CHƢƠNG 2
CƠ SỞ Lí THUYẾT
QUÁ TRèNH
HèNH THÀNH VẬT ĐệC
PHẦN 3
1 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6. CO NGểT TRONG
QUÁ TRèNH ĐễNG ĐẶC
CỦA VẬT ĐệC
Từ khúa: Contraction; Shrinkage;
Void; Porosity
2 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.1. MỞ ĐẦU
Trong quỏ trỡnh đụng
đặc và làm nguội, phần
lớn cỏc KL và HK đều
giảm thể tớch hiện
tượng co
Hệ quả của co:
- Làm thay đổi kớch
thước VĐ
- Tạo cỏc điều kiện hỡnh
thành lừm co, xốp co
trong vật đỳc
Sự thay đổi khối lượng riờng
118 trang |
Chia sẻ: Tài Huệ | Ngày: 19/02/2024 | Lượt xem: 123 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Bài giảng Công nghệ đúc - Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành vật đúc (Phần 3) - Nguyễn Ngọc Hà, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
HK Al-Si theo nhiệt độ
3 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.1.1. Co của HK đúc ở trạng thái lỏng
Xảy ra trong khoảng từ T rĩt đến TL
Thể hiện bằng mức tụt xuống của bề mặt
KL rĩt vào khuơn
Quá trình co lỏng cũng xảy ra trong cả
khoảng đơng
Mức độ co lỏng tăng khi tăng T rĩt
Độ co thể tích khi KLL giảm 1000C:
- Gang lỏng: 1,1%
- Thép cacbon: 1,3 – 1,7%
4 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.1.2. Co của HK đúc trong quá trình
đơng đặc
Hầu hết các hợp
kim, khi chuyển từ
lỏng sang rắn, thể
tích của VĐ giảm
Ngoại lệ: gang xám
- Sự tiết ra graphite làm
tăng thể tích
- 1% graphite tiết ra
làm tăng khoảng 2%
thể tích
5 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.1.3. Co của HK đúc khi làm
nguội ở trạng thái rắn
Hầu hết KL, HK khi làm nguội ở trạng thái rắn đều
giảm thể tích
Hệ số co thể tích ở trạng thái rắn thường nhỏ hơn
ở trạng thái lỏng và giảm dần theo T
Trường hợp ngoại lệ: quá trình nguội cĩ kèm
chuyển biến pha làm tăng thể tích (thường khơng
đáng kể, xem hình trang bên)
6 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7
Độ co tổng
V= VL VK VS
V: độ co tổng
VL: co ở trạng thái lỏng
VK: co trong quá trình đơng đặc
VS: co ở trạng thái rắn
8 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9
Minh họa
quá trình co
từ trạng thái
lỏng đến khi
vật đúc
đơng đặc
hồn tồn
6.1.4. Các khuyết tật gắn liền sự co
Co ở trạng thái lỏng và
đơng đặc: nguyên nhân của
lõm co và xốp co
Co ở trạng thái rắn: nguyên
nhân của sự sai lệch kích
thước, hình thành ứng
suất, biến dạng, nứt
6.2. LÕM CO
6.2.1. Nguyên nhân hình thành
Là các lỗ rỗng tập trung
được hình thành ở cuối giai
đoạn đơng đặc do khơng
cịn KLL để bù co
Do lực trọng trường, lõm co
thường nằm ở phần trên
của VĐ
Nếu cĩ biện pháp bù co
thích hợp, lõm co sẽ nằm ở
phần vật đúc mà sau này sẽ
cắt bỏ đi: đậu ngĩt
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.2.2. Hình dạng lõm co
Hình dạng lõm co phụ thuộc vào cường
độ nguội theo các phương khác nhau của
vật đúc
12 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.3. XỐP CO
6.3.1. Nguyên nhân hình thành
Xốp co: tập hợp các lỗ rỗng nhỏ được hình
thành do sự co của KL trong những vùng thể
tích vơ cùng bé khơng được bù co trong quá
trình đơng đặc
Trong vùng 2 pha, trong vùng khĩ bù co, vào
cuối giai đoạn đơng đặc:
- Các kênh bù co giữa các nhánh cây thu hẹp
- Độ sệt KLL cao
KLL khơng thể bù co cho phần KL giữa các nhánh
cây tạo nên các xốp co tế vi
13 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14
Vùng khĩ bù co
