Vật liệu làm khuôn đúc

Một khuôn đúc hàng rào có nhiều hoa văn đang được định hình

Vật liệu làm khuôn đúc là các vật liệu được sử dụng để chế tạo khuôn đúc. Khuôn kim loại được chế tạo từ kim loại (gang, thép, thép hợp kim), khuôn đá làm từ đá, khuôn đất làm từ đất sét, khuôn gốm làm từ huyền phù silicat, khuôn vỏ mỏng từ cát – nhựa đóng rắn nhiệt, khuôn cát-sét từ cát đúc trộn với đất sét, khuôn đóng rắn hóa học từ cát trộn với chất dính và chất phụ gia theo một thành phần nhất định.

Cát đúc có rất nhiều loại, trong đó cát thạch anh được sử dụng rất rộng rãi; vì thế trong sản xuất đúc, cát thạch anh thường được gọi ngắn gọn là cát. Khuôn từ cát (thạch anh) có thể đúc được mọi loại vật đúc, với các loại hợp kim đúc như gang, thép, và hợp kim mầu. Ưu điểm của cát là rẻ và rất dễ kiếm. Nhược điểm của cát là có tính chuyển biến thù hình dễ bị vỡ vụn trong quá trình đúc rót, chênh lệch về độ giãn nở nhiệt, và có thể tác dụng với FeO trong gang và thép lỏng tạo ra faialit - 2FeO.SiO2 (lượng SiO₂ = 22%) có nhiệt độ chảy thấp 1177°C. Vì thế đúc khuôn cát dễ gặp các khuyết tật như: bọng cát, cháy cát. Phụ thuộc vào khối lượng vật đúc, loại hợp kim đúc mà lựa chọn kích thước hạt cát, thành phần độ hạt, hình dạng hạt, hàm lượng SiO₂ (độ sạch của cát) cho phù hợp. Khi đúc vật đúc thép lớn, thành dày cần chất lượng bề mặt cao, lớp cát áo được dùng cát cromit (FeO.Cr₂O₃). Nó có khối lượng riêng 4000 – 4800 kg/m³, nhiệt độ chảy trong khoảng 1400°C – 1850°C. Khi đúc thép mangan cao, cát áo thường dùng cát manhezit có thành phần chủ yếu là MgO, ngoài ra còn có Al₂O₃, CaO, SiO₂, và MnO. Nó có khối lượng riêng 2900 – 3100 kg/m3, có độ giãn nở nhiệt nhỏ. Khi đúc vật đúc thép lớn, cần chất lượng bề mặt cao, thường dùng cát áo là cát zircon - ZrO₂.SiO₂ (đến 95 – 97 %), tạp chất trong nó gồm mica, cacbonat, pirit, oxyt sắt ngậm nước … Nó có nhiệt độ chảy 2420°C, khối lượng riêng 4680 – 4700 kg/m3, có độ giãn nở nhiệt nhỏ, độ dẫn nhiệt tốt, không tác dụng với oxit kim loại đúc. Khi đúc các vật đúc đòi hỏi chất lượng bề mặt cao có thể dùng cát olivine (R₂SiO₄ trong đó R có thể là Mg, Fe, Mn, Ni, Co, Zn, Ca). Cát olivine phổ biến là 2(Mg,Fe)₂.SiO₄, có nhiệt độ chảy 1830°C – 1700°C. Nếu cát olivine chứa đến 20 – 40 serpentin (3MgO.2SiO₂) thì được gọi là dunhit. Olivin không tác dụng với các oxit kim loại lỏng và không bị phân hủy khi nung. Cát samot chứa khoảng 35 – 40% Al₂O₃ và 65% SiO₂ có nhiệt độ chảy 1450°C – 1850°C, có độ giãn nở nhiệt nhỏ. Cát cốc có độ giãn nở nhiệt nhỏ, không thấm ướt kim loại lỏng. Cát samot và cát cốc thường được dùng để làm khuôn bán vĩnh cửu.

Để cho khuôn có độ bền phải dùng chất dính liên kết các hạt cát lại với nhau. Chất dính làm khuôn cát phổ biến có đất sét, bentonit, thủy tinh lỏng, nhựa phenol-formaldehyd, nhựa ure-formaldehyd, nhựa furan ngoài ra còn có xi măng, dầu thực vật …

Để làm tốt hơn một số tính chất của hỗn hợp vật liệu làm khuôn đúc, có thể cho vào hỗn hợp chất phụ gia. Tùy thuộc vào loại hỗn hợp làm khuôn cát mà chất phụ gia có thể là bột than mỡ, bột than bùn, nước bã giấy, rỉ đường, dextrin, tinh bột, dầu máy, mùn cưa, bột đá, chất đóng rắn, chất xúc tác và chất tạo bọt.

