6: Ảnh SEM của khuôn gốm sử dụng chất dinh ethyl silicát (a) và kết hợp 2 chất dính
ethyl silicát - aluminum tri-sec-butoxide (b) [37]

Hình 1.7: Ảnh sản phẩm đúc bằng thép không gỉ sử dụng khuôn gốm có thành phần là bột ziếc côn và
chất dính ethyl silicát (a), kết hợp 2 chất dính ethyl silicát - aluminum tri-sec-butoxide (b) [37]
Việc lựa chọn vật liệu chịu lửa phù hợp cho việc chế tạo khuôn khối phụ thuộc vào các
đặc tính chính như: nhiệt độ nóng chảy, hệ số giãn nở nhiệt và hệ số dẫn nhiệt, độ sạch của vật
liệu chịu lửa, sự phân bố kích thước hạt và tính kinh tế. Kích thước hạt chịu lửa thường được
sử dụng trong khoảng từ 50 μm đến 200 μm để đảm bảo chất lượng bề mặt của vật đúc và độ
bền của khuôn trong suốt quá trình chế tạo. Đặc biệt việc kết hợp giữa các loại kích thước hạt
chịu lửa khác nhau để tăng độ bền cho khuôn hoặc sử dụng thêm các hạt chịu lửa phụ có giá
thành rẻ hơn để giảm giá thành khuôn cũng rất được các nhà nghiên cứu quan tâm [17, 19, 29,
33, 37]. Các loại hạt chịu lửa phổ biến hiện nay là: ziếc côn, ôxit nhôm, alumino silicát, mullít
và thạch anh nóng chảy như được trình bày ở bảng 1.3. Trong đó hạt chịu lửa trên cơ sở ziếc
côn được ưa dùng hơn cả do có ưu điểm nổi bật là không phản ứng với kim loại lỏng và
alumino silicát được ưu tiên dùng như một loại hạt chịu lửa phụ để giảm giá thành khuôn do
có ưu điểm rẻ tiền [37].