Các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Nguyễn Ngọc Hà

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ
ĐÚC ĐẶC BIỆT

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2006


3

MỤC LỤC
Lời nói đầu

7

Chương 1

9

ĐÚC TRONG KHN KIM LOẠI
1.1 MỞ ĐẦU
1.2 ĐẶC ĐIỂM VỀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT KHI ĐÚC
TRONG KHN KIM LOẠI
1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC Q TRÌNH CO
1.4 KHUÔN KIM LOẠI
1.5 RUỘT CHO KHUÔN KIM LOẠI

1.6 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC TRONG
KHUÔN KIM LOẠI
1.7 MÁY ĐÚC TRONG KHN KIM LOẠI
1.8 Ví dụ về sử dụng khn kim loại để đúc piston bằng
hợp kim nhƠm
Chương 2

70

ĐÚC ÁP LỰC
2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
2.2 ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG
2.3 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA VIỆC ĐIỀN ĐẦY HỐC KHN
2.4 CÁC ĐIỀU KIỆN VỀ NHIỆT CỦA SỰ HÌNH THÀNH VẬT
ĐÚC
2.5 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC
2.6 MÁY ĐÚC ÁP LỰC
2.7 MỘT SỐ DẠNG KHÁC CỦA CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC
Chương 3
ĐÚC LY TÂM
3.1 MỞ ĐẦU
3.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ THỦY LỰC CỦA QUÁ TRÌNH ĐÚC
LY TÂM
3.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ QUÁ TRÌNH ĐÔNG ĐẶC CỦA VẬT

123
123


4

3.4
3.5
3.6
3.7
3.8

ĐÚC LY TÂM
MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC LY TÂM
MỘT SỐ CÔNG NGHỆ ĐÚC LY TÂM CỤ THỂ
KHUYẾT TẬT VẬT ĐÚC KHI ĐÚC LY TÂM
ĐÚC BÁN LY TÂM (Semi-Centralfugal)
Máy đúc ly tâm

Chương 4
ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NƯỚC THỦY TINH

155
155

4.1 MỞ ĐẦU
4.2 NƯỚC THỦY TINH
4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO KHUÔN VÀ RUỘT
BẰNG HỖN HỢP CÁT - NƯỚC THỦY TINH
4.4 TÁI SINH HỖN HỢP CÁT - NƯỚC THỦY TINH
Chương 5
ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT - NHỰA

186
186

5.1 MỞ ĐẦU
5.2 VẬT LIỆU LÀM KHUÔN CÁT NHỰA
5.3 ĐÚC TRONG KHUÔN CÁT NHỰA ĐÔNG RẮN NĨNG
5.4 ĐÚC TRONG KHN CÁT NHỰA ĐƠNG RẮN NGUỘI
5.5 CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP CÁT - NHỰA
5.6 THIẾT BỊ ĐỂ LÀM KHUÔN VÀ RUỘT CÁT NHỰA
Chương 6
ĐÚC TRONG KHUÔN MẪU CHẢY
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5

231
231

BẢN CHẤT VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẪU
VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO KHUÔN MẪU CHẢY
LÀM SẠCH VẬT ĐÚC

Chương 7
ĐÚC TRONG KHN MẪU HĨA KHÍ

247
247

5
7.1 MỞ ĐẦU
7.2 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ ĐÚC TRONG KHN MẪU
HĨA KHÍ
7.3 THIẾT BỊ DÙNG TRONG CƠNG NGHỆ ĐÚC TRONG
KHN MẪU HĨA KHÍ
Chương 8

260

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC
260
8.1 ĐÚC LIÊN TỤC
8.2 ĐÚC TRONG KHUÔN MÀNG MỎNG - CHÂN KHÔNG
8.3 ĐÚC HÚT CHÂN KHÔNG
8.4 ĐÚC DẬP LỎNG
8.5 ĐÚC TRONG KHUÔN TỪ
Tài liệu tham khảo

