Nghiên cứu ảnh hưởng của các công nghệ đúc tới cơ tính của vật liệu

B GIO DC V O TO
trờng đại học bách khoa hà nội
=== ===

Lê thị phơng thanh

Nghiên cứu ảnh hởng của các
công nghệ đúc tới cơ tính vật liệu
Chuyên ngành : Kỹ thuật vật liệu kim loại

Luận văn thạc sĩ khoa học
Khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại

NGƯời hớng dẫn khoa học:
1.pgs.ts đinh quảng năng
2. pgs.ts lê thị chiều

H NI - 10/201


LỜI CẢM ƠN
Qua hai năm học tập, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đinh
Quảng Năng, PGS.TS Lê Thị Chiều, và được sự giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo,
Cô giáo, cán bộ của các bộ môn Vật liệu và Kim loại đúc, Vật liệu học xử lý nhiệt
và bề mặt, Phòng thí nghiệm Công nghệ Kim loại. trường đại học Bách khoa Hà nội,
Xưởng Đúc-Cơ khí Thắng lợi Nam Định, và sinh viên ngành Vật liệu và Công nghệ
đúc khoá 50 và 51, luận án đã hoàn thành. Nhân đây tác giả luận án xin bày tỏ lòng
biết ơn tới các Thầy giáo, Cô giáo, tới các tập thể và các cá nhân trên.
Cuối cùng tôi xin tỏ lòng biết ơn đến trường Đại học Công Nghiệp, nơi tôi
công tác, gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành
luận văn thạc sỹ này.

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011
Tác giả

Lê Thị Phương Thanh


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của các công nghệ đúc
tới cơ tính vật liệu” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đã được thực hiện ở
phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc, Khoa Khoa học và Công
nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu và kết qủa trong luận
văn là trung thực và tin cậy, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác, đặc biệt là dưới dạng một luận văn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Lê Thị Phương Thanh


Danh mục các bảng
Thứ tự

Tên

Trang

Bảng 2.1. Độ hào tan của H2 vào Al ở các nhiệt độ khác nhau

20

Bảng 2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới tính chất của Silumin

25

Bảng 2.3. Hướng lớn lên ưu tiên của nhánh cây

48

Bảng 3.1 Thành phần hoá học của hợp kim A356, %

56

Bảng 3.2 Thành phần hoá học của silumin cùng tinh ở các nước khác nhau, %

57

Bảng3.3 Thành phần của sơn

62

Bảng 4.1. Độ cứng của vật đúc trong các khuôn, HB

74

Bảng 4.2 Cơ tính của mẫu thí nghiệm từ hợp kim nhôm A356

75

Bảng 4.3 Độ cứng mẫu phụ thuộc vào áp suất hút chân không

75

Bảng 4.4. Cơ tính của mẫu thí nghiệm từ hợp kim nhôm A356 đúc trong khuôn cát
khô hút chân không với Pck biến đổi trong khoảng từ -200mmHg đến- -600mmHg79
Bảng 4.5 Thời gian và tốc độ đông đặc của vật đúc trong các khuôn khác nhau,
gy
80
Bảng 4.6 Nhiệt độ ở biên khuôn khi vật đúc nguội, OC

80

Bảng 4.7 Nhiệt độ ở giữa khuôn khi vật đúc nguội, OC

84

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng thời gian đông đặc và áp suất khuôn tới
chiều dày thành vật đúc

84


Danh mục các hình vẽ
Thứ tự

Tên

Trang

Hình 1.1. Rót kim loại lỏng vào khuôn

3

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo khuôn đúc

4

Hình 1.3. Sơ đồ lưu trình sản xuất đúc

4

Hình 1.4. Các dạng công nghệ đúc

5

Hình 1.5. Sơ đồ các công nghệ đúc mẫu cháy

7

Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ đúc mấu cháy

8

Hình 1.7. Khuôn đúc mẫu cháy

9

Hình 1.8. Sơ đồ công nghệ đúc mẫu cháy cát không chất dính hút chân không

9

Hình 1.9. Các sản phẩm nhôm đúc theo công nghệ đúc mẫu cháy

18

Hình 2.1. Giản đồ phân chia hợp kim biến dạng và hợp kim đúc

21

Hình 2.2. Giản đồ trạng thái hợp kim Al-Si

22

Hình 2.3. Tổ chức của hợp kim Silumin

23

Hình 2.4. Độ hòa tan của H2 trong nhôm (pH2=1atm)

28

Hình 2.5. Tổ chức Silumin 12% Si và 1,5%Fe

33

Hình 2.6. Tổ chức hợp kim Silumin 10%Si

33

Hình 2.7. Giản đồ quan hệ giữa năng lượng tự do của hệ với bán kính mầm

37

Hình 2.8. Mầm ký sinh

37

Hình 2.9. Giản đồ trạng thái và đường cong nguội của hợp kim trước cùng tinh 38
Hình 2.10. Quá trình đông đặc của hợp kim trước cùng tinh

39

Hình 2.11. Đường cong nguội của kim loại nguyên chất

40

Hình 2.12. Sóng kết tinh của hợp kim đúc trong khuôn cát và khuôn kim loại

41

Hình 2.13. Ảnh hưởng của hợp kim và của khuôn đúc tới sự đông đặc vật đúc

42

Hình 2.14. Ảnh hưởng của tinh chất nhiệt lý của khuôn và hợp kim đúc đến quá
trình đông đặc của vật đúc

43

Hình 2.15. Sơ đồ tạo thành các hạt tinh thể

45


Hình 2.16. Sự mất ổn định của bề mặt phân cách rắn/lỏng phẳng và sự hình thành
các tế bào hình trụ

