Chất dính làm khuôn đúc là thành phần cơ bản trong hỗn hợp làm khuôn đúc, có tác dụng liên kết các hạt vật liệu làm khuôn đúc (thường là cát) với nhau tạo ra độ bền cho khuôn đúc. Dựa vào thành phần hóa học chất dính được chia thành hai nhóm là chất dính vô cơ và chất dính hữu cơ. Thuộc về nhóm chất dính vô cơ có đất sét, bentonit, thủy tinh lỏng, xi măng, thạch cao, keo silica, các muối và các acid vô cơ. Thuộc về chất dính hữu cơ có nhựa, dầu thực vật, nước bã giấy, rỉ đường, PEC và dextrin. Dựa vào khả năng sử dụng lại chất dính chia ra nhóm chất dính thuận nghịch (còn gữ lại được tính chất của nó sau khi phá khuôn, nên có khả năng sử dụng lại), và nhóm chất dính không thuận nghịch (không thể sử dụng lại sau khi phá khuôn).

Vô cơ

Thuỷ tinh lỏng là chất dính vô cơ tổng hợp thuộc nhóm chất dính không thuận nghịch. Nó là dung dịch nước của silicat kiềm có công thức hoá học Na₂O.mSiO₂.nH₂O. Ở đây m được gọi là mô đun thuỷ tinh lỏng. Trong sản xuất đúc thủy tinh lỏng được dùng để chế tạo khuôn cát, khuôn đúc mẫu chảy, chất sơn khuôn, vữa xây lò, hỗn hợp đắp nồi rót. Ở Việt Nam, khi làm khuôn cát thủy tinh lỏng thường có m trong khoảng 26-2,8 và tỷ trọng trong khoảng 1520-1460 kg/m³; khi làm khuôn đúc mẫu chảy thường m phải > 3,2 và tỷ trọng khoảng 1300 kg/m³. Tính phá dỡ của hỗn hợp cát-thủy tinh lỏng rất kém.

Keo silica là dung dịch nước của polyanion silica gồm các hạt SiO₂ có kích thước từ 1-1000 nm, thông thường từ 4-100 nm, hòa tan trong dung dịch kiềm. Hàm lượng SiO₂ (theo trọng lượng) khoảng 10-50%. Trong thương mại có hai loại 30 và 40%. Thông thường là 30%. Tỷ lệ Na₂O/SiO₂ khoảng 1/9. Độ pH khoảng 8-10. Để ổn định keo người ta còn dùng các chất ổn định là Na₂O, NH₃ hoặc K₂O. Trong môi trường kiềm keo mang điện âm. Trong môi trường acid, keo mang điện dương. Keo silica được dùng để làm khuôn cho công nghệ đúc mẫu chảy.

Xi măng là chất dính tổng hợp ở dạng bột được sản xuất ra bằng cách nung đá vôi, đất sét và một số chất trợ dung tạo thành clanhke. Sau đó clanhke được nghiềnthành bột. Xi măng có nhiều loại với nhiều mác khác nhau. Nó được dùng chủ yếu làm vật liệu xây dựng, trong sản xuất đúc nó được dùng làm chất dính chế tạo khuôn cát. Xi măng làm khuôn thường dùng loại xi măng pooclang mác P300. Thành phần khoáng của xi măng P300 gồm dicanxisilicat (2CaO.SiO₂ ký hiệu C2S), tricanxisilicat (3CaO.SiO₂ ký hiệu C3S), canxialumilnat (3CaO.Al₂O₃ ký hiệu C3A), và 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃ (C4AF). Thành phần khoáng trong xi măng ảnh hưởng lớn tới độ bền và tốc độ đóng rắn của nó. Thành phần phụ thuộc vào mác xi măng, vào mỗi nhà máy sản xuất. Ví dụ xi măng pooclang P300 của nhà máy xi măng Hoàng Thạch có C3S = 49-50 %; C2S = 25-26 %, C3A = 5-7 % và C4AF = 12-13 %; của nhà máy xi măng Hải Phòng có C3S = 50-51 %; C2S = 21-24 %, C3A = 9,1-9,4 % và C4AF = 12-13 %; của nhà máy xi măng Bỉm Sơn có C3S = 51-54 %; C2S = 19-22 %, C3A = 6-8 % và C4AF = 12-14 %. Khi trộn xi măng với nước các khoáng bị thủy hóa tạo ra các hydrosilicat và hydroxytcanxi. Quá trình hydrat hóa xi măng hoàn toàn với tỷ lệ nước/xi măng là 0,7 và thời gian hydrat hóa mất vài năm. Vì hỗn hợp cát-xi măng thông khí kém nên ít được sử dụng.

