Bài giảng Công nghệ đúc áp lực - Chương 1: Tổng quan về công nghệ đúc áp lực

ộng áp suất tắt dần, 15 áp suất đạt giá trị không đổi. Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết tinh. Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh. Áp suất có thể đạt tới 50-5000 daN/cm2, tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ. Khi áp lực đã đạt giá trị thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao. 1.2. Khuôn đúc áp lực 1.2.1. Cấu tạo khuôn đúc áp lực Khuôn được cấu thành từ rất nhiều linh kiện, mỗi linh kiện lại có chức năng riêng. Ở đúc áp lực cao thì khuôn kim loại rất đắt tiền nên phải tính toán kỹ các chức năng để hướng tới cấu tạo không có lãng phí. Ngoài ra, cần phải nỗ lực trong việc cắt giảm chi phí khuôn bằng cách thúc đẩy tiêu chuẩn hóa linh kiện cấu thành, nâng cao khả năng thay thế lẫn nhau của các linh kiện, cắt giảm số lượng linh kiện bằng cách chế tạo liền, sử dụng linh kiện tiêu chuẩn được các công ty chế tạo khuôn bán trên thị trường. Hình 1.3. Kết cấu khuôn đúc áp lực 1- Kênh dẫn; 2- Rãnh dẫn; 3- Khuôn tĩnh; 4- Ruột; 5- Tấm đẩy; 6- Khuôn động; 7,8- Tấm lắp đặt hệ thống làm mát khuôn 16 1.2.2. Vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực Vật liệu của khuôn được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt. Về vật liệu, xử lý nhiệt, xử lý bề mặt của các linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu được thể hiện trong (phụ lục 1) Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm được sản xuất chủ yếu bằng thép SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS G4404 (1983) Nhật Bản, có thành phần (bảng 1.1): Bảng 1.1. Thành phần thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực Thành phần hóa học % C Si Mn Cr Mo V 0,32 – 0,42 0,8 – 1,2 ≤ 0,5 4,5 – 5,5 1,0 – 1,5 0,8 – 1,2 1.2.3. Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực Trong khi làm việc bề mặt khuôn đúc áp lực phải tiếp xúc kim loại nóng chảy làm cho bản thân nó cũng bị nung nóng. Nhiệt độ khuôn có thể lên tới 5000C÷6000C. Do đó thép làm khuôn đúc áp lực có các yêu cầu sau: - Tính bền nhiệt cao tức là khả năng bảo đảm bề mặt làm việc của khuôn không bị biến dạng dẻo, tính năng này có thể đánh giá qua chỉ tiêu giới hạn chảy ở nhiệt độ cao hoặc độ cứng ở nhiệt độ cao không nhỏ hơn 45÷50HRC. - Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt của thép có quan hệ mật thiết với độ dai của nó. Thông thường yêu cầu ở nhiệt độ thường độ dai của thép không nhỏ hơn 35J/cm2, ở nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ hơn 50J/cm2. - Độ bền mỏi nhiệt cao: Thông thường thép có tính bền nhiệt và độ dai càng cao, hệ số giãn nở nhiệt càng nhỏ thì độ bền mỏi nhiệt càng cao. - Có khả năng chống ôxy hoá và chống ăn mòn tốt: Thép làm khuôn có đặc điểm là dựa vào tác dụng hoá bền của cacbit, song để có được độ dai cao, độ bền mỏi nhiệt cao lại mong muốn hàm lượng cacbon càng thấp càng tốt. Hàm lượng cacbon trong thép không thể quá cao phần lớn là 0,3÷0,5%. Nếu hàm lượng cacbon thấp hơn thì tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim cần cao hơn. Xử lý nhiệt được xử lý bằng công đoạn thể hiện trong (hình 1.4) nhưng đặc 17 biệt điều quan trọng là phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường. Nếu điều kiện bị sai lệch thì sẽ dẫn đến bất thường trong tổ chức, bất thường về độ cứng, dẫn đến thoát cácbon của bề mặt, và trở thành nguyên nhân của tình trạng sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ của khuôn. Tiếp nhận Làm sạch Gia nhiệt Làm nguội Ram Kiểm tra Tôi Hình 1.4. Sử lý nhiệt khuôn đúc áp lực Nhiệt độ nhôm khi đúc áp lực khoảng 6000C chà xát lên bề mặt khuôn, vì vậy khuôn cần độ cứng bề mặt cao để không bị mài mòn. Đồng thời, khuôn còn chịu lực ép lớn và thay đổi nên phải có độ dai va đập và chống biến dạng tốt. Không những thế, khuôn đúc áp lực cần phải bảo đảm giữ được độ cứng ở nhiệt độ làm việc trong thời gian càng dài thì tuổi thọ càng cao. Hay nói một cách khác, khuôn đúc áp lực cần có tính cứng nóng cao. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn trong quá trình làm việc: Nếu coi thành phần SKD61 đã đúng theo tiêu chuẩn JIS quy định thì yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình nhiệt luyện khuôn. Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn (hình 1.5). Để đạt được độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 có thể tôi ở các nhiệt độ khác nhau từ 9500C đến 11000C. Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì tính cứng nóng và độ bền nóng sẽ được cải thiện. Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn. Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao hơn, thời gian dài hơn. Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 10800C) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm. Trái lại, nung tôi ở nhiệt độ thấp quá (dưới 10000C) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn. 18 Hình 1.5. Quy trình tôi thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực Kết quả nghiên cứu cho thấy nung tôi SKD61 tốt nhất ở 1020÷10700C. Giới hạn dưới dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt khi nung tôi dài. Giới hạn trên dùng cho các khuôn nhỏ, thành mỏng dưới 20 mm. Môi trường làm nguội khi tôi khuôn SKD61 tốt nhất là dầu nóng. Dùng quạt thổi gió lạnh để tôi cũng có thể áp dụng cho khuôn nhỏ. Song đối với khuôn lớn, thổi gió lạnh không đủ để làm nguội nhanh trong lõi do đó độ cứng trong lõi thấp, chất lượng sẽ kém đi. Chế độ ram cũng ảnh hưởng tới tính cứng nóng nhưng theo chiều hướng ngược lại: Hình 1.6. Quy trình ram thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực 19 Nhiệt độ ram lớn hơn 6000C tính cứng nóng giảm mạnh do hiện tượng tiết cacbit làm nền thép nghèo nguyên tố hợp kim đi, do đó tính cứng nóng giảm. Ram ở nhiệt độ thấp (500, 5500C) độ cứng giảm chậm theo thời gian, nhưng khả năng chống mài mòn kém vì không tận dụng được độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit khi ram. Kết quả tốt nhất là ram 2 lần ở nhiệt độ từ 570 đến 5900C. Phân tích các các kết quả trên có thể nhận thấy rằng tôi và ram thép SKD61 ở các