Mở đầu Cho đến nay, hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nóng vẫn còn được sử dụng phổ biến để chế tạo khuôn vỏ mỏng và ruột nhỏ, phức tạp, yêu cầu cao về độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt. Chất dính cho hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nóng thường dùng là phenol formaldehyd, ure formaldehyd, furan hoặc hỗn hợp của các nhóm nhựa trên mà thuộc họ nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa phản ứng nhiệt. Hỗn hợp nhựa đông rắn nóng có hai công nghệ chính: công nghệ C (Croning) hay công nghệ Hot-box và công nghệ D (Dietert). Khi đúc trong khuôn cát - sét thông thường, chỉ có lớp hỗn hợp ở bề mặt khuôn (cát áo hay cát mặt) là tác dụng với kim loại lỏng và vật đúc đông đặc, phần hỗn hợp còn lại (cát đệm) chỉ có tác dụng tạo độ bền cần thiết cho khuôn.
Do hỗn hợp cát - sét có độ bền nhỏ nên phần cát đệm nhiều gấp hàng chục lần phần cát áo. Vì thế trong các xưởng đúc sử dụng khuôn cát - sét, người ta phải sử dụng, xử lý và vận chuyển một khối lượng hỗn hợp rất lớn (4÷ 12 tấn hỗn hợp/1 tấn vật đúc). Vì lí do đó (và cả những lí do khác), người ta đã tìm ra những chất dính cho phép nâng cao độ bền của hỗn hợp ở trạng thái “khô”. Trên cơ sở đó đã xuất hiện phương pháp đúc trong khuôn vỏ mỏng.
Phụ thuộc vào bản chất chất dính và phương pháp làm đông rắn hỗn hợp cát mà chúng ta có các phương pháp làm khuôn và ruột khác nhau. Một trong những loại khuôn vỏ mỏng đầu tiên CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 195 được sử dụng rộng rãi trong hơn nửa thế kỷ qua là khuôn vỏ mỏng bằng cát - nhựa được chế tạo theo phương pháp nóng. Hỗn hợp đông rắn nóng theo công nghệ C là hỗn hợp cát được trộn với bột nhựa và chất đông rắn hoặc cát được hồ nhựa một lớp mỏng lên bề mặt. Đổ hỗn hợp cát - nhựa này lên mẫu hoặc vào hộp ruột đã được nung nóng đến nhiệt độ 200÷ 250oC, nhựa bị chảy và chất xúc tác bị phân hủy tạo ra môi trường để nhựa trùng hợp tiếp tạo ra nhựa nhiệt rắn.
Điển hình cho loại hỗn hợp này là hỗn hợp cát với nhựa punvebakelit. Punvebakelit là hỗn hợp ở dạng bột hoặc vẩy của nhựa phenol - formaldehyt với 7÷ 15% urotropin. Bản chất quá trình đông rắn xảy ra như sau: Để có nhựa phenol-formaldehyt cần có phenol và formaldehyt. Khi cho hai thành phần này tác dụng với nhau theo một tỉ lệ xác định sẽ tạo ra nhựa nhiệt dẻo.
Nếu tỷ lệ phenol : formaldehyt = 6 : 5 sẽ tạo ra nhựa novolac. Ở nhiệt độ đủ cao, nhựa này sẽ bị chảy lỏng. Nếu có dư formaldehyd, nhựa lại tiếp tục trùng hợp với các gốc có H trong phenol để tạo ra nhựa nhiệt rắn. Chính ở nhiệt độ cao, urotropin (CH) 6N4 bị chảy ra và đóng vai trò chất đông rắn.
