Lời nói đầu
Công nghệ đúc đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tạo hình chế tạo các sản phẩm trong các ngành nghề cơ khí chế tạo, cơ khí ôtô, các sản phẩm gia dụng hàng ngày, có thể nói hầu như các sản phẩm trong cơ khí hay các sản phẩm chúng ta sử dụng hàng ngày đều được chế tạo bằng phương pháp đúc là chủ yếu, nhưng để hiểu rõ về đúc thì không phải ai cũng nắm được vì vậy trong phần trình bày dưới đây sẽ giới thiệu cho người đọc phần nào về công nghệ đúc, đặc biệt chú trọng vào đúc trong khuôn cát vì lý do khuôn cát được dùng nhiều vì dễ chế tạo, rẻ, vốn đầu tư ít, hơn nửa khuôn cát rất vạn năng, có thể đúc vật nhỏ từ 10 gram cho tới vật lớn có khối lượng hàng trăm tấn, có thể đúc bất kỳ hợp kim nào như: thép, gang cầu, gang xám, đồng thau, đồng thanh, hợp kim niken, hợp kim nhôm.
I. Khái quát chung
1. Định nghĩa
- Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu, đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại.
- Vật dùng ngay được mà không phải gia công cơ khí gọi là sản phẩm đúc còn vật đúc phải qua gia công cắt gọt độ ngót độ rót để đạt độ chính xác thì gọi là phôi đúc.
2. Đặc điểm:
- Đúc được mọi vật liệu như gang, thép, kim loại màu, hơp kim vật liệu phi kim…
- Đúc được vật đúc có kết cấu phức tạp.
- Đúc được vật đúc có khối lượng lớn mà các phương pháp gia công khác không làm được.
- Do quá trình kết tinh từ thể lỏng nên vật đúc dễ bị rỗ khí, rỗ co, nứt, có lẫn tạp chất.
- Vật đúc có độ chính xác về kích thước, độ bóng, độ nhám thấp.
- Vật đúc sau khi đúc phải tiến hành gia công cắt gọt đậu ngót, đậu rót nên tiêu hao nhiều nguyên liêu. Lượng dư gia công lớn.
- Chỉ phù hợp với sản xuất nhỏ lẻ.
3. Phân loại
- Phân loại theo khuôn đúc: Đúc trong khuôn cát, trong khuôn kim loại.
- Phân loại theo cách làm khuôn: Đúc trong khuôn cát tươi, đúc trong khuôn cát khô, đúc mẫu chảy, đúc mẫu cháy, đúc trong khuôn vỏ mỏng.
- Phân loại theo cách rót kim loại: đúc áp lực, đúc ly tâm, đúc áp lực.
II. Đúc trong khuôn cát tươi
1. Khái niệm
- Bộ phận kỹ thuật căn cứ theo bản vẽ chi tiết, lập ra bản vẽ đúc, trong đó có mặt phân khuôn, lõi, độ dốc đúc, lượng dư gia công cơ khí, dung sai, độ co ngót của kim loại khi đông đặc…
- Bộ mẫu là một số các mẫu khác nhau như: tấm mẫu, mẫu hệ thống rót, đậu ngót. Trong đó mẫu đúc và lõi là hai bộ phận chủ yếu. Mẫu đúc dùng để chế tạo lòng khuôn đúc trong hỗn hợp làm khuôn, hộp lõi dùng để làm lõi nếu có .. mẫu , hộp lõi thường do xưởng mộc sản xuất.
- Khuôn, mẫu, hộp lõi thường làm thành hai nửa lắp lại với nhau bằng các chốt định vị.
- Khuôn đúc và lõi thường phải sấy khô để tăng cơ tính và khả năng thông khí.
- Bộ phận nấu chảy kim loại phải phối hợp nhịp nhàng với quá trình làm khuôn. Lắp ráp khuôn để tiến hành rót kim loại lỏng vào cho kịp lúc.
- Sau khi kim loại đông đặc, vật đúc được hình thành trong khuôn, tiến hành phá lõi kiểm tra vật đúc bằng thủ công hoặc bằng máy.