46

Hình 2.17. Sơ đồ tinh thể nhánh cây

47

Hình 2.18. Tinh thể hình trụ và nhánh cây

47

Hình 2.19. Tiến trình hình thành nhánh cây đều trục

49

Hình 2.20. Trường nhiệt và đường cong nguội của tinh thể nhánh cây

50

Hình 2.21. Quá trình lớn lên cạnh tranh của nhánh cây dạng cột

51

Hình 2.22. Sự hình thành các dạng tổ chức nhánh cây dạng cột và đều trục

52

Hình 2.23. Trường nhiệt độ trong quá trình đông đặc theo cơ chế khuếch tán
nhiệt

53

Hình 2.24. Tiến trình phát triển từ mặt phân cách R

53

Hình 2.25. Hình thái tổ chức được hình thành tùy thuộc tốc độ đông đặc

54

Hình 3.1. Giản đồ thành phần độ hạt của cát V6. VICOSIMEX

57

Hình 3.2. Độ trầm tích của bentonit Di-li

58

Hình 3.3. Hòm khuôn

58

Hình 3.4. Máy bơm chân không thí nghiệm

59

Hình 3.5. Thùng chèn mẫu xốp

60

Hình 3.6. Khuôn kim loại

60

Hình 3.7. Hình dạng và kích thước mẫu xốp

61

Hình 3.8. Dụng cụ gia công mẫu

61

Hình 3.9. Lò nấu nhôm thí nghiệm

62

Hình 3.10. Kính hiển vi AXIOVER100A

63

Hình 3.11. Máy đo độ cứng ARK

65

Hình 3.12. Máy thử cơ tính vạn năng MTS793

65

Hình 3.13. Sơ đò và thiết bị đo nhiệt độ của vật đúc và khuôn

66

Hình 3.14. Khuôn dùng trong thí nghiệm Shaito

66

Hình 4.1. Rót khuôn đúc mẫu cháy

68

Hình 4.2. Bản vẽ và mẫu thử độ bền kéo

68

Hình 4.3. Ảnh tổ chức của hợp kim A356

69


Hình 4.4. Đường cong biến dạng của mẫu đúc trong các khuôn khác nhau

70

Hình 4.5. Ảnh tổ chức mẫu đúc trong khuôn mẫu cháy

72

Hình 4.6. Ảnh tổ chức mẫu đúc trong khuôn hút chân không

73

Hình 4.7. Đường cong biến dạng phụ thuộc vào áp suất hút chân không

74

Hình 4.8. Ảnh bố trí can nhiệt và khuôn đúc

76

Hình 4.9. Nhiệt độ trong tâm vật đúc phụ thuộc vào khuôn đúc và thời gian

77

Hình 4.10. Nhiệt độ ở biên vật đúc phụ thuộc vào khuôn đúc và thời gian

77

Hình 4.11. Nhiệt độ ở biên khuôn phụ thuộc vào khuôn đúc và thời gian

78

Hình 4.12. Nhiệt độ ở cách vật đúc 15 mm phụ thuộc vào khuôn đúc và thời
gian

78

Hình 4.13. Biểu đồ tốc độ nguội của vật đúc trong khuôn khác nhau

79

Hình 4.14. Khuôn thử nghiệm hệ số đông đặc k

83

Hình 4.15. Chiều dài thành vật đúc (mm) phụ thuộc vào thời gian đông đặc khi áp
suất khuôn âm 700mmHg.

85

Hình 4.16. Chiều dày thành vật đúc (mm) phụ thuộc vào thời gian đông đặc khi áp
suất khuôn âm 500mmHg

85

Hình 4.17. Vật đúc ở điều kiện Pck=-700mmHg, thời gian đông đặc 10gy

85

Hình 4.18. Vật đúc ở điều kiện Pck=-500mmHg, thời gian đông đặc 25gy

85

Hình 4.19. Vật đúc ở điều kiện Pck =-300mmHg, thời gian đông đặc là 30gy

86

Hình 4.20. Ảnh mẫu đúc trong khuôn tươi

87

Hình 4.21. Mẫu đúc trong khuôn CO2

87

Hình 4.22. Ảnh khuyết tật đúc do vỡ khuôn

87

Hình 4.23. Ảnh vật đúc trong khuôn mẫu cháy Pck =- 400mmHg

88


MỤC LỤC
 
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1 
Chương 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ĐÚC MẪU CHÁY ..............................3 
1.1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC..........................................................3 
1.1.1 Quá trình sản xuất đúc ................................................................................3 
1.1.2 Lịch sử phát triển ngành đúc ......................................................................4 
1.1.3 Các dạng công nghệ đúc ..............................................................................5 
1.2 ĐÚC MẪU CHÁY ...........................................................................................7 
1.2.2 Vật liệu và hỗn hợp chèn khuôn..................................................................9 
1.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ đúc mẫu cháy .......................................11 
1.2.4 Chế tạo mẫu xốp ........................................................................................11 

