MỞ ĐẦU Hiện nay, nhôm và các hợp kim của nhôm đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, quốc phòng và trong đời sống. Sự gia tăng ứng dụng của “kim loại có cánh” khiến công nghệ đúc nhôm ngày càng phát triển. Cùng với sự đa dạng của các phương pháp đúc nhôm kèm theo sự phát triển của các hợp chất bôi trơn cho quá trình này nhằm đáp ứng các yêu cầu bôi trơn riêng của từng quá trình đúc. Trên thị trường Việt Nam, các chất bôi trơn cho quá trình đúc nhôm chủ yếu là các sản phẩm nhập ngoại với giá thành cao.
Việc nghiên cứu sản xuất chất bôi trơn cho quá trình đúc nhôm liên tục còn rất nhiều tiềm năng, nhất là trong điều kiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta, góp phần đáng kể vào việc hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất, hiệu quả của nguyên công đúc, chủ động được nguồn hàng, nâng cao tuổi thọ sử dụng của khuôn và thiết bị. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất dầu bôi trơn cho quá trình đúc nhôm kim loại” với mục đích tạo ra được sản phẩm dầu bôi trơn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật của quá trình đúc các chi tiết, thiết bị, máy móc làm bằng nhôm kim loại, đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ trong nước, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế. Quá trình đúc nhôm kim loại 1. Nhôm và vai trò của nhôm trong công nghiệp Nhôm là kim loại nhẹ có vai trò quan trọng nhất trong cuộc sống con người.
Hiện nay, nhôm và các hợp chất của nhôm được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống như chế tạo máy bay, ôtô, kỹ thuật điện, xây dựng, sản xuất gạch chịu lửa, sản xuất sơn, dụng cụ gia đình .Nhôm còn được sử dụng nhiều trong công nghiệp quốc phòng, được coi là một trong những kim loại chiến lược. Nhu cầu sử dụng nhôm hàng năm ở nước ta là hàng chục nghìn tấn, chỉ đứng sau thép. Số liệu về tiêu thụ nhôm ở nước ta trong những năm qua và dự kiến những năm tới được thể hiện ở bảng 1. Nhu cầu sử dụng nhôm ở Việt Nam (tấn) Năm 1997 2000 2005 2006 2010 2015 Chủng loại Nhôm thỏi 25.000 Do có nhiệt độ chảy thấp và nhiệt độ bốc hơi cao, nên nhôm dễ tạo hình bằng phương pháp đúc.
Nhiệt nóng chảy của nhôm khá lớn tới 391,2 KJ/kg.độ, vì vậy để nấu chảy nhôm cần một lượng nhiệt lớn. Ngược lại nhiệt dung cao cũng làm cho nhôm nguội chậm dần từ trạng thái lỏng, thuận lợi cho quá trình biến tính và tinh luyện. Nhôm có tính chảy loãng cao nên có thể đúc được các sản phẩm có thành mỏng tới 2,5 mm và phức tạp. Nhờ các đặc điểm của nhôm kim loại, đúc nhôm chiếm đến trên 90% tổng khối lượng đúc kim loại màu [1].
Quá trình đúc nhôm kim loại Đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu. Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại [2]. Theo tài liệu “Nghiên cứu đề xuất mô hình phát triển ngành đúc Việt Nam đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước” do Hội Đúc -Luyện kim Việt Nam thực hiện năm 2009 cho thấy: lượng hợp kim nhôm đúc và các loại hợp kim mầu khác chiếm 10-12% trong tổng sản lượng vật đúc. Sản lượng các hợp kim đúc ở Việt Nam giai đoạn 2020 – 2025 Gang Gang Gang Thép HK HK màu Năm Tổng xám cầu dẻo đúc nhôm khác 2020 950 570 19 114 190 19 1900 2025 1250 625 50 200 250 50 2500 Hợp kim nhôm là một trong số rất ít các kim loại có thể đúc được bằng nhiều phương pháp như đúc áp lực, đúc khuôn kim loại, đúc khuôn cát, khuôn thạch cao, đúc mẫu chảy, đúc liên tục.
