Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của các bộ phận thép đúc

Chất lượng bề mặt của các thành phần thép đúc bị chi phối chủ yếu bởi hai yếu tố liên quan đến nhau trong giai đoạn đúc khuôn: độ sạch của khoang khuôn Và tình trạng bề mặt của khuôn.

Đối với các vật đúc lớn—trong đó hệ thống đổ dài và độ phức tạp của quá trình/luyện kim cao—sự xâm nhập của cát rời, cặn và các chất gây ô nhiễm khác vào ống đứng/ống dẫn bằng gốm và sự hư hỏng hoặc hư hỏng của bề mặt mẫu/khuôn là nguyên nhân chính gây ra các khuyết tật bề mặt có thể nhìn thấy được.

Bài viết này phân tích sâu các yếu tố này, trình bày các biện pháp bảo vệ thực tế và bằng chứng thử nghiệm về tác động của các khuyết tật trên bề mặt khuôn, và đưa ra lộ trình thực hiện để cải thiện trạng thái bề mặt đúc sẵn và giảm việc làm lại.

1. Bối cảnh và tầm quan trọng của chất lượng bề mặt

Các bộ phận thép đúc lớn (Thành phần tuabin, van lớn, máy chạy tuabin thủy lực, vân vân.) được sản xuất dưới nhiệt độ rót cao và hệ thống cổng phức tạp.

Hình dáng bên ngoài không chỉ là một thuộc tính thương mại mà còn là một chỉ số kiểm soát quá trình và độ bền bên trong.

Chất lượng bề mặt kém dẫn đến việc mài tốn kém, gia công lại hoặc từ chối và ảnh hưởng tiêu cực đến nhận thức của khách hàng.

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ngoại hình (tạp chất luyện kim, sự phân chia vĩ mô, sự kết hợp cát, vảy), nhưng hai yếu tố luôn chiếm ưu thế đối với quy mô lớn đúcs trong quá trình đúc và đổ:

1. Độ sạch khoang khuôn - sự xâm nhập của cát rời, cặn và tạp chất vào ống cấp/ống dẫn bằng gốm và khoang; Và
2. Tình trạng bề mặt khuôn - hư hỏng cơ học, sửa chữa xây dựng, và độ nhám bề mặt của mẫu và các thành phần cốt lõi.

Dựa trên nhiều năm kinh nghiệm thực tế sản xuất các bộ phận bằng thép đúc lớn như tua bin khí,

tuabin hơi nước, và máy chạy tuabin thủy lực, Bài viết này phân tích một cách hệ thống cơ chế ảnh hưởng của độ sạch khoang khuôn và tình trạng bề mặt khuôn đến chất lượng bề mặt của các chi tiết thép đúc.

Kết hợp với các bài kiểm tra so sánh và thực hành kỹ thuật, các biện pháp cải tiến có mục tiêu được đề xuất để cải thiện hiệu quả chất lượng bề mặt của vật đúc và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để sản xuất ổn định các bộ phận thép đúc chất lượng cao.

2. Ảnh hưởng của độ sạch của khoang khuôn đến chất lượng bề mặt của các bộ phận thép đúc

Khoang khuôn là “khuôn” định hình các chi tiết thép đúc. Độ sạch của nó quyết định trực tiếp đến việc có tạp chất hay không, Cát bao gồm, và các khuyết tật khác trên bề mặt vật đúc.

Trong quá trình đổ các chi tiết thép đúc, thép nóng chảy chảy vào khoang khuôn với tốc độ cao.

Các tạp chất xỉ được tạo ra trong quá trình nấu chảy, cát rải rác đi vào đường ống trong quá trình lắp đặt hệ thống cổng, và các chất ô nhiễm khác sẽ bị cuốn vào khoang khuôn cùng với thép nóng chảy.

Trong quá trình làm nguội và hóa rắn thép nóng chảy, do mật độ thấp hơn của chúng, hầu hết xỉ và cát rải rác sẽ nổi lên trên và thải ra qua hệ thống ống đứng hoặc hệ thống thông gió.

Tuy nhiên, một phần tạp chất vẫn sẽ ngưng tụ ở các mặt cắt thay đổi, phi lê, và các vị trí khác của vật đúc, hình thành các khuyết tật bề mặt như vùi cát và xỉ.