chế độ khác nhau có thể cho cùng một giá trị độ cứng (ví dụ từ 48÷53 HRC) ở nhiệt độ thường nhưng độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao thay đổi theo thời gian rất khác nhau. Hơn nữa nung tôi ở nhiệt độ thấp, chi phí năng lượng giảm đi, nguy cơ gây nứt khi tôi. Yêu cầu cụ thể cơ tính của khuôn đúc áp lực như sau: Lõi khuôn yêu cầu từ 48÷53 HRC. Độ cứng đó đạt được nhờ quá trình nhiệt luyện. Để chống mài mòn, khuôn cần thấm nitơ để có độ cứng bề mặt khoảng 62÷65 HRC. Chiều dày lớp thấm tốt nhất trong khoảng từ 0,1 đến 0,2 mm. Nếu chiều dày nhỏ hơn, khuôn chóng bị mòn, tuổi thọ thấp, nếu lớn quá cũng không tốt vì lớp thấm dễ bị bong tróc. Trong thành phần cơ cấu, lớp thấm cần có một lượng pha nitơrit hợp kim có độ cứng cao để tăng tính chống mài mòn. Tuy nhiên, nếu lượng pha này nhiều quá, lớp thấm sẽ bị giòn. Thấm nitơ là giai đoạn cuối cùng trong sản xuất khuôn. Sau một quá trình làm việc, khuôn bị mòn đi hoặc sự đồng đều độ cứng trên bề mặt khuôn không đảm bảo làm giảm chất lượng sản phẩm. Vì vậy, sau một số chu kỳ vận hành, hoặc sau một số lượng sản phẩm nhất định (tùy theo hình dáng và kích thước chi tiết để định lượng sản phẩm), khuôn được phục hồi bằng cách chỉnh hình (nếu cần) và thấm nitơ lại. Tiếp theo, khuôn còn được làm việc và thấm lại cho đến khi chất lượng khuôn không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật nữa. Một khuôn thường được thấm nitơ phục hồi nhiều lần. Thực tế cho thấy, có khuôn có thể thấm lại và sử dụng được hàng chục lần, có khuôn chỉ được vài lần đã hỏng. Vấn đề đặt ra là có thể thấm lại bao nhiêu lần để khuôn có thể làm việc với số chu kỳ lớn nhất và không bị sứt, vỡ, biến 20 dạng trong quá trình làm việc. Đặc điểm của khuôn đã qua sử dụng và thêm nitơ nhiều lần Trong quá trình làm việc do ma sát với nhôm lỏng, bề mặt khuôn dần bị mài mòn đi. Càng sâu vào phía trong càng mềm, do đó tốc độ mài mòn càng nhanh. Thấm nitơ không những tạo ra lớp bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt mà còn làm tăng thể tích bù lại lượng mất đi do mài mòn. Bất lợi khi thấm nitơ là nitơ khuếch tán dần từ bề mặt vào lõi nên chiều dày lớp thấm của các khuôn cũ thấm lại tăng lên rất nhiều (tất nhiên không tăng tuyến tính theo thời gian). Chiều dày lớp thấm quá lớn làm giảm khả năng chịu uốn và chịu dai va đập của khuôn. Ngoài ra, hiện tượng tiết nitơrit ở những vùng có nhiệt độ thích hợp làm cho hàm lượng nitơ tập trung rất cao, dễ gây bong tróc dưới tác động cơ nhiệt. Do khuôn bị nung nóng nhiều giờ trong quá trình làm việc và thấm nitơ lại, nên độ cứng của lõi dần giảm đi; nghĩa là chênh lệch độ cứng bên trong của khuôn và lớp bề mặt ngày càng lớn. Khi đúc áp lực cao, nền mềm bị lún xuống, dẫn đến gãy vỡ lớp thấm hoặc sứt khuôn, hoặc khuôn có thể bị biến dạng khi chịu lực ép. Trong quá trình làm việc, do bề mặt khuôn tiếp xúc với nhôm, nhôm khuếch tán vào bề mặt khuôn. Sự có mặt của nhôm làm cho quá trình thấm thuận lợi hơn, tạo ra nhiều nitơrit nhôm trên bề mặt khuôn làm tăng độ cứng và chiều dày lớp thấm. Có nhôm thấm nitơ sẽ dễ dàng hơn, song nhiều quá thì dễ gây tập trung AlN ở gần bề mặt dễ gây bong tróc. Để giữ được độ bền, tính cứng nóng của khuôn đòi hỏi phải nhiệt luyện đúng chế độ. Ngoài ra khuôn còn bị giảm độ cứng lõi do bị nung nóng gia nhiệt trước mỗi chu kỳ đúc và trong quá trình đúc. Quá trình đó thường thực hiện trong môi trường không bảo vệ nên khuôn bị ôxy hoá dưới lớp thấm nitơ làm lớp thấm dễ bị bong tróc. Nhưng trên hết, như đã phân tích, khuôn bị giảm độ cứng, độ bền nhiều nhất trong quá trình thấm lại nitơ vì quá trình đó khuôn bị nung nóng ở nhiệt độ cao, thời 21 gian khá dài. Cấu trúc lõi mềm với vỏ cứng trên bề mặt khi chịu lực ép, nền mềm bị lún xuống, lớp thấm cứng trên bề mặt kém biến dạng sẽ bị bị bong, nứt vỡ là điều khó tránh khỏi. Điều đáng quan tâm là do đã thấm lại nhiều lần, chiều dày lớp thấm quá lớn (gấp đôi so với yêu cầu) làm lớp thấm càng dễ bị bong tróc hơn. 1.2.4. Xử lý bề mặt khuôn đúc áp lực Ruột (thao tạo lỗ) có lượng nhiệt dung lớn thì có thể chịu được sự biến đổi nhiệt độ khuôn do làm mát bên trong ở một mức độ nhất định nào đó nhưng phần khoét nhỏ trên khuôn và pin tạo lỗ mà không thể lắp đặt làm mát bên trong thì do sự biến động nhiệt độ lớn nên dễ phát sinh dính khuôn, gãy, cong pin, và đó là nguyên nhân làm giảm năng suất chạy máy. Để giải quyết những vấn đề này, việc xử lý bề mặt đã được lựa chọn áp dụng. Ăn mòn, mòn điện hóa và mỏi nhiệt là những cơ chế phá hỏng chính, làm hạn chế tuổi thọ của khuôn đúc nhôm áp lực. Ăn mòn, mòn điện hóa gây ra bởi các phản ứng hóa học giữa các hợp kim đúc và vật liệu làm khuôn. Xói mòn gây ra do va đập vật lý của nhôm lỏng đến khuôn. Mỏi nhiệt do sự thay đổi ứng suất gây ra bởi các thay đổi nóng lạnh khi nung và làm mát bề mặt khuôn trong quá trình đúc. Dưới ảnh hưởng kết hợp của những cơ chế sai hỏng này, khuôn sẽ bị vỡ, các mảnh vỡ ra làm ảnh hưởng đến bề mặt khuôn, khuôn cần phải sửa và kết quả là tăng chi phí quá trình đúc. Kỹ thuật bề mặt đã được sử dụng để kéo dài tuổi thọ khuôn bao gồm thay đổi bề mặt của khuôn thép dụng cụ, như nitrocarburizing, nitriding bằng ion, lắng đọng lớp phủ giảm ma sát, phủ lớp chống mòn lên khuôn bằng thép dụng cụ bằng PVD và CVD, xử lý bề mặt hai lần, bề mặt khuôn đã được xử lý và phủ chống mài mòn. Phương pháp xử lý bề mặt CVD (Chemical Vapour Deposition: Phương pháp lắng đọng hóa học từ hơi) và phương pháp PVD (Physical Vapour Deposition: Phương pháp lắng đọng vật lý từ hơi) là những phương pháp tạo lớp phủ cứng hệ Titan phủ trên bề mặt khuôn. Những phương pháp này đã được phát triển và giúp nâng cao hiệu quả. 22 Phương pháp CVD là phương pháp tạo lớp phủ bằng phản ứng hóa học, gia nhiệt vật liệu gốc trong buồng phản ứng ở nhiệt độ 1273K (10000C), cho 2 loại khí trở lên phản ứng với nhau, với dòng chính là TiN, TiC tạo ra màng mỏng trên bề mặt vật liệu gốc. Trong phương pháp CVD thì nhiệt độ xử lý cao 1273K (10000C) nên dễ phát sinh biến đổi kích thước như cong pin tạo lỗ và không thể xử lý lại được nhưng hiệu quả về khả năng chống dính khuôn lại nổi