Luận án tiến sĩ ki thuật vật liệu nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước

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. 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.
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.
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. 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.
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
2



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.
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 (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
3



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. 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

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHUÔN GỐM
1.1. Tình hình công nghệ khuôn gốm trên thế giới
Chất dính dùng trong khuôn khối phổ biến là keo silic và ethyl silicát.
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. Trong thời 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.
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. Để giải

4



quyết vấn đề này, Ming Zeng và cộng sự đã ứng dụng công nghệ đóng rắn
trong môi trường chân không cho khuôn khối một lớp sử dụng chất dính
keo silic. 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 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.
Các loại hạt chịu lửa phổ biến hiện nay là: ziếc côn, ôxit nhôm, alumino
silicát, mullít và thạch anh nóng chảy 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.
Nghiên cứu của F. Jorge Lino, T. Pereira Duarte về việc phối hợp nhiều
loại vật liệu chịu lửa và kích thước khác nhau đã cho kết quả tốt về độ co,
độ xốp và cơ tính của khuôn gốm.
Để giảm thời gian chế tạo khuôn, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã
sử dụng nhiều loại chất tạo gel khác nhau để tăng tốc độ tạo gel và giảm
thời gian đóng rắn khuôn khối. Chất tạo gel dựa trên cơ sở muối amôni là
được dùng phổ biến hơn cả, F. Jorge Lino và T. Pereira Duarte đã sử dụng
NH
4
Cl và Jiaren Jiang và Xing Yang Liu sử dụng (NH
4
)
2
CO

2
làm chất tạo
gel cho khuôn khối sử dụng chất dính ethyl silicát còn Ming Zeng dùng
NH
4
Cl cho khuôn khối sử dụng chất dính keo silic, lượng dùng chất tạo gel
là 10% khối lượng chất dính.
Tóm lại, hướng nghiên cứu chính hiện nay trong công nghệ khuôn khối
vẫn là tập trung vào việc nghiên cứu để giảm thời gian chế tạo khuôn, nâng
cao độ bền khuôn để giảm khuyết tật và giảm tối thiểu phản ứng giữa kim
loại đúc và khuôn khối để nâng cao chất lượng bề mặt vật đúc hơn nữa.
1.2. Tình hình công nghệ khuôn gốm ở Việt Nam
Ở Việt Nam hiện nay, khuôn gốm đúc chủ yếu là được làm theo công
nghệ khuôn vỏ gốm sử dụng vật liệu chịu lửa 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 (bảng 1.5). Đặc biệt, khuôn gốm có khả năng hút ẩm
rất lớn do sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun thấp nên trong quá
trình chế tạo khuôn phải nhanh, không lưu trữ khuôn lâu ngày được. Để cải
5



thiện chất lượng của khuôn vỏ, các nhà nghiên cứu trong nước đã nghiên
cứu theo hướng tăng mô đun của thủy tinh lỏng bằng cách sử dụng NH
4

Cl.
Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chỉ tăng được mô đun lên tới
3,3. Các tính chất của khuôn vỏ gốm sau khi nâng mô đun tới 3,3 không
được cải thiện nhiều so với thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3 hoặc nhỏ hơn
một chút. Chính vì vậy nên thời gian gần đây, một số công ty đúc sử dụng
khuôn gốm đã chuyển sang sử dụng các loại chất dính cao cấp như ethyl
silicát, keo silic.
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
Độ bền nén
(MPa)
Độ bền uốn
(MPa)
Độ xốp (%)
Độ co (%)
5,7
2,5
25
2,7

1.3. Mục đích nghiên cứu
Đề tài luận án sẽ tập trung vào việc nghiên cứu nâng cao chất lượng
của khuôn gốm theo phương pháp khuôn khối một lớp, 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. 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 và tăng độ
bền cho khuôn khối. Đặc biệt, luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một

chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất của khuôn gốm.

CHƢƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM
2.1. Chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc
Trình bày tính chất hóa lý, cấu trúc, giản đồ trạng thái 2 pha và 3 pha
của thủy tinh lỏng. Đặc biệt quá trình polyme hóa của thủy tinh lỏng và các
yếu tố ảnh hưởng được nghiên cứu và phân tích để từ đó xác định cơ chế
đóng rắn của thủy chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc. Bên cạnh
đó, vai trò của độ ẩm ảnh hưởng tới độ bền của khuôn ruột sử dụng chất
dính thủy tinh lỏng cũng đã được nghiên cứu và phân tích từ đó xác định
được khả năng hút ẩm của chất dính thủy tinh lỏng giảm đi khi mô đun của
nó tăng.

6



2.2. Keo silic dùng trong ngành đúc
Trình bày cơ chế đóng rắn của chất dính keo silic dùng trong công
nghệ khuôn gốm, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng khuôn như cơ và lý
tính của khuôn gốm cũng đã được nghiên cứu và phân tích. Để keo silic có
thể thay thế ethyl silicát được tốt hơn trong công nghệ khuôn gốm thì cần
phải giảm thời gian tạo gel hơn nữa, bên cạnh đó cũng cần giảm số lượng
các vết nứt trên bề mặt khuôn gốm. Có như vậy thì việc ứng dụng keo silic
trong ngành đúc sẽ nhiều hơn nữa.
2.3. Thủy tinh lỏng mô đun cao và nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng
với keo silic
Trình bày nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic để chế tạo
thủy tinh lỏng mô đun cao. Về cơ bản, phương pháp chế tạo này dựa theo
một phát minh của Mỹ. Phương pháp này có thể nâng mô đun thủy tinh