1.2.5 Chất sơn khuôn..........................................................................................13 
1.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điền đầy khuôn............................14 
1.2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh đông đặc ........................15 
1.2.9 Lực hút chân không...................................................................................15 
1.2.10 Tốc độ dâng kim loại ...............................................................................16 
1.2.11 Chiều dày lớp sơn ....................................................................................16 
1.2.12 Khuyết tật đúc..........................................................................................16 
1.2.13 Một số vật đúc bằng phương pháp đúc mẫu cháy ...............................17 
1.3 NHẬN XÉT ...................................................................................................18 
Chương 2 SỰ KẾT TINH VÀ ĐÔNG ĐẶC CỦA HỢP KIM NHÔM ..............19 
2.1 NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM ĐÚC...........................................................19 
2.1.1 Nhôm...........................................................................................................19 
2.1.2 Hợp kim nhôm ............................................................................................20 
2.1.3 Hợp kim silumin ........................................................................................21 
2.1.4 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim...................................................24 
2.2 KHỬ KHÍ, TINH LUYỆN VÀ BIẾN TÍNH HỢP KIM NHÔM..............26 


2.2.1 Tác dụng tương hỗ giữa khí với kim loại lỏng.........................................26 
2.2.2 Bảo vệ kim loại khỏi bị tác dụng và hoà tan khí......................................30 
2.2.3 Khử khí........................................................................................................31 
2.2.4 Tinh luyện....................................................................................................32 
2.2.5 Biến tính hợp kim nhôm ...........................................................................32 
2.2.6 Co ngót và nứt, cong vênh .........................................................................35 
2.3 SỰ KẾT TINH VÀ ĐÔNG ĐẶC CỦA HỢP KIM SILUMIN ..................35 
2.3.1. Quá trình kết tinh......................................................................................35 
2.3.2. Quá trình đông đặc của hợp kim silumin trước cùng tinh....................38 
2.3.3 Quá trình đông đặc của hợp kim silumin cùng tinh ..............................39 
2.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đông đặc........................................41 
2.3.5. Chiều dày đông đặc của vật đúc...............................................................44 

2.3.6 Độ lớn và hình dạng hạt tinh thể..............................................................45 
2.4 NHẬN XÉT ...................................................................................................54 
Chương 3 NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..55 
3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .........................................................................55 
3.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .....................................................................55 
3.2.1 Hợp kim đúc................................................................................................55 
3.2.2 Khuôn đúc ...................................................................................................57 
3.2.3 Mẫu polystyrene .........................................................................................61 
3.2.4 Chế tạo hợp kim nhôm lỏng ......................................................................62 
3.3  PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................63 
3.3.1 Phương pháp đánh giá tổ chức kim loại...................................................63 
3.3.2 Phương pháp đánh giá độ cứng ................................................................64 
3.3.3 

Phương pháp đo độ bền .........................................................................65 

3.3.4 Phương pháp đo đường cong nguội và nhiệt độ của khuôn ..................66 
3.3.5 Phương pháp xác định chiều dày đông đặc ............................................66 
Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN.......................................67 


4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC LOẠI KHUÔN TỚI TỔ CHỨC
VÀ CƠ TÍNH CỦA HỢP KIM A356 ................................................................67 
4.1.1 Mục đích thí nghiệm...................................................................................67 
4.1.2 Cách tiến hành thí nghiệm.........................................................................67 
4.1.3 Kết quả thí nghiệm .....................................................................................68 
4.1.4 Nhận xét: .....................................................................................................71 
4.2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT BIẾN TÍNH ........................72 
4.2.1 Mục đích nghiên cứu. .................................................................................72 
4.2.2 Cách tiến hành ............................................................................................72 

4.2.3 Kết quả thí nghiệm .....................................................................................72 
4.2.4 Nhận xét.......................................................................................................72 
4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CHÂN KHÔNG TỚI TỔ CHỨC
VÀ CƠ TÍNH HỢP KIM A356 ..........................................................................73 
4.3.1 Mục đích nghiên cứu ..................................................................................73 
4.3.2 Cách tiến hành thí nghiệm.........................................................................73 
4.3.3 Kết quả thí nghiệm .....................................................................................73 
4.3.4 Nhận xét: .....................................................................................................75 
4.4. NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG CONG NGUỘI CỦA HỢP KIM
VÀ NHIỆT ĐỘ CÁC KHUÔN...........................................................................76 
4.4.1 Mục đích thí nghiệm...................................................................................76 
4.4.2 Cách tiến hành thí nghiệm.........................................................................76 
4.4.3 Kết quả thí nghiệm .....................................................................................76 
4.4.4 Nhận xét.......................................................................................................81 
4.5 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐÔNG ĐẶC THEO PHƯƠNG PHÁP
SHAITO................................................................................................................82 
4.5.1. Mục đích thí nghiệm..................................................................................82 
4.5.2. Cách tiến hành thí nghiệm.......................................................................82 
4.5.3. Kết quả thí nghiệm. ...................................................................................84 
4.5.4. Nhận xét......................................................................................................86 


4.6.1 Khuyết tật phình vật đúc và nứt khuôn ...................................................87 
4.6.2 Khuyết tật con rết do nứt khuôn và vỡ khuôn.........................................87 
4.6.3 Vật đúc không đầy......................................................................................88 
4.6.4 Vật đúc bị rỗ khí ........................................................................................88 
4.6.5 Nhận xét.......................................................................................................88 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................89 
KẾT LUẬN ..............................................................................................................89 
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................90 

PHỤ LỤC 1 ..............................................................................................................92 
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................104 
PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................111 