- Kiểm tra lại khâu cuối cùng, gồm kiểm tra hình dáng và kích thước chất lượng bên trong vật đúc.
3. Công nghệ chế tạo mẫu và hộp lõi
a. Bộ mẫu bao gồm:
- Mẫu để tạo lòng khuôn.
- Mẫu của hệ thống đậu rót, đậu hơi.
- Tấm mẫu để làm khuôn.
b. Yêu cầu:
- Bền, không thấm nước, không co giãn.
- Có độ bóng, độ chính xác cao
- Làm mẫu được nhiều lần.
- Dễ gia công
c. Vật liệu làm mẫu và hộp lõi
- Gỗ (chủ yếu).
- Kim loại: hợp kim nhôm đúc (hợp kim silumin, gang, thép, đồng).
- Nhựa.
- Làm bằng thạch cao.
- Xi măng.
4. Vật liệu làm khuôn và lõi
a. Yêu cầu
Vật liệu làm khuôn phải thỏa mãn được các yêu cầu sau:
- Cát: có thành phần chủ yếu là SiO2 (thạch anh) cát sử dụng là cát núi hoặc cát sông. Cát sông hạt tròn đều, cát núi hạt sắc cạnh. Kích thước vật đúc càng lớn thì độ hạt càng lớn. Kích thước hạt cát được xác định qua dụng cụ rây có các lỗ rây.
- Đất sét: thành phần chủ yếu là bentonit, cao lanh, Al2O3, SiO2, H2O, có đặc tính là dẻo, dính khi có lượng nước thích hợp. Khi nung nóng độ bền tăng nhưng giòn dễ vỡ, không bị cháy khi rót kim loại ở nhiệt độ cao vào.
- Chất kết dính: dùng các loại dầu thực vật khoáng vật, nước đường, rỉ mật nước bã giấy (kiềm sunfat), nước thủy tinh. Những chất này cho vào hỗn hợp để làm tăng độ dẻo của hỗn hợp.
+ Khi trộn vào hỗn hợp phải phân bố đều.
+ Không làm dính hỗn hợp làm khuôn vào khuôn mẫu cũng như hộp lõi sẽ làm hư hỏng khuôn.
+ Khô nhanh khi sấy nóng và không sinh nhiều khí khi rót kim loại.
+ Để tăng tính nhẵn bóng bề mặt: thường dùng sơn khuôn có thể là bột than, bột graphit, bột thạch anh hoặc dung dịch của chúng với đất sét. Sau khi lấy vật mẫu và hộp lõi ra khỏi khuôn ta tiến hành sơn một lớp sơn mỏng lên bề mặt khuôn sau đó sấy khô để vật sau khi đúc có được độ nhẵn bóng cao.
c. Hỗn hợp làm khuôn
Hỗn hợp làm khuôn có hai loại cát áo và cát đệm
Sau khi chuẩn bị được vật mẫu và hộp lõi, khuôn đậu rót đậu hơi, vật liệu làm khuôn, kim loại rót ta tiến hành đúc vật như sau:
Vật đúc sau khi đúc thường hay bị các khuyết tật vật đúc chia làm các nhóm
1 . Nhóm I: Sai hình dáng kích thước và trọng lượng
- Khớp: là hiện tượng không liên tục trên bề mặt vật đúc do rót thiếu liên tục, độ chảy loãng kém, nhiệt độ rót không thích hợp, hệ thống rót không hợp lý.
- Cháy cát: Vật liệu làm khuôn bị cháy do nhiệt độ quá cao hoặc do vật liệu làm khuôn không đạt yêu cầu.
- Lõm: là những chổ có hình dáng và kích thước khác nhau làm giảm chiều dày thành vật đúc do khuôn bị vỡ để lại hỗn hợp trong lòng khuôn.
3. Nhóm III: Nứt
Khuyết tật tương đối phổ biến và nguy hiểm cho vật đúc chủ yếu là do ứng suất bên trong khi vật đúc đang còn nóng mà tiếp xúc với nguồn lạnh đột ngột sẽ gây ứng suất làm nứt vật đúc.