lỏng lên tới 10, tuy nhiên phổ biến sử dụng để nâng mô đun thủy tinh lỏng
trong khoảng từ 4 – 6 do nâng mô đun càng cao thì lượng keo silic bổ sung
vào càng nhiều và như vậy làm tăng giá thành cho thủy tinh lỏng mô đun
cao, hiện nay phương pháp này đang được áp dụng khá phổ biến trên thế
giới.
Đặc biệt cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng mô đun
cao cũng đã được phân tích, các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền cũng đã được
nghiên cứu và đánh giá. Chất dính thủy tinh lỏng có mô đun thấp tạo lên
lớp màng trơn mịn trên bề mặt hạt cát và không bị nứt khi được làm khô.
Tuy nhiên với chất dính thủy tinh lỏng có mô đun cao thì lớp màng bao
quanh hạt cát sẽ xuất hiện vết nứt khi làm khô, điều này sẽ làm giảm độ
bền của khuôn và ruột. Nếu dùng thủy tinh lỏng có mô đun từ 3,5 đến 10
trước khi nó tạo gel thì hiệu quả sử dụng tương tự như sử dụng chất dính
keo silica.
2.4. Cơ chế hình thành độ bền của khuôn khối một lớp sử dụng chất
dính thủy tinh lỏng mô đun cao
Trong khuôn khối, sự hình thành độ bền được chia làm 2 giai đoạn.
Giai đoạn hình thành độ bền trước nung (hay còn gọi là độ bền tươi) và giai
đoạn hình thành độ bền khi nung. Ở giai đoạn hình thành độ bền tươi,
khuôn có thể được đóng rắn bằng sự thay đổi pH hoặc bằng sự khử nước
vật lý hoặc bằng sự kết hợp của cả 2 cơ chế trên nhằm giảm thời gian chế
tạo khuôn. Trong đó, chất tạo gel được sử dụng trước nhằm tạo độ bền ban
đầu cần thiết cho khuôn và quá trình sấy mất nước sẽ tạo cho khuôn đạt độ
bền tươi cao nhất. Còn quá trình nung khuôn sẽ tạo ra độ bền liên kết và độ
7



ổn định ở nhiệt độ cao cho khuôn khối. Các nghiên cứu của luận án cũng sẽ
sử dụng phương án đóng rắn kết hợp để chế tạo mẫu thí nghiệm và chế tạo

khuôn khối một lớp.
2.5. Vật liệu chịu lửa và chất phụ
Trình bày ảnh hưởng các tính chất lý hóa của vật liệu chịu lửa sử dụng
trong nghiên cứu là ZrSiO
4
và SiO
2
. Đặc biệt sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới
SiO
2
và ZrSiO
4
đã được nghiên cứu và đánh giá. Từ đó xác định được vật
liệu làm khuôn khối trên cơ sở hỗn hợp của thạch anh và ziếc côn chính là
sự chuyển biến thù hình của thạch anh. Sự chuyển biến thù hình của thạch
anh ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng khuôn khối đúc, chuyển biến thù
hình ở thạch anh kéo theo sự thay đổi thể tích của nó. Khi sự giãn nở này
vượt quá giới hạn cho phép thì nó sẽ gây ra nứt khuôn và làm giảm độ bền
của khuôn khối.
Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, các sản phẩm từ mía đường
(đường tinh luyện và mật mía) là khá phổ biến và có giá thành rẻ, chất phụ
này có tính dẻo cao (có cấu trúc mạch thẳng) có thể bổ trợ cho tính cứng và
ròn của chất dính thủy tinh lỏng (đặc biệt là thủy tinh lỏng mô đun cao) nên
có thể cải thiện độ bền cho hỗn hợp khuôn khối. Đặc biệt, các sản phẩm từ
mía đường có khả năng hòa tan rất tốt trong môi trường nước nên chúng có
khả năng hòa tan vào thủy tinh lỏng. Hơn nữa, đây là chất phụ hữu cơ nên
chúng dễ dàng bị phân hủy sau khi nung khuôn mà không để lại những “tạp
chất” gây hại cho khuôn khối. Do vậy, luận án sẽ sử dụng nước mật mía
như một chất dính phụ nhằm cải thiện độ bền cho khuôn khối một lớp.
2.6. Thông số nhiệt lý và hệ số giãn nở nhiệt

Trình bày vai trò và ảnh hưởng của các thông số nhiệt lý của vật liệu
làm khuôn tới chất lượng vật đúc, phương pháp xác định các thông số nhiệt
lý cơ bản như hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt bằng thực nghiệm
và mô phỏng. Bên cạnh đó, lý thuyết về hệ số giãn nở nhiệt cũng được
nghiên cứu để xác định được phương pháp tính toán hệ số giãn nở nhiệt
thông qua kết quả đo trên máy Phân tích cơ nhiệt.

CHƢƠNG 3: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Trình bày các đối tượng nghiên cứu của luận án sử dụng làm nguyên
vật liệu đầu vào cho nghiên cứu là: bột ziếc côn, bột thạch anh, chất dính
thủy tinh lỏng, keo silic, nước mật mía, chất tạo gel NH
4
Cl. Kết quả phân
tích thành phần, độ hạt của vật liệu đầu vào cho nghiên cứu.
8



3.2. Thiết bị và phƣơng pháp 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). Các thiết bị cần thiết cho nghiên cứu
như: lò nung có hệ thống kiểm soát nhiệt độ, phân tích tổ chức và thành
phần bằng máy SEM, XRD, EDS, hiển vi quang học, phân tích giãn nở
nhiệt bằng máy TMA (DIL 402PC – Netzsch, Đức). Đánh giá cơ tính bằng
máy đo cơ tính vạn năng MTS - 793 của Mỹ. Đo trường nhiệt độ bằng máy
đo nhiệt độ tự động Omega của Mỹ, cùng thời điểm có thể đo được 8 can
nhiệt.
3.3. Mô hình thực nghiệm

3.3.1. Chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao
Quá trình chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao được thực hiện theo sơ đồ
thực nghiệm ở hình 3.10