Xét một VĐ đang đơng
đặc, gĩc được hình thành
bởi 2 mặt đơng đặc tiến từ
thành khuơn được gọi là
gĩc đơng đặc
Độ dài của vùng 2 pha
theo tâm nhiệt của vật đúc
gọi là vùng khĩ bù co
15 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Vùng khĩ bù co
Vùng khĩ bù co
càng lớn nếu
chiều rộng vùng 2
pha càng lớn và
gĩc càng nhỏ
6.3.2. Các dạng xốp co
a. Xốp co phân tán
Xốp co phân tán trong
tồn thể tích vật đúc
Thường quan sát khi
đúc các HK đồng, HK
nhơm
b. Xốp co tập trung
Ở các vị trí:
- Các thành dày của vật
đúc
- Các vùng bị quá nhiệt
- Xốp co đường tâm
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18
Sự hình thành xốp co đƣờng tâm
Hình thành vùng 2 pha hẹp ở
tâm VĐ
Các tinh thể nhánh cây lớn
lên từ các mặt kết tinh đối
diện nhau cách li vùng 2
pha thành nhiều phần
Trong các vùng bị cách li,
xốp co hình thành cĩ dạng
tương tự lõm co trong VĐ
hình trụ đơng đặc theo mặt
bên
19 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Các biện pháp ngăn ngừa xốp co
đƣờng tâm
Tạo quá trình đơng đặc cĩ hướng
Thu hẹp vùng 2 pha
Tạo áp suất cao lên KLL trong quá trình
đơng đặc
Sử dụng tác động rung/siêu âm để làm liên
thơng giữa đậu ngĩt với vùng cần bổ ngĩt
Thay đổi kết cấu VĐ để giảm xốp co đường
tâm
20 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG
ĐẾN SỰ CO
Nguyên lý chung: Chiều rộng vùng 2 pha
càng lớn: thể tích lõm co càng nhỏ, xốp co
đường tâm càng nhiều
Giải thích: ???
21 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.4.1.Ảnh hƣởng của thành phần HK
Thép và gang
Cacbon:
- Khi tăng hàm lượng C, độ co tăng
cho đến 1%C
- Sau đĩ độ co giảm dần đến cực
tiểu khi hàm lượng cacbon đạt giá
trị cùng tinh
Các nguyên tố khác:
- Các nguyên tố cĩ tác dụng thúc
đẩy quá trình graphit hố (Si) làm
giảm độ co của gang
- Các nguyên tố cacbit hố (Mn, Cr)
lại làm tăng độ co của gang
22 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.4.2. Ảnh hƣởng của tốc độ nguội
Tốc độ nguội càng nhỏ, lõm co tập trung
càng tăng
Tốc độ nguội được quy định bởi:
- Vật liệu làm khuơn
- Chiều dày thành khuơn
- Việc nung nĩng hoặc làm nguội cưỡng bức
khuơn
- Chiều dày thành VĐ
23 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.4.3. Ảnh hƣởng của hình dạng VĐ
Tìm một số thí dụ minh chứng
24 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.5. VƠ HIỆU HỐ LÕM CO VÀ
HẠN CHẾ XỐP CO
6.5.1. Nút nhiệt
a. Khái niệm
Nút nhiệt: vùng của VĐ cĩ T cao
nhất (cục bộ) trong quá trình
đơng đặc và nĩ thường đơng đặc
sau cùng
Phần lớn các HK đúc khi đơng
đặc giảm thể tích. Nút nhiệt đơng
đặc sau cùng, do khơng cịn KLL
bổ sung nên xuất hiện lỗ co
(hoặc lõm co) trong VĐ
25 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 26
b. Phân loại nút nhiệt
Theo vị trí đối với rãnh dẫn
Nút nhiệt chảy
Nút nhiệt nửa
chảy
Nút nhiệt khơng
chảy
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Đối với vị trí đặt đậu ngĩt
Nút nhiệt kề sát
Nút nhiệt nửa
kề sát
Nút nhiệt cách
xa
28 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
c. Đơng đặc cĩ hƣớng
Để khắc phục các khuyết tật do co,
phải thực hiện nguyên lý đơng đặc
cĩ hướng
Nguyên tắc xác định đơng đặc
cĩ hƣớng:
- Vẽ vịng trịn tiếp xúc với 2 thành
bên của VĐ (vịng trịn nhiệt) thì
theo hướng đơng đặc vịng trịn
nhiệt phải tăng dần
- Nếu theo hướng đơng đặc mà
vịng trịn nhiệt cĩ đột biến thì nơi
