Bài giảng Vật liệu làm khuôn - Bùi Quang Bính

129 trang phuongnguyen 3680

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật liệu làm khuôn - Bùi Quang Bính", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_vat_lieu_lam_khuon_bui_quang_binh.pdf

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu làm khuôn - Bùi Quang Bính

học viện kỹ thuật quân sự Bùi quang bính vật liệu làm khuôn (dùng cho đào tạo Đại học chuyên ngành đúc - nhiệt luyện ) hà nội 2001 1
học viện kỹ thuật quân sự khoa cơ khí Đề c•ơng giáo trình vật liệu làm khuôn (dùng cho đào tạo Đại học chuyên ngành đúc - nhiệt luyện ) hà nội 2001 2
học viện kỹ thuật quân sự phòng đào tạo phê duyệt Ngày tháng năm 2001 giám đốc học viện Đề c•ơng giáo trình vật liệu làm khuôn (dùng cho đào tạo Đại học chuyên ngành đúc - nhiệt luyện ) hà nội 2001 3
đề c•ơng Ch•ơng mở đầu Ch•ơng 1. vật liệu làm khuôn 1.1. Cơ sở hoá lý của lý thuyết về các tính chất của vật liệu làm khuôn 1.1.1. Độ phân tán của cát và đất sét làm khuôn 1.1.2. Lực phân tử ở bề mặt phân giới giữa các pha 1.1.3. Tổ chức và tính chất của các lớp bề mặt phân giới giữa các pha 1.1.4. Sự hình thành các tổ chức trong các hệ phân tán 1.2. Cát làm khuôn 1.2.1. Thành phần khoáng chất của cát làm khuôn 1.2.2. Thành phần độ hạt 1.2.3. Thành phần đất sét của cát làm khuôn 1.2.4. Những tính chất công nghệ và các ph•ơng pháp xác định 1.2.5. Phân loại cát làm khuôn 1.2.6. Các vật liệu làm khuôn chịu lửa cao 1.3. Chất dính 1.3.1. Đất sét làm khuôn 1.3.2. Các chất dính khác 1.4. Vật liệu phụ làm khuôn 1.4.1. Vật liệu chống cháy dính cát 1.4.2. Vật liệu phụ có tác dụng bảo vệ 1.4.3. Vật liệu phụ có tính chất nhiệt lý đặc biệt 1.4.4. Chất xúc tác đông rắn 1.4.5. Chất giảm độ nhớt 1.4.6. Chất tạo bọt 1.4.7. Chất làm tăng thời gian sống của hỗn hợp làm khuôn 4
1.4.8. Chất hoà tan 1.4.9. Chất ổn định huyền phù 1.4.10. Chất phụ thêm làm tăng tính dẻo, tính lún của khuôn, ruột 1.4.11. Những chất thêm đặc biệt Ch•ơng 2 . Hỗn hợp làm khuôn 2.1. Đại c•ơng và phân loại 2.2. Tính chất công nghệ của hỗn hợp làm khuôn 2.3. Hỗn hợp cát sét 2.3.1. Hỗn hợp làm khuôn t•ơi không hoá cứng 2.3.2. Hỗn hợp làm khuôn khô 2.3.3. Hỗn hợp cát đệm 2.3.4. Quy trình chuẩn bị hỗn hợp cát - đất sét 2.3.5. Hỗn hợp khuôn bán vĩnh cửu 2.3.6. Hỗn hợp khuôn phát nhiệt và cách nhiệt 2.4. Hỗn hợp làm khuôn, ruột tự đông cứng không qua nung nóng 2.4.1. Hỗn hợp đông rắn dùng khí CO2 2.4.2. Hỗn hợp tự đông rắn dạng dẻo 2.4.3. Hỗn hợp bột nhão tự đông rắn 2.5. Hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nguội 2.5.1. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa cacbamit 2.5.2. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa cacbamit - furan 2.5.3. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa fênolphoocmandehi 2.5.4. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa fênol furan 2.6. Hỗn hợp làm ruột đông rắn qua sấy 2.6.1. Hỗn hợp cát - dầu 2.6.2. Hỗn hợp làm ruột trên cơ sở chất dính kết tổng hợp khan 2.6.3. Hỗn hợp làm ruột trên cơ sở chất dính kết chứa n•ớc 5
Ch•ơng 3 Chất sơn khuôn, vữa trát, keo dán và chất rắc 3.1. Công dụng chất sơn khuôn 3.2. Thành phần của chất sơn khuôn, vữa trát 3.2.1. Thành phần hạt 3.2.2. Chất thêm dính kết 3.2.3. Các chất thêm đặc biệt 3.2.4. Các chất lỏng để hoà sơn 3.3. Các loại sơn khuôn 3.3.1. Sơn tăng bền 3.3.2. Sơn làm tăng độ bóng bề mặt vật đúc 3.3.3. Các loại sơn và vữa chống cháy dính cát 3.4. Keo dán và ma tít 3.5. Chất rắc khuôn ng•ời viết tài liệu tr•ởng phòng đào tạo bùi quang bính Đại tá vũ nhật minh 6
Tài liệu tham khảo 1. Gia công cơ khí – GS-TSKH Phạm Văn Khôi – Nhà xuất bản Giáo dục – 1998. 2. Kỹ thuật đúc – Phạm Quang Lộc – Nhà xuất bản thanh niên – 2000. 3. Những vật liệu làm khuôn I.U. XTÊPANOV, V.I. XÊMÊNOV Nguyễn Thủ dịch - Nhà xuất bản KH&KT 1975 4. Tuyển tập báo cáo Sầm sơn 89 Hội nghị chuyên đề than antraxit đúc gang. Vật liệu làm khuôn Việt nam. 5. Báo cáo khảo sát thị tr•ờng đúc ở Việt Nam – GS -TSKH Phạm Văn Khôi – Tr•ờng ĐHBK Hà Nội – 1995. 6. ễẻéèẻÂẻìÍÛÅ ẩ ẹềÅéặÍÛÅ ẹèÅẹẩ ẹ ầÀÄÀÍÛèẩ ẹÂẻẩẹềÂÀèẩ À.À. ÁéÅÍấẻ Ã.ễ. ÂÅậẩấÀÍẻÂ. ậÅÍẩÃéÀÄ 1982 ẹẽéÀÂẻìÍẩấ ễẻéèẻÂẻìÍÛÅ èÀềÅéẩÀậÛ ẩ ẹèÅẹẩ À.À. ẹÂÀéẩấÀ. ấẩÅÂ 1983. 7
Mục lục Trang Ch•ơng mở đầu 9 Ch•ơng 1. vật liệu làm khuôn 1.1. Cơ sở hoá lý về các tính chất của vật liệu làm khuôn 18 1.1.1. Độ phân tán của cát và đất sét làm khuôn 18 1.1.2. Lực phân tử ở bề mặt phân giới giữa các pha 21 1.1.3. Tổ chức và tính chất của các lớp bề mặt phân giới giữa các pha 25 1.1.4. Sự hình thành các tổ chức trong các hệ phân tán 30 1.2. Cát làm khuôn 33 1.2.1. Thành phần khoáng chất của cát làm khuôn 33 1.2.2. Thành phần độ hạt 34 1.2.3. Thành phần đất sét của cát làm khuôn 35 1.2.4. Những tính chất công nghệ và các ph•ơng pháp xác định 37 1.2.5. Phân loại cát làm khuôn 47 1.2.6. Các vật liệu làm khuôn chịu lửa cao 50 1.3. Chất dính 52 1.3.1. Đất sét làm khuôn 53 1.3.2. Các chất dính khác 60 1.4. Vật liệu phụ làm khuôn 68 1.4.1. Vật liệu chống cháy dính cát 71 1.4.2. Vật liệu phụ có tác dụng bảo vệ 72 1.4.3. Vật liệu phụ có tính chất nhiệt lý đặc biệt 73 1.4.4. Chất xúc tác đông rắn 74 1.4.5. Chất giảm độ nhớt 74 1.4.6. Chất tạo bọt 74 1.4.7. Chất làm tăng thời gian sống của hỗn hợp làm khuôn 75 1.4.8. Chất hoà tan ( dung môi ) 75 1.4.9. Chất ổn định huyền phù 76 8
1.4.10. Chất phụ thêm làm tăng tính dẻo, tính lún của khuôn, ruột 76 1.4.11. Những chất thêm đặc biệt 76 Ch•ơng 2. Hỗn hợp làm khuôn 2.1. Đại c•ơng và phân loại 79 2.2. Tính chất công nghệ của hỗn hợp làm khuôn 81 2.3. Hỗn hợp cát -đất sét 85 2.3.1. Hỗn hợp làm khuôn t•ơi không hoá cứng 85 2.3.2. Hỗn hợp làm khuôn khô 87 2.3.3. Hỗn hợp cát đệm 87 2.3.4. Quy trình chuẩn bị hỗn hợp cát - đất sét 92 2.3.5. Hỗn hợp khuôn bán vĩnh cửu 93 2.3.6. Hỗn hợp khuôn phát nhiệt và cách nhiệt 94 2.4. Hỗn hợp làm khuôn, ruột tự đông cứng không qua nung nóng 96 2.4.1. Hỗn hợp đông rắn dùng khí CO2 96 2.4.2. Hỗn hợp tự đông rắn dạng dẻo 103 2.4.3. Hỗn hợp bột nhão tự đông rắn 107 2.5. Hỗn hợp cát - nhựa đông rắn nguội 108 2.5.1. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa cacbamit 108 2.5.2. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa cacbamit - furan 108 2.5.3. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa fênolphoocmandehit 112 2.5.4. Hỗn hợp đông rắn nguội trên cơ sở nhựa fênol furan 112 2.6. Hỗn hợp làm ruột đông rắn qua sấy 114 2.6.1. Hỗn hợp cát - dầu 114 2.6.2. Hỗn hợp làm ruột trên cơ sở chất dính kết tổng hợp khan 114 2.6.3. Hỗn hợp làm ruột trên cơ sở chất dính kết chứa n•ớc 115 Ch•ơng 3. Chất sơn khuôn, vữa trát, keo dán và chất rắc 3.1. Công dụng chất sơn khuôn 117 3.2. Thành phần của chất sơn khuôn, vữa trát 118 3.2.1. Thành phần hạt 118 9
3.2.2. Chất thêm dính kết 119 3.2.3. Các chất thêm đặc biệt 119 3.2.4. Các chất lỏng để hoà sơn 119 3.3. Các loại sơn khuôn 120 3.3.1. Sơn tăng bền 120 3.3.2. Sơn làm tăng độ bóng bề mặt vật đúc 120 3.3.3. Các loại sơn và vữa chống cháy dính cát 121 3.4. Keo dán và ma tit 124 3.5. Chất rắc khuôn 125 10
Ch•ơng mở đầu Để phát triển nền kinh tế quốc dân trong thời kỳ công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất n•ớc thì sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo máy chiếm một vị trí rất quan trọng. Việc nâng cao năng suất lao động và chất l•ợng sản phẩm càng đòi hỏi các nhà quản lý và cán bộ kỹ thuật quan tâm một cách đầy đủ, nhằm giảm giá thành, tăng mức tiêu thụ sản phẩm. Đối với nghành công nghiệp chế tạo máy phần lớn các chi tiết đ•ợc chế tạo bằng ph•ơng pháp đúc. Nó có thể chiếm từ 30 đến 80% khối l•ợng các chi tiết. Đúc là một trong những ph•ơng pháp chủ yếu để sản xuất phôi (vật đúc) cho các chi tiết máy, vì quá trình sản xuất rất kinh tế, có thể chế tạo đ•ợc vật đúc có kích th•ớc và hình dáng bất kỳ bằng tất cả các hợp kim và kim loại với l•ợng d• gia công nhỏ nhất mà lại có cơ tính cao. Thực tế sản xuất trong và ngoài n•ớc cho thấy chất l•ợng và giá thành của sản phẩm đúc có ảnh h•ởng rất lớn (đôi khi là quyết định) đến chất l•ợng và giá thành của từng chi tiết máy nói riêng và toàn bộ thiết bị máy móc nói chung. Quá trình chế tạo vật đúc có thể tóm tắt theo sơ đồ hình 1: Vậ t liệu nấu Nấu Phế chảy Đậu rót, phẩm kim đậu ngót Năng l•ợng loại Rót khuôn Xử lý vật đúc Kiểm Mẫu Làm tra khuôn, Lắp ruột Hộ p lõi ráp khuôn Rỡ khuôn Vật Chuẩn đúc bị hỗn hoàn hợp V ật liệu Cát cũ chỉnh tái sinh là m khuôn Hình 1. 11
Loài ng•ời đã biết tới công nghệ đúc rất sớm, cách đây khoảng sáu ngàn năm. ở Việt Nam ng•ời ta đã biết đúc những dụng cụ phục vụ nông nghiệp nh• l•ỡi liềm đồng, cuốc đồng, dao đồng, rìu, dáo, mũi lao, mũi tên, thạp, trống, chiêng bằng đồng từ thời các vua Hùng dựng n•ớc. Ngoài việc đúc các dụng cụ sản xuất trong nông nghiệp, ng•ời ta còn đúc các dụng cụ phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày, đồ trang trí, phục vụ tế lễ. Có thể kể đến bốn vật quý bằng đồng có kích th•ớc và khối l•ợng lớn đã đ•ợc đúc ở n•ớc ta nh•: T•ợng chùa Quỳnh Lâm (Đông Triều – Quảng Ninh) cao khoảng 20 m, nặng 500 tấn; Tháp Bảo Thiên 12 tầng xây dựng năm 1057 đời vua Lý Thánh Tông cao khoảng 70 m có các tầng trên của tháp đều đ•ợc đúc bằng đồng; chuông Quy Điền đúc năm 1101 (đời Lý Nhân Tông); vạc chùa Phổ Ninh (Nam Hà) đúc thời vua Trần Nhân Tông (1279 – 1293) sâu gần 1,5 m, rộng 3,3 m, nặng 3075 kg. Hiện nay trên thế giới kỹ nghệ đúc kim loại vẫn phát triển mặc dù có kỹ nghệ đúc chất dẻo và rèn dập thay thế đẻ chế tạo một số chi tiết. Các công trình nghiên cứu về công nghệ mới, máy móc mới để cơ khí hoá và tự động hoá sản xuất đúc vẫn đang đ•ợc đẩy mạnh nhằm nâng cao năng xuất và chất l•ợng vật đúc. •u điểm của công nghệ đúc: - Đúc đ•ợc những vật có hình dạng phức tạp mà các ph•ơng pháp gia công khác rất khó thực hiện ( thân máy công cụ, vỏ động cơ, cánh quạt tuabin nhà máy điện ) - Đúc đ•ợc vật đúc có khối l•ợng từ rất nhỏ (vài gam) đến rất lớn ( hàng trăm tấn). - Đúc đ•ợc các vật có độ chính xác cao, vật đúc xong có thể sử dụng đ•ợc ngay mà không cần gia công hoặc chỉ cần gia công rất ít. - Thành phần vật liệu đúc khống chế chặt chẽ có thể tạo đ•ợc những vật liệu có tính năng đặc biệt nh• chịu mài mòn, chịu ăn mòn - Năng suất cao, giá thành hạ. Nh•ợc điểm : Trong sản xuất đúc dễ gây bụi, khí độc hại và tiếng ồn; khó đúc đ•ợc vật liệu có điểm chảy quá cao trên 20000C (nh• W ); tốn kim loại cho hệ thống đậu ngót, đậu hơi; dễ gây ra các khuyết tật nh• rỗ khí, cháy cát ; khó kiểm tra khuyết tật bên trong. 12
Vật đúc đ•ợc chế tạo ra trong các khuôn đúc. Khuôn đúc có thể là khuôn cát, khuôn bán vĩnh cửu, khuôn vĩnh cửu. Khuôn cát đ•ợc làm bằng hỗn hợp cát + đất sét hay chất dính khác và chỉ dùng để đúc vật đúc đ•ợc một lần. Khuôn bán vĩnh cửu làm bằng loại vật liệu chịu lửa cao và dùng để đúc nhiều lần (50 - 200 vật đúc). Khuôn vĩnh cửu làm bằng gang hay thép hợp kim để đúc hàng trăm và hàng nghìn vật đúc cho đến khi bị hỏng. Việc chọn khuôn đúc phụ thuộc vào quy mô sản xuất, vào loại kim loại đúc và những yêu cầu đối với vật đúc. Khuôn cát hay đ•ợc dùng nhiều và phổ biến do nó có khả năng đúc đ•ợc những vật đúc có hình dạng và kích th•ớc bất kỳ, chi phí về thiết bị, dụng cụ và vật liệu làm khuôn không cao mà cách làm khuôn đơn giản. Vì vậy trong nội dung của giáo trình này chỉ đề cập đến vật liệu làm khuôn cát là chính. Ng•ời ta phân loại sản xuất đúc theo ph•ơng pháp làm khuôn. Theo tập quán thông th•ờng đ•ợc chia làm hai loại: Đúc trong khuôn cát và đúc đặc biệt. Đúc trong khuôn cát th•ờng dùng khuôn t•ơi, khuôn khô, khuôn sấy bề mặt, khuôn tự đông cứng (khuôn có chất dính đặc biệt, không cần sấy cũng tự đông cứng). Đúc đặc biệt là đúc theo công nghệ mới, dùng hỗn hợp mới để làm khuôn hay dùng khuôn kim loại. Theo vật liệu làm khuôn khác nhau ng•ời ta cũng phân đúc đặc biệt thành hai loại : - Loại dùng cát tự nhiên là chính để làm khuôn nh• khuôn mẫu chảy, khuôn vỏ mỏng, khuôn gốm, - Loại thứ hai dùng kim loại làm khuôn là chính gồm có đúc trong khuôn kim loại, đúc ly tâm, đúc liên tục, đúc áp lực, đúc hút chân không, đúc dập lỏng, đúc trong khuôn từ, Các bộ phận của khuôn cát: Khuôn đúc th•ờng gồm 2 nửa: nửa trên và nửa d•ới (hình 2) Các nửa khuôn đ•ợc làm bằng hỗn hợp làm khuôn trong các hòm khuôn. Hòm khuôn là những khung cứng bằng kim loại. Hỗn hợp làm khuôn gồm có cát thạch anh, đất sét hay chất dính khác và những chất phụ thêm đặc biệt đ•ợc nhào trộn kỹ với nhau. 13
