Tóm tắt Luận án Nghiên cứu sơn với chất dính keo silica dùng trong công nghệ đúc mẫu tiêu

1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1.Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Đúc mẫu tiêu (Đúc mẫu cháy – Lost Foam Casting LFC) là một trong những công nghệ đúc chính xác, được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Trong mấy chục năm trở lại đây nhiều cơ sở đúc thuộc quản lý Nhà nước và Tư nhân ở nước ta đã nhập dây chuyền đúc mẫu tiêu để đúc các sản phẩm có chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước cao. Trong công nghệ đúc mẫu tiêu sơn mẫu xốp đóng vai trò vô cùng quan trọng. Tuy nhiên hầu hết các công trình nghiên cứu về sơn mẫu xốp không đưa ra thành phần sơn cụ thể, mà chỉ đưa ra các cấu tử cơ bản có trong sơn như bột chịu lửa. Khi đúc các sản phẩm có khối lượng lớn, hoặc các chi tiết có ruột phức tạp thường dùng chất dính ethylsilicat. Chất dính này đắt và có mùi khó chịu. Chất dính keo silica dùng cho sơn có tính chịu nhiệt rất cao. Keo silica đã được sử dụng thay thế ethylsilicat trong công nghệ đúc mẫu chảy vì nó rẻ và thân thiện môi trường. Ưu điểm của sơn mẫu tiêu với chất dính keo silica là cho độ bền và độ chịu nhiệt cao nên đúc được các vật đúc có thành dày với khối lượng lớn, cũng như với các sản phẩm có ruột phức tạp. Hơn nữa keo silica đang được dùng phổ biến ở các cơ sở đúc mẫu chảy ở nước ta. Việc sử dụng keo silica làm chất dính cho sơn mẫu tiêu hiện chưa có ở nước ta và cũng chưa được quan tâm nghiên cứu đầy đủ ở trên thế giới. Vì thế đề tài “Nghiên cứu sơn với chất dính keo silica dùng trong công nghệ đúc mẫu tiêu” đã được thực hiện trong luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu. 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án Khi sử dụng sơn với chất dính là keo silica, vấn đề lớn gặp phải là sơn bị nứt trong quá trình hong khô, độ thông khí của sơn rất thấp. Do vậy cần tìm ra các chất phụ với hàm lượng thích hợp để chống nứt cho sơn. Vì thế mục tiêu của đề tài là: xây dựng được thành phần sơn mẫu tiêu với chất dính keo silica dùng cho công nghệ Replicast-CS. Để đạt được mục tiêu trên, luận án cần thực hiện các nội dung chính sau: • Xác định tính chất của vật liệu chế tạo sơn • Sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao xác định được thành phần sơn hợp lý • Xác định tính chất của sơn ở nhiệt độ cao • Xác định các thông số công nghệ của công nghệ đúc mẫu tiêu đốt mẫu trước. 3. Những đóng góp mới của luận án ❖ Về khoa học và kỹ thuật: • Làm rõ hơn hành vi biến đổi trạng thái của polystyren xốp trong quá trình nung mẫu. • Đã giải thích rõ sự hình thành lỗ xốp, vết nứt và kết khối xảy ra trong quá trình nung sơn. Đã khẳng định độ thông khí và độ xốp của sơn lớn nhất khi nung đến 600 oC, sau đó độ xốp độ thông khí giảm là do sự kết khối của màng chất dính. Ở nhiệt độ 908,6 oC trở lên gel silica từ dạng vô định hình chuyển sang dạng tinh thể -cristobalit cho sơn chắc đặc và độ bền cao. • Chiều dày màng chất dính lý thuyết khoảng 4,636 m. ❖ Các kết quả có tính mới: • Lần đầu tiên ở nước ta, luận văn nghiên cứu sơn mẫu tiêu với chất dính là keo silica 2 • Đã xây dựng được phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố thành phần của sơn tới tính chất của sơn • Đã xác định được thành phần sơn hợp lý gồm: 40% keo silica; 0,1% CMC; 1,25% saccaroza; 0,3% bentonit; 58,35 % bột zircon • Khẳng định sơn mẫu xốp với keo silica không thể dùng cho công nghệ đúc mẫu tiêu thông thường – LFC khi đúc gang và đúc thép • Bước đầu đề xuất công nghệ đúc mẫu tiêu đốt mẫu trước là: Mẫu được sơn với chiều dày 3 mm; Nhiệt độ nung mẫu ở 600 hay 800 oC trong 2 giờ tùy thuộc vào độ phức tạp của vật đúc ❖ Các kết quả có ý nghĩa thực tiễn: • Thành phần hợp lý cho sơn mẫu xốp với keo silica • Đề xuất công nghệ đúc mẫu tiêu đốt mẫu trước 4. Bố cục của luận án Luận án gồm 175 trang được chia thành các phần như sau: Mở đầu 2 trang, chương 1: Tổng quan về sơn mẫu tiêu 26 trang, chương 2: Keo silica – Tính chất và ứng dụng 16 trang, chương 3: Phương pháp và đối tượng nghiên cứu 23 trang, chương 4: Kết quả nghiên cứu xác định thành phần sơn ceramic 27 trang, chương 5: Kết quả nghiên cứu tính chất của sơn sau nung 20 trang, chương 6: Kết quả nghiên cứu công nghệ đúc Replicast – CS 14 trang, Kết luận và kiến nghị 1 trang, có 130 hình vẽ và đồ thị, 21 bảng, 13 phụ lục và tham khảo 93 tài liệu. B.NỘI DUNG CHÍNH Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SƠN MẪU TIÊU 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ ĐÚC MẪU TIÊU Công nghệ đúc mẫu tiêu (Đúc mẫu cháy LFC – Lost foam casting) hiện nay đã trở thành một công nghệ đúc được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Một dạng khác của công nghệ đúc mẫu tiêu là công nghệ Replicast - CS. Công nghệ này dùng chất sơn mẫu được chế tạo từ chất dính vô cơ. Khuôn có thể là khuôn khối hoặc khuôn vỏ gốm. Khuôn được nung ở nhiệt độ 800oC – 1000oC rồi đốt mẫu trước khi rót kim loại lỏng vào khuôn. Ưu điểm của công nghệ này là có thể đúc được các vật đúc có ruột rất phức tạp, phù hợp với mọi loại thép (nhất là thép cacbon thấp hoặc thép hợp kim cao) mà không xảy ra hiện tượng tăng cacbon, có thể đúc được vật đúc to hơn nhiều so với khi đúc theo công nghệ đúc mẫu chảy. Độ chính xác và độ nhẵn bề mặt của vật đúc trong công nghệ này tương đương với vật đúc trong công nghệ đúc mẫu chảy. 1.2. TỔNG QUAN VỀ SƠN MẪU TIÊU ▪ Vật liệu chế tạo sơn gồm dung môi, bột chịu lửa, chất dính kết, chất ổn định sơn, và một số chất phụ khác (chất chống thối, chất khử bọt). ▪ Các tính chất quan trọng của sơn là: độ nhớt, độ ổn định, tính bám dính mẫu, độ bền, độ chịu nhiệt, độ thông khí ▪ Ảnh hưởng của lớp sơn tới quá trình điền đầy khuôn thông qua ảnh hưởng của độ thông khí, tính cách nhiệt và chiều dày sơn tới quá trình điền đầy khuôn. 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SƠN MẪU TIÊU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 3 Trên thế giới, thành phần sơn cụ thể của các hãng và của một số nước không được công bố chi tiết, mà chỉ đưa ra ký hiệu của các loại sơn thương mại. Đại đa số các công ty đúc mẫu chảy lớn ở Anh và Mỹ đang sản xuất đều sử dụng chất dính keo silica trên cơ sở dung môi nước cho sơn dùng trong công nghệ Replycast. Cho đến nay còn rất ít những nghiên cứu sử dụng keo silica làm chất dính cho sơn mẫu tiêu được công bố. Việc sử dụng keo silica làm chất dính trong công nghệ đúc mẫu chảy ở nước ta hiện nay rất phổ biến, nhưng sử dụng nó cho sơn mẫu tiêu còn chưa có cả trong nghiên cứu và thực tế. 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 1.4.1. Các hướng đang được nghiên cứu về công nghệ đúc mẫu tiêu ▪ Vật liệu sơn mẫu ▪ Quá trình điền đầy và đông đặc của kim lỏng trong khuôn. Mô hình hóa quá trình điền đầy khuôn ▪ Khí trong khuôn và mô hình hóa quá trình thoát khí ▪ Đổi mới công nghệ đúc mẫu tiêu Đề tài nghiên cứu theo hướng sơn mẫu tiêu. 1.4.2. Những vấn đề đã thống nhất về sơn mẫu tiêu ▪ Vật liệu chế tạo sơn gồm bột chịu lửa, chất dính và chất phụ. Chất phụ có tác dụng làm tốt tính dính bám mẫu, làm tăng tính ổn định và kéo dài tuổi song của sơn. ▪ Bột chịu lửa được chọn phụ thuộc vào chất dính sử dụng để chế tạo sơn và phụ thuộc vào hợp kim đúc. Khi đúc gang nên sử dụng bột thạch anh, đúc thép nên dùng bột zircon, đúc thép mangan cao nên dùng bột manhezit. Tuy nhiên nếu đúc gang, thép hay nhôm với những vật đúc quan trọng nên dùng bột zircon. Do vậy trong luận án đã sử dụng bột chịu lửa là bột zircon. ▪ Thành phần sơn quyết định tính chất sơn ▪ Độ thông khí của sơn tăng khi độ xốp của nó tăng. Độ thông khí là tính chất đặc biệt quan trọng của sơn, nó ảnh hưởng tới chất lượng vật đúc. ▪ Tính chất của sơn được chú ý là: độ nhớt, độ ổn định, tính bám dính mẫu, độ bền, độ chịu nhiệt, độ thông khí. 1.4.3. Những vấn đề còn