LỜI NÓI ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Để nâng cao chất lượng vật đúc, hạ giá thành sản phẩm, các phương pháp đúc
chính xác trong đó có công nghệ đúc mẫu cháy đang được ưu tiên lựa chọn. Ưu
điểm của công nghệ đúc mẫu cháy là giảm công dằm chặt khuôn tới 30%, nên hạ
giá thành sản phẩm tới 20% so với các công nghệ khuôn cát truyền thống. Khác với
công nghệ đúc mẫu vĩnh cửu, ở công nghệ đúc mẫu cháy khi đúc rót mẫu vẫn nằm
bên trong khuôn. Mặt khác, đối với khuôn đúc mẫu cháy cát khô còn có tác động
của hút chân không. Chính những khác biệt này đã làm thay đổi mọi quy luật điền
đầy, đông đặc của hợp kim lỏng trong khuôn đúc mẫu cháy không phù hợp với lý
thuyết đúc đã được đưa ra cho công nghệ khuôn thông thường. Sự khác biệt này đã
được các nhà khoa học quan tâm song chưa đầy đủ. Chính vì lẽ đó đề tài: “Nghiên
cứu ảnh hưởng của các công nghệ đúc tới cơ tính vật liệu” được chọn làm đề tài tốt
nghiệp luận văn cao học. Thực chất của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các loại
khuôn của công nghệ đúc mẫu cháy như: khuôn tươi, khuôn CO2, khuôn cát khô hút
chân không, khuôn kim loại tới tổ chức, cơ tính, độ cứng, tốc độ đông đặc, chiều
dày đông đặc của hợp kim. Ngoài ra cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất biến
tính tới chất lượng hợp kim nhôm A356.
Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục đích nghiên cứu: Nhằm so sánh chất lượng vật đúc trong các loại khuôn
khác nhau đề từ đó lựa chọn công nghệ trong quá trình sản xuất đúc.
Đối tượng nghiên cứu là:
- Hợp kim nhôm A356 và ACD12
- Các loại khuôn: khuôn tươi, khuôn CO2, khuôn cát khô hút chân không,
khuôn kim loại

1


Phạm vi nghiên cứu: Xét ảnh hưởng của các loại khuôn trên, áp suất hút chân
không, có biến tính và không biến tính hợp kim tới tổ chức, độ bền, độ cứng, tốc độ
nguội và chiều dày đông đặc của vật đúc.
Nội dung luận án
Luận án ngoài phần mở đầu, kết luận có 4 chương. Chương 1 trình bày tổng
quát về quá trình phát triển của công nghệ đúc mẫu cháy. Chương 2 trình bày tóm
tắt về nhôm và hợp kim nhôm, về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình kết tinh, đông
đặc, tới tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm. Chương 3 trình bày nội dung, đối
tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu
Thông qua các nghiên cứu về ảnh hưởng của khuôn khác nhau tới tổ chức,
tính chất và quá trình đông đặc của hợp kim, phát hiện ra rằng: Khi đúc trong
khuôn cát khô có hút chân không cơ tính của vật đúc tương đương đúc trong khuôn
cát tươi, song những khuyết tật khác như phình khuôn chỉ xảy ra đối với khuôn tươi,
mà không bị xảy ra đối với khuôn cát khô có hút chân không. Tốc độ đông đặc
trong khuôn cát khô hút chân không lớn hơn tốc độ đông đặc của hợp kim trong
khuôn tươi và khuôn CO2. Áp suất chân không có ảnh hưởng lớn tới chất lượng vật
đúc. Áp suất thích hợp là -400-600 mmHg. Đây chính là những phát hiện mới có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn.
Phương pháp nghiên cứu
Đã dựa trên cứu sở lý thuyết để định hướng và đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu.
Đã dùng các thiết bị hiện đại để đánh giá tính chất và tổ chức của kim loại
như: Kính hiển vi quang học AXIOVER100A, máy đo độ cứng ARK của hãng
Wolpert Measuring Equipment Co.ltd Netherland, máy đo độ bền vạn năng
MTS793 của Mỹ, Thiết bị đo nhiệt TEMP Scan và phương pháp đo chiều dày đông
đặc Shaito, do vậy kết quả nhận được có độ tin cậy.

2


Chương 1

TỔNG QUAN
CÔNG NGHỆ ĐÚC MẪU CHÁY
1.1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC
1.1.1 Quá trình sản xuất đúc
Đúc là phương pháp chế tạo ra sản phẩm bằng cách rót kim loại lỏng vào
khuôn (hình 1.1). Khuôn đúc là một khối đặc biệt có hình dạng bên trong giống với
hình dạng bên ngoài của vật đúc. Hình 1.2 đưa ra sơ đồ cấu tạo khuôn đúc.

Hình 1.1 Rót kim loại lỏng vào khuôn

3


1

2

3

4

5
6

14

7
8

13

9
10
11

12

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo khuôn đúc
1- đậu ngót hở; 2-đậu khí; 3-đậu ngót kín; 4-bát rót; 5-ống rót;6-hòm khuôn;
7, 9-Hỗn hợp làm khuôn; 8-mặt phân khuôn; 10-rãnh dẫn; 11-hốc khuôn;
12-khuôn dưới; 13-mặt phân khuôn; 14-khuôn trên
1.1.2 Lịch sử phát triển ngành đúc
Nấu luyện kim
loại lỏng