Những phần rỗng bên trong và những lỗ ở vật đúc đ•ợc tạo thành nhờ các ruột, gồm có cát thạch anh, chất dính và các chất phụ đặc biệt. Kim loại lỏng đ•ợc rót vào khuôn theo hệ thống rót. Để dẫn không khí và các chất khí ở trong khuôn và ruột ra ngoài ng•ời ta làm những lỗ thông hơi. Hình 2. Khuôn đúc : 1- Nửa trên; 2- Nửa d•ới; 3, 4 – Hòm khuôn; 5 – Chốt định vị; 6 – Ruột; 7 – Hệ thống rót; 8 – Lỗ thông hơi. Khuôn đ•ợc đem rót ở trạng thái ẩm ( khuôn t•ơi) hay ở trạng thái khô (khuôn khô). Làm khuôn t•ơi kinh tế hơn và dễ cơ khí hoá và tự động hoá trong quá trình sản xuất. Khuôn t•ơi chủ yếu dùng để đúc các vật đúc bằng gang, hợp kim nhôm và hợp kim đồng, những vật đúc nhỏ và trung bình bằng thép ở điều kiện sản xuất đơn chiếc và loạt lớn. Khuôn khô th•ờng dùng để đúc các vật đúc lớn và thành dày. Khuôn đúc phải đảm bảo vật đúc ra có hình dáng và kích th•ớc theo yêu cầu với độ chính xác và độ bóng bề mặt nhất định, đảm bảo tốc độ và h•ớng đông cứng xác định của vật đúc. Vật liệu làm khuôn là những vật liệu dùng để làm khuôn và ruột. Ng•ời ta chia vật liệu làm khuôn ra làm vật liệu gốc, hỗn hợp làm khuôn, hỗn hợp làm ruột, thành phần phụ. Vật liệu gốc chia làm 2 nhóm: 1. Vật liệu chính là các chất tạo nền chịu lửa của hỗn hợp (nh• cát thạch anh, ôlivinit, crômit, manhêzit, zircôn ), các chất dính (đất sét, n•ớc ) 2. Vật liệu phụ là các chất phụ thêm (than bùn, mùn c•a, than) để tạo hỗn hợp có những tính chất nhất định nào đấy. 14
Hỗn hợp làm khuôn và làm ruột đ•ợc chế tạo từ các vật liệu gốc. Thành phần của hỗn hợp đ•ợc chọn phụ thuộc vào công dụng, ph•ơng pháp làm khuôn, loại kim loại rót vào khuôn. Những thành phần phụ là các chất sơn, keo dán, chất trát cần thiết cho việc chế tạo, sửa chữa khuôn và ruột. Yêu cầu đối với vật liệu làm khuôn và các tính chất của chúng Muốn sản xuất1 tấn vật đúc phải dùng từ 2 đến 5 tấn vật liệu làm khuôn ( tuỳ theo loại công nghệ làm khuôn). Trong đó cháy hao, mất mát không sử dụng lại đ•ợc chiếm từ 0,6 đến 2 tấn. Giá thành vật liệu làm khuôn chiếm từ 8 đến 12% giá thành vật đúc. Chỉ tiêu vật liệu làm khuôn cho 1 tấn vật đúc thành phẩm khi đúc trong khuôn cát ( bảng 1). Bảng 1. Vật liệu Chỉ tiêu, kg Cát thạch anh 1400  1800 Đất sét 200 Bentônit 15 Bột cát thạch anh 50 Các chất dính 30 Chất dán lõi 20 Để đảm bảo nhận đ•ợc vật đúc hợp cách, vật liệu làm khuôn phải có các tính chất đáp ứng đ•ợc các yêu cầu nhất định của: - Công nghệ làm khuôn và làm ruột - Những điều kiện tác dụng qua lại giữa khuôn với kim loại lỏng khi rót khuôn, khi vật đúc đông và nguội. - Công nghệ chuẩn bị hỗn hợp làm khuôn hay làm ruột. 15
- Điều kiện rỡ khuôn, phá ruột. Nh• vậy hỗn hợp làm khuôn phải có các tính chất sau: a. Tính dẻo Là khả năng biến dạng của hỗn hợp d•ới tác dụng của tải trọng đặt vào. Hỗn hợp làm khuôn và làm ruột phải có tính dẻo để in lại đ•ợc chính xác hình dạng của mẫu ở trong khuôn. Tính chất này th•ờng có ở những vật liệu có khả năng biến dạng dẻo d•ới tác dụng của những lực yếu. Hỗn hợp làm khuôn có tổ chức gồm những hạt thạch anh có một màng chất dính bao phủ. Nhờ lực dính kết mà các hạt thạch anh liên kết chắc lại với nhau. Muốn tách hoặc dịch chuyển các hạt ấy phải có lực tác dụng vào, lực này sẽ càng lớn khi độ nhớt của chất dính càng cao. Nh• vậy độ nhớt chất dính càng cao thì hỗn hợp làm khuôn càng kém dẻo. b. Độ bền Khuôn đúc, ruột phải có một độ bền nhất định. Để có độ bền nhất định phải đầm chặt hỗn hợp trong quá trình làm khuôn, ruột. Độ bền phải đủ cao để khuôn, ruột không bị hỏng khi rút mẫu, quay lật, vận chuyển, ráp khuôn, khi kim loại điền đầy và khi chịu áp suất thuỷ tĩnh của kim loại lỏng. Song độ bền của hỗn hợp làm khuôn, ruột phải đủ thấp để: - Trong quá trình đông cứng kim loại lỏng, khuôn, ruột không cản trở sự co ngót của vật đúc, không gây ra ứng suất trong và nứt vật đúc. Tính chất này của hỗn hợp làm khuôn, ruột gọi là tính lún. Đặc biệt ruột cản trở nhiều đến sự co của vật đúc nên ruột cần phải có tính lún cao hơn, nghĩa là cần dễ dàng biến dạng và dịch chuyển khi vật đúc co ngót. - Khi rỡ vật đúc, khuôn phải dễ phá. Tính chất này của hỗn hợp gọi là tính dễ phá. Nếu hỗn hợp làm ruột khó phá thì sẽ mất nhiều sức lao động để lấy ruột và làm sạch vật đúc. Tính dễ phá của hỗn hợp làm ruột đ•ợc coi là lý t•ởng nếu nh• khi phá ruột hỗn hợp tự tơi ra nh• cát khô. Độ bền của hỗn hợp đ•ợc xác định ở trạng thái t•ơi, khô và nung nóng. Độ bền của hỗn hợp ở trạng thái ẩm sẽ đặc tr•ng cho độ bền của khuôn không sấy khi rót kim loại lỏng vào. Độ bền này phụ thuộc vào loại hợp kim đúc, 16
khối l•ợng, kích th•ớc, độ phức tạp về hình dáng của vật đúc, ph•ơng pháp đầm khuôn. Đối với vật đúc bằng các hợp kim nặng (hợp kim đồng, chì, thép ) độ bền của hỗn hợp và của khuôn phải cao, vì những hợp kim này ở trạng thái lỏng sẽ tác dụng một áp suất lớn lên thành khuôn, có thể làm khuôn bị biến dạng gây méo vật đúc. Khối l•ợng, kích th•ớc (nhất là chiều cao) vật đúc càng lớn thì thành khuôn phải chịu áp suất càng cao, và độ bền của hỗn hợp làm khuôn càng phải cao. Khi làm khuôn để đúc những vật đúc nhỏ, phức tạp có nhiều gờ, nét, đ•ờng l•ợn và đôi khi cả những mặt phẳng của khuôn nhận đ•ợc th•ờng không chuẩn: hạt cát bám vào mặt mẫu và tách khỏi hỗn hợp làm khuôn khi rút mẫu. Hiện t•ợng này gọi là tính dính bám. Tính dính bám đặc tr•ng cho độ bền bề mặt của hỗn hợp t•ơi và phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa chất lỏng trong hỗn hợp với bề mặt mẫu (lực dính kết ngoài) và giữa chất lỏng với các hạt cát (lực liên kết trong). Nếu lực dính kết ngoài lớn hơn liên kết trong thì những hạt cát của hỗn hợp sẽ dính bám vào bề mặt mẫu và sẽ bị tách khỏi khối cơ bản của khuôn khi rút mẫu. Tính dính bám của hỗn hợp phụ thuộc vào chất dính và điều kiện thấm •ớt của chất dính với bề mặt mẫu và bề mặt các hạt cát. Tính dính bám của hỗn hợp sẽ giảm khi độ ẩm hay l•ợng chất dính trong hỗn hợp giảm, hay khi phủ lên bề mặt mẫu, hộp ruột các loại bột hay các chất lỏng không thấm •ớt (dầu hoả). Độ bền ở trạng thái khô đặc tr•ng cho độ bền của khuôn và ruột sau khi sấy. Trong quá trình sấy độ dẻo của hỗn hợp làm khuôn giảm, độ bền tăng. Cho nên khuôn khô dùng để đúc những vật đúc lớn, thành dày bằng thép, gang và hợp kim đồng. Ruột bao giờ cũng phải sấy khô vì ruột làm việc trong điều kiện nặng nề hơn so với khuôn. Khi ráp khuôn, vận chuyển, cất giữ khuôn, ruột có thể làm hỏng bề mặt khuôn, làm cho cát ở lớp bề mặt bị rơi ra. Do đó hỗn hợp làm khuôn, ruột phải có độ rời nhỏ nhất, độ rời này phụ thuộc vào độ bền bề mặt của khuôn, ruột. Độ bền của hỗn hợp khi nung nóng đến nhiệt độ rót kim loại vào khuôn quyết định trạng thái của khuôn, khả năng bị biến dạng khi điền đầy kim loại lỏng, khi đông và nguội của vật đúc. Khuôn, ruột bị nung nóng sẽ tham gia t•ơng tác lực qua lại với vật đúc. Trong quá trình điền đầy, khuôn làm việc nh• một bình có thành dày đổ đầy chất lỏng. Khi vật đúc đông và nguội, khuôn, ruột cản 17
trở sự co ngót gây ra ứng suất và biến dạng trong vật đúc đến mức có thể bị cong vênh hay nứt nẻ. Tuỳ theo điều kiện chịu tải trọng cụ thể của khuôn, ruột ng•ời ta đề ra các yêu cầu khác nhau về độ bền nén, uốn, kéo cho hỗn hợp làm khuôn. Những khuôn có dung tích kim loại lớn phải chịu ứng suất ép lớn của áp suất tĩnh từ kim loại lỏng. Trạng thái của những khuôn này phụ thuộc vào độ bền nén của hỗn hợp làm khuôn. Những ruột dài, mỏng (ruột để đúc các ống) d•ới tác dụng của khối l•ợng bản thân (tr•ớc khi rót) và của kim loại lỏng khi rót sẽ bị uốn cong. Độ bền của ruột này đ•ợc đặc tr•ng bằng độ bền uốn ở trạng thái khô. Những ruột có phần treo lớn phải chịu tải trọng cắt. Cho nên khi chọn hỗn hợp làm khuôn, ruột phải tính đến điều kiện chịu tải trọng của khuôn, ruột. c. Độ chịu lửa Là khả năng của hỗn hợp làm khuôn, ruột chịu đ•ợc tác dụng của nhiệt độ cao mà không bị nóng chảy. Thành của lòng khuôn khi rót kim loại lỏng vào sẽ bị nung nóng lên đến nhiệt độ bằng nhiệt độ cuả kim loại lỏng. Nhiệt độ rót thép lỏng là 1550  15800C, gang lỏng là 1300  13400C, hợp kim nhôm là 700  7300C. Do đó nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp làm khuôn phải cao hơn nhiệt độ kim loại lỏng rót vào, nghĩa là hỗn hợp làm khuôn phải có độ chịu lửa cao. Do nhiệt độ cao và do những phản ứng hoá học xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa kim loại lỏng và khuôn mà những silicát kim loại dễ chảy có thể đ•ợc tạo thành và xâm nhập vào những lỗ rỗng nhỏ của khuôn. Kết quả là trên bề mặt vật đúc tạo thành cát cháy làm giảm độ nhẵn bóng bề mặt. Ngoài nhiệt độ và các phản ứng hoá học, độ xốp của khuôn cũng nh• thời gian tác dụng nhiệt của kim loại lỏng lên thành khuôn cũng ảnh h•ởng đến l•ợng cát cháy. Độ chịu lửa của hỗn hợp làm khuôn càng cao, hỗn hợp càng trơ đối với các phản ứng hoá học ở nhiệt độ cao thì sự cát cháy càng ít. d. Độ sinh khí và độ thoát hơi Khi thành khuôn, ruột bị kim loại lỏng nung nóng thì khí ẩm có trong khuôn, chất dính, các vật liệu phụ (mùn c•a, than) sẽ tạo ra một l•ợng lớn các chất khí, hơi n•ớc. Tính chất của hỗn hợp tiết ra các chất khí, hơi n•ớc khi bị nung nóng gọi là khả năng sinh khí. Những chất khí và hơi n•ớc sinh ra chịu tác dụng nhiệt sẽ dãn nở và di chuyển vào thành khuôn ( theo kẽ hở giữa các hạt cát ) và vào cả trong kim loại lỏng. Nếu sức cản chuyển động của các chất khí và hơi n•ớc theo 18
kẽ hở giữa các hạt cát lớn hơn sức cản chuyển động của các chất khí qua kim loại lỏng thì trong vật đúc sẽ xuất hiện rỗ khí. Để vật đúc không rỗ khí thì hỗn hợp làm khuôn, ruột phải cho khí đi qua đ•ợc, nghĩa là phải có độ thoát hơi cao. Các chất khí tạo ra do sự phân huỷ chất dính của ruột ( bộ phận tạo lỗ rỗng trong vật đúc ) sẽ thoát ra mạnh hơn. Những chất khí này sẽ thoát ra qua các gối ruột (đầu gác ruột) có kích th•ớc không lớn lắm. Hiện t•ợng này làm cho áp suất khí trong ruột tăng lên gây rỗ khí trong vật đúc. Vì vậy hỗn hợp làm ruột phải có độ sinh khí thật nhỏ và độ thoát hơi cao. e. Tính hút ẩm Là khả năng của hỗn hợp làm khuôn, ruột hút n•ớc từ không khí vào. Độ hút ẩm phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của chất dính trong hỗn hợp. Độ hút ẩm của hỗn hợp phải nhỏ nhất vì mặt khuôn bị bão hoà ẩm ( trong quá trình ráp khuôn và để ngoài không khí ) có thể sẽ là nguyên nhân tạo ra rỗ khí trong vật đúc. g. Tuổi thọ (Độ bền lâu) Là khả năng của hỗn hợp giữ lại đ•ợc hầu nh• hoàn toàn những tính chất của chúng khi dùng nhiều lần. Tuổi thọ của hỗn hợp làm khuôn là đặc tr•ng quan trọng quyết định tính kinh tế của việc sử dụng các hỗn hợp ấy. Hỗn hợp làm khuôn, ruột qua mỗi lần rót khuôn sẽ mất một phần các tính chất ban đầu đ•ợc gọi là hỗn hợp cát dùng rồi hay cát cũ. Hỗn hợp cát cũ phải đ•ợc đem tái sinh - đó là khâu gia công đặc biệt để khử bỏ bụi, và phần còn lại của chất dính v.v Trong những khâu gia công tiếp theo ng•ời ta cho thêm đất sét vào cát cũ để tăng thêm độ bền cho hỗn hợp. Việc dùng lại hỗn hợp cát dùng rồi sau khi tái sinh sẽ giảm chi phí vật liệu làm khuôn rất nhiều, nâng cao hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất. 19
Ch•ơng 1 Vật liệu làm khuôn 1.1 Cơ sở hoá lý về các tính chất của vật liệu làm khuôn Độ bền, độ dẻo, độ thoát hơi và các tính chất công nghệ khác của hỗn hợp làm khuôn phụ thuộc vào các thành phần gốc và cấu trúc của nó. L•ợng đất sét hoặc những chất dính khác bao quanh các hạt cát, tạo thành lớp màng bọc bảo đảm cho sự liên kết của chúng có ảnh h•ởng đến cấu trúc của hỗn hợp. Tổ chức của lớp màng bọc có thể điều chỉnh bằng các chất hoạt tính bề mặt, tinh bột và các chất phụ thêm khác tuỳ theo bản chất và mức độ tác dụng của chúng với thành phần lớp màng mà những chất này có thể làm giảm hay tăng độ bền, độ cứng của lớp màng, do đó sẽ ảnh h•ởng đến tính chất của hỗn hợp. Nguyên lý điều chỉnh tổ chức của hệ thống keo, trong đó bao gồm các loại đất sét, cát, hỗn hợp làm khuôn, ruột đã đ•ợc nghiên cứu kỹ trong ngành hoá keo và cơ học hoá lý. Sử dụng nguyên lý này cho phép ta hiểu sâu hơn, đầy đủ hơn những quá trình hình thành tổ chức, tạo ra đ•ợc những hỗn hợp làm khuôn, ruột mới và cải thiện đ•ợc những hỗn hợp đang đ•ợc dùng trong sản xuất. 1.1.1 Độ phân tán của cát và đất sét làm khuôn Hệ phân tán là hệ hai hay nhiều pha, trong đó một pha gồm những hạt rất nhỏ, riêng biệt (pha phân tán) đ•ợc phân bố trong một pha khác (môi tr•ờng phân tán). Hỗn hợp làm khuôn là hệ đa phân tán. Cát thạch anh thuộc loại vật liệu phân tán thô, còn đất sét làm khuôn thuộc loại vật liệu phân tán tinh, còn theo kích th•ớc hạt thì những vật liệu này thuộc hệ phân tán dạng keo. Độ phân tán của vật liệu đ•ợc xác định bằng tỷ số S D V (1.1 ) Trong đó: S - là diện tích bề mặt của các hạt; V - thể tích các hạt. Độ phân tán tỷ lệ nghịch với kích th•ớc dài của các hạt ( hình1. 1 ). Quá trình làm nhỏ các hạt của vật chất gọi là sự phân tán hoá, còn quá trình làm to thêm gọi là sự kết tụ. 20
