Khả năng điền đầy khuôn và mức độ cháy dính cát khi đúc hợp kim A356 theo công nghệ mẫu hóa khí

KHẢ NĂNG ĐIỀN ĐẦY KHUÔN VÀ MỨC ĐỘ CHÁY DÍNH CÁT KHI ĐÚC HỢP KIM A356 THEO CÔNG NGHỆ MẪU HÓA KHÍ MOLD FILLING AND PENETRATION IN LOST FOAM CASTING (LFC) PROCESS OF A356 ALLOY Nguyễn Ngọc Hà, Lê Quốc Phong, Nguyễn Minh Thiện, Nguyễn Nhất Trí, Lại Đình Hoài Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM nnha@hcmut.edu.vn TÓM TẮT Đúc trong khuôn mẫu hóa khí (Lost Foam Casting Process – LFC process) là phương pháp đúc có rất nhiều ưu điểmvà đang được xem là một phương pháp đúc có nhiều triển vọng trong tương lai,đặc biệt trong lĩnh vực tạo phôi cho ngành ô tô, xe máy. Với phương pháp đúc này khuôn không cần mặt phân khuôn nên giảm thiểu được sai lệch mặt, không sử dụng chất kết dính nên giảm được chi phí cho việc xử lý hỗn hợp làm khuôn và thân thiện với môi trường, quy trình sản xuất đơn giản, có thể đúc được những chi tiết phức tạp Trong nghiên cứu này, đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ rót, chiều dày lớp sơn mẫu (thông qua thời gian nhúng sơn) và độ chân không đến khả năng điền đầy khuôn và mức độ cháy dính cát của vật đúc bằng hợp kim nhôm A356 theo công nghệ mẫu hóa khí. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã xây dựng được phương trình hồi quy về ảnh hưởng của các thông số đúc nêu trên đến khả năng điền đầy khuôn và mức độ cháy dính cát. Kết quả cho thấy, nếu tăng nhiệt độ rót kim loại lỏng, tăng độ chân không, giảm thời gian nhúng mẫu thì sẽ thu được vật đúc có mức độ điền đầy cao hơn nhưng lại làm gia tăng mức độ cháy dính cát. Từ khóa: đúc trong khuôn mẫu hóa khí; mẫu hóa khí; chất sơn mẫu; mức độ điền đầy; cháy dính cát. ABSTRACT Lost foam casting (LFC) process has many advantages with outstanding advantages and is being considered as a method of casting to be promising in the future, particularly in the field of manufacturing parts e for the automotive and motorcycle industries.In this work, the effects of three main casting parameters namely pouring temperature, coating thickness (based on dipping time) and vacuum degree on filling property and level of penetration of A356 aluminum alloy by LFC process were investigated. A full two-level factorial with the number of experiments was 8 (2 3 ) and bonus three more trial test which considered as the point center for each variable was conducted. The result showed that as increasing pouring temperature, vacuum degree and decreasing dipping time will collect the casting which has higher filling ability but unfortunely occur the penetration defect. Keywords: Lost foam casting; Pattern coating; Fluidity; Penetration. 