Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của vật đúc

Chất lượng bề mặt vật đúc là chức năng của từng bước chạm vào khuôn, khuôn và kim loại - từ tình trạng khuôn/mẫu và tính lưu biến của vật liệu mẫu cho đến quá trình chuẩn bị vỏ/lớp phủ bề mặt, tẩy sáp và bắn vỏ, tan chảy, rót, làm mát và xử lý cuối cùng.

Kiểm soát độ nhám bề mặt (Ra) và tránh những bất thường ở quy mô vi mô đòi hỏi sự chú ý nghiêm ngặt đến công cụ, nguyên vật liệu, các thông số quá trình và xử lý sau đúc.

Bài viết này phân tích các yếu tố chính, định lượng phạm vi kiểm soát thực tế nếu có thể, và đưa ra các khuyến nghị về quy trình và kiểm tra có thể thực hiện được.

1. Các yếu tố liên quan đến nấm mốc

Khuôn đóng vai trò là nền tảng của Đúc đầu tư, vì chất lượng của nó quyết định trực tiếp đến hình dạng và trạng thái bề mặt của mẫu sáp, cuối cùng được chuyển sang buổi casting cuối cùng.

Tác động của khuôn đến chất lượng bề mặt mẫu sáp có thể được xem xét từ ba khía cạnh:

Thiết kế kết cấu khuôn và chất lượng bề mặt

Thiết kế kết cấu khuôn không hợp lý thường dẫn đến vết trầy xước và trầy xước trong quá trình đúc mẫu sáp. Bề mặt mẫu sáp sửa chữa chắc chắn kém hơn ban đầu, và những khuyết tật này sẽ được sao chép trực tiếp trên bề mặt vật đúc.

Ví dụ, góc nhọn (không có phi lê R<0.3mm), góc nháp không đủ (<1° cho sâu răng phức tạp), hoặc các bề mặt chia cắt không đều trong kết cấu khuôn làm tăng ma sát giữa mẫu sáp và lòng khuôn, gây ra hư hỏng bề mặt trong quá trình tháo khuôn.

Độ nhám bề mặt khuôn là yếu tố quyết định chất lượng bề mặt mẫu sáp. Nếu độ nhám bề mặt khuôn chỉ Ra3,2μm, mẫu sáp thu được sẽ có chất lượng bề mặt thậm chí còn thấp hơn (Ra4.0–5.0μm), được truyền trực tiếp đến vật đúc.

Kinh nghiệm thực tế cho thấy cần kiểm soát độ nhám bề mặt tối ưu của khuôn trong Ra0.8μm; độ mịn quá mức (VÍ DỤ., Ra0,2μm) không cải thiện đáng kể chất lượng mẫu sáp nhưng làm tăng chi phí xử lý khuôn lên 30%–50%.

Kiểm soát nhiệt độ khuôn

Nhiệt độ khuôn có tác động đáng kể đến tính lưu động của sáp và độ chính xác của quá trình sao chép. Đối với hệ thống sáp nhiệt độ trung bình, nhiệt độ khuôn tối ưu là 45–55oC.

Khi nhiệt độ khuôn quá thấp (<35oC), tính lưu động của vật liệu sáp giảm mạnh, dẫn đến sự sao chép bề mặt kém của mẫu sáp, kèm theo dấu dòng chảy và đóng cửa lạnh.

Phê phán hơn, nếu nhiệt độ khuôn giảm xuống dưới điểm sương của nước (thường là 15–20oC trong xưởng), nhiều giọt nước sẽ hình thành trên bề mặt khuôn.

Những giọt này chiếm không gian của vật liệu sáp trong quá trình phun, dẫn đến bề mặt mẫu sáp không đồng đều—một khiếm khuyết cũng do chất giải phóng quá mức (độ dày phun >5μm).

Duy trì nhiệt độ khuôn thích hợp là điều cần thiết. Tăng nhiệt độ khuôn đúng cách (đến 50–55oC) và áp suất phun (đến 0,3–0,5MPa) có thể cải thiện hiệu quả tính lưu loát của vật liệu sáp, tăng cường khả năng nhân rộng của mẫu sáp trên bề mặt khuôn, và do đó gián tiếp cải thiện chất lượng bề mặt đúc.

Tuy nhiên, nhiệt độ khuôn quá cao (>60oC) có thể làm cho vật liệu sáp nguội và đông đặc quá chậm, dẫn đến biến dạng mẫu sáp (độ lệch chiều >0.5mm) và tăng thời gian chu kỳ sản xuất, Đòi hỏi sự cân bằng giữa chất lượng và hiệu quả.

