Tiến Sĩ Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước

Luận án tiến sĩ năm 2014
Đề tài: Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước






MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vi
LỜI MỞ ĐẦU . 1
CHưƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHUÔN GỐM 4
1.1. Công nghệ khuôn gốm đúc chính xác 4
1.1.1. Phân loại khuôn gốm . 4
1.1.2. Công nghệ khuôn gốm vỏ mỏng 5
1.1.3. Công nghệ khuôn khối . 6
1.2. Thực trạng của công nghệ khuôn khối 9
1.2.1. Tình hình công nghệ khuôn khối trên thế giới 9
1.2.2. Tình hình công nghệ khuôn gốm ở Việt Nam . 15
1.3. Triển vọng của công nghệ khuôn khối . 16
1.4. Mục đích nghiên cứu . 17
CHưƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM . 18
2.1. Chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc 18
2.1.1. Tính chất hóa lý của thủy tinh lỏng . 18
2.1.2. Cấu trúc của thủy tinh lỏng 19
2.1.3. Giản đồ trạng thái của thủy tinh lỏng 20
2.1.4. Quá trình polyme hóa của thủy tinh lỏng 22
2.1.5. Ảnh hưởng của độ ẩm tới độ bền khuôn, ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng 28
2.2. Keo silic dùng trong ngành đúc . 29
2.3. Thủy tinh lỏng mô đun cao và nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic, 31
2.3.1. Thủy tinh lỏng mô đun cao 31
2.3.2. Nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic 32
2.3.3. Độ bền của khuôn, ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao . 33
2.4. Cơ chế hình thành độ bền của khuôn khối một lớp sử dụng chất dính thủy
tinh lỏng mô đun cao . 33 ii



2.4.1. Cơ chế hình thành độ bền trước nung 34
2.4.2. Cơ chế hình thành độ bền khi nung . 36
2.5. Vật liệu chịu lửa và chất phụ 38
2.5.1. Thạch anh 38
2.5.2. Ziếc côn . 40
2.5.3. Chất phụ . 42
2.6. Thông số nhiệt lý và hệ số giãn nở nhiệt 43
2.6.1. Hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt . 43
2.6.2. Hệ số giãn nở nhiệt 44
2.7. Kết luận và phạm vi nghiên cứu . 44
CHưƠNG 3: ĐỐI TưỢNG VÀ PHưƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 46
3.1. Đối tượng nghiên cứu . 46
3.1.1. Vật liệu chịu lửa . 46
3.1.2. Chất dính và chất tạo gel 48
3.2. Phương pháp nghiên cứu . 49
3.2.1. Thiết bị nghiên cứu 49
3.2.2. Phương pháp nghiên cứu . 50
3.3. Mô hình thực nghiệm 53
3.3.1. Chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao 53
3.3.2. Chế tạo mẫu khuôn gốm 54
3.3.3. Xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng mô
phỏng và thực nghiệm . 58
3.3.4. Xác định hệ số giãn nở nhiệt của khuôn gốm . 59
3.3.5. Sự thay đổi kích thước của khuôn và đúc thử nghiệm 60
3.4. Kết luận 60
CHưƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 62
4.1. Xác định cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao
bằng thực nghiệm 62
4.1.1. Kết quả và thảo luận 62
4.1.2. Nhận xét . 67
4.2. Tính chất công nghệ của khuôn gốm . 68 iii



4.2.1. Tỷ trọng của khuôn gốm. 68
4.2.2. Độ co của khuôn gốm 70
4.2.3. Độ xốp của khuôn gốm 71
4.3. Cơ tính của khuôn gốm 74
4.4. Cấu trúc và tổ chức tế vi của mẫu khuôn gốm . 79
4.4.1. Cấu trúc của mẫu khuôn gốm 79
4.4.2. Tổ chức tế vi của mẫu khuôn gốm 80
4.5. Tính chất nhiệt lý của khuôn gốm 90
4.5.1. Hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng mô phỏng và
thực nghiệm . 90
4.5.2. Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm 92
4.6. Đúc thử nghiệm 96
4.6.1. Độ co của khuôn đúc 96
4.6.2. Sản phẩm đúc thử 97
KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN . 99