4. Nhóm IV: Lỗ hổng trong vật đúc
-Rỗ khí: trong vật đúc tồn tại những không gian dạng hình cầu nhẵn bóng có chứa khí với kích thước khác nhau gọi là rỗ khí, rỗ khí làm mất khả năng liên tục của vật đúc làm giảm độ bền độ dẻo của vật đúc.
- Rỗ co: những phần không gian nhỏ trong vật đúc không chứa khí có hình dạng khác nhau không nhẵn bóng như rỗ khí
5. Nhóm V: lẫn tạp chất: đó là phần kim loại chứa lẫn các tạp chất cát xỉ, phi kim khác nguyên nhân chủ yếu là do lọc xỉ không tốt, không khử hết oxy khi nấu.
6. Nhóm VI: Sai tổ chức của kim loại như hình dáng, kích thước số lượng hạt kim loại không đúng theo yêu cầu.
7. Nhóm VII: Sai thành phần hóa học và cơ tính.
Công nghệ đúc đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tạo hình chế tạo các sản phẩm trong các ngành nghề cơ khí chế tạo, cơ khí ôtô, các sản phẩm gia dụng hàng ngày, có thể nói hầu như các sản phẩm trong cơ khí hay các sản phẩm chúng ta sử dụng hàng ngày đều được chế tạo bằng phương pháp đúc là chủ yếu, nhưng để hiểu rõ về đúc thì không phải ai cũng nắm được vì vậy trong phần trình bày dưới đây sẽ giới thiệu cho người đọc phần nào về công nghệ đúc, đặc biệt chú trọng vào đúc trong khuôn cát vì lý do khuôn cát được dùng nhiều vì dễ chế tạo, rẻ, vốn đầu tư ít, hơn nửa khuôn cát rất vạn năng, có thể đúc vật nhỏ từ 10 gram cho tới vật lớn có khối lượng hàng trăm tấn, có thể đúc bất kỳ hợp kim nào như: thép, gang cầu, gang xám, đồng thau, đồng thanh, hợp kim niken, hợp kim nhôm.
I. Khái quát chung
1. Định nghĩa
- Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu, đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại.
- Vật dùng ngay được mà không phải gia công cơ khí gọi là sản phẩm đúc còn vật đúc phải qua gia công cắt gọt độ ngót độ rót để đạt độ chính xác thì gọi là phôi đúc.
2. Đặc điểm:
- Đúc được mọi vật liệu như gang, thép, kim loại màu, hơp kim vật liệu phi kim…
- Đúc được vật đúc có kết cấu phức tạp.
- Đúc được vật đúc có khối lượng lớn mà các phương pháp gia công khác không làm được.
- Do quá trình kết tinh từ thể lỏng nên vật đúc dễ bị rỗ khí, rỗ co, nứt, có lẫn tạp chất.
- Vật đúc có độ chính xác về kích thước, độ bóng, độ nhám thấp.
- Vật đúc sau khi đúc phải tiến hành gia công cắt gọt đậu ngót, đậu rót nên tiêu hao nhiều nguyên liêu. Lượng dư gia công lớn.
- Chỉ phù hợp với sản xuất nhỏ lẻ.
3. Phân loại
- Phân loại theo khuôn đúc: Đúc trong khuôn cát, trong khuôn kim loại.
- Phân loại theo cách làm khuôn: Đúc trong khuôn cát tươi, đúc trong khuôn cát khô, đúc mẫu chảy, đúc mẫu cháy, đúc trong khuôn vỏ mỏng.
- Phân loại theo cách rót kim loại: đúc áp lực, đúc ly tâm, đúc áp lực.
II. Đúc trong khuôn cát tươi
1. Khái niệm
- Đúc trong khuôn cát là phương pháp đúc mà sử dụng khuôn làm bằng cát để đúc. Khuôn cát là khuôn chỉ sử dụng một lần (Chỉ rót kim loại lỏng vào khuôn một lần, sau đó để nguội và lấy vật đúc ra khỏi khuôn bằng cách phá khuôn).