xảy ra độ biến chính là nút nhiệt
29 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
d. Nguyên lý khắc phục nút nhiệt
Đặt đậu ngĩt
trên/bên nút
nhiệt
30
d. Nguyên lý khắc phục nút nhiệt
Thay đổi kết
cấu VĐ để tạo
đơng đặc cĩ
hướng và vùng
đơng đặc sau
cùng là đậu ngĩt
(ĐN)
31 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
d. Nguyên lý khắc phục nút nhiệt
Đặt vật làm nguội (VLN)
bên trong hoặc bên
ngồi VĐ
VLN làm tăng tốc độ
đơng đặc tại nút nhiệt và
làm biến mất nút nhiệt
32
Một số thí dụ về đặt vật làm nguội
6.5.2. Lõm co & cách vơ hiệu
Vị trí và kích thước
lõm co phụ thuộc:
- Kết cấu VĐ
- Phương thức bố trí VĐ
trong khuơn
- Phương thức bố trí ĐN
- Phương thức cấp KLL
- Điều kiện nguội của vật
đúc
34 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
a. VĐ cĩ thành dày đều
Rĩt đứng trên xuống qua ĐN
Sau khi rĩt xong:
- KL nguội nhất ở phần dưới
- Nĩng nhất ở đậu ngĩt
Trong quá trình đơng đặc:
- Vùng 2 pha đi từ mặt ngồi VĐ
đến trục nhiệt tạo nên gĩc
mở ra về phía ĐN
- Đỉnh gĩc liên tục dịch chuyển
từ dưới hướng lên ĐN
Đơng đặc định hướng (dương)
35 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Rĩt đứng từ dƣới lên
Sau khi rĩt xong:
- KL nguội nhất ở phần dưới
ĐN
- Nĩng nhất ở phần dưới VĐ
Trong quá trình đơng đặc:
gĩc mở ra về phía dưới:
đơng đặc định hướng âm
Khoảng giữa đơng đặc sau
cùng khơng cĩ KLL bổ sung
lõm co kín hoặc xốp co
đường tâm
36 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Vật đúc nằm ngang
37 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. VĐ cĩ chiều dày thành thay đổi đều
Khi nút nhiệt kề sát ĐN
- ĐN sẽ làm vơ hại các nút
nhiệt
- Nếu độ cơn của VĐ đủ lớn:
đơng đặc sẽ định hướng
dương ngay cả khi rãnh
dẫn đối diện ĐN
- Độ cơn khơng đạt giá trị tới
hạn: đơng đặc định hướng
âm
- Tối ưu: dùng HTR kề sát
nút nhiệt và ĐN
38 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. VĐ cĩ chiều dày thành thay đổi đều
Nút nhiệt cách xa ĐN
- KLL dưới ĐN đơng đặc
đầu tiên làm cách li
ĐN khỏi nút nhiệt
hình thành lõm co hoặc
xốp co
- Tránh bố trí kiểu này
39 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
c. VĐ cĩ chiều dày thành thay đổi đột ngột
VĐ chỉ cĩ 1 bậc
ĐN kề sát; nút nhiệt chảy
KLL trong ĐN cĩ T cao
nhất
Hiệu quả nhất do quá
trình đơng đặc định
hướng dương và phần
đơng đặc cuối cùng là
ĐN
40 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
VĐ chỉ cĩ 1 bậc
ĐN kề sát; nút nhiệt
khơng chảy
Hiệu quả khơng cao do
KLL trong ĐN chưa
chắc cĩ T cao nhất
Phần ĐN và nút nhiệt
cĩ thể đơng đặc định
hướng dương
Phần rãnh dẫn đi vào:
đơng đặc định hướng
âm
41 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
VĐ chỉ cĩ 1 bậc
ĐN cách xa; nút nhiệt
khơng chảy
Phần nửa trên VĐ: đơng đặc
định hướng dương
Phần nửa dưới VĐ: định
hướng âm để lại lỗ co gần
tâm nút nhiệt
Cĩ thể vơ hiệu nút nhiệt bằng
cách đặt VLN
42 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
VĐ chỉ cĩ 1 bậc
ĐN cách xa; nút nhiệt
chảy
Phần nửa trên VĐ: đơng
đặc định hướng dương
Phần nửa dưới VĐ: định
hướng âm để lại lỗ
co gần tâm nút nhiệt
43 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
VĐ cĩ hơn 1 bậc
Nút nhiệt cục bộ
Cĩ thể làm vơ hại nút nhiệt
bằng 2 cách:
- Dùng ĐN trên và VLN
ngồi: KLL đi theo thành
mỏng bổ ngĩt cho phần
dưới VĐ
- Dùng ĐN trên và ĐN cạnh
nút nhiệt
44 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