Nếu coi hạt khoáng vật có dạng hình cầu thì bề mặt của chúng sẽ tỷ lệ thuận với bình ph•ơng bán kính ( S = 4 R2), còn thể tích thì tỷ lệ với lập ph•ơng bán 4 3 kính (V = 3 R ). Thay giá trị S và V vào công thức (1. 1) ta có: 3 D R (1. 2) Hình 1. 1. Quan hệ giữa độ phân tán D với kích th•ớc hạt của pha phân tán. I – Dung dịch thực; II – Hệ keo; III – Hệ phân tán tinh; IV – Hệ phân tán thô. Tr•ờng hợp khi các hạt cát có hình dạng bất kỳ thì độ phân tán đ•ợc xác định bằng công thức:  D (1. 3 )  Trong đó:  - hệ số hình dạng của các hạt;  - kích th•ớc lớn nhất của các hạt. Độ phân tán tăng rõ rệt khi chuyển từ hệ phân tán thô sang hệ phân tán tinh. Những hệ phân tán dạng keo có độ phân tán lớn nhất, trong những hệ này các hạt có kích th•ớc gần bằng kích th•ớc các phân tử. Giữa dung dịch thực và hệ phân tán dạng keo không có ranh giới rõ rệt. Ranh giới này phụ thuộc vào thành phần hoá học của các chất tạo thành pha phân tán và môi tr•ờng phân tán. 21
Môi tr•ờng phân tán là môi tr•ờng bất kỳ trong đó có phân bố những hạt của pha khác. Thí dụ, trong dung dịch nhũ t•ơng n•ớc + đất sét hay vữa làm chất dính trong hỗn hợp làm khuôn thì môi tr•ờng phân tán là n•ớc còn pha phân tán là các hạt đất sét. Bề mặt phân giới giữa pha phân tán và môi tr•ờng phân tán gọi là bề mặt phân giới giữa các pha. Giá trị bề mặt phân giới giữa các pha bằng bề mặt các hạt. Nh• vậy bề mặt phân giới giữa các pha tỷ lệ thuận với độ phân tán của các hạt. Nếu giữ nguyên hình dạng, khi kích th•ớc của các hạt giảm xuống bao nhiêu lần thì bề mặt của chúng tăng lên bấy nhiêu lần bình ph•ơng. Cát và đất sét thiên nhiên dùng trong sản xuất đúc gồm các hạt có kích th•ớc khác nhau. Thành phần độ hạt của cát đ•ợc xác định bằng ph•ơng pháp sàng trên rây, còn thành phần độ hạt của đất sét đ•ợc xác định bằng ph•ơng pháp lắng. Các hạt đ•ợc phân chia thành từng phần theo kích th•ớc. Hạt cát có dạng gần nh• hình cầu, hạt đất sét có dạng rất không đối xứng. Tỷ số giữa kích th•ớc lớn nhất và nhỏ nhất của đất sét cao lanh là (6  8):1, còn của đất sét mônmôrilônít (Al2(OH)2 Si4O10. nH2O) là (100  200) : 1. Phân loại các hệ phân tán. Theo trạng thái tồn tại của môi tr•ờng và pha phân tán, các hệ phân tán đ•ợc chia làm 3 nhóm: Lỏng L, Rắn R, Khí K. Hệ phân tán đ•ợc ký hiệu bằng các chữ ( t•ơng ứng với trạng thái tồn tại của môi tr•ờng và pha phân tán) với các chỉ số kèm theo. Chỉ số 1 ký hiệu cho pha phân tán, chỉ số 2 cho môi tr•ờng phân tán. Thí dụ: L1/L2 biểu thị dung dịch nhũ t•ơng giữa 2 chất lỏng, ví dụ dầu trong n•ớc; R1/L2 biểu thị dung dịch huyền phù, ví dụ đất sét trong n•ớc. Theo c•ờng độ tác dụng giữa các phân tử trên bề mặt phân chia các pha thì các hệ phân tán có thể chia ra hệ phân tán tự do và hệ phân tán liên kết. Hệ phân tán tự do gọi là các chất keo, hệ phân tán liên kết gọi là các gel. Quá trình chuyển từ gel thành keo gọi là sự pepty hoá, quá trình ng•ợc lại gọi là sự đông tụ. đông tụ Hệ phân tán Hệ phân tán t ự d o - k e o  pepty hoá  liên kết - gel 22
Thí dụ keo có thể là chất sơn khuôn vừa chế tạo xong. Sau một thời gian sơn đặc lại do liên kết giữa các hạt của pha phân tán với nhau tạo mạng không gian dày đặc (khung), điều đó phù hợp với sự chuyển keo thành gel. Khuấy đảo sơn tr•ớc khi dùng sẽ phá vỡ gel, làm giảm độ nhớt, làm sơn có khả năng bao phủ tốt. Sự tạo thành gel một cách nhanh chóng sau khi quét sơn lên những mặt đứng của ruột sẽ loại trừ đ•ợc hiện t•ợng chảy giọt của sơn, điều đó làm cho mặt vật đúc sạch, phẳng và nhẵn bóng. 1.1.2 Lực phân tử ở bề mặt phân giới giữa các pha Lực phân tử f1 và f2 tác dụng vào một phần tử vật chất nằm trong thể tích của chất ấy là bằng nhau. Hợp lực của những lực này bằng không (hình 1. 2, a). Hình 1. 2 - Sơ đồ tác dụng của các lực phân tử a - bên trong pha;  - ở bề mặt phân giới các pha Những phần tử nằm ở bề mặt của một chất (pha) chịu lực hút một chiều (hình 1. 2, ). Nh• vậy bề mặt phân giới giữa 2 pha là nguồn gốc của tr•ờng lực phân tử do sự không triệt tiêu các lực phân tử ở các lớp bề mặt giữa các pha h1 và h2. Đơn vị c•ờng độ của tr•ờng lực phân tử này là sức căng bề mặt giữa các pha  (N/m) - năng l•ợng d• trên 1cm2 diện tích phân giới của pha. Độ phân tán của vật liệu tăng thì bề mặt phân giới S của các pha tăng và năng l•ợng F của lớp bề mặt dV cũng tăng. Năng l•ợng d• ở lớp bề mặt khi nhiệt độ và áp suất không đổi đ•ợc xác định theo công thức: F = . S (1. 4 ) Hệ thống sẽ bền vững trong điều kiện đã cho nếu năng l•ợng của nó là nhỏ nhất. Vì thế hệ phân tán có xu h•ớng tự giảm năng l•ợng bề mặt. Sự thay đổi năng l•ợng của lớp bề mặt đ•ợc biểu thị bằng ph•ơng trình: 23
F = .dS + S.d (1. 5 ) Nh• vậy muốn giảm năng l•ợng của lớp bề mặt cần phải: - Giảm diện tích bề mặt phân giới pha khi sức căng bề mặt không đổi - Hoặc thay đổi sức căng bề mặt khi diện tích không đổi. Các quá trình thay đổi thứ nhất có thể xảy ra ở lớp bề mặt là các quá trình tự phát làm giảm bề mặt đến mức nhỏ nhất. Thí dụ nh• xu h•ớng các giọt n•ớc tiến đến dạng cầu, hiện t•ợng thấm •ớt và không thấm •ớt các bề mặt, sự sinh ra áp suất mao dẫn. Các quá trình thay đổi thứ 2 là quá trình hấp phụ làm giảm sức căng bề mặt. Hiện t•ợng thấm •ớt và không thấm •ớt các bề mặt Xu h•ớng giảm năng l•ợng tự do f đến cực tiểu bằng cách giảm bề mặt phân giới pha trong hệ thống gồm vật thể rắn 3, chất lỏng 1 và chất khí 2 (hình 1. 3) sẽ f dẫn đến sự xuất hiện lực 12 = L , thẳng góc với đ•ờng chu vi phân giới lỏng rắn L và tiếp tuyến với bề mặt phân giới pha lỏng. Khi thấm •ớt không hoàn toàn, bề mặt chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn theo một đ•ờng gọi là chu vi thấm •ớt và tạo thành với bề mặt ấy một góc mép . Cos là đơn vị đo sự thấm •ớt, vì nó liên quan với ba sức căng bề mặt: 12, 31, 32 tác dụng lên một đơn vị chiều dài của chu vi giọt. 32 - 31 = 12 cos  32  31 Từ đó suy ra: cos (1. 6) 12 Hình 1. 3. Sơ đồ tác dụng của lực sức căng bề mặt trong hệ vật thể rắn - lỏng - khí: 1 - lỏng, 2 - khí, 3 - vật rắn 24
0 Khi  31) bề mặt đ•ợc n•ớc thấm •ớt tốt hơn loại chất lỏng vô cực hyđrô cacbon; những bề mặt nh• thế gọi là bề mặt •a n•ớc. 0 Khi  > 90 (31 > 32) bề mặt đ•ợc n•ớc thấm •ớt kém hơn chất lỏng hyđrô cacbon, những bề mặt này gọi là những bề mặt kỵ n•ớc. Nh• vậy cùng một bề mặt, n•ớc có thể thấm •ớt nh•ng dầu hoặc các chất lỏng khác lại không thấm •ớt. Thí dụ trên bề mặt các hạt thạch anh n•ớc thấm •ớt tốt, dầu thấm •ớt kém, nh•ng dầu lại loang ra (thấm •ớt) một cách dễ dàng theo bề mặt của n•ớc. Ng•ời ta chú ý đến hiện t•ợng này khi quyết định thứ tự đổ các thành phần của hỗn hợp vào các máy trộn. áp suất mao dẫn ở bất kỳ bề mặt cong phân giới của pha lỏng đựng trong bình cũng có chỗ đột biến của áp suất thuỷ tĩnh, hiện t•ợng này gây ra bởi sức căng bề mặt, nó xác định tính chất của áp suất mao dẫn. Đại l•ợng của áp suất mao dẫn P tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt 12 và tỷ lệ nghịch với bán kính r0 của ống mao dẫn: 2 P 12  (1. 7) r0 Nhờ đó những chất lỏng thấm •ớt sẽ tự dâng lên trong ống mao dẫn đến độ cao h (Hình 1. 4), còn những chất lỏng không thấm •ớt thì không xâm nhập vào ống mao dẫn. Chiều cao dâng lên của chất lỏng trong ống mao dẫn tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt 12, cos  và tỷ lệ nghịch với hiệu số tỷ trọng của chất lỏng 1 và hơi bão hoà 2 của nó, với bán kính ống mao dẫn r0 và gia tốc trọng tr•ờng g: 212 cos h (1. 8) ( 1 2 ).r0.g Hình 1. 4. Sơ đồ của sự thấm •ớt mao dẫn 25
áp suất mao dẫn và sự thấm •ớt ảnh h•ởng đến sự tạo thành cát cháy trên bề mặt vật đúc. Thép lỏng thấm •ớt các bề mặt hạt thạch anh kém, nh•ng các ôxít sắt lại thấm •ớt bề mặt thạch anh tốt. Nhờ có áp suất mao dẫn những ôxít này ở trạng thái lỏng trên bề mặt vật đúc sẽ thấm sâu vào những lỗ rỗng giữa các hạt cát; cùng với chúng gây ra phản ứng hoá học tạo ra liên kết vững chắc trên bề mặt vật đúc, điều đó là giảm độ sạch bề mặt vật đúc. Hấp phụ là sự thay đổi nồng độ của chất hoà tan ở lớp bề mặt. Khi có những phân tử của thành phần thứ 3 (những chất hoạt tính bề mặt ) đ•ợc hấp phụ ở lớp bề mặt thì sẽ xảy ra quá trình giảm tự phát sức căng bề mặt. Sự liên quan giữa hấp phụ D với sự giảm sức căng bề mặt d đ•ợc biểu diễn bằng ph•ơng trình Gibbs: C d D .  RT dC (1. 9) Trong đó: C - nồng độ chất hoạt tính bề mặt trong môi tr•ờng phân tán; R - hằng số khí; T - nhiệt độ tuyệt đối. d G Đại l•ợng dC là th•ớc đo độ hoạt tính bề mặt của một chất. Nếu d  0 dC thì chất đó là chất hoạt tính bề mặt và sẽ đ•ợc hấp phụ ở bề mặt phân d 0 giới. Nếu dC thì đó là chất khử hoạt tính bề mặt và nó sẽ gây ra sự tăng sức căng bề mặt; vì vậy những chất này sẽ không bị hấp phụ ở bề mặt phân giới pha. Những hợp chất hoá học thuộc các chất hoạt tính bề mặt bao gồm nhóm phân cực và phần vô cực. Các nhóm phân cực OH, COOH v.v là những chất mang mô men l•ỡng cực. Những phân tử vô cực của các chất hoạt tính bề mặt có tr•ờng lực phân tử yếu và là những mạch hyđrô cacbon bao gồm các nhóm CH2. Nhóm phân cực có ái lực lớn với các pha phân cực. Cá biệt nhóm này có thể bị hút vào trong n•ớc, còn mạch hyđrô vô cực sẽ bị đẩy ra khỏi n•ớc (hình 1.5). Ng•ời ta hay dùng các axít béo để làm các chất hoạt tính bề mặt. Sự giảm sức căng bề mặt phụ thuộc cả vào nồng độ lẫn trọng l•ợng phân tử của axít béo Trọng l•ợng phân tử tăng thì c•ờng độ giảm, sức căng bề mặt tăng. 26
Hình 1. 5: Sơ đồ phân bố các chất hoạt tính bề mặt trên mặt n•ớc. Trong một số tr•ờng hợp lớp bão hoà hấp phụ là lớp đơn phân tử, nghĩa là chỉ có một lớp các phân tử đ•ợc liên kết bằng lực liên kết phân tử với bề mặt phân giới, còn thông th•ờng tồn tại một lớp chuyển tiếp bề mặt giữa các pha có chiều dày nhỏ hơn 0,1 m. Ng•ời ta ứng dụng rộng rãi sự hấp phụ và tác dụng của các chất hoạt tính bề mặt trong qúa trình chế tạo hỗn hợp làm khuôn, ruột với những tính chất công nghệ cho tr•ớc. Thí dụ cho thêm các chất hoạt tính bề mặt trong một số tr•ờng hợp sẽ làm tăng độ bền của hỗn hợp ở trạng thái ẩm, hoặc trong một số tr•ờng hợp khác lại làm hỗn hợp chảy nh• chất lỏng. Trên cơ sở những chất hoạt tính bề mặt mà ng•ời ta đã chế tạo đ•ợc những hỗn hợp chảy lỏng tự đông cứng, cho phép cơ khí hoá đ•ợc quá trình nặng nhọc chế tạo các ruột lớn trong sản xuất đơn chiếc hay hàng loạt. 1.1.3 Tổ chức và những tính chất của các lớp bề mặt giữa các pha Những lớp hấp phụ ở bề mặt phân giới giữa hai pha có thể đ•ợc tạo thành do sự hấp phụ các phân tử hay các ion. Những lớp hấp phụ phân tử hay ion có bản chất khác nhau, do đó chúng cũng có tổ chức và tính chất khác nhau. Các lớp hấp phụ phân tử do các chất hoạt tính bề mặt tạo thành, có thể có chiều dày từ 1 phân tử đến 0,1 m. Những chất hoạt tính bề mặt tạo thành lớp hấp phụ thể gel cho chiều dày lớn hơn. Những chất hoạt tính bề mặt này là những chất keo •a dung môi, trong đó pha phân tán bị môi tr•ờng phân tán thấm qua, nghĩa là hệ thống giống nh• chỉ có 1 pha. Các loại keo •a dung môi là các chất prôtêin, xà phòng kiềm trong n•ớc, các chất nhựa và xà phòng kim loại trong dầu. Khi nồng độ thấp những chất keo •a dung môi không tạo đ•ợc các cấu trúc không gian mà chỉ làm thay đổi một chút độ nhớt trong thể tích của môi tr•ờng phân tán. Khi tập trung ở bề mặt phân giới giữa các pha, chúng tạo nên các lớp hấp phụ 27
có độ nhớt kết cấu cao, còn khi bão hoà lớn có độ đàn hồi và độ bền tr•ợt. Lớp hấp phụ này ở dạng keo tụ bọt khi tách khỏi bề mặt các hạt. Những keo •a dung môi tạo nên các lớp hấp phụ có các tính chất kết cấu cơ học riêng với tính ổn định mạnh, ngăn trở sự liên kết các hạt lại với nhau, nghĩa là ngăn trở sự kết tụ của hệ thống. Sự ổn định của hệ thống keo đạt đ•ợc, thứ nhất là do sự giảm sức căng bề mặt ở các hạt đến trị số sức căng bề mặt của môi tr•ờng phân tán, thứ hai là do các lớp hấp phụ có độ nhớt cao và có khả năng làm tắt động năng chuyển động Braw của các hạt. Năng l•ợng nhiệt động của các hạt không đủ để chọc thủng các lớp hấp phụ có độ nhớt cao. Tính chất làm ổn định các hạt của keo •a dung môi th•ờng đ•ợc ứng dụng để chế tạo các chất sơn, các loại vữa trát. Trong thành phần của các chất sơn, vữa trát phải có keo dextrin (một biến thể của tinh bột) hoặc một chất hữu cơ khác rẻ hơn (nh• mật, keo pectin). Các chất keo •a dung môi khi hấp phụ trên mặt đất sét sẽ ổn định chúng, ngăn không cho lớp sơn bị phân lớp thành pha rắn và pha lỏng một cách quá nhanh. Do sự liên kết phân tử của môi tr•ờng lỏng với bề mặt các hạt và do sự bền vững nhiệt động học của các lớp mỏng chất lỏng giữa các hạt của pha phân tán (mà ta gọi là những lớp màng dung hợp ) làm cho bản thân môi tr•ờng phân tán cũng có tính chất làm ổn định các hạt đến một chừng mực nhất định. Tính chất trên của môi tr•ờng phân tán do B.V. Deriagin tìm ra và đ•ợc gọi là áp suất dãn. áp suất dãn Px sẽ bằng 0 ở khoảng cách giữa các hạt x= 0,1- 0,01m (hình1.6, a). áp suất này sẽ tăng khi các hạt sát lại gần nhau và khi lớp đệm của môi tr•ờng giữa chúng giảm đi. Khi các hạt tiếp xúc sát lại nữa thì lớp đệm của môi tr•ờng sẽ tự mỏng đi nhiều và chỉ còn nh• một lớp màng đơn phân tử để liên kết. Độ •a dung môi của hệ thống tăng thì chiều dày của lớp màng dung hợp cũng tăng; bằng áp suất dãn những màng này sẽ làm cân bằng lực có xu h•ớng đ•a các hạt sát lại gần nhau. Sự •a dung môi của bề mặt các hạt của pha phân tán đạt đ•ợc bằng cách tạo thành một lớp hấp phụ các chất hoạt tính bề mặt để làm thay đổi bản chất bề mặt các hạt phân tán, hoặc bằng cách hấp phụ ion để tạo nên lớp màng điện kép. Lớp màng ion, do lực tĩnh điện sẽ làm xuất hiện áp suất dãn. 28