Nước trong hỗn hợp làm khuôn cát – sét, hỗn hợp cát-xi măng ... được xem là thành phần chính để tạo ra sự dính kết của sét và xi măng, trong các chất dính khác như thủy tinh lỏng, nước bã giấy nó được coi là dung môi. Nước có thể tham gia vào thành phần của vật liệu dính sẽ được gọi là nước cấu trúc. Nước cấu trúc không giữ nguyên hình dạng của một phân tử nước. Khi mất nước này cấu trúc của vật liệu bị thay đổi, nghĩa là chất đó đã bị chuyển thành chất khác. Ví dụ đất sét khi nung mất nước cấu trúc sẽ bị samot hóa không còn tính dẻo dính nữa, tức là không phải là đất sét mà thành sa mốt. Nước tinh thể là nước không có liên kết về mặt hóa học với ô mạng tinh thể và nó giữ nguyên được hình dạng phân tử nước và nước tinh thể. Khi sấy vật liệu nước cấu trúc và nước tinh thể không bị mất. Nước mà trộn với chất dính sẽ tạo ra nước liên kết bền và nước liên két yếu. Nước liên kết bao quanh bề mặt hạt vật liệu. Do có lực tương tác giữa các điện tử của lớp bề mặt vật liệu dính với màng nước, làm cho phân tử nước bị phân cực. Lớp nước này được gọi là nước liên kết bền. Lớp nước bên ngoài bao quanh lớp nước liên kết bền gọi là nước liên kết yếu. Nước tự do bao gồm nước mao dẫn và nược trọng trường. Nước mao dẫn là nước nằm trong các lỗ mao dẫn của hỗn hợp làm khuôn. Lượng nước thừa dư sau khi tạo ra nước mao dẫn là nước trọng trường. Đây là những nước có hại khi đúc rót. Vì thế hỗn hợp làm khuôn phải được kiểm tra cẩn thận thành nước trong hỗn hợp.

Hữu cơ

Etylsilicat

Cấu trúc phân tử của tetraete silicat

Etylsilicat là chất dính hữu cơ. Trong cấu trúc phân tử của nó gồm có hai nhóm là nhóm ete - (C₂H₅O)_n và silicat (Si_nO_m). Ví dụ monoete - (C₂H₅O)₄Si; diete - (C₂H₅O)₆Si₂O; triete - (C₂H₅O)₈Si₃O₂; tetraete - (C₂H₅O)₁₀Si₄O₃; pentaete - (C₂H₅O)₁₂Si₅O₄; hexaete - (C₂H₅O)₁₄Si₆O₅. Ở trong nước etylsilicat bị thủy phân. Khi thủy phân cứ mỗi nhóm ete được thay bằng một nhóm OH. Quá trình thủy phân phụ thuộc vào lượng nước đưa vào. Ví dụ nếu có 1 phân tử nước quá trình thủy phân diễn ra theo phương trình: (C₂H₅O)₄Si + H₂O → (C₂H₅O)₃SiOH + C₂H₅OH; nếu có 2 phân tử nước thì: (C₂H₅O)₄Si + 2H₂O → (C₂H₅O)₂Si(OH)₂ + 2C₂H₅OH; nếu có bốn phân tử nước thì: (C₂H₅O)₄Si + 4H₂O → Si(OH)₄ + 4C₂H₅OH. Quá trình thủy phân chưa kết thúc thì cũng đồng thời xảy ra quá trình trùng hợp của sản phẩm thủy phân theo phương trình: (C₂H₅O)₃SiOH + OHSi(C₂H₅O)₃ → (C₂H₅O)3Si-O-(C₂H₅O)₃ + H₂O. Quá trình thủy phân và trùng hợp cứ xảy ra cho đến khi etylsilicat thủy phân hoàn toàn (nếu đủ nước). Kết quả của quá trình trùng hợp là tạo ra mạng liên kết không gian. Etylsilicat được dùng làm chất dính tạo khuôn vỏ gốm trong công nghệ đúc mẫu chảy, hoặc khuôn gốm khối, cho chất lượng bề mặt vật đúc cao. Etylsilicat đắt và có mùi khó chịu.