1.GIỚI THIỆU Công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí có nhiều ưu điểm nổi bật: có thể đúc những vật đúc có hình dạng rất phức tạp mà không cần ruột; cát làm khuôn không cần chất dính; vật đúc đạt độ chính xác cao do không có mặt phân khuôn, mặt phân mẫu; ít ô nhiễm môi trường [1]; công nghệ và thiết bị đơn giản Khoảng mười năm gần đây, ở các nước phát triển, công nghệ đúc này được sử dụng ngày càng rộng rãi để đúc các chi tiết bằng hợp kim nhôm, gang, thép phục vụ cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành ô tô. Hình 1 trình bày các sản phẩm tiêu biểu được chế tạo bằng công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí trong những năm gần đây [2]. Các bước cơ bản trong công nghệ đúc này: 1)Chế tạo mẫu xốp(thường dùng nhựa EPS) bằng cách cắt hoặc ép tạo hình; 2) Ghép thành chùm mẫu; 3) Sơn mẫu; 4) Đặt mẫu vào khuôn, đổ cát và rung lèn chặt; 5) Phủ màng mỏng bằng nhựa dẻo lên bề mặt khuôn; 6) Rót kim loại lỏng vào khuôn đồng thời hút chân không; 7) Dỡ khuôn và lấy vật đúc ra. Cơ chế thay thế kim loại lỏng/mẫu xốp trong quá trình rót khuôn được trình bày trong hình 2 [2]. Khi tiếp xúc với kim loại lỏng, xốp polystyrene phân hủy tạo thành các giọt lỏng nằm trên lớp sơn mẫu, sau đó, dưới tác dụng nhiệt, một phần trong chúng sẽ hóa khí và thoát ra ngoài qua lớp sơn mẫu. Nếu mức độ hút chân không không đủ, khả năng thẩm thấu của mẫu xốp có thể vượt quá khả năng thẩm thấu của lớp sơn mẫu, điều này có thể dẫn đến: 1) Hình thành áp lực lớn trong hốc khuôn, cản trở việc điền đầy khuôn, thậm chí khi áp lực quá cao có thể dẫn đến hiện tượng phun trào; 2) Hình thành các nếp gấp trên bề mặt vật đúc; 3) Có thể tồn tại rỗ khí trong vật đúc. Ngược lại, nếu mức độ hút chân không quá lớn, kim loại lỏng sẽ thẩm thấu qua lớp sơn mẫu và gây nên hiện tượng cháy dính cát cơ học. a) b) c) d) Hình 1.a) Đầu xi lanh 16V, Saturn/GM, hợp kim nhôm, 11,8kg; b) Block động cơ V6, Mercury Marine, hợp kim nhôm, 22kg; c) Trục khuỷu GGG60, Saturn/GM, gang cầu, 11,6kg; d) Vỏ stator, gang xám, 2kg Hình 2.Mô hình thay thế kim loại lỏng/xốp polystyrene (EPS) [2] Cát làm khuôn và chế độ rung lèn chặt, vật liệu làm mẫu xốp, khối lượng riêng của mẫu xốp, nhiệt độ rót, loại sơn và chiều dày lớp sơn mẫu, độ chân không đều có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu về chất lượng của vật đúc khi đúc bằng công nghệ mẫu hóa khí. Công trình này chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ rót, chiều dày lớp sơn, độ chân không đến khả năng điền đầy khuôn và mức độ cháy dính cát khi đúc bằng công nghệ mẫu hóa khí cho hợp kim nhôm A356. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên vật liệu Mẫu xốp: Được chế tạo bằng xốp Polystyrene (EPS)theo phương pháp ép, có khối lượng riêng 30 kg/m 3 . Mẫu có dạng bậc với kích thước 220x80 mmvà chiều dày các bậc lần lượt là 20, 15, 10, 5, 3, 2 mm(hình 3) [3]. Cát làm khuôn: Cát thạch anh đã qua tuyển có kí hiệu T1C0315A [4]. Hỗn hợp chất sơn mẫu: Công trình sử dụng chất sơn mẫu có thành phần rắn (theo khối lượng): 80% bột zircon silicat (ZrSiO4 > 90%, trên 75% hạt có kích thước < 45µm), 6% nhựa thông, 14 % sét bentonite natri (khoáng mônmôrilônit > 90%, trên 60% hạt có kích thước < 10µm); dung môi: cồn 96%; tỉ lệ lỏng : rắn = 