bật. Gần đây, người ta đã phát triển phương pháp vỏ W2C dựa vào phương pháp CVD nhiệt độ thấp và phương pháp mới này có thể xử lý lại được. Phương pháp PVD có phương pháp lắng đọng hơi bằng chân không, phương pháp phun kim loại (Sputtering), phương pháp mạ kiểu Ion (Ion Platting). Là phương pháp gia nhiệt vật liệu gốc lên 473÷773K (200÷5000C), cho kim loại lỏng bốc hơi bên trong buồng chân không, cho hơi lắng đọng mang tính vật lý vào bề mặt vật liệu gốc, TiN là dòng chính. Do nhiệt độ xử lý thấp hơn so với phương pháp CVD nên thay đổi kích thước ít nhưng về độ mịn bề mặt lại kém hơn so với phương pháp CVD. Lớp phủ cứng có được nhờ những phương pháp xử lý này không chỉ ngăn chặn dính khuôn mà còn giúp chịu mòn tốt và khả năng tách khuôn cũng tốt lên, nếu tính toán cả đến độ chính xác kích thước, mức độ cần thiết xử lý lại và độ lớn để lựa chọn sử dụng thì có thể còn đạt được hiệu quả cao hơn nữa. Phương pháp xử lý bề mặt có phương pháp phổ biến nhất là xử lý thấm nitơ dạng khí, giúp nâng cao hiệu quả tạo ra sự ổn định trên phạm vi rộng từ pin tạo lỗ tới ruột hình dáng lớn. Quá trình Ferritic nitrocarburizing dẫn đến tách sản phẩm nhôm dễ dàng hơn khi đúc, ít cần thường xuyên làm sạch lõi khuôn và tăng tuổi thọ của khuôn đến 50%. Lớp phủ cứng dựa trên nitrit và cacbit kim loại chuyển tiếp, ví dụ như TiN, CrN, TiAlN, CRC, CrAlN, và các phương pháp xử lý kép đã kết hợp biến đổi bề mặt khuôn và một lớp phủ cứng cũng đã được phát triển. Mặc dù việc sử dụng các lớp phủ trên khuôn được chứng minh làm làm tăng tuổi thọ khuôn từ 4 đến 17 lần, đã tìm được cải thiện lớn trong lớp phủ chống mỏi nhiệt. 23 1.2.5. Cơ tính của khuôn đúc áp lực Cứ mỗi chu kỳ đúc, khuôn phải chịu tác động của lực đóng khuôn cực mạnh, áp lực nhôm lỏng, ứng suất nhiệt và lặp đi lặp lại trạng thái biến dạng đàn hồi phức tạp. Khuôn không đủ cơ tính sẽ làm phát sinh bavia và gây ra sự bất ổn định về kích thước, làm giảm năng suất. Đặc biệt, phát sinh bavia sẽ trở thành nguyên nhân gây hại nghiêm trọng nhất tới tự động hóa, đồng thời gây ra những ảnh hưởng tiêu cực lớn như làm cho thao tác hoàn thiện tay trở nên vất vả. Gần đây, xét từ quan điểm cải thiện môi trường thao tác và cắt giảm chi phí, hoạt động nỗ lực hướng tới “sản phẩm đúc không bavia” đang được đẩy mạnh, người ta đã tiến hành một số thử nghiệm giảm áp lực nhôm lỏng bằng phương pháp đúc chân không hay phương pháp gia áp cục bộ nhưng trước hết vấn đề là khuôn có đủ cơ tính cần thiết hay không, đây là điều quan trọng hơn cả so với điều kiện đúc đã được thiết lập. Vấn đề về cơ tính của khuôn là võng ở phần phiến đáy khuôn động, võng ở phần dừng của lõi khuôn động đã được lắp đặt ở khuôn tĩnh. Về vấn đề võng ở phần phiến đáy khuôn động, nhìn chung rầm đỡ chịu tải trọng phân bố đều cố định 2 bên đã được tính toán cơ tính nhưng ở khuôn thực tế thì có rất nhiều lỗ bulong bắt của pin tạo lỗ, pin đẩy và lõi khuôn được lắp đặt, vì hình dáng phức tạp nên không thể đánh giá một cách chính xác, những khuôn đã tính toán cả đến giá trị kinh nghiệm dựa vào cơ sở dữ liệu thực tế cũng đang được sử dụng. Về cơ tính của phần dừng, nhiều khi bị hạn chế bởi kích cỡ của tấm đẩy chẳng hạn nên những khuôn đã tính toán dư ra từ giá trị kinh nghiệm và điều kiện hạn chế của kích thước được sử dụng. Hình 1.7. Khuôn đã sử dụng để đo biến dạng (khuôn động) (Khuôn tĩnh cũng có kích thước đồng nhất) 24 Đây là ví dụ điều tra sự biến dạng của khuôn trong 1 chu kỳ đúc và sự biến dạng của khuôn trong trường hợp đã làm cho áp lực đúc, tốc độ pitston thay đổi. Bảng 1.2. Điều kiện đúc Điều Hợp kim ADC 12 Hợp kim nung lại kiện Nhiệt độ nung chảy 923 ± 15 K kiểm Nhiệt độ khuôn 373 - 413 K nghiệm Thời gian đóng khuôn 8s thực tế Thời gian chu kỳ 40 - 60s Độ mở van bình tích áp 0.3 0.6 Tốc độ pitston 0.7m/s 1.2m/s Tốc độ cổng rót 12m/s 21m/s Áp lực đúc 61MPa 108Mpa (tăng áp) 61MPa - Đường kính pitston φ50mm Diện tích mặt cắt cổng rót 74 x 1.5 mm = 111 mm2 Diện tích hình chiếu lòng khuôn 269.3 cm2 Trọng lượng trung bình lượng 395 g (phần sản phẩm 245 g) nhôm lỏng cho vào đúc Nhiệt độ khi lấy sản phẩm ra 413 - 453 K Hình 1.8. Vị trí gắn thước đo cong vênh (Nhìn từ mặt sau khuôn động và mã số của thước đo) - Vật liệu khuôn SCM4, khuôn liền (hình 1.7) - Độ dày lòng khuôn 4 mm - Đường kính xilanh φ 50 mm - Hợp kim sử dụng ADC12 - Nhiệt độ nhôm lỏng 923 ± 15 K (650±150C) 25 - Chu kỳ đúc 40-60 giây - Điều kiện đúc (bảng 1.2) - Vị trí đo cong vênh (hình 1.8) Về kết quả kiểm nghiệm thực tế, biến đổi ứng suất của phần trung tâm mặt sau khuôn động trong 1 chu kỳ đúc được thể hiện trong (hình 1.9) còn so sánh ứng suất kéo căng, độ dày bavia và giá trị tính toán độ võng trong các điều kiện đúc được thể hiện trong (bảng 1.3). Công thức tính độ võng của rầm đỡ chịu tải phân bố đều cố định cả 2 bên như sau: Wl4 δ = 384 EI 4bh2 l2 W = σMAX δ = σMAX l2 8hE bh2 I = 12 δ: Độ võng (cm) E: Mô đun đàn hồi (kgf/cm2) I: Mô men thứ 2 của mặt cắt (cm3) l: Khoảng cách giữa 2 điểm đỡ (cm) Hình 1.9. Thay đổi ứng suất tại phần chính giữa mặt sau khuôn động trong 1 chu kỳ đúc 26 Bảng 1.3. Độ võng và độ dày bavia đúc Điều kiện kiểm nghiệm I II III Thông thực tế số Tốc độ pitston 0,7m/s 0,7m/s 1,2m/s Áp lực đúc 61MPa 108MPa 61MPa 2 Cơ tính kéo tối đa: σMax (N/mm ) 160 215 172 Độ võng: δ (mm) 0,076 0,141 0,100 Độ dày bavia đúc (mm) 0,20-0,30 0,22-0,53 0,25-0,38 Kết luận từ kết quả thực nghiệm: Khi kết thúc điền đầy, do gia tăng ứng suất đóng khuôn và ứng suất do áp lực đúc nên độ võng đạt đến đỉnh điểm (peak), ứng suất kéo căng là 245-343N/mm2 (25-35 kgf/mm2). Lượng võng xuống trở thành trạng thái trung gian giữa nâng đỡ cố định 2 đầu và nâng đỡ đơn thuần. 