VĐ cĩ hơn 1 bậc
Nút nhiệt xuyên thủng
Khơng nên đặt VLN
tại nút nhiệt
Nên vơ hiệu hố nút
nhiệt bằng ĐN
45 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.5.3. Thí dụ về đơng đặc của VĐ
46 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.5.3. Thí dụ về đơng đặc của VĐ
47 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Đậu ngĩt nằm trên hệ thống rĩt
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 48
6.5.3. Thí dụ về đơng đặc của VĐ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 49
6.6. ĐẬU NGĨT
6.6.1. Phân loại ĐN theo hình dạng
a. ĐN hở
Ngồi nhiệm vụ bổ sung
KLL cho VĐ cịn đĩng vai
trị của đậu hơi
Hiệu quả bù ngĩt cao do lợi
dụng được cột áp thuỷ tĩnh
Dễ làm khuơn và ráp khuơn
50 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
a. ĐN hở
Mẫu ĐN được rút ra từ
phía trên
Dễ kiểm tra khuơn trước
khi rĩt và quan sát được
KL chảy trong khuơn
trong khi rĩt
Chiều cao ĐN phụ thuộc
vào hịm khuơn
51 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 52
b. Đậu ngĩt kín
Khi hịm khuơn trên quá cao:
dùng ĐN hở tốn nhiều KL
Sử dụng khi làm khuơn trên
máy bằng tấm mẫu: mẫu ĐN
liền với mẫu VĐ
Khi cần bổ ngĩt phần giữa
hoặc phần dưới VĐ
Phần trên của ĐN thường làm
thành nửa mặt cầu để giảm bề
mặt tiếp xúc giữa KL với
khuơn, hạn chế thể tích ĐN
53 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Hình dạng ĐN kín
54 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 55
Bố trí đậu ngĩt
(a): Đậu ngĩt kín đặt
cạnh nút nhiệt
(b): Đậu ngĩt hở đặt
trên nút nhiệt
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 56
6.6.2. Phân loại theo áp lực
a. ĐN giảm áp
Khi đơng đặc, hình thành 1
lớp vỏ rắn xung quanh thành
ĐN
Mực KLL hạ xuống tạo áp
lực âm tác động lên mực
KLL đang hạ xuống giảm
tác dụng bù ngĩt
57 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. ĐN áp suất khí quyển
Đặt một ruột thơng khí
sâu vào gần trung tâm
ĐN áp lực tác động
lên mực KLL trong ĐN
cân bằng với áp suất
khí quyển
58 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
c. ĐN áp lực cao
Cho vào trong ĐN hộp sinh
khí chứa: phấn chì + than
cốc + bột than
Ở nhiệt độ cao, các chất
sinh khí bị phân huỷ và sinh
ra khí tạo áp lực cao tác
động lên bề mặt KLL
tăng hiệu quả bù ngĩt
59 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.6.3. Theo sự bảo vệ nhiệt của ĐN
a. ĐN cách nhiệt
Ngồi ĐN bình thường cịn
cĩ ĐN cách nhiệt và tỏa
nhiệt
ĐN cĩ ống cách nhiệt nhằm
duy trì nhiệt độ cao của KLL
trong ĐN
Vật liệu cách nhiệt thường
dùng:
Điatomit + chất dính
(bentonit, xi măng, nhựa
phenol )
1 – HHLK
2 - Ống cách nhiệt
60 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. Đậu ngĩt toả nhiệt
Vách ĐN được chế
tạo bằng ống phát
nhiệt nhằm nâng cao
nhiệt độ KLL trong
ĐN
1. HHLK
2. Ống phát nhiệt
61 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 62
Thành phần hỗn hợp phát nhiệt
1. Chất cháy: Al, Mg, Fe-Si
2. Chất cung cấp ơxy: Fe2O3, NaNO3, KNO3
3. Chất độn chịu nĩng và giảm tốc độ phản
ứng: cát, samốt
4. Chất xúc tác thúc đẩy phản ứng: NaF,
AlF
5. Chất dính kết: nước thuỷ tinh, xi măng
63 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
1 Patent về ĐN phát nhiệt
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 64
Minh họa hiệu quả của ĐN phát nhiệt
65
6.7. VẬT LÀM NGUỘI (VLN)
Tác dụng của VLN
Tạo sự đơng đặc cĩ hướng để tránh lõm co