LỜI MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài: Khuôn gốm thường được dùng để đúc những vật đúc có hình dạng
phức tạp, cần độ chính xác cao, giảm thiểu tối đa gia lượng công cơ tiếp theo. Trong lĩnh vực
đúc, sản lượng đúc trong khuôn gốm chiếm tỷ trọng không cao chỉ khoảng 7%, tuy nhiên vì
những ưu điểm nổi trội kể trên mà nó có vị trí đặc biệt trong ngành chế tạo. Trên thế giới,
phương pháp đúc sử dụng khuôn gốm đã và đang được nghiên cứu với mục đích tạo ra các vật
đúc có độ chính xác cao về hình dạng và kích thước nhằm tiết kiệm vật liệu, giảm gia công cơ
khí, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Ở nước ta hiện nay, cùng với các ngành công nghiệp khác thì công nghiệp chế tạo cũng
đang có những sự phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo xe máy,
ô tô và cơ khí chế tạo . Đó là những ngành có nhu cầu về các sản phẩm đúc chính xác rất cao.
Tuy nhiên số lượng nhà máy đúc sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn gốm ở nước ta còn ít, có
thể kể đến như: Công ty Máy kéo & Máy Nông Nghiệp Hà Tây, Công ty Z183 ở Yên Bái,
Công ty Cơ khí Hà Nội, Công ty Cổ phần Công Nghiệp CIMC Việt Nam, Công ty Z125 . Các
công ty này sử dụng chất dính là thủy tinh lỏng trong công nghệ khuôn gốm, dùng để đúc các
chi tiết nhỏ có nhiệt độ nóng chảy thấp và đòi hỏi chất lượng bề mặt không cao. Thời gian gần
đây, các công ty Z183 và Z125 đã chuyển sang sử dụng chất dính ethyl silicát để đáp ứng cho
các yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm đúc.
Nhìn chung, công nghệ khuôn gốm đúc chính xác chưa nhận được nhiều sự quan tâm
của các nhà khoa học trong nước cũng như các nhà máy sản xuất. Bởi vì nền công nghiệp chế
tạo ô tô, hàng không vũ trụ, công nghiệp năng lượng . chưa được phát triển ở nước ta trước
đây. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển chung trên thế giới, nền công nghiệp chế tạo ở Việt
Nam đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ. Các công ty sản xuất ô tô và xe máy hàng
đầu thế giới đã có ở Việt Nam như: Toyota, Ford, Honda, Piagio, Yamaha có nhu cầu về các
sản phẩm đúc chính xác ngày càng cao trong công nghiệp lẫn đời sống xã hội. Công nghệ
khuôn gốm đúc đã được ứng dụng song chưa đáp ứng về chất lượng, nên vẫn chưa phát triển
rộng rãi, cũng như chưa đáp ứng được đòi hỏi chất lượng sản phẩm của xã hội. Chính vì vậy
việc nghiên cứu công nghệ đúc khuôn gốm sẽ có ý nghĩa không chỉ trong khoa học tạo vật liệu
mới thay thế mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao. Ở Việt Nam hiện nay, khuôn gốm chủ yếu là
được làm theo công nghệ khuôn vỏ gốm còn công nghệ khuôn khối chưa được quan tâm
nghiên cứu và ứng dụng nhiều ở nước ta. Khuôn vỏ gốm sử dụng vật liệu chịu lửa chủ yếu là
bột thạch anh có kích thước hạt khoảng 100µm, chất dính là thủy tinh lỏng có mô đun lớn nhất
bằng 3 và chất tạo gel là NH 4 Cl. Việc sử dụng hỗn hợp làm khuôn này có ưu điểm là rẻ tiền và
sẵn có ở Việt Nam. Tuy nhiên khuôn vỏ gốm hay bị nứt sau nung, độ thông khí thấp, độ co
lớn, vật liệu khuôn dễ cháy dính vào bề mặt vật đúc thép
Mục đích của luận án: Từ những phân tích khoa học trên, đã chọn đề tài nghiên cứu
là: “Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước”. Luận án đã tập trung vào việc
nghiên cứu nâng cao chất lượng của khuôn gốm theo phương pháp khuôn khối một lớp (khuôn



shaw một lớp), với mục đích cụ thể là cải thiện độ xốp, độ bền cho khuôn gốm, giảm thiểu khả
năng nứt khuôn sau khi thoát sáp và sau nung
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Luận án đã sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có
mô đun lớn hơn 3,3 nhằm giảm khả năng hút ẩm, tăng độ xốp và giảm thiểu khả năng nứt 2



