Mở đầu Sự hình thành vật đúc là vấn đề quan trọng của lý thuyết đúc. Nó phụ thuộc vào nhiều hiện tượng vật lý có bản chất khác nhau, trong đó hiện tượng nhiệt đóng vai trò cơ bản nhất vì sự phân bố và thay đổi nhiệt độ trong vật đúc là nguyên nhân đầu tiên dẫn tới các quá trình xảy ra trong đó. Đối với khuôn kim loại thì hiện tượng nhiệt lại giữ một vai trò cực kỳ quan trọng vì các lý do: - Khuôn kim loại có khả năng rộng lớn để thay đổi các điều kiện nhiệt của quá trình hình thành vật đúc (do đó có thể điều khiển sự hình thành cấu trúc và tính chất của vật đúc trong một giới hạn nhất định): chọn vật liệu làm khuôn, chọn chiều dày và kết cấu khuôn, chọn phương pháp và chế độ nguội cưỡng bức, chọn thành phần và chiều dày lớp sơn khuôn. - Trạng thái nhiệt của khuôn kim loại là yếu tố quyết định độ chính xác và tuổi thọ của nó.
Vì vậy, việc nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt của khuôn kim loại và vật đúc không những có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn quan trọng.2 Các dạng bài toán về nhiệt của quá trình đúc trong khuôn kim loại Bài toán 1 Xác định các quy luật thay đổi về nhiệt độ, sự đông đặc và làm nguội vật đúc phụ thuộc vào các yếu tố của khuôn (chiều dày lớp sơn khuôn và thành khuôn, các tính chất nhiệt vật lý của chúng, chế độ làm nguội khuôn) nhằm thiết lập các quy luật hình thành cấu trúc vật đúc, đặc điểm ứng suất nhiệt xuất hiện trong vật đúc và thời điểm dỡ khuôn. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 13 Sơ đồ bài toán: Cho trước - Chiều dày thành khuôn và lớp sơn các yếu tố khuôn của khuôn - Các tính chất nhiệt vật lý của khuôn, sơn khuôn - Chế độ làm nguội khuôn Các quy luật - Sự hình thành cấu trúc vật đúc về sự đông đặc - Ứng suất trong vật đúc và làm nguội - Thời gian đông đặc và làm nguội vật của vật đúc đúc Bài toán 2 Lựa chọn các tính chất nhiệt vật lý và hình học của khuôn và lớp sơn khuôn, chế độ làm nguội của khuôn với mục đích tạo điều kiện mong muốn cho việc hình thành vật đúc (tốc độ đông đặc, độ chênh nhiệt độ giữa các phần trong vật đúc) nhằm đạt được các tham số cần thiết về chất lượng vật đúc (độ bền, độ cứng, độ chính xác. Đây có thể coi là bài toán ngược của bài toán 1. Bài toán 3 Xác định các điều kiện sử dụng khuôn kim loại như: thời gian chu trình nhiệt, nhiệt độ ban đầu của khuôn, giá trị ứng suất nhiệt và độ biến dạng của khuôn.
Việc nghiên cứu các hiện tượng nhiệt trong hệ vật đúc - khuôn kim loại thường được thực hiện qua tiêu chuẩn X3/X1; với: X3 - chiều dày lớp sơn khuôn; X1 - nửa chiều dày thành vật đúc.3 Đặc điểm của quá trình Thông thường, khuôn kim loại có lớp sơn khuôn mỏng nên X3/X1 ≤ 1 (H. Với điều kiện này, ta có hai hệ quả quan trọng: - Khả năng tích nhiệt của lớp sơn khuôn không đáng kể so với khả năng tích nhiệt của vật đúc. - Lớp sơn khuôn có thể được coi là phẳng. Hai hệ quả này cho phép coi trở nhiệt của lớp sơn khuôn 14 CHƯƠNG 8 như trở nhiệt của thành phẳng.