Do nhựa phenol-formaldehyt độc nên thường dùng các loại nhựa khác chứa ít hoặc không chứa phenol để thay thế như nhựa ure-formaldehyt, nhựa ure-furfurol-formaldehyt, nhựa phenol- furfurol-formaldehyt, nhựa furan. Với các nhựa không có hoặc ít phenol, chất xúc tác là axit.2 Đặc điểm của phương pháp đúc trong khuôn cát - nhựa đông rắn nóng 1- Ưu điểm Hỗn hợp cát - nhựa có độ linh động cao, do đó khuôn có đường nét sắc sảo và nhờ thế cho phép độ chính xác của vật đúc cao - Cho phép sử dụng cát làm khuôn cỡ hạt nhỏ để nâng cao độ bóng bề mặt vật đúc mà vẫn bảo đảm được độ thông khí của 196 CHƯƠNG 8 khuôn do vỏ khuôn mỏng CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 197 - Trong quá trình rót khuôn, do cháy nhựa, sẽ hình thành một lớp khí mỏng trên bề mặt làm việc của khuôn, có tác dụng bảo vệ bề mặt vật đúc khỏi cháy dính cát - Dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình - Có thể bảo quản khuôn, ruột lâu dài và dễ dàng do tính không hút ẩm của hỗn hợp - Giảm công lao động - Giảm lượng dư gia công xuống khoảng hai lần so với vật đúc trong khuôn cát - sét (có thể lấy lượng dư 1÷ 3mm, khi gia công mài có thể lấy 0,25÷ 0,50mm) - Giảm lượng hỗn hợp làm khuôn xuống còn 0,5÷ 1 tấn/1 tấn vật đúc. 2-Nhược điểm - Giá thành hỗn hợp cát - nhựa cao - Giá thành bộ mẫu cao - Nếu chất dính là nhựa nhiệt cứng sẽ có độ sinh khí cao làm vật đúc dễ bị rỗ khí. Do đó phải tăng cường thông gió và xử lý khí thải cho xưởng - Độ ô nhiễm tương đối cao - Khối lượng và kích thước vật đúc bị hạn chế.
3- Phạm vi sử dụng Phương pháp này được sử dụng để đúc các vật đúc nhỏ (0,5÷ 100kg) bằng hợp kim màu, gang, thép có hàm lượng cacbon không quá thấp, có thành không quá dày, với sản lượng phải từ tương đối lớn trở lên. Vật đúc đạt độ bóng bề mặt cấp 4÷ 6, độ chính xác cấp 5÷ 8. Chế tạo các ruột nhỏ, phức tạp, ruột vỏ mỏng. Bằng phương pháp này có thể đúc các vật đúc bằng gang thành mỏng mà không sợ biến trắng, làm lớp lót trong cho khuôn kim loại khi đúc tĩnh hay đúc ly tâm.3 Các phương pháp chuẩn bị hỗn hợp cát nhựa Hỗn hợp cát nhựa thường được chuẩn bị dưới hai dạng chính: hỗn hợp cơ học và hỗn hợp bao phủ.
198 CHƯƠNG 8 1- Hỗn hợp cơ học Hỗn hợp cơ học là hỗn hợp mà trong đó nhựa ở dạng bột nằm lẫn cơ học giữa các hạt cát (H. Hỗn hợp loại này dễ bị phân lớp do độ chênh lệch lớn về khối lượng riêng giữa nhựa và cát. Nhựa cũng dễ bị mất mát khi chế tạo khuôn, ruột, đặc biệt bằng phương pháp thổi cát.3 a) Hỗn hợp cơ học; b) Hỗn hợp bao phủ Phương pháp chế tạo hỗn hợp cơ học - Sấy khô cát, sàng, cho vào máy trộn con lăn - Cho chất làm ướt vào (thường dùng dầu hỏa), đảo trộn trong vài phút - Cho nhựa rắn (thường ở dạng bột hoặc dạng vẫy) vào và trộn trong 8÷ 10 phút. Sau khi trộn xong, hỗn hợp có thể dùng được ngay.
Máy trộn con lăn nên có nắp và trang bị hệ thống hút bụi. 2- Hỗn hợp bao phủ Nhựa bao quanh các hạt cát thành một màng mỏng (H. Hỗn hợp bao phủ có chất lượng cao hơn hỗn hợp cơ học về độ bền, khả năng thông khí, khả năng điền đầy hốc của tấm mẫu, hộp ruột.4 so sánh độ bền hỗn hợp cát - nhựa ở hai dạng hỗn hợp nêu trên. Hỗn hợp bao phủ có độ bền cao hơn 15÷ 20% so với hỗn hợp cơ học.
Trong điều kiện sản xuất hàng loạt thì sự chênh lệch này còn cao hơn do sự phân lớp của hỗn hợp cơ học.5 trình bày độ thông khí của hai dạng hỗn hợp cát nhựa. Khi tăng hàm lượng nhựa, độ thông khí của hỗn hợp bao phủ tăng nhưng ở hỗn hợp cơ học lại giảm. Điều này được giải thích là ở hỗn hợp bao phủ, nhựa bao quanh các hạt cát làm kích CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 199 thước các hạt cát tăng lên nên độ thông khí tăng, còn ở hỗn hợp cơ học, nhựa lại nằm ở khoảng trống giữa các hạt cát nên làm giảm độ thông khí. Khả năng điền đầy hốc của tấm mẫu, hộp ruột của hỗn hợp bao phủ cũng cao hơn vì màng chất dính bao quanh các hạt cát làm giảm ma sát giữa chúng, làm độ chảy của hỗn hợp tăng lên.