1 : 0,35. Hợp kim đúc:Hợp kim nhôm A356. Hình 3.Mẫu xốp 2.2. Trang thiết bị thí nghiệm Thiết bị rung: P= 2 HP; biên độ rung: 1 mm; phương rung: đứng; tần số rung: 0 - 50 Hz; kích thước sàn rung: 900x600mm. Hệ thống cấp chân không: P= 5 HP, Q= 4 m3/phút, pmax = -760 mmHg, Vtích = 0,8 m 3 . Hòm khuôn: kích thước trong: 320x220x300mm; số vị trí cấp chân không: 2. Các trang thiết bị, dụng cụ khác: thiết bị khuấy sơn, thiết bị cắt mẫu xốp bằng dây điện trở, dụng cụ đo độ nhớt của sơn, các bình đong, ống nghiệm, cân điện tử, 2.3. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá a) Phương pháp xác định chiều dày lớp sơn Đo chiều dày của mẫu trước và sau khi nhúng sơn (ở cùng một vị trí) bằng thước kẹp (có độ chia nhỏ nhất: 0.02mm) để xác định chiều dày lớp sơn. Sử dụng cữ chặn hình V đểcố định vị trí đo chiều dày. Thao tác đo chiều dày sơn được thể hiện trong hình 4. Do rất khó khống chế chiều dày lớp sơn ở một giá trị xác định nên trong nghiên cứu này sẽ khống chế chiều dày sơn thông qua thời gian nhúng mẫu vào sơn. Ảnh hưởng của thời gian nhúng mẫu và tỉ lệ rắn/lỏng của sơn lên chiều lớp sơn được trình bày trên hình 5. ( ) ( ) Hình 4.Mô phỏng thao tác đo chiều dày lớp sơn bằng thước kẹp Hình 5.Ảnh hưởng của thời gian nhúng mẫu và tỉ lệ rắn/lỏng đến chiều dày lớp sơn b) Phương pháp đánh giá mức độ điền đầy Mức độ điền đầy được đánh giá theo giá trị F/V [5], trong đó: F – tổng diện tích bề mặt phần mẫu đúc được điền đầy; V – thể tích phần mẫu đúc được điền đầy. Rõ ràng, F/V càng lớn thì mức độ điền đầy khuôn càng cao. c) Phương pháp đánh giá mức độ cháy dính cát Mức độ cháy dính cát mặt: đặt màng phim mỏng (có kẻ các ô vuông 2x2mm) lên bề mặt vật đúc; xác định số lượng ô bị cháy dính cát. Mức độ cháy dính cát đường theo góc bậc: dùng thước thẳng có chia vạch để xác định độ dài phần bị cháy dính cát ở các góc trong của vật đúc. Mức độ cháy dính cát mặt và đường theo góc bậc được tính theo phần trăm. d) Chế độ làm khuôn và rót khuôn [6] Tần số rung: 40Hz; biên độ rung: 1mm.Thời gian rót khuôn: 101 s. d) Phương án quy hoạch thực nghiệm Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần để xây dựng phương trình hồi quy (PTHQ) và đánh giá sự tương thích của PTHQ theo tiêu chuẩn Fisher. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 10 20 30 60 C h iề u d à y l ớ p s ơ n ( m m ) Thời gian nhúng (giây) 1/0.35 1/0.4 Tỷ lệ rắn/lỏng: Phương án thực nghiệm: thực nghiệm yếu tố toàn phần với k = 3 (ba yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ rót - x1, thời gian nhúng sơn - x2, độ chân không - x3), n = 2 (hai mức độ: giá trị hai biên). Như vậy cần thực hiện = 23 = 8 thí nghiệm; tiến hành thêm ba thí nghiệm ở tâm để tính đánh giá sự tương thích thực nghiệm của PTHQ theo tiêu chuẩn Fisher [7]. Từ kết quả các thí nghiệm thăm dò, khoảng khảo sát của các biến được chọn như sau:  Nhiệt độ rót (x1): giới hạn dưới: 670 o C, giới hạn trên: 760oC, tâm: 715oC;  Thời gian nhúng (x2): giới hạn dưới: 20s, giới hạn trên: 50s, tâm: 35s;  Độ chân không (x3): giới hạn dưới: 0mmHg, giới hạn trên: 500mmHg, tâm: 250mmHg. Các hàm mục tiêu là khả năng điền đầy vật đúc Y1 (F/V, cm -1 ), mức độ cháy dính đường theo góc bậc Y2 (%), mức độ cháy dính cát mặt Y3 (%). 