Nhựa

Chất dính nhựa là chất dính hữu cơ, thuộc nhóm không thuận nghịch, được tổng hợp ra từ than đá, dầu mỏ và các chất chứa xenluylo như tre, nứa, gỗ, bẹ ngô, rơm rạ ... Nhựa đầu tiên do Leo Bakelan tổng hợp ra vào năm 1907 là nhựa phenol-formaldehyd. Nhựa trong đúc là chất dính hữu cơ, chủ yếu ở dạng lỏng và có các phân tử gồm chủ yếu là cacbon, oxy, hydro và nitơ và gọi là đơn phân tử. Các đơn phân tử này được liên kết thành các vòng. Ở điều kiện nhất định (nhiệt độ và môi trường xúc tác) các phân tử nhựa liên kết với nhau chủ yếu theo hai chiều thành chuỗi. Các chuỗi này ở một điều kiện xúc tác mới thêm vào (xúc tác thứ hai) sẽ tiếp tục trùng hợp thành mạng ba chiều, kết quả là nhựa chuyển sang trạng thái mạng lưới không gian rậm rịt và rắn lại. Khối phân tử lớn ấy được hìh thành từ các cao phân tử,. Các cao phân tử này được gọi là polyme (nếu chúng được hình thành từ cùng một loại pphân tử), đồng polyme (nếu chúng được hình thành từ nhiều loại phân tử). Khi phản ứng hình thành mạng không gian ba chiều của nhựa xảy ra, thì các hạt cát bị ôm chặt lại với nhau hình thành lên bộ khung cứng. Phản ứng hình thành chuỗi như ở trên gọi là sự polyme hoá.

Cho đến nay đã có rất nhiều loại nhựa khác nhau được dùng trong sản xuất đúc. Căn cứ vào điều kiện đóng rắn nhựa mà người ta chia ra làm hai nhóm là nhóm nhựa đóng rắn nóng và nhóm nhựa đóng rắn nguội. Nhựa đóng rắn nóng thường dùng trong công nghệ khuôn vỏ mỏng và công nghệ hộp nóng. Nhựa đóng rắn nguội thường dùng cho công nghệ khuôn tự cứng (No-Bake) và khuôn đóng rắn nguội (thổi khí CO₂ hay SO₂ để đóng rắn nhựa). Nhựa dùng cho khuôn tự cứng được chia thành ba nhóm.

Nhóm thứ nhất

Nhóm thứ nhất gồm: nhựa furan; nhựa phenol, nhựa furan-phenol; nhựa ure-phenol, nhựa ure-furan. Nhựa nhóm này thường được dùng khi đúc thép và đúc hợp kim đồng.