trong VĐ
Thu hẹp vùng 2 pha để tránh xốp co
Chống nứt trong VĐ
Làm giảm cháy cát tại những vị trí khuơn,
ruột bị tác dụng nhiệt lớn
66 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.7.1. VLN ngồi
a. Tính tốn
VLN ngồi được đặt vào vị trí xác định trong
khuơn với nhiệm vụ hấp thụ và truyền nhiệt từ
bề mặt tiếp xúc vào khuơn trong thời gian đủ
ngắn
Tổng nhiệt lượng được VLN hấp thụ và truyền
đi: Q
Q= Qqn + Qkt + Qng
Qqn - nhiệt lượng quá nhiệt khi KLL nguội từ Tr
đến TL
Qkt - nhiệt kết tinh
Qng - nhiệt toả ra trong quá trình nguội
67 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
a. Tính tốn
Do Qng nhỏ (khuơn cát) Q Qqn + Qkt
VLN phải cĩ khả năng hấp thụ nhiệt tương
ứng Q phương trình cân bằng nhiệt:
Vvlnvlncvln(t1-t0)= Vvđvđcvđ (tr-tL)+ VvđvđL
Vvln ,Vvđ - thể tích VLN & thể tích phần VĐ
được hấp thụ nhiệt
vln, vd - khối lượng riêng VLN & HK đúc
cvln, cvđ - nhiệt dung riêng VLN & HK đúc
t0, t1 - nhiệt độ ban đầu & cuối VLN
L - ẩn nhiệt kết tinh của HK đúc
68 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
a. Tính tốn
Vvln
Khi tính tốn thường chọn t1= 0,5 tr
Lưu ý:
- Khơng được phép tăng chiều dày VLN
quá mức. Rvln=(0,3 – 0,5)Rvd
- Nếu đặt VLN ở nút nhiệt nửa chảy tvln
tăng mạnh làm giảm tác dụng làm
nguội tăng Vvln
69 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. VLN ngồi cho VĐ bằng gang
Thường dùng gang làm vật làm nguội
ngồi (gang nguội)
Tránh làm nguội quá mạnh: VĐ cĩ thể bị
biến trắng hoặc nứt
Tránh nhược điểm trên bằng cách sử
dụng hỗn hợp cĩ độ dẫn nhiệt cao và khả
năng tích nhiệt lớn:
- Hỗn hợp chứa manhêzit
- Hỗn hợp chứa mạt gang
70 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. VLN ngồi cho VĐ bằng gang
Ưu điểm của hỗn hợp làm nguội:
- Dễ sử dụng cho VĐ cĩ hình dạng phức tạp
- Dễ điều chỉnh tốc độ nguội
- Cĩ thể làm nguội cả mặt trong VĐ
Cĩ thể dùng graphit làm VLN
71 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
c. VLN ngồi cho VĐ bằng thép
VĐ đơn giản: dùng thép tấm, thép cây
VĐ tương đối phức tạp: gang đúc
VĐ phức tạp: hỗn hợp manhêzit
72 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Vật làm nguội ngồi
73 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Vật làm nguội ngồi
74 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.7.2. Vật làm nguội trong
VLN ngồi chỉ cĩ tác dụng khi kích thước
tương đối và tuyệt đối của nút nhiệt là
khơng lớn
Đối với nút nhiệt lớn cĩ thể làm vơ hại
bằng VLN trong
75 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
a. Tính tốn VLN trong
Kích thước VLN trong được xác định từ phương
trình cân bằng nhiệt:
“Nhiệt lượng mà KLL truyền cho VLN đến khi nĩng
mềm bề mặt (sao cho bề mặt VLN cĩ nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ TS để tạo sự liên kết tốt giữa VLN và
HK đúc) bằng nhiệt mất đi của KL trong nút nhiệt”
Để tính tốn, giả thiết: nhiệt độ trung bình của VLN
bằng TS
76 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
a. Tính tốn VLN trong
Vvlnvlncvln(tS-t0)= (Vvd-Vvln)[vdcvd(tr-tS)] +
(Vvd-Vvln) vdL
Vvln
Lưu ý:
- Phương trình trên đã giả định nút nhiệt là
khơng chảy
- Cần lưu ý tỉ số F/V (F: diện tích bề mặt; V:
thể tích) của VLN để cĩ điều chỉnh cho
thích hợp
77 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
b. VLN trong cho VĐ bằng gang
Thơng thường đối với gang: khơng dùng
VLN trong
Tại sao ???