282


6


7

Lời nói đầu
Sản xuất đúc là một trong những ngành quan trọng của công

nghiệp chế tạo máy. So với các phương pháp gia cơng tạo hình
sản phẩm khác, đúc có nhiều lợi thế hơn. Đúc có năng suất cao
hơn gia công cắt, nhất là khi sản xuất loạt lớn. Đúc có thể tạo ra
chi tiết có hình dạng rất phức tạp và trong nhiều trường hợp đúc
là giải pháp duy nhất. Đúc hầu như có thể áp dụng cho bất kỳ kim
loại và hợp kim nào. Bằng phương pháp đúc có thể tạo ra các chi
tiết rất bé (vài chục gram) đến những chi tiết rất lớn (hàng ngàn
tấn).
Trước đây, khi sử dụng khn cát - sét thơng thường, khó chế
tạo được vật đúc chất lượng cao. Vì thế, những phương pháp và
cơng nghệ đúc mới dùng hỗn hợp có chất lượng cao hơn để làm
khuôn hoặc dùng khuôn kim loại có gia cơng bề mặt nhẵn bóng
đều được mang tên là phương pháp đặc biệt.
Có thể chia các phương pháp đúc đặc biệt thành hai nhóm
chính:
- Nhóm 1: sử dụng vật liệu chịu nóng để chế tạo khn.
Thơng thường khn dùng một lần, tạo ra vật đúc có độ bóng bề
mặt và độ chính xác cao: khn vỏ mỏng, khn mẫu chảy, khn
mẫu hóa khí...
- Nhóm 2: sử dụng khuôn bằng kim loại, được sử dụng nhiều
lần, vật đúc có chất lượng cao. Bao gồm các phương pháp: đúc
trong khuôn kim loại tĩnh, đúc áp lực, đúc ly tâm, đúc liên tục.
Ở nước ta, sau một thời gian dài trì trệ: cơng nghệ lạc hậu,
trang thiết bị sản xuất ở mức cơ khí hóa và tự động hóa rất thấp,
ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ngành đúc đang bước vào một
giai đoạn phát triển mới với nhu cầu lớn về trang bị các phương
pháp và công nghệ đúc đặc biệt.
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT
được biên soạn nhằm phục vụ công tác giảng dạy và học tập các
mơn học có liên quan đến cơng nghệ đúc, phù hợp với nội dung

giảng dạy của Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia
TPHCM.


8

Sách gồm 8 chương:
Chương 1: Đúc trong khuôn kim loại
Chương 2: Đúc áp lực
Chương 3: Đúc ly tâm
Chương 4: Đúc trong khuôn cát – nước thủy tinh
Chương 5: Đúc trong khuôn cát - nhựa
Chương 6: Đúc trong khuôn mẫu chảy
Chương 7: Đúc trong khn mẫu hóa khí
Chương 8: Các phương pháp và công nghệ đúc đặc biệt
khác
Do lần đầu tiên biên soạn cuốn sách này nên không tránh
khỏi các sai sót, rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và
quý độc giả.
Tác giả xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu Trường Đại
học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM, các phịng, ban,
ngành có liên quan và các đồng nghiệp đã hỗ trợ để xuất bản
cuốn sách này.
Thư góp ý xin gởi về Bộ mơn Cơng nghệ Vật liệu kim loại và
hợp kim, Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia TPHCM. Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Q.10.
ĐT: 08-8661320
TS Nguyễn Ngọc Hà


9

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

Chương 1
ĐÚC TRONG KHUÔN KIM LOẠI

1.1 MỞ ĐẦU
Sự phát triển của sản xuất đúc gắn liền với sự hoàn thiện các
loại khn đúc đã có và phát minh ra các loại khuôn đúc mới. Một
trong những phương pháp đúc đặc biệt là đúc trong khn kim
loại tĩnh hay cịn được gọi là đúc trong khuôn kim loại dưới tác
dụng của trọng trường (thường được gọi tắt là đúc trong khuôn
kim loại).
Đúc trong khuôn kim loại cho phép giải quyết các vấn đề về
nâng cao hiệu quả và chất lượng vật đúc, chẳng hạn, trong một
mức độ nhất định, cho phép điều chỉnh cơ tính của vật đúc. Bản
chất của phương pháp này là khuôn đúc bằng kim loại được sử
dụng nhiều lần thay cho khuôn cát được sử dụng một lần, cịn ruột
có thể là ruột cát hoặc ruột kim loại. Kim loại được điền đầy
khuôn dưới tác dụng của lực trọng trường (khác với đúc áp lực:
kim loại được điền đầy khuôn với tác động của áp lực).
Hiện nay, sản lượng các vật đúc được đúc bằng phương pháp
đúc này chiếm khoảng 30% tổng sản lượng các vật đúc được đúc
bằng các phương pháp đặc biệt (đứng hàng thứ hai sau phương
pháp đúc áp lực).
1.1.1 Đặc điểm của sự hình thành vật đúc trong khn kim loại
Sự hình thành vật đúc trong khn kim loại có những đặc
trưng khác hẳn so với đúc trong khuôn cát. Cụ thể:
- Sự điền đầy khuôn, đông đặc và làm nguội vật đúc xảy ra
với sự trao đổi nhiệt mạnh mẽ giữa khuôn và vật đúc, do đó

vật đúc nguội nhanh hơn rất nhiều so với trong khn cát.
Do nguội nhanh, vật đúc có thể có cơ tính cao hơn, nhưng