T1 - nhiệt độ kim loại ở tâm T1bm - nhiệt độ ở bề mặt vật đúc T2bm - nhiệt độ mặt ngoài khuôn T’2bm - nhiệt độ mặt trong khuôn T1bđ - nhiệt độ ban đầu của kim loại lỏng trong khuôn T2bđ - nhiệt độ ban đầu của khuôn; X2 - chiều dày thành khuôn Hình 1.1 Trường nhiệt độ của hệ vật đúc - lớp sơn khuôn - khuôn kim loại Do λ3 = λ1 nên giữa vật đúc và thành khuôn hình thành lớp đệm có nhiệt trở lớn: 1 X3 = (1.1) β λ3 Do đó, hệ số tỏa nhiệt β của bề mặt vật đúc nhỏ. Điều này làm giảm tốc độ dẫn nhiệt q từ bề mặt kim loại lỏng: ′ ) q = β(T1bm – T2bm (1.2) CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 15 Như vậy, bằng cách thay đổi loại sơn (do đó thay đổi λ3) và chiều dày lớp sơn X3, ta có thể điều chỉnh được tốc độ dẫn nhiệt từ vật đúc, qua đó thay đổi được tổ chức, tính chất của nó.4 Sự hình thành vật đúc Quá trình hình thành vật đúc trong khuôn kim loại có thể được chia thành bốn giai đoạn: Giai đoạn 1: Dòng kim loại lỏng đi từ miệng gầu rót đến khuôn Trong quá trình này kim loại lỏng nguội đi. Sự thay đổi nhiệt độ của dòng kim loại được mô tả: T1 y = exp − A(t − ) (1.3) Tr u với: T1 - nhiệt độ kim loại lỏng tại vị trí cách miệng gầu rót một khoảng cách y Tr - nhiệt độ rót; t - thời gian kể từ khi bắt đầu rót y - khoảng cách kể từ miệng gầu rót u - tốc độ chuyển động của dòng kim loại lỏng α1 A= Tr ρ1′ c1′ c1′ - nhiệt dung riêng của kim loại lỏng ρ1′ - khối lượng riêng của kim loại lỏng α1 - hệ số tỏa nhiệt của kim loại lỏng ra môi trường. Giai đoạn 2: Tỏa nhiệt quá nhiệt.
Ở giai đoạn này nhiệt độ kim loại lỏng trong khuôn cũng thay đổi theo hàm mũ: T1 Fα = exp − 1 1 ⋅ t (1.4) T1bñ M c′ 1 1 với F1 - diện tích bề mặt vật đúc; M1 - khối lượng vật đúc. T1bđ được xác định bằng cách thay t = t1 (t1 - thời gian rót) vào công thức (1. α1 - hệ số tỏa nhiệt từ vật đúc ra môi trường. Đối với khuôn mỏng: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 17 1 α1 = X 2 X 3 X khí 1 + + + λ 2 λ 3 λ khí λ 2 α2 - hệ số tỏa nhiệt từ khuôn ra môi trường.
X khí , λ khí - chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp màng khí Từ (1.4) có thể xác định được thời gian tỏa nhiệt quá nhiệt: M 1c1′ T t2 = ⋅ ln 1bñ F1α1 Tkt với: Tkt - nhiệt độ kết tinh của kim loại lỏng F1 - diện tích bề mặt vật đúc. Giai đoạn 3: Vật đúc đông đặc. Quá trình đông đặc của vật đúc phụ thuộc vào hình dạng và cường độ nguội của vật đúc, tức phụ thuộc vào tiêu chuẩn Biô: α1 X1 Bi1 = (1.5) λ1 Trong trường hợp Bi1 ? 1 (cường độ nguội vật đúc lớn) thì chiều dày lớp vỏ đông đặc vật đúc phẳng được tính theo công thức: 2n(n + 1)a1 ξ= (1.6) L + (n + 1) + Bi1 λ1 với: a1 = c ρ - hệ số truyền nhiệt độ của lớp vỏ kim loại đã đông 1 1 đặc n - chỉ số parabol mô tả trường nhiệt độ của lớp vỏ rắn r1 L= c1Tkt r1 - ẩn nhiệt kết tinh của hợp kim đúc. Khi đó, tốc độ đông đặc dài (tốc độ dịch chuyển mặt đông đặc từ bề mặt vào tâm vật đúc): 18 CHƯƠNG 8 dξ a1n = dt 1 (1.7) L + ξ n + 1 - Trong trường hợp Bi1 = 1 (cường độ nguội vật đúc nhỏ): Thời gian vật đúc đông đặc hoàn toàn được tính bằng cách thay ξ = X1 vào (1.