Hình 1. 6. Sơ đồ cấu tạo của các lớp ion hấp phụ I và khuếch tán II trên mặt các hạt rắn 1 trong môi tr•ờng lỏng 2 và sự xuất hiện áp suất dãn Px. Lớp hấp phụ ion xuất hiện khi trong môi tr•ờng phân tán có chứa những ion nằm trong thành phần các hạt của pha rắn. Những ion này thiết lập nên mạng tinh thể và tạo nên điện thế trên mặt các hạt. Con đ•ờng thứ hai làm xuất hiện điện thế có liên quan với sự phân ly các phần tử trên bề mặt của các hạt pha rắn thành ion trong môi tr•ờng lỏng và sự dịch chuyển một phần các ion vào trong dung dịch. Điện thế trong keo axit silic cũng sinh ra bằng cách nh• vậy. Những phần tử + H2SiO3 trên bề mặt phân ly thành các ion H chuyển vào môi tr•ờng lỏng (vào 2 n•ớc), còn các ion Si O3 do liên kết với bề mặt các hạt vững hơn nằm lại trong pha rắn. Điện tích của bề mặt các hạt đ•ợc điều hoà bởi các ion khác dấu nằm trong môi tr•ờng lỏng tạo thành một lớp mang điện kép (hình 1. 6, ). Lớp ion mang điện tích âm sẽ sinh ra trên bề mặt một điện thế 12. Một phần các ion khác dấu mang điện tích d•ơng sẽ sát nhập với lớp ion hấp phụ tạo điện thế . Lớp ion hấp phụ này có chiều dày  liên kết vững chắc với bề mặt của pha phân tán. Phần còn lại của các ion d•ơng nằm trong môi tr•ờng phân tán và phân bố theo đ•ờng cong khuếch tán. Có thể hình dung cấu tạo các phần tử keo nh• sau, thí dụ axit silic: ở lớp bề mặt của tập hợp m phân tử H2SiO3 không hoà tan trong n•ớc, có n phân tử + + H2SiO3 phân ly ra (2n-x) ion H tạo thành lớp hấp phụ, còn x ion H sẽ tạo nên lớp khuếch tán. 2 + + [mH2SiO3 . nSiO 3 (2n - x) H ] xH 29
Cả hai lớp hấp phụ và khuéch tán sẽ tạo lớp màng dung hợp của các phần tử keo. Hệ thống nằm trong dấu [ ] là đơn vị động học mang điện tích mà trong tr•ờng hợp này mang điện tích âm  = 12 - . Hệ thống bao gồm các phân tử H2SiO3, lớp hấp phụ và lớp khuếch tán gọi là hệ mixen (hình 1. 7) Hình 1. 7. Sơ đồ cấu tạo mixen của axít silic: I - Lớp hấp phụ; II - Lớp khuếch tán của các ion. Những ion nằm trong thành phần của các lớp hấp phụ và khuếch tán có thể bị các ion cùng dấu của một nguyên tố khác thay thế. Thí dụ, ion H+ có thể bị các ion Na+, K+, Ca2+ v.v. thay thế. Khi đó thế điện động  của các hạt bị thay đổi. Hiện t•ợng này gọi là sự trao đổi ion. Sự trao đổi ion ở bề mặt phân giới các pha tuân theo quy luật tác dụng của các chất: D C 1 K 1 (1.10) D 2 C 2 Trong đó: D1 và D2 - nồng độ các ion trên bề mặt các hạt pha rắn, C1 và C2 - nồng độ cũng của các ion đó trong dung dịch, K - hệ số tỷ lệ. Tỷ số số l•ợng các ion bị hấp phụ tỷ lệ thuận với tỷ số nồng độ cân bằng cũng của các ion đó trong dung dịch. Những ion của lớp hấp phụ không hoàn toàn bị thay thế mà chỉ thay thế một phần bởi các ion khác. Trên thực tế có sự sai lệch so với định luật tác dụng khối l•ợng. Đó là do số l•ợng ion bị hấp phụ trong quá trình trao đổi phụ thuộc vào hoá trị và thể tích thuỷ động lực của nó, tức là thể tích của ion cùng với màng hyđrát bao bọc xung quanh nó. Sự hấp phụ ion sẽ tăng khi hoá trị của các ion tăng, nh•ng đối với các 30
ion cùng hoá trị thì sự hấp phụ sẽ tăng khi trọng l•ợng nguyên tử tăng. Những tính chất nói trên của các lớp ion hấp phụ đ•ợc thể hiện rất rõ khi những khoáng chất đất sét bentônit - loại đất sét dùng làm chất dính trong hỗn hợp làm khuôn tác dụng với n•ớc. Bentônit có những ion có khả năng thay thế. Xử lý bentônit bằng các chất kiềm thì có thể thay một số ion trong mạng tinh thể của nó bằng các ion khác. Thí dụ, nếu bentônit - Ca có thể liên kết đ•ợc với gần 200% n•ớc theo trọng l•ợng bentônit, thì khi thay các ion Ca2+ bằng ion Na+ l•ợng n•ớc liên kết tăng lên đén 500%. Tính chất của các bentônít - Na tạo thành các lớp khuếch tán làm cản trở sự liên kết của các hạt đ•ợc ứng dụng rộng rãi trong nghành đúc. Bentônit -Na làm chất ổn định trong thành phần của các chất sơn khuôn. Nó ngăn không cho sơn bị phân lớp thành chất phủ chịu lửa và chất hoà tan (n•ớc). Trong những dung dịch huyền phù đất sét đặc (vữa) sự thay thế hoàn toàn bằng các ion Li+ và Na+ không ngăn đ•ợc sự tạo thành các tổ chức bền vững, vì n•ớc của những lớp ion khuếch tán kép trở thành liên kết kém và thực tế là n•ớc tự do. Sự thay phức chất trao đổi ion bentônít không làm ảnh h•ởng tới độ bền của hỗn hợp ở trạng thái ẩm đã khẳng định vấn đề trên. Song độ bền của hỗn hợp làm khuôn ở trạng thái ẩm có thể tăng lên khi có tác dụng của các chất hoạt tính (natri cácbonat, các chất kiềm) làm giảm kích th•ớc của các hạt đất sét, nghĩa là làm tăng độ phân tán của hệ thống. Những chất hoạt tính bề mặt hấp phụ trên bề mặt các hạt có thể làm thay đổi rõ rệt bản chất của bề mặt phân giới các pha. Thí dụ, những bề mặt rắn •a n•ớc dễ bị n•ớc thấm •ớt có thể trở thành kỵ n•ớc (không bị n•ớc thấm •ớt). Những phân tử của các chất hoạt tính bề mặt biến bề mặt thành kỵ n•ớc bằng cách h•ớng các nhóm phân cực về phía mặt phân cực •a n•ớc và các mạch hyđrôcácbon về h•ớng ng•ợc lại. Nếu đem nhỏ n•ớc vào bề mặt này sẽ không bị thấm •ớt nữa, điều này thể hiện bằng sự thay đổi góc biên thấm •ớt. Hiện t•ợng kỵ n•ớc hoá th•ờng đ•ợc ứng dụng trong thực tế. Thí dụ, đem phun dung dịch mazut trong dầu hoả lên bề mặt mẫu để làm giảm sự dính bám của hỗn hợp làm khuôn. Màng hyđrô các bon trên bề mặt sẽ ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp và sự liên kết các phân tử của n•ớc với kim loại. Cũng với mục đích t•ơng tự nh• vậy ng•ời ta cho vào hỗn hợp làm khuôn đến 0,5% mazut. Trong hỗn hợp làm khuôn mazut nằm ở bề mặt các màng n•ớc của vỏ đất sét bao quanh các hạt cát. Mazut dễ dàng bị đẩy vào những chỗ tiếp xúc giữa các hạt, điều đó 31
làm giảm chút ít độ bền của hỗn hợp ở trạng thái ẩm, nh•ng lại giảm đ•ợc độ dính bám, bởi vì giữa màng n•ớc và kim loại cũng có một lớp đệm hyđrô cacbon. Các bề mặt ban đầu kỵ n•ớc có thể trở thành •a n•ớc bằng cách hấp phụ các chất hoạt tính bề mặt từ các dung dịch n•ớc. Tác dụng •a dung môi hoá (•a n•ớc hoá) đ•ợc ứng dụng khi sản xuất những chất dính phức tạp C  và CÁ mà trong thành phần của chúng có chứa các chất dính có n•ớc (n•ớc bã giấy) và chất dính khan ( T, mỡ dầu hoả đã ôxy hoá). Các chất dính C  và CÁ là chất nhũ t•ơng trong đó các giọt dầu và n•ớc đ•ợc những phần tử n•ớc bã giấy làm ổn định. Do sự thay đổi về bản chất bề mặt phân giới nên sự liên kết của những giọt nhỏ dầu với n•ớc bị chậm lại rất nhiều 1.1.4. Sự hình thành tổ chức trong các hệ phân tán Theo cơ tính thì hệ phân tán trong đó gồm có đất sét bentôtnít làm khuôn, hỗn hợp khuôn, chất sơn khuôn và vữa chiếm vị trí trung gian giữa chất rắn và chất lỏng. Chúng gần với chất này hay chất kia là tuỳ theo mức độ phát triển và độ bền liên kết của các hạt của pha phân tán ở những chỗ tiếp xúc tạo thành mạng tổ chức không gian. Mạng tổ chức làm cho cả hệ thống phân tán có độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo và độ dai. Những cơ tính này thay đổi đ•ợc xác định bởi bản chất của các chất tạo thành hệ phân tán ấy, bởi sự tác dụng lẫn nhau giữa pha phân tán và môi tr•ờng phân tán, cũng nh• liên kết phân tử của các hạt ở những chỗ tiếp xúc. Theo cơ học hoá lý hệ phân tán đ•ợc chia thành 2 nhóm lớn: 1) Những hệ không có tổ chức, trong đó các phần tử của pha phân tán không liên kết với nhau; 2) Những hệ có tổ chức có mạng không gian dày đặc. Về ph•ơng diện cơ học thì những hệ không có tổ chức là những chất lỏng có độ nhớt cao. Sự tăng t•ơng đối của độ nhớt tỷ lệ thuận với tỷ số giữa thể tích của các hạt của pha phân tán bao gồm cả những vỏ dung hợp bao quanh chúng với thể tích chung của cả hệ và đ•ợc biểu diễn bằng ph•ơng trình Enstin.  0 V1 K. (1.11)  V0 Trong đó:  - độ nhớt của hệ phân tán, 32
0 - độ nhớt của môi tr•ờng phân tán, V1 - thể tích của pha phân tán, V0 - thể tích của môi tr•ờng phân tán, K - hệ số phụ thuộc vào hình dạng của các hạt. Cho thêm các chất hoạt tính bề mặt làm chất ổn định thì có thể làm tăng nồng độ tới hạn của các hạt lên rất nhiều mà khung mạng cấu trúc vẫn không tạo thành. Khi ổn định hoàn toàn, nồng độ tới hạn này t•ơng ứng với sự lấp đầy tới hạn thể tích của môi tr•ờng phân tán. Có thể lấy các hỗn hợp làm khuôn lỏng tự đông cứng làm ví dụ. Các hệ có tổ chức đ•ợc phân biệt theo các tính chất cơ học chất rắn phát triển mạnh hay yếu. Các hạt liên kết với nhau tạo thành một thể thống nhất, trong đó chứa toàn bộ thể tích của môi tr•ờng phân tán. Hệ không bị phân lớp thành 2 pha và bền vững cả với thời gian, cả với tác dụng bên ngoài. Sự tạo thành những khung mạng cấu trúc là cơ sở của cơ cấu liên kết các hạt ở những chỗ tiếp xúc, song các tâm đông tụ không đ•ợc phân bố đều theo bề mặt các hạt. Ng•ời ta cho rằng, lực phân tử tập trung ở các góc cạnh, những chỗ lồi lõm, h• hỏng của các tinh thể, vì ở những chỗ đó có độ cong bề mặt lớn nhất và có sự tập trung năng l•ợng tự do lớn nhất. Tại đó màng dung hợp hấp phụ của môi tr•ờng phân tán cũng dễ bị phá vỡ nhất. Độ dai hiệu quả của tổ chức này không ngừng giảm xuống theo sự tăng của tốc độ tr•ợt, điều đó có liên quan đến sự phá huỷ của tổ chức. Trong tr•ờng hợp đơn giản nhất, sự thay đổi độ dai hiệu quả  tuân theo định luật Bingam: P0  0 (1.12)  Trong đó: 0 - độ dai phá hủy tới hạn của tổ chức, P0 - ứng suất tr•ợt tới hạn,  - tốc độ biến dạng. Tính chất chung của các tổ chức phân tán là tính xúc biến, tức là khả năng của tổ chức tự phục hồi dần dần các tính chất cơ học sau sự phá huỷ cơ học. Tổ chức đ•ợc phục hồi là do các phần tử trong chuyển động Brao gặp nhau một cách thuận lợi. L•ợng xúc biến có thể đ•ợc đặc tr•ng bằng các đ•ờng cong của sự tăng 33
mô đun đàn hồi khi tr•ợt, của ứng suất tr•ợt tới hạn và của sự thay đổi chu kỳ tích thoát theo thời gian. Những đ•ờng cong này đặc tr•ng cho sự phát triển của mạng cấu trúc. Giá trị cực đại của độ bền và của môđun đàn hồi khi tr•ợt t•ơng ứng với giới hạn của sự phát triển mạng cấu trúc. Cơ tính của các hệ phân tán đ•ợc quyết định bởi hai nguyên nhân sau: 1) Do sự liên kết phân tử của các hạt của pha phân tán ở những chỗ tiếp xúc, điều đó t•ơng ứng với sự đẩy toàn bộ các lớp đệm của môi tr•ờng phân tán ra khỏi những chỗ ấy và t•ơng ứng với sự kết tụ vững nhất. 2) Những màng dung hợp của môi tr•ờng phân tán khi có độ dày nhỏ thì không những có d• năng l•ợng tự do mà còn đạt tới những tính chất thể rắn. Mô đun đàn hồi khi tr•ợt, nghĩa là độ cứng vững của các màng đó, sẽ tăng một cách đột biến khi giảm chiều dày từ 0,6 m đến 0,2 m. Nh• vậy, nếu các hạt của pha phân tán đ•ợc ngăn cách bằng các màng mỏng của môi tr•ờng phân tán lỏng thì toàn hệ có thể có đ•ợc một độ cứng vững và độ bền cơ học nào đó do những tính chất thể rắn của lớp đệm giữa các hạt. Điều khiển những tính chất cơ học cấu trúc của các hệ phân tán bằng các chất hoạt tính bề mặt thì có thể có đ•ợc hỗn hợp làm khuôn, ruột với các tính chất cho tr•ớc. Dựa trên nguyên tắc ấy mà ng•ời ta chế tạo ra những hỗn hợp làm khuôn có độ ẩm thấp với độ thoát hơi, dộ dẻo và độ bền cao. Để thay đổi tổ chức các màng dung hợp của những phần tử đất sét ng•ời ta cho vào hỗn hợp làm khuôn các chất prôtêin (dextrin, mật đ•ờng) có khả năng tạo thành những dung dịch keo có độ nhớt cao. Liên kết với n•ớc tự do của các màng dung hợp, các chất prôtêin nâng cao độ bền, độ dẻo của hỗn hợp và do đó làm giảm độ ẩm chung. Đem hoạt tính hoá n•ớc bằng các chất hoạt tính bề mặt có thể làm giảm tiếp độ ẩm của hỗn hợp. Các phân tử của các chất hoạt tính bề mặt làm yếu sức căng bề mặt của các hạt và mức độ liên kết của n•ớc trong màng dung hợp do đó có thể giảm l•ợng n•ớc nhiều hơn nữa mà không làm giảm tính dẻo của hỗn hợp đi nhiều. Trong các hỗn hợp làm khuôn lỏng tự đông cứng, những phần tử của các chất hoạt tính bề mặt làm giảm lực tác dụng t•ơng hỗ giữa các phần tử đến mức các hạt bị mất khả năng tạo thành khung mạng không gian cứng 34