10

CHƯƠNG 8

phải chú ý đến khả năng gia tăng ứng suất trong vật đúc và
việc biến trắng ở các vật đúc bằng gang
- Khn kim loại khơng có khả năng thơng khí, vì vậy phải
bảo đảm việc thốt khí khi chọn kết cấu khn, bố trí vật
đúc trong khn, cách dẫn kim loại vào khuôn...
- Khuôn kim loại không chịu lún, cản co mạnh, do đó dễ tạo
ứng suất trong vật đúc, làm vật đúc dễ cong vênh, nứt, khó
lấy ra khỏi khn.
1.1.2 Ưu nhược điểm của q trình đúc trong khn kim loại
1- Ưu điểm
- Độ chính xác và độ bóng bề mặt vật đúc cao, lượng dư gia
cơng thấp (giảm 2÷ 3 lần so với đúc trong khn cát - sét).
Trong một số trường hợp không cần và khơng nên gia cơng
cơ vì bề mặt vật đúc có khả năng chịu mài mòn và chống ăn
mòn tốt
- Vật đúc có tổ chức sít chặt, cơ tính cao (tăng 10÷ 30% so với
đúc trong khn cát)
- Giảm đáng kể lượng hỗn hợp làm khuôn và ruột sử dụng,
trong nhiều trường hợp có thể hồn tồn khơng sử dụng
chúng. Chính vì vậy trang thiết bị cần thiết cho phương pháp
đúc này ít hơn nhiều so với các phương pháp đúc trong
khuôn cát.

- Đặc điểm về tương tác giữa khuôn kim loại và vật đúc ổn
định hơn so với khuôn cát, do đó giảm các yếu tố chủ quan
và khách quan gây phế phẩm vật đúc.
- Năng suất cao (tăng 2÷ 5 lần so với đúc trong khuôn cát - sét)
- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa vì các khâu làm khuôn, ráp
khuôn, phá khuôn bị loại bỏ
- Giá thành sản phẩm giảm nếu sản lượng đúc phù hợp
- Giảm diện tích sản xuất
- Khơng địi hỏi tay nghề thợ cao
- Giảm ô nhiễm môi trường so với đúc trong khuôn cát thế hệ
1 và 2.


CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

11

2- Nhược điểm
- Thời gian chuẩn bị sản xuất dài
- Yêu cầu tổ chức quản lý kỹ thuật chặt chẽ
- Giá thành khuôn kim loại cao, độ bền khuôn bị hạn chế, đặc
biệt là khi đúc thép
- Không hiệu quả khi sản xuất nhỏ
- Tốc độ nguội của khuôn lớn, do đó khó đúc các vật đúc
thành mỏng, dễ biến trắng khi đúc gang
- Ứng suất trong vật đúc lớn do sự cản co của khn kim loại
- Khó đúc các vật đúc có hốc sâu, có các phần lồi, gân...
(thường phải dùng ruột hoặc miếng rời bằng hỗn hợp cát).
Phải dùng nhiều ruột khi đúc các vật đúc phức tạp
1.1.3 Phạm vi sử dụng

Do các đặc điểm đã nêu, lĩnh vực sử dụng có hiệu quả của
phương pháp đúc trong khn kim loại là:
- Các vật đúc có kết cấu khơng q phức tạp, có thành khơng
q mỏng, khơng hoặc ít gia cơng cơ
- Các vật đúc địi hỏi tổ chức sít chặt
- Các vật đúc bằng gang yêu cầu có lớp biến trắng ở bề mặt
- Các vật đúc bằng hợp kim màu dễ chảy
- Các vật đúc bằng thép có hình dạng đơn giản có thành dày
≥ 6÷ 10mm.
Việc đúc trong khuôn kim loại chỉ đạt hiệu quả kinh tế khi sản
xuất hàng loạt trở lên, đối với vật đúc nhỏ phải trên 400÷ 500 cái,
đối với các vật đúc lớn trên 50÷ 150 cái. Phương pháp này có thể
đúc được các vật đúc nặng từ vài lạng đến vài chục kg (đôi khi đúc
các vật đúc đơn giản nặng đến vài tạ).