Hình 3.10: Sơ đồ thực nghiệm chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao
3.3.2. Chế tạo mẫu khuôn gốm
Quy trình chế tạo chung của mẫu khuôn gốm như sau: hỗn hợp bột
chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
được trộn đều với chất tạo gel NH
4
Cl 25% (chiếm
10% khối lượng chất dính) trong vòng khoảng 2 – 3 phút. Sau đó hỗn hợp
sẽ được trộn đều với chất dính thủy tinh lỏng trong vòng 2 – 3 phút. Trộn
xong, hỗn hợp được đổ vào khuôn mẫu dạng trụ và khuôn mẫu dạng thanh,
sau khoảng 30 phút để phản ứng tạo gel diễn ra hoàn toàn thì lấy mẫu ra
khỏi khuôn và cho vào lò sấy ở 80
o
C trong vòng 12 giờ. Tiếp đó, mẫu được
9



cho vào lò nung với tốc độ nâng nhiệt trung bình là 4
o
C/phút, thời gian giữ
nhiệt là 2 giờ.
3.3.3. Xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn

gốm bằng mô phỏng và thực nghiệm
Can nhiệt số 1 được đặt vào trong vật đúc cách bề mặt khuôn 10mm,
các can nhiệt từ số 2 đến 5 đặt ở trong khuôn cách bề mặt vật đúc lần lượt
là 0; 5; 10; 15mm. Trước khi đúc, khuôn được nung nóng lại trong lò điện.
Khi khuôn đã đạt được nhiệt độ yêu cầu, khuôn được đưa tới vị trí rót.
Hợp kim nhôm AlSi7 được nấu chảy và khi nhôm lỏng đạt nhiệt độ 750
o
C
thì tiến hành rót khuôn đạt chiều cao 100mm. Nhiệt độ khuôn tại thời điểm
rót nhôm là 670°C. Nhiệt độ ở năm can nhiệt đã được ghi lại bằng máy
tính. Kết quả đo được dùng để xác định hệ số khuếch tán nhiệt và hệ số dẫn
nhiệt theo công thức:
)
.τa2.
X
).erf(T(TTT
mttxmtτ)(X,

(3.5)
Quá trình mô phỏng trường nhiệt độ của khuôn gốm được tiến hành
bằng phần mềm ProCast 2008.

Hình 3.17: Sơ đồ thực nghiệm cài đặt 5 can nhiệt
3.3.4. Xác định hệ số giãn nở nhiệt của khuôn gốm
Để tiến hành xác định hệ số giãn nở nhiệt, các mẫu được đo bằng máy
đo giãn nở nhiệt TMA với tốc độ nâng nhiệt là 10
o
C/phút. Kết quả đo được
dùng để xác định hệ số giãn nở nhiệt theo công thức 3.6








L
tTtL )//()/(


(3.6)


10



CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Xác định cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng
mô đun cao bằng thực nghiệm
4.1.1. Kết quả và thảo luận

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)
Hình 4.1 trình bày ảnh SEM của hỗn hợp khuôn cát thạch anh –
thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, ở độ phóng đại thấp (hình 4.1a) cho thấy
màng chất dính bao quanh các hạt cát khá trơn bóng và mịn, màng chất
dính không xuất hiện các vết nứt. Ở độ phóng đại cao (hình 4.1b), quan sát
được rất nhiều các hạt nhỏ li ti phân bố đều trên bề mặt màng chất dính,
kích thước các hạt nằm trong khoảng 100 – 200 nm. Kết quả phân tích

EDS cho thấy: nền là gel silisic và các hạt nhỏ li ti này là natri silicát. Kết
quả phân tích ở các mẫu sử dụng mô đun cao bằng 4 và 5 cho thấy, mô đun
càng cao thì các hạt natri silicát càng lớn.
Đặc biệt, thời gian tạo gel lâu đã làm cho các hạt natri silicát hình
thành chậm hơn, do đó chúng có kích thước nhỏ hơn và phân bố đều trên
nền gel silic. Ở mô đun thủy tinh lỏng cao hơn, quá trình hình thành gel
diễn ra nhanh hơn, phản ứng giữa thủy tinh lỏng và NH
4
Cl diễn ra ít hơn và
do đó lượng Na còn lại trong natri silicát cũng nhiều hơn. Thời gian tạo gel
ngắn đã làm cho các hạt natri silicát hình thành nhanh hơn, có kích thước
hạt lớn hơn và làm tăng độ xốp của màng chất dính, đây chính là nguyên
nhân làm giảm độ bền của hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô
đun cao.
4.1.2. Nhận xét
Phần cơ sở lý thuyết ở chương 2 cho thấy, thủy tinh lỏng dính kết
các hạt cát (trong khuôn và ruột) có thể được đóng rắn bằng sự thay đổi pH
11



hoặc bằng sự khử nước vật lý hoặc bằng sự kết hợp của cả 2 cơ chế trên và
sản phẩm cuối cùng sau đóng rắn đều là gel silisic. Tuy nhiên, bằng các
phân tích ở trên cho thấy, sản phẩm sau đóng rắn của thủy tinh lỏng mô
đun cao là nền gel silisic và các hạt natri silicát. Các hạt natri silicát có ảnh
hưởng rất lớn tới độ bền của hỗn hợp, các hạt này càng lớn thì càng làm
tăng độ xốp và giảm độ bền của hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng
mô đun cao.
4.2. Tính chất công nghệ của khuôn gốm
4.2.1. Tỷ trọng của khuôn gốm

Tỷ trọng của mẫu khuôn gốm phụ thuộc vào các tham số vật liệu đầu
vào khác nhau như: mô đun thủy tinh lỏng, nhiệt độ nung, tỷ lệ pha trộn
bột ziếc côn và thạch anh, tỷ trọng thủy tinh lỏng và hàm lượng nước mật
mía đã được nghiên cứu và phân tích.
Nhìn chung, ảnh hưởng của các tham số vật liệu đầu vào và các tham
số công nghệ tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm là không nhiều, tỷ trọng của
mẫu khuôn gốm nằm trong khoảng từ 2,2 – 2,5 g/cm
3
.
4.2.2. Độ co của khuôn gốm
Độ co của mẫu khuôn gốm giảm dần theo sự tăng mô đun thủy tinh
lỏng và giảm dần của nhiệt độ nung. Độ co tăng dần theo sự tăng của tỷ
trọng thủy tinh lỏng và sự tăng hàm lượng ziếc côn trong hỗn hợp bột chịu
lửa. Trong khi đó, độ co của mẫu khuôn gốm chỉ tăng nhẹ khi hàm lượng
chất dính tăng. Căn cứ vào dữ liệu thực nghiệm được trình bày ở phụ lục,
luận án đã xây dựng phương trình hồi quy xác định độ co phụ thuộc vào
các tham số mô đun thủy tinh lỏng, tỷ trọng thủy tinh lỏng, tỷ lệ pha trộn
bột chịu lửa và nhiệt độ nung.
dΦ = -4,47902 – 0,285M
t.t.l
+ 0,002919T + 3,092561ρ
t.t.l
+ 0,676691462C
Trong đó: dΦ: Độ co của khuôn gốm; M
t.t.l
: Mô đun của thủy tinh lỏng; T:
Nhiệt độ nung; ρ
t.t.l
: Tỷ trọng thủy tinh lỏng và C: Tỷ lệ pha trộn
ZrSiO

