Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ đúc mẫu chảy (Investment Casting) là một trong những phương pháp đúc chính xác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhằm nâng cao chất lượng và độ chính xác của chi tiết đúc. Tại Việt Nam, nhiều công ty chuyên ngành đúc đã áp dụng công nghệ này, tuy nhiên nguyên liệu chính như etylsilicat thường phải nhập khẩu với giá thành cao, khoảng 82.000 đồng/kg và chỉ bán theo thùng phuy lớn, gây khó khăn cho việc nghiên cứu và đào tạo. Trước thực trạng đó, đề tài nghiên cứu quy trình công nghệ đúc mẫu chảy và thiết kế khuôn đúc mẫu với mục tiêu phát triển một quy trình đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với quy mô nhỏ, nhằm tạo điều kiện trải nghiệm thực tế cho sinh viên học môn Công nghệ Kim loại, phần Công nghệ Đúc.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình đúc mẫu chảy chi tiết bu lông vòng, thực hiện tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2013. Đề tài đề xuất sử dụng dung dịch thủy tinh lỏng (natri silicat) thay thế cho etylsilicat đắt tiền, kết hợp với phương pháp hong khô bằng khí CO2 để rút ngắn thời gian tạo vỏ khuôn từ 24-48 tiếng xuống còn khoảng 60 phút. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp giảm chi phí nguyên liệu mà còn nâng cao hiệu quả đào tạo, hỗ trợ sinh viên tiếp cận công nghệ đúc tiên tiến thông qua phương pháp học tập trải nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật đúc mẫu chảy, bao gồm:

  • Lý thuyết kết tinh kim loại trong khuôn đúc: Quá trình kết tinh kim loại gồm các giai đoạn điền đầy kim loại lỏng, đông đặc theo lớp hoặc thể tích, và nguội trong khuôn. Tổ chức kim loại vật đúc gồm ba vùng: lớp hạt nhỏ đẳng trục ngoài cùng, vùng cấu trúc nhánh cây, và vùng hạt to đẳng hướng.

  • Mô hình công nghệ đúc mẫu chảy (Investment Casting): Quy trình gồm các bước chính như ép mẫu sáp, nhúng mẫu vào huyền phù gốm chịu lửa, phủ cát, hong khô, nung chảy mẫu sáp, nung khuôn gốm và rót kim loại nóng chảy. Phương pháp này cho phép tạo ra vật đúc có độ chính xác cao, bề mặt bóng mịn, phù hợp với các chi tiết phức tạp.

  • Khái niệm về huyền phù và vật liệu chịu lửa: Huyền phù là hỗn hợp bột chịu lửa (bột thạch anh, bentonite) và chất kết dính (dung dịch thủy tinh lỏng hoặc etylsilicat). Bentonite có vai trò tạo độ dẻo, độ bám dính và tăng độ cứng cho vỏ khuôn sau khi nung. Dung dịch thủy tinh lỏng có khả năng đông cứng nhanh khi tiếp xúc với khí CO2, giúp rút ngắn thời gian tạo vỏ.

  • Các khái niệm chính: Đúc mẫu chảy, huyền phù, dung dịch thủy tinh lỏng (Na2O.nSiO2.mH2O), bentonite, bột thạch anh, khí CO2 trong quá trình đông cứng, vật liệu chịu lửa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm với các bước cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Vật liệu của Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, kết hợp với tài liệu chuyên ngành về công nghệ đúc và vật liệu chịu lửa.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thí nghiệm tập trung trên chi tiết bu lông vòng, mẫu sáp được chế tạo từ hỗn hợp parafin và stearin với tỷ lệ tối ưu 60% parafin – 40% stearin để đảm bảo độ cứng và tính ổn định trong quá trình tạo vỏ.