1.2.6. Làm mát khuôn Về dung lượng làm mát khuôn và hiệu quả làm mát, có thể tính toán khái lược bằng công thức tính. Về dung lượng thì chỉ đánh giá tình trạng thu tỏa nhiệt lượng của toàn thể khuôn, còn về hiệu quả làm mát thì áp dụng định luật Furiê (định luật về độ dẫn nhiệt của các môi trường đẳng hướng, liên hệ građien nhiệt độ trong môi trường với mật độ thông lượng nhiệt. Do Furiee (J. B. J. Fourier) lập ra năm 1822), do đó khi thiết kế làm mát khuôn, định luật này được sử dụng làm tiêu chuẩn. Ở sản phẩm có hình dáng 3 chiều phức tạp thì cần cài đặt nhiệt độ khuôn cho phù hợp với chức năng yêu cầu, căn cứ vào điều kiện đúc như thời gian chu kỳ mục tiêu, phương pháp Atomize (phun sương) v.v, thiết kế làm mát khuôn để thực hiện được việc phân bố nhiệt độ khuôn theo đúng ý đồ không thể thực hiện được bằng tính toán tay, quyết định dựa vào kinh nghiệm và sai lầm đã thực hiện sẽ chi phối. Tuy nhiên, gần đây thiết kế làm mát bằng cách mô phỏng trên máy vi tính có sử dụng phân tích quá trình đông kết đã được báo cáo. (1) Tính toán dung lượng làm mát của khuôn Nhiệt lượng được truyền tới khuôn trong một đơn vị thời gian: 27 Q = WN (C (Tc - ts) + H) W: Trọng lượng cho vào đúc (kg) N: Số shot trên một đơn vị thời gian (cái/h) C: Tỷ nhiệt trung bình H: Ẩn nhiệt nóng chảy (latent heat of fusion) Tc: Nhiệt độ đúc ts: Nhiệt độ gắp sản phẩm ra Nhiệt lượng loại bỏ nhờ làm mát bên trong khuôn: Q’ = (0,6-0,7)Q Với vai trò là năng lực làm mát của đường nước làm mát: Kiểu phun chảy, kiểu tuần hoàn: 50-80 kcal/cm2/h (209-335kJ/cm2/h) Kiểu đường thẳng: 25-30 kcal/cm2/h (105-126kJ/cm2/h) Có thể tính diện tích truyền nhiệt của đường nước làm mát cần thiết. (2) Tính toán hiệu quả làm mát Truyền nhiệt với đường nước làm mát có khoảng cách L từ bề mặt khuôn có thể tính bằng công thức: λS(t1 - t2) Q = L λ: Tỷ suất truyền nhiệt S: Diện tích truyền nhiệt L: Khoảng cách từ bề mặt khuôn đến đường nước làm mát. t1: Nhiệt độ bề mặt khuôn t2: Nhiệt độ bên trong khuôn tại vị trí L (3) Cấu tạo của mạch làm mát Cấu tạo tiêu biểu của mạch làm mát được thể hiện trong (hình 1.10a: kiểu phun chảy), (hình 1.10b: kiểu đường thẳng) và (hình 1.10c: kiểu tuần hoàn). Kiểu phun chảy thì điều chỉnh làm mát đơn giản nhưng hiệu quả làm mát chỉ có tính chất cục bộ. Kiểu đường thẳng thì được sử dụng để làm mát toàn bộ khuôn và làm mát một phần đường dẫn, kiểu tuần hoàn được sử dụng để làm mát miệng cho nhôm 28 lỏng vào đúc. Làm mát khuôn cần phải lựa chọn và lắp ráp cho phù hợp với vị trí lắp đặt, chức năng yêu cầu. a) Kiểu phun chảy b) Kiểu đường thẳng c) Kiểu tuần hoàn Hình 1.10. Cấu tạo mạch nước làm mát khuôn 1.2.7. Bảo dưỡng khuôn, tuổi thọ của khuôn 1.2.7.1. Bảo dưỡng khuôn Khuôn đúc áp lực cao được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt phải tiếp xúc với nhôm lỏng có nhiệt độ cao, tốc độ cao, áp lực cao với chu kỳ đúc ngắn lặp đi lặp lại nên dễ phát sinh hư tổn nặng, nếu không được tiến hành bảo dưỡng khuôn hợp lý thì sẽ làm giảm tỷ lệ chạy máy, chất lượng và giảm năng suất. Đặc biệt, ở sản phẩm có mức độ khó cao thì có thể nói rằng sản xuất ổn định được phải nhờ bảo dưỡng khuôn. Với vai trò là nguyên nhân được quan tâm trong trường hợp bảo dưỡng không hợp lý, các nguyên nhân như sau đã được nêu ra: (1) Kích thước ban đầu của phương án đúc bị thay đổi: Chất lượng tồi đi; độ dày cổng rót gắn trực tiếp với sản phẩm, độ rộng rãnh dẫn, hình dáng cổng rót đặc biệt dễ chịu hư tổn nên phải quản lý kích thước thường xuyên, phục hồi lại kích thước chuẩn trước khi lệch quy cách. (2) Phát sinh bavia do biến dạng mặt phân khuôn: Tỷ lệ chạy máy giảm sút, thao tác hoàn thiện tay tăng lên, chất lượng tồi đi, mặt ăn khớp khuôn động, lõi đút bên động, lõi đút bên tĩnh bị biến dạng do chịu áp lực phản kháng nhôm lỏng và lực đóng khuôn ở từng lần bắn và phát sinh lõm do tình trạng này lặp đi lặp lại. Bavia tích tụ sẽ dẫn đến biến dạng nặng hơn và hư tổn khuôn nặng hơn, do đó cần phục 29 hồi kích thước mỗi lần bảo dưỡng, chuẩn bị khuôn. (3) Độ chân không hạ do biến dạng mặt phân khuôn: Chất lượng tồi đi (phát sinh nhiều rỗ khí); giống (2). (4) Nứt nóng phát triển nhanh: Lực tách khuôn của sản phẩm tăng lên (phát sinh cong vênh), dính khuôn ở bề mặt khuôn (lỗi rò áp lực); Nứt nóng thì không thể tránh khỏi nhưng nếu cứ bỏ mặc như vậy thì sẽ dẫn đến nứt to ở khuôn. (5) Năng lực làm mát của khuôn bị suy giảm: Dẫn đến tụt giảm năng suất làm mát do dính khuôn bề mặt khuôn (phát sinh lỗi rò áp, cong vênh), chu kỳ đúc dài ra, mặt trong mạch làm mát bị rỉ, cặn nước bám nhiều. Đối với khuôn kiểu hoán nhiệt thì việc năng suất làm mát giảm sẽ kéo theo sản lượng giảm do chu kỳ bị kéo dài. (6) Năng lực thoát khí của van thoát khí suy giảm: Chất lượng tồi đi (phát sinh nhiều rỗ khí); van thoát khí có khe hở nhỏ thì lượng nhôm lỏng sẽ thu nhỏ lại do lõm ở mặt ăn khớp khuôn. Trường hợp chất lượng ở sản phẩm sản xuất hàng loạt tồi đi dần nhiều khi cũng có liên quan tới vấn đề suy giảm năng lực thoát khí của van thoát khí. (7) Mòn phần trượt: Kích thước sản phẩm kém đi, tỷ lệ chạy máy giảm sút (pin tạo lỗ bị gãy nhiều); ở khuôn phần trượt như lõi động hay bị mòn. Phần trượt có sự không ổn định về kích thước, mặt khác kéo theo sự cố gãy pin lõi phát sinh nhiều. (8) Mòn khuôn, trọng lượng sản phẩm tăng thêm. Khi bảo dưỡng khuôn, cần kiểm tra kỹ các hạng mục này, cố gắng làm cho khuôn trở lại trạng thái tốt nhất. Ngoài ra, về chu kỳ bảo dưỡng cần quyết định cho phù hợp với chất lượng yêu cầu và môi trường đúc nhưng đối với sản phẩm có mức độ khó cao, đặc biệt là sản phẩm có sử dụng phương pháp đúc chân không thì chu kỳ bảo dưỡng nên quy định ngắn lại để tạo ra được vòng tuần hoàn tốt: Giảm thiểu dừng ngắn, nâng cao tỷ lệ chạy máy, nâng cao chất lượng, sản lượng. 