Công Nghệ Chế Tạo Phôi Sản Xuất Đúc Hợp Kim Đúc

Bµi gi¶ng

C¤NG NGHÖ chÕ t¹o PH¤I

S¶n xuÊt ®óc
1


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

Chơng 3 - hợp kim đúc
1- Tính đúc của kim loại và hợp kim
Tính đúc của một kim loại hay hợp kim nào đó đợc
đánh giá bởi khả năng đúc đạt chất lợng cao hay thấp của
bản thân kim loại hay hợp kim đó.
Nói nh vậy rõ ràng tính đúc là một thuộc tính công
nghệ phụ thuộc vào hàng loạt các tính chất khác của kim
loại và hợp kim nh: tính chảy loãng, tính co ngót, tính thiên
tích và tính hoà tan khí.

2


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

1- Tính chảy loãng:
a) Khái niệm:
Là mức độ chảy loãng ra một diện tích rộng hay hẹp
của kim loại hoặc hợp kim đợc khảo sát. Rõ ràng tính chảy
loãng ảnh hởng đến khả năng điền đầy khuôn đúc. Nếu kim
loại và hợp kim có tính chảy loãng thấp thì vật đúc có thể bị

thiếu, hụt, hình dáng không rõ nét đặc biệt đối với những vật
đúc thành mỏng, kết cấu phức tạp.

3


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

b) Các nhân tố ảnh hởng đến tính chảy loãng:
Tính chảy loãng của kim loại và hợp kim chịu ảnh h
ởng của các nhân tố sau:
- Nhiệt độ: Nhìn chung nhiệt độ tăng, độ chảy loãng cũng
tăng nhng chỉ đến một giới hạn nhất định phụ thuộc vào
từng kim loại và hợp kim.
- Cấu trúc hợp kim: Các kim loại nguyên chất và hợp kim
cùng tinh có độ chảy loãng cao hơn các hợp kim có cấu tạo
ở dạng dung dịch đặc và hợp chất hoá học. Ví dụ thép có độ
chảy loãng thấp hơn gang vì gang có thành phần hoá học
gần điểm cùng tinh hơn.

4


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- ảnh hởng của tạp chất:
Trong kim loại và hợp kim càng nhiều các tạp chất khó
chảy nh màng ôxyt, nitrít thì độ chảy loãng càng thấp vì sức
cản của chúng rất lớn làm tăng độ sệt động lực của hệ.
- ảnh hởng của thành phần hoá học của kim loại và hợp

kim:
Phốt pho có trong thành phần của kim loại và hợp kim sẽ
làm tăng độ chảy loãng vì nó tạo thành hợp chất dễ chảy.
Các nguyên tố có nhiệt độ chảy cao nh Cr, Ti làm giảm độ
chảy loãng vì tạo ôxyt khó chảy.

5


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- ảnh hởng của khuôn:
Khuôn có độ nhám cao, độ ẩm lớn sẽ làm giảm độ chảy
loãng của kim loại và hợp kim. Nếu tính dẫn nhiệt của vật
liệu làm khuôn lớn thì độ chảy loãng của kim loại rót khuôn
cũng giảm.
- ảnh hởng của hình thức rót kim loại lỏng vào khuôn:
Khi rót khuôn với vận tốc rót nhỏ, kim loại chảy vào
khuôn theo chế độ chảy tầng, tốc độ chảy của các lớp sát
thành khuôn bằng không. Do có sự truyền nhiệt từ dòng
chảy vào thành khuôn nên lớp kim loại sát thành khuôn sẽ
nhanh chóng đông đặc. Kết quả là diện tích dòng chảy giảm
dần, độ chảy loãng vì thế cũng giảm.