Nhựa furan có đơn vị cấu trúc cơ bản ở dạng mạch vòng gồm 4 nguyên tử cacbon, bốn nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, có công thức hoá học là C₄H₄O. Furan là chất lỏng không mầu, có mùi của cloroforma, có trọng lượng phân tử bằng 68,07, có nhiệt độ sôi bằng 31,3°C, có nhiệt độ chảy lỏng ở -85,6°C. Nó có thể hoà tan trong riệu, trong axeton, trong diokxan. Nếu trong gốc furan thiếu một nguyên tử hydro sẽ có tên là gốc furil. Nếu thay nguyên tử hydro ấy bằng nhóm CH2 sẽ được goi là furfuril, nếu thay bằng nhóm CH sẽ được gọi là furfural, nếu thay bằng nhóm CO sẽ được goi là furfurol. Như vậy thực tế sử dụng nhựa furan trong sản đúc chủ yếu là dùng nhựa furfuril (riệu furfuril). Để riệu furfuril được dùng như là một chất dính cho đúc thì thường kết hợp nó với phenol, hay ure, hay formaldehyde. Các nhựa này sẽ có cá đặc tính tốt hơn như: bền nhiệt cao, ít sinh khí khi rót, khuôn có tính ổn định cao hơn, thời gian đóng rắn dài hơn nghĩa là có thể sốg lâu hơn. Trong thực tế, ure làm giảm độ cứng, độ dòn và hỗ trợ cho phân huỷ nhiệt. Tuy nhiên lượng dùng ure có giới hạn vì khi phân huỷ tạo ra nitơ chui vào kim loại đúc. Dựa vào hàm lượng nitơ trong nhựa mà nhựa furan cũng được chia ra thành ba nhóm như sau: Nhựa không có nitơ (N₂ = 0 %), nhựa có nitơ thấp (N₂ = 0,1 - 2 %) và nhựa có nitơ vừa (N₂ > 0 %).

Nhựa phenol dùng trong công nghệ No-Bake được chế tạo ra bằng phản ứng đa tụ giữa phenol với formaldehyd trong điều kiện kiềm. Nhựa sau đó được thêm vào một lượng nhỏ acid để trùng hợp. Nhựa này có cơ tính tốt, tính kháng nhiệt cao. Nhựa này thoạt đầu tiên dùng cho công nghệ hộp nóng, về sau mở rộng ra dùng cho công nghệ No-Bake. So với nhựa furan, nhựa phenol có thời gian đóng rắn nhanh, bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ và có mùi khó chịu. Nhựa phenol chất lượng là nhựa không chứa nitơ và chịu nhiệt tốt. Nếu thêm vào các nhựa này một lượng nhỏ ure thì độ bền nguội tăng lên mà tính phá dỡ vần tốt như thường. Nhựa phenol hút ẩm ít và chịu nhiệt tốt. Tuy nhiên, do sự dãn nở nhiệt của cát mà dẫn tới nứt bề mặt khuôn. Nhựa này có độ bền nguội cao nên cũng làm giảm tính vỡ vụn của hỗn hợp làm khuôn. lượng khi thoát ra trong lúc rót khuôn, dỡ khuôn là vừa phải. Nhựa phenol tạo khí chậm hơn nhựa furan.

Nhựa Phenol-Furan là nhựa tổng hợp từ nhựa Phenol với nhựa furfuril có tính chất tốt gần bằng nhựa Pheno nhưng rẻ hơn.

Nhựa Ure được tổng hợp ra bằng phản ứng giữa ure và formaldehyde. Nhựa này rẻ nhưng có tính kháng nhiệt thấp, độ bền thấp, dễ sinh khí N2 trong quá trình đúc rót, nên hay gay rỗ khí cho vật đúc.

Nhựa Ure-Furan là nhựa được tổng hợp từ nhựa Ure với nhựa furfuril. Nhựa này có tính chất tương tự như nhựa Ure.