  • Phương pháp phân tích: Thí nghiệm điều chỉnh tỷ lệ thành phần huyền phù dựa trên dung dịch thủy tinh lỏng, bột thạch anh và bentonite nhằm xác định tỷ lệ tối ưu (10 phần dung dịch thủy tinh lỏng : 5-6 phần bột thạch anh : 2-3 phần bentonite). Đánh giá đặc tính vật liệu chịu nóng, độ nhớt huyền phù, khả năng đông cứng khi tiếp xúc khí CO2, và chất lượng vỏ khuôn sau nung.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2013, từ tháng 1 đến tháng 12, bao gồm các giai đoạn thiết kế khuôn ép mẫu, pha chế huyền phù, tạo vỏ khuôn, nung chảy mẫu sáp, nung khuôn gốm và thử nghiệm đúc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ hỗn hợp mẫu sáp tối ưu: Hỗn hợp parafin 40% – stearin 60% tạo ra mẫu sáp có độ cứng phù hợp, dễ vận chuyển và gắn vào chùm mẫu mà không bị biến dạng. Tỷ lệ này giúp tránh hiện tượng mẫu bị giòn hoặc đọng lại stearin khi nung nóng.

  2. Thành phần huyền phù hiệu quả: Tỷ lệ pha chế huyền phù gồm 10 phần dung dịch thủy tinh lỏng, 5-6 phần bột thạch anh và 2-3 phần bentonite cho kết quả tốt nhất. Hỗn hợp này có độ nhớt phù hợp (khoảng 35-50 giây theo đồng hồ đo nhớt B3-4), dễ nhúng mẫu và tạo vỏ khuôn có độ bền cao.

  3. Rút ngắn thời gian tạo vỏ khuôn: Sử dụng khí CO2 để làm đông cứng huyền phù trên cơ sở dung dịch thủy tinh lỏng giúp giảm thời gian hong khô vỏ khuôn từ 24-48 tiếng xuống còn khoảng 60 phút. Quá trình này dựa trên phản ứng hóa học tạo gel axit silixic Si(OH)4, làm hỗn hợp đóng cứng nhanh chóng.

  4. Chất lượng vỏ khuôn và vật đúc: Vỏ khuôn được tạo thành từ nhiều lớp huyền phù và cát phủ với kích thước hạt tăng dần, giúp tăng độ bóng bề mặt và độ cứng. Nung khuôn ở nhiệt độ 900-1100°C trong 1-6 giờ đảm bảo thiêu kết hoàn toàn, loại bỏ tạp chất và tăng độ bền vỏ. Vật đúc có bề mặt mịn, độ chính xác cao, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Việc thay thế etylsilicat bằng dung dịch thủy tinh lỏng đã giải quyết được bài toán chi phí và nguồn cung nguyên liệu trong nước, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và đào tạo. Phản ứng đông cứng nhanh với khí CO2 không chỉ rút ngắn thời gian sản xuất mà còn giảm thiểu các khuyết tật do quá trình hong khô kéo dài gây ra như nứt vỏ khuôn.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng etylsilicat, quy trình này có tính ứng dụng cao hơn trong môi trường đào tạo và sản xuất quy mô nhỏ. Các số liệu về tỷ lệ pha chế huyền phù và thành phần mẫu sáp được kiểm chứng qua thí nghiệm thực tế, đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ bentonite trong huyền phù và độ bền vỏ khuôn, bảng so sánh thời gian tạo vỏ giữa phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng khí CO2, cũng như hình ảnh mẫu sáp và vỏ khuôn sau các bước xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình đúc mẫu chảy sử dụng dung dịch thủy tinh lỏng và khí CO2 trong đào tạo: Các trường đại học và cơ sở đào tạo kỹ thuật nên triển khai quy trình này để sinh viên có trải nghiệm thực tế, nâng cao kỹ năng và hiểu biết về công nghệ đúc tiên tiến. Thời gian thực hiện: ngay trong năm học tiếp theo.

  2. Phát triển bộ nguyên liệu thay thế etylsilicat trong sản xuất quy mô nhỏ: Các doanh nghiệp vừa và nhỏ có thể áp dụng nguyên liệu dung dịch thủy tinh lỏng kết hợp bentonite và bột thạch anh để giảm chi phí sản xuất, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm. Thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng khí CO2 trong các công đoạn tạo vỏ khuôn khác: Khuyến khích các nhà nghiên cứu tiếp tục khảo sát hiệu quả của khí CO2 trong các loại huyền phù và vật liệu chịu lửa khác nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất. Thời gian nghiên cứu: 1-2 năm.