Những khuyết tật này cần được loại bỏ bằng cách mài, điều này không chỉ làm tăng khối lượng công việc và chi phí sản xuất mà còn có thể ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước của vật đúc nếu lượng mài quá lớn.

Nguồn cát rải rác chính trong khoang khuôn là hệ thống cổng.

Hệ thống cổng của các bộ phận bằng thép đúc thường bao gồm các ống gốm (ống sứ) để đảm bảo khả năng chịu nhiệt độ cao và tránh xói mòn thép nóng chảy.

Đối với các bộ phận thép đúc lớn, tổng chiều dài của hệ thống cổng đặt có thể đạt tới hơn 40 mét, và quá trình đặt bao gồm nhiều đoạn ống sứ được nối với nhau.

Do chiều dài dài và độ khó đặt cao, khả năng cát rơi vãi vào ống sứ tương đối cao.

Vì thế, Điều đặc biệt quan trọng là phải bảo vệ từng đoạn ống sứ trong quá trình lắp đặt để tránh cát rơi vãi vào khoang khuôn cùng với thép nóng chảy..

Qua kiểm chứng thực tế về 3 loại sản phẩm thép đúc (Tua bin khí, tuabin hơi nước, và máy chạy tuabin thủy lực),

Ba loại vật liệu và phương pháp bảo vệ đã được phát triển để cải thiện hiệu quả độ sạch của khoang khuôn. Sau đây là phân tích chi tiết từng phương pháp:

2.1 Phương pháp bảo vệ màng nhựa PVC

PVC (Polyvinyl clorua) màng nhựa được sử dụng rộng rãi trong việc bảo vệ hệ thống cổng do hiệu suất chi phí cao, hoạt động thuận tiện, và hiệu suất niêm phong tốt.

Độ dày khuyến nghị của màng là 0,4–1 mm, và độ dày cụ thể có thể được lựa chọn theo yêu cầu vận hành đúc tại chỗ.

Để thuận tiện cho việc quan sát và kiểm tra độ sạch bên trong của ống sứ, màng PVC trong suốt được ưa thích.

Các bước thao tác cụ thể như sau: Đầu tiên, kiểm tra độ sạch bên trong của từng đoạn ống sứ trước khi bảo vệ, và loại bỏ cát rải rác hiện có hoặc các chất ô nhiễm khác.

Sau đó, bọc màng PVC xung quanh lỗ ống sứ cần bảo vệ. Độ kín của màng phải phù hợp để không ảnh hưởng đến sự kết nối giữa các ống sứ.

Trong mối nối đối đầu của ống sứ, cát nổi và các chất ô nhiễm khác bị chặn bên ngoài màng và không thể đi vào ống sứ.

Sau khi hoàn thành việc lắp đặt hệ thống cổng, bộ phim không cần phải loại bỏ.

Trong quá trình đổ, khi thép nóng chảy lao vào khoang khuôn, không khí trong ống sứ được thải ra khỏi hệ thống dưới áp suất, và màng PVC được thổi ra từ hệ thống thoát khí cùng với không khí trong khoang khuôn.

Vì màng PVC sẽ bị đốt cháy và phân hủy hoàn toàn ở nhiệt độ cao (nhiệt độ phân hủy của PVC là khoảng 200–300°C,

thấp hơn nhiều so với nhiệt độ rót của thép nóng chảy), nó sẽ không gây ô nhiễm cho thép nóng chảy hoặc để lại cặn trên bề mặt vật đúc.

2.2 Phương pháp bảo vệ tấm thép mỏng

Tấm thép mỏng có độ dày nhỏ hơn 1 mm cũng có thể được sử dụng để bảo vệ ống sứ.

Ưu điểm của tấm thép mỏng là có thể tái sử dụng, có thể giảm chi phí vật liệu dài hạn ở một mức độ nhất định.

Trước khi sử dụng, Các tấm thép mỏng cần được gia công thành các kích thước phù hợp lớn hơn một chút so với đường kính ngoài của ống sứ theo kích thước và hình dáng của ống sứ để đảm bảo có thể che phủ hoàn toàn phần nối của ống sứ..

Quá trình hoạt động là: Đầu tiên, kiểm tra xem có vật lạ bên trong ống sứ không.

Sau đó, bọc các tấm thép mỏng đã qua xử lý lên phần nối của ống sứ cần bảo vệ.

Sau khi phần trên của ống sứ được phủ hoàn toàn bằng cát đúc, kéo các tấm thép mỏng ra bằng tay.