1.2.7.2. Tuổi thọ khuôn Nói đến tuổi thọ của khuôn, thông thường người ta hay nói đến tuổi thọ của 30 lõi đút. Có trường hợp gọi là trạng thái trực tiếp cụ thể là nó sẽ trở thành vấn đề nan giải khó sửa chữa, phục hồi như rò nước do nứt to và nứt nóng phát triển to và trường hợp gọi là trạng thái lệch ra khỏi giá trị cho phép nào đó cụ thể là chất lượng giảm sút, phần nhôm thực sự trở thành sản phẩm ít, công sức bảo dưỡng tăng lên. Ở sản phẩm có mức độ khó thấp, đơn giản thì cũng có nhiều trường hợp sử dụng được đến tuổi thọ trực tiếp còn ở sản phẩm có mức độ khó cao thì cần quy định sẵn tuổi thọ dựa vào thực tế sử dụng, nếu đạt đến mức độ tuổi thọ quy định rồi thì cần thanh lý, thay thế. Về tiêu chuẩn thì ở sản phẩm dạng khối hộp có mức độ khó cao thuộc cấp 1.200 đến 20.00 tấn thì tuổi thọ ở mức 100.000 đến 120.000 shot, còn sản phẩm có mức độ khó thấp thì tuổi thọ ở mức 200.000 đến 250.000 shot. Đối với khuôn đã hết tuổi thọ thì có trường hợp chỉ thay lõi đút và cũng có trường hợp làm mới toàn bộ khuôn. Trường hợp khuôn hết tuổi thọ sớm hơn so với tuổi thọ dự tính ban đầu thì cũng có thể suy nghĩ rằng có thể do khuyết tật của nguyên liệu chế tạo khuôn, khuyết tật xử lý nhiệt, lỗi thiết kế như tiếp cận quá gần mạch làm mát, tiếp cận quá gần lỗ thoát nhôm, lỗ pin đẩy v.v, lỗi chế tạo như sót cạnh sắc ở phần sản phẩm hay ở mặt phân khuôn, do điều kiện sử dụng không phù hợp (lực đóng khuôn và áp lực nhôm lỏng quá cao chẳng hạn), tùy theo từng nguyên nhân mà mức độ ảnh hưởng tới khuôn khác nhau nên cần nhanh chóng điều tra để nắm được nguyên nhân. 1.3. Vật liệu đúc 1.3.1. Chủng loại và ứng dụng của đúc hợp kim nhôm 1.3.1.1. Đúc hợp kim nhôm JIS Trong H5302 quy cách JIS liên quan đến đúc hợp kim nhôm có thể hiện chủng loại và ký hiệu trong (phụ lục 2), thành phần hóa học trong (phụ lục 3). Để tham khảo, H2118 quy cách JIS liên quan đến nhôm thỏi hợp kim và thành phần hóa học dùng làm nguyên liệu đúc được thể hiện trong (phụ lục 4), (phụ lục 5), còn ký hiệu hợp kim cùng loại của các nước dùng để đúc được thể hiện trong (phụ lục 6). Trong JIS, hợp kim của 9 loại: Hệ Al-Si (ADC1), hệ Al-Si-Mg (ADC3), hệ Al- 31 Si-Cu (ADC10, 10Z, ADC12, 12Z, ADC14), hệ Al-Mg (ADC5, 6) được quy định. ADC 10Z, 12Z là loại đã nới lỏng lượng kẽm là tạp chất của ADC10, 12, được bổ sung trong bản sửa đổi năm 1990. Nếu so sánh lượng sản xuất của đúc các hợp kim thì ADC12 chiếm tỷ lệ cao, theo sau đó là ADC10, cả 2 loại này chiếm đến trên 98%, còn đúc các hợp kim khác như ADC3, ADC6 v.v có thể nói là gần đây mới được sử dụng và lượng sản xuất thì ít. Đúc có đặc trưng là tính hàng loạt cao độ dựa vào cơ giới hóa, tự động hóa, chủng loại hợp kim cũng có khuynh hướng dễ tập trung vào một loại. Ở Hiệp hội đúc Nhật Bản phân loại ADC10, 12 (bao gồm 10Z, 12Z) thành sử dụng thông thường mà có thể sản xuất bằng chi phí tiết kiệm và sử dụng đặc thù chỉ được sử dụng cho mục đích đã được chỉ định đặc biệt. Trong (phụ lục 7) thể hiện hợp kim tương ứng ADC 10, 12 trong quy cách các nước để tham khảo. Hợp kim dùng để đúc áp lực cao là 1 loại hợp kim dùng cho vật đúc nhưng do phương pháp đúc gọi là đúc áp lực cao có tính chất khác với đúc khuôn cát, khuôn kim loại, đúc áp lực thấp v.v nên ngay cả về mặt tổ chức cấu thành của hợp kim cũng hơi khác với hợp kim dùng cho vật đúc khác. Một số điểm trọng yếu như sau: - Cho kim loại đã được nung lỏng đi vào trong lòng khuôn với tốc độ cao, áp lực cao nhưng có nguyên nhân chính gây ảnh hưởng đến điền đầy khuôn như vấn đề độ dày thành của sản phẩm mỏng, vấn đề không tiến hành quét lớp sơn cách nhiệt lên khuôn giống như đúc khuôn kim loại để đạt được độ chính xác ưu việt về kích thước v.v, hợp kim đòi hỏi khả năng lưu động tốt của dòng nhôm. Theo đó, hệ Al- Si, hệ Al-Si-Cu có tính lưu động tốt sẽ trở thành thành phần chính. - Kim loại đã được nung lỏng dễ bám vào khuôn do đúc với tốc độ cao, áp lực cao nên đã tăng thêm lượng chứa sắt để phòng chống điều đó. - Vật đúc áp lực cao có tốc độ nguội lớn nên có thể đạt được tổ chức tinh thể mịn. Do đó, thông thường sẽ không thực hiện việc tăng thêm chất tạo tinh thể mịn. - Việc tốc độ nguội nhanh, tổ chức đã được tạo tinh thể mịn, ảnh hưởng của thành phần tạp chất đã được giảm nhẹ, ngay cả về mặt kinh tế, dung lượng cho phép đối với tạp chất cũng lớn, những điều này được quan tâm nên nguyên liệu có khá 32 nhiều tạp chất ở mặt quy cách hay mặt thực tế như hợp kim thứ cấp ngày càng trở nên dễ sử dụng. Trong (phụ lục 8) thể hiện so sánh đặc tính của các loại hợp kim đúc áp lực cao JIS, (phụ lục 9) thể hiện tính chất công nghệ tiêu chuẩn. Khi lựa chọn hợp kim đúc áp lực cao, cần lựa chọn hợp kim có đặc tính phù hợp với ứng dụng của sản phẩm và phương pháp gia công của sản phẩm đó. Tuy nhiên, tính chất công nghệ của hợp kim đúc áp lực cao nhìn chung có thể nói là ảnh hưởng của phương án đúc và điều kiện đúc lớn hơn so với thành phần hợp kim. Theo đó, để phát huy được tối đa tính năng hợp kim từ trước tới giờ, cần chú ý hàng ngày tới việc nghiên cứu kỹ thuật đúc áp lực cao. Dưới đây là các đặc trưng của các hợp kim: (1) ADC 1: Là hợp kim cấu thành từ các tinh thể của hợp kim hệ Al-Si 2, là hợp kim có tính lưu động tốt, cũng không bị ròn do nhiệt. Lượng Si nhiều nên hệ số giãn nở nhiệt cũng nhỏ, tính ổn định kích thước tốt. Ngược lại cũng có một số khuyết điểm như do Si nhiều nên khả năng tạo màng anốt kém, độ cứng thấp do không được bổ sung thành phần dùng để tăng cơ tính, khả năng cắt gọt kém v.v Theo đó, được sử dụng ở linh kiện có hình dáng phức tạp có nhiều phần thịt dày và đặc biệt là các linh kiện đòi hỏi cơ tính cao. (2) ADC 3: Lượng Si ít hơn so với cấu thành tinh thể của hệ Al-Si nhưng được tăng cường thêm nhiều hơn nên tính lưu động tốt, không bị ròn do nhiệt, rỗ khí có phát sinh chăng nữa thì khả năng chịu áp lực vẫn tốt nhờ dễ phân tán chia nhỏ. Ngoài ra, do trở thành hợp kim hệ Al-Si-Mg đã được bổ sung thêm Mg nên tính chất công nghệ, khả năng chống chịu ăn mòn cũng tốt. (3) ADC 5, ADC 6: Là hợp kim hệ Al-Mg, do đó khả năng chống chịu ăn mòn cực tốt, tính chất công nghệ cũng tốt đặc biệt là độ giãn lớn. Là hợp kim có khả năng tạo màng anốt, khả năng cắt gọt tốt. Tuy nhiên, tính lưu động kém, bị dòn do nhiệt, có mặt tính chất đúc kém như dễ xảy ra tình trạng bám dính vào khuôn. Để phòng chống bám dính vào khuôn, nếu tăng cường thêm sắt vào thì khả năng chống chịu ăn mòn sẽ giảm xuống, ngoài ra, trong trường hợp Mg trên 5% thì khả năng nứt ăn mòn chịu lực ứng xuất sẽ giảm xuống do xuất hiện pha β. Hợp kim của hệ 33 này được sử dụng ở linh kiện chú trọng khả năng chịu ăn mòn và để trang trí. (4) ADC10, 10Z, ADC12, 12Z: Là hợp kim tiêu biểu dùng cho đúc áp lực cao trong đó lượng Si trong hợp kim của hệ Al-Si-Cu nhiều, cùng với việc thể hiện khả năng đúc tốt, đồng được bổ sung vào, được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực mà trọng tâm là linh kiện ô tô để thể hiện