  4. Xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết quy trình đúc mẫu chảy cho giảng viên và sinh viên: Soạn thảo tài liệu kỹ thuật, video hướng dẫn và bộ kit thí nghiệm để hỗ trợ công tác đào tạo và chuyển giao công nghệ. Chủ thể thực hiện: các khoa cơ khí, công nghệ vật liệu. Thời gian hoàn thành: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Kim loại, Cơ khí chế tạo máy: Giúp nâng cao kiến thức thực tiễn về công nghệ đúc mẫu chảy, hỗ trợ giảng dạy và học tập qua phương pháp trải nghiệm.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành đúc và gia công kim loại: Cung cấp giải pháp thay thế nguyên liệu đắt tiền, tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí và thời gian gia công.

  3. Doanh nghiệp sản xuất chi tiết đúc quy mô vừa và nhỏ: Áp dụng quy trình đúc mẫu chảy đơn giản, tiết kiệm chi phí nguyên liệu và rút ngắn thời gian sản xuất, nâng cao năng lực cạnh tranh.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu chịu lửa: Tham khảo các thành phần huyền phù mới, phương pháp đông cứng nhanh bằng khí CO2 để phát triển các vật liệu và quy trình mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quy trình đúc mẫu chảy có ưu điểm gì so với các phương pháp đúc khác?
    Đúc mẫu chảy cho phép tạo ra chi tiết có độ chính xác cao, bề mặt bóng mịn, phức tạp về hình dạng và kích thước nhỏ đến 1-10 mm. Phương pháp này giảm thiểu gia công cơ khí sau đúc và phù hợp với các hợp kim khó gia công.

  2. Tại sao dung dịch thủy tinh lỏng được chọn thay thế etylsilicat?
    Dung dịch thủy tinh lỏng có giá thành thấp hơn nhiều (khoảng 20% so với etylsilicat), dễ mua lẻ, và có khả năng đông cứng nhanh khi tiếp xúc khí CO2, giúp rút ngắn thời gian tạo vỏ khuôn từ 24-48 tiếng xuống còn khoảng 60 phút.

  3. Khí CO2 đóng vai trò gì trong quy trình tạo vỏ khuôn?
    Khí CO2 phản ứng với dung dịch thủy tinh lỏng tạo thành axit silixic dạng gel, làm hỗn hợp huyền phù đông cứng nhanh chóng, giúp ổn định lớp vỏ khuôn và giảm thời gian hong khô đáng kể.

  4. Tỷ lệ pha chế huyền phù ảnh hưởng thế nào đến chất lượng khuôn?
    Tỷ lệ dung dịch thủy tinh lỏng, bột thạch anh và bentonite ảnh hưởng đến độ nhớt, khả năng bám dính và độ bền của vỏ khuôn. Tỷ lệ tối ưu được xác định là 10:5-6:2-3, đảm bảo vỏ khuôn có độ cứng cao, bề mặt mịn và dễ thao tác.

  5. Quy trình này có thể áp dụng cho các chi tiết đúc lớn không?
    Công nghệ đúc mẫu chảy hiệu quả nhất với chi tiết nhỏ đến trung bình (0,01-150 kg). Với chi tiết lớn, độ chính xác và chất lượng bề mặt có thể giảm, do đó cần cân nhắc hoặc kết hợp với các phương pháp đúc khác.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình đúc mẫu chảy sử dụng dung dịch thủy tinh lỏng thay thế etylsilicat, giảm chi phí nguyên liệu và thời gian tạo vỏ khuôn từ 24-48 tiếng xuống còn khoảng 60 phút nhờ ứng dụng khí CO2.
  • Xác định tỷ lệ pha chế huyền phù tối ưu gồm dung dịch thủy tinh lỏng, bột thạch anh và bentonite, đảm bảo độ nhớt và độ bền vỏ khuôn phù hợp.
  • Hỗn hợp mẫu sáp parafin 40% – stearin 60% tạo ra mẫu có độ cứng và tính ổn định cao, thuận tiện cho quá trình tạo vỏ và vận chuyển.
  • Quy trình nghiên cứu có tính ứng dụng cao trong đào tạo và sản xuất quy mô nhỏ, giúp sinh viên tiếp cận công nghệ đúc tiên tiến qua phương pháp học tập trải nghiệm.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình trong đào tạo, sản xuất và nghiên cứu mở rộng, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết để chuyển giao công nghệ hiệu quả.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị đào tạo và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai áp dụng quy trình, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến để mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao chất lượng sản phẩm đúc.