Nhóm thứ hai

Nhóm thứ hai là hệ thống nhựa isocyanates-urethane có hai loại: loại 3 cấu tử và loại 2 dung dịch. Nhựa của nhóm này được chế tạo ra bằng cách cho polibenzylphenylether (một loại réol) với poly-isocyanates có xúc tác pyridine hoặc amine. Nhựa polyurethane được tạo ra mà không có sản phẩm phụ nào. Trên thị trường có hai kiểu : một kiểu gồm 3 cấu tử riêng biệt, kiểu khác gồm hai dung dịch.

Kiểu ba cấu tử riêng biệt gồm: Nhựa, isocyanate và xúc tác được cung cấp một cách riêng biệt và được bổ xung vào máy trộng qua ba bơm đong riêng biệt. Điều này cho phép điều chỉnh rất linh động trong làm khuôn. Nhờ đó mà phạm vi sử dụng rất rộng ví dụ như dễ dàng điều chỉnh khi làm khuyôn với các kích thước mẫu khác nhau, hợp kim đúc khác nhau, và chu kỳ sản xuất đúc từ làm khuôn đến rót khác nhau, khí hậu hay nhiệt độ trong ngày hay trong mùa biến đổi khác nhau, chương trình sản xuất có thể thay đổi (tự đọng, bán tự động hay thủ công). Số lượng xúc tác dùng luôn luôn nhỏ và đồng hồ bơm chính xác cao.

Kiểu hai dung dịch: Chất dính và chất xúc tác là các dung dịch để riêng biệt. Theo công nghệ này thì đòi hỏi điều kiện sản xuất khắt khe hơn (không đổi): Chu kỳ sản xuất; kiểu vật đúc và môi trường. Hệ thống hai dung dịch dùg khi xưởng không có thiết bị có bơm xúc tác acid với độ chính xác cao. Thông thường, kiểu nhựa hai dung dịch đòi hỏi nhiều kiểu nhựa khác nhau. Vì thực tế chu kỳ làm khuôn và nhiệt độ rót khác nhau. Nhựa nhóm hai cho độ bền cao, nhưng khi đúc rót dễ tạo ra cacbon. Điều này dẫn tới tăng C khi đúc thép. Điều này có thể khắc phục bằng cách trộn vào hỗn hợp 2-3% oxyt sắt đen. Isocyanat cũng phân huỷ ra nitơ nên dễ gây rỗ khí khi đúc. Ưu điểm của nhựa nhóm này là: sản xuất linh hoạt thay đổi phù hợp với vật đúc to nhỏ cùng làm khuôn đồng thời. Khuôn không bị ảnh hưởng của ẩm hoặc bởi sơn nước, khác nhau về nhiệt độ, hoặc độ pH của cát; nhựa có tính chịu nhiệt tốt và khuôn dễ phá.

Nhóm thứ ba

Nhóm thứ ba là Nhựa alkaline phenol. Các cấu tử được dùng trong chế tạo ra nhựa alkaline là ester và alkaline resol và chúng có tính kiềm. Resol là nhựa mà được tạo thành ở giai đoạn đầu tiên của quá trình đa tụ và nó là hỗn hợp phức tạp của các chất đồng phân với nhau hoặc với các hợp chất khác. Phản ứng hoá học xảy ra không có xúc tác. Đặc điểm của nhựa kiềm là:

• ít bị ảnh hưởng bởi cát có tính acid hay kiềm
• thời gian đóng rắn sẽ khác nhau nếu lượng, chất lượng chất đóng rắn khác nhau
• khuôn không rắn lại
• thường dùng cho đúc thép hay đúc gang cầu.

