Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 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 khuôn mẫu hóa khí (Lost Foam Casting Process – LFC process) phương pháp đúc có nhiều ưu điểm xem phương pháp đúc có nhiều triển vọng tương lai, đặc biệt lĩnh vực tạo phôi cho ngành ôtô, xe máy Với phương pháp đúc này, khuôn không cần mặt phân khuôn nên giảm thiểu sai lệch mặt, không sử dụng chất kết dính nên giảm chi phí cho việc xử lý hỗn hợp làm khuôn thân thiện với môi trường, quy trình sản xuất đơn giản, đúc chi tiết phức tạp,…Trong nghiên cứu này, khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ rót, chiều dày lớp sơn mẫu (thông qua thời gian nhúng sơn) độ chân không đến khả điền đầy khuôn mức độ cháy dính cát vật đúc hợp kim nhôm A356 theo công nghệ mẫu hóa khí Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng phương trình hồi quy ảnh hưởng thông số đúc nêu đến khả điền đầy khuôn mức độ cháy dính cát Kết cho thấy, tăng nhiệt độ rót kim loại lỏng, tăng độ chân không, giảm thời gian nhúng mẫu thu vật đúc có mức độ điền đầy cao lại làm gia tăng mức độ cháy dính cát Từ khóa: đúc 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 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 (23) 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 khuôn mẫu hóa khí có nhiều ưu điểm bật: đúc vật đúc có hình dạng phức tạp mà không cần ruột; cát làm khuôn không cần chất dính; vật đúc đạt độ xác cao mặt phân khuôn, mặt phân mẫu; ô nhiễm môi trường [1]; công nghệ thiết bị đơn giản,… Khoảng mười năm gần đây, nước phát triển, công nghệ đúc sử dụng ngày rộng rãi để đúc chi tiết hợp kim nhôm, gang, thép phục vụ cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt ngành ô tô Hình trình bày sản phẩm 662 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tiêu biểu chế tạo công nghệ đúc khuôn mẫu hóa khí năm gần [2] Các bước công nghệ đúc này: 1) Chế tạo mẫu xốp (thường dùng nhựa EPS) cách cắt ép tạo hình; 2) Ghép thành chùm mẫu; 3) Sơn mẫu; 4) Đặt mẫu vào khuôn, đổ cát rung lèn chặt; 5) Phủ màng mỏng nhựa dẻo lên bề mặt khuôn; 6) Rót kim loại lỏng vào khuôn đồng thời hút chân không; 7) Dỡ khuôn lấy vật đúc Cơ chế thay kim loại lỏng/mẫu xốp trình rót khuôn trình bày hình [2] Khi tiếp xúc với kim loại lỏng, xốp polystyrene phân hủy tạo thành giọt lỏng nằm lớp sơn mẫu, sau đó, tác dụng nhiệt, phần chúng hóa khí thoát qua lớp sơn mẫu Nếu mức độ hút chân không không đủ, khả thẩm thấu mẫu xốp vượt khả thẩm thấu lớp sơn mẫu, điều dẫn đến: 1) Hình thành áp lực lớn hốc khuôn, cản trở việc điền đầy khuôn, chí áp lực cao dẫn đến tượng phun trào; 2) Hình thành nếp gấp bề mặt vật đúc; 3) Có thể tồn rỗ khí vật đúc Ngược lại, mức độ hút chân không lớn, kim loại lỏng thẩm thấu qua lớp sơn mẫu gây nên tượng cháy dính cát học a) b) c) d) Hình a) Đầu xi lanh 16V, Saturn/GM, hợp kim nhôm, 11,8kg; b) Block động V6, Mercury Marine, hợp kim nhôm, 22kg; c) Trục khuỷu GGG60, Saturn/GM, gang cầu, 11,6kg; d) Vỏ stator, gang xám, 2kg Hình Mô hình thay kim loại lỏng/xốp polystyrene (EPS) [2] 663 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Cát làm khuôn chế độ rung lèn chặt, vật liệu làm mẫu xốp, khối lượng riêng mẫu xốp, nhiệt độ rót, loại sơn chiều dày lớp sơn mẫu, độ chân không … có ảnh hưởng đến tiêu chất lượng vật đúc đúc công nghệ mẫu hóa khí Công trình nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ rót, chiều dày lớp sơn, độ chân không đến khả điền đầy khuôn mức độ cháy dính cát đúc công nghệ mẫu hóa khí cho hợp kim nhôm A356 THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên vật liệu Mẫu xốp: chế tạo xốp Polystyrene (EPS) theo phương pháp ép, có khối lượng riêng 30 kg/m3 Mẫu có dạng bậc với kích thước 220 x 80 mm chiều dày bậc 20, 15, 10, 5, 3, mm (hình 3) [3] Cát làm khuôn: Cát thạch anh 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%, 75% hạt có kích thước< 45µm), 6% nhựa thông, 14 % sét bentonite natri (khoáng mônmôrilônit > 90%, 60% hạt có kích thước< 10µm); dung môi: cồn 96%; tỉ lệ lỏng : rắn = : 0,35 Hợp kim đúc: hợp kim nhôm A356 Hình Mẫu xốp 2.2 Trang thiết bị thí nghiệm Thiết bị rung: P = HP; biên độ rung: mm; phương rung: đứng; tần số rung: - 50 Hz; kích thước sàn rung: 900 x 600mm Hệ thống cấp chân không: P = HP, Q= m3/phút, pmax = -760 mmHg, Vtích = 0,8 m3 Hòm khuôn: kích thước trong: 320 x 220 x 300mm; số vị trí cấp chân không: Các trang thiết bị, dụng cụ khác: thiết bị khuấy sơn, thiết bị cắt mẫu xốp dây điện trở, dụng cụ đo độ nhớt sơn, bình đong, ống nghiệm, cân điện tử, … 2.3 Phương pháp nghiên cứu đánh giá a) Phương pháp xác định chiều dày lớp sơn Đo chiều dày mẫu trước sau nhúng sơn (ở vị trí) thước kẹp (có độ chia nhỏ nhất: 0.02mm) để xác định chiều dày lớp sơn Sử dụng cữ chặn hình V để cố định vị trí đo chiều dày Thao tác đo chiều dày sơn thể hình 664 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Do khó khống chế chiều dày lớp sơn giá trị xác định nên nghiên cứu khống chế chiều dày sơn thông qua thời gian nhúng mẫu vào sơn Ảnh hưởng thời gian nhúng mẫu tỉ lệ rắn/lỏng sơn lên chiều lớp sơn trình bày hình Chiều dày lớp sơn = Kích thước trước sơn – kích thước sau sơn (mm) (1) Hình Mô thao tác đo chiều dày lớp sơn thước kẹp Chiều dày lớp sơn (mm) 0.5 0.4 Tỷ lệ rắn/lỏng: 0.3 1/0.35 0.2 1/0.4 0.1 10 20 30 60 Thời gian nhúng (giây) Hình Ảnh hưởng thời gian nhúng mẫu tỉ lệ rắn/lỏng đến chiều dày lớp sơn b) Phương pháp đánh giá mức độ điền đầy Mức độ điền đầy đánh giá theo giá trị F/V [5], đó: F – tổng diện tích bề mặt phần mẫu đúc điền đầy; V – thể tích phần mẫu đúc điền đầy Rõ ràng, F/V lớn mức độ điền đầy khuôn cao c) Phương pháp đánh giá mức độ cháy dính cát Mức độ cháy dính cát mặt: đặt màng phim mỏng (có kẻ 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 góc vật đúc Mức độ cháy dính cát mặt đường theo góc bậc tính theo phần trăm d) Chế độ làm khuôn 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) đánh giá tương thích PTHQ theo tiêu chuẩn Fisher 665 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Phương án thực nghiệm: thực nghiệm yếu tố toàn phần với k = (ba yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ rót - x1, thời gian nhúng sơn - x2, độ chân không - x3), n = (hai mức độ: giá trị hai biên) Như vậy, cần thực 𝑁 = 2𝑘 = 23 = thí nghiệm; tiến hành thêm ba thí nghiệm tâm để tính 𝑠𝑡ℎ đánh giá tương thích thực nghiệm PTHQ theo tiêu chuẩn Fisher [7] Từ kết thí nghiệm thăm dò, khoảng khảo sát biến chọn sau: • Nhiệt độ rót (x1): giới hạn dưới: 670oC, 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 khả 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 thực nghiệm xử lý kết thực nghiệm Hình ảnh vật đúc thí nghiệm theo QHTN trình bày hình Các kết thực nghiệm trình bày bảng a) Tám mẫu biên b) Ba mẫu tâm Hình Hình ảnh vật đúc thí nghiệm theo QHTN Bảng Kết thực nghiệm theo QHTN TT Nhiệt độ rót (x1), độ C Thời gian nhúng (x2), giây Độ chân không (x3), mmHg Thể tích điền đầy (V), cm3 Diện tích điền đầy (F), cm2 Tỷ lệ F/V, cm-1 Cháy dính cát đường, (%) Cháy dính cát mặt, (%) 670 20 500 1536,041 363,77 0,2368 75.21 1.91 670 50 500 1323,205 266,62 0,2015 0 760 20 500 1551,160 374,33 0,2413 96.15 1.96 760 50 500 1461,494 322,42 0,2206 64.96 1.35 