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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ÁP LỰC<br /> 1.1. Công nghệ đúc áp lực<br /> 1.1.1. Đặc điểm của quá trình<br /> Đúc áp lực cao là công nghệ đúc trong đó kim loại lỏng điền đầy khuôn và<br /> đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao do khí nén hoặc dầu ép trong xilanh ép tạo<br /> ra. Có thể hình dung quá trình công nghệ như trên (hình 1.1):<br /> <br /> a)<br /> <br /> b)<br /> <br /> c)<br /> <br /> d)<br /> Hình 1.1. Quá trình đúc<br /> <br /> a) Giai đoạn cấp liệu;<br /> <br /> b) Giai đoạn điền đầy và ép tĩnh<br /> <br /> c), d) Giai đoạn tháo khuôn, lấy vật đúc<br /> Khuôn đúc áp lực cao bao gồm 2 nửa khuôn, nửa khuôn động và nửa khuôn<br /> tĩnh (5). Bắt đầu chu trình đúc, hai nửa khuôn đóng lại. Rót kim loại lỏng đã định<br /> lượng vào buồng ép qua lỗ rót trên xilanh ép (2). Sau khi rót, pittông (1) trong<br /> xilanh (2) đẩy kim loại lỏng điền đầy hốc khuôn. Thời gian điền đầy rất nhanh chỉ<br /> khoảng phần chục giây với tốc độ hàng trăm m/s và áp suất khoảng vài trăm đến<br /> <br /> 14<br /> <br /> hàng nghìn atmôtphe. Áp suất được duy trì đến khi vật đúc đông đặc hoàn toàn. Rút<br /> ruột khỏi vật đúc. Nửa khuôn động tách khỏi nửa khuôn tĩnh. Chốt đẩy (4) tống vật<br /> đúc khỏi khuôn. Chu trình đúc mới lại bắt đầu.<br /> Đúc áp lực cao có thể sử dụng máy buồng ép nóng hoặc máy buồng ép<br /> nguội. Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết tinh,<br /> do pittông ép tạo ra. Lực để làm pittông chuyển động lại do một bơm thuỷ lực gây<br /> nên. Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp lực ép của pittông thay đổi rất<br /> khác nhau trong suốt một chu trình đúc. Có thể chia 1 chu trình đúc thành 4 giai<br /> đoạn như trên (hình 1.1).<br /> 1.1.2. Các giai đoạn chính trong quá trình đúc<br /> Giai đoạn 1: Pittông 1 đã đi qua và bịt lỗ rót. Vận tốc của pittông ép và áp<br /> lực trong buồng ép còn nhỏ. Vì khi đó áp lực chỉ cần đủ để thắng lực ma sát trong<br /> buồng ép và xilanh thuỷ lực.<br /> Giai đoạn 2: Kim loại lỏng đã điền đầy toàn bộ buồng ép. Tốc độ của pittông<br /> tăng lên và đạt giá trị cực đại v2. Giá trị của áp suất p2 tăng một chút do phải thắng<br /> các trở lực của dòng chảy trong buồng ép.<br /> <br /> Hình 1.2. Vận tốc và áp suất buồng đúc của các giai đoạn trong quá trình đúc<br /> Giai đoạn 3: Kim loại lỏng điền đầy hệ thống rót và hốc khuôn. Do thiết diện<br /> rãnh dẫn thu hẹp lại cho nên tốc độ pittông giảm xuống thành v3 nhưng áp suất ép<br /> lại tăng lên. Kết thúc giai đoạn này, pittông dừng lại nhưng do hiện tượng thuỷ kích<br /> (quán tính ép) mà áp suất ép tiếp tục tăng lên. Sau khi các dao động áp suất tắt dần,<br /> <br /> 15<br /> <br /> áp suất đạt giá trị không đổi. Đây là áp suất thuỷ tĩnh cần thiết cho quá trình kết<br /> tinh.<br /> Giai đoạn 4: Giai đoạn ép thuỷ tĩnh. Áp suất có thể đạt tới 50-5000 daN/cm2,<br /> tuỳ thuộc vào bản chất vật liệu đúc và yêu cầu công nghệ. Khi áp lực đã đạt giá trị<br /> thuỷ tĩnh mà tại rãnh dẫn vẫn còn kim loại lỏng thì áp lực sẽ truyền vào vật đúc-kim<br /> loại kết tinh trong trạng thái áp lực cao.<br /> 1.2. Khuôn đúc áp lực<br /> 1.2.1. Cấu tạo khuôn đúc áp lực<br /> Khuôn được cấu thành từ rất nhiều linh kiện, mỗi linh kiện lại có chức năng<br /> riêng. Ở đúc áp lực cao thì khuôn kim loại rất đắt tiền nên phải tính toán kỹ các<br /> chức năng để hướng tới cấu tạo không có lãng phí. Ngoài ra, cần phải nỗ lực trong<br /> việc cắt giảm chi phí khuôn bằng cách thúc đẩy tiêu chuẩn hóa linh kiện cấu thành,<br /> nâng cao khả năng thay thế lẫn nhau của các linh kiện, cắt giảm số lượng linh kiện<br /> bằng cách chế tạo liền, sử dụng linh kiện tiêu chuẩn được các công ty chế tạo khuôn<br /> bán trên thị trường.