1- Hỗn hợp bao phủ 1, 3- Hỗn hợp cơ học; 2, 4- Hỗn hợp 2- Hỗn hợp cơ học bao phủ Hình 5.4 Ảnh hưởng của Hình 5.5 Ảnh hưởng của lượng hàm lượng nhựa đến độ nhựa đến độ thông khí K của hỗn bền uốn của hỗn hợp cát hợp khi chiều dày của mẫu thử nhựa a) 10mm; b) 50mm a) Chế tạo hỗn hợp bao phủ bằng phương pháp hồ nguội - Nhựa dạng bột được hòa tan sơ bộ trong các dung môi dễ bay hơi (axêtôn, cồn.) - Sấy cát, để nguội, cho vào máy trộn - Cho dung môi đã hòa tan nhựa vào, trộn đều với cát để các hạt cát được phủ đều một lớp nhựa. Không khí được thổi qua một thiết bị đặc biệt vào máy trộn để dung môi được bốc hơi nhanh. b) Chế tạo hỗn hợp bao phủ bằng phương pháp hồ nóng - Nung nóng cát đến 130÷ 140oC (hoặc nung máy trộn tới 200 CHƯƠNG 8 150÷ 170oC); CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ ĐÚC ĐẶC BIỆT KHÁC 201 - Cho nhựa vào trộn. Đảo trộn cát trong 10 phút để nhựa nóng chảy và bao phủ các hạt cát.
Nhựa khi trộn với cát sẽ không có khả năng tự trùng hợp và chuyển sang trạng thái không thuận nghịch do chưa cho chất xúc tác vào; - Khi nhiệt độ hỗn hợp đạt 80÷ 90oC thì cho dung dịch urôtrôpin vào làm chất xúc tác hóa rắn; - Đảo trộn tiếp trong 5 phút và tháo hỗn hợp ra ở dưới 50 oC. - Thường hỗn hợp này chứa 94,5% cát thạch anh, 4% nhựa nôvalac số 18, 0,5% urôtrôpin. Phương pháp hồ nóng dài hơn và phức tạp hơn phương pháp hồ nguội do phải khống chế các thông số nhiệt của quá trình. Tuy nhiên, chất lượng của hỗn hợp hồ nóng cao hơn nhiều so với hồ nguội.
Mặt khác, phương pháp hồ nguội có phần nguy hiểm hơn vì các chất hòa tan dễ bốc cháy. c) Chế tạo hỗn hợp bao phủ bằng phương pháp hồ nguội có thêm chất hòa tan Đây là phương pháp thông dụng nhất hiện nay. Trình tự chuẩn bị hỗn hợp như sau: - Sàng cát, cho vào máy trộn - Cho 0,8÷ 1,2% furfurol (dầu hướng dương) vào, trộn trong 2 phút - Cho nhựa dạng bột hoặc vẩy vào, trộn tiếp trong 8÷ 10 phút. Trong giai đoạn này tiến hành thổi không khí vào hỗn hợp - Tháo hỗn hợp ra khỏi máy trộn.
Nghiền nhỏ, sàng. Đây là phương pháp hoàn chỉnh hơn cả: cho phép giảm lượng tiêu thụ chất hòa tan, tính chất của hỗn hợp cao.4 Các phương pháp chế tạo khuôn vỏ mỏng 1- Phương pháp thùng lật (H.6) Phương pháp này còn được gọi theo tên người phát minh là phương pháp Croning hay còn gọi tắt là phương pháp C. Đây là phương pháp chế tạo khuôn vỏ phổ biến nhất. Các bước cơ bản của phương pháp C (H.6) - Làm sạch và sơn tấm mẫu (H.6a) 202 CHƯƠNG 8 - Nung nóng tấm mẫu trong lò đến nhiệt độ 200÷ 300oC Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp thùng lật - Lấy tấm mẫu khỏi lò, quay 180 o, bắt chặt vào thùng quay.