Giai đoạn 4: Làm nguội vật đúc đã đông đặc. Nhiệt độ vật đúc cũng giảm theo quy luật hàm mũ: T1 1 Fo = 1 − Z n exp − − Tkt n 1 1 1+ (n + 1) + Bi1 (1.8) Bi1 a1t trong đó: Fo = X12 Ở tâm vật đúc Z = 0, ở bề mặt Z = X1 Nếu cường độ nguội của vật đúc nhỏ (Bi = 1) , công thức trên trở thành: T1 = exp(− Bi1Fo ) (1.5 Sự hình thành khe hở khí Một đặc điểm quan trọng của quá trình truyền nhiệt khi đúc trong khuôn kim loại là sự hình thành khe hở khí giữa vật đúc và khuôn. Khe hở khí hình thành do sự co của vật đúc, do sự nở nhiệt và biến dạng của khuôn. Còn thành phần của khí là sản phẩm cháy của lớp sơn khuôn, khí hình thành và thoát ra từ hỗn hợp làm khuôn và ruột (nếu có), khí thoát ra từ vật đúc.
Thực nghiệm cho thấy rằng, khe hở khí bắt đầu hình thành khi vật đúc đã đông đặc được 40÷ 50%. Thời điểm này tương ứng với thời điểm bề mặt làm việc của khuôn đạt T2′bmmax (H. Ở giai đoạn đầu khi khuôn và kim loại tiếp xúc trực tiếp nhau, ′ tăng dần đến giá trị cực đại T2′bmmax sau đó giảm dần tới giá T2bm trị cực tiểu và sau đó lại tiếp tục tăng nhẹ do khuôn không thể CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 19 truyền toàn bộ nhiệt nhận được từ vật đúc vào môi trường.2 Sự hình thành khe hở khí Hiện tượng giảm dần nhiệt độ bề mặt khuôn sau khi đạt T2′bmmax được giải thích là do sự hình thành khe hở khí làm tăng mạnh trở nhiệt giữa vật đúc và khuôn, do đó làm giảm cường độ trao đổi nhiệt trên bề mặt khuôn. Như vậy, tính chất giảm nhiệt độ bề mặt làm việc của khuôn sau khi đạt tới T2′bmmax được xác định bởi động học quá trình hình thành khe hở khí, khả năng tích nhiệt của khuôn và vật đúc.
Sau khi đạt một giá trị nào đó, khe hở khí hầu như không đổi. Khe hở khí, do có khả năng truyền nhiệt thấp (hệ số truyền nhiệt của không khí thấp hơn chất sơn khuôn 7÷ 20 lần), làm cho vai trò trở nhiệt của chất sơn khuôn trở nên không đáng kể. Lúc này vai trò chủ yếu của chất sơn khuôn là làm giảm va đập nhiệt và gradient nhiệt độ ở bề mặt làm việc của khuôn khi khe hở khí chưa hình thành. Như vậy, khe hở khí hình thành giữa vật đúc và khuôn có nhiệt trở đáng kể, là một yếu tố quan trọng của quá trình đúc trong khuôn kim loại và cần được xét tới khi thiết kế quy trình công nghệ.
Trong một số công trình nghiên cứu, người ta đã tạo được khe hở khí nhân tạo dày 2÷ 5mm. Khi đó khe hở khí, do có nhiệt trở khá lớn, có tác dụng ngăn ngừa một số dạng khuyết tật thường xảy ra khi đúc trong khuôn kim loại (biến trắng ở vật đúc bằng gang, 20 CHƯƠNG 8 nứt.) và nâng cao tuổi thọ của khuôn.