670 20 1205,022 240,12 0,1993 0 670 50 1009,717 197,72 0,1958 0 760 20 1327,810 267,33 0,2013 0 760 50 1197,244 237,98 0,1988 0 715 35 250 1426,070 306,87 0,2152 0 10 715 35 250 1393,256 292,67 0,2101 0 11 715 35 250 139923.9 295,37 0,2111 0 666 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Các mẫu từ thí nghiệm 5, 6, 7, không quan sát thấy cháy dính cát, hàm mục tiêu Y2 Y3 quy hoạch theo hai biến x1 x2 mức chân không 500mmHg Từ số liệu bảng 1, xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm sau: Y1 = 0,2542 – 7,26x10-5x1 – 0,00215x2– 3,69x10-5x3 + 2,871x10-6x1x2 + 2,066x10-7x1x3 – 1,668x10-6x2x3 (2) Y2 = 187,933 – 0,093x1 – 13,430x2 + 0,016x1x2 (3) Y3 = 9,2630 – 0,0091x1 – 0,3863x2 + 0,0005x1x2 (4) Kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher ba phương trình tìm tương thích với thực nghiệm Sai số kết nhận theo PTHQ thực nghiệm chấp nhận PHÂN TÍCH HỒI QUY VÀ BÀN LUẬN Từ PTHQ (2), cố định biến, xác lập ảnh hưởng hai biến lại đến khả 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) khả điền đầy khuôn tăng Độ dốc mặt mục tiêu so với biến khoảng khảo sát cho thấy độ chân ảnh hưởng mạnh đến khả điền đầy; ảnh hưởng nhiệt độ rót thời gian nhúng mẫu vào sơn không chênh lệch nhiều F/V Ratio = F{(Temperture, Dipping time), 715 oC)} F/V Ratio = F{(Temperture, Dipping time), 250mmHg} F/V Ratio 0.24 F/V Ratio 0.22 0.20 0.20 20 Dipping time ( S) Dipping time ( S) 0.21 35 50 400 200 50 V acuum Degr ee ( mmH g) 0.22 35 760 715 670 20 T emper tur e ( oC ) F/V Ratio = F{(Temperture, Vacuum Degree, Dipping time 35s} F/V Ratio 0.23 Vacuum Degree (mmHg) 0.22 0.21 500 0.20 670 250 715 760 Temperture Hình Ảnh hưởng yếu tố đến tỉ số F/V Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nhúng đến cháy dính cát 667 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Từ PTHQ (3), (4) xác định đường tới hạn bắt đầu xảy cháy dính cát ảnh hưởng nhiệt độ rót thời gian nhúng sơn đến mức độ cháy dính cát đường mặt độ chân không 500mmHg (hình 8) Khi tăng nhiệt độ rót, tăng độ chân không, giảm thời gian nhúng mẫu vào sơn mức độ cháy dính cát tăng Độ dốc mặt mục tiêu cho thấy thời gian nhúng mẫu vào sơn có ảnh hưởng lớn so với nhiệt độ rót KẾT LUẬN Với PTHQ tìm từ thực nghiệm, cho phép đánh giá định lượng ảnh hưởng nhiệt độ rót, độ chân không, chiều dày sơn (thông qua thời gian nhúng mẫu) đến khả điền đầy khuôn, mức độ cháy dính cát đúc hợp kim A356 khuôn mẫu hóa khí Cũng nhờ PTHQ sơ xác định thông số đúc cho vật đúc có kích thước không lớn để bảo đảm khả điền đầy hoàn chỉnh hạn chế cháy dính cát Đối với hợp kim nhôm đúc khác có nhiệt độ nóng chảy độ chảy loãng tương đương hợp kim A356 sử dụng PTHQ để tìm thông số đúc phù hợp Cần có nghiên cứu để xác lập ảnh hưởng nhiều thông số công nghệ đến khả điền đầy mức độ cháy dính cát đúc 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 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 xác 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 TPHCM, 2011 THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Ngọc Hà Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Email: nnha@hcmut.edu.vn DĐ: 0913727204 Lê Quốc Phong Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Email: lqphongvn@gmail.com DĐ: 0905597635 Nguyễn Minh Thiện Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Email: nguyenminhthien206@gmail.com DĐ: 0974972220 Nguyễn Nhất Trí Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Email: nhattri.bk@gmail.com DĐ: 0975838955 Lại Đình Hoài Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM Email: v1001073@hcmut.edu.vn DĐ: 01645971779 668