đang cần quan tâm giải quyết về sơn mẫu tiêu ▪ Sử dụng chất dính mới trong đó có keo silica làm sơn mẫu tiêu ▪ Thành phần của sơn ▪ Sử dụng các loại bột chịu lửa mới như bột silica nung chảy, ferolit ▪ Cải thiện khả năng thông khí của sơn. Chương 2. KEO SILICA -TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG 2.1. KHÁI QUÁT VỀ KEO SILICA Thuật ngữ “keo silica” dùng để chỉ một hệ keo phân tán ổn định mà bên trong hệ pha phân tán là các hạt keo oxit silic, hay còn gọi là silica vô định hình. Keo silic thương mại thường ở dạng sol, gel hoặc dạng bột. Luận án sử dụng vật liệu đầu ở dạng sol. 2.2. CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KEO SILICA Cấu trúc silica là tứ diện SiO4, với 4 nguyên tử oxi ở 4 góc của tứ diện cân đối và nguyên tử silic ở trung tâm. Các tính chất của keo silica gồm sự ổn định, ảnh hưởng của các chất điện ly tới độ nhớt và độ ổn định, sự tạo gel của silica (gel hóa và ngưng 4 kết, làm khô gel), các yếu tố ảnh hưởng tới sự tạo gel (gồm độ pH, kích thước hạt và nồng độ, dung dịch điện ly và chất lỏng hữu cơ, nhiệt độ), độ xốp – độ thấm khí của silica gel, sự đông kết và kết khối. Hình 2.5 diễn tả sự ảnh hưởng của độ pH tới độ ổn định của keo silica. Hình 2. 5. Ảnh hưởng của độ pH tới sự ổn định (thời gian tạo gel) của keo silica Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc keo silica bị khử nước Hiện tượng động học tạo gel tăng cùng nhiệt độ, vì trong quá trình tạo gel, hệ số nhiệt ảnh hưởng đáng kể tới tốc độ hình thành cầu siloxan giữa các hạt. Nồng độ của các nhóm OH trên bề mặt giảm một cách đều đặn cùng với sự tăng nhiệt độ khi silica được nung dưới điều kiện chân không. Hầu hết nước hấp phụ vật lý được loại bỏ ở nhiệt độ khoảng 150oC. Ở 200oC tất cả nước từ bề mặt được loại đi để bề mặt được cấu tạo từ các nhóm silanol đơn lẻ, nhóm kép, nhóm kề cận và nhóm cuối và các cầu siloxan (hình 2.6). Ở khoảng 450 – 500oC, tất cả các nhóm kề cận ngưng tụ, tạo ra nước bay hơi và chỉ có các nhóm silanol đơn lẻ, nhóm kép, nhóm cuối và các cầu siloxan chịu ứng suất biến dạng vẫn còn lại (hình 2.13a). Các nhóm silanol nội bộ bắt đầu ngưng tụ ở khoảng 600-800oC và trong một số trường hợp ở nhiệt độ thấp hơn (hình 2.13b). Ở nhiệt độ cao hơn ở 1000-1100oC, chỉ có các nhóm silanol đơn lẻ vẫn còn trên bề mặt silica (hình 2.14). Hình a Hình b Hình 2. 13. Các nhóm silanol liên kết nhau (hình a) và cầu siloxan (hình b) trên bề mặt keo silica Hình 2. 11. Sự hình thành cầu siloxan trong keo silica 2.3. ỨNG DỤNG KEO SILICA LÀM CHẤT DÍNH 5 Keo silica được sử dụng làm chất dính trong cơ sở trong tổng hợp xúc tác dùng cho sản xuất axit sunfuric hoặc dehyrat rượu, trong công nghệ giấy, cao su, thuốc lá, trong y học, dược học 2.4. SỬ DỤNG KEO SILICA TRONG SẢN XUẤT ĐÚC Nếu như ở nhiệt độ thường, keo silica có tính dính kết kém thì ở nhiệt độ khoảng 1000oC, keo silica có độ bền dính kết hàng đầu. Công nghệ đúc mẫu chảy là công nghệ sử dụng rộng rãi nhất keo silica làm chất kết dính ở miền nhiệt độ cao. Không phải cứ sử dụng hàm lượng keo silica trong sơn ở mức độ nhiều nhất sẽ cho độ bền sơn tốt nhất. Việc xác định hàm lượng keo silica tối ưu cần tiến hành từ thực nghiệm. 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Những nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết cho thấy silica là một chất dính tiềm năng, mở ra một hướng nghiên cứu ứng dụng triển vọng trọng công nghệ đúc mẫu tiêu. 2.5.1.Các vấn đề đã được thống nhất ▪ Thành phần của hệ keo silica – nước thường gồm 10-50% keo silica, ổn định bằng kiềm tới pH 9-10, kích thước hạt keo từ 10-50 nm. Sự ngưng kết và tạo gel của keo silica bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: pH, kích thước hạt và nồng độ keo, dung dịch điện ly, nhiệt độ. Khi sử dụng keo silica với vai trò là chất dính cần chú ý đến các yếu tố này cũng như sự tương tác với các vật liệu khác trong hệ huyền phù để đảm bảo duy