12

CHƯƠNG 8

1.2 ĐẶC ĐIỂM VỀ CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT KHI ĐÚC TRONG
KHN KIM LOẠI
1.2.1 Mở đầu
Sự hình thành vật đúc là vấn đề quan trọng của lý thuyết đúc.
Nó phụ thuộc vào nhiều hiện tượng vật lý có bản chất khác nhau,
trong đó hiện tượng nhiệt đóng vai trị cơ bản nhất vì sự phân bố
và thay đổi nhiệt độ trong vật đúc là nguyên nhân đầu tiên dẫn tới
các q trình xảy ra trong đó.
Đối với khn kim loại thì hiện tượng nhiệt lại giữ một vai trị
cực kỳ quan trọng vì các lý do:

- Khn kim loại có khả năng rộng lớn để thay đổi các điều
kiện nhiệt của q trình hình thành vật đúc (do đó có thể
điều khiển sự hình thành cấu trúc và tính chất của vật đúc
trong một giới hạn nhất định): chọn vật liệu làm khuôn,
chọn chiều dày và kết cấu khuôn, chọn phương pháp và chế
độ nguội cưỡng bức, chọn thành phần và chiều dày lớp sơn
khuôn...
- Trạng thái nhiệt của khuôn kim loại là yếu tố quyết định độ
chính xác và tuổi thọ của nó.
Vì vậy, việc nghiên cứu q trình trao đổi nhiệt của khuôn
kim loại và vật đúc không những có ý nghĩa lý thuyết mà cịn có ý
nghĩa thực tiễn quan trọng.
1.2.2 Các dạng bài toán về nhiệt của q trình đúc trong
khn kim loại
Bài tốn 1
Xác định các quy luật thay đổi về nhiệt độ, sự đông đặc và
làm nguội vật đúc phụ thuộc vào các yếu tố của khuôn (chiều dày
lớp sơn khuôn và thành khuôn, các tính chất nhiệt vật lý của
chúng, chế độ làm nguội khn) nhằm thiết lập các quy luật hình
thành cấu trúc vật đúc, đặc điểm ứng suất nhiệt xuất hiện trong vật
đúc và thời điểm dỡ khuôn.


CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

13

Sơ đồ bài tốn:
Cho trước
các yếu tố

của khn

- Chiều dày thành khn và lớp sơn
khn
- Các tính chất nhiệt vật lý của khuôn,
sơn khuôn
- Chế độ làm nguội khuôn

Các quy luật
về sự đơng đặc
và làm nguội
của vật đúc

- Sự hình thành cấu trúc vật đúc
- Ứng suất trong vật đúc
- Thời gian đơng đặc và làm nguội vật
đúc

Bài tốn 2
Lựa chọn các tính chất nhiệt vật lý và hình học của khuôn và
lớp sơn khuôn, chế độ làm nguội của khuôn với mục đích tạo điều
kiện mong muốn cho việc hình thành vật đúc (tốc độ đông đặc, độ
chênh nhiệt độ giữa các phần trong vật đúc) nhằm đạt được các
tham số cần thiết về chất lượng vật đúc (độ bền, độ cứng, độ chính
xác...). Đây có thể coi là bài toán ngược của bài toán 1.
Bài toán 3
Xác định các điều kiện sử dụng khuôn kim loại như: thời gian
chu trình nhiệt, nhiệt độ ban đầu của khn, giá trị ứng suất nhiệt
và độ biến dạng của khuôn...
Việc nghiên cứu các hiện tượng nhiệt trong hệ vật đúc - khuôn

kim loại thường được thực hiện qua tiêu chuẩn X3/X1; với: X3 chiều dày lớp sơn khuôn; X1 - nửa chiều dày thành vật đúc.
1.2.3 Đặc điểm của q trình
Thơng thường, khn kim loại có lớp sơn khn mỏng nên
X3/X1 ≤ 1 (H.1.1). Với điều kiện này, ta có hai hệ quả quan trọng:
- Khả năng tích nhiệt của lớp sơn khn khơng đáng kể so với
khả năng tích nhiệt của vật đúc.
- Lớp sơn khn có thể được coi là phẳng.
Hai hệ quả này cho phép coi trở nhiệt của lớp sơn khuôn


14

CHƯƠNG 8

như trở nhiệt của thành phẳng.

T1 - nhiệt độ kim loại ở tâm
T1bm - nhiệt độ ở bề
mặt vật đúc
T2bm - nhiệt độ mặt ngồi khn T’2bm - nhiệt độ mặt
trong khuôn
T1bđ - nhiệt độ ban đầu của kim loại lỏng trong khuôn
T2bđ - nhiệt độ ban đầu của khn; X2 - chiều dày thành
khn
Hình 1.1 Trường nhiệt độ của hệ
vật đúc - lớp sơn khuôn - khuôn kim loại
Do λ3 = λ1 nên giữa vật đúc và thành khn hình thành lớp
đệm có nhiệt trở lớn:
1 X3
=

β λ3

(1.1)

Do đó, hệ số tỏa nhiệt β của bề mặt vật đúc nhỏ. Điều này làm
giảm tốc độ dẫn nhiệt q từ bề mặt kim loại lỏng:
′ )
q = β(T1bm – T2bm

(1.2)


CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

15

Như vậy, bằng cách thay đổi loại sơn (do đó thay đổi λ3) và
chiều dày lớp sơn X3, ta có thể điều chỉnh được tốc độ dẫn nhiệt từ
vật đúc, qua đó thay đổi được tổ chức, tính chất của nó.