tính chất công nghệ ưu việt. Trong trường hợp là ADC10Z, 12Z thì dung lượng cho phép của kẽm cao nên khuynh hướng phát sinh nứt khi đúc và khả năng chịu ăn mòn v.v đều giảm thấp. Trong quy cách cho phép Mg chiếm 0,3% với vai trò là chất không thuần nhất. Trong trường hợp Mg ít thì độ cứng khó có thể đảm bảo, việc giữ cho Mg ở giá trị cực thấp từ tình hình nguyên liệu có trong chế tạo nhôm thỏi không mang tính kinh tế nên từ những lý do như thế này, thông thường Mg chỉ chứa ở mức trên dưới 0,25-0,30%. (5) ADC14: Là hợp kim tinh thể trong đó lượng Si của hệ Al-Si-Cu (- Mg) ở mức trên dưới 17%, là hợp chất đã JIS hóa hợp kim B390 quy cách AA của Mỹ. Khả năng chịu mài mòn cực tốt nhờ sự tồn tại của Si tinh thể ban đầu, lượng Si nhiều nên hệ số giãn nở nhiệt nhỏ v.v Được ứng dụng vào các loại linh kiện chịu mài mòn như linh kiện ô tô như động cơ, phần bao ngoài bộ truyền động, linh kiện chịu mài mòn của máy nén khí v.v Lượng Si lớn nên nhiệt độ đúc nung chảy cao, do là Si kết tinh đầu tiên cũng có các vấn đề kèm theo như dụng cụ cắt gọt dễ bị mài mòn. 1.3.1.2. Hợp kim nhôm đúc áp lực cao khác Đối với mục đích sử dụng khác nhau thì hợp kim nhôm được sử dụng cũng khác nhau. Ở khối quay trong máy phát điện thì nhôm nguyên chất có khả năng dẫn điện tốt được sử dụng. Ở linh kiện dùng để trang trí thì cũng có trường hợp người ta điện giải hợp kim đã được pha thêm một chút sắt, Mn, Cr, coban, Molipden, Mg v.v vào trong nhôm nguyên chất làm cho nó lên màu để sử dụng. Hợp kim thể hiện cơ tính kéo cao lấy linh kiện máy thông thường làm đối tượng và hợp kim có khả năng kéo giãn cao cũng đang được phát triển. (Phụ lục 12) thể hiện các loại hợp kim đã được phát triển này. Ngoài ra, trong số hợp kim thuộc 34 quy cách các nước đang được ứng dụng thì cũng có loại không tương ứng với JIS. 1.3.2. Tính chất công nghệ của hợp kim nhôm đúc áp lực cao Trong quy cách JIS của đúc áp lực cao có quy định thành phần hợp kim nhưng không có quy định về tính công nghệ, tính chất vật lý. Từ trước đến giờ những quy định này hoàn toàn không được chỉ ra. Đến năm 1990, tính chất máy của nguyên liệu ADC10, 12 lần đầu tiên đã được chỉ ra để làm giá trị tham khảo. Ở đây, người ta đã chia tính chất công nghệ của đúc áp lực cao thành tính chất công nghệ tiêu chuẩn và tính chất công nghệ thực thể để giải thích bổ sung thêm. 1.3.2.1. Tính chất công nghệ tiêu chuẩn Về tính chất công nghệ của đúc áp lực cao các loại hợp kim, thông thường người ta biểu thị giá trị đo dựa vào miếng thử không phải cắt từ sản phẩm ra mà là miếng thử được lấy riêng dùng để đo tính công nghệ. Giá trị dựa vào miếng thử lấy tách riêng khỏi sản phẩm như thế này đã được tạo ra trong điều kiện lý tưởng nên thể hiện giá trị cao hơn so với sản phẩm đúc thực tế nhưng có thể coi giá trị đó như là thực tế mà hợp kim có được. Tính chất công nghệ tiêu chuẩn của các hợp kim có các giá trị được thể hiện trong (phụ lục 9). Về cơ tính kéo thì giá trị trên dưới 300 N/mm2. 1.3.2.2. Tính chất công nghệ thực thể Trong (phụ lục 10) chỉ ra tính chất công nghệ thực thể của các loại hợp kim đúc áp lực cao ADC10, 12 được thử nghiệm tại Hiệp hội kim loại nhẹ Nhật Bản. Cơ tính kéo của đúc áp lực cao thực tế thấp hơn khá nhiều so với tính chất công nghệ tiêu chuẩn đã trình bày ở phần trước. Gần bằng 300 N/mm2 - con số tiêu chuẩn đã ghi ở phần trước trong trường hợp cơ tính kéo cao nhất trong các dữ liệu thực thể của từng sản phẩm. Mặt khác, trường hợp cơ tính kéo thấp nhất cũng xuống tới mức 200 N/mm2, nếu xét giá trị trung bình thì ở mức 220-240 N/mm2, chỉ bằng 30% so với tiêu chuẩn. Tại Hiệp hội đúc áp lực cao Nhật Bản, người ta đã nghiên cứu phương pháp thử nghiệm mà có thể chỉ ra được những đặc tính gần với thực thể, và đã chỉ được ra rằng đo bằng miếng thử hình tròn thì sẽ gần với đặc tính của thực thể hơn (phụ 35 lục 11) nên việc thử nghiệm này đã bắt đầu được áp dụng. Miếng thử hình tròn thường chọn hình tròn có đường kính 100mm, độ dày là 2-4mm. 1.3.3. Ảnh hưởng của các nhân tố tới tính công nghệ Việc tính chất công nghệ của hợp kim nhôm đúc áp lực cao có sự sai khác lớn giữa miếng thử và thực thể là do các yếu tố ghi dưới đây đã ảnh hưởng một cách phức tạp tới tính chất công nghệ. - Ảnh hưởng của thành phần (thành phần hợp kim, tạp chất v.v...) - Ảnh hưởng của xử lý nhiệt (trừ nhiệt độ, thời gian xử lý đồng đều hóa thành phần, nhiệt độ, thời gian hóa già v.v, đúc áp lực cao thông thường). - Ảnh hưởng của tốc độ làm mát và tổ chức (độ dày thành, điều kiện đúc v.v...). - Ảnh hưởng của khuyết tật (do các khuyết tật như thiên tích, lỗ khí, rỗ khí lõm, tạp chất, dị vật, nhăn nhôm v.v) - Khác 1.3.3.1. Ảnh hưởng của thành phần Đối với tính chất công nghệ của ADC12 ảnh hưởng của đồng, magiê, sắt, kẽm là chủ yếu. Việc tăng thêm đồng sẽ giúp nâng cao cơ tính kéo, độ bền, độ cứng. Ngược lại độ giãn và giá trị chống va đập lại bị giảm xuống. Magiê cũng có khuynh hướng giống như vậy. Ở nguyên liệu đã được xử lý nhiệt T5 tức là sau khi đúc đã được tiến hành xử lý hóa già nhân tạo thì hiệu quả của việc bổ sung thêm magiê sẽ lớn lên. Tỷ lệ bổ sung thêm sắt nếu dưới 1,5% thì cơ tính kéo sẽ tăng lên còn độ giãn, độ dai va đập lại giảm xuống, còn nếu bổ sung thêm sắt trên 1,5% thì cơ tính cũng sẽ bị giảm. Việc bổ sung thêm kẽm có đem lại sự thay đổi chút ít cho tính chất công nghệ nhưng phạm vi đó rất nhỏ và không thể hiện khuynh hướng rõ ràng. 1.