trì được tính chất của keo silica. Keo silica chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ nhưng lại quyết định độ bền sơn vì chất dính có tác dụng đảm bảo tính liên tục, sít chặt của lớp sơn, độ bền dính bám của sơn lên bề mặt mẫu. ▪ Bằng cách thay đổi độ pH hoặc làm mất nước sẽ làm cho keo silica trùng ngưng tạo gel. Cơ chế đóng rắn của keo silica là quá trình sol  gel  rắn. Khi keo ngưng kết sẽ tạo ra một khối sệt. Khối sệt có cấu trúc khung. Khung chính là các hạt gel silica rắn, trong các ô khung chứa đầy nước. Khi này khung silica có độ xốp lớn và rất yếu, rất dễ bị phá vỡ. Khi mất nước độ bền của gel tăng, thể tích của khối gel giảm, cùng với nó có hiện tượng nứt trên bề mặt. Để chống nứt phải cho thêm chất phụ hữu cơ và chú ý đến chế độ sấy cũng như chiều dày lớp sơn. ▪ Khi nhiệt độ nung càng cao, nước mất càng nhiều, thể tích khối gel càng giảm, độ xốp cũng giảm theo vì có hiện tượng kết khối của gel. Ở nhiệt độ 600oC trở lên gel kết khối càng mạnh. ▪ Keo silica đã được sử dụng trong công nghệ đúc mẫu chảy khá phổ biến ở trên thế giới và trong nước do nó rẻ và thân thiện môi trường.. ▪ Bột zircon hay bột silica nung chảy rất tốt với chất dính là keo silica khi chế tạo sơn mẫu cháy đúc gang, thép. Bột zircon rất đắt. Để giảm chi phí có thể sử dụng bột thạch anh khoảng 30% thay thế cho bột zircon. 2.5.2. Các vấn đề còn tồn tại Khi dùng keo silica làm chất dính cho sơn mẫu tiêu cần phải giải quyết những vấn đề sau: ▪ Giải quyết tính bám dính của sơn lên mẫu xốp ▪ Chống nứt cho sơn trong điều kiện hong khô hoặc sấy mẫu ở 45-50 oC ▪ Khả năng thông khí của sơn. ▪ Chưa có những công bố về thành phần sơn mẫu xốp cho đúc gang hay đúc thép. 6 Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3.1. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA LUẬN ÁN 3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.2.1. Phương pháp xác định các tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo sơn Các phương pháp xác định độ ẩm, độ hạt của vật liệu dạng bột, tỷ trọng, độ nhớt được tiến hành theo các tiêu chuẩn TCVN. 3.2.2. Phương pháp xác định tính chất sơn Các tính chất sơn được nghiên cứu gồm độ ổn định huyền phù, độ bền mòn, độ bền uốn của sơn, chiều dày sơn, độ thông khí sơn, độ xốp, độ giãn nở nhiệt. Phương pháp đánh giá xác định theo các quy chuẩn đánh giá sơn. 3.2.3. Phương pháp nghiên cứu sự biến đổi trạng thái của mẫu khi nung Sự biến đổi trạng thái của mẫu xốp được đánh giá thông qua cấu trúc xốp polystyren khi nung ở các nhiệt độ khác nhau và phân tích DTG/DSC mẫu xốp cho biết sự thay đổi khối lượng vật liệu xốp theo nhiệt độ. 3.2.4. Các phương pháp phân tích hiện đại Sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử quét SEM -EDS, phép đo nhiễu xạ tia X - XRD, phân tích nhiệt DTG/DSC Bột zircon, keo silica, chất phụ (bentonit trugel 100, CMC, saccaroza, PVA) VẬT LIỆU CHẾ TẠO SƠN BAN ĐẦU Xác định thành phần hóa học, thành phần độ hạt, độ ẩm, tỷ trọng THÀNH PHẦN SƠN HỢP LÝ Xác định được hàm lượng hợp lý của các yếu tố thành phần Thông qua đánh giá các tính của sơn: độ nhớt, độ ổn định, độ bền sau sấy ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA THÀNH PHẦN SƠN KHI CÓ TÁC DỤNG NHIỆT -Đánh giá tính chất của sơn sau nung - Xác định sự biến đổi khối lượng của sơn theo nhiệt độ Đánh giá: độ bền sau nung, độ thông khí, độ xốp, cấu trúc của sơn. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ REPLICAST VÀ ĐÚC THỬ - Xác định nhiệt độ nung khuôn. - Đúc thử nghiệm 7 3.2.5. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao được sử dụng trong nghiên cứu xác định thành phần sơn hợp lý. 3.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Bột chịu lửa: bột zircon xuất xứ viện Xạ hiếm, Việt Nam. - Chất dính: Keo silica mác 380 (Sizol A30), xuất xứ viện Xạ hiếm, Việt Nam. - Chất phụ: Bentonit trugel 100 có xuất xứ từ nước Úc, carboxymethyl cellulose – CMC xuất xứ Trung Quốc, kaolin, saccaroza: xuất xứ Việt Nam - Xốp polystyren: công ty Hanel cung cấp. Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN SƠN CERAMIC 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Thành phần sơn quyết định đặc tính của sơn như tính nhớt, tính ổn định, tính bền sau sấy, tính bền sau nung Trong nghiên cứu đã dùng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 thiếu để nghiên ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới các tính chất trên để từ đó xác định được thành phần hợp lý cho sơn. Các yếu tố thành phần sơn trong nghiên cứu được chọn có 5 thành phần là: bột zircon, keo silica, cacboxyl-methyl-cellulose (CMC), đường saccaroza và bentonit trugel 100. 4.2. XÂY DỰNG MA TRẬN THÍ NGHIỆM QUY HOẠCH TRỰC GIAO CẤP HAI THIẾU 4.2.1. Xác định thông số thành phần và khoảng biến đổi của các yếu tố thành phần Dựa trên thí nghiệm sơ bộ nghiên cứu ảnh hưởng của các chất phụ tới độ ổn định, chiều dày lớp sơn và độ bền mòn của sơn để xác định khoảng biến thiên của các yếu tố thành phần. Trong thí nghiệm ở mục này thành phần chính của sơn gồm 260 g bột zircon; 100 g keo silica nồng độ 17% SiO2; chất phụ thay đổi được tính theo hàm lượng keo silica. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố thành phần tới độ ổn định của sơn được đưa ra trên đồ thị hình 4.1 và 4.2, 4.3 và 4.4. ; tới chiều dày lớp sơn – hình 4.5, 4.6 và tới độ bền mòn của sơn – hình 4.7, 4.8. Hình 4. 1. Ảnh hưởng của bentonit Trugel 100 tới độ ổn định của sơn Hình 4. 2. Ảnh hưởng của kaolin tới độ ổn định của sơn 8 Hình 4. 3. Ảnh hưởng của keo sữa Latex tới độ ổn định của sơn Hình 4. 4. Ảnh hưởng của CMC tới độ ổn định của sơn Hình 4. 5. Ảnh hưởng của kaolin và bentonit tới chiều dày lớp sơn Hình 4. 6. Ảnh hưởng của latex và CMC tới chiều dày lớp sơn Hình 4. 7. Ảnh hưởng của kaolin và bentonit tới độ bền mòn của sơn Hình 4. 8. Ảnh hưởng của latex và CMC tới độ bền mòn của sơn 4.2.2. Nhận xét Dựa trên kết quả thí nghiệm sơ bộ ở trên thành phần sơn thí nghiệm trong thí nghiệm quy hoạch trực giao được chọn gồm có bột chịu lửa zircon, keo silica, bentonite Trugel 100, CMC và đường saccaroza thay cho keo sữa (hai chất này đều là chất phụ hữu cơ có tác dụng tăng dàn trải, độ bền uốn và chống nứt ở nhiệt độ thấp cho sơn, tuy nhiên đường sacaroza rất dễ hòa tan vào sơn, trong khi đó keo sữa rất khó hòa tan). 9 4.2.3. Xây dựng bảng ma trận thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành với 5 yếu tố trong đó yếu tố thứ 5 bị ràng buộc bởi bốn yếu tố kia cụ thể như sau: Keo silica - x1; CMC - x2; sacaroza- x3;bentonit - x4; bột zircon - x5. Khoảng biến đổi của các yếu tố dựa trên thí nghiệm sơ bộ và được xác định như sau: 45 ≥ x1 ≥ 35; 0,2 ≥ x2 ≥ 0; 2 ≥ x3 ≥ 0,5; 0,5 ≥ x4 ≥ 0,1 và x5 = 100- (x1 + x2+ x3+ x4). Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của thành phần sơn tới độ ổn định của huyền phù sơn, độ nhớt, độ bền sau sấy và độ bền sau nung ở 800 oC với số thí nghiệm 24 = 16 thí nghiệm ở biên và 4 thí nghiệm ở tâm phương án. Ma trận thí nghiệm và kết quả thí nghiệm được đưa ra trong bảng 4.1 4.3. THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT SƠN Bảng 4. 1. Kết quả thí nghiệm STT Thành phần (%) Độ ổn định huyền phù (%), Y1 Độ nhớt (s), Y2 Độ bền sấy (MPa) Y3 Độ bền nung (MPa) Y4 Keo silica, x1 CMC, x2 Sacaroza, x3 Bentonit ,x4 1 45,0 +1 0,2 +1 2,0 +1 0,5 +1 94,0 4,40 3,10 5,18 2 35,0 -1 0 -1 2,0 +1 0,5 +1 88,0 2,95 2,40 6,82 3 45,0 +1 0 -1 0,5 -1 0,5 +1 83,2 3,05 1,54 7,36 4 35,0 -1 0,2 +1 0,5 -1 0,5 +1 97,1 7,05 3,54 5,76 5 45,0 +1 0 -1 2,0 +1 0,1 -1 81,0 2,56 1,60 6,93 6 35,0 -1 0,2 +1 2,0 +1 0,1 -1 98,7 6,50 3,84 4,25 7 45,0 +1 0,2 +1 0,5 -1 0,1 -1 97,7 4,66 2,50 6,21 8 35,0 -1 0 -1 0,5 -1 0,1 -1 80,4 2,80 1,80 5,16 9 45,0 +1 0 -1 2,0 +1 0,5 +1 83,6 3,50 1,70 7,13 10 35,0 -1 0,2 +1 2,0 +1 0,5 +1 97,5 6,85 3,90 4,83 11 45,0 +1 0,2 +1 0,5 -1 0,5 +1 96,7 5,88 2,18 5,90 12 