16

CHƯƠNG 8

1.2.4 Sự hình thành vật đúc
Quá trình hình thành vật đúc trong khn kim loại có thể
được chia thành bốn giai đoạn:
Giai đoạn 1: Dòng kim loại lỏng đi từ miệng gầu rót đến khn
Trong q trình này kim loại lỏng nguội đi. Sự thay đổi nhiệt

độ của dòng kim loại được mô tả:
T1
y

= exp  − A(t − )
Tr
u 


(1.3)

với: T1 - nhiệt độ kim loại lỏng tại vị trí cách miệng gầu rót một
khoảng cách y
Tr - nhiệt độ rót; t - thời gian kể từ khi bắt đầu rót
y - khoảng cách kể từ miệng gầu rót
u - tốc độ chuyển động của dịng kim loại lỏng
A=

α1
Tr ρ1′ c1′

c1′ - nhiệt dung riêng của kim loại lỏng
ρ1′ - khối lượng riêng của kim loại lỏng

α1 - hệ số tỏa nhiệt của kim loại lỏng ra môi trường.
Giai đoạn 2: Tỏa nhiệt quá nhiệt.
Ở giai đoạn này nhiệt độ kim loại lỏng trong khuôn cũng thay
đổi theo hàm mũ:
T1
 Fα


= exp  − 1 1 ⋅ t
′
T1bñ
M
c
1 1



(1.4)

với F1 - diện tích bề mặt vật đúc; M1 - khối lượng vật đúc.
T1bđ được xác định bằng cách thay t = t1 (t1 - thời gian rót) vào
cơng thức (1.3).
α1 - hệ số tỏa nhiệt từ vật đúc ra môi trường. Đối với khuôn
mỏng:


17

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

1

α1 =

X 2 X 3 X khí
1
+

+
+
λ 2 λ 3 λ khí λ 2

α2 - hệ số tỏa nhiệt từ khn ra mơi trường.
X khí , λ khí - chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp màng khí

Từ (1.4) có thể xác định được thời gian tỏa nhiệt quá nhiệt:
t2 =

T
M 1c1′
⋅ ln 1bñ
F1α1
Tkt

với: Tkt - nhiệt độ kết tinh của kim loại lỏng
F1 - diện tích bề mặt vật đúc.
Giai đoạn 3: Vật đúc đơng đặc.
Q trình đơng đặc của vật đúc phụ thuộc vào hình dạng và
cường độ nguội của vật đúc, tức phụ thuộc vào tiêu chuẩn Biô:
Bi1 =

α1 X1
λ1

(1.5)

Trong trường hợp Bi1 ? 1 (cường độ nguội vật đúc lớn) thì
chiều dày lớp vỏ đơng đặc vật đúc phẳng được tính theo cơng

thức:
ξ=

với:

2n(n + 1)a1
L + (n + 1) + Bi1

(1.6)

λ1

a1 = c ρ - hệ số truyền nhiệt độ của lớp vỏ kim loại đã đông
1 1

đặc
n - chỉ số parabol mô tả trường nhiệt độ của lớp vỏ rắn
L=

r1
c1Tkt

r1 - ẩn nhiệt kết tinh của hợp kim đúc.
Khi đó, tốc độ đơng đặc dài (tốc độ dịch chuyển mặt đông đặc
từ bề mặt vào tâm vật đúc):


18

CHƯƠNG 8

a1n
dξ
=
1 
dt 
L +
ξ
n + 1


(1.7)

- Trong trường hợp Bi1 = 1 (cường độ nguội vật đúc nhỏ):
Thời gian vật đúc đơng đặc hồn tồn được tính bằng cách
thay ξ = X1 vào (1.6).
Giai đoạn 4: Làm nguội vật đúc đã đông đặc.
Nhiệt độ vật đúc cũng giảm theo quy luật hàm mũ:
Fo
T1 
1



= 1 −
Z n  exp 

−
1
−

1
n
Tkt
 1+

 (n + 1) + Bi1 
Bi1



trong đó:

Fo =

(1.8)

a1t
X12

Ở tâm vật đúc Z = 0, ở bề mặt Z = X1
Nếu cường độ nguội của vật đúc nhỏ (Bi = 1) , công thức trên
trở thành:
T1
= exp(− Bi1Fo )
Tkt

(1.9)

1.2.5 Sự hình thành khe hở khí
Một đặc điểm quan trọng của q trình truyền nhiệt khi đúc

trong khn kim loại là sự hình thành khe hở khí giữa vật đúc và
khn. Khe hở khí hình thành do sự co của vật đúc, do sự nở nhiệt
và biến dạng của khuôn. Cịn thành phần của khí là sản phẩm cháy
của lớp sơn khn, khí hình thành và thốt ra từ hỗn hợp làm
khn và ruột (nếu có), khí thốt ra từ vật đúc.
Thực nghiệm cho thấy rằng, khe hở khí bắt đầu hình thành khi
vật đúc đã đơng đặc được 40÷ 50%. Thời điểm này tương ứng với
thời điểm bề mặt làm việc của khuôn đạt T2′bmmax (H.1.2).
Ở giai đoạn đầu khi khuôn và kim loại tiếp xúc trực tiếp nhau,
′ tăng dần đến giá trị cực đại T2′bmmax sau đó giảm dần tới giá
T2bm
trị cực tiểu và sau đó lại tiếp tục tăng nhẹ do khuôn không thể


CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

19

truyền tồn bộ nhiệt nhận được từ vật đúc vào mơi trường.

Hình 1.2 Sự hình thành khe hở khí
Hiện tượng giảm dần nhiệt độ bề mặt khuôn sau khi đạt T2′bmmax
được giải thích là do sự hình thành khe hở khí làm tăng mạnh trở
nhiệt giữa vật đúc và khuôn, do đó làm giảm cường độ trao đổi
nhiệt trên bề mặt khn. Như vậy, tính chất giảm nhiệt độ bề mặt
làm việc của khuôn sau khi đạt tới T2′bmmax được xác định bởi
động học q trình hình thành khe hở khí, khả năng tích nhiệt của
khn và vật đúc. Sau khi đạt một giá trị nào đó, khe hở khí hầu
như khơng đổi.
Khe hở khí, do có khả năng truyền nhiệt thấp (hệ số truyền

nhiệt của khơng khí thấp hơn chất sơn khn 7÷ 20 lần), làm cho
vai trị trở nhiệt của chất sơn khuôn trở nên không đáng kể. Lúc
này vai trị chủ yếu của chất sơn khn là làm giảm va đập nhiệt
và gradient nhiệt độ ở bề mặt làm việc của khn khi khe hở khí
chưa hình thành.
Như vậy, khe hở khí hình thành giữa vật đúc và khn có
nhiệt trở đáng kể, là một yếu tố quan trọng của q trình đúc trong
khn kim loại và cần được xét tới khi thiết kế quy trình cơng
nghệ.
Trong một số cơng trình nghiên cứu, người ta đã tạo được khe
hở khí nhân tạo dày 2÷ 5mm. Khi đó khe hở khí, do có nhiệt trở
khá lớn, có tác dụng ngăn ngừa một số dạng khuyết tật thường xảy
ra khi đúc trong khuôn kim loại (biến trắng ở vật đúc bằng gang,


20

CHƯƠNG 8

nứt...) và nâng cao tuổi thọ của khuôn.
1.2.6 Ảnh hưởng của việc làm nguội cưỡng bức tới chế độ
nhiệt của vật đúc và khn kim loại
Mục đích của việc làm nguội cưỡng bức là làm tăng cường độ
trao đổi nhiệt ở mặt ngồi của khn kim loại. Ảnh hưởng của
việc làm nguội cưỡng bức tới sự hình thành vật đúc phụ thuộc
đáng kể vào trở nhiệt trên bề mặt vật đúc.
Thực nghiệm cho thấy rằng, ảnh hưởng của việc làm nguội
cưỡng bức ở giai đoạn đông đặc nhỏ hơn so với giai đoạn làm
nguội vật đúc đã đông đặc hoàn toàn (Các nghiên cứu cho thấy khi
làm nguội cưỡng bức mặt ngồi khn bằng nước: thời gian đơng