Kích thước cổng phun sáp

Kích thước của cổng phun sáp ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất phun và tốc độ làm đầy sáp.

Đối với vật đúc nhỏ (cân nặng <500g), đường kính cổng tối ưu là **φ8–φ10mm**; cho vật đúc lớn (cân nặng >500g), đường kính cổng có thể tăng lên φ10–φ12mm.

Tăng kích thước cổng một cách hợp lý giúp tăng áp suất phun sáp, đảm bảo lấp đầy khoang khuôn, và giảm các khuyết tật bề mặt như vết lấp đầy và vết chảy trên mẫu sáp.

Đối với vật đúc phức tạp có thành mỏng (<2mm), thiết kế nhiều cổng (2–4 cổng) được khuyến nghị để cải thiện hơn nữa tính đồng nhất của việc đổ đầy.

2. Tác động của chất liệu sáp

Loại và hiệu suất của vật liệu sáp là những yếu tố cốt lõi quyết định chất lượng bề mặt của mẫu sáp, vì các vật liệu sáp khác nhau thể hiện các hành vi kết tinh và hóa rắn riêng biệt.

Bàn 1 tóm tắt các thông số hiệu suất chính và ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của vật liệu sáp thông thường để đúc mẫu chảy.

Bàn 1: So sánh hiệu suất của các vật liệu sáp thông thường để đúc mẫu

Sáp nhiệt độ thấp (Sáp axit Paraffin-Stearic)

Sáp nhiệt độ thấp, bao gồm parafin (60%–70%) và axit stearic (30%–40%), tạo ra các mẫu sáp có chất lượng bề mặt kém nhất.

Là một loại sáp tinh thể, nó có phạm vi nhiệt độ kết tinh hẹp và các hạt axit stearic thô (Kích thước hạt >50μm).

Trong quá trình hóa rắn, không có đủ sáp lỏng để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt, dẫn đến bề mặt có hoa văn sáp thô ráp.

Ngay cả bằng cách tăng áp suất phun hoặc điều chỉnh các thông số quy trình, chất lượng bề mặt của các mẫu sáp làm từ sáp nhiệt độ thấp không thể được cải thiện đáng kể, hạn chế ứng dụng của nó trong đúc có độ chính xác cao.

Sáp nhiệt độ trung bình

Sáp nhiệt độ trung bình, hỗn hợp nhiều thành phần chứa sáp vi tinh thể, nhựa, và chất hóa dẻo, không có điểm nóng chảy cố định và phạm vi nhiệt độ hóa rắn rộng hơn so với sáp nhiệt độ thấp.

Trong quá trình hóa rắn, do nhiệt độ hóa rắn khác nhau của các thành phần của nó, pha lỏng có thể lấp đầy khoảng trống giữa các pha rắn, tạo ra các mẫu sáp có chất lượng bề mặt cao hơn đáng kể.

Tuy nhiên, hiệu suất của sáp nhiệt độ trung bình khác nhau giữa các nhà sản xuất khác nhau; sáp có hàm lượng nhựa từ 5%–8% thể hiện sự cân bằng tốt nhất giữa tính lưu động và độ mịn bề mặt.

Sáp đầy

sáp đầy, gia cố bằng bột gốm (5%–10%) hoặc sợi thủy tinh (3%–5%), tạo ra các mẫu sáp có chất lượng bề mặt cao nhất.

Việc bổ sung chất độn sẽ tối ưu hóa hoạt động kết tinh của nền sáp, giảm độ co ngót khi đông đặc (từ 2.0% đến 0,8%–1,2%), và tăng cường độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của mẫu sáp.

Điều này không chỉ cải thiện độ mịn bề mặt của mẫu sáp mà còn làm giảm biến dạng trong quá trình bảo quản và vận chuyển. (tốc độ biến dạng <0.2% trong vòng 24h), đảm bảo chuyển giao ổn định chất lượng bề mặt cho vật đúc.

Làm sạch mẫu sáp và khắc bề mặt

Làm sạch mẫu sáp thường bị hiểu nhầm là chỉ đơn thuần loại bỏ các chất giải phóng khỏi bề mặt, nhưng chức năng quan trọng nhất của nó là khắc bề mặt.