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ làm mát và tổ chức Trong đúc áp lực cao, nếu tốc độ làm mát càng nhanh, hàm lượng chất cải thiện cơ tính như đồng và sắt càng nhiều, bề mặt đúc và tiếp cận bề mặt có tổ chức càng chính xác thì cơ tính càng cao. Phần trung tâm nếu tốc độ làm mát càng chậm, do đó tổ chức thô nhám, hàm lượng chất cải thiện cơ tính cũng giảm, thêm vào đó 36 có nhiều khuyết tật như cuộn khí thì cơ tính sẽ càng thấp. Tổ chức chính xác của phần tầng bề mặt đúc áp lực cao được gọi là tầng tôi. Mối quan hệ giữa độ dày của tầng tôi và cơ tính kéo của đúc áp lực cao: Càng chứa nhiều tầng tôi có cơ tính cao thì cơ tính sẽ càng cao. Nhìn chung, tốc độ làm mát được quy định bằng mối quan hệ giữa nhiệt độ của nhôm lỏng và khả năng làm mát khuôn đúc nên đúc áp lực cao có độ dày thành càng mỏng thì làm mát sẽ càng nhanh, tầng tôi cũng phát triển và cơ tính máy cũng trở nên tốt hơn. 1.3.3.3. Ảnh hưởng của khuyết tật Khuyết tật ở đây có thể hiểu là các lỗi như thiên tích, lỗ khí, rỗ khí lõm, tạp chất, dị vật, nhăn nhôm, gờ nhôm v.v Khuyết tật nào cũng làm cho tính chất công nghệ bị giảm xuống nhưng trong đó những lỗi có tần suất phát sinh đặc biệt cao, gây ảnh hưởng lớn, trực tiếp đó là lỗ khí, cuộn tạp chất, dị vật. Thông thường, ở đúc áp lực cao thường phát sinh cuộn không khí vào trong xilanh do đẩy, điền nhôm lỏng vào trong lòng khuôn với tốc độ cao. Không khí bị cuộn vào sẽ lẫn vào trong sản phẩm, tập trung ở phần đông kết muộn và hình thành các lỗ khí. Cơ tính sẽ bị giảm rõ rệt do hình thành lỗ khí. Hơn nữa, trong trường hợp đúc áp lực cao thì cùng với việc phát sinh lỗ khí trong nhôm lỏng, thông thường thì không phải là lỗ khí phát sinh do tốc độ làm mát nhanh sẽ ít đi, xét một cách tương đối thì ít hơn so với lỗ khí hình thành do bị cuộn không khí nên không gây ảnh hưởng lớn. Cũng có nhiều trường hợp cơ tính bị giảm do tạp chất (hoặc dị vật v.v) cũng trở thành vấn đề trọng yếu. Tạp chất gây ảnh hưởng tới việc giảm cơ tính chủ yếu là màng ôxy hóa và tầng tôi (tầng đông kết đầu tiên). Màng ôxy hóa hình thành do ôxit nhôm lỏng ở trong lò nung, lò ủ hoặc lò ủ kiểu rời bị lẫn vào. Tất cả các đặc tính đều bị giảm xuống giống như giảm tính chất công nghệ do lỗ khí, đặc biệt độ giãn bị giảm rõ rệt. Cùng với việc tầng đông kết đầu tiên bị lẫn vào, cơ tính kéo sẽ giảm đột ngột, chỉ còn dưới 1/2 mức bình thường. 1.3.4. Khả năng đúc của hợp kim nhôm dùng cho đúc áp lực cao (Hình 1.11) thể hiện tính chảy loãng của hợp kim hệ 2 nguyên tố Al-Si còn 37 (hình 1.12) thể hiện tính chảy loãng của hợp kim hệ Al-Si-Cu bao gồm ADC10, 12 là hợp kim thường được dùng nhiều nhất cho đúc áp lực cao. Ở hợp kim hệ 2 nguyên tố Al-Si thì độ dài chảy loãng ở gần phía cộng tinh nhiều sẽ là dài nhất. Nhìn chung, độ dài chảy loãng tại điểm cộng tinh là cao nhất nhưng trong trường hợp của hợp kim Al-Si thì do ảnh hưởng của đặc trưng của kết tinh cộng tinh hay thiên tích nên điểm cao nhất của chiều dài chảy loãng sẽ lệch từ điểm cộng tinh ít sang phía Si cao. y loãng cm a Cu % ả ứ ng ch ng dài ch dài ợ ư Độ L Lượng chứa Si % Lượng chứa Si % Hình 1.11. Độ dài chảy loãng Hình 1.12. Phân bố độ dài lưu động của hợp kim Al-Si của hệ 3 nguyên tố Al-Si-Cu Ngay cả ở đúc khuôn cát có tốc độ làm mát thấp hơn hay đúc khuôn kim loại có tốc độ hơi nhanh thì nếu lượng Si ở mức 14% thì chỉ bị lệch một chút thôi nhưng nếu là đúc áp lực cao với tốc độ làm mát cực nhanh thì sẽ còn lệch nhiều hơn nữa. Ảnh hưởng của đồng đối với tính lưu động nhỏ hơn khá nhiều so với Si. Trong ADC10, 12 hợp kim đang được sử dụng nhiều nhất thì lượng Si nhiều và trở thành tổ chức có tính lưu động tốt. 1.3.5. Tổ chức của hợp kim nhôm đúc áp lực cao Trong (hình 1.13) thể hiện mối quan hệ giữa độ dày tấm của sản phẩm đúc hợp kim ADC12 và tổ chức. Tổ chức của hợp kim này được cấu thành chủ yếu từ 2 tổ chức (a +b) đó là tinh thể ban đầu (a) - tinh thể đã đạt tới dạng nhánh cây của nhôm ở thể rắn α trong đó Si, đồng, Mg có một chút trong nhôm đã rắn lại và cộng tinh của α với Si. Bất cứ tổ chức nào cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của tốc độ làm mát, nếu tốc độ làm mát càng nhanh thì tổ chức sẽ càng chặt chẽ. 38 Hình 1.13. Tổ chức đúc của sản phẩm hợp kim ADC12 đúc áp lực cao Tổ chức ở phần trung tâm sản phẩm đúc áp lực cao và tổ chức ở gần lớp bề mặt rất khác nhau, phần trung tâm thì thô nhám còn phần gần lớp bề mặt thì có tổ chức mịn. Tổ chức ở gần lớp bề mặt tiếp xúc với khuôn sẽ là tổ chức cực nhỏ, có nhiều tinh thể ban đầu (a) hơn. Trong khu vực này đồng và sắt sẽ được làm cứng một cách cưỡng chế với lượng lớn để nâng cao cơ tính. Ở phía trong, cộng tinh nhiều hơn một chút, khu vực có tổ chức bắt đầu trở nên thô nhám dần hiện ra. Khu vực gần bề mặt trên dưới 0,3mm được gọi là lớp tôi, trong đúc áp lực cao thì đây là bộ phận có cơ tính ưu việt nhất. L ớp bề mặt Lớp tôi Hình 1.14. Tổ chức của lớp tôi 39 (Hình 1.14) thể hiện tổ chức của vị trí gần lớp tôi. Càng gần phần trung tâm thì càng thô nhám hơn, nhìn chung là ở trạng thái gần tổ chức đúc khuôn kim loại, cơ tính kém hơn so với lớp tôi. Ở phần thành dày có tốc độ làm mát chậm thì Si cộng tinh đã đạt đến hình dạng kim, đồng thời trong trường hợp lượng sắt nhiều thì hợp chất Al-Fe-Si hóa mà đã đạt đến dạng kim đó đôi khi cũng có thể nhìn thấy được. Việc phát sinh hợp chất này làm cho tính chất công nghệ bị giảm xuống. Kết quả là, ở phần thành mỏng của sản phẩm đúc nói chung, xét một cách tương đối có khuynh hướng là nếu tốc độ làm mát càng nhanh thì tổ chức sẽ càng mịn, cơ tính sẽ càng cao. Trong trường hợp của ADC14 là một hợp kim cộng tinh quá mức thì có thể nhìn thấy Si tinh thể ban đầu có dạng hạt ở trong tổ chức. Trong trường hợp này, tinh thể ban đầu (a) có dạng nhánh cây nhiều khi cũng không được công nhận. Hạt Si tinh thể ban đầu này cực rắn, đóng vai trò lớn trong việc nâng cao tính chống chịu mài mòn. Ở bề mặt đúc áp lực cao thì nhiều khi cũng không thể nhìn thấy các hạt Si tinh thể ban đầu ở lớp cách tầng bề mặt trên dưới 0,5mm nên cần kết hợp với công đoạn gia công sau đó. 1.4. Thiết bị đúc 1.4.1. Máy đúc áp lực buồng nóng CF-65HT Sơ lược về thiết bị Máy đúc nóng thủy lực tự động kiểu nằm phù hợp cho việc đúc các hợp kim với độ nóng chảy thấp như kẽm, chì, thiếc. Đây là một thiết bị không thể thiếu để đúc các sản phẩm có yêu cầu về độ chính xác hoặc với sản lượng lớn. Khuôn nên được thiết kế theo kiểu xích (nhiều sản phẩm trên một khuôn) để gia công với tốc độ cao và ổn định. Thay thế các chi tiết đã bị mài mòn rất đơn giản, tiết kiệm thời gian. Hệ thống tra dầu tự động có thể tăng tuổi thọ của máy. Kết cấu đùn có khả năng chống nhiệt, mài mòn và rất bền. Chu kỳ dầu thủy lực sử dụng phương pháp đùn ép giúp tăng cường khả năng đùn ép và ổn định chất lượng sản phẩm. 40 Hình 1.15. Máy đúc áp lực buồng