Một số phương pháp đúc tiên tiến mới, như đúc mẫu cháy cũng có thể áp dụng. Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp đúc để chế tạo các chi tiết máy bằng hợp kim nhôm. Yếu tố quan trọng nhất là: - Giá thành và tính khả thi - Chất lượng Chất lượng là một yếu tố quan trọng quyết định đến việc lựa chọn phương pháp đúc. Chất lượng ở đây có nghĩa là “mức độ hoàn hảo” của vật đúc (rỗ khí, nứt, độ nhẵn bóng bề mặt…) và “cơ tính” của sản phẩm (độ bền và độ dẻo).
Tuy nhiên, có một điều không thể quên đối với các kỹ sư đúc nói chung là quá trình đúc, khi tốc độ nguội lớn thì không khí, đặc biệt là khí Hyđro sẽ được giữ lại trong vật đúc, có thể tập trung thành rỗ khí ở phần giữa của vật 5 đúc, làm giảm cơ tính. Một số nghiên cứu mới đây đã cố gắng tìm cách giảm thiểu rỗ khí tuy nhiên đây là công việc rất khó khăn, gần như là không thể loại bỏ hết được rỗ khí. Phương pháp đúc áp lực thấp sẽ cho sản phẩm hoàn hảo hơn. Các phương pháp đúc nhôm chính gồm [2]: 1.
Đúc áp lực Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp kim khác. Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm nhôm đúc áp lực trị giá lên tới 2. Riêng nhôm đúc áp lực chiếm tỷ phần gấp đôi so với tất cả các phương pháp khác gộp lại. Đúc áp lực rất phù hợp với đúc hàng loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ.
Nguyên lý: kim loại lỏng được đưa vào khuôn bằng áp lực tương đối lớn thông qua 1 xylanh-pistong. Áp lực lớn, tốc độ nguội nhanh, sẽ cho sản phẩm có tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn làm tăng cơ tính và khả năng chịu mài mòn. Sản phẩm của đúc áp lực rất khó hàn và xử lí nhiệt do vẫn còn khí bị giữ lại trong vật đúc. Nếu muốn loại bỏ thì cần những công nghệ đặc biệt.
Một điều lưu ý trong đúc áp lực là lựa chọn vật liệu có khoảng đông đặc hẹp. Đúc khuôn kim loại Đúc khuôn kim loại hay đúc khuôn vĩnh cửu (permanent casting) là phương pháp đúc mà như tên gọi – khuôn làm bằng kim loại giống như đúc áp lực. Đúc khuôn kim loại phù hợp với các vật đúc lớn hơn so với đúc áp lực, khoảng 10kg hoặc cao hơn. Cơ tính của các chi tiết đúc bằng phương pháp đúc áp lực được cải thiện đáng kể khi kết hợp các phương pháp nhiệt luyện.
Khuôn cát Đúc khuôn cát, tức đề cập đến công đoạn làm khuôn bằng cát và các chất phụ gia để kết dính có thể là đất sét hoặc một số loại khác. Đúc khuôn cát hiện nay vẫn được sử dụng nhưng không chính xác. Chính vì vậy, đôi khi một số chi tiết lớn vài chục kg yêu cầu chính xác thì không thể dùng khuôn cát mà phải dùng khuôn kim loại. Đúc li tâm 6 Đúc li tâm là một dạng khác để đưa kim loại lỏng vào khuôn.
Khuôn được làm bằng kim loại, đặt trên máy đúc li tâm. Khi khuôn đang quay tròn, hệ thống rót được thiết kế sẵn, rót kim loại vào khuôn. Với lực quay li tâm sẽ giới hạn chiều dày vật đúc đúng như thiết kế, với sự hỗ trợ của lực li tâm, kim loại sẽ sít chặt. Tuy nhiên, đúc li tâm sẽ chỉ áp dụng cho các chi tiết có dạng tròn như dạng tang trống.