Chế tạo mẫu
Chế tạo hỗn hợp
làm khuôn
Chế tạo khuôn

Chế tạo lõi

Rót khuôn

Ráp khuôn

Phá khuôn

Cắt đậu

Kiểm tra

Hoàn thiện

Hình 1.3 Sơ đồ lưu trình sản xuất đúc

4

Làm sạch

Xử lý nhiệt


Đúc kim loại ra đời đầu tiên ở các vùng Cận đông, Trung quốc, Ấn độ vào
khoảng 5000 năm trước Công nguyên. Ở thời kỳ đồ đồng (5000-3000 năm trước
CN) người cổ đại đã biết đúc công cụ sản xuất như: dao, dìu; vũ khí như: cung tên,
súng đạn; đồ trang sức, và đồ cúng lễ như: tượng, chuông. Khuôn đúc đầu tiên được
đẽo từ đá, sau đó chuyển sang khuôn đất với công nghệ khuôn sáp (công nghệ đúc
mẫu chảy ngày nay). Cho đến thế kỷ 18 đúc gang ra đời ĂnNm 1708 ở nước Anh
người ta đúc gang trong khuôn tươi. Đến thế kỷ 19-20, cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của công nghiệp hoá chất, cơ khí thì đúc đã phát triển thành một ngành khoa học
hoàn chỉnh. Đã có rất nhiều công nghệ đúc ra đời, sơ đồ lưu trình tổng quát công
nghệ đúc được đưa ra ở hình 1.3.
1.1.3 Các dạng công nghệ đúc
CÔNG NGHỆ ĐÚC

ĐÚC THỎI

ĐÚC HÌNH

Khuôn một lần

Mẫu một lần

Mẫu vĩnh cửu

Mẫu chảy

Khuôn tươi

Mẫu cháy

Khuôn CO2

Khuôn tự đóng
rắn
Khuôn vỏ mỏng

Hình 1.4 Các dạng công nghệ đúc

5

Khuôn vĩnh cửu

Khuôn kim

loại

Áp lực


Các sản phẩm từ nhôm và hợp kim nhôm chủ yếu được chế tạo bằng phương
pháp gia công biến dạng và đúc. Gia công biến dạng như cán, ép chảy, dập để chế
tạo các sản phẩm từ nhôm và hợp kim nhôm biến dạng. Đúc để chế tạo ra các sản
phẩm từ hợp kim nhôm đúc. Song cũng có những chi tiết từ hợp kim biến dạng
được đúc sau đó có gia công áp lực kèm theo. Tuy nhiên, ngay cả gia công biến
dạng thì phôi cho nó vẫn là thỏi hoặc tấm đúc. Trong công nghệ đúc cũng có nhiều
phương pháp đúc khác nhau (xem hình 1.4).
Đúc áp lực được sử dụng để đúc các vật đúc nhỏ, thành mỏng. Rất nhiều chi
tiết trong ô tô, xe máy được đúc áp lực từ hợp kim nhôm ACD12 (Si=11-13%).
Đúc trong khuôn mẫu chảy thường được dùng trong đúc chính xác từ hợp
kim đồng, gang, thép và các hợp kim có nhiệt độ chảy cao, khó gia công cắt gọt.
Chi tiết từ hợp kim nhôm đúc mẫu chảy rất hiếm gặp.
Các sản phẩm dùng trong công nghiệp từ hợp kim nhôm đúc với hàm lượng
Si trong khoảng 7%, ngoài ra có thể có thêm một lượng nhỏ Cu, Mg, Mn ... được
dùng rất phổ phiến để đúc các vật đúc chịu lực. Các vật đúc nhỏ thường hình dạng
đơn giản sản xuất hàng loạt thường được đúc trong khuôn kim loại. Khi sản xuất
đơn chiếc, hoặc các vật đúc có hình dạng phức tạp (dù đơn chiếc hay hàng loạt) thì
được đúc trong khuôn cát. Khuôn cát có thể được làm theo công nghệ khuôn tươi,
khuôn CO2, khuôn tự đóng rắn trên cơ sở cát - nhựa hoặc cát - thuỷ tinh lỏng và
công nghệ đúc mẫu cháy.
Các sản phẩm từ gang và thép thường được đúc trong khuôn cát với các công
nghệ khuôn khác nhau như công nghệ khuôn tươi, công nghệ khuôn CO2, công
nghệ khuôn tự rắn (No-Bake), công nghệ đúc mẫu cháy và nhiều công nghệ đúc đặc
biệt khác. Tuy nhiên, do những ưu điểm vượt trội: thân thiện môi trường, không
phải tái sinh cát, giá thành sản phẩm hạ, nên dù công nghệ đúc mẫu cháy ra đời sau

nhưng đang phát triển mạnh ở thế giới và hiện đang có nhiều cơ sở đúc trong nước
ứng dụng.

6


1.2 ĐÚC MẪU CHÁY
1.2.1 Quá trình phát triển công nghệ đúc mẫu cháy
Đúc mẫu cháy (LFC-Lost Foam Casting) là một trong những phương pháp
đúc chính xác do H.F Shroyer phát minh ra vào 15 tháng 4 năm 1958. Mẫu được
chế tạo từ tấm polystyrene và khuôn được làm chặt bằng hỗn hợp cát sét (khuôn này
được gọi là full mould). Vật đúc đầu tiên chế tạo theo phương pháp này là tác phẩm
đúc nghệ thuật Pegasus (Ngựa có cánh) bằng đồng nặng khoảng 150 kg do A. Duca,
ông vừa là nhà điêu khắc vừa là nhà Luyện kim, thuộc Viện Công nghệ Macashucet
(Mỹ) đúc. Đến năm 1964 M.C. Flemming đã dùng khuôn với cát không chất dính.
Tác giả cho rằng T.R Smith phát triển công nghệ này với việc sử dụng cát không
chất dính vào năm 1968.
Công nghệ chế tạo khuôn đúc mẫu cháy