6


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

2- Tính thiên tích:

a) Khái niệm
Thiên tích là hiện tợng không đồng nhất về thành
phần hoá học trong toàn bộ vật đúc. Sự thiên tích làm giảm
cơ tính của vật đúc, giảm khả năng chịu ăn mòn v.v... gây
nên h hỏng vật đúc khi làm việc.
Ngời ta chia thiên tích ra hai dạng:
- Thiên tích vùng:
Là sự không đồng nhất vì thành phần hoá học giữa
các vùng của vật đúc.
Các nguyên nhân chính gây ra thiên tích vùng có thể
là sự khác biệt lớn về tỷ trọng của các nguyên tố thành phần
trong hợp kim. Các nguyên tố nặng có xu hớng tập trung ở
phần dới của vật đúc, các nguyên tố nhẹ và tạp chất phi kim,
7
bọt khí có xu hớng tập trung ở phần trên của vật đúc.


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- Thiên tích hạt (thiên tích nhánh cây):
Là sự không đồng nhất về thành phần hoá học trong nội
bộ một hạt kim loại.
Nguyên nhân chính sinh ra khuyết tật thiên tích hạt là do
nhiệt độ kết tinh của các nguyên tố trong hợp kim khác
nhau.
Với những hợp kim có khoảng kết tinh rộng thì bản thân
hạt kim loại cũng có thể bị ngậm xỉ và bọt khí gây nên thiên
tích hạt.
Để giảm thiên tích hạt cần làm nguội chậm vật đúc sau
khi đã kết tinh hoàn toàn đến nhiệt độ thờng để dới tác dụng

của nhiệt độ cao các nguyên tử của các nguyên tố thành
phần trong hợp kim có đủ thời gian khuếch tán tơng hỗ dẫn
8
đến đồng đều vì thành phần hoá học trong nội bộ hạt.


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

3- Tính co ngót:
Co ngót là hiện tợng giảm thể tích của hợp kim khi giảm
nhiệt độ. Sự giãn nở khi nung nóng và co ngót khi làm
nguội có thể xem nh một quá trình thuận nghịch. Vì vậy độ
co thể tích và co chiều dài có thể biểu diễn bằng phơng
trình sau:
V = V (to1 - to2 ) , %

L = L (to1 - to2 ) , %
Trong đó:
- V , L là hệ số co thể tích và co chiều dài
- to1 và to2 là nhiệt độ đầu và cuối của quá trình khảo sát
co.
9


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

a) Co ở trạng thái lỏng:
Là sự co thể tích bắt đầu từ nhiệt độ rót đến nhiệt độ bắt
đầu kết tinh, đợc tính theo công thức:
Vlỏng = V lỏng. (toR - tobềkt)

Từ công thức trên thấy rõ nhiệt độ rót (tR) càng cao thì l
ợng co ở trạng thái lỏng càng nhiều. Co ở trạng thái lỏng chỉ
làm giảm mức kim loại lỏng trong hốc khuôn, vì vậy nếu
thiết kế hệ thống bù ngót hợp lý thì sẽ không dẫn đến khuyết
tật vật đúc.

10


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

b) Co trong giai đoạn kết tinh:
Là sự co thể tích tính từ lúc bắt đầu kết tinh đến khi kết
thúc quá trình kết tinh, đợc tính theo công thức:
VKt = V kt (to bềkt - toktkt).
Co trong giai đoạn kết tinh là nguyên nhân gây ra khuyết
tật lõm co và rỗ co trong vật đúc.

11


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- Sự hình thành lõm co:
Trong giai đoạn kết tinh vật đúc thờng tản nhiệt mạnh về
phía đáy và thành bên. Vì vậy tại một thời điểm bất kỳ trong
giai đoạn vật đúc đang kết tinh ta đều thấy có hai lớp "da
đông đặc": lớp ở thành bên và lớp ở đáy.

12

Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

Lớp ở đáy co một lợng là:
V . .x2 .d.h.
Lớp ở thành bên co một lợng là: V .2 . . x . (y - H). dx.
Nếu tốc độ tản nhiệt theo phơng x và y là nh nhau thì:
dh = dx và H = R - x.
Độ co tổng cộng sẽ là :
V = . V (2x.y.dx + 3 x2. dx - 2 R.x.dx).
Ngoài ra để điền đầy vật đúc cần bổ sung thêm một lợng kim
loại là :
. x2. dy + V . . x2. dy.
x n
Kết hợp hai phơng trình này giải ra nghiệm : y = H .( R )
Từ quan hệ giữa y và x rút ra nhận xét: lõm co có dạng
nón ngợc nằm ở phía trên vật đúc.
13