4
/SiO
2

4.2.3. Độ xốp của khuôn gốm
Độ xốp của mẫu tăng dần theo sự tăng của mô đun thủy tinh lỏng, tuy
nhiên lại giảm dần khi tăng nhiệt độ nung. Độ xốp của mẫu khuôn gốm
tăng khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
tăng. Tuy nhiên, độ xốp lại giảm
khi tỷ trọng của thủy tinh lỏng tăng. Điều này có thể được lý giải bởi thủy
tinh lỏng có tỷ trọng thấp thì lượng nước mất đi sẽ nhiều, nên sẽ làm tăng
độ xốp của mẫu khuôn gốm. Thủy tinh lỏng có tỷ trọng cao có lượng nước
12



mất đi ít hơn nên độ xốp của nó thấp hơn. Độ xốp đạt giá trị cao nhất ở
vùng khảo sát sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có tỷ trọng bằng 1,27. Tỷ lệ
bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
ở mức thấp (30/70), độ xốp của mẫu khuôn gốm
có giá trị thấp nhất, tuy nhiên giá trị này tăng dần lên khi tỷ lệ bột chịu lửa
ZrSiO
4
/SiO

2
tăng lên. Ở mức tỷ lệ 30/70 được cho là có sự pha trộn hợp lý
giữa các hạt chịu lửa to và hạt chịu lửa nhỏ trong vùng khảo sát nên có độ
xốp thấp nhất. Khi tăng tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa thì lượng hạt chịu lửa có
kích thước siêu mịn (bột ziếc côn) tăng lên, điều này làm cho số lượng lỗ
xốp nhỏ li ti trong mẫu khuôn gốm tăng lên và làm tăng độ xốp. Trong khi
đó, hàm lượng chất dính ảnh hưởng không nhiều tới độ xốp của mẫu khuôn
gốm. Khi hàm lượng chất dính thay đổi từ 23 – 27% khối lượng bột chịu
lửa thì độ xốp của nó thay đổi không nhiều, từ 39,88% giảm xuống còn
38,95%.

Hình 4.19: Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ xốp của mẫu
khuôn gốm
Độ xốp của các mẫu cũng giảm dần và đạt giá trị thấp nhất trong vùng
khảo sát khi hàm lượng nước mật mía tăng tới 3%. Sau khi đạt giá trị nhỏ
nhất, độ xốp của mẫu khuôn gốm tăng trở lại theo sự tăng của hàm lượng
nước mật mía. Ở mẫu sử dụng mô đun bằng 3, độ xốp tăng trở lại tương
đương với độ xốp của mẫu không sử dụng nước mật mía. Thậm trí khi hàm
lượng nước mật mía lớn hơn 7% thì độ xốp của nó còn lớn hơn độ xốp của
mẫu không sử dụng nước mật mía, như được trình bày ở hình 4.19. Nhìn
chung, do bản thân nước mật mía có tính axit nhẹ (độ pH = 5,7) nên khi
tăng hàm lượng nước mật mía thì nó sẽ thúc đẩy quá trình tạo gel xảy ra
nhanh hơn và các gel này cũng xốp hơn.
13



Tương tự như cách xác định phương trình hồi quy cho độ co, phương
trình hồi quy của độ xốp là:
γ

k
= 81,72691 + 4,145 M
t.t.l
– 0,03752T – 24,893ρ
t.t.l
+ 14,52164C
4.3. Cơ tính của khuôn gốm
Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền nén
của mẫu được đưa ra ở hình 4.20 và tới độ bền uốn của mẫu ở hình 4.21.
Kết quả phân tích cho thấy, độ bền nén và uốn giảm đáng kể khi tăng mô
đun thủy tinh lỏng và giảm nhiệt độ nung. Ở mô đun thủy tinh lỏng càng
nhỏ thì ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ bền nén và uốn lớn hơn ở mô
đun cao.
Theo kết quả phân tích ở trên, do không có sự tạo thành pha mới nên
độ bền của mẫu khuôn gốm thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào độ xốp của nó.
Ở nhiệt độ thiêu kết lớn nhất trong khoảng khảo sát thì đạt độ bền cao nhất
và độ xốp thấp nhất. Ta có thể nâng cao nhiệt nung lên trên 1000
o
C để tăng
thêm độ bền cho mẫu khuôn gốm, tuy nhiên điều này là không cần thiết vì
trong khoảng nhiệt độ 950 – 1000
o
C, đã đạt được độ bền cần thiết đối với
khuôn gốm. Đặc biệt, việc nâng cao nhiệt độ nung sẽ làm giảm độ xốp,
tăng chi phí sản xuất khuôn và tăng thời gian chế tạo khuôn.

Hình 4.20: Ảnh hưởng của mô đun
thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ
bền nén của mẫu khuôn gốm

Hình 4.21: Ảnh hưởng của mô đun
thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới
độ bền uốn của mẫu khuôn gốm
Cơ tính của mẫu khuôn gốm tăng khi tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng và tỷ
lệ bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
tăng. Đặc biệt, độ bền nén và độ bền uốn tăng
khá cao khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
lớn hơn 50/50 và tỷ trọng của
thủy tinh lỏng lớn hơn 1,33 g/cm
3
. Độ bền nén và độ bền uốn của mẫu
khuôn gốm đạt giá trị lớn nhất ở tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
cao nhất
trong vùng khảo sát (70/30) và tỷ trọng thủy tinh lỏng bằng 1,38 g/cm
3
lần
lượt là 29 MPa và 17 MPa. Độ bền nén và uốn của mẫu khuôn gốm tăng
dần khi hàm lượng chất dính tăng và đạt giá trị cực đại ở 24%, sau đó độ
14