35,0 -1 0 -1 0,5 -1 0,5 +1 84,0 3,52 2,30 5,59 13 45,0 +1 0,2 +1 2,0 +1 0,1 -1 92,5 4,05 2,35 4,60 14 35,0 -1 0 -1 2,0 +1 0,1 -1 80,5 2,78 2,50 5,16 15 45,0 +1 0 -1 0,5 -1 0,1 -1 80,0 2,52 1,45 6,42 16 35,0 -1 0,2 +1 0,5 -1 0,1 -1 83,0 6,90 2,60 5,98 17(01) 40,0 0 0,1 0 1,25 0 0,3 0 91,5 4,32 2,40 5,30 18(02) 40,0 0 0,1 0 1,25 0 0,3 0 93,0 4,10 2,75 5,27 19(03) 40,0 0 0,1 0 1,25 0 0,3 0 92,5 4,60 2,50 5,16 20(04) 40,0 0 0,1 0 1,25 0 0,3 0 94,0 4,25 2,43 5,55 4.4. CHỌN DẠNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY Phương trình hồi quy hàm mục tiêu Yi cho các tính chất của sơn phụ thuộc vào các yếu tố có dạng chung như phương trình (4-1). Y1 = bo + b1x1 + b2x2 + b3x3 +b4x4 + b12x1x2 + b13x1x3 + b14x1x4 + b23x2x3 +b24x2x4 +b34x3x4 + b123x1x2x3 + b124x1x2x4 + b134x1x3x4 + b234x2x3x4 + b1234x1x2x3x4 (4-1) 10 4.5. TÍNH TOÁN XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY CHO CÁC HÀM MỤC TIÊU Phương trình hồi quy với hàm mục tiêu độ ổn định huyền phù tìm được là tương thích với thực nghiệm với mức ý nghĩa 95%: 1ˆ = 88,6188 + 6,0313x2 + 0,8563x3 + 1,8938x4 - 1,6688 x1x3 - 1,1063 x1x4 -1,3313 x1x2x3 - 1,0063 x2x3x4 + 1,3938 x1x2x3x4 (4-11) Phương trình hồi quy với hàm mục tiêu độ nhớt 2ˆ = 4,3731 - 0,5456 x1 + 1,4131 x2 - 0,1744 x3 + 0,2769 x4 - 0,4931 x1x2 - 0,1619 x2x3 - 0,1606 x1x2x3 - 0,1269 x1x2x3x4 (4-19) Phương trình hồi quy với hàm mục tiêu độ bền sau sấy: 3ˆ = 2,4819 - 0,4294 x1 + 0,4269 x2 + 0,2431 x3 + 0,1006 x4 -0,0906 x1x2 -0,1081 x1x3 +0,1044 x2x3 + 0,1094 x1x2x3x4 (4-21) Phương trình hồi quy với hàm mục tiêu độ bền nung: 4ˆ = 5,8044+ 0,4119 x1 -0,4619 x2-0,2431 x3 +0,2669 x4- 0,2269 x1x2 - 0,4319 x2x3 - 0,1369 x2x4 +0,1619 x3x4 + 0,1056 x1x2x3 +0,1006 x2x3x4 + 0,1031 x1x2x3x4 (4-23) Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới các tính chất của sơn được trình bày trong hình 4.9, 4.10, 4.15, 4.16. Hình 4.9. Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới độ ổn định huyền phù Hình 4.10. Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới độ nhớt Hình 4.15. Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới độ bền sấy Hình 4.16. Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới độ bền nung 11 (Giá trị biến toán học từ trong khoảng (-1; +1) tương ứng với giá trị các biến vật lý tương ứng như sau keo silica (35;45), CMC (0; 0,2), saccaroza (0,5; 2,0), bentonit (0,1; 0,5)) 4.6. THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐƯA RA THÀNH PHẦN SƠN HỢP LÝ Để tìm được nghiệm thỏa hiệp ta sử dụng phương pháp chập các hàm mục tiêu: LYˆ = α1 1ˆ + α2 2ˆ + α3 3ˆ + α4 4ˆ Vì bốn hàm mục tiêu độ ổn định huyền phù, độ nhớt, độ bền sau sấy và độ bền sau nung đều quan trọng như nhau nên các hệ số α1 = α2 = α3 = α4 = 1/4. Từ đó ta có hàm chập LYˆ như sau: LYˆ = ( 1ˆ + 2ˆ + 3ˆ + 4ˆ )/4 LYˆ = 25,3195 - 0,1408 x1 + 1,8523 x2 + 0,1705 x3 + 0,6345 x4 – 0,2027 x1x2 – 0,4442x1x3 – 0,2766 x1x4 – 0,1223 x2x3 - 0,0342 x2x4 + 0,0405 x3x4 - 0,3466 x1x2x3 - 0,2264 x2x3x4 + 0,3698 x1x2x3x4 (4-25) Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới các tính chất của sơn ở hàm chập được trình bày trong hình 4.13 Hình 4. 97. Ảnh hưởng riêng rẽ của các thành phần tới hàm chập tính chất sơn Từ các đồ thị hình 4.9 đến 4.17 cho những nhận xét: ảnh hưởng của các yếu tố trong thành phần sơn tới các hàm mục tiêu (độ ổn định, độ nhớt, độ bền uốn sau sấy, độ bền uốn sau nung) là không hoàn toàn giống nhau. Hàm chập yL là một hàm hồi quy cấp hai thiếu do đó không thể dùng phương pháp gradient để tìm cực trị. Điều nhận thấy ở đây là các đường ảnh hưởng riêng rẽ của các hàm mục tiêu trên đều cắt nhau tại xj = 0 cho nên vì thế để đáp ứng tất cả các tính chất của sơn thì chúng tôi chọn thành phần sơn nằm tại vị trí trung tâm. Cụ thể hàm lượng là 40% keo silica, 0,1% CMC, 1,25% saccaroza, 0,3% bentonit. 