Nhưng đổi lại, có tính của vật đúc sẽ được cải thiện đáng kể vì có lực li tâm và khuôn kim loại nên tổ chức nhỏ mịn. Đúc liên tục Đúc liên tục là quá trình gia công và tạo hình đơn giản cho kim loại đang dần trở nên quan trọng, không thể thiếu trong công nghiệp chế tạo máy móc, thiết bị. Năm 1966, đúc liên tục lần đâu tiên được đưa vào ứng dụng ở quy mô công nghiệp ở nước ta để đúc ống nước bằng gang. Đến nay thì quá trình gia công này đã được áp dụng cho các vật liệu kim loại phổ biến trong lĩnh vực cơ khí chế tạo như đồng, thép, nhôm, kẽm… * Nguyên lý quá trình đúc liên tục Đúc liên tục là quá trình rót kim loại lỏng đều và liên tục vào một khuôn bằng kim loại, xung quanh hoặc bên trong khuôn có nước lưu thông làm nguội (còn gọi là bình kết tinh).
Nhờ quá trình truyền nhiệt nhanh giữa kim loại lỏng và khuôn nên khi kim loại rót vào khuôn được kết tinh ngay. Vật đúc được kéo liên tục ra khỏi khuôn bằng những cơ cấu đặc biệt như con lăn hoặc gàu kéo… Đúc liên tục được thực hiện bằng máy đúc theo quy trình: kim loại lỏng → rót → làm nguội → cắt hoặc cán trực tiếp thành phôi đúc. Đúc liên tục là khâu trung gian nối khâu nấu luyện và khâu cán. Máy đúc liên tục gồm các bộ phận: thiết bị chuyển tải thùng rót, thùng rót trung gian, xe để thùng rót, bình kết tinh, cơ cấu làm nguội, cơ cấu kéo phôi đúc ra ngoài (hình 1.
* Ưu điểm của phương pháp đúc liên tục So với các phương pháp khác, đúc liên tục có những ưu điểm sau: - Năng suất thu hồi sản phẩm cao tạo hiệu quả kinh tế lớn. Đối với đúc 7 thỏi phải qua cán phá, cắt bỏ đầu đuôi khoảng 10 ~ 20%, trong khi đó đúc liên tục chỉ phải cắt bỏ đầu đuôi khoảng 1 ~ 2%. - Tiết kiệm năng lượng của đúc liên tục chủ yếu là bỏ khâu cán phá và trong việc thu hồi sản phẩm. - Tính đồng đều và chất lượng phôi đúc tốt hơn.
- Đúc liên tục dễ cơ khí hóa, tự động hóa hơn đúc khuôn. Sơ đồ nguyên lý đúc liên tục Hiện nay quá trình đúc liên tục nhôm kim loại có thể được tiến hành theo nhiều phương pháp như đúc bằng khuôn nằm ngang, đúc bằng khuôn nằm nghiêng, đúc theo phương đứng, đúc cán phôi mỏng, đúc liên tục song đai… Quá trình đúc liên tục yêu cầu các chất bôi trơn phải ngăn chặn sự dính các thanh kim loại đã được hóa rắn vào khuôn nếu không các vỏ rắn sẽ dễ vỡ ở phía ngoài tiếp giáp khuôn và làm kim loại lỏng (đã bị nấu chảy) chảy ra ngoài. Trong quá trình đúc liên tục nhôm kim loại, nhôm nóng chảy được rót vào khuôn theo phương pháp đúc áp lực. Do nhiệt độ đúc cao đòi hỏi bề mặt tiếp xúc với khuôn được bôi trơn để tránh hiện tượng bị hàn dính kim loại.
8 Việc này đòi hỏi chất bôi trơn tạo lớp bôi trơn đều trên bề mặt khuôn.