<br /> <br /> Hình 1.3. Kết cấu khuôn đúc áp lực<br /> 1- Kênh dẫn; 2- Rãnh dẫn; 3- Khuôn tĩnh; 4- Ruột; 5- Tấm đẩy;<br /> 6- Khuôn động; 7,8- Tấm lắp đặt hệ thống làm mát khuôn<br /> <br /> 16<br /> <br /> 1.2.2. Vật liệu chế tạo khuôn đúc áp lực<br /> Vật liệu của khuôn được lựa chọn từ các chức năng yêu cầu, trong trường<br /> hợp cần thiết thì sẽ phải thực hiện xử lý nhiệt và xử lý bề mặt. Về vật liệu, xử lý<br /> nhiệt, xử lý bề mặt của các linh kiện cấu thành khuôn tiêu biểu được thể hiện trong<br /> (phụ lục 1)<br /> Hiện nay, khuôn đúc áp lực hợp kim nhôm được sản xuất chủ yếu bằng thép<br /> SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS G4404 (1983) Nhật Bản, có thành phần (bảng 1.1):<br /> Bảng 1.1. Thành phần thép SKD61 làm khuôn đúc áp lực<br /> C<br /> 0,32 – 0,42<br /> <br /> Si<br /> 0,8 – 1,2<br /> <br /> Thành phần hóa học %<br /> Mn<br /> Cr<br /> ≤ 0,5<br /> 4,5 – 5,5<br /> <br /> Mo<br /> 1,0 – 1,5<br /> <br /> V<br /> 0,8 – 1,2<br /> <br /> 1.2.3. Xử lý nhiệt khuôn đúc áp lực<br /> Trong khi làm việc bề mặt khuôn đúc áp lực phải tiếp xúc kim loại nóng<br /> chảy làm cho bản thân nó cũng bị nung nóng. Nhiệt độ khuôn có thể lên tới<br /> 5000C÷6000C. Do đó thép làm khuôn đúc áp lực có các yêu cầu sau:<br /> - Tính bền nhiệt cao tức là khả năng bảo đảm bề mặt làm việc của khuôn<br /> không bị biến dạng dẻo, tính năng này có thể đánh giá qua chỉ tiêu giới hạn chảy ở<br /> nhiệt độ cao hoặc độ cứng ở nhiệt độ cao không nhỏ hơn 45÷50HRC.<br /> - Độ dai cao: Độ mỏi nhiệt của thép có quan hệ mật thiết với độ dai của nó.<br /> Thông thường yêu cầu ở nhiệt độ thường độ dai của thép không nhỏ hơn 35J/cm2, ở<br /> nhiệt độ làm việc độ dai không nhỏ hơn 50J/cm2.<br /> - Độ bền mỏi nhiệt cao: Thông thường thép có tính bền nhiệt và độ dai càng<br /> cao, hệ số giãn nở nhiệt càng nhỏ thì độ bền mỏi nhiệt càng cao.<br /> - Có khả năng chống ôxy hoá và chống ăn mòn tốt: Thép làm khuôn có đặc<br /> điểm là dựa vào tác dụng hoá bền của cacbit, song để có được độ dai cao, độ bền<br /> mỏi nhiệt cao lại mong muốn hàm lượng cacbon càng thấp càng tốt. Hàm lượng<br /> cacbon trong thép không thể quá cao phần lớn là 0,3÷0,5%. Nếu hàm lượng cacbon<br /> thấp hơn thì tổng hàm lượng nguyên tố hợp kim cần cao hơn.<br /> Xử lý nhiệt được xử lý bằng công đoạn thể hiện trong (hình 1.4) nhưng đặc<br /> <br /> 17<br /> <br /> biệt điều quan trọng là phải quản lý nhiệt độ, quản lý thời gian, quản lý môi trường.<br /> Nếu điều kiện bị sai lệch thì sẽ dẫn đến bất thường trong tổ chức, bất thường về độ<br /> cứng, dẫn đến thoát cácbon của bề mặt, và trở thành nguyên nhân của tình trạng<br /> sớm bị nứt nóng làm suy giảm tuổi thọ của khuôn.<br /> Tiếp nhận<br /> <br /> Làm sạch<br /> <br /> Làm nguội<br /> <br /> Gia nhiệt<br /> <br /> Ram<br /> <br /> Kiểm tra<br /> <br /> Tôi<br /> Hình 1.4. Sử lý nhiệt khuôn đúc áp lực<br /> Nhiệt độ nhôm khi đúc áp lực khoảng 6000C chà xát lên bề mặt khuôn, vì<br /> vậy khuôn cần độ cứng bề mặt cao để không bị mài mòn. Đồng thời, khuôn còn<br /> chịu lực ép lớn và thay đổi nên phải có độ dai va đập và chống biến dạng tốt. Không<br /> những thế, khuôn đúc áp lực cần phải bảo đảm giữ được độ cứng ở nhiệt độ làm<br /> việc trong thời gian càng dài thì tuổi thọ càng cao. Hay nói một cách khác, khuôn<br /> đúc áp lực cần có tính cứng nóng cao.<br /> Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn trong quá trình làm<br /> việc:<br /> Nếu coi thành phần SKD61 đã đúng theo tiêu chuẩn JIS quy định thì yếu tố<br /> quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình<br /> nhiệt luyện khuôn. Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn (hình 1.5).<br /> Để đạt được độ cứng từ 48-53 HRC thép SKD61 có thể tôi ở các nhiệt độ<br /> khác nhau từ 9500C đến 11000C. Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì<br /> tính cứng nóng và độ bền nóng sẽ được cải thiện.<br /> Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn.<br /> Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao<br /> hơn, thời gian dài hơn.<br /> Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 10800C) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai<br /> của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm. Trái lại, nung tôi ở nhiệt<br /> độ thấp quá (dưới 10000C) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn<br /> định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn.<br /> <br /> 18<br /> <br />