Nguyên nhân khác nữa ảnh hưởng tới chất lượng khuôn gốm đúc trong nước là vật liệu
chịu lửa. Việc sử dụng vật liệu chịu lửa có độ ổn định nhiệt thấp là thạch anh đã làm tăng khả
năng nứt khuôn. Do vậy, luận án đã sử dụng kết hợp 2 loại bột chịu lửa là ziếc côn và thạch
anh để tăng độ ổn định nhiệt cho vật liệu chịu lửa, giảm khả năng nứt khuôn do sự giãn nở
nhiệt gây ra. Sự giãn nở nhiệt của khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng trong quá trình
nung khuôn cũng được nghiên cứu trong luận án, thông qua xác định hệ số giãn nở nhiệt của
khuôn.
Các chất dính phụ là polyme trong công nghệ khuôn gốm đang được nghiên cứu rất
nhiều trên thế giới, tuy nhiên trong điều kiện nước ta là khá khó khăn do sẽ đẩy giá thành
khuôn gốm lên cao. Do vậy, việc chọn lựa chất dính phụ phù hợp trong điều kiện nước ta là
cần thiết. Nước mật mía, là sản phẩm của mía đường nên rất dễ kiếm và rẻ tiền ở nước ta.
Nước mật mía đã được ứng dụng nhiều trong công nghệ khuôn dùng trong đúc, tuy nhiên
trong công nghệ khuôn gốm thì việc ứng dụng nước mật mía như là một chất phụ nhằm cải
thiện tính công nghệ của khuôn gốm là chưa có. Luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một
chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất của khuôn gốm.
Tóm lại, luận án đã nghiên cứu chế tạo khuôn gốm đúc theo phương pháp khuôn khối
một lớp dựa trên vật liệu bao gồm chất dính là thuỷ tinh lỏng mô đun cao từ 3,5 – 5,0 (sử dụng
keo silic để nâng mô đun cho thủy tinh lỏng), nước mật mía làm chất dính phụ (chiếm từ 1 –
9% khối lượng chất dính), bột chịu lửa là SiO 2 , ZrSiO 4 và chất tạo gel là NH 4 Cl.
Phương pháp nghiên cứu: Để hoàn thành mục đích nghiên cứu, luận án đã sử dụng
phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát của từng yếu tố) và phương pháp quy hoạch thực
nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tác động). Sử dụng các trang thiết bị
phân tích kiểm định mẫu thí nghiệm hiện đại như: hiển vi điện tử quét, hiển vi quang học,
nhiễu xạ rơn ghen, máy đo độ giãn nở nhiệt TMA, máy đo độ bền vạn năng MTS, đo trường
nhiệt độ bằng máy ghi nhiệt tự động .
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Bằng nghiên cứu thực nghiệm về sự thay
đổi của mô đun thủy tinh lỏng (M t.t.l = 3 ư 5), nhiệt độ nung (T = 850 ư 1000 o C) đã xác định
quy luật giảm độ bền uốn (σ u ), độ bền nén (σ n ), độ co (dΦ) và tỷ trọng của khuôn gốm (ρ k ),
còn độ xốp của nó (γ k ) tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng của M t.t.l và giảm khi nhiệt độ nung tăng.
Độ bền, độ co, độ xốp và tỷ trọng của khuôn gốm tăng theo chiều tăng của hàm lượng bột
ZrSiO 4 có trong hỗn hợp bột chịu lửa. Khi tỷ trọng của thủy tinh lỏng tăng thì độ xốp của
khuôn gốm giảm, còn độ bền và độ co của nó tăng. Độ bền của khuôn gốm đạt giá trị cao nhất
khi hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng bằng 24 – 25% khối lượng bột chịu lửa và hàm lượng
mật mía bằng 3% khối lượng chất dính. Nước mật mía đưa thêm vào không ảnh hưởng nhiều
tới độ xốp (độ thông khí) của khuôn gốm. Hơn nữa, luận án đã xây dựng các mô hình toán học
thực nghiệm với hàm mục tiêu đã chọn phụ thuộc vào các thông số khảo sát của luận án ở
dạng mô hình tuyến tính.
Luận án đã áp dụng kết quả nghiên cứu để đúc thử nghiệm một loại sản phẩm đúc điển
hình theo bản vẽ thiết kế của công ty Monarch Industries Limited (USA) đạt yêu cầu kỹ thuật
về kích thước hình học và độ nhám bề mặt đạt 2,54 – 3,05µm.
Đóng góp mới của luận án: Luận án cũng đã nghiên cứu sự giãn nở nhiệt của khuôn
gốm với tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa ZrSiO 4 /SiO 2 = 0,3; 0,6 và 0,7; phụ thuộc vào nhiệt độ
nung. Trong khoảng nhiệt độ nung có hai sự chuyển pha ở 117
o
C và 573
o C, ở khoảng nhiệt độ
có sự chuyển pha, tốc độ nâng nhiệt nên để bằng 0 trong một khoảng thời gian nhất định