bền nén và uốn giảm khi hàm lượng chất dính tăng. Độ bền nén của mẫu
khuôn gốm sau khi đạt giá trị cực đại trong vùng khảo sát đã giảm giá trị
khá nhiều, trong khi đó độ bền uốn của nó thay đổi không nhiều. Giá trị lớn
nhất của độ bền uốn và nén đạt được ở 24% chất dính lần lượt là 8,33 MPa
và 17,25 MPa.
Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền nén của mẫu
khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun bằng 3 và 4, nung ở
các nhiệt độ khác nhau (850
o
C và 950
o
C). Kết quả cho thấy, độ bền nén
của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 4 và nung ở
850
o
C không thay đổi nhiều khi hàm lượng nước mật mía tăng từ 1% đến
9%. Giá trị độ bền nén của nó nằm trong khoảng từ 8,7 đến 12,5 MPa. Tuy
nhiên, ở các mẫu còn lại độ bền nén tăng khá nhanh khi hàm lượng nước
mật mía tăng và đạt giá trị cực đại khi hàm lượng nước mật mía bằng 3%.
Sau khi đạt giá trị lớn nhất thì độ bền nén của các mẫu này đều giảm dần
khi hàm lượng nước mật mía lớn hơn 3%. Mặt khác, cùng một hàm lượng
nước mật mía thêm vào thì độ bền nén của mẫu khuôn gốm tăng khi nhiệt
độ nung tăng và độ bền nén giảm khi mô đun thủy tinh lỏng tăng. Ở mẫu
sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 và 3% nước mật mía thì khi thay
đổi nhiệt độ nung, độ bền nén của mẫu khuôn gốm thay đổi lớn nhất từ
12,5 MPa đến 21,7 MPa. Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ
bền uốn của mẫu khuôn gốm cũng tương tự như ảnh hưởng của nước mật
mía tới độ bền nén. Tuy nhiên, sự tác động của nước mật mía tới độ bền
uốn ở mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 là không

đáng kể và nó tác động mạnh hơn tới mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh
lỏng có mô đun bằng 3. Độ bền uốn của mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn
nhất khi hàm lượng mật mía thêm vào bằng 3%, sau đó giảm dần. Mẫu
khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, nung ở 950
o
C có
lượng giảm lớn nhất từ 21 MPa (ở 3% nước mật mía) giảm xuống còn 12
MPa (ở 9% nước mật mía).
- Phương trình hồi quy cho độ bền uốn:
σ
u
= -64,5666 – 5,2825M
t.t.l
+ 0,038703T + 35,26325ρ
t.t.l
+ 20,19854C
- Phương trình hồi quy cho độ bền nén:
σ
n
= -126,057 – 9,6835M
t.t.l
+ 0,069369T + 75,32468ρ
t.t.l
+ 26,22925C
Từ các phương trình hồi quy ở trên, kết hợp với các điều kiện lý thuyết
về các tính chất của khuôn gốm sử dụng các chất dính cao cấp như keo silic
hay ethyl silicát đã được trình bày phần tổng quan làm cơ sở để xác định
15

thành phần tối ưu cho hỗn hợp làm khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh
lỏng trong phạm vi nghiên cứu. Để giải bài toán tối ưu này, công cụ Solver
trong Excel đã được sử dụng.
Kết quả giải bài toán tối ưu bằng công cụ Solver như sau:
M
t.t.l
= 4; T = 938
o
C; ρ
t.t.l
= 1,36; C = 0,7 (tỷ lệ ZrSiO
4
/SiO
2
= 70/30) và
các giá trị về độ co, độ xốp, độ bền nén và độ bền uốn được trình bày ở
bảng 4.3.
Bảng 4.3: Bảng giá trị tối ưu
Độ co (%)
Độ xốp (%)
Độ bền nén
(MPa)
Độ bền uốn
(MPa)
1,8
39,4
21,1
12,7

4.4. Cấu trúc và tổ chức tế vi của mẫu khuôn gốm
4.4.1. Cấu trúc của mẫu khuôn gốm

Hình 4.27: Ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sau khi đóng rắn (chưa nung)
Hình 4.27 và hình 4.28 trình bảy ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sử
dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô-đun bằng 4 sau khi đóng rắn và sau
khi nung ở 950
o
C, kết quả phân tích cho thấy không có sự tạo thành pha
mới khi thay đổi nhiệt độ nung mà chỉ có sự chuyển biến thù hình của cát
thạch anh. Ở mẫu chưa nung, cát thạch anh (SiO
2
) tồn tại ở dạng Quartz
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M4 chua nung
00-004-0551 (D) - Rutile - TiO2 - Y: 2.12 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.59400 - b 4.59400 - c 2.95800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 62.4281 - F3
03-065-0466 (C) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: 33.83 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91410 - b 4.91410 - c 5.40600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 - 1
01-071-0991 (C) - Zircon - ZrSiO4 - Y: 28.78 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 6.61200 - b 6.61200 - c 5.99400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 2
File: Minh BK mau M=4.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.
Lin (Cps)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000

1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2-Theta - Scale
21 30 40 50 60 70
d=3.336
d=3.297
d=3.245
d=2.649
d=2.521
d=2.453
d=2.334
d=2.281
d=2.221
d=2.123
d=2.066
d=1.978
d=1.911

d=1.817
d=1.752
d=1.713
d=1.651
d=1.541
d=1.477
d=1.451
d=1.380
d=1.363
16



thấp chuyển thành các dạng alpha ở nhiệt độ nung 850
o
C, dạng Quartz ở
900
o
C và cuối cùng tồn tại ở dạng Quartz thấp alpha ở nhiệt độ 950
o
C và
1000
o
C. Mặt khác, ảnh XRD của mẫu khuôn gốm có mô đun bằng 4, nung
ở 950
o
C và bổ sung thêm 3% nước mật mía cho kết quả tương tự như mẫu
không bổ sung thêm nước mật mía

Hình 4.28: Ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sau khi nung ở 950

o
C

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)
Kết quả phân tích cho thấy các hạt thạch anh được phân bố khá đồng
đều trên nền bột ziếc – côn. Đặc biệt, các lỗ xốp nhỏ li ti có kích thước nhỏ
hơn 10 µm được quan sát khá rõ và phân đố đồng đều trên nền mẫu phân
tích (hình 4.31). Bề mặt của mặt gãy có mô đun càng cao thì càng có độ
phẳng hơn bề mặt gãy của bề mặt có mô đun thấp. Mẫu khuôn gốm sử
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M4-950C
01-075-1750 (D) - Rutile - TiO2 - Y: 4.87 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.59370 - b 4.59370 - c 2.95870 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 - 62.4347 -
01-087-2096 (C) - Quartz low - alpha-SiO2 - Y: 45.35 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91270 - b 4.91270 - c 5.40450 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 -
01-083-1374 (C) - Zircon - ZrSiO4 - Y: 15.70 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 6.60420 - b 6.60420 - c 5.97960 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 2
File: Minh BK mau M=4-950C.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 19 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° -
Lin (Cps)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100