vững, vì vậy các hạt trong hỗn hợp có thể dịch chuyển một cách tự do và hỗn hợp đạt đến tính chất của chất lỏng - tính chẩy loãng. Điều đó làm thay đổi cơ bản công nghệ chế tạo ruột, hỗn hợp ruột không phải đầm mà rót vào hộp ruột. Nhờ những chất thêm đặc biệt mà hỗn hợp có thể tự cứng lại tạo thành ruột trong hộp. Hỗn hợp lỏng tự khô giảm đ•ợc sức lao động nặng nhọc khi chế tạo ruột, nâng cao năng suất lao động. 1.2. Cát làm khuôn Loại vật liệu chủ yếu đáp ứng đ•ợc các yêu cầu và điều kiện làm việc của khuôn đúc là cát thạch anh nguyên chất, nó bao gồm các hạt SiO2 có kích th•ớc và hình dạng nhất định. ít khi thấy cát thạch anh nguyên chất trong thiên nhiên, thông th•ờng trong cát thạch anh có chứa các tạp chất khác nhau mà chủ yếu là các oxit kim loại (Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, Fe2O3 ) Cát và đất sét làm khuôn là những trầm tích của mỏ nham thạch. Chúng đ•ợc tạo thành là do sự lắng đọng liên tiếp các sản phẩm khoáng chất, sự phong hoá những trầm tích trong các môi tr•ờng dung dịch khác nhau. Cát và đất sét làm khuôn đ•ợc khai thác ở những mỏ riêng bằng ph•ơng pháp lộ thiên. Nếu cát có lẫn tạp chất hay thành phần hạt không đều phải tiến hành làm giầu cát. 1.2.1 Thành phần khoáng chất của cát làm khuôn Ngoài thạch anh là thành phần chủ yếu của cát còn có một số các khoáng chất khác nhau nh• fenspat, mica, các ôxit và hyđrôxit sắt, canxit 3 Thạch anh là hợp chất hóa học SiO2 có khối l•ợng riêng là 2,5  2,8 g/cm . Nhiệt độ nóng chảy của thạch anh là 17130C. Mầu của thạch anh phụ thuộc vào tạp chất chứa trong nó, có thể là không mầu hay mầu xám, vàng, đen và các màu sắc khác. Khi nung nóng thạch anh chuyển sang dạng thù hình khác có kèm theo sự thay đổi thể tích. ở 5730C thạch anh chuyển thành thạch anh  và thể tích thay đổi 2,4%, ở 8700C thạch anh  chuyển thành  - triđimit với sự thay đổi thể tích là 15,1%. ở 14700C  - triđimit chuyển thành  - cristôbalit và thể tích thay đổi là 4,7%. ở 17430C  - cristôbalit nóng chảy và thể tích thay đổi 0,1%. Fenspat (MeO.Al2O3.6SiO2) th•ờng có các loại fenspat natri và fenspat natri-canxit. 35
So với thạch anh fenspat có độ cứng thấp hơn, nhiệt độ nóng chảy là 1170 - 15500C, độ nở nhiệt ở 10000C đến 2,75%. Cát thạch anh fenspat th•ờng có hàm l•ợng SiO2 90%. Mica. Trong thiên nhiên phổ biến nhất là loại mica kali trắng K2O.3Al2O3. 6SiO2.H2O – muscôvit và mica sắt - manhêzit đen K2O.6(Mg,Fe)O.Al2O3. 3 6SiO2.2H2O - biôtit. Mica có khối l•ợng riêng khoảng 2,7  3,2 g/cm , nhiệt độ nóng chảy không cao lắm 1150  14000C, độ nở nhiệt ở 10000C là 1,55%, mica làm giảm độ chịu lửa của cát. Các ôxit sắt 3 Th•ờng gặp Fe2O3 (hêmatít) có khối l•ợng riêng 5  5,3 g/cm , có nhiệt độ 0 nóng chảy 1560 C và bền vững trong điều kiện oxi hoá. FeO.Fe2O3 (manhêtít) có 3 0 khối l•ợng riêng 4,9  5,2 g/cm , nhiệt độ nóng chảy 1540 C. FeO.TiO2 ( inmenit) và các tạp chất khác có khối l•ợng riêng 4,72g/cm3. Các hyđrôxit sắt (nFe2O3 xH2O) Tuỳ theo hàm l•ợng n•ớc ng•ời ta phân các hyđrôxit sắt ra một số dạng khác nhau. Các hyđrôxit này không bền vững, khi bị nung nóng sẽ mất n•ớc làm giảm các tính chất của cát và có khả năng tạo thành các hợp chất silicat dễ chảy gây sự cháy dính cát trên vật đúc. Các cacbonnat làm giảm độ chịu lửa của cát làm khuôn, sự phân huỷ của cacbonnat khi nung nóng đến 500  9000C có khả năng tạo thành các khuyết tật khác nhau trong vật đúc. Trong thành phần của cát th•ờng chứa canxit (CaCO3), manhêzit (MgCO3), đôlômit (CaCO3. MgCO3), xiđerit (FeCO3) Các khoáng chất đất sét trong cát làm khuôn th•ờng gặp một số loại đất sét nh•: kaolinit hay còn gọi là cao lanh, illit hay thuỷ mica (sản phẩm trung gian của sự phân hoá từ mica thành kaolinit) và mônmôrilônit còn gọi là bentônit. 1.2.2 Thành phần độ hạt Thành phần độ hạt có ảnh h•ởng đến tính chất công nghệ của hỗn hợp làm khuôn. Toàn bộ các hạt có kích th•ớc nằm trong cùng một khoảng gọi là nhóm hạt của cát hay hỗn hợp. Nhóm hạt mà trong đó các hạt có kích th•ớc tiết diện nhỏ hơn 22 m đ•ợc gọi là nhóm hạt gốc đất sét (thành phần đất sét). Tổng hợp các hạt của các nhóm hạt lớn hơn 22 m đ•ợc gọi 36
là nhóm hạt gốc cát. Độ hạt và hình dạng bề mặt của cát có ý nghĩa quan trọng hơn cả. Ngoài ra l•ợng các hạt lớn và nhỏ trong toàn bộ khối l•ợng cát cũng ảnh h•ởng đến tính chất của hỗn hợp làm khuôn. Kích th•ớc các hạt đ•ợc xác định bằng ph•ơng pháp sàng qua bộ rây thí nghiệm. Ph•ơng pháp này gọi là ph•ơng pháp phân tích bằng rây và dùng để tách các hạt cát thành các nhóm theo kích th•ớc độ hạt. Các hạt cát nhỏ đ•ợc tách ra bằng ph•ơng pháp lắng dựa trên tốc độ lắng khác nhau của các hạt trong chất lỏng. Tr•ớc khi xác định thành phần độ hạt cần phải tách sơ bộ đất sét trong thành phần của cát ra khỏi các hạt thạch anh bằng ph•ơng pháp lắng. Theo hình dạng hạt, cát đ•ợc tạm thời chia ra một số nhóm: cát hạt tròn, nửa tròn, cát sắc cạnh, cát mảnh. Độ tròn các hạt phụ thuộc vào thành phần khoáng chất, đặc điểm nguồn gốc. Các hạt khoáng chất có độ cứng cao nh• cát thạch anh th•ờng có dạng tròn. Các khoáng chất dạng tấm (mica, fenspat) bị vỡ ra sẽ mất hình dạng ban đầu và trở thành các hạt sắc cạnh, mảnh. Bề mặt các hạt cát có thể xù xì, đồng thời bị bao bọc toàn bộ hay một phần bằng một lớp màng các chất khác (th•ờng là đất sét). Lớp màng bề mặt đó có thể có cấu tạo khác nhau. Trạng thái bề mặt ảnh h•ởng đến tính chất của cát và hỗn hợp làm khuôn. 1.2.3 Thành phần đất sét của cát làm khuôn Tuỳ theo l•ợng đất sét, cát làm khuôn đ•ợc chia ra cát thạch anh và cát đất sét. Cát thạch anh chỉ chứa l•ợng đất sét 50% đất sét thì thuộc loại cát đất sét. L•ợng đất sét trong cát đ•ợc xác định bằng ph•ơng pháp lắng chuẩn nh• sau. Mẫu cát hay hỗn hợp có khối l•ợng 50 g đ•ợc đem sấy khô ở 105 – 110 oC, rồi cho vào bình thuỷ tinh dung tích 1 lít và đổ 475 cm3 n•ớc cất và 25 cm3 dung dịch 1% NaOH vào đó. Kẹp chặt bình trên một thiết bị quay đặc biệt và cho quay trong một giờ với tốc độ 60 vg/ph. Sau đó cho thêm n•ớc vào bình sao cho mức n•ớc trong bình cách đáy150 mm. Để cát đang lơ lửng trong n•ớc lắng xuống độ 10 ph. Các hạt thạch anh lắng xuống đáy bình, còn đất sét cùng với n•ớc đ•ợc hút ra ngoài bằng ống xiphông. Đầu d•ới ống xiphông phải cách đáy bình 25 mm và cách mặt n•ớc 125 mm (hình 1.8). Những động tác trên cứ lặp đi lặp lại cho đến khi n•ớc trong bình trong suốt, chứng tỏ đất sét đã đ•ợc tách hết khỏi cát. 37
Những chất chứa trong bình đem lọc trên giấy lọc. Cát còn lại trên giấy lọc đem sấy ở 105 – 110oC rồi đem cân lại. Khối l•ợng phần trăm mất đi so với khối l•ợng ban đầu ( 50 g ) biểu thị hàm l•ợng đất sét trong cát. Hình 1. 8. Hút n•ớc bằng xiphông Nhóm hạt gốc cát của cát làm khuôn đ•ợc xác định theo ph•ơng pháp phân tích bằng rây. Tr•ớc khi xác định nhóm hạt, cát phải đ•ợc làm sạch đất sét bằng ph•ơng pháp lắng. Phần mẫu phân tích còn lại sau khi lắng (gốc cát) đ•ợc rây qua những chiếc rây chuẩn có kích th•ớc mắt rây chính xác, (bảng 1. 1). Đ•ờng kính của rây là 200 mm. Bộ rây chuẩn gồm 11 rây t•ơng ứng với bảng 1. 1, d•ới chiếc rây cuối cùng có lắp đáy (chậu). Bảng 1. 1. Rây tiêu chuẩn để phân độ hạt Số rây Kích th•ớc các cạnh Số rây Kích th•ớc các cạnh mắt rây, mm mắt rây, mm 2,5 2,50 0315 0,315 1,6 1,60 02 0,200 1 1,00 016 0,160 0,63 0,630 01 0,100 0,4 0,400 0063 0,063 005 0,050 38
Bộ rây đ•ợc kẹp chặt lên bàn của máy lắc (hình1. 9) theo thứ tự rây th•a trên, rây mau d•ới. Rây mau nhất N0 005 ở d•ới cùng. Mẫu cát phân tích đ•ợc đổ vào rây N0 2,5 ở trên cùng có nắp đậy. Hình 1. 9. Dụng cụ để xác định gốc hạt của cát Bộ rây đ•ợc lắc theo một mặt phẳng ngang với tần số 300 dao động/ph. Đồng thời đầu búa dẫn động cũng gõ lên nắp của rây trên cùng 180 lần/ph. Sau 15 phút rây đ•ợc lấy ra khỏi máy và cân từng phần cát còn lại trên mỗi rây và ở nắp đáy. Kết quả phân tích bằng rây đ•ợc biểu thị bằng phần trăm của khối l•ợng ban đầu của mẫu thử (50 g) có kể cả l•ợng đất sét đã tách ra khỏi hỗn hợp bằng cách lắng. Tổng số những phần còn lại trên các rây và nắp đáy, kể cả các thành phần đất sét phải bằng 100%. Để dễ thấy kết quả phân tích bằng rây, nhóm hạt gốc cát đ•ợc biểu diễn bằng đồ thị (hình 1. 10). 1.2.4 Những tính chất công nghệ và các ph•ơng pháp xác định Những tính chất công nghệ của cát làm khuôn là tỷ trọng chất đống, độ ẩm, độ bền, độ chịu lửa, độ thông hơi và những tính chất khác quyết định tính thích hợp để làm khuôn đúc. a) Trọng l•ợng chất đống Trọng l•ợng chất đống của cát làm khuôn phụ thuộc vào thành phần khoáng chất. Trọng l•ợng riêng của các chất có trong cát càng cao thì trọng l•ợng chất đống cũng càng cao. Thành phần khoáng chất của cát thạch anh không ảnh h•ởng lớn lắm đến khối l•ợng riêng của chúng. Còn cát ziricon bao gồm các hạt ZrSiO4 có trọng l•ợng riêng 4,68  4,7 g/cm3 nên trọng l•ợng chất đống của nó so với cát thạch anh lớn hơn nhiều. 39
Trọng l•ợng chất đống càng lớn nếu cát càng đ•ợc nén chặt và càng nhỏ nếu cát chứa l•ợng ẩm càng lớn. Hình 1.10. Kết quả phân tích cát bằng rây Trọng l•ợng chất đống của cát ch•a đầm chặt đ•ợc xác định bằng cách so sánh khối l•ợng của hai thể tích cát và n•ớc nh• nhau: đem đổ đầy cát vào một bình rồi đem cân, sau đó cũng bình đó đem đổ đầy n•ớc rồi đem cân lại. Trọng l•ợng chất đống  đ•ợc tính theo công thức: Q2 Q1   g/cm3 (1.13) Q3 Q1 Trong đó: Q1 - khối l•ợng của bình không; Q2 - khối l•ợng của bình chứa cát; Q3 - khối l•ợng bình chứa n•ớc;  - khối l•ợng riêng của n•ớc. b) Độ ẩm Độ ẩm của cát và hỗn hợp làm khuôn là hàm l•ợng n•ớc tự do và n•ớc ẩm tính bằng % khối l•ợng của vật liệu ấy. 40
G G1 W .100% G (1.14) Trong đó: G - Khối l•ợng của cát hay hỗn hợp tr•ớc khi sấy, g; G1 - Khối l•ợng của cát sau khi sấy, g. L•ợng ẩm trong cát hay hỗn hợp làm khuôn đ•ợc xác định theo 2 ph•ơng pháp: Ph•ơng pháp th•ờng; mẫu cát 50 g đ•ợc cân chính xác đến 0,01g. Trong một chén sứ đã đ•ợc cân và sấy khô tr•ớc, đem chén cát ấy sấy ở nhiệt độ 105  1100C cho đến khi trọng l•ợng không đổi. Mẫu sấy khô để nguội đến nhiệt độ phòng rồi đem cân lại. L•ợng ẩm W% đ•ợc tính theo công thức (1.14). Ph•ơng pháp nhanh; mẫu cát đ•ợc sấy bằng không khí nóng 110  2000C, hay bằng năng l•ợng bức xạ của các đèn (hình1. 11). Việc xác định độ ẩm của cát cũng theo công thức (1. 14). Hình 1. 11. Dụng cụ sấy mẫu cát hay hỗn hợp a - Sấy bằng khí nóng; b - Sấy bằng đèn điện c. Độ bền Cát thạch anh khô không có độ bền cơ học, vì chúng là những vật thể rời. Độ bền của cát ẩm phụ thuộc vào khối l•ợng và tính chất của chất lỏng, vào thành phần của 41
đất sét, kích th•ớc và hình dạng các hạt thạch anh. Tăng độ ẩm của cát thì độ bền sẽ tăng đến cực đại do sức căng bề mặt, và sau đó sẽ giảm xuống (đ•ờng cong 2 hình 1.12).  KN/m2 Hình 1. 12. Độ bền phụ thuộc vào độ ẩm 1 - Cát giầu đất sét; 2- Cát thạch anh. Khi tiếp tục tăng độ ẩm nữa thì độ bền lại tăng. Độ bền cực đại thứ 1 t•ơng ứng với tỷ số giữa bề mặt các hạt cát và độ ẩm, khi mà l•ợng màng n•ớc bám trên bề mặt các hạt ấy là cực đại. Độ bền cực đại thứ 2 t•ơng ứng với độ ẩm mao dẫn lớn nhất. Độ bền ở trạng thái ẩm của cát giầu đât sét lớn hơn cát không chứa đất sét. Độ bền này càng tăng khi tăng l•ợng đất sét và n•ớc. Đối với hỗn hợp làm khuôn quy luật cũng t•ơng tự nh• vậy. Khi tăng độ ẩm đến 5  6% độ bền của cát giầu đất sét sẽ tăng, song nếu tiếp tục tăng độ ẩm lên nữa thì độ bền lại giảm (đ•ờng cong 1 hình 1. 12). Độ bền của cát và hỗn hợp làm khuôn có thể xác định ở trạng thái ẩm, sấy khô và nung nóng với các dạng tải trọng khác nhau: nén, cắt, kéo, uốn. Có các ph•ơng pháp chuẩn để thử cát và hỗn hợp làm khuôn chịu nén ở trạng thái ẩm và chịu kéo ở trạng thái khô. Độ bền của cát làm khuôn phụ thuộc vào độ đầm chặt, vì thế khi thử ng•ời ta dùng những mẫu có cùng độ đầm chặt nh• nhau. Sự đầm chặt của mẫu thử đ•ợc tiến hành bằng máy búa đặc biệt. Hỗn hợp đ•ợc bỏ vào ống mẫu bằng kim loại có đ•ờng kính trong 50 0,2 mm (khối l•ợng hỗn hợp là 170 - 180g), và đầm 3 lần bằng máy búa có qủa búa nặng 42
6,35 kg rơi từ độ cao 50 mm xuống. Chiều cao của mẫu thử sau khi đầm chặt phải bằng 50 0,8 mm. Độ bền nén đ•ợc xác định trên 3 mẫu chuẩn chế tạo bằng cát hay hỗn hợp làm khuôn của cùng một mẻ thí nghiệm. Chỉ số độ bền nén là trị số trung bình cộng của các kết quả thu đ•ợc. Để thí nghiệm ng•ời ta dùng máy thử kiểu đòn bẩy hay máy thử vạn năng có khả năng tăng liên tục tải trọng với tốc độ không 2 2 quá 196 KN/m (2KG/cm ) trong một phút. Giới hạn bền nén n của cát hay hỗn hợp đ•ợc xác định theo công thức: P  n F (1.15) Trong đó: P - tải trọng phá vỡ mẫu tính bằng KN, F - tiết diện ngang của mẫu thử tính bằng m2. Độ bền kéo của cát hay hỗn hợp khuôn đ•ợc xác định trên 3 mẫu chuẩn hình số 8 (hình 1. 13). Hình 1.13. Hộp ruột và mẫu chuẩn hình số 8 để xác định độ bền kéo của hỗn hợp 43