Đối với các mẫu sáp nhiệt độ trung bình, quy trình làm sạch tối ưu sử dụng chất ăn mòn trung tính (nồng độ 5%–8%) với giá trị pH là 6,5–7,5, thời gian ngâm 1-2 phút, tiếp theo rửa sạch bằng nước khử ion và sấy khô ở 40–50oC trong 10–15 phút.

Trong quá trình làm sạch, hiệu ứng khắc nhẹ được hình thành trên bề mặt mẫu sáp, làm tăng độ nhám bề mặt của mẫu sáp ở cấp độ vi mô (Ra từ 1,6μm đến 2,0–2,5μm) và cải thiện khả năng thấm ướt và độ bám dính của lớp phủ bề mặt tiếp theo.

Khắc đúng cách sẽ tạo ra bề mặt “vi nhám” cho phép lớp phủ bám dính chắc chắn hơn, tránh bong tróc lớp phủ hoặc độ dày không đồng đều trong quá trình sấy và rang.

Điều này đặc biệt quan trọng để cải thiện độ mịn bề mặt của vật đúc, vì lớp phủ bám dính tốt có thể tái tạo hiệu quả bề mặt mẫu sáp và ngăn ngừa khuyết tật thâm nhập của cát.

4. Các yếu tố phủ bề mặt

Lớp phủ bề mặt (lớp phủ sơ cấp) tiếp xúc trực tiếp với mẫu sáp, và các thông số ứng dụng và hiệu suất của nó có tác động quyết định đến chất lượng bề mặt đúc.

Thuộc tính vật liệu phủ bề mặt

Trong khi ảnh hưởng của bột bề mặt và cát đến chất lượng bề mặt được thừa nhận rộng rãi, ảnh hưởng của silica sol—một thành phần quan trọng của lớp phủ—đến chất lượng bề mặt vẫn chưa được hiểu rõ.

Silica sol chất lượng cao (dù nhập khẩu hay sản xuất trong nước) với kích thước hạt keo đồng đều (10-20nm) và độ nhớt thấp (2–5 mPa·s ở 25oC) thể hiện hiệu suất vượt trội.

Dưới cùng một dòng chảy cốc độ nhớt (Cúp Ford #4: 20-25 giây), silica sol như vậy có thể đạt được tỷ lệ bột-lỏng cao hơn (2.5:1Cấm3.0:1 cho bùn bột zircon), dẫn đến lớp phủ sơ cấp dày đặc hơn.

Lớp phủ dày đặc hơn làm giảm độ xốp bề mặt (Độ xốp <5%) và cải thiện khả năng tái tạo bề mặt mẫu sáp, dẫn đến bề mặt đúc mịn hơn (Ra giảm 0,4–0,8μm so với sử dụng silica sol chất lượng thấp).

Độ dày lớp phủ bề mặt

Đối với bùn bột zircon (kích thước hạt bột zircon 325–400 lưới), độ dày tối ưu của lớp phủ chính là 0.08–0.1mm. Độ dày quá mức và không đủ đều ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt đúc:

• Độ dày không đủ (<0.08mm): Dễ dẫn đến khuyết tật “gai dưa chuột” – sắc nhọn, phần nhô ra như kim (chiều cao 0,1–0,3mm) trên bề mặt vật đúc do cát xâm nhập hoặc lớp phủ không đồng đều.
• Độ dày quá mức (>0.1mm): Kết quả ở các dạng khuyết tật khác nhau.
  Do bị co ngót trong quá trình sấy và rang (tỷ lệ hao hụt 3%–5%), lớp phủ dày có thể bong ra một phần khỏi bề mặt mẫu sáp, hình thành thô, hạt lồi tròn (đường kính 0,2–0,5mm) trên bề mặt đúc.

Kiểm soát độ dày lớp phủ đòi hỏi phải điều chỉnh chính xác độ nhớt của bùn (Cúp Ford #4: 20-25 giây), thời gian ngâm (5–10s), và điều kiện sấy (nhiệt độ 25–30oC, độ ẩm 40%–60%, thời gian khô 2–4h) để đảm bảo độ dày đồng đều và độ bám dính tốt.

5. Quá trình tẩy lông

Mục tiêu của việc tẩy sáp là loại bỏ hoàn toàn sáp khỏi khuôn vỏ.

Đối với sáp nhiệt độ trung bình, quy trình tẩy sáp tối ưu sử dụng ấm đun nước tẩy sáp bằng hơi nước với áp suất 0.6-0,8 MPa và nhiệt độ của 120–130oC, thời gian tẩy sáp của 15–25 phút (điều chỉnh theo kích thước vỏ).