Để chống dính bám hỗn hợp làm khuôn với mẫu đúc khi làm khuôn thì cần phải bôi lên mẫu chất cách mẫu trước khi làm khuôn. Chất cách mẫu thường là dầu hỏa, dung dịch dầu hở với sáp, hoặc bột cách mẫu như graphit, bột than gỗ, và các vật liệu khác. Để chống dính hỗn hợp làm khuôn từ khuôn trên với hỗn hợp làm khuôn của khuôn dưới thì phải dùng cát khô rắc lên mặt phân khuôn, hoặc bột phấn chì hay bột than gỗ.

Khi rót gang hay thép lỏng vào khuôn, có thể gây nên cháy cát làm xấu bề mặt vật đúc, trong trường hợp cháy cát nặng phải bỏ. Để phòng tránh cháy cát, bề mặt khuôn ruột phải được phủ một lớp chất chống cháy cát. Chất chống cháy cát có thể ở dạng bột hoặc ở dạng huyền phù là tùy thuộc vào loại khuôn. Đối với khuôn tươi đúc gang và hợp kim mầu thì chất chống cháy cát phổ biến dùng bột phấn chì, bột than gỗ. Bột phấn chì có hai loại là phấn chì bạc và phấn chì đen được trộn đều với nhau theo tỷ lệ 1/1. Bột phấn chì không thấm ướt kim loại lỏng, có khả năng chịu nhiệt rất cao. Bột than gỗ dễ bị cháy trong khi rót gang lỏng vào khuôn vì vậy không sợ hiện tượng trôi chất sơn. Tuy nhiên khi rắc bột lên mặt khuôn phải là kỹ để bột chống cháy cát bám dính vào mặt khuôn khi tránh hiện tượng trôi chất chống cháy theo dòng chảy gây ra khuyết tật xỉ cacbon trong vật đúc.

Để hỗ trợ chống cháy cát và nâng cao chất lượng bề mặt vật đúc đối với khuôn khô, khuôn tự cứng, khuôn chảy lỏng tự cứng phải dùng chất sơn khuôn. Khuôn tươi đúc thép cũng có thể dùng chất sơn khuôn. Tùy thuộc vào loại khuôn mà dùng chất sơn khuôn khác nhau. Đối với khuôn khô thường dùng sơn nước, còn các loại khuôn khác dùng sơn tự khô hay sơn cháy. Tùy thuộc vào hợp kim đúc mà thành phần sơn sẽ khác nhau.

Khi gắn lõi vào khuôn, để tránh kim loại lỏng chảy vào đầu gác lõi phải dùng keo dán lõi. Keo dãn lõi được chế tạo từ dextrin, nước bã giấy trộn với bột bentonit và bột thạch anh theo một tỷ lệ xác định. Trong sản xuất người ta cũng sử dụng sét trộn với nước đủ để có độ dẻo dính.

Trừ khuôn tươi, các khuôn còn lại khi ráp khuôn để tránh kim loại lỏng chảy ra từ mặt phân khuôn phải dùng đỉa sét bao quanh hốc khuôn ở mặt phân khuôn dưới, trước khi đậy khuôn trên lên. Đường kính của đỉa sét thường từ 5 – 10 mm. Thành phần đỉa sét gồm 66% bột cát cũ, 34% sét và 40% nước. Thực tế ở Việt Nam dùng đến 100% sét.

Khi chế tạo lõi thường dùng bột gỗ (mùn cưa) cho vào hỗn hợp để tạo ra độ co bóp cho ruột. Đối với ruột phức tạp, thành lại mỏng, để chế tạo kênh thông khí cho ruột người ta phải dùng các sợi dây gọi là bấc khí đặt vào trong ruột, khi sấy khô ruột sẽ tạo ra đường dẫn khí trong ruột. Bấc khí được làm từ dây sáp hoặc dây bẹ chuối, dây nilong. Ở những chỗ thành dày trong dật đúc, để tránh rỗ ngót phải đặt đậu ngót. Muốn tăng hiệu quả bổ ngót của nó người ta dùng đậu ngót cách nhiệt hoặc đậu ngót phát nhiệt (lớp hỗn hợp xung quanh đậu ngót là vật liệu cách nhiệt hay vật liệu phát nhiệt).

Vật liệu làm khuôn trước khi sử dụng phải được kiểm tra đánh giá đảm bảo đúng chất lượng theo tiêu chuẩn vật liệu làm khuôn.

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.