4.7. ĐÚC THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM NẮP QUYLAT VÀ ĐỘNG CƠ DIEZEL Thân (hình 4.20) và nắp quy lát (hình 4.21) động cơ diesel RV95 thuộc dạng thành mỏng khó đúc. Riêng với nắp quy lát còn có ruột rất phức tạp. 12 Hình 4. 20. Mẫu xốp nắp hộp số có ruột phức tạp, thành mỏng Hình 4. 21. Mẫu xốp thân động cơ diesel RV95 Sơn mẫu có thành phần hợp lý rút ra từ nghiên cứu mục 4.6 ở trên. Mẫu được sơn 5 lần sau mỗi lần sơn mẫu được đưa vào lò sấy ở nhiệt độ 45-55oC trong 4 giờ (hình 4.22 và 4.23). Khi chèn mẫu nắp quy lát vào thùng khuôn đã bố trí dãy bên phải 4 mẫu sơn bằng sơn luận án, hàng mẫu bên trái được sơn bằng sơn của nhà máy có độ thông khí cao (hình 4.24). Mẫu thân động cơ được chèn 4 mẫu một chùm, trong đó 2 mẫu là sơn của luận án còn 2 mẫu là sơn trên cơ sở chất dính là hữu cơ có độ thông khí cao (hình 4.25). Hình 4.22. Ảnh sơn mẫu nắp quy lát RV95 Hình 4.23. Ảnh sơn mẫu thân động cơ diesel RV95 Hình 4. 24. Chèn mẫu nắp quy lát vào thùng khuôn Hình 4.2510. Chèn mẫu thân động cơ diesel RV95 vào thùng khuôn Quan sát sản phẩm đúc ra thấy vật đúc không thành hình, có hiện tượng trộn lẫn giữa kim loại với khí hình 4.26. Trong khi đó các sản phẩm bằng sơn đối chứng đều điền đầy tốt. Khi bố trí cùng một hàng với sơn đối chứng cũng có kết quả như trên (hình 4.27). Nguyên nhân được nhận định là do độ thông khí của sơn kém. Hình 4.26. Nắp quy lát bị sôi Hình 4.27. Sản phẩm bên trái là sơn với keo silica, bên phải là sơn với keo sắn 13 Hình 4. 118. Cấu trúc sơn sau sấy × 10.000 Hình 4. 129. Ảnh SEM của sơn sau đúc × 10.000 Quan sát cấu trúc của sơn sau khi sấy ở 50oC trên kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 10.000 lần (hình 4.28) nhận thấy màng gel silica bám trên bề mặt hạt bột zirconia khá sít chặt. Sau khi đúc bóc một lớp sơn trên vật đúc rồi quan sát trên kính hiển vi điện tử quét (hình 4.29) cho thấy màng gel silica bị kết khối và có các lỗ rỗ khí và các vết nứt. 4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 1. Sử dụng phương pháp quy hoạch thí nghiệm trực giao đã xây dựng được các phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố thành phần sơn gồm hàm lượng của keo, của bentonit, của carboxymethyl cellulose (CMC) và của đường saccaroza tới độ ổn định, độ nhớt độ bền sau sấy và độ bền sau nung của sơn. Đó là mối phụ thuộc theo phương trình cấp 2 thiếu. 2. CMC và bentonit làm tăng mạnh tính ổn định, độ nhớt, độ bền sấy của keo. 3. Saccaroza có vai trò làm tăng độ bền ban đầu của gel do đó chống nứt khi để sơn khô trong khí hay khi sấy mẫu. 4. Đã xác định được thành phần sơn hợp lý là: 40% keo silica; 0,1% CMC; 1,25% saccaroza, 0,3% bentonit; 58,35 % bột zircon. 5. Sơn có độ thông khí kém nên không có khả năng dùng cho đúc gang và đúc thép theo công nghệ đúc mẫu tiêu thông thường (LFC). Do vậy cần làm rõ nguyên nhân sơn thông khí kém và biện pháp khắc phục. Điều này được làm rõ ở các chương sau. Chương 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA SƠN SAU NUNG 5.1. NGHIÊN CỨU ĐỘ THÔNG KHÍ CỦA SƠN Hình 5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ thông khí của vỏ sơn ceramic Hình 5.3. Ảnh hưởng của bề dày và số lớp sơn đến độ thông khí của sơn 14 Từ hình 5.2 nhận thấy từ 100 – 600 oC nhiệt độ càng tăng thì độ thông khí của sơn càng tăng, nhưng khi nhiệt độ nung cao hơn 600 oC thì độ thông khí lại giảm. Từ hình 5.3 nhận thấy số lớp sơn càng nhiều, sơn càng dày thì độ thông khí của sơn càng giảm. Các lớp sơn đầu, tốc độ tăng bề dày chậm, vì khả năng bám dính của sơn mỏng kém. Sơn càng dày, khi được sấy khô sẽ tạo lớp một lớp xốp có khả năng hút nước tốt nên càng bám dính tốt nên các lớp sơn về sau dày hơn. 5.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ NUNG TỚI ĐỘ XỐP CỦA VỎ SƠN CERAMIC Từ kết quả hình 5.5 cho thấy trong khoảng từ (100 – 600) oC, nhiệt độ nung càng tăng, độ xốp của vỏ sơn ceramic càng tăng. Độ xốp tăng mạnh nhất trong khoảng từ (100-300) oC và đạt cực đại ở 6000C. Trên 600 oC độ xốp giảm dần. Độ xốp của sơn không hoàn toàn tỷ lệ với độ thông khí. Chỉ những lỗ xốp liên thông mới có tác dụng thông khí. Hình 5. 