Sáp còn sót lại trong vỏ (phần khối lượng >0.5%), nếu không bị đốt cháy hoàn toàn trong quá trình rang, sẽ tạo ra muội than và các tạp chất khác, bám vào bề mặt vật đúc và làm giảm chất lượng bề mặt—một điểm sẽ được thảo luận thêm trong phần rang.

Tuy nhiên, tẩy lông hoàn toàn không có nghĩa là thời gian tẩy lông kéo dài. Với tiền đề đảm bảo loại bỏ sáp hoàn toàn (sáp dư <0.5%), thời gian tẩy sáp nên được giảm thiểu.

Nhiệt độ trong ấm tẩy lông vượt quá nhiệt độ của thiết bị khử nước nhanh thông thường, và sự tiếp xúc lâu dài của sáp với nhiệt độ cao (>130oC cho >30 phút) đẩy nhanh quá trình lão hóa sáp.

Sáp già có tính lưu động giảm (độ nhớt tăng 20%–30%) và tăng độ giòn, điều này có thể ảnh hưởng đến việc tái chế sáp tiếp theo và làm tăng nguy cơ khiếm khuyết ở các mẫu sáp mới.

6. Kho chứa khuôn vỏ

Cách bảo quản khuôn vỏ phụ thuộc vào độ sạch của nhà xưởng, với mục tiêu cốt lõi là giảm thiểu hoặc ngăn chặn vật lạ xâm nhập vào khoang vỏ.

Bàn 2 liệt kê các thông số bảo quản tối ưu cho khuôn vỏ sau khi tẩy sáp.

Bàn 2: Thông số bảo quản tối ưu cho khuôn vỏ tẩy sáp

Nhiều nhà sản xuất lầm tưởng rằng việc đặt vỏ với cốc rót hướng xuống dưới sẽ đảm bảo an toàn, nhưng điều này không phải lúc nào cũng như vậy.

Nếu đạn pháo được đặt trực tiếp trên mặt đất hoặc khung sắt bị nhiễm hạt cát và các mảnh vụn khác, vật lạ có thể xâm nhập vào khoang trong quá trình xử lý, gây ra tạp chất trong vật đúc.

Các tạp chất như vậy đòi hỏi phải sửa chữa mài và hàn, làm hư hỏng nghiêm trọng chất lượng bề mặt đúc (Ra tăng thêm 2,0–3,0μm sau khi sửa chữa).

7. Nướng khuôn vỏ

Sáp còn sót lại trong khuôn vỏ phải được đốt cháy hoàn toàn trong quá trình rang để tránh cặn cacbon. Quy trình rang tối ưu cho vỏ zircon như sau:

1. Giai đoạn gia nhiệt: Đun nóng từ nhiệt độ phòng đến 500oC với tốc độ 5–10oC/phút (làm nóng chậm để tránh nứt vỏ).
2. Giai đoạn cách nhiệt 1: Giữ ở 500oC trong 30 phút để đốt sáp dư.
3. Giai đoạn gia nhiệt 2: Nhiệt từ 500oC đến 900–1100oC với tốc độ 10–15oC/phút.
4. Giai đoạn cách nhiệt 2: Giữ ở mức 900–1100oC trong 2–3 giờ để cải thiện độ bền của vỏ và loại bỏ độ ẩm còn sót lại.

Để đảm bảo đốt cháy hoàn toàn sáp dư, hàm lượng oxy trong lò rang phải đạt 12% (được giám sát bằng cảm biến oxy trong thiết bị cao cấp).

Khi hàm lượng oxy chỉ ở mức xung quanh 6%, khói đen dày sẽ xuất hiện ở khoảng 800oC, điều nên tránh.

Đối với thiết bị không có chức năng cung cấp oxy, mở một phần cửa lò (khoảng cách 5–10cm) để tăng lượng không khí nạp vào có thể cải thiện nồng độ oxy và thúc đẩy quá trình đốt cháy hoàn toàn sáp.

Rang đúng cách cũng giúp tăng cường độ bền của vỏ (cường độ nén >20MPA) và làm giảm độ xốp bề mặt, tối ưu hóa hơn nữa chất lượng bề mặt đúc.

8. Tan chảy, làm sạch và đổ kim loại

Quá trình nấu chảy và đổ ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa bề mặt, khả năng phản ứng và sự hình thành màng trên bề mặt.