2.4. Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm Hình ảnh các vật đúc thí nghiệm theo QHTN được trình bày ở hình6. Các kết quả thực nghiệm được trình bày ở bảng 1. a) Tám mẫu ở biên b) Ba mẫu ở tâm Hình 6.Hình ảnh vật đúc trong các thí nghiệm theo QHTN Bảng 1. Kết quả thực nghiệm theo QHTN TT Nhiệt độrót (x1),độ C Thời giannhú ng (x2), giây Độ chânkhô ng (x3), mmHg Thể tíchđiền đầy (V),cm 3 Diện tíchđiền đầy (F),cm 2 Tỷ lệF/V, cm -1 Cháy dính cát đường, (%) Cháy dínhcát mặt,(%) 1 670 20 500 1536,041 363,77 0,2368 75.21 1.91 2 670 50 500 1323,205 266,62 0,2015 0 0 3 760 20 500 1551,160 374,33 0,2413 96.15 1.96 4 760 50 500 1461,494 322,42 0,2206 64.96 1.35 5 670 20 0 1205,022 240,12 0,1993 0 0 6 670 50 0 1009,717 197,72 0,1958 0 0 7 760 20 0 1327,810 267,33 0,2013 0 0 8 760 50 0 1197,244 237,98 0,1988 0 0 9 715 35 250 1426,070 306,87 0,2152 0 0 10 715 35 250 1393,256 292,67 0,2101 0 0 11 715 35 250 139923.9 295,37 0,2111 0 0 Các mẫu từ các thí nghiệm 5, 6, 7, 8 không quan sát thấy cháy dính cát, do đó các hàm mục tiêu Y2 và Y3chỉ được quy hoạch theo 2 biến x1 và x2 ở mức chân không 500mmHg. Từ các số liệu ở bảng 1, đã xây dựng được các phương trình hồi quy thực nghiệm như sau: Y1 = 0,2542 – 7,26x10 -5 x1 – 0,00215x2– 3,69x10 -5 x3 + 2,871x10 -6 x1x2 + 2,066x10 -7 x1x3 – 1,668x10 -6 x2x3 (2) Y2 = 187,933 – 0,093x1 – 13,430x2 + 0,016x1x2 (3) Y3 = 9,2630 – 0,0091x1 – 0,3863x2 + 0,0005x1x2 (4) Kiểm tra theotiêu chuẩn Fisher thì cả ba phương trình tìm được đều tương thích với thực nghiệm.Sai số giữa các kết quả nhận được theo PTHQ và thực nghiệmlà chấp nhận được. 3. PHÂN TÍCH HỒI QUY VÀ BÀN LUẬN Từ PTHQ (2), cố định một biến, xác lập được ảnh hưởng của hai biến còn lại đến khả năng điền đầy khuôn (hình 7). Khi tăng nhiệt độ rót, tăng độ chân không, giảm chiều dày lớp sơn mẫu (giảm thời gian nhúng mẫu vào sơn) thì khả năng điền đầy khuôn tăng. Từ độ dốc của mặt mục tiêu so với các biến trong khoảng khảo sát cho thấy độ chân không có ảnh hưởng mạnh nhất đến khả năng điền đầy; ảnh hưởng của nhiệt độ rót và thời gian nhúng mẫu vào sơn không chênh lệch nhau nhiều. 20 0.20 0.22 0.24 35 0 50 200 400 50 350.22 0.21 0.20 760 715 20 670 500 0.20 250 0.21 0.22 670 0.23 715 0 760 715 oC)} F/V Ratio = F{(Temperture, Dipping time), time (S) Dipping F/V Ratio (mmHg) Vacuum Degree T emperture (oC) Dipping time (S) F/V Ratio 250mmHg} F/V Ratio = F{(Temperture, Dipping time), (mmHg) Vacuum Degree Temperture F/V Ratio Dipping time 35s} F/V Ratio = F{(Temperture, Vacuum Degree, Hình 7. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tỉ số V Hình 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nhúng đến cháy d nh cát Từ các PTHQ (3), (4) xác định được đường tới hạn bắt đầu xảy ra cháy dính cát và ảnh hưởng của nhiệt độ rót và thời gian nhúng sơn đến mức độ cháy dính cát đường và mặt ở độ chân không 500mmHg (hình 8). Khi tăng nhiệt độ rót, tăng độ chân không,giảm thời gian nhúng mẫu vào sơn thì mức độ cháy dính cát tăng. Độ dốc của mặt mục tiêu cho thấy thời gian nhúng mẫu vào sơn có ảnh hưởng lớn hơn so với nhiệt độ rót. 4. KẾT LUẬN Với cácPTHQ tìm được từ thực nghiệm, cho phép đánh giá định lượng về ảnh hưởng của nhiệt độ rót, độ chân không, chiều dày sơn (thông qua thời gian nhúng mẫu) đến khả năng điền đầy khuôn, mức độ cháy dính cát khi đúc hợp kim A356 trong khuôn mẫu hóa khí.Cũng nhờ các PTHQ này có thể sơ bộ xác định các thông số đúc cơ bản cho những vật đúc có kích thước không lớn lắm để bảo đảm khả năng điền đầy hoàn chỉnh và hạn chế cháy dính cát. Với những hợp kim nhôm đúc khác có nhiệt độ nóng chảy và độ chảy loãng tương đương hợp kim A356 đều có thể sử dụng các PTHQ để tìm thông số đúc phù hợp. Cần có những nghiên cứu tiếp theo để xác lập ảnh hưởng của nhiều thông số công nghệ hơn đến khả năng điền đầy và mức độ cháy dính cát khi đúc trong khuôn mẫu hóa khí. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Karimiam, M., & Ourdjini, A., & Idris, M. H., & Jafari,H., Effect of pattern coating thickness on characteristics of lost foam Al-Si-Cu alloy casting, Elsevier, V.22 (2012) p. 2092-2097. [2] Littleton, H. E., & Griffin, J., Manufacturing Advanced Engineered Components Using Lost Foam Casting Technology, The Department of Energy, The American Foundry Society, 2011, p. 21-24. [3] A. Sharifi, & Mansouri, Abadi, M. H., Investigation of gating parameters, temperature and density effects on mold filling in the lost foam casting (LFC) process by direct observation method, Materials and Metallurgical Engineering Department, Dezful Branch, Islamic Azad University, Dezful, Iran - Materials Engineering Department Najaf Abad Branch, Islamic Azad University, Najaf Abad, Iran,162 (2012), p. 1-10. [4] Nguyễn Xuân Bông, Thiết kế đúc, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1990. [5] Reference Document on best available Techniques and Foudries Industry, European Commission , 2014. [6] Nguyễn Ngọc Hà, Nghiên cứu công nghệ đúc chính xác trong khuôn màng mỏng - chân không, Đề tài nghiên cứu Khoa học cấp Bộ, 2008. [7] Nguyễn Cảnh, Quy hoạch thực nghiệm, NXB đại học Quốc gia TP. HCM, 2011. Thông tin tác giả: Nguyễn Ngọc Hà. Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. nnha@hcmut.edu.vn. 0913727204 Lê Quốc Phong. Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. lqphongvn@gmail.com . 0905597635 Nguyễn Minh Thiện. Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. nguyenminhthien206@gmail.com . 0974972220 Nguyễn Nhất Trí. Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. nhattri.bk@gmail.com . 0975838955 Lại Đình Hoài. Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM. v1001073@hcmut.edu.vn . 01645971779