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ xốp của vỏ sơn ceramic Trong hình 5.6, cốc ceramic bên phải đổ đầy nước có hiện tượng nước thấm qua thành côc, quan sát thấy có giọt nước bám trên thành cốc và màu cốc sậm đi so với cốc không có nước. Chứng tỏ sơn có độ thẩm thấu nhất định. Hình 5. 6. Cốc sơn ceramic đổ đầy nước có hiện tượng nước thấm qua (cốc bên phải) 5.3. PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI TRỌNG LƯỢNG (DTG/DSC) SƠN 5.3.1. Phân tích nhiệt vi sai trọng lượng của các cấu tử trong sơn Kết quả phân tích DTG/DSC của keo silica được đưa ra trên hình 5.7, của sacarosa - hình 5.8, của CMC - hình 5.9, của bentonit - hình 5.10, của bột zircon - hình 5.11, của sơn –hình 5.12. Từ các kết quả phân tích đó có thể thấy rằng các cấu tử trong sơn mất khối lượng nhiều nhất khi nung là sacaroza rồi đến CMC, keo silica, ít thay đổi khối lượng nhất là zircon. Tuy nhiên vì lượng keo silica trong sơn lớn hơn lượng 15 sacaroza và CMC rất nhiều, nên sự mất khối lượng của sơn chủ yếu do mất nước của gel silica. Furnace temperature /°C0 100 200 300 400 500 600 700 TG/% -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 HeatFlow/µV -60 -40 -20 0 20 dTG/% /min -100 -80 -60 -40 -20 Mass variation: -99.99 % Peak :224.57 °C Peak 1 :195.02 °C Peak 2 :220.69 °C Figure: 28/03/2016 Mass (mg): 12.23 Crucible:PT 100 µl Atmosphere:AirExperiment:saccarozo Procedure: RT ----> 800C (20 C.min-1) (Zone 2)Labsys TG Exo Hình 5.7. Đường cong DTG/DSC gel silica Hình 5.8. Đường cong DTG/DSC sacaroza Furnace temperature /°C0 100 200 300 400 500 600 700 TG/% -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 HeatFlow/µV -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 d TG/% /min -40 -30 -20 -10 Mass variation: -13.23 % Mass variation: -29.73 % Mass variation: -14.47 % Peak :113.35 °C Peak :117.45 °C Peak :289.89 °C Peak :579.22 °C Figure: 28/03/2016 Mass (mg): 35.68 Crucible:PT 100 µl Atmosphere:AirExperiment:CMC Procedure: RT ----> 800C (20 C.min-1) (Zone 2)Labsys TG Exo Hình 5.9. Đường cong DTG/DSC CMC Hình 5.10. Đường cong DTG/DSC bentonit Hình 5.11. Đường cong DTG/DSC zircon Hình 5.12. Đường cong DTG/DSC mẫu sơn 5.4. CẤU TRÚC CỦA VỎ SƠN CERAMIC Ở CÁC NHIỆT ĐỘ NUNG KHÁC NHAU Sấy ở 100 oC trong cấu trúc sơn (hình 5.13b) có những lỗ xốp nhỏ là do mới chỉ mất nước tự do trong gel. 16 Nung ở 300 oC (hình 5.13c) có sự xuất hiện các lỗ xốp kích thước lớn hơn vì gel silica đã mất nước liên kết, mặt khác còn có sự cháy của saccaroza, sự mất nước liên kết của CMC và nước tự do của bentonit. Trong ảnh cấu trúc thấy có nhiều vết nứt là do sự co của gel. Do đó độ xốp và độ thông khí của sơn ở 300 oC tăng lên. Nung ở 600 oC (hình 5.13d), mất nước cấu trúc của gel silica và saccaroza bị cháy hoàn toàn, vết nứt trong gel phát triển, vì thế các lỗ xốp thông trở nên rõ hơn. Ở nhiệt độ này kích thước khối gel silica cũng nhỏ đi. Nung ở 800 oC (hình 5.13e), các hạt gel silica kết khối mạnh hơn nhưng vẫn có các vết nứt. Ở mẫu sơn sau đúc (hình 5.13h), các lỗ xốp gần như không có, chỉ có các vết nứt của màng chất dính. Các hạt kết khối có kích thước lớn hơn nhiều. Điều này chứng tỏ khi gel kết khối thì khối gel co lại và có sự sát nhập tinh giới giữa các hạt. Sự xuất hiện vết nứt trên màng dính là do có sự co ngót mạnh của màng chất dính, nhưng lại có sự cản co của kim loại đúc a. Sơn ở 50 oC b, Sơn ở 100 oC c. Sơn ở 300 oC Lỗ xốp Màng chất dính Lỗ xốp Lỗ xốp Màng chất dính Màng chất dính Lỗ xốp Màng chất dính Vết nứt 17 d, Sơn ở 600 oC e, Sơn ở 800 oC h. Sơn sau khi đúc gang nhiệt độ rót khuôn 1350 oC Hình 5. 13. Ảnh SEM vỏ sơn ceramic ở các nhiệt độ nung khác nhau (×500 và ×100000) 5.5. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT CỦA SƠN CERAMIC Hình 5. 25. Đường giãn nở