Những ảnh hưởng chính

• Kiểm soát phí và xỉ: vật liệu tích điện bị ô nhiễm và dòng chảy kém tạo ra nhiều tạp chất trên bề mặt hoặc màng oxit bám vào độ nhám gần bề mặt.
• Nhiệt độ và tốc độ đổ: nhiệt độ rót quá cao có thể làm tăng quá trình oxy hóa hoặc phản ứng quá mức với vỏ; nhiệt độ quá thấp có thể gây ra tình trạng lấp đầy không đầy đủ và gồ ghề do đóng băng sớm.
• Phương pháp làm mát sau đổ: kiểm soát tốc độ làm mát và tránh tái oxy hóa bề mặt (VÍ DỤ., sử dụng hộp đổ/vỏ bọc) giúp giảm thiểu sự thay đổi bề mặt.

Kiểm soát thực tế

• Kiểm soát chặt chẽ phí lò, thực hành khử oxy và làm sạch chất trợ dung/xỉ hiệu quả.
• Xác định cửa sổ nhiệt độ rót và sơ đồ cổng để thúc đẩy quá trình tạo lớp, làm đầy không hỗn loạn để giảm sự tích tụ khí và hình thành màng bề mặt.
• Giảm thiểu tiếp xúc với không khí oxy hóa trong quá trình hóa rắn sớm (VÍ DỤ., sử dụng khuôn có mái che khi thích hợp).

9. Giai đoạn sau hoàn thiện

Nhiều vật đúc thể hiện chất lượng bề mặt có thể chấp nhận được ngay sau khi đổ nhưng bị hư hỏng nghiêm trọng sau khi hoàn thiện sau khi hoàn thiện - khiến giai đoạn này trở thành thủ phạm chính gây suy giảm chất lượng bề mặt ở nhiều nhà sản xuất.

Hai vấn đề chính nổi bật: thiệt hại do va chạm và nổ súng.

Ngăn ngừa thiệt hại do va chạm

Thực hiện một Hệ thống lưu trữ và vận chuyển phân loại: sử dụng khay nhựa có đệm mềm (Độ dày xốp EVA 5–10mm) cho vật đúc nhỏ; sử dụng đồ gá chuyên dụng cho vật đúc lớn để tránh tiếp xúc trực tiếp giữa các vật đúc. Điều này có thể làm giảm tỷ lệ thiệt hại do va chạm nhiều hơn 80%.

Tối ưu hóa quy trình nổ mìn

Phun bi được sử dụng để loại bỏ oxit và cát trên bề mặt, và các thông số quá trình của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt đúc. Các thông số phun nổ tối ưu cho vật đúc bằng thép không gỉ như sau:

• Thông số kỹ thuật bắn thép: Bắn thép đúc, đường kính 0,3–0,5mm, độ cứng HRC 40–50.
• Áp lực nổ mìn: 0.4–0,6 MPa.
• Thời gian nổ mìn: 10–15 phút mỗi chu kỳ (không nhiều hơn 15 phút).
• Yêu cầu về thiết bị: Sử dụng máy bắn đạn có hệ thống chiếu đồng đều (độ đồng đều chiếu ≥90%) và kiểm soát dòng điện ổn định (biến động hiện tại <5%).

Thời gian nổ mìn phải được kiểm soát chặt chẽ - không quá 15 phút mỗi chu kỳ. Nếu bề mặt không được làm sạch đầy đủ, nhiều chu kỳ ngắn được ưu tiên hơn là nổ mìn một chu kỳ kéo dài để tránh xói mòn bề mặt quá mức (Ra tăng thêm 1,0–2,0μm sau khi nổ quá mức).

10. Phần kết luận

Chất lượng bề mặt của vật đúc là kết quả của nhiều lĩnh vực: luyện kim, chế biến gốm sứ, kỹ thuật nhiệt và xử lý cơ khí đều góp phần.

Bằng cách xử lý độ hoàn thiện bề mặt như một thuộc tính chất lượng quan trọng của quy trình - xác định các mục tiêu số, giám sát các thông số quan trọng (công cụ Ra, Độ nhớt bùn, độ dày của lớp mặt, nồng độ oxy sương, làm tan/đổ cửa sổ) và tích hợp các điểm kiểm tra - các xưởng đúc có thể tạo ra sản phẩm trơn tru một cách nhất quán, vật đúc chất lượng cao với khả năng sản xuất có thể dự đoán được và chi phí làm lại thấp hơn.