Các mẫu thử đ•ợc chế tạo trong các hộp ruột trên máy búa thí nghiệm. Cát hay hỗn hợp đ•ợc đầm chặt bằng 3 lần rơi của quả búa. Sau khi đầm chặt, các mẫu thử đ•ợc đem sấy khô và đem thử trên những máy thí nghiệm. Giá trị trung bình cộng các kết quả thí nghiệm của 3 mẫu thử đ•ợc coi là chỉ số độ bền. Giới hạn bền kéo cũng đ•ợc xác định theo công thức (1. 15). Độ bền bề mặt (độ rời) của cát và hỗn hợp làm khuôn đ•ợc xác định bằng cách dùng các mẫu thử chuẩn hình trụ có đ•ờng kính và chiều cao 50 mm. Các mẫu thử đ•ợc đem thí nghiệm ở trạng thái ẩm và trạng thái khô. Dụng cụ thử là cái tang nhỏ đ•ờng kính 110 mm. Thành tang làm bằng loại l•ới kim loại có mắt 4 x 4 mm. Đ•ờng kính các sợi l•ới là 0,9 mm. Dụng cụ đặt ở vị trí cân bằng nằm ngang. Mẫu thử đặt vào trong tang sao cho khi đóng động cơ của máy, tang quay với tốc độ 60 vòng/ phút thì không bị va chạm vào các mặt đầu của tang. Khi đó mặt bên của mẫu sẽ bị chà sát với thành tang. Độ bền bề mặt ( độ rời) đ•ợc biểu thị bằng sự mất mát trọng l•ợng của mẫu trong một đơn vị thời gian và tính bằng phần trăm (%) so với trọng l•ợng ban đầu của mẫu. d) Độ cứng bề mặt của khuôn và ruột Độ bền của mẫu chuẩn không thể hiện đ•ợc toàn bộ độ bền của khuôn và ruột làm bằng hỗn hợp đó. Ng•ời ta đã xác định đ•ợc giữa độ bền của hỗn hợp và độ cứng bề mặt của khuôn làm bằng hỗn hợp ấy th•ờng có mối t•ơng quan nh• sau: Độ bền càng cao thì độ cứng càng lớn. Vì thế những tính chất bền của hỗn hợp trong khuôn có thể biểu thị bằng ngay độ cứng bề mặt của khuôn đó. Độ cứng của khuôn và ruột ở trạng thái ẩm đ•ợc đo bằng đồng hồ đo độ cứng, gồm một đầu bi tròn có đ•ờng kính 10mm, các lò xo và đồng hồ chỉ thị có chia độ (hình 1. 14, a). Hình 1. 14. C ác đồng hồ đo độ cứng bề mặt củ a khuôn đúc 44
Độ cứng đ•ợc xác định bằng sức bền của hỗn hợp chống lại sự lún sâu của viên bi vào độ sâu 0  5 mm, d•ới tải trọng 1,96 - 9,8 N ( 0,2 - 1KG). Trị số của độ cứng biểu thị bằng đơn vị tuyệt đối. Ng•ời ta còn dùng ph•ơng pháp cắt sâu bề mặt bằng đầu dao của đồng hồ đo để xác định độ cứng của khuôn và ruột khô (hình 1. 14, ). Độ cứng đ•ợc xác định bằng sức bền của hỗn hợp chống lại sự ăn sâu của đầu dao vào độ sâu từ 0  2,5 mm d•ới tải trọng 9,8 - 18,6 N (1- 2 KG). e) Độ thông hơi Độ thông hơi của cát phụ thuộc vào kích th•ớc, hình dạng và trạng thái bề mặt của các hạt, độ đồng đều của thành phần hạt, độ ẩm và tỷ phần đất sét, đồng thời phụ thuộc cả vào độ đầm chặt. Các hạt cát càng to thì khoảng cách giữa chúng càng lớn, đ•ờng đi của khí càng thông thoáng và sự mất mát do ma sát với bề mặt các hạt càng nhỏ. Độ thông hơi của các hạt to lớn hơn các hạt nhỏ. Cát có dạng hạt sắc cạnh khó bị đầm chặt do đó khoảng cách giữa các hạt còn lại lớn hơn, vì thế độ thông hơi của chúng cao hơn. Nếu cát có thành phần hạt không đều thì các hạt nhỏ sẽ lấp đầy các kẽ hở giữa các hạt lớn làm cho độ thông hơi giảm đi. Độ thông hơi xác định bằng cách cho không khí có nhiệt độ bình th•ờng (nhiệt độ phòng) đi qua mẫu thử chuẩn hình trụ làm bằng hỗn hợp làm khuôn mà ta cần xác định độ thông hơi. Giá trị độ thông hơi đ•ợc xác định theo công thức: V.h m 4 cm 4 K . (1. 16) FP N.s G.Ph Trong đó: V - thể tích không khí đi qua mẫu thử, m3 (cm3); h - chiều cao mẫu thử, m (cm); F - diện tích tiết diện ngang của mẫu thử, m2 (cm2); P - áp suất không khí tr•ớc khi qua mẫu thử, N/m2 (G/cm2);  - thời gian không khí đi qua mẫu thử, s (ph). Th•ờng thì độ thông hơi đ•ợc biểu thị bằng một trị số không có đơn vị đo. Độ thông hơi đ•ợc đo bằng máy đo đặc biệt (hình 1. 15). 45
Hình 1. 15. Máy đo độ thông hơi của hỗn hợp làm khuôn 1 - Đế máy; 2 - Thùng; 3 - ống dẫn h•ớng và thoát hơi; 4 - Chụp; 5 - ống; 6 - Tải trọng; 7 - Van 3 chiều; 8 - Cốc đặt mẫu thử; 9 - Đầu nút thoát hơi; 10 - áp kế. g) Độ chịu lửa của cát ( hay hỗn hợp) làm khuôn Các mẫu cát (hay hỗn hợp) đem thí nghiệm đ•ợc chế tạo thành các mẫu hình tháp nhọn 3 cạnh ( tháp nhiệt kế ). Những tháp này cho vào lò cùng với những tháp nhiệt kế t•ơng tự làm bằng các loại cát ( hay hỗn hợp) đã biết tr•ớc độ chịu lửa. Nhiệt độ mà tại đó đỉnh các tháp mẫu thử cong xuống chạm đáy đ•ợc coi là độ chịu lửa của cát (hay hỗn hợp). Độ chịu lửa đ•ợc ký hiệu bằng số hiệu của tháp nhiệt kế chuẩn cùng cong xuống một lúc với mẫu thử (hình 1. 16). Nếu mẫu thử cong xuống ở khoảng giữa hai thời điểm cong của hai tháp nhiệt kế chuẩn thì nó đ•ợc ký hiệu bằng số hiệu của cả hai tháp nhiệt kế ấy. Độ chịu lửa của cát làm khuôn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh•: thành phần khoáng chất, độ hạt, thời gian nung. Cát thạch anh có chứa các khoáng chất khác sẽ làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cát. Những tạp chất này là Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO cùng với SiO2 46
sẽ tạo thành cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy 0 của SiO2(1713 C). Thí dụ, hỗn hợp gồm 5,5% Al2O3 và 94,5% SiO2 sẽ tạo thành cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy là 1545oC. Hỗn hợp có nồng độ o khoảng 72% FeO và 28% SiO2 chảy ở nhiệt độ khoảng 1220 C. Nếu cho vào hỗn hợp một ôxit thứ ba thì nhiệt độ nóng chảy giảm xuống rõ rệt, nh• hỗn o hợp 2FeO.Al2O3 2SiO2 sẽ tạo thành cùng tinh ở 1140 C. Các hợp chất của canxi trong cát cũng làm giảm nhiệt độ nóng chảy của cát. Hạt cát càng nhỏ thì càng bị nung nóng nhanh hơn và càng bị nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn. Hình 1. 16. Các tháp nhiệt kế xác định độ chịu lửa của cát làm khuôn h) Các tính chất nhiệt - lý của cát (hỗn hợp) làm khuôn Nhiệt dung, độ dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt độ, hệ số tích nhiệt ảnh h•ởng nhiều đến quá trình tác dụng qua lại của kim loại lỏng với thành khuôn. Cát (hỗn hợp) làm khuôn là những hệ phân tán phức tạp bao gồm các hạt thạch anh rắn, n•ớc, không khí, vì thế các tính chất nhiệt-lý của chúng không cố định. Những tính chất này phụ thuộc vào: thành phần khoáng chất và thành phần độ hạt của cát, tỷ trọng, độ ẩm, l•ợng đất sét và nhiệt độ. Sự hình thành tổ chức tinh thể của vật đúc và những tính chất của chúng có liên quan chặt chẽ với c•ờng độ dẫn nhiệt ra khỏi vật đúc trong quá trình đông và nguội. C•ờng độ dẫn nhiệt đ•ợc xác định bằng hệ số tích nhiệt của hỗn hợp làm khuôn: 47
b C (1. 17) Trong đó:  - độ dẫn nhiệt của hỗn hợp; C - nhiệt dung của hỗn hợp;  - trọng l•ợng riêng của hỗn hợp. Chiều sâu đ•ợc nung nóng của khuôn trong quá trình khuôn tiếp xúc với vật đúc phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt độ của hỗn hợp làm khuôn:  a (1. 18) C Khuôn càng bị nung nóng nhiều thì trong hỗn hợp xuất hiện càng nhiều thành phẩm dạng bụi làm giảm độ thông hơi, độ chịu lửa, làm xấu chất l•ợng của hỗn hợp. Giá trị của những tính chất nhiệt-lý cơ bản của cát và hỗn hợp làm khuôn đ•ợc nêu trong bảng 1. 2. Bảng 1. 2. Các tính chất nhiệt - lý của cát và hỗn hợp làm khuôn Nhiệt Trọng Nhiệt Độ dẫn Độ dẫn Hệ số tích độ 0C l•ợng dung nhiệt nhiệt độ nhiệt Vật liệu riêng J/(kg.độ) w/(m.độ) m2/s w.s2 kg/m3 m2.độ Cát khô 20 1500 0,795.103 0,326 0,274.10-6 620 Cát ẩm 20 1650 2,1. 103 1,13 0,049.10-6 1970 Hỗn hợp - 1700 2,01.103 0,656 0,192.10-6 1500 cát - đất sét (độ ẩm 6%) 48
1.2.5. Phân loại cát làm khuôn ở n•ớc ta cát đ•ợc dùng để làm vật liệu làm khuôn nhiều nhất có thể kể đến cát Vân Hải (thuộc huyện Cẩm Phả,Quảng Ninh), cát Cầu Cầm (Đông Triều, Quảng Ninh), cát Quế Võ (Quế Võ, Bắc Ninh), cát Sông Công (Phổ Yên, Thái Nguyên), cát Phả Lại (Chí Linh, Hải D•ơng) Thành phần chủ yếu xem bảng 1. 3. Nguồn cát thạch anh ở phía nam n•ớc ta khá phong phú, chất l•ợng tốt và dễ khai thác. Theo kết quả nghiên cứu khảo sát từ năm 1973 tới nay của Viện trao đổi khoa học kỹ thuật Nhật Bản và Việt Nam thì thành phần chủ yếu của cát thạch anh dùng để làm vật liệu làm khuôn đúc đ•ợc ghi trong bảng 1. 4. Tuỳ theo l•ợng đất sét mà cát thạch anh đ•ợc chia ra các loại sau: Cát thạch anh, cát gầy, cát nửa mỡ, cát mỡ và cát rất mỡ. L•ợng oxit silic (SiO2) và các tạp chất có hại chỉ quy định cho nhóm cát thạch anh (bảng 1. 5). Bảng 1. 3. Thứ Hàm l•ợng Hàm Trữ tự Tên cát đất sét + l•ợng l•ợng Đặc điểm bụi (%) SiO2 (tấn) (%) 1 Vân Hải 0,1 98,7 5 triệu Làm khuôn đúc thép, gang 2 Cầu Cầm 2-3 96,2 2 triệu Làm khuôn đúc gang 3 Quế Võ 0,5 98 5 vạn Làm khuôn đúc gang, thép 4 Sông Công 3,82 95,48 10 vạn Làm khuôn đúc gang 5 Phả Lại 1,5 97,15 20 vạn Nhiều mùn cần xử lý 6 Sông Hồng Khá nhiều 90,82 ít Không nên dùng làm 7 Sông Khá nhiều 86,25 ít khuôn đúc vì chất l•ợng Đuống thấp 8 Sông Nhuệ Khá nhiều 7,14 ít 49
Bảng 1. 4. Thứ Tên cát Hàm l•ợng Trữ l•ợng (tấn) Đặc điểm tự SiO2 (%) 1 Bán đảo 96 1000 triệu Hạt nhỏ, mịn Hòn Gấm 2 Nam Ô 95,5 25 triệu Hạt nhỏ, mịn 3 Tam Kỳ 99,6 23 triệu Hạt nhỏ, mịn 4 Cam Ranh 99,8 25 triệu Hạt nhỏ, mịn Hiện nay nhà n•ớc ta ch•a có tiêu chuẩn quốc gia về vật liệu làm khuôn mà mới chỉ xây dựng đ•ợc một số tiêu chuẩn ngành bao gồm: - Tiêu chuẩn nghành về cát đúc; - Tiêu chuẩn nghành về đất sét; - Tiêu chuẩn nghành về phấn chì bạc; - Tiêu chuẩn nghành về phấn chì đen. Cát làm khuôn bao gồm các hạt thạch anh và đất sét. L•ợng đất sét chứa trong cát không v•ợt quá 50%. Trong sản xuất đúc cát làm khuôn đ•ợc dùng ở trạng thái tự nhiên hay đã đ•ợc làm giầu. Trong cả n•ớc ch•a có cơ sở nào sản xuất cát đúc. Các vật liệu làm khuôn nói chung không phải sử dụng riêng cho đúc mà chung cho nhiều nghành khác, ví dụ nh• cát thạch anh chủ yếu dùng cho xây dựng. Kiểm tra một số cơ sở đúc của bộ cơ khí và luyện kim thấy hàm l•ợng đất sét trong hỗn hợp làm khuôn quá lớn, độ bền của hỗn hợp ở trạng thái ẩm không bảo đảm, độ ẩm của khuôn t•ơi cao gây ra tỷ lệ sai hỏng của vật đúc cao, có nơi chiếm tới 55%. Đối với các n•ớc công nghiệp phát triển, vật liệu làm khuôn đ•ợc tiêu chuẩn hoá. Căn cứ vào đó các nhà sản xuất chọn vật liệu đáp ứng đ•ợc tiêu chuẩn, chất l•ợng sản phẩm vật đúc. Trong giáo trình này có trích dẫn các tiêu chuẩn của Liên Xô cũ để bạn đọc tham khảo, lấy đó làm cơ sở cho việc chọn vật liệu làm khuôn để nâng cao chất l•ợng vật đúc theo h•ớng mong muốn. 50
Bảng 1. 5. Phân loại cát làm khuôn theo OCT 2138 – 74. Hàm l•ợng Các tạp chất có hại, % Tên cát Loại đất sét, % SiO2, % ôxít kim loại ôxít sắt kiềm và kiềm thổ Cát giầu Ỏ 1k d•ới 0,2 98,5 0,40 0,20 thạch anh Ỏ 2k ” 0,5 98,0 0,75 0,40 Ỏ3k ” 1,0 97,5 1,00 0,60 1k ” 2,0 97,0 1,20 0,75 Cát 2k ” 2,0 96,0 1,50 1,00 thạch anh 3k ” 2,0 94,0 2,0 1,50 4k ” 2,0 90,0 - - Cát gầy T từ 2 10 - - - Cát nửa mỡ  từ 10  20 - - - Cát mỡ ặ từ 20  30 - - - Cát rất mỡ O ặ từ 30  50 - - - Ghi chú: Trong cát thạch anh l•ợng l•u huỳnh trong các sunfua không v•ợt quá 0,05%. Theo OCT 2138 - 74 Cát làm khuôn đ•ợc chia thành các nhóm theo đại l•ợng độ hạt của các nhóm hạt (bảng 1. 6). Bảng 1. 6: Phân loại cát làm khuôn theo độ hạt. Số của các Số của các rây Tên cát Nhóm rây kế tiếp Tên cát Nhóm kế tiếp nhau nhau mà trên mà trên đó các đó các hạt của hạt của phần cơ phần cơ bản bản nằm lại nằm lại Cát thô 063 1; 063; 04 Cát nhỏ 016 02; 016; 01 Cát rất to 04 063; 04; 0315 Cát rất nhỏ 01 016; 01; 0063 Cát to 0315 04; 0315; 02 Cát mảnh 0063 01; 0063; 005 Cát trung 02 0315; 02; 016 Cát bột dạng 005 0063; 005; nắp bình bụi đáy 51
Theo độ hạt, chất l•ợng của cát đ•ợc coi là đạt yêu cầu nếu khi thí nghiệm phân tích hạt bằng rây phần lớn các hạt cát nằm tập trung trên 3 rây kế tiếp nhau. Tuỳ theo l•ợng còn lại của các nhóm hạt trên các rây tận cùng (rây trên cùng và d•ới cùng) trong 3 rây kế tiếp ấy ng•ời ta chia cát thành hạng A và Á. Cát có nhóm hạt cơ bản nằm lại ở rây trên cùng nhiều hơn rây d•ới cùng là cát hạng A; ng•ợc lại nếu cát ở rây d•ới cùng nhiều hơn rây trên cùng thuộc cát hạng Á. Ngoài các loại cát có độ hạt tập trung còn có nhiều loại cát có độ hạt phân tán. Nhóm các hạt cơ bản của những loại cát này nằm lại trên 4 -5 rây liên tiếp. Hỗn hợp của những loại cát này bền vững, có độ rời không lớn lắm, ít tạo các khuyết tật trên bề mặt vật đúc. Cát có tổ chức độ hạt phân tán phải nằm lại ở trên 3 rây liên tiếp không ít hơn 60% số hạt. Khi ký hiệu cát đặt chữ số đầu tiên là loại, chữ số thứ hai là nhóm còn chữ số thứ ba là hạng. Thí dụ, cát thạch anh có độ hạt trung bình ký hiệu là 1K02A, 2K02A hoặc 2K02Á; Cát giầu đất sét (cát nửa mỡ và rất mỡ) ký hiệu là 025, O ặ 01, v.v Công dụng của cát làm khuôn. Để chế tạo các hỗn hợp làm khuôn ruột có công dụng khác nhau cần dùng một cách hợp lý những loại cát nhất định (bảng 1. 7). Địa điểm của nhà máy so với nơi khai thác cũng ảnh h•ởng đến sự lựa chọn loại cát. 1.2.6. Các vật liệu làm khuôn chịu lửa cao Khi chế tạo những vật đúc lớn bằng thép và gang, khuôn bị nung nóng đến nhiệt độ cao. Trong điều kiện nh• vậy, các siliccát trong thành phần hỗn hợp làm khuôn tác dụng với ôxit sắt trên bề mặt vật đúc tạo thành sự cháy dính cát. Phản ứng xảy ra nh• sau: FeO ( kim loại lỏng) + SiO2 (khuôn) FeOSiO2 (phaialit) Có thể khắc phục sự cháy dính cát bằng cách dùng vật liệu chịu lửa cao thay cát thạch anh. Những vật liệu này ở nhiệt độ cao không tác dụng với các ôxit sắt. Ôlivinit - là các loại magiê silicát. Công thức hoá học chung của chúng là R2SiO4, trong đó R là Mg, Fe, Mn, Ni, Co, Zn, Ca. Ôlivin (Mg, Fe)2SiO4 có nhiệt độ nóng chảy ở 1830 - 18500C dùng để chế tạo khuôn đúc. Ôlivin dùng để chế tạo hỗn hợp cát áo cho các vật đúc lớn bằng thép, gang. Độ chịu lửa của ôlivinit 1750 -18500C. 52