1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2-Theta - Scale
20 30 40 50 60 70
d=4.246
d=4.420
d=3.330
d=3.291
d=3.242
d=2.645
d=2.516
d=2.453
d=2.331
d=2.278
d=2.214
d=2.184

d=2.124
d=2.064
d=2.484
d=1.978
d=1.907
d=1.815
d=1.750
d=1.711
d=1.687
d=1.669
d=1.650
d=1.622
d=1.542
d=1.495
d=1.476
d=1.451
d=1.380
d=1.362
17



dụng thủy tinh lỏng mô đun 3 có mặt gãy với độ nhấp nhô lớn nhất còn
mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun 5 có mặt gãy khá bằng
phẳng. Điều này được lý giải là do mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng
mô đun thấp có độ bền cao hơn và có độ xốp nhỏ hơn nên khi bị bẻ gãy sẽ
tạo ra mặt gãy có độ nhấp nhô lớn hơn mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh
lỏng mô đun cao.

Hình 4.35: Ảnh SEM lớp vỏ mẫu

khuôn gốm sử dụng 24% chất dính

Hình 4.37: Ảnh SEM lớp vỏ mẫu
khuôn gốm sử dụng 27% chất dính

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)
Bề mặt của mẫu khuôn gốm sử dụng 24% chất dính thủy tinh lỏng khá
mịn và hầu như không có vết nứt nào được quan sát thấy như được trình
bày ở hình 4.35. Tuy nhiên, khi hàm lượng chất dính tăng lên, các vết nứt
trên bề mặt mẫu khuôn gốm dần xuất hiện với mật độ ngày càng tăng theo
hàm lượng chất dính. Đặc biệt các vết nứt này cũng to hơn theo hàm lượng
chất dính thủy tinh lỏng tăng như được trình bày ở hình 4.37 (27% chất
18



dính). Sự xuất hiện các vết nứt này được lý giải là do sử dụng hàm lượng
thủy tinh lỏng lớn sẽ kéo theo lượng nước trong chất dính cần giải phóng ra
lớn, chính sự mất nước này làm tăng độ co của mẫu khuôn gốm, tăng khả
năng nứt khuôn và làm giảm độ bền của mẫu khuôn gốm.

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)

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)
Các lỗ xốp ở mẫu khuôn gốm không có nước mật mía được quan sát
khá rõ ở ảnh SEM mặt gãy của mẫu, mẫu khuôn gốm sử dụng 1% nước
mật mía có kích thước nhỏ hơn 20µm như được trình bày ở hình 4.38b. Ở
mẫu chứa 3% nước mật mía, hầu như không quan sát được các lỗ xốp có
kích thước lớn hơn 5µm, các lỗ xốp có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 1µm)
được phân bố đều trên bề mặt mẫu khuôn gốm chứa 3% nước mật mía như
19



được trình bày ở hình 4.39b. Tuy nhiên, khi hàm lượng mật mía trong mẫu
khuôn gốm tăng lên 5%, thì các lỗ xốp to có kích thước lớn hơn 5µm xuất

hiện trở lại (hình 4.40b)
4.5. Tính chất nhiệt lý của khuôn gốm
4.5.1. Hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng
mô phỏng và thực nghiệm
Hình 4.45 trình bày đường cong nguội của vật đúc (can nhiệt số 1),
biên giới giữa khuôn - vật đúc (can nhiệt số 2) và của khuôn (can nhiệt số
4) bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy, tốc độ nguội ở ba vị trí là khá
tương đồng được thể hiện bằng ba đường cong nguội gần như song song
với nhau.

Hình 4.45: Đường cong nguội của vật đúc và khuôn gốm bằng thực nghiệm
Ở khoảng nhiệt độ thấp, nhỏ hơn 545
o
C, thì hệ số khuếch tán nhiệt độ
giữa mô phỏng và thực nghiệm là khá tương đồng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ
tăng lên trên 545
o
C thì hệ số khuếch tán nhiệt độ bằng thực nghiệm có xu
hướng giảm nhẹ còn hệ số khuếch tán nhiệt độ bằng mô phỏng hầu như
không thay đổi. Hệ số khuếch tán nhiệt độ trung bình của khuôn gốm bằng
mô phỏng và thực nghiệm là (32±0,5)x10
-6
(m
2
/s) và (31±0,5)x10
-6
(m
2
/s).
Tương tự như hệ số khuếch tán nhiệt độ, ở khoảng nhiệt độ nhỏ hơn

545
o
C, thì độ dẫn nhiệt của mô phỏng và thực nghiệm là khá tương đồng.
Khi nhiệt độ lớn hơn 545
o
C thì độ dẫn nhiệt bằng thực nghiệm có xu hướng
giảm nhẹ còn độ dẫn nhiệt bằng mô phỏng có tăng lên một chút sau đó giữ
ở giá trị ổn định khoảng 80±0,5 (W.m
-1
.K
-1
). Nhìn chung, giá trị độ dẫn
20



nhiệt bằng mô phỏng và thực nghiệm có một sự sai khác nhất định, tuy
nhiên sự sai khác này là khá nhỏ. Giá trị trung bình của độ dẫn nhiệt bằng
mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 79±0,5 (W.m
-1
.K
-1
) và 77.5±0,5
(W.m
-1
.K
-1
).
4.5.2. Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm

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
Hình 4.49 trình bày sự thay đổi kích thước của mẫu khuôn gốm sử
dụng bột chịu lửa ZrSiO
4
/SiO
2
bằng 30/70 (% thể tích) trong quá trình
nung. Kết quả phân tích cho thấy khi nhiệt độ tăng thì kích thước của mẫu
giảm dần và kích thước mẫu đạt giá trị nhỏ nhất trong khoảng nghiên cứu ở
khoảng nhiệt độ 175
o
C, giá trị dL/L
o
bằng khoảng -3,16x10
-3
mm. Sự giảm
kích thước ở khoảng nhiệt độ này được lý giải chủ yếu là do sự mất nước
của thủy tinh lỏng tạo nên. Trong khoảng nhiệt độ này cũng có sự chuyển
biến pha của thạch anh từ γ
tridimit
thành β
tridimit
ở 117
o
C, sự chuyển biến pha

này được thể hiện rất rõ bằng đường vi phân theo thời gian (nét đứt) ở hình
4.49
Sự chuyển pha này đã làm cho kích thước mẫu khuôn gốm tăng trở lại
(giãn nở). Đặc biệt ở khoảng nhiệt độ từ 560 – 680
o
C có sự chuyển biến
pha tiếp theo của thạch anh từ β
quắc
thành α
quắc
. Sự chuyển biến pha này kéo
theo sự tăng kích thước lớn hơn, kích thước mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn
nhất trong vùng nhiệt độ khảo sát. Giá trị dL/L
o
bằng khoảng 7x10
-3
mm.
Kết thúc sự chuyển pha này thì kích thước của mẫu có xu hướng giảm do
sự co ngót chung của vật liệu. Từ kết quả đo này, áp dụng lý thuyết dễ
dàng tính được hệ số dãn nỡ nhiệt của mẫu khuôn gốm. Hệ số giãn nở nhiệt
100 200 300 400 500 600 700 800
Temperature /°C
-2
0
2
4
6
dL/Lo *10
-3
dL/Lo *10

-3
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
dL/dt *10
-3
/(1/min)dL/dt *10
-3
/(1/min)
[1] mau 30-70.sl4
dL
dL/dt
Peak: 175.2 °C, -3.1609E-03
Temp./°C
32.0, 665.6 :
T. Alpha/(1/K)
10.5019E-06
Temp./°C
665.6, 894.3 :
T. Alpha/(1/K)
-12.8688E-06
[1]
[1]
21



đạt giá trị nhỏ nhất trong bằng khoảng (-31±0,5)x10

-6
(1/
o
C) ở trong lần
chuyển pha đầu tiên và đạt giá trị lớn nhất ở lần chuyển pha thứ hai bằng
khoảng (11,5±0,5)x10
-6
(1/
o
C). Khi tỷ lệ giữa ZrSiO
4
/SiO
2
thay đổi theo
hướng tăng ZrSiO
4
và giảm SiO
2
thì nhìn chung sự chuyển biến pha là
không thay đổi. Tuy nhiên có sự thay đổi rất lớn về kích thước của mẫu
khuôn gốm, giá trị cực trị của dL/L
o
cũng dịch chuyển về phía nhiệt độ cao
hơn theo hướng tăng ZrSiO
4
. Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm
mang giá trị dương giảm dần khi hàm lượng ziếc côn trong hỗn hợp tăng
lên, chỉ còn khoảng 6x10
-6
±0,5 (1/

o
C) ở lần chuyển pha thứ hai khi hàm
lượng ziếc côn tăng lên 60% và luôn mang giá trị âm khi hàm lượng ziếc
côn tăng lên 70% (hình 4.52).

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
Như vậy, mẫu khuôn gốm có xu hướng co hơn và sự thay đổi kích
thước cũng ít hơn khi hàm lượng ziếc côn tăng và điều này sẽ làm giảm
khả năng nứt khuôn khi nung, điều này khá phù hợp với nghiên cứu thực
nghiệm được trình bày phía trên. Nghiên cứu thực nghiệm của luận án đã
chỉ rõ độ bền của khuôn gốm tăng dần theo sự tăng của hàm lượng ziếc côn
trong hỗn hợp khuôn gốm.
4.6. Đúc thử nghiệm
Độ co của khuôn và vật đúc của mẫu có sự dao động nhẹ theo kích
thước, có thể là do sai số của quá trình đo. Nhìn chung, độ co trong lòng
khuôn bằng khoảng 1,7 – 1,9% và độ co của vật đúc khoảng 3,8 – 4,0%
(bao gồm cả độ co của kim loại đúc C40).
100 200 300 400 500 600 700 800
Temperature /°C
-5
-4
-3
-2
-1
0

dL/Lo *10
-3
dL/Lo *10
-3
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
dL/dt *10
-3
/(1/min)dL/dt *10
-3
/(1/min)
[2] nhom 1 - Mau sau.sl4
dL
dL/dt
Peak: 322.4 °C, -5.3689E-03
Peak: 675.3 °C, -0.9884E-03
Temp./°C
322.0, 676.0 :
T. Alpha/(1/K)
12.3721E-06
Temp./°C
675.0, 894.0 :
T. Alpha/(1/K)
-16.3652E-06

Temp./°C
36.0, 321.0 :
T. Alpha/(1/K)
-18.8206E-06
[2]
[2]
22






Hình 4.57: Sản phẩm đúc thử
Sản phẩm đúc ra được làm sạch sơ bộ (chưa qua phun bi) và được trình
bày ở hình 4.57. Số lượng sản phẩm đúc thử là 5 sản phẩm, nhân viên đại
diện của công ty Monarch đánh giá sơ bộ về ngoại quan và kích thước của
5 sản phẩm đều đạt tiêu chuẩn nhập hàng của công ty Monarch Industries
Limited, Hoa Kỳ. Cụ thể các tiêu chuẩn kiểm tra là dung sai kích thước đúc
(cụ thể theo dung sai kích thước ghi trên bản vẽ) và độ nhám bề mặt bằng
2,54 – 3,05µm

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN
1. Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số công nghệ tới
các tính chất của khuôn gốm, tập trung vào hai đối tượng nghiên cứu chính
là vật liệu chịu lửa và chất dính. Trong đó, tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa giữa
ZrSiO
4
/SiO
2

(bằng 30/70; 40/60; 50/50; 60/40 và 70/30), mô đun của thủy
tinh lỏng (bằng 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 và 5,0), tỷ trọng của thủy tinh lỏng (bằng
1,27; 1,30; 1,33; 1,36 và 1,38) và nhiệt độ nung (bằng 850; 900; 950 và
1000
o
C) đã được nghiên cứu và đánh giá vai trò ảnh hưởng tới chất lượng
khuôn gốm. Ngoài ra, ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng
(từ 23 – 27%) và chất dính phụ là nước mật mía (có hàm lượng từ 1 – 9%
khối lượng chất dính) cũng đã được nghiên cứu và phân tích. Luận án cũng
đã nghiên cứu và xác định được các giá trị về hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch
tán nhiệt độ và hệ số giãn nở nhiệt của khuôn gốm. Đặc biệt, phương pháp
chế tạo mô đun thủy tinh lỏng mô đun cao (lớn hơn 3) và xác định cơ chế
đóng rắn của thủy tinh lỏng mô đun cao (từ 3,0 – 5,0) cũng đã được nghiên
cứu, phân tích và đánh giá trong luận án.
23