Khuôn với HHLK có
chất dính

Hình 1.5 Sơ đồ các công nghệ
đúc mẫu cháy

7

Hỗn hợp cát-nhựa

Hỗn hợp cát-sét

Hỗn hợp cát-TTL

Khuôn với HHLK có
chất dính

Cát có từ tính. Đặt khuôn trong từ trường khi rót

Cát khô; Khuôn được đè chặt khi rót

Cát khô; Hút chân không khi rót hoặc

Khuôn với HHLK
không chất dính

Khuôn có mặt ráp khuôn

Hỗn hợp cát-XM

Khuôn không mặt ráp khuôn


Khái quát về công nghệ đúc mẫu cháy như sau: Mẫu được làm bằng
polystyrene rồi được đặt vào hòm khuôn và đổ cát xung quanh. Sau đó rót khuôn
mà không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn. Mẫu dùng một lần và bị cháy khi rót kim loại
lỏng vào khuôn. Do vậy công nghệ đúc mẫu cháy có những tên gọi khác nhau như:
Công nghệ đúc mẫu cháy – LFC; Công nghệ khuôn không lỗ - Cacity-Less mold
process; Công nghệ khuôn đầy - full mold. Vào cuối thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đúc
mẫu cháy trở thành công nghệ mà cho phép tiết kiệm 20-35% giá chi phí sản xuất
so với các phương pháp đúc truyền thống. Phân loại công nghệ đúc mẫu cháy được

đưa ra trên sơ đồ hình 1.5. Từ sơ đồ công nghệ đúc mẫu cháy hình 1.5 cho thấy đúc
mẫu cháy có rất nhiều dạng công nghệ khác nhau, tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp,
kích cỡ sản phẩm và loại hợp kim đúc mà chọn công nghệ đúc mẫu cháy thích hợp.
Hình 1.6 đưa ra sơ đồ công nghệ đúc mẫu cháy không mặt ráp khuôn với hỗn hợp
chèn khuôn có chất dính. Hình 1.7 là khuôn đúc mẫu cháy có mặt ráp và hỗn hợp
làm khuôn là cát sét. Ngày nay phổ biến dùng loại công nghệ khuôn không mặt ráp,
còn hỗn hợp làm khuôn có thể có hoặc không có chất dính. Khi dùng khuôn với cát
không chất dính thường dùng có hút chân không. Sơ đồ công nghệ này được đưa ra
trên hình 1.8.

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ đúc mẫu cháy
8


a

b
Hình 1.7 Khuôn đúc mẫu cháy
a – Khuôn; b - Vật đúc
Chế tạo mẫu

Gắn chùm mẫu
mẫu

Sơn mẫu

Hút chân
không thùng
khuôn

Chèn mẫu

Sấy mẫu

Đúc rót

Làm nguội và
dỡ vật đúc

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ đúc mẫu cháy cát không chất dính hút chân không
1.2.2 Vật liệu và hỗn hợp chèn khuôn
Do mẫu có độ bền thấp và dễ bị biến dạng, nên lực tác động từ bên ngoài vào
không được vượt quá 1kG/cm2. Vì thế các phương pháp làm khuôn bằng cách dằn
ép, bắn cát, phun cát, ném cát không thực hiện được, mà chỉ có thể áp dụng các
phương pháp rung, chọc nhẹ. Để phù hợp với các phương pháp dằm chặt khuôn đó
đòi hỏi vật liệu và hỗn hợp làm khuôn thích hợp. Nếu vật đúc đơn giản và không

9


quan trọng có thể dùng hỗn hợp cát-sét, còn các vật đúc lớn, vật đúc quan trọng,
phức tạp phải dùng các vật liệu và hỗn hợp làm khuôn có độ thông khí cao (K=200500) và có tính lún cũng như tính phá dỡ tốt.
a) Hỗn hợp làm khuôn cát-ximăng:
Hỗn hợp này được sử dụng nhiều ở Nhật, Anh và nhiều nước khác. Nó cho
độ thông khí tốt, độ chảy cao, và độ bền sau hoá bền cao. Xi măng thường dùng
mác P400-P500. Để tăng tốc độ đóng rắn của xi măng có thể cho thêm một lượng
nhỏ muối cloruamanhe, cloruaNatri. Cát có thể là cát thạch anh, cát cromit, cát
manhezit. Lượng xi măng có thể đến 10%, lượng nước bằng 40-60% lượng chất
dính. Nhược điểm của loại khuôn này là thời gian chờ đống rắn khuôn dài, thời gian
sống của hỗn hợp ngắn, tính phá dỡ kém và khó tái sinh cát.

b) Hỗn hợp cát-nước thuỷ tinh:
Khuôn làm với hỗn hợp cát-thuỷ tinh lỏng có thể dùng công nghệ khuôn CO2
và công nghệ khuôn tự đóng rắn. Khuôn làm theo công nghệ CO2 có ưu điểm thời
gian sống của hỗn hợp dài, tính chảy và độ thông khí cao. Khuôn tự cứng có ưu
điểm hơn là công nghệ đơn giản, nhưng nhược điểm là thời gian sống của hỗn hợp
ngắn. Chất đóng rắn cho khuôn tự cứng thường dùng chất chứa C2S (2Cao.SiO2)
như xỉ luyện ferocrom, xỉ luyện kim, xi măng, nephelin hoặc este. Lượng thuỷ tinh
lỏng bằng 4-7%. Nói chung hỗn hợp cát-thuỉy tinh có tính phá dỡ kém và khó tái
sinh cát
c) Hỗn hợp cát-nhựa furan:
Ở Mỹ, Anh, Pháp, Nhật đã dùng hỗn hợp cát-nhựa furan, chất đóng rắn là
axit H3PO4. Lượng nhựa đến 2-2,3%, lượng chất đóng rắn tuỳ thuộc vào nhiệt độ
môi trường mà dùng từ 0,3-1%. Ưu điểm của công nghệ này tính chảy của hỗn hợp
cao, dễ phá khuôn, dễ tái sinh cát. Nhược điểm giá thành hỗn hợp cao, khi làm
khuôn và đúc rót có mùi khó chịu.
d) Cát khô không chất dính:
Ưu điểm của công nghệ cát không chất dính là tính chảy hỗn hợp rất cao, rất
dễ chèn khuôn, tính phá dỡ khuôn tốt, không cần tái sinh cát. Có hai công nghệ với