78 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
c. VLN trong cho VĐ bằng thép
Vật liệu làm VLN:
- Thép cacbon thấp (0,1 – 0,2%C)
- Vật liệu của chính HK đúc. Lưu ý: nếu HK
sinh ra màng ơxit khi nĩng chảy thì khơng
nên dùng làm VLN (VLN sẽ khơng liên kết
với VĐ)
79 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
c. VLN trong cho VĐ bằng thép
Phƣơng pháp đặt VLN
trong:
a. Ghim đinh
b. Thép trịn đặt trên
đinh
c. Chốt
80 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Vài dạng VLN
(a): VLN trong
(b): VLN ngồi
(c): VLN ngồi đặt
sát nút nhiệt
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 81
7. ỨNG SUẤT TRONG VẬT ĐƯC
7.1. MỞ ĐẦU
Quá trình nguội sau khi đơng đặc kèm theo
những thay đổi vật lý bên trong VĐ
ảnh hưởng đến một số tính chất VĐ:
1. Kích thước VĐ giảm do quá trình co
2. Các phần khác nhau của VĐ nguội và co khơng
đồng thời xuất hiện ứng suất
3. Các chuyển biến pha xảy ra khơng đồng bộ
xuất hiện ứng suất
4. Độ bền của HK đúc thay đổi trong quá trình
nguội
82 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.1. MỞ ĐẦU
VĐ thường cĩ kết cấu
phức tạp (gồm nhiều thành
dày mỏng khác nhau)
quá trình nguội và co khĩ
xảy ra một cách đồng thời
trên mọi phần của VĐ
hình thành ứng suất trong
VĐ
Ứng suất tính theo ĐL Hook:
= (L/L)E (1)
- ứng suất kéo hoặc nén
L - chiều dài
L - độ co dài
E - mơđun đàn hồi của HK
đúc
Mặt khác:
L/L = .t (2)
- hệ số dãn nở nhiệt
Thay (2) vào (1):
= .E.t (3)
83 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.2. PHÂN LOẠI ỨNG SUẤT
7.2.1. Theo quy mơ
1. Ứng suất loại I: ứng suất vĩ mơ hình
thành trong tất cả các phần VĐ
2. Ứng suất loại II: ứng suất vi mơ hình
thành trong phạm vi một tinh thể
3. Ứng suất loại III: ứng suất siêu vi mơ
làm biến dạng ơ cơ bản trong cấu trúc
tinh thể của VĐ
Chỉ xét ứng suất loại I
84 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.2.2. Theo nguyên nhân
1. Ứng suất nhiệt:
- Thành mỏng nguội nhanh hơn thành dày
- Thành dày co trong giai đoạn cuối nên dễ bị biến
dạng sớm hơn so với thành mỏng đã đơng đặc
tạo nên ứng suất
2. Ứng suất pha:
- Khi nguội ở trạng thái rắn, cĩ thể xảy ra chuyển
biến pha làm thay đổi thể tích VĐ
- Chuyển biến pha xảy ra khơng đồng bộ trên tồn
VĐ hình thành ứng suất
3. Ứng suất co:
- Sự co trong quá trình nguội của VĐ cĩ thể bị cản
(cản co) do khuơn hoặc ruột quá cứng hình
thành ứng suất
85 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.NHỮNG ỨNG SUẤT TRONG VĐ
7.3.1. Ứng suất nhiệt
Khảo sát VĐ cĩ dạng chữ T
gồm 2 phần:
- Phần mỏng (1) cĩ tiết diện F1
- Phần dày (2) cĩ tiết diện F2
Gọi t0th - nhiệt độ tới hạn của
hợp kim đúc khi chuyển từ
trạng thái dẻo sang trạng thái
đàn hồi
86 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.1. Ứng suất nhiệt
Quá trình nguội:
- Phần mỏng nguội
theo đường 1
- Phần dày nguội theo
đường 2 (nguội
chậm hơn)
Quá trình co:
- Phần mỏng co theo
đường 1
- Phần dày co theo
đường 2
87 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.1. Ứng suất nhiệt
Trước 0: cả VĐ cịn
nằm trong vùng biến
dạng dẻo chưa
hình thành ứng suất
Từ 0 đến 2: phần 2
vẫn cịn ở trạng thái
dẻo ứng suất vẫn
chưa hình thành
Từ thời điểm 2 trở đi:
cả 2 phần VĐ đều
nằm trong vùng biến
dạng đàn hồi
88 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.1. Ứng suất nhiệt
Giả sử 2 phần khơng liên
kết nhau:
- Phần 1 co tự do theo 1’
- Phần 2 co tự do theo 2’
Do 2 phần liên kết nhau
chúng khơng thể co tự
do mà tương tác lẫn nhau