Tuy nhiên, Phương pháp này có yêu cầu cao đối với hoạt động thi công: một mặt, do có nhiều cát xung quanh ống sứ,

rất dễ bỏ lỡ việc kéo những tấm thép mỏng; mặt khác, quá trình kéo các tấm thép ra có thể dẫn đến các ống sứ đã được đặt sẵn, dẫn đến sai lệch của hệ thống cổng.

Ngoài ra, nếu cần phải kiểm tra độ sạch thứ cấp sau khi lắp đặt hệ thống cổng, Khó khăn khi vận hành tương đối lớn do các tấm thép mỏng đã bị loại bỏ và phần kết nối của ống sứ bị cát bao phủ..

Cần lưu ý nếu tấm thép mỏng không được kéo ra kịp thời hoặc bị trượt, nó sẽ đi vào khoang khuôn cùng với thép nóng chảy trong quá trình đổ,

Điều này sẽ chặn dòng chảy của thép nóng chảy và gây ra các khuyết tật nghiêm trọng như đóng nguội và chạy sai trên bề mặt vật đúc.

2.3 Phương pháp bảo vệ tấm xốp Polystyrene

Tấm xốp Polystyrene có ưu điểm là chi phí thấp và trọng lượng nhẹ, và cũng là vật liệu bảo vệ phổ biến cho hệ thống cổng.

Chìa khóa của phương pháp này là độ chính xác xử lý của tấm xốp: tấm xốp cần được gia công thành dạng hình trụ có đường kính bằng đường kính trong của ống sứ, rồi đặt ở miệng ống sứ để bảo vệ.

Kích thước xử lý của tấm xốp có yêu cầu cao: nếu đường kính quá lớn, tấm xốp không thể đưa vào vòi của ống sứ;

nếu đường kính quá nhỏ, hiệu suất niêm phong sẽ kém, và cát sẽ dễ dàng lọt vào bên trong ống sứ từ khe hở.

Đồng thời, tấm xốp phải có độ dày vừa đủ (thường là 5–10 mm) để tránh nghiêng bên trong ống sứ, sẽ ảnh hưởng đến tác dụng bảo vệ.

Tương tự như phương pháp bảo vệ màng nhựa PVC, tấm xốp không cần phải tháo ra sau khi lắp đặt hệ thống cổng.

Trong quá trình đổ, khi một lượng lớn thép nóng chảy đổ vào khoang khuôn, tấm xốp được thổi ra khỏi khoang khuôn thông qua hệ thống thoát khí dưới áp suất của không khí trong khoang khuôn.

Bọt Polystyrene sẽ phân hủy ở nhiệt độ cao (nhiệt độ phân hủy khoảng 100–150°C) và sẽ không tạo ra các chất có hại, vì vậy nó sẽ không gây ô nhiễm thép nóng chảy hoặc ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của vật đúc.

2.4 So sánh tác dụng bảo vệ của ba vật liệu

Nguyên tắc cốt lõi của ba phương pháp bảo vệ là ngăn chặn cát phân tán xâm nhập vào ống sứ và khoang khuôn trên cơ sở không ảnh hưởng đến dòng chảy của thép nóng chảy trong quá trình đổ và không đưa chất lạ vào khoang khuôn..

Để lựa chọn sơ đồ bảo vệ tối ưu, chi phí, khó khăn xây dựng, và so sánh tác dụng bảo vệ của ba loại vật liệu, như thể hiện trong bảng 1.

Bàn 1 So sánh chi phí và hiệu suất của vật liệu bảo vệ

Có thể thấy từ Bảng 1 rằng cả tấm thép mỏng và tấm xốp polystyrene đều có tác dụng bảo vệ tốt, nhưng độ khó xử lý của chúng tương đối cao, không thuận tiện cho việc xây dựng và sử dụng tại chỗ ở một mức độ nhất định.

Màng nhựa PVC có tác dụng bảo vệ tốt nhất, với hoạt động đơn giản tại chỗ và hiệu suất chi phí cao.

Vì thế, kết hợp với nhu cầu sản xuất thực tế, Nên sử dụng màng nhựa PVC có độ dày 0,4–1 mm làm vật liệu bảo vệ ưu tiên cho hệ thống cổng của các bộ phận bằng thép đúc,

có thể cải thiện hiệu quả độ sạch của khoang khuôn và giảm các khuyết tật bề mặt do vùi cát gây ra.