Bảng 1. 7. Thí dụ về công dụng của cát làm khuôn Dạng Công dụng của cát Ký hiệu cát đúc Làm khuôn t•ơi cho các vật đúc có khối l•ợng: Đúc D•ới 20 kg 016A, 01A, gang K016A D•ới 200 kg 02A, 016A, K02A D•ới 2000 kg 02A, T01A, K02A Làm khuôn t•ơi cho các vật đúc có khối Đúc l•ợng : thép D•ới 500 kg K02A, K016Á D•ới 5000 kg K02A, K016A Dùng cho hỗn hợp làm ruột K02A, K016A Làm khuôn t•ơi và khuôn khô cho các vật đúc bằng: Đúc kim - Đồng thanh, đồng thau, các hợp kim 016A, 01A nhôm. loại mầu - Dùng cho hỗn hợp làm ruột K02A - Dùng làm khuôn những vật đúc nhỏ yêu 0063A cầu có bề mặt thật nhẵn bóng. Crômit (quặng sắt- crôm). Thành phần hoá học bao gồm crômit FeCr2O4; (Mg,Fe) Cr2O4; (Fe,Mg)(Cr,Al)2O4. Những quặng này có chứa l•ợng Cr2O3 càng cao thì độ chịu lửa càng tăng. Quặng sắt crôm dùng ở dạng tán nhỏ (kích th•ớc hạt 1,7  0,8 mm) làm cát áo cho vật đúc lớn bằng thép. Độ chịu lửa 1600 - 18000C. Quặng Crômit (Cổ Định – Thanh Hoá) ở n•ớc ta có chất l•ợng tốt, nguồn phong phú, trữ l•ợng trên 17 tỷ tấn dùng làm hỗn hợp làm khuôn phục vụ cho ngành đúc, luyện kim, xây t•ờng lò, chế biến Fêrô Crôm. Trong ngành hoá crômit chế tạo chất mầu, trong ngành cơ khí dùng làm bột mài. Manhêzit MgCO3 chứa 47,82% MgO, 52,18% CO2 và các tạp chất canxi cacbonát, sắt cacbonát, mangan cacbonát, thạch anh và talk. Trọng l•ợng riêng của manhêzit 2,9  3,1 g/cm3. Manhêzit qua nung kết ở 1500 - 16500C là loại vật liệu chịu lửa. Nhiệt độ nóng chảy của MgO là 28000C. L•ợng MgO trong 53
manhêzit càng cao thì độ chịu lửa của nó càng cao. Manhêzit không tham gia vào phản ứng với các mangan ôxit vì vậy nó là vật liệu để làm khuôn đúc thép mangan. Độ chịu lửa 1900 -20000C. 3 Zircôn ZrSiO4 có trọng l•ợng riêng cao (4,68 - 4,7g/cm ), nhiệt độ nóng chảy 2430 - 24500C, dẫn nhiệt tốt và độ nở nhiệt không lớn. Nhờ dẫn nhiệt cao nên cát Zircôn có thể dùng thay sắt nguội để tạo ra sự đông có h•ớng của vật đúc Để chế tạo hỗn hợp làm khuôn, ruột dùng loại Zircôn đã tán vụn và khử sắt chứa hơn 60% ZrO2 và d•ới 0,1%FeO, hoặc loại Zircôn hạt chứa trên 60% ZrO2, 1 – 6% TiO2. Ngoài việc dùng làm hỗn hợp cát áo và hỗn hợp làm ruột, Zircôn tán nhỏ có độ hạt 0063 còn đ•ợc dùng làm chất sơn khuôn và vữa chịu lửa cho khuôn, ruột. Chúng cũng dùng để chế tạo các khuôn gốm và ruột gốm. Độ chịu lửa 24000C. Samốt (40% Al2O3 còn lại là SiO2) là đất sét chịu lửa sau khi đem thiêu kết có độ chịu lửa cao (1670 - 17500C). Samốt dùng để chế tạo hỗn hợp làm khuôn khô để đúc những vật đúc thép trung bình và lớn. 1.3. Chất dính Để liên kết các hạt lại và tạo khuôn đúc trong thành phần hỗn hợp làm khuôn phải có chất dính kết. Ngoài đất sét là chất dính kết truyền thống lâu đời, ngày nay ng•ời ta còn dùng n•ớc thuỷ tinh, các chất dính từ nguồn nhựa tổng hợp, các loại dầu thực vật, n•ớc bã giấy, n•ớc gỉ đ•ờng để làm tăng độ bền dính kết của hỗn hợp làm khuôn. Các chất dính đ•ợc phân theo các thế hệ sau: - Chất dính thế hệ 1 – Chủ yếu là đất sét. - Chất dính thế hệ 2 – Chất dính chủ yếu là nguồn vật liệu vô cơ ( n•ớc thuỷ tinh, xi măng ) - Chất dính thế hệ 3 – Chất dính có nguồn gốc là vật liệu hữu cơ ( nhựa Phênolformalđêhit ). - Chất dính thế hệ 4 – Tác dụng liên kết các hạt vật liêu nền bằng biện pháp vật lý ( ví dụ, vật liệu nền là các hạt kim loại đ•ợc liên kết bằng từ tr•ờng; làm khuôn đông lạnh nhờ việc cho n•ớc đóng băng để liên kết các hạt cát lại). - Chất dính thế hệ 5 – Chất dính đ•ợc dùng chủ yếu từ nguồn sinh vật ( ví dụ nh• các axit amin ). Phổ biến nhất hiện nay là chất dính thuộc ba thế hệ đầu. 54
1.3.1. Đất sét làm khuôn Đất sét làm khuôn đúc là những nham thạch bao gồm những hạt rất mịn của nhôm silicát ngậm n•ớc và có khả năng kết dính, có độ bền nhiệt hoá, do đó có thể dùng đất sét làm chất kết dính để chế tạo hỗn hợp làm khuôn bền vững, không bị chảy dính vào vật đúc. Thành phần các loại đất sét tạo thành do sự phân huỷ các nham thạch, phụ thuộc vào các nham thạch, vào độ axit hay độ kiềm mà đặc tr•ng là nồng độ ion Hyđrô của n•ớc (độ pH) tác dụng lên nham thạch ấy. Trong môi tr•ờng axit tạo thành các loại đất sét kaolinit, còn trong môi tr•ờng kiềm thì tạo thành các loại đất sét mônmôrilônit (đất sét bentônit và xupbentônit). ở n•ớc ta đất sét Chí Linh (Hải D•ơng ) thuộc loại đất sét kaolinit và đất sét Cổ Định (Thanh Hoá ) thuộc loại mônmôrilônit. 1.3.1.1. Thành phần khoáng chất và độ hạt của đất sét a) Thành phần khoáng chất Đất sét làm khuôn bao gồm các khoáng chất nh• nhóm kaolinit, nhóm mônmôrilônit, thuỷ mica. Nhóm kaolinit ( Al2O3. 2SiO2. 2H2O ) là loại nhôm-silicát ngậm n•ớc, có trọng l•ợng riêng 2,58-2,60 g/cm3, có nhiệt độ nóng chảy 1750-17870C. Kaolinit là phần cơ bản của cao lanh và của đa số các loại đất sét khác. Khi nung nóng kaolinit sẽ qua những chuyển hoá sau: ở 100-1400C mất n•ớc ẩm, ở 350-5800C mất n•ớc trong thành phần cấu tạo phân tử. Trong giới hạn của những nhiệt độ ấy có hiệu ứng thu nhiệt, kaolinit chuyển thành mêtakaolinit ( Al2O3. SiO2 ) và đất sét mất tính dính kết. ở nhiệt độ 900-10500C mêtakaolinit bị phân huỷ tách ra thành hỗn hợp Al2O3 và SiO2 vô định hình kèm theo hiệu ứng toả nhiệt. ở nhiệt 0 độ 1200-1280 C thì Al2O3 và SiO2 tự do tạo thành khoáng chất ( 3Al2O3. 2SiO2 ) kèm theo hiệu ứng thu nhiệt. Nhóm mônmôrilônit (Al2O3.4SiO2.nH2O). Trong mạng tinh thể của mônmôrilônit một phần Al3+ có thể bị thay thế bằng Mg2+, còn Si4+ thay bằng Al3+ kết quả là các hạt đất sét mang điện tích. Thành phần hoá học của mônmôrilônit luôn thay đổi. Nhiệt độ nóng chảy là 1250-13000C. L•ợng n•ớc trong mônmôrilônit phụ thuộc vào áp suất hơi n•ớc ở môi tr•ờng xung quanh. Khi thời tiết khô ráo nó nh•ờng một phần n•ớc, khi thời tiết ẩm •ớt nó hút ẩm từ không 55
khí vào nhờ khả năng của mạng tinh thể có thể dãn nở theo h•ớng của một trong các trục kết tinh. Khi nung nóng đến 100 -1500C n•ớc tự do sẽ thoát ra, từ 500- 7000C mất n•ớc kết tinh và mất khả năng tr•ơng nở ở 600oC. ở nhiệt độ 735 - 9000C có sự phá vỡ các mạng tinh thể mônmôrilônit và chuyển biến thành chất vô định hình. Đất sét thuỷ mica; là sản phẩm trung gian của sự phân hoá từ mica thành cao lanh. Theo thành phần hoá học và tính chất lý học thì khoáng chất này không cố định. Trong số những khoáng chất có trong các loại đất sét thuỷ mica dùng trong hỗn hợp làm khuôn nổi bật nhất là mônôternit, một loại trầm tích giầu muối hữu cơ và các chất hữu cơ. Ngoài các khoáng chất chính có trong thành phần đất sét còn có Hyđrôxit sắt, FeS2 hoặc pirit sắt (loại tạp chất có hại trong đất sét làm khuôn vì nó gây ra cháy dính cát trên vật đúc) cacbonát d•ới dạng canxit, manhêzit, đôlômit, siderit FeCO3, thạch cao (những tạp chất có hại). b) Thành phần hạt Thành phần hạt của đất sét ảnh h•ởng đến tính chất lý học của chúng (độ dẻo, khả năng dính kết ). Đất sét bao gồm các hạt có kích th•ớc khác nhau. Đại đa số đất sét làm khuôn chứa 70% phần tử hạt nhỏ hơn 0,02 mm và 30% những hạt thạch anh lớn hơn. Những hạt có kích th•ớc nhỏ hơn 0,022 mm thuộc loại thành phần đất sét mà l•ợng của chúng không đ•ợc ít hơn 50%. Để thể hiện đầy đủ hơn ng•ời ta xác định độ phân tán của gốc đất sét, l•ợng hạt có kích th•ớc 0,022 - 0,005; 0,005 - 0,001 và nhỏ hơn 0,001 mm. 1.3.1.2. Các tính chất hoá lý Đất sét làm khuôn bao gồm các hạt nhỏ phân tán tạo thành một hệ có bề mặt phát triển rộng. Đất sét làm khuôn có tính chất của hệ thống keo. Cấu trúc đất sét đ•ợc xác định bằng cấu tạo của mạng tinh thể. Thành phần hình học chủ yếu của mạng nhôm-silicát là các ion oxi O2- có bán kính lớn. Nằm giữa các ion lớn là các ion Si4+, Al3+, Mg2+ tạo nên các tứ diện của lớp đầu tiên là cơ sở của mạng nhôm-silicát ( hình 1. 17 ). 56
Hình 1. 17. Tổ chức tinh thể của kaolinit. Lớp thứ hai đ•ợc tạo thành bởi các ion OH-, các ion này cùng với các ion O2- của lớp thứ nhất tạo thành các khối 8 mặt mà trong đó có chứa các ion Al3+ hoặc Mg2+. ở đất sét kaolinit hai lớp này tạo thành một "bó” kín. Những lớp còn lại nằm cách nhau theo chiều cao một khoảng cách nhất định với sự dịch chuyển (độ lệch) về một phía không lớn lắm. Khoảng cách giữa các lớp (bó) là đặc tr•ng của loại đất sét này. ở đất sét mônmôrilônit trên lớp các khối 8 mặt còn có lớp tứ diện thứ 3 các ion Si4+ và O2-, tiếp đó mới đến khoảng trống giữa các bó ( hình 1. 18 ). Hình 1. 18. Sơ đồ tổ chức tinh thể của mônmôrilônit 1- Khoảng cách giữa các lớp; 3- Khối 8 mặt; 2 và 4- các tứ diện. 57
Sự trao đổi ion Đặc điểm của các nhôm-silicát là các thành phần cơ bản của chúng có thể bị thay thế một phần bằng các ion khác. Nếu các ion có bán kính gần bằng nhau, thí dụ: Al3+( 0,57 A0), Fe3+ ( 0,67 A0), Ti4+( 0,64 A0) thì sự thay thế là đồng hình. Nếu bán kính các ion khác nhau thì mạng tinh thể sẽ bị biến dạng. Các ion thay thế và bị thay thế có điện tích không giống nhau, thí dụ: Si4+ bị thay thế bằng Al3+. Để cân bằng cần phải thu thêm những ion khác vào mạng hoặc phân bố các ion này ra các bề mặt. Khi trao đổi một số ion này với một số ion khác, tính chất của đất sét thay đổi theo loại ion sẽ đi vào thành phần của mạng tinh thể. Kết quả là tính chất của đất sét có thể thay đổi bằng cách xử lý hoá học. Thí dụ các ion Ca2+ có thể bị thay thế bằng các ion Na+ khi dùng xút xử lý đất sét. Các hạt càng phân tán thì số l•ợng các ion trao đổi càng nhiều. Độ tr•ơng nở của đất sét Trong những lớp riêng biệt của các “bó” mạng tinh thể của đất sét các ion liên kết vững chắc còn các bó liên kết với nhau bằng mối liên kết hoá trị yếu ớt. Do đó các bề mặt của các bó có điện tích âm còn khoảng cách giữa chúng thì lớn hơn khoảng 2A0 (đối với đất sét kaolinit) và 20A0 (đối với mônmôrilônit). Những phân tử riêng biệt hay những nhóm phân tử, thí dụ: n•ớc (bán kính 1,45A0) hoặc của những chất lỏng khác có thể chui vào khoảng cách này. Thông th•ờng trong đất sét kaolinit các phân tử n•ớc nằm theo rìa mép các bó, còn đất sét mônmôrilônit n•ớc chui vào giữa các bó. Vì thế độ tr•ơng nở của đất sét mônmôrilônit lớn hơn nhiều so với đất sét kaolinit. Độ nhớt và độ dẻo của đất sét Trong quá trình tr•ơng nở của đất sét, màng n•ớc bao quanh các phần tử hạt đất sét làm cho lực liên kết giảm xuống. Kết quả là đất sét có khả năng biến dạng dẻo d•ới tác dụng của tải trọng. Độ dẻo của đất sét phụ thuộc vào chiều dày của màng n•ớc và kích th•ớc các phần tử hạt đất sét. Kích th•ớc phần tử hạt đất sét càng nhỏ thì l•ợng n•ớc trong màng càng lớn, tính dẻo của đất sét càng cao. Song lúc ấy độ nhớt của nó sẽ rất cao. Tiếp tục tăng l•ợng n•ớc thì độ nhớt sẽ giảm đi. Tính xúc biến của đất sét ở trạng thái yên tĩnh huyền phù đất sét qua một khoảng thời gian nhất định sẽ tạo thành gel có tổ chức và độ bền nhất định. Hệ thống đ•ợc tổ chức hoá ấy có 58
thể quay lại trạng thái keo - huyền phù. Quá trình biến keo thành gel và ng•ợc lại này d•ới sự tác dụng cơ học, đ•ợc gọi là tính xúc biến. 1.3.1.3. Phân loại đất sét làm khuôn và phạm vi sử dụng Theo tiêu chuẩn của Liên Xô cũ thì đất sét làm khuôn đ•ợc phân loại theo: - Thành phần khoáng chất ( bảng 1. 8 ); - Tính dính kết - giới hạn bền nén ở trạng thái ẩm (bảng 1. 9) và trạng thái khô (bảng 1. 10); - Tổng số các cation trao đổi (tổng số các gốc trao đổi đ•ợc đo bằng đ•ơng l•ợng miligam cho 100g đất sét khô); - L•ợng l•u huỳnh trong các sulfit và l•ợng các tạp chất (Fe2O3, Na2O+K2O, CaO+MgO (bảng 1. 11); - Theo độ dẻo. Theo tổng số các gốc trao đổi đất sét làm khuôn đ•ợc chia làm 3 nhóm: + Cao - hơn 50 miligam đ•ơng l•ợng; + Trung bình - 2050 miligam đ•ơng l•ợng; + Thấp - thấp hơn 20 miligam đ•ơng l•ợng. Bảng 1. 8. Phân loại đất sét theo thành phần khoáng chất Dạng đất sét Nhóm khoáng chất tạo nham thạch chủ yếu Ký hiệu Tên gọi đất sét K Kaolinit Kaolinit  Thuỷ Mica Thuỷ Mica M Mônmôrilônit (bentônit ) Mônmôrilônit  Đất sét đa khoáng chất và đơn Không thể hiện rõ hoặc khi thể khoáng chất khác hiện không thuộc loại nào 59
Đất sét mônmôrilônit (bentônit) phải có tổng số các gốc trao đổi lớn hơn 50 đ•ơng l•ợng miligam cho 100g đất sét khô. Khi trong tập hợp trao đổi có Na+ và K+ đất sét mônmôrilônit gọi là đất sét mônmôrilônit Natri. Khi có Ca2+ và Mg2+ thì gọi là đất sét mônmôrilônit Canxi. Khi đánh giá chất l•ợng của đất sét theo độ bền nhiệt hoá cần chú ý là khi cho vào hỗn hợp làm khuôn một l•ợng lớn đất sét có độ bền nhiệt hoá cao thì độ chịu lửa của hỗn hợp có thể sẽ thấp hơn so với tr•ờng hợp cho vào hỗn hợp một l•ợng nhỏ đất sét có độ bền nhiệt hoá thấp. Bảng 1. 9. Phân loại đất sét theo tính dính kết ở trạng thái ẩm Loại đất sét Giới hạn bền nén của mẫu thử Ký hiệu Tên gọi KG/cm2 KN/m2 I Dính kết vững 1,1 108 II Dính kết trung bình 0,79 - 1,10 77 - 108 III Dính kết ít 0,50 - 0,80 49 - 78 Bảng 1. 10. Phân loại đất sét theo tính dính kết ở trạng thái khô Loại đất sét Giới hạn bền nén của mẫu thử Ký hiệu Tên gọi KG/cm2 KN/m2 1 Dính kết vững 5,5 539 2 Dính kết trung bình 3,5 - 5,5 343 - 539 3 Dính kết ít 3,5 343 Ký hiệu đất sét bao gồm các chữ và số, phần số biểu thị loại đất sét ghi theo chỉ số độ bền nén ở trạng thái ẩm, cấp đất sét ghi theo chỉ số độ bền nén ở trạng thái khô; phần chữ biểu thị dạng đất sét ghi theo thành phần khoáng chất và nhóm đất sét có độ bền nhiệt hoá. Thí dụ, đất sét làm khuôn Kaolinit loại ba có độ dính kết ở trạng thái khô và độ bền nhiệt hoá trung bình đ•ợc ký hiệu là KIII/2T2. Đất 60