trong quá trình co VĐ
sẽ co theo đường S:
- Phần dày chịu ứng suất
kéo (+)
- Phần mỏng chịu ứng suất
nén (-)
89 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.1. Ứng suất nhiệt
Như vậy:
- Ứng suất nhiệt hình thành khi quá trình
nguội và co của các phần trong VĐ xảy ra
khơng đồng thời
- Độ lớn của ứng suất nhiệt phụ thuộc vào độ
chênh lệch tiết diện của các phần trong VĐ
90 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.2. Ứng suất pha
Các pha và tổ chức trong thép C
Fe3C Peclit Mactenxit
Khối
lƣợng
riêng,
kg/dm3
7,864 7,670 7,843 7,778 7,633
Thể tích
riêng,
dm3/kg
0,1271 0,1304 0,1275 0,1268 0,1310
91 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.2. Ứng suất pha
- Chuyển biến khơng gây sự thay đổi
thể tích đáng kể
- Chuyển biến : thể tích riêng giảm nhẹ
- Chuyển biến xê: thể tích riêng tăng
- Chuyển biến peclit: thể tích riêng tăng
đáng kể
Khi làm nguội nhanh: chuyển biến
mactenxit: thể tích riêng tăng khá mạnh
92 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.2. Ứng suất pha
Xét VĐ hình trụ đặc:
- Lớp ngồi: I; lớp trong II
- Chỉ xem xét sự hình
thành ứng suất do sự
thay đổi thể tích lúc
chuyển pha gây ra
- Quá trình co: lớp ngồi:
đường I; lớp trong:
đường II
93 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
6.3.2. Ứng suất pha
Lớp ngồi nguội nhanh
hơn:
- Sự co xảy ra đến 1
- Quá trình chuyển pha tại
1 và kết thúc ở 2
- 1-2: dãn nở do chuyển
pha
0 - 2: khơng tạo nên ứng
suất do lớp trong cịn ở
trạng thái dẻo
94 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.2. Ứng suất pha
Khi lớp trong nguội đến
dưới t0th và đến T
chuyển pha: thể tích lớp
này sẽ tăng đến thời
điểm 3
Do lớp ngồi đã ở trạng
thái đàn hồi: hình thành
ứng suất pha
95 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.2. Ứng suất pha
Trạng thái ứng suất:
- Lớp ngồi: ứng suất kéo (+)
- Lớp trong: ứng suất nén (-)
Ứng suất pha ngược chiều
ứng suất nhiệt
(thể tích pha tăng)
96 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.3.3. Ứng suất co Xảy ra khi khuơn/ruột quá
cứng: cản sự co tự do của
VĐ tạo ứng suất kéo (+)
Thành mỏng ở giữa VĐ cĩ
thể bị nứt do giá trị của ứng
suất co lớn hơn độ bền của
HK đúc
Thành dày 2 bên khơng bị
nứt do ứng suất khơng đủ lớn
97 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.4. TÁC DỤNG TỔNG HỢP CỦA
CÁC LOẠI ỨNG SUẤT
Đối với các VĐ cĩ hình dạng phức tạp, thường
tồn tại cả 3 loại ứng suất
Giá trị ứng suất đúc đ:
đ = N + P + C
N - ứng suất nhiệt
P - ứng suất pha
C - ứng suất co
Tác dụng tổng hợp của 3 loại ứng suất cĩ thể
tạo ra những tổ hợp khác nhau
98 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Dấu của ứng suất trong VĐ
Vị trí hình
thành ứng
suất
Ứng
suất
nhiệt
Ứng
suất pha
Ứng
suất co
Ứng
suất sau
cùng
Thành
mỏng/Lớp
ngồi
-
+
-
0
+
Thành
dày/Lớp
trong
+
+
-
0
+
99 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Dấu của ứng suất trong VĐ
Tổng các ứng suất cùng dấu trong VĐ cĩ
thể gây nguy hiểm
Thành dày: tổng ứng suất nhiệt (+) và ứng
suất co (+) cĩ thể vượt quá độ bền HK đúc
Thành mỏng: tổng ứng suất nhiệt (-) và
ứng suất co (+) cĩ thể bù trừ nhau
100 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Dấu của ứng suất trong VĐ
Trong 3 loại ứng suất: ứng suất nhiệt quan
trọng nhất thơng thường, cuối cùng
ứng suất kéo (+) hình thành trong thành
dày; ứng suất nén (-) – trong thành mỏng
Sau quá trình đơng đặc và nguội, nếu cịn
tồn tại ứng suất: ứng suất dư