Một số loại khác

Chất dính dầu dùng làm chất dính trong sản xuất đúc có loại dầu động vật, dầu thực vật và dầu khoáng vật. Để làm chất dính trong phân tử dầu phải có một đầu phân cực để dính kết các hạt cát còn đầu kia có mối liên kết chưa bảo hòa để phản ứng với oxy tạo ra cầu liên kết các phân tử dầu với nhau tạo thành mạng không gian sau quá trình đống rắn. Chất dính dầu có hai loại là dầu dóng rắn nóng và dầu đóng rắn nguội. Dầu đóng rắn nóng có quá trình trùng hợp với oxy ở nhiệt độ 200 – 240°C, còn dầu đóng rắn nguội có quá trình trùng hợp với oxy ở nhiệt độ thường, chất đóng rắn dầu là isoxyanat.

Nước bã giấy là chất dính hữu cơ rẻ tiền không độc. Nó là nước bã giấy được xử lý hóa để tách riệu etyl, acid hữu cơ, giấy vv ra, chất còn lại sau quá trình xử lý được cô đặc chính là lingnosulphonat. Hàm lượng chất chất khô trong nó không nhỏ hơn 50 %. Thành phần cơ bản của chất khô là muối của acid lingnosulfuo. Tùy thuộc vào công nghệ xử lý mà lignosulfonat có thể là Ca-NH₄- và Ca-Na-NH₄-. Nó được làm chất dính hoặc làm chất phụ gia tăng bền, tăng tính phá dỡ cho hỗn hợp làm khuôn cát-sét.

Dextrin là sản phẩm phân giải nửa vời của tinh bột. Nó được tạo ra bằng hai cách:

• Cách thứ nhất là phương pháp khô làm như sau:
  • Bước một: Phun acid (lượng dùng 0,05-0,15%) vào tinh bột có độ ẩm khoảng 5%. Có thể dùng AlCl₃ làm xúc tác. Cũng có thể cho thêm các tác nhân kiềm tinh như Canxi phốt phát, Natri bicacbonat, Tritanolamin.
  • Bước hai: Sấy nhẹ bột để đạt độ ẩm khoảng từ 1-5% thì bắt đầu tiến hành dextrin hóa bằng cách gia nhiệt để tinh bột phân giải thành các phân tử bé. Nếu ở 95-120°C sẽ có dextrin mầu trắng; ở 120-180°C sẽ có dextrin mầu vàng; ở 170-195°C sẽ có pirodextrin. Dextrin trắng có độ hòa tan trong nước lạnh cao tới 90% và có mức độ phân nhánh trung bình khoảng 3%. Dextrin từ vàng nhạt đến nâu sẫm có độ hòa tan rất đáng kể. Có mức độ phân nhánh trung bình 20%. Pirodextrin có mức độ phân nhánh từ 20-25%, có phân tử lớn hơn nên cho hỗn hợp có độ bền cao hơn.
• Cách thứ hai là phương pháp thủy phân acid làm như sau:
  • Chưng tinh bột ở nhiệt độ 50-55°C trong dung dịch acid vô cơ (HCl) nồng độ acid 1-3% trong vòng 12-14 giờ để cắt nhỏ phân tử tinh bột làm cho nó có tính tan tót trong nước. Lượng tinh bột trong dung dịch không nhỏ hơn 60%.

Nước rỉ đường là sản phẩm thải ra trong quá trình sản xuất đường. Trong nước thải có tồn tại một lượng đường, nên nó có tính dính. Nước rỉ đường dùng trong đúc cần có các đặc tính sau: Tỷ trọng ở 20°C phải lớn hơn 1300kg/m³; Hàm lượng đường lớn hơn 45%; Độ tro nhỏ hơn 10%.

PEC là sản phẩm của công nghệ chế biến dầu mỏ, than đá, than bùn, gỗ … PEC thường ở dạng bột và có nhiệt độ chảy trong khoảng 80 – 110°C.

Tài liệu tham khảo

• Đinh Quảng Năng. Vật liệu làm khuôn cát. NXB Khoa học và Kỹ thuật. hà Nội 2003.
• ASM Handbook Volum 15 Casting.
• Борис Никитич Зотов. Художественное литьё NXB MAШИHOCTPOEHИE 1982.