đặc của vật đúc giảm 1,5 lần so với khi làm nguội tự nhiên, trong
khi thời gian nguội của vật đúc đã đơng đặc hồn tồn giảm tới 3
lần). Ở giai đoạn vật đúc đang đông đặc, quan sát thấy độ chênh
lệch nhiệt độ lớn nhất trong thành khuôn, dễ dẫn tới sự biến dạng
của khn.
Các thí nghiệm khi phân tích trường nhiệt độ của khn kim
loại cho thấy rằng, chu trình của khn khi làm nguội bằng dầu
giảm 6÷ 8 lần, bằng nước giảm 13÷ 15 lần so với làm nguội tự
nhiên ngồi khơng khí.
Q trình nung - làm nguội khn nhiều lần, độ chênh nhiệt
độ lớn trong thành khuôn tạo ra những điều kiện nặng nề trên bề
mặt làm việc của thành khuôn.
Ứng suất nhiệt sinh ra trên bề mặt làm việc của khn phẳng
có thể được tính theo cơng thức:
σ = (βE)(1 – ν) (T2′ − T2′′)
trong đó: β - hệ số nở dài của vật liệu làm khuôn
E - mô đun đàn hồi của vật liệu làm khuôn
ν - hệ số Poisson, trong tính tốn có thể lấy ν = 0,3
T2′ - nhiệt độ bề mặt làm việc của khuôn
T2′′ - nhiệt độ bề mặt được làm nguội của khuôn.

(1.10)


CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

21

−σ, µN / m2

I- Vùng trạng thái đàn hồi; II - Vùng trạng thái đàn hồi - dẻo; IIIVùng trạng thái dẻo
1- Làm nguội bằng nước
2- Làm nguội
bằng dầu
3- Làm nguội bằng dịng nước - khí
4- Làm nguội tự
nhiên
Hình 1.3 Giản đồ trạng thái ứng suất của gang xám GX 21-40
Hình 1.3 trình bày giản đồ trạng thái ứng suất của gang xám
GX 21-40, được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm.
Từ giản đồ có thể thấy:
- Ứng suất nén lớn nhất xảy ra khi làm nguội bằng nước
- Trong tất cả các trường hợp làm nguội, gang xám luôn nằm
ở vùng biến dạng đàn hồi.
Như vậy, việc làm nguội cưỡng bức cho phép:
- Giảm đáng kể chu trình nhiệt của khn và thời gian làm
nguội của vật đúc trong khuôn
- Giảm nhiệt độ bề mặt làm việc của khuôn


22

CHƯƠNG 8

- Không làm xấu trạng thái ứng suất nhiệt của khn vì với
một chế độ nhiệt tối ưu thì khuôn sẽ không chịu tác động
của biến dạng dẻo.
Các phương pháp làm nguội cưỡng bức khuôn kim loại
- Dùng gân hoặc gai làm nguội (H.1.4): khuôn sẽ nguội nhanh
hơn so với trường hợp khn trơn 25÷ 30%.

Hình 1.4 Kết cấu khn có gân làm nguội (a) và gai làm nguội
(b)
- Làm nguội bằng dịng khơng khí nén (H.1.5): Bảo đảm
cường độ trao đổi nhiệt tốt khi đúc hợp kim màu. Thành
khn thẳng đứng tỏa nhiệt mạnh hơn thành khn ngang
20÷ 25%.


23

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

1- Gân làm nguội bằng
đồng
2- Ống có khoan lỗ thổi
khơng khí nén làm nguội
khn

Hình 1.5 Làm nguội bằng dịng khơng khí nén
- Làm nguội bằng cách vẩy nước: Bảo đảm cường độ trao đổi
nhiệt lớn do nước bốc hơi. Nước phải được chảy ra ngồi tự
do, nếu khơng áp suất hơi sẽ tăng cao.
- Làm nguội bằng dòng nước chảy (H.1.6): Phương pháp này
bảo đảm khn có độ bền cao, nhưng việc chế tạo khuôn
phức tạp, khuôn được làm nguội không đều: chỗ gần kênh
nước sẽ nguội nhanh hơn các vị trí xa kênh, đầu vào nguội
nhanh hơn đầu ra của kênh dẫn nước.
1- Hộp nước làm nguội
2- Vít ép

3- Phễu rót
4, 5- Nước vào và ra
6, 7- Hai nửa khn
8- Đế khn

Hình 1.6 Khn được làm nguội bằng nước
Ruột kim loại lớn cũng được làm nguội bằng dịng khơng khí
nén hoặc bằng dịng nước. Có thể làm nguội ruột nhỏ bằng cách
nhúng vào nước có chứa 2÷ 5% graphit (cần phải khống chế thời
gian nhúng chặt chẽ). Cường độ làm nguội ruột cao cho phép lấy
vật đúc ra dễ dàng vì ruột sẽ co nhanh hơn vật đúc. Phải chú ý làm