101 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.5. KHUYẾT TẬT HÌNH THÀNH
DO ỨNG SUẤT
7.5.1. Cong vênh
Nếu VĐ khơng đối xứng, cĩ những thành cĩ độ
dày khác nhau ứng suất gây nên bởi biến dạng
đàn hồi làm cong vênh VĐ
Nếu các thành dày, mỏng sắp xếp đối xứng qua
trục ứng suất khơng thể hiện ra ngồi mà cịn
lại trong VĐ ở dạng ứng suất dư:
- Nếu ứng suất dư > giới hạn biến dạng dẻo HK đúc
VĐ bị biến dạng
- Nếu ứng suất dư > giới hạn bền HK đúc: VĐ bị phá huỷ
102 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.5.1. Cong vênh
103 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Thiết kế hợp lý để tránh cong vênh
104 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.5.2. Nứt trong VĐ
Nếu VĐ cĩ kết cấu đối xứng hoặc đủ cứng
vững để khơng bị biến dạng khi cĩ ứng
suất dư ứng suất dư sẽ lưu lại trong VĐ
Ở vật liệu dẻo: Khi ứng suất dư > giới hạn
đàn hồi: VĐ sẽ bị biến dạng dẻo (sẽ làm
giảm ứng suất dư)
Khi ứng suất dư > giới hạn bền: VĐ bị phá
huỷ dẻo
Ở vật liệu dịn: Khi ứng suất dư > giới hạn
bền: VĐ bị phá huỷ dịn
105 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.5.2. Nứt trong VĐ
106 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.5.2. Nứt trong VĐ
107
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 108
7.6. BIỆN PHÁP PHÕNG TRÁNH
7.6.1. Điều chỉnh kết cấu VĐ
Ứng suất nhiệt là nhân tố
chính tạo ứng suất dư ở
VĐ
Đối với VĐ phức tạp cĩ
nhiều thành cĩ độ dày
khác nhau điều chỉnh
các phần VĐ cĩ bề dày
đồng đều VĐ nguội
đồng đều giảm ứng
suất dư
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 110
7.6.1. Điều chỉnh kết cấu VĐ
Chuyển từ trạng thái kéo sang trạng thái
uốn
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 112
7.6.2. Hợp kim đúc phù hợp
Khi chế tạo VĐ bằng GX cĩ độ bền cao, trong quá trình đơng
đặc, lượng graphit tiết ra ít VĐ co nhiều hơn
Thành mỏng cĩ tốc độ nguội lớn ít graphit hơn so với
thành dày thành mỏng co nhiều hơn thành dày tồn tại
ứng suất dư lớn
Nếu gang được biến tính trước khi rĩt sự graphit hố của
gang ở các thành dày mỏng được cân bằng VĐ co đồng
đều hơn giảm ứng suất
P, S trong gang, thép làm giảm độ dẻo của gang tăng
ứng suất và khả năng nứt ở VĐ 113
7.6.3. Các điều kiện cơng nghệ
Để giảm sự khác nhau về tốc độ nguội ở các
phần VĐ cĩ thể làm khuơn bằng nhiều loại
vật liệu:
- Thành mỏng: VL cĩ độ truyền nhiệt nhỏ hơn
- Thành dày: VL cĩ độ truyền nhiệt cao hơn
114 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.7. BIỆN PHÁP GIẢM
ỨNG SUẤT DƢ
Khi trong VĐ tồn tại ứng suất dư: mạng
tinh thể bị biến dạng
Nhờ “hiện tượng bị của vật liệu”: biến
dạng dần được cân bằng
115 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.7.1. Hố già tự nhiên
Ở VĐ cĩ ứng suất dư sau khi nguội xảy ra
quá trình thải ứng suất ở cả nhiệt độ
thường: “hố già tự nhiên”
Quá trình thải ứng suất này xảy ra rất
chậm: 2 năm ứng suất chỉ giảm 10 – 20%
116 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
7.7.2. Hố già nhân tạo
Để quá trình thải ứng suất dư trong VĐ xảy
ra nhanh, tiến hành nung VĐ ở T xác định: “ủ
khử ứng suất” hoặc “hố già nhân tạo”
Quá trình ủ khử ứng suất chỉ cần vài giờ
Mức độ khử ứng suất phụ thuộc: nhiệt độ ủ
và độ bền của hợp kim đúc
117 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Khử ứng suất cho VĐ bằng gang xám
118 PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ
Các file đính kèm theo tài liệu này:
bai_giang_cong_nghe_duc_chuong_2_co_so_ly_thuyet_qua_trinh_h.pdf