- Vật đúc tạo hình trong khuôn cát có độ bóng bề mặt kém, lượng dư gia công lớn, độ chính xác thấp. Nhưng khuôn cát có thể đúc vật đúc có hình dạng phức tạp và rất lớn.
- Bộ phận kỹ thuật căn cứ theo bản vẽ chi tiết, lập ra bản vẽ đúc, trong đó có mặt phân khuôn, lõi, độ dốc đúc, lượng dư gia công cơ khí, dung sai, độ co ngót của kim loại khi đông đặc…
- Bộ mẫu là một số các mẫu khác nhau như: tấm mẫu, mẫu hệ thống rót, đậu ngót. Trong đó mẫu đúc và lõi là hai bộ phận chủ yếu. Mẫu đúc dùng để chế tạo lòng khuôn đúc trong hỗn hợp làm khuôn, hộp lõi dùng để làm lõi nếu có .. mẫu , hộp lõi thường do xưởng mộc sản xuất.
- Khuôn, mẫu, hộp lõi thường làm thành hai nửa lắp lại với nhau bằng các chốt định vị.
- Khuôn đúc và lõi thường phải sấy khô để tăng cơ tính và khả năng thông khí.
- Bộ phận nấu chảy kim loại phải phối hợp nhịp nhàng với quá trình làm khuôn. Lắp ráp khuôn để tiến hành rót kim loại lỏng vào cho kịp lúc.
- Sau khi kim loại đông đặc, vật đúc được hình thành trong khuôn, tiến hành phá lõi kiểm tra vật đúc bằng thủ công hoặc bằng máy.
- Kiểm tra lại khâu cuối cùng, gồm kiểm tra hình dáng và kích thước chất lượng bên trong vật đúc.
3. Công nghệ chế tạo mẫu và hộp lõi
a. Bộ mẫu bao gồm:
- Mẫu để tạo lòng khuôn.
- Mẫu của hệ thống đậu rót, đậu hơi.
- Tấm mẫu để làm khuôn.
b. Yêu cầu:
- Bền, không thấm nước, không co giãn.
- Có độ bóng, độ chính xác cao
- Làm mẫu được nhiều lần.
- Dễ gia công
c. Vật liệu làm mẫu và hộp lõi
- Gỗ (chủ yếu).
- Kim loại: hợp kim nhôm đúc (hợp kim silumin, gang, thép, đồng).
- Nhựa.
- Làm bằng thạch cao.
- Xi măng.
4. Vật liệu làm khuôn và lõi
a. Yêu cầu
Vật liệu làm khuôn phải thỏa mãn được các yêu cầu sau:
- Độ bền: là có khả năng chịu được tác dụng của ngoại lực mà khuôn và lõi không bị phá hủy nên hạt cát phải nhỏ hàm lượng đất sét cộng chất kết dính cao và độ đầm chặt phải phù hợp.
- Tính dẻo: là khả năng tạo thành lòng khuôn khi lấy mẫu ra khỏi khuôn, tính dẻo sẽ tăng khi tăng hàm lượng nước (đến 8%), thành phần đất sét và chất kết dính tăng.
- Tính lún (co bóp): là khả năng giảm thể tích của hỗn hợp khi có ngoại lực tác dụng không bị cong vênh.
- Tính thông khí: là khả năng thoát khí ra ngoài thông qua hỗn hợp tránh gây hiện tượng rỗ khí trong vật đúc.
- Tính bền nhiệt: là khả năng làm việc ở nhiệt độ cao mà không nóng chảy, không biến dạng. Giúp đảm bảo được hình dáng và kích thước vật đúc.
- Độ ẩm: lượng nước trong hỗn hợp không được quá cao < 8% để có được độ dẻo và độ bền cần thiết.
- Tính bền lâu: là khả năng sử dụng lại hỗn hợp nhiều lần mà tính chất hỗn hợp vẫn không thay đổi, vẫn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật.