3. Ảnh hưởng của tình trạng bề mặt khuôn đến chất lượng bề mặt của các bộ phận thép đúc

Khuôn là công cụ cốt lõi để đúc các bộ phận thép đúc, và tình trạng bề mặt của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ hoàn thiện bề mặt và độ phẳng của vật đúc.

Đối với các bộ phận thép đúc lớn, khuôn gỗ được sử dụng nhiều nhất do ưu điểm dễ gia công, chi phí thấp, và khả năng gia công tốt.

Tuy nhiên, khuôn gỗ có đặc điểm khối lượng lớn và số lượng khối rời lớn (khối di chuyển), đòi hỏi độ chính xác định vị cao và độ kín kết nối giữa các khối lỏng lẻo.

Trong quá trình sản xuất thực tế, với sự gia tăng số lượng sử dụng khuôn, sự hư hỏng trên bề mặt khuôn và các khối rời trong quá trình bóc khuôn cũng sẽ tăng lên..

Nếu những khiếm khuyết này không được khắc phục kịp thời, chúng không chỉ ảnh hưởng đến hình dạng và chất lượng bề mặt của vật đúc mà còn rút ngắn tuổi thọ của khuôn..

3.1 Tạo ra các khuyết tật tự nhiên trên bề mặt khuôn

Các khuyết tật tự nhiên của bề mặt khuôn chủ yếu bao gồm độ mòn, trầy xước, vết nứt, và sự không đồng đều ở các khoảng trống kết nối. Những khiếm khuyết này chủ yếu được gây ra bởi những lý do sau đây:

• Hư hỏng do tước khuôn: Trong quá trình tước khuôn, do sự bám dính giữa cát đúc và bề mặt khuôn,
  bề mặt khuôn và các khối lỏng lẻo dễ bị trầy xước hoặc mòn khi kéo khuôn ra, đặc biệt là ở các miếng phi lê và các cạnh của khuôn.
• Yếu tố môi trường: Khuôn được bảo quản trong xưởng sản xuất lâu ngày, và bề mặt dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, dẫn đến gỗ bị phồng và biến dạng, dẫn đến bề mặt không đồng đều.
• Bảo trì không kịp thời: Sau khi khuôn được sử dụng, nếu cát bề mặt và các chất ô nhiễm không được làm sạch kịp thời, hoặc những bộ phận bị hư hỏng không được sửa chữa kịp thời, các khiếm khuyết sẽ dần dần mở rộng với sự gia tăng số lượng sử dụng.

Trong số những khiếm khuyết tự nhiên này, bề mặt không bằng phẳng ở các khe nối và các góc của khuôn có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng bề mặt của vật đúc.

Sau khi khuôn được sửa chữa, nếu bề mặt không được mài phẳng và mịn, Các khuyết tật dạng rãnh hoặc dạng đuôi chuột sẽ được hình thành trên bề mặt vật đúc., ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng bề ngoài của vật đúc.

3.2 Kiểm tra các khuyết tật nhân tạo trên bề mặt khuôn

Để xác minh định lượng mối quan hệ giữa độ phẳng bề mặt khuôn và khuyết tật bề mặt vật đúc, một thử nghiệm so sánh đã được thực hiện.

Ba loại khuyết tật nhân tạo có độ sâu khác nhau được chế tạo trên bề mặt khuôn, là 1–2 mm, 2–4 mm, và 4–6 mm tương ứng.

Phạm vi phân bố của các khuyết tật bao phủ mặt phẳng, bề mặt vòng cung, và phần phi lê của gốc mặt bích, đó là những vị trí quan trọng dễ bị khuyết tật bề mặt của các bộ phận thép đúc.

Kế hoạch kiểm tra như sau: Ba khu vực được chọn cho mỗi vị trí, và diện tích của mỗi khu vực được đặt thành 300 mm × 300 mm.

Các khuyết tật nhân tạo được chế tạo ở các khu vực được chọn và được đánh dấu.

Các khuyết tật lồi được tạo ra bằng cách thêm các vật liệu như bột bả hoặc thạch cao lên bề mặt khuôn., và các khuyết tật lõm được mài và hình thành trên bề mặt khuôn bằng các công cụ như dũa quay bằng hợp kim.