sét làm khuôn mônmôrilônit loại I có độ dính kết cao ở trạng thái khô và độ bền nhiệt hoá trung bình đ•ợc ký hiệu là MI /1T2. Bảng 1. 11. Phân loại đất sét theo độ bền nhiệt hoá học Nhóm đất sét L•ợng tạp chất Ký L•u huỳnh hiệu Tên gọi trong các Fe2O3 Na2O+K2O CaO+MgO sunfit T1 Đất sét có độ bền 0,2 2,5 1,5 2 nhiệt hoá cao Đất sét có độ bền T2 0,2 2,5-4,5 2,5-3,0 3 nhiệt hoá trung bình 0,2 10 T3 Đất sét có độ bền Không quy Không quy định định nhiệt hoá thấp Phạm vi sử dụng Dùng đất sét làm khuôn trong hỗn hợp cát - đất sét cần căn cứ vào ph•ơng pháp làm khuôn và vật liệu của vật đúc ( bảng 1.12 ). Bảng 1. 12. Lĩnh vực sử dụng đất sét Vật liệu của Chiều dày thành Ph•ơng pháp làm Ký hiệu đất sét vật đúc vật đúc khuôn Gang 10 - 50 Khuôn t•ơi I - III / 1-3 T1 > 50 I - II / 1-3 ( T1  T2) 8 - 20 I - III / 1-3 T1 Thép 21 - 70 > 70 Khuôn t•ơi I - II / 1-3 ( T1  T3 ) I / 1-3 T1 Thép và > 8 Khuôn khô I - III / 1-2 ( T1  T2 ) gang 61
Khi chọn đất sét phải tính đến những điều kiện để l•ợng cháy dính cát hoá học tạo thành trên vật đúc là ít nhất, l•ợng cháy dính cát này phụ thuộc vào l•ợng Fe2O3 và Na2O + K2O trong đất sét. L•ợng Na2O cho phép để tính toán trong thành phần hỗn hợp không đ•ợc quá 0,5% đối với vật đúc gang. Khi đúc gang nên dùng đất sét mônmôrilônit Canxi, còn đúc thép nên dùng đất sét mônmôrilônit Natri. Hiện nay ở n•ớc ta trong các phân x•ởng đúc, ng•ời ta ít chú ý đến bản chất khoáng vật của đất sét khi mua về sử dụng. Trong lúc đó ở nhiều n•ớc ng•ời ta quy định chỉ dùng đất sét có độ dẻo dính cao ( bentônit) để pha trộn với cát tạo hỗn hợp cát - đất sét bền ít n•ớc; thêm nữa ng•ời ta còn đặc biệt chú ý nghiên cứu nâng cao chất l•ợng hỗn hợp bằng cách hoạt hoá đất sét và dùng thêm chất phụ hữu cơ. Các chất hoạt hoá th•ờng dùng nh• natricacbonat (Na2CO3 ) và n•ớc bã giấy có chứa cationNa+ làm cho đất sét bentônit canxi bền hơn, dẻo hơn. 1.3.2. Các chất dính kết khác Ngoài đất sét đ•ợc sử dụng làm vật liệu kết dính liên kết các hạt cát lại để chế tạo hỗn hợp làm khuôn, ng•ời ta còn sử dụng nhiều loại vật liệu khác làm chất kết dính. Theo bản chất ng•ời ta gọi chất dính kết hữu cơ hay chất dính kết vô cơ. 1.3.2.1. Tính chất hoá lý Có những quy luật chung làm cơ sở cho các hiện t•ợng dính bám và dính kết. Tr•ớc khi dùng, chất dính kết đ•ợc hoà vào trong dung môi hay đ•ợc nấu chảy. Khi cho vào ở dạng lỏng, chất dính kết (hồ) sẽ chảy loang trên bề mặt rắn, điền đầy tất cả các chỗ không bằng phẳng và tạo thành một lớp tiếp xúc bền chắc với lớp đệm. Lực tác dụng trên ranh giới giữa pha rắn và lỏng cũng có bản chất giống nh• lực tác dụng giữa các phần tử trong từng pha riêng biệt. Muốn tách các phần tử của những pha khác nhau theo đ•ờng ranh giới của chúng phải tốn một công. Công đó gọi là công dính bám, công dính bám của chất lỏng vào chất rắn đ•ợc biểu thị bằng ph•ơng trình Điupr- jung: Wa = 1 ( 1- cos ). ( 1. 19 ) Trong đó: 1 - sức căng bề mặt của chất lỏng ở ranh giới với chất khí.  - góc thấm •ớt chất lỏng của bề mặt chất rắn. 62
Công tiêu hao để thắng lực liên kết giữa các phần tử trong nội bộ pha gọi là công dính kết. Nếu công dính bám v•ợt công dính kết thì hồ lỏng sẽ chảy loang trên bề mặt vật rắn. Công dính bám phụ thuộc vào cấu tạo của các phân tử. Khả năng dính bám của hai pha sẽ cao khi trong thành phần các phân tử có các nhóm cùng loại - có cực hay vô cực. Ví dụ: Nếu n•ớc là chất hoà tan chủ yếu của các chất dính thì các nhóm COOH và OH có lực bám dính rất cao, còn các mạch Hyđrô các bon với các nhóm CH2 có lực bám dính rất thấp. Vì thế không nên dùng đồng thời các chất dính hoà tan và không hoà tan ở trong n•ớc. N•ớc có khả năng dính bám cao đối với thạch anh nên sẽ đẩy dầu ra khỏi bề mặt các hạt cát, dầu sẽ nằm rải ra trên mặt n•ớc d•ới dạng màng mỏng hay giọt nhỏ. Điều đó sẽ làm giảm độ bền của hỗn hợp. Khi màng mỏng đông cứng sẽ có sự giảm thể tích, do tác dụng của ứng suất co phát triển trong các màng. Những lớp trên khô cứng tự do sẽ co lại và kéo các lớp d•ới là những lớp liên kết với lớp đệm. Lúc đó màng có thể bị rạn đứt ở dạng vết nứt nhỏ. Sự co sẽ phá huỷ cục bộ sự liên kết của màng với lớp đệm. Nếu lực liên kết giữa màng và lớp đệm v•ợt quá độ bền của lớp màng thì màng sẽ bị vỡ rồi bong vụn ra (màng dòn ). Các chất dính hữu cơ khi khô tạo nên những màng dòn, các hỗn hợp trên cơ sở các chất dính ấy sẽ có độ bền bề mặt thấp và độ bở tơi cao. Khi màng khô những phân tử của các chất hữu cơ xếp thành những chuỗi dài song song với lớp đệm. Nếu ở trong các màng có những màng không gian ba chiều thì các màng này sẽ rất bền vững. Quá trình tạo thành các màng vững chắc đ•ợc chia thành ba nhóm: a) Đông cứng sau khi nóng chảy (thí dụ nhựa thông, bitum); b) Hoá cứng khi chất hoà tan bốc hơi ( thí dụ đất sét, mật ); c) Hoá cứng do kết quả trùng hợp của polime (thí dụ dầu lanh, dầu trùng hợp, các chất nhựa). Những chất dính thuộc nhóm thứ ba có độ bền lớn nhất, chúng tạo thành một lớp màng dẻo và bền không bị rạn nứt và bong tróc khỏi các hạt cát. Chúng là những chất lỏng nên hỗn hợp dùng chất này có độ bền thấp ở trạng thái ẩm. 63
Những chất dính thuộc nhóm hai có độ bền kém hơn, nh•ng lại có độ nhớt cao hơn và th•ờng dùng n•ớc làm chất hoà tan. Những chất này cùng với đất sét cho ta hỗn hợp có độ bền nhất định ở trạng thái ẩm. Các chất dính thuộc nhóm thứ nhất không dùng riêng mà th•ờng nằm trong thành phần của những chất dính phức hợp. 1.3.2.2. Phân loại chất dính Cơ sở để phân loại các chất dính dùng trong ngành đúc là hai dấu hiệu chính: a) Bản chất của vật liệu (hữu cơ hay vô cơ, ngậm n•ớc hay khan); b) Đặc điểm đông cứng (thuận nghịch, trung gian, không thuận nghịch). Những chất dính hữu cơ không chịu đ•ợc nhiệt độ cao của kim loại lỏng khi rót vào nên dễ bị phân hoá, do đó làm cho ruột bị huỷ hoại và việc phá ruột đ•ợc dễ dàng hơn. Mặt khác chất dính hữu cơ khi rót đúc sẽ tạo màng khí hoàn nguyên ngăn cách bề mặt khuôn với kim loại lỏng làm bề mặt đúc nhẵn đẹp. Nói chung, ngày nay chất dính hữu cơ đ•ợc dùng nhiều nhất là các loại nhựa. Những chất dính vô cơ thì ng•ợc lại chịu đ•ợc tác dụng của nhiệt cao. Vì vậy chúng đ•ợc dùng chủ yếu làm hỗn hợp áo khuôn và cho vào hỗn hợp ruột một l•ợng nhỏ để tăng độ bền ở trạng thái t•ơi (trạng thái ẩm). Theo tính chất ngậm n•ớc, chất dính đ•ợc chia làm hai nhóm; ngậm n•ớc hoặc không ngậm n•ớc (khan). Chất dính khan là những chất không hoà tan trong n•ớc và không bị n•ớc thấm •ớt. Những chất dính ngậm n•ớc là những chất hoà tan trong n•ớc. Những chất dính khan hữu cơ là các loại dầu thực vật, dầu chế biến từ sản phẩm dầu mỏ. Chúng đảm bảo cho ruột sau khi sấy có độ bền cao nhất. Những chất dính khan và ngậm n•ớc không trộn lẫn với nhau. Pha trộn các chất dính khan và ngậm n•ớc hầu nh• bao giờ cũng làm giảm độ bền của hỗn hợp ở cả hai trạng thái ẩm và khô, nhất là khi dùng đất sét làm chất dính ngậm n•ớc. Những chất dính đông cứng không thuận nghịch khi bị nung nóng sẽ có những sự thay đổi hoá học phức tạp, tạo thành lớp màng bền vững. Sau khi nguội chúng không khôi phục lại đ•ợc những tính chất ban đầu. Cơ sở của sự đông cứng lớp màng là những quá trình trùng hợp (polime hoá) các chất. 64
Những vật liệu đông cứng thuận nghịch sẽ khôi phục lại những tính chất ban đầu sau khi nguội (thí dụ nh• bitum, nhựa đ•ờng, nhựa thông) hoặc do tác dụng của các chất hoà tan (nh• dextrin, hồ pectin, bã r•ợu). Những chất dính mà trong thành phần chứa cả những chất có đặc tính đông cứng thuận nghịch và không thuận nghịch thì thuộc nhóm có đặc tính đông cứng trung gian. Chất dính đông cứng không thuận nghịch bảo đảm độ bền của ruột khô cao nhất, chất dính có đặc tính đông cứng trung gian, cho độ bền trung bình, còn chất dính đông cứng thuận nghịch cho độ bền thấp nhất. Sự phân loại chất dính đ•ợc nêu ra trong bảng 1. 13. Trong bảng phân loại chất dính hữu cơ đ•ợc chia làm hai loại: Loại A- Khan; loại Á - Ngậm n•ớc. Chất dính vô cơ chỉ có một loại B - ngậm n•ớc. Các chất dính hữu cơ sấy khô thuộc loại Á - 2 và Á - 3. Trong công nghiệp hay dùng chất dính hoà tan trong n•ớc nh• dextrrin, bã giấy, mật đ•ờng, keo pectin. Những chất dính này hoà tan trong n•ớc tạo thành dung dịch keo có độ nhớt cao. Hỗn hợp có dùng thêm những chất này sẽ có độ bền ở trạng thái ẩm cao hơn. Chất dính hữu cơ ngậm n•ớc sấy khô dễ pha trộn với đất sét cho nên chúng đ•ợc dùng hầu nh• đồng thời với nhau. Đất sét làm cho hỗn hợp có độ bền ở trạng thái ẩm, còn chất dính hữu cơ làm cho hỗn hợp có độ bền ở trạng thái khô. Những hỗn hợp ruột có chứa chất dính hữu cơ ngậm n•ớc và đất sét, thì các phần tử đất sét tác dụng lẫn nhau chủ yếu qua lớp chất hữu cơ. Các chất hữu cơ sẽ liên kết và làm cho các lớp n•ớc đông kết lại. Vì thế trong hỗn hợp cát - đất sét cho thêm các chất hữu cơ vào để tạo nên dung dịch keo làm tăng độ bền ở trạng thái ẩm, và đồng thời cũng làm cho hỗn hợp có độ dẻo cao, do đó làm giảm xu h•ớng bị nứt nẻ của hỗn hợp khi sấy. Độ dẻo cao của hỗn hợp nhiều khi có thể gây khó khăn cho việc đầm chặt khuôn, hộp ruột. Các chất dính hữu cơ thuộc nhóm A-3. Độ bền của hỗn hợp đạt đ•ợc do kết quả của sự đông cứng chất dính sau khi nóng chảy. Vì những chất dính đông cứng ở trạng thái nguội thì dòn, nên hỗn hợp dùng chất dính này có độ bền bề mặt thấp, độ bở tơi cao và không hút n•ớc. Các chất dính thuộc nhóm A-3 không dùng riêng. Nhựa đ•ờng th•ờng dùng cùng với 65
đất sét và n•ớc bã giấy. Cho thêm đất sét và các chất dính khác sẽ loại trừ đ•ợc sự giảm độ bền khi nung nóng và độ bở tơi cao khi nguội. Bảng 1.13. Phân loại chất dính Độ vững riêng y Loại A Loại Á Loại B Nhóm vật Đặc Tên vật Đặc Tên vật Đặc Tên vật liệu KG/cm2 KN/m2 điểm liệu dính điểm liệu dính điểm liệu 1% 1% đông kết đông kết đông dính cứng cứng cứng kết A - 1 Á - 1 B - 1 Dầu lanh, M-17, Không dầu trùng Không M, MC Á, Không N•ớc I > 5 > 490 thuận hợp, ẽ, thuận CM-1, thuận thuỷ nghịch ẽT, ẽTA, nghịch HAK nghịch tinh CẽT, Nhựa pun- vebakêlit, ẽẹ-1 A - 2 Á - 2 B - 2 II 3 - 5 294 - Trung 4Ãể(ẽ), Trung C ẽ, 490 gian ÃT, gian CÁ,KT ầẩậ, KB, KBC ÁK, Đextrin Äẽ, ẹậấ keo pectin A - 3 Thuận Á - 3 B - 3 Nhựa cây nghịch Mật Thuận Đất sét III < 3 < 294 Thuận ÁTK đ•ờng, nghịch làm nghịch Nhựa n•ớc bã khuôn côlôphan giấy 66
Các chất dính hữu cơ đông cứng hoá học nhóm A-1, A-2 và Á -1 Quá trình tạo thành các màng bền dẻo vững chắc dựa trên các phản ứng hoá học về trùng hợp (polime hoá). Hỗn hợp làm bằng chất dính này có độ bền bề mặt cao. Độ bền cao của màng cho phép giảm bớt độ sinh khí của ruột bằng cách giảm l•ợng chất dính mà vẫn đảm bảo đ•ợc độ bền công nghệ của ruột. Những chất dính đông cứng hoá học ( nguyên là chất lỏng ) làm cho hỗn hợp có độ bền thấp ở trạng thái ẩm. Nếu hỗn hợp ruột cần có độ bền cao hơn ở trạng thái ẩm thì các chất dính thuộc nhóm này đ•ợc dùng cùng với đất sét, dextrin, bitum, côlôphan và các chát dính khác. Các chất dính đông cứng hoá học đ•ợc chia làm hai nhóm (các loại dầu và các loại nhựa tổng hợp ). Khi đông cứng các loại dầu cần có sự oxi hoá, quá trình xảy ra nhanh hơn khi đ•ợc nung nóng. Còn các loại nhựa tổng hợp chỉ cần đem nung nóng. Trong các loại dầu đ•ợc chia làm ba nhóm nhỏ: - Dầu thực vật; - Dầu sản phẩm của dầu mỏ; - Dầu của phiến nham (đá dầu ). Dầu thực vật không nên làm chất dính kết vì chúng hiếm và đắt. Chất dính tổng hợp đ•ợc chế tạo từ một số chất dính nhằm làm giảm l•ợng tiêu thụ những chất dính thuộc loại dầu hiếm. Hỗn hợp làm bằng chất dính tổng hợp có độ bền cần thiết ở cả trạng thái khô và ẩm với độ sinh khí nhỏ nhất. Chất dính tổng hợp đ•ợc chế tạo bằng cách hoà tan, trộn lẫn hay nhũ t•ơng hoá. Cách hoà tan dùng trong tr•ờng hợp các chất dính có bản chất giống nhau và cùng hoà tan đ•ợc trong những chất hoà tan nh• nhau. Cách trộn lẫn sử dụng khi các chất dính có bản chất khác nhau nh•ng nhất thiết phải cùng chất dính ngậm n•ớc với ngậm n•ớc và khan với khan. Khi nhũ t•ơng hoá ng•ời ta cho thêm chất hoạt tính bề mặt, để khi nó hấp phụ trên bề mặt các hạt hay các giọt nó sẽ ngăn không cho các hạt liên kết lại với nhau, nghĩa là tách hệ thống thành hai pha riêng biệt. Trên thực tế th•ờng hay dùng chất dính tổng hợp đ•ợc nêu trong bảng 1. 14. Nhựa tổng hợp đ•ợc chế tạo bằng cách ng•ng tụ fênol (C6H5OH), anilin (C6H5NH2) với formalđêhit (HCHO) và urê (NH2)2CO với formalđêhit. Những nhựa này có thể là loại nhựa phản ứng nhiệt hay nhựa dẻo nhiệt, tuỳ theo nguyên liệu gốc, chất xúc tác và quá trình sản xuất. Trong sản xuất đúc th•ờng hay dùng 67