24

CHƯƠNG 8

nguội đồng đều vì nếu khơng đều có thể làm ruột bị cong vênh.
1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CO
Co là q trình thay đổi thể tích của kim loại sau khi rót vào
khn. Co có thể xảy ra trong tồn thể tích vật đúc cũng như trong
thể tích mỗi tinh thể riêng biệt. Nếu q trình giảm nhiệt độ vật
đúc không kèm theo những biến đổi pha thì sự thay đổi kích thước
trung bình giữa các ngun tử là nguyên nhân của quá trình co.
Những biến đổi về pha thường kèm theo những thay đổi về
thể tích kim loại. Đối với phần lớn kim loại và hợp kim, sự chuyển
từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn thường giảm thể tích.
Sự co được đánh giá định lượng bằng hệ số co dài α và hệ số
co thể tích β (β ≈ 3α). Hệ số co thể tích khi kim loại lỏng đơng
đặc được tính theo cơng thức:

β kt =

ρ1 − ρ1′
ρ1

(1.11)

Thực nghiệm cho thấy rằng độ co chung của kim loại và hợp
kim khi đúc trong khuôn kim loại lớn hơn khi đúc trong khuôn cát.
Hệ số co của một số kim loại được trình bày ở bảng 1.1.
Bảng 1.1 Hệ số co của một số kim loại
Kim loại

β 1.105, 1/0C

β kt

α.106, 1/0C

Nhơm
40
0,066
21
Manhê
35
0,051
29
Đồng
20
0,044

20
Sắt
9
0,030
12
Titan
–
0,010
10
Cơ chế của q trình co phụ thuộc:
- Vị trí của hợp kim trên giản đồ trạng thái
- Tốc độ nguội của vật đúc hay cường độ trao đổi nhiệt giữa
vật đúc và khn
Có thể biểu thị định lượng cơ chế của quá trình co theo tỉ số


25

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC

∆Tkt
, trong đó:
δT1

∆Tkt - khoảng đơng của hợp kim đúc
δT1 - độ chênh lệch nhiệt độ theo chiều dày thành vật đúc
∆T

kt
Điều kiện để xảy ra đơng đặc có hướng: δT = 1

1

Có hai trường hợp đáp ứng điều kiện này:
- Vật đúc được làm bằng kim loại sạch hoặc hợp kim cùng tinh
- Vật đúc được làm nguội nhanh
∆T

kt
Điều kiện để xảy ra đơng đặc thể tích: δT ? 1
1

∆T

kt
Cịn khi: δT ≈ 1 ứng với trường hợp đông đặc chung.
1

Như vậy, khi đúc trong khuôn kim loại, do cường độ trao đổi
nhiệt mạnh giữa vật đúc và khuôn nên δT1 có giá trị rất lớn, do đó
∆Tkt
= 1 : vật đúc dễ đơng đặc có hướng.
δT1

1.4 KHN KIM LOẠI
1.4.1 Phân loại
1- Theo mặt phân khn
a) Khn có mặt phân khn đứng: KV (H.1.4)
Ưu điểm:
- Dễ bố trí hệ thống rót và thốt khí (theo mặt phân khn)
- Hệ thống rót và thốt hơi có thể đặt nhiều tầng khi đúc các

vật đúc nhỏ
- Dễ cơ khí hóa q trình, năng suất cao.
Nhược điểm:
- Khó đặt ruột
- Thao tác ráp và tách khuôn nặng nhọc
- Khuôn sử dụng bị hạn chế vì khối lượng của vật đúc
- Khn mau bị cong vênh.


26

CHƯƠNG 8

Phạm vi sử dụng:
Dùng đúc các vật đúc phẳng, tương đối mỏng, ít lõm vào hoặc
nhơ ra (tấm, đĩa, tạ...). Các vật đúc có biên dạng tương đối đơn
giản và khơng có ruột, chiều sâu hốc khn khơng q 120mm,
khối lượng vật đúc dưới 25kg: ống lót, ống lồng...
b) Khn có mặt phân khn ngang: KH (H.1.7)
Ưu điểm:
- Dễ đặt ruột
- Dễ sử dụng khi khơng được cơ khí hóa
- Khi rót khn khơng cần kẹp chặt
- Khn ít bị cong vênh.

1- Nửa khuôn bên
2- Nửa khuôn dưới
3- Chốt định vị
4- Hệ thống rót trong ruột cát

Hình 1.7 Khn có mặt phân khn ngang
Nhược điểm:
- Hệ thống rót chủ yếu đặt trong ruột: phức tạp
- Đối với các vật đúc có bề mặt tiếp xúc với mặt trong của
khn trên lớn dễ bị rỗ hơi