Độ sâu của tất cả các khuyết tật nhân tạo được đo bằng thước đo chiều cao và ghi lại bằng nhiếp ảnh.

Trong quá trình đúc, các bộ phận khuyết tật nhân tạo được kiểm tra để đảm bảo không có cát nổi hoặc các chất khác ảnh hưởng đến hình dạng của khuyết tật.

Mức độ nén và cường độ của cát lấp đầy các khuyết tật được thực hiện phù hợp với yêu cầu vận hành khuôn.

Sau khi vật đúc được đổ và tạo hình, chúng được xử lý nhiệt đạt chất lượng và qua quá trình phun nổ đầu tiên, và diện tích bề mặt của vật đúc tương ứng với các khuyết tật nhân tạo được kiểm tra và xác minh.

Kết quả thử nghiệm cho thấy độ sâu khuyết tật nhân tạo khác nhau trên bề mặt khuôn dẫn đến mức độ nhám bề mặt vật đúc khác nhau.

Mối quan hệ tương ứng cụ thể được thể hiện trong Bảng 2.

Bàn 2 Bảng so sánh các khuyết tật nhân tạo trên bề mặt khuôn và độ nhám bề mặt đúc

Ghi chú: Các cấp độ nhám bề mặt trong bảng được phân chia theo tiêu chuẩn nội bộ của doanh nghiệp đối với các bộ phận thép đúc: lớp A1 (Ra ≤ 6.3 μm) là chất lượng bề mặt cao nhất, thích hợp cho các bộ phận xuất hiện chính;

Lớp A2/A3 (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) là chất lượng bề mặt chung, thích hợp cho các bộ phận kết cấu thông thường; lớp A4 (Ra > 12.5 μm) chất lượng bề mặt thấp, cần phải làm lại bằng cách mài.

Theo kết quả kiểm tra, để đáp ứng các yêu cầu cấp độ nhám bề mặt khác nhau của các bộ phận thép đúc, bề mặt khuôn phải được kiểm tra trước mỗi lần sử dụng.

Đối với các khuyết tật vượt quá độ sâu quy định (thường xuyên 2 mm cho các bộ phận chung và 1 mm cho các bộ phận quan trọng), việc sửa chữa và mài phải được thực hiện để đảm bảo rằng tình trạng bề mặt khuôn tổng thể đạt tiêu chuẩn.

Đối với các khoảng trống kết nối và các mối nối của khuôn, Cần đặc biệt chú ý đến việc kiểm tra và bảo dưỡng để tránh hình thành các khuyết tật dạng rãnh hoặc đuôi chuột trên bề mặt vật đúc..

4. Phần kết luận

Đối với các bộ phận bằng thép đúc lớn, hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất, những yếu tố góp phần có thể kiểm soát được gây ra chất lượng bề mặt đúc kém là ô nhiễm xâm nhập qua cổng/đường ống Và khuyết tật bề mặt khuôn.

Đơn giản, các phương pháp bảo vệ chi phí thấp—đáng chú ý nhất là sử dụng màng PVC trong suốt có độ dày 0,4–1,0 mm để đậy/che các lỗ ống trong quá trình lắp đặt đường ống—giảm đáng kể sự xâm nhập của cát rời.

Siêng năng kiểm tra và sửa chữa kịp thời bề mặt khuôn (với mức chấp nhận độ sâu khuyết tật thận trọng là 2 mm) ngăn chặn sự hư hỏng của khuôn vào các bộ phận đúc.

Kết hợp với NDT hạng nhất và chương trình bảo trì/kiểm tra được ghi lại, những biện pháp này cải thiện đáng kể trạng thái bề mặt, giảm việc làm lại và nâng cao chất lượng mà khách hàng có thể nhìn thấy.

Tài liệu tham khảo

[1] Trương Siêu Huy. Phân tích chất lượng và các biện pháp cải thiện chất lượng của các bộ phận thép đúc [J]. Mạng tạp chí Trung Quốc, 2018(01): 75-77.

[2] Vương Thành Bân. Thảo luận về ảnh hưởng của cấu trúc khuôn đến chất lượng đúc và thiết kế tối ưu hóa [J]. Công nghiệp kinh doanh và thương mại hiện đại, 2011, 23(01): 303.

[3] Hiệp hội đúc Mỹ (AFS). Sổ tay đúc thép [M]. 11Phiên bản thứ. AFS, 2017.