10


khuôn cát khô là công nghệ đè khuôn và công nghệ hút chân không. Công nghệ đè
khuôn có ưu điểm thiết bị đơn giản, nhưng yêu cầu rất khắt khe về tốc độ rót. Do
vậy công nghệ này ngày nay không còn được sử dụng. Công nghệ hút chân không
đã khắc phục được nhược điểm của công nghệ khuôn đè. Do vậy công nghệ này
được ứng dụng rất phổ biến hiện nay.
1.2.3 Ưu nhược điểm của công nghệ đúc mẫu cháy
a) Ưu điểm:
- Cho phép người thợ đúc thiết kế ra các vật đúc có hình dạng phức tạp mà

không cần lõi và mặt phân khuôn.
- Vật đúc nhẹ hơn vì độ chính xác cao.
- Giảm gia công tiếp theo cho dung kích thước có dung sai cho phép và bề mặt
nhẵn đẹp.
- Khi sử dụng công nghệ cát không chất dính vừa dễ dàng sử dụng lại dễ tái
sinh, không gây ô nhiễm môi trường.
b) Nhược điểm:
- Khi sơn và sấy mẫu cần phải treo mẫu rất cẩn thận
- Khi mẫu cháy sẽ làm mất nhiệt của kim loại lỏng và do đó gây ra khuyết tật
không đầy hoặc các khuyết tật khác.
1.2.4 Chế tạo mẫu xốp
a) Giới thiệu chung về xốp polystyrene:
Vật liệu để chế tạo mẫu phải là chất hữu cơ dạng bọt có các yêu cầu sau: có
tỷ trọng nhẹ; có bề mặt nhẵn; co ít nhất và ổn định kích thước; dễ gia công cắt gọt;
nhiệt độ cháy nhỏ hơn nhiệt độ rót của kim loại; tốc độ hoá khí của mẫu sao cho đủ
để kim loại lỏng điền đầy khuôn; độ tro của mẫu không đáng kể; rẻ dễ kiếm không
độc hại.
Thoả mãn với yêu cầu trên có vật liệu hữu cơ Polystyrene. Nó là vật liệu rắn
dạng tổ ong bọc không khí, khí N2 hoặc khí CO2. Tỷ trọng của polystyrene nhỏ
khoảng 0,01 ÷ 0,2 g/cm3. Polystyrene xốp có tính chất cơ lý thấp, nhưng khả năng

11


cách nhiệt, cách âm, cách điện tốt, có tính dính kết đối với hóa chất. Tính chất cơ lý
của polystyrene xốp phụ thuộc vào tỷ trọng của nó, một vài loại polystyrene đặc
biệt có độ bắt lửa thấp. Tính chất đặc trưng của hạt vật liệu này là khả năng làm việc
ở nhiệt độ thấp (từ 700C ÷ 600C). Tính chất của nó thay đổi không đáng kể so với
nhiệt độ phòng. Polystyrene có độ chịu nhiệt thấp khoảng 70 ÷ 750C. Do nó có khả
năng dính liên kết giữa các hạt, độ chịu nhiệt và bắt lửa thấp nên người ta sử dụng

nó làm mẫu cho công nghệ mẫu tự thiêu.
Để tạo ra polystyrene xốp thì người ta sản xuất loại polystyrene có khả năng
trương nở. Loại polystyrene này được tạo ra trong quá trình polystyrene hóa khi đưa
izopentan (C6H12) hoặc một chất lỏng khác có nhiệt độ sôi thấp vào trong thành
phần của polystyrene. Khi bị nung nóng trong khuôn kín và dưới tác dụng của hơi
nước, polystyrene sẽ trương nở và thể tích của nó tăng lên khoảng 8 – 10 lần nhờ sự
bốc hơi của izopentan. Nhiệt độ sôi của polystyrene phụ thuộc vào áp suất hơi nước
bão hòa, các hạt polystyrene không nên được quá to vì khi đó khe hở giữa các hạt sẽ
lớn, làm cho vật đúc sau này không có được độ nhẵn cao.
b) Ghép mẫu với hệ thống rót:
Để ghép các chi tiết nhỏ thường được gắn lại với nhau thành một chùm chi
tiết có khối lượng đủ lớn để dễ dàng rót khuôn và chèn mẫu. Có thể ghép nhiều
chùm mẫu vào một hệ thống rót. Điều này phụ thuộc vào kết cấu các chi tiết và kích
thước của chúng. Quá trình ghép mẫu với hệ thống rót hoàn toàn bằng phương pháp
thủ công. Số lượng mẫu và kích thước hệ thống rót được tính toán chính xác và
nguyên lý tính toán hệ thống rót có nhiều điểm khác với phương pháp đúc thông
thường.
c) Chất gắn mẫu:
Để ghép các chi tiết nhỏ thành một chi tiết và thành chùm mẫu thì phải dùng
chất dính kết chúng lại với nhau thành một khối thống nhất, chất dính mẫu không
gây cản trở chuyển động của kim loại lỏng không gây nên khuyết tật cho vật đúc.
Có thể dính mẫu bằng hai cách sau:

12


- Dùng thanh kim loại mỏng hơ nóng trên bếp điện. Cách này chỉ dùng để
gắn rãnh dẫn với hệ thống rót vì không đảm bảo chính xác và độ dính chặt của mẫu.
- Gắn mẫu bằng chất dính: keo sữa, nhựa polyvinyl alcohol (PVA).
1.2.5 Chất sơn khuôn

Đối với phương pháp đúc mẫu cháy thì mẫu cần phải được phủ một lớp sơn
trước khi ráp vào khuôn. Lớp sơn có tác dụng:
− Tăng độ bền khuôn, khuôn không bị xói mòn hay vỡ dưới tác dụng của dòng
kim loại lỏng.
− Đảm bảo chất lượng bề mặt vật đúc nhẵn bóng, không bị cháy cát cơ học và
hóa học.
− Làm tăng khả năng chịu nhiệt của khuôn đúc vì chất sơn khuôn được chế tạo
từ những vật liệu có độ bền chịu nhiệt cao.
− Chống được hiện tượng cháy cát tiếp giáp với vật đúc và hiện tượng cát dính
bám trên bề mặt vật đúc. Nhờ vậy mà bề mặt vật đúc khi đúc ra được nhẵn đẹp.
Trong chất sơn phủ có chứa cacbon, khi rót kim loại vào sẽ sinh khí và tạo nên lớp
ngăn cách giữa kim loại và khuôn đúc tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa chúng giúp
chống cháy dính cát.
− Tạo một lớp sơn ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại lỏng và khuôn,
ngăn ngừa các khuyết tật trên bề mặt vật đúc. Lớp sơn sẽ tăng cường độ bền bề mặt
cho hỗn hợp làm khuôn, chống lại sự xói mòn khuôn do dòng chảy kim loại lỏng,
ngăn cản các phản ứng hóa lý giữa kim loại lỏng và khuôn hoặc tạo ra những tính
năng đặc biệt trên bề mặt vật đúc, hợp kim hóa bề mặt bằng sơn khuôn.
− Tạo ra độ bền cần thiết để khuôn không bị sập trong khoảng thời gian mẫu đã
cháy mà kim loại lỏng chưa điền đầy.
Như vậy, chất sơn khuôn có ảnh hưởng lớn tới chất lượng vật đúc.
1.2.6 Chèn mẫu vào hộp khuôn
Trước hết cần rải một lớp cát mịn ở đáy khuôn, rồi đặt mẫu xốp vào hòm
khuôn sao cho mẫu thật vững chắc và không xảy ra hiện tượng đổ mẫu, sau đó phủ

13


cát lên trên để giữ mẫu (chú ý bố trí mẫu trong hòm khuôn sao cho số lượng mẫu là
nhiều nhất nhưng không làm ảnh hưởng đến dòng chảy của kim loại vào từng mẫu).

Phủ cát lên mẫu và hệ thống rót một cách nhẹ nhàng tránh làm hỏng mẫu.
Rải cát khô vào khuôn theo một chiều nhất định sao cho lượng cát rải đều trên các
mặt và mọi ngóc ngách của mẫu và hòm khuôn theo chiều hướng từ trên xuống
dưới để dầm chặt mẫu. Các mẫu gần nhau cần đặt sao cho hệ thống rót phải ngược
chiều nhau để tránh hiện tượng không đồng đều của trường nhiệt độ gây ảnh hưởng
đến sự co giãn của mẫu ở bên cạnh. Để việc hút chân không trong khuôn tốt thì cát
cần được sàng và sấy khô trước khi đưa vào khuôn. Cuối cùng, cần rung nhẹ hòm
khuôn để cát giữ chặt mẫu, tiếp theo cần phải phủ một lớp nilon lên trên bề mặt
khuôn để đảm bảo việc hút chân không.
1.2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điền đầy khuôn
Công nghệ đúc mẫu cháy có tính chất khác biệt với các công nghệ khác, ở
chỗ khi rót kim loại lỏng vào khuôn mẫu bị cháy sinh ra khí tạo ra áp lực ngược lại
mặt kim loại lỏng. Do vậy những vấn đề lý thuyết của khuôn đúc thông thường
không áp dụng được vào khuôn đúc mẫu cháy. Khi dòng kim loại lỏng chảy vào
trong khuôn, nhiệt độ của nó sẽ làm cho mẫu cháy đi một phần, phần còn lại bị phân
hủy và hóa hơi. Toàn bộ lượng hơi thoát ra ngoài lớp sơn nhờ lực hút chân không và
một phần bị đẩy lên khoảng khí đệm. Tốc độ rót sẽ quyết định chiều dày lớp khí
đệm và qua đó ảnh hưởng đến tốc độ điền đầy của vật đúc.
Khi rót tương đối chậm, khí tạo ra nhanh chóng và thoát khí mạnh nhờ lực
hút chân không nhưng dòng kim loại lỏng dâng chậm, khe hở giữa kim loại và mẫu
xốp tăng, đồng thời với lực hút chân không mạnh, mẫu bị sập không thể điền đầy
chi tiết. Nếu tốc độ dâng của dòng kim loại nhanh, khe hở giữa khí và kim loại nhỏ,
khí sinh ra sẽ không thoát kịp ra ngoài gây hiện tượng rỗ khí, chi tiết không đảm
bảo chất lượng bề mặt, vật đúc không thể điền đầy hoàn toàn. Nếu lượng khí sinh ra
vì một lý do nào đó mà lại tạo áp lực chống lại dòng kim loại lỏng điền đầy khuôn
thì nó sẽ đẩy dòng kim loại trào ngược lại khi chi tiết chưa điền đầy.

14