- Cát: có thành phần chủ yếu là SiO2 (thạch anh) cát sử dụng là cát núi hoặc cát sông. Cát sông hạt tròn đều, cát núi hạt sắc cạnh. Kích thước vật đúc càng lớn thì độ hạt càng lớn. Kích thước hạt cát được xác định qua dụng cụ rây có các lỗ rây.
- Đất sét: thành phần chủ yếu là bentonit, cao lanh, Al2O3, SiO2, H2O, có đặc tính là dẻo, dính khi có lượng nước thích hợp. Khi nung nóng độ bền tăng nhưng giòn dễ vỡ, không bị cháy khi rót kim loại ở nhiệt độ cao vào.
- Chất kết dính: dùng các loại dầu thực vật khoáng vật, nước đường, rỉ mật nước bã giấy (kiềm sunfat), nước thủy tinh. Những chất này cho vào hỗn hợp để làm tăng độ dẻo của hỗn hợp.
+ Khi trộn vào hỗn hợp phải phân bố đều.
+ Không làm dính hỗn hợp làm khuôn vào khuôn mẫu cũng như hộp lõi sẽ làm hư hỏng khuôn.
+ Khô nhanh khi sấy nóng và không sinh nhiều khí khi rót kim loại.
- Các chất phụ gia: được bổ sung vào hỗn hợp để tăng tính lún, thông khí, làm nhẵn bề mặt và chất phụ gia thường dùng:
+ Để tăng tính nhẵn bóng bề mặt: thường dùng sơn khuôn có thể là bột than, bột graphit, bột thạch anh hoặc dung dịch của chúng với đất sét. Sau khi lấy vật mẫu và hộp lõi ra khỏi khuôn ta tiến hành sơn một lớp sơn mỏng lên bề mặt khuôn sau đó sấy khô để vật sau khi đúc có được độ nhẵn bóng cao.
c. Hỗn hợp làm khuôn
Hỗn hợp làm khuôn có hai loại cát áo và cát đệm
- Cát áo: lớp cát áo có kích thước nhỏ mịn, được lấy qua rây có kích thước lỗ rây nhỏ được rắc một lớp mỏng đều lên vật mẫu mục đích để sau khi lấy vật mẫu ra khỏi khuôn ta có độ nhẵn bóng bề mặt khuôn cao, làm vật đúc có độ nhẵn bóng bề mặt cao.
- Cát đệm: lớp cát đệm có kích thước lớn hơn lớp cát áo dùng để điền đầy phần khuôn còn lại, lớp cát này không tiếp xúc với vật mẫu.
Sau khi chuẩn bị được vật mẫu và hộp lõi, khuôn đậu rót đậu hơi, vật liệu làm khuôn, kim loại rót ta tiến hành đúc vật như sau:
- Bước 1: Đặt một nửa hòm khuôn lên một mặt phẳng sau đó đặt vật mẫu vào.
- Bước 2: Rắc lớp cát áo mỏng lên đều bề mặt vật mẫu.
- Bước 3: Tiếp tục rắc thêm cát đệm cho đến khi điền đầy hòm khuôn ta tiến hành dùng chày đầm thật chặt, sau đó tiếp tục cho thêm cát đệm vào và đầm chặt sau đó dùng thước thẳng gạt bỏ phần thừa trên mặt khuôn để được mặt phẳng của khuôn.
- Bước 4: Lật nửa hòm khuôn lại.
- Bước 5: Đặt nửa hòm khuôn trên lên nửa hòm khuôn dưới dùng chốt định vị định vị hai nửa hòm khuôn lại.
- Bước 6: Đặt khuôn đậu rót đậu hơi vào để định vị, định vị hệ thống cấp kim loại (hệ thống rót, đậu ngót) và thoát khí (đậu hơi).
- Bước 7: Tiếp tục rắc một lớp cát mỏng, đều lên bề mặt còn lại của vật mẫu.
- Bước 8: Tiếp tục rắc thêm cát đệm cho đến khi điền đầy hòm khuôn ta tiến hành dùng chày đầm thật chặt. Tạo rãnh xung quanh lỗ rót lỗ thông hơi để rút ống rót và ống thông hơi dễ dàng chú ý ta phải xăm các lỗ nhỏ trên mặt hòm khuôn để tạo điều kiện thông hơi được dễ dàng.