2. Trong khoảng nghiên cứu mô đun thủy tinh lỏng thay đổi trong
phạm vi từ 3 đế 5 và nhiệt độ nung thay đổi trong phạm vi từ 850-1000
o
C
cho thấy khi tăng mô đun của thủy tinh lỏng thì độ bền, độ co và tỷ trọng
của khuôn giảm, độ xốp của nó tăng. Ngược lại, khi tăng nhiệt độ nung thì
độ bền, độ co và tỷ trọng của khuôn tăng, độ xốp của nó giảm. Mặt khác,
khi thay đổi tỷ lệ bột chịu lửa và tỷ trọng thủy tinh lỏng thì độ bền, độ co,
độ xốp và tỷ trọng của khuôn gốm tăng khi tăng hàm lượng bột ZrSiO
4
.
Tuy nhiên, độ xốp của khuôn gốm lại giảm còn tỷ trọng, độ bền và độ co

của khuôn gốm tăng khi tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng. Đặc biệt, luận án đã
xây dựng phương trình hồi quy cho các giá trị độ co (1), độ xốp (2), độ bền
uốn (3) và độ bền nén (4). Từ đó tìm ra thành phần tối ưu của khuôn gốm
gồm: mô đun thủy tinh lỏng bằng 4, nhiệt độ nung bằng 950
o
C, tỷ trọng
thủy tinh lỏng mô đun 4 bằng 1,36 và tỷ lệ ZrSiO
4
/SiO
2
= 70/30. Với thành
phần này, giá trị độ co, độ xốp, độ bền uốn và độ bền nén tương đương với
khuôn gốm sử dụng chất dính cao cấp như keo silic hay ethyl silicát, các
giá trị này lần lượt bằng 1,8%; 39,4%; 12,7 MPa và 21,1 MPa.
dΦ = -4,47902 – 0,285M
t.t.l
+ 0,002919T + 3,092561ρ
t.t.l
+ 0,6766914C (1)
γ
k
= 81,72691 + 4,145 M
t.t.l
– 0,03752T – 24,893ρ
t.t.l
+ 14,52164C (2)
σ
u
= -64,5666 – 5,2825M
t.t.l

+ 0,038703T + 35,26325ρ
t.t.l
+ 20,19854C (3)
σ
n
= -126,057 – 9,6835M
t.t.l
+ 0,069369T + 75,32468ρ
t.t.l
+ 26,22925C (4)
3. Sự ảnh hưởng của hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng và chất dính
phụ mật mía tới khuôn gốm cũng đã được nghiên cứu trong luận án. Trong
khoảng nghiên cứu, độ bền của khuôn gốm đạt giá trị cao nhất khi hàm
lượng chất dính bằng 24% và hàm lượng mật mía bằng 3% khối lượng chất
dính. Tuy nhiên, độ xốp của khuôn gốm giảm dần khi hàm lượng chất dính
thủy tinh lỏng tăng còn giá trị độ xốp của khuôn gốm đạt giá trị nhỏ nhất
khi hàm lượng nước mật mía bằng 3%. Nhìn chung, lượng mật mía thêm
vào đã cải thiện đáng kể độ bền của khuôn gốm và chỉ làm giảm độ xốp đi
rất ít so với khuôn gốm không sử dụng chất phụ do đó không làm giảm độ
thông khí của khuôn. Lượng dùng phù hợp là khoảng 24 – 25% chất dính
và 3% nước mật mía.
4. Đã nghiên cứu quá trình giãn nở nhiệt của khuôn gốm khi nung để
từ đó đã xác định được khoảng nhiệt độ chuyển pha của thạch anh kéo theo
sự thay đổi kích thước của khuôn gốm. Hai khoảng nhiệt độ có sự chuyển
pha là 117
o
C và 573
o
C, ở khoảng nhiệt độ này, tốc độ nâng nhiệt nên để
bằng 0 trong một khoảng thời gian nhất định (khoảng 30 phút) để quá trình

chuyển pha diễn ra hoàn toàn, như vậy sẽ giảm khả năng nứt khuôn tới
24



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. Nghiên cứu này cũng đã chỉ ra được khi 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.
5. Đã xác định được hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt bằng
thực nghiệm. Đặc biệt, kết quả thực nghiệm này đã được so sánh với lý
thuyết thông qua phần mềm mô phỏng Procast 2008. Kết quả cho thấy, hệ
số khuếch tán nhiệt độ và độ 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 độ dẫn nhiệt 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
)).
6. Đặc biệt, luận án đã xác định được cơ chế đóng rắn của thủy tinh
lỏng mô đun cao. 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. Các nghiên cứu trước đó đều cho rằng thủy tinh lỏng
dính kết các hạt cát có thể được đóng rắn bằng sự thay đổi pH hoặc bằng sự
khử nước vật lý hoặc bằng sự kết hợp của cả 2 cơ chế trên và sản phẩm
cuối cùng sau đóng rắn đều là gel silisic. Do đó, kết quả nghiên cứu của
luận án có thể coi là một phát hiện mới về cơ chế đóng rắn của thủy tinh
lỏng, đặc biệt là đối với thủy tinh lỏng mô đun cao trong điều kiện ở nước
ta hiện nay.
7. Đã tiến hành đúc thử sản phẩm xuất khẩu của công ty Monarch
Industries Limited, Hoa Kỳ theo thành phần phần khuôn và chế độ công
nghệ ở trên. Kết luận ban đầu là 100% sản phẩm đúc thử đạt yêu cầu về
dung sai kích thước đúc (cụ thể theo dung sai kích thước ghi trên bản vẽ)
và độ nhám bề mặt bằng 2,54 – 3,05µm, đạt tiêu chuẩn của công ty
Monarch Industries Limited, Hoa Kỳ.