nóng CF-65HT Chức năng của máy Máy đúc nóng được thiết kế và sản xuất với những chức năng được chú trọng sau: - Đây là thiết bị đúc nóng thủy lực tự động hoàn toàn. Một công nhân có thể đứng vận hành một vài máy do quá trình đúc không cần sự can thiệp của nhiều công nhân. - Công đoạn mở khuôn có ba tốc độ: Nhanh, trung bình và chậm, cho phép thao tác vận hành dễ dàng. - Do lực đùng ép rất lớn, quá trình đúc diễn ra nhanh, do vậy sản phẩm có thể được làm ra với tốc độ rót lớn. Thêm vào đó, điều kiện đúc có thể thay đổi tùy theo loại khuôn. - Máy được làm với độ chính xác cao, vật liệu chế tạo linh kiện máy được chọn lọc kỹ, giúp cho kéo dài tuổi thọ và tăng độ ổn định của máy. - Do động cơ thủy lực được đặt phần lớn ở chế độ đóng khuôn nên có thể 41 làm cho khuôn lắp rất nhanh và chính xác vào nhau thành một bộ, tiết kiệm thời gian để xiết chặt thanh nối gắn trên các máy thủ công. Nó cũng phù hợp cho sản xuất nhỏ với nhiều khuôn. - Công tắc dừng khẩn cấp và khả năng điều khiển thủ công có ảnh hưởng tới cả những phần gia công ở cuối máy. - Khi vận hành ở tốc độ thấp, khuôn và các vòi phun có thể kết hợp chính xác khi đóng mở khuôn. - Thùng dầu và làm mát được mở rộng để tránh hiện tượng dầu nóng lên trong khi gia công (có kèm cả đồng hồ đo nhiệt độ dầu). - Để tránh nguy hiểm nếu khuôn vỡ khi mở và dung dịch phun khi đùn ép, thao tác đùn ép sẽ không thực hiện trước khi máy chắc chắn rằng khuôn đã kín hoàn toàn. Trên thực tế, do những sự cố về điện có thể gây ra tai nạn, máy được thiết kế với kết cấu an toàn cao khi vòi phun và khuôn kết hợp và thao tác phun xuất hiện. - Kết cấu lắp khuôn được chia thành kết cấu lắp khuôn với áp lực thấp và áp lực cao. Trước tiên, lực ép thấp giúp cho khuôn đóng lại một cách an toàn và chắc chắn. Sau đó lực ép cao sẽ có tác dụng. Thậm chí nếu có vật liệu lạ ép lên bề mặt khuôn thì cũng không gây ra hỏng hóc. Khuôn có thể sử dụng trong thời gian dài và ổn định - Máy đúc nóng không có hiện tượng rung lắc do được dẫn động bằng thủy lực, vận hành với độ ồn thấp, có các ống đệm và dầu thủy lực bôi trơn. Thông số kỹ thuật - Hệ thống kẹp: Lực khóa: 65 Ton Đường kính trục vít: 65 mm Kích thước tấm khuôn: 420x420 mm Giữa các thanh giằng: 350x350 mm Hành trình khuôn: 210 mm Độ dày khuôn: 140-410 mm Lực tiếp xúc vòi phun: 1.3/1.7/2.1 Ton 42 Hành trình ngừng vòi phun: 180 mm - Hệ thống ép Đường kính xi lanh đùn: 85 mm Lực đùn: 3.9/5.1/6.2 Ton Hành trình đùn ép: 150 mm Đường kính đầu Piston: 50 mm Công suất đúc: 1.38 KGS Thể tích thùng nóng chảy: 320 KGS Đầu phun tới tâm: 0-55 mm Diện tích đúc: 247/193/317 cm2 Áp lực đúc: 202/259/317 Kg/cm2 - Lực đùn ép Lực đùn ép: 4.5/5.7/6.9 Tons Hành trình đùn ép: 65.5 mm - Hệ thống thủy lực Chu kỳ đúc: 600 lần/giờ Áp lực đơn vị: 70/90/110 Kg/cm2 Thùng chứa: 35/20 lít Thể tích thùng dầu: 240 lít - Hệ thống điện Động cơ: 15HP Điện và nguồn điện: 380V, 50Hz - Kích thước máy Trọng lượng tĩnh: 5 Tons Kích thước máy: 3930x1250x2250 mm 1.4.2. Máy đúc áp lực buồng lạnh ZDC-150T-V2BP - Bộ phận khuôn: Lực khuôn: 150 tấn Hình ngoài bàn khuôn: 700x70 mm 43 Hình 1.16. Máy đúc áp lực buồng lạnh ZDC-150T-V2BP Khoảng cách viền trong 4 trụ: 454x454 mm Đường kính 4 trụ: 90 mm Hành trình đóng mở khuôn (lớn nhất): 310 mm Ốp khuôn lớn nhất: 530 mm Ốp khuôn nhỏ nhất: 200 mm Thời gian đóng khuôn (nhanh nhất) cao tốc: 0.9 sec Thời gian mở khuôn (nhanh nhất) cao tốc: 0.9 sec Tốc độ chỉnh khuôn: 125 (50Hz) mm/min - Bộ phận phun: Lực phun ra: 19.9 tấn Lực tăng áp lớn nhất: 210 kgf/cm2 Toàn hành trình đẩy sản phẩm ra của pitston: 365 mm Khoảng cách nhô ra của đầu pitston: 150 mm Vị trí trung tâm bắn ra: 105 mm Tốc độ ép không (tốc độ chậm): 0.02-1.5 m/sec Tốc độ ép không (tốc độ nhanh): 0.1-5.0 m/sec 44 Đường kính đầu pitston tiêu chuẩn: 50 mm Đường kính đầu pitston (nhỏ nhất-lớn nhất): 45-60 mm Áp lực đúc ép đưa ra: 1013 kgf/cm2 - Bộ phận ép ra Lực ép: 8.7 tấn Hành trình ép: 0-80 mm - Dung lượng chi tiết đúc (bảng 1.4) Bảng 1.4. Trọng lượng chi tiết đúc phụ thuộc các yếu tố Đường kính Áp lực phun Diện tích đúc Dung lượng Trọng lượng pitston (mm) (kgf/cm2) (cm2) đưa ra (cm3) đưa ra (kgf) φ45 1251 120 434 1.13 φ50 1145 695 536 1.4 φ60 1020 780 771 2.0 - Cơ cấu thủy lực Áp lực làm việc (đóng mở khuôn, ép ra): 140 kgf/cm2 Áp lực bộ chứa lực nén bắn: 100 kgf/cm2 Lực nén của bộ chứa áp lực tăng áp bắn: 200 kgf/cm2 Lượng đưa ra (phun) cơ cấu bôi trơn: 76 (50Hz) lít/phút Chương hai trình bày các khái niệm về công nghệ đúc áp lực, khuôn đúc, vật liệu đúc, thiết bị đúc. Chất lượng sản phẩm đúc được quyết định bởi các yếu tố của công nghệ đúc áp lực này. Mỗi yếu tố ảnh hưởng quyết định sản phẩm đúc có đạt yêu cầu kỹ thuật và đáp ứng với thị trường. Đối với các nhà máy sản xuất tại Việt Nam thì công nghệ, thiết bị, vật liệu được chuyển giao hoặc nhập khẩu từ nước ngoài. Khuôn đúc được chế tạo và xử lý nhiệt tại Việt Nam, điều này ảnh hưởng đến chất lượng và giá thành sản phẩm xuất xưởng. Sản phẩm đúc áp lực có chất lượng bề mặt cao, thường không phải gia công lại. Điều này đòi hỏi bề mặt khuôn cũng phải có độ chính xác cao (độ bóng bề mặt cao) đồng thời cũng phải có độ cứng và khả năng chịu nhiệt độ cao (tính cứng nóng cao), khả năng chống dính khuôn cũng phải tốt. Trong quá trình làm việc, ma sát giữa các chi tiết trong khuôn và chi tiết khuôn với nhôm lỏng làm cho khuôn bị phá 45 hủy bởi một số hiện tượng: mòn dính, mòn hóa học, do cào xước hoặc áp lực gây nứt vỡ. Tại Việt Nam thì việc xử lý bề mặt khuôn thông thường là nhiệt luyện kết hợp thấm nitơ bề mặt. Phương pháp này cải thiện được chất lượng khuôn và giảm được hiện tượng hỏng khuôn. Nhưng khó khăn trong việc nhiệt luyện và thấm nitơ làm cho chất lượng bề mặt khuôn giảm sút, khó xử lý lại. Trên thế giới đã xuất hiện phương pháp mới, phủ một lớp kim loại hoặc hợp chất lên bề mặt lòng khuôn để tăng độ cứng, khả năng chịu nhiệt và giảm ma sát. Lớp phủ cứng ở đây được tạo bằng phương pháp vật lý (PVD). Hiện công nghệ và thiết bị đã có ở Việt Nam, luận văn này bàn về việc chế tạo lớp phủ cứng trên khuôn đúc kim loại nhằm nâng cao chất lượng chi tiết và tuổi bền khuôn. 46