- Bước 9: Tháo chốt định vị để tháo nửa hòm khuôn ra và tiến hành tạo rãnh để dẫn kim loại lỏng từ lỗ rót vào khuôn.
- Bước 10: Rút vật mẫu ra khỏi hòm khuôn.
- Bước 11: Ráp hai nửa hòm khuôn lại và dùng chốt định vị, định vị hai nửa hòm khuôn lại.
- Bước 12: Rót kim loại lỏng sau khi nung nóng chảy vào khuôn tại lỗ rót chú ý rót từ từ để kim loại không chảy ra ngoài và không tạo rỗ khí.
- Bước 13: Đợi kim loại nguội sau đó tháo chốt định vị và lấy vật ra tiếp tục để nguội.
- Bước cuối cùng đem sản phẩm sau khi đúc đi gia công đậu ngót, đậu rót, lượng dư gia công để có sản phẩm mong muốn đạt yêu cầu kĩ thuật.
Vật đúc sau khi đúc thường hay bị các khuyết tật vật đúc chia làm các nhóm
1 . Nhóm I: Sai hình dáng kích thước và trọng lượng
- Thiếu hụt: hình dạng vật đúc không đầy đủ do kim loại lỏng chảy ra khi tháo khuôn, lượng kim loại rót vào không đủ, kích thước hệ thống rót nhỏ.
- Lệch: là sự xê dịch tương đối giữa các phần tử vật đúc có thể do đặt mẫu sai, định vị mẫu không tốt, ráp khuôn thiếu chính xác định vị lỏng
- Bavia: là phần kim loại thừa ra nó hình thành ở mặt phân khuôn, gối lõi
- Lồi : là phần nhô lên trên vật đúc do đầm khuôn không chặt, không đều
- Vênh: là sự thay đổi hình dạng, kích thước vật đúc do kết cấu vật đúc không hợp lý, không đảm bảo cứng vững, do mẫu bị cong vênh.
- Sứt: thao tác cơ học khi phá khuôn, các hệ thống rót, đậu ngót làm sạch nhưng va chạm trong vận chuyển gây sứt mẻ vật phẩm.
- Khớp: là hiện tượng không liên tục trên bề mặt vật đúc do rót thiếu liên tục, độ chảy loãng kém, nhiệt độ rót không thích hợp, hệ thống rót không hợp lý.
- Cháy cát: Vật liệu làm khuôn bị cháy do nhiệt độ quá cao hoặc do vật liệu làm khuôn không đạt yêu cầu.
- Lõm: là những chổ có hình dáng và kích thước khác nhau làm giảm chiều dày thành vật đúc do khuôn bị vỡ để lại hỗn hợp trong lòng khuôn.
3. Nhóm III: Nứt
Khuyết tật tương đối phổ biến và nguy hiểm cho vật đúc chủ yếu là do ứng suất bên trong khi vật đúc đang còn nóng mà tiếp xúc với nguồn lạnh đột ngột sẽ gây ứng suất làm nứt vật đúc.
4. Nhóm IV: Lỗ hổng trong vật đúc
-Rỗ khí: trong vật đúc tồn tại những không gian dạng hình cầu nhẵn bóng có chứa khí với kích thước khác nhau gọi là rỗ khí, rỗ khí làm mất khả năng liên tục của vật đúc làm giảm độ bền độ dẻo của vật đúc.
- Rỗ co: những phần không gian nhỏ trong vật đúc không chứa khí có hình dạng khác nhau không nhẵn bóng như rỗ khí
5. Nhóm V: lẫn tạp chất: đó là phần kim loại chứa lẫn các tạp chất cát xỉ, phi kim khác nguyên nhân chủ yếu là do lọc xỉ không tốt, không khử hết oxy khi nấu.
6. Nhóm VI: Sai tổ chức của kim loại như hình dáng, kích thước số lượng hạt kim loại không đúng theo yêu cầu.
7. Nhóm VII: Sai thành phần hóa học và cơ tính.