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- Sự hình thành rỗ co:
Nếu lõm co là hiện tợng hình thành co tập trung hình
nón ngợc phía trên vật đúc thì rỗ co là hiện tợng co phân tán
rải rác trong toàn bộ vật đúc. Nguyên nhân hình thành rỗ co
là do kim loại kết tinh theo cơ chế nhánh cây làm cho phần
kim loại lỏng nằm giữa các nhánh cây bị cô lập trong quá
trình kết tinh. Kim loại lỏng từ phần cha kết tinh không thể

bổ xung bù co ngót cho phần kim loại lỏng giữa các nhánh
cây. Kết quả cuối cùng là trong không gian giữa các nhánh
cây để lại những lỗ co nhỏ phân tán và đợc gọi là "rỗ co".

14


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- Quan hệ giữa lõm co và rỗ co:
Thấy rằng các hợp kim có khoảng đông hẹp thì có xu h
ớng hình thành lõm co. Ngợc lại các hợp kim có khoảng
đông rộng sẽ có xu hớng hình thành rỗ co. Trong vật đúc
nếu rỗ co nhiều thì lõm co sẽ có thể tích giảm đi.
Biện pháp khắc phục lõm co tốt nhất là đặt đậu ngót để đa
lõm co vào đậu ngót rồi cắt bỏ sau khi đúc.
Để khắc phục rỗ co có thể tăng áp lực lên mặt thoáng kim
loại lỏng trong quá trình kết tinh để tăng khả năng mao dẫn
của kim loại lỏng vào khe hở giữa các nhánh cây do đó giảm
đợc rỗ co.
Sau khi đúc với một số chi tiết dùng phơng pháp rèn hoặc
cán để làm bẹp các rỗ co.
15


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

c) Co ở trạng thái rắn:
Là sự co tính từ nhiệt độ kết thúc kết tinh đến nhiệt độ th
ờng của môi trờng, tính theo công thức:

Vd = vd (toktkt - tomt) = 3. L.(toktkt - tomt)
Lợng co tính theo công thức trên chỉ đúng khi vật đúc đợc
co tự do. Khi đó cùng với sự co dài của vật đúc thể tích của
lõm co, rỗ co cũng giảm. Tuy nhiên trong thực tế vật đúc
luôn bị khuôn cản co tự do, vì vậy dới tác dụng của hiện t
ợng co ở trạng thái rắn trong vật đúc luôn tồn tại ứng xuất
d. ứng xuất d càng lớn vật đúc càng dễ bị cong vênh, nứt nẻ.

16


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

4- Tính hoà tan khí :
Khí hoà tan vào trong kim loại lỏng trong quá trình nấu
luyện và khi rót khuôn.
Độ hoà tan của khí phụ thuộc
- Nhiệt độ của kim loại khi kim loại bắt đầu chảy (t = ta)
độ hoà tan của khí tăng dần (đoạn AB). Sau khi kim loại
chảy hoàn toàn độ hoà tan của khí tăng đột ngột (đoạn BC).
đến nhiệt sôi của kim loại (t = tc) độ hoà tan của khí lại bắt
đầu giảm do tác động sôi của kim loại làm thoát bớt khí ra
môi trờng bên ngoài.

17


Bµi gi¶ng: C¤NG NGHÖ chÕ t¹o PH¤I 2

δ

§é hoµ tan khÝ
18


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- áp xuất khí trong môi trờng bao quanh. Theo Sibest áp
xuất khí trong môi trờng bao quanh càng lớn thì độ hoà tan
của nó vào kim loại lỏng sẽ càng cao.
Độ hoà tan khí lúc đó có thể tính theo công thức:
(với khí hai nguyên)
S=
K. P
(với khí ba nguyên)
Trong đó K là hệ 3số Sibest.

K. P

19


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- Bản chất của khí hoà tan:
Khí hoà tan vào kim loại lỏng càng nhiều khi nó dễ phân
ly thành nguyên tử. Đờng kính nguyên tử của khí càng nhỏ
thì độ hoà tan của nó trong kim loại lỏng càng lớn.
- Tình trạng nấu luyện và rót:
Khi nấu luyện càng khuấy đảo nhiều càng tạo điều kiện

làm tăng độ hoà tan của khí. Khi rót kim loại lỏng nếu kết
cấu của hệ thống rót không hợp lý cũng sẽ cuốn khí từ môi
trờng bên ngoài vào kim loại lỏng

20


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

2- Nấu và đúc gang
I. Nấu và đúc gang xám:
Gang xám là hợp kim của Fe với cacbon, trong đó
cácbon hầu hết nằm ở dạng tự do (graphít) có hình tấm,
phiến.
1- Tính đúc của gang xám:
- Gang xám có tính chảy loãng cao vì thành phần của nó
gần cùng tinh (2,5 - 3,5% C). Các nguyên tố khác có mặt
trong gang xám nh Si, P cũng làm tăng độ chảy loãng của
gang xám.
- Gang xám có độ co nhỏ (khoảng 1%), nguyên nhân có thể
do trong quá trình kết tinh của gang xám có sự tiết graphit
tự do làm tăng thể tích do đó bù đợc 1 phần co ngót của kim
21
loại (1% graphit làm tăng 2% thể tích).


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

- Gang xám có chứa nhiều C, P, S thì thiên tích càng lớn vì P
và S trong gang tạo thành các hợp chất dễ chảy phân bố ở

tinh giới hạt gây thiên tích hạt.
- Gang xám thờng bị hoà tan khí O2, N2, H2 , v.v... khi lợng
chứa N2 > 12 ữ 15 cm3/100 gam kim loại có thể gây ra rỗ khí.

22


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

2- Vật liệu nấu:
Vật liệu nấu bao gồm: Vật liệu kim loại, nhiên liệu và trợ
dung. Khi nấu gang trong lò đứng vật liệu nấu đợc cho
thành từng lớp theo thứ tự nhiên liệu, vật liệu kim loại, trợ
dung. Lợng vật liệu kim loại của một lớp đợc gọi là một "mẻ
liệu".
- Vật liệu kim loại: Vật liệu kim loại thờng dùng là gang
thỏi, gang máy cũ, gang hồi lò, thép vụn và pherô các loại.
- Nhiên liệu để nấu gang xám trong lò đứng thờng dùng
than cốc hoặc than gầy nhiệt luyện vì chúng có nhiệt trị cao,
bền, xốp và ít tạp chất.
- Trợ dung thờng dùng là đá vôi, đôlômit, huỳnh thạch hoặc
xỉ lò máctanh. Lợng trợ dung thờng dùng khoảng 4-5% khối
23
lợng vật liệu kim loại.


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

3- Tính phối liệu mẻ liệu:
a) Nguyên tắc tính khối lợng mẻ liệu:

Khi nấu gang trong lò đứng chiều cao của lớp than mẻ
phải đạt 200ữ 250 mm mới đủ đảm bảo ngăn cách các mẻ
liệu. Từ chiều cao than mẻ yêu cầu dễ dàng xác định đợc thể
tích và do đó khối lợng của than mẻ.
Khối lợng của vật liệu kim loại trong một mẻ liệu phụ
thuộc vào tỷ lệ than/ gang.
Thờng tỷ lệ than/gang lấy trong khoảng 0,12ữ 0,15, tùy
thuộc vào chất lợng than và thành phần của vật liệu kim loại

24


Bài giảng: CÔNG NGHệ chế tạo PHÔI 2

b) Nguyên tắc tính phối liệu:
Cơ tính của vật đúc đợc quyết định bởi thành phần hoá
học của nó. Thành phần hoá học của vật đúc có đợc là do
tính toán phối liệu mẻ liệu đúng. Để tính phối liệu đúng trớc
tiên cần chú ý các điểm sau:
- Xác định đúng thành phần hoá học của mác gang vật
đúc và của các vật liệu kim loại phối liệu.
- Xác định đúng tỷ lệ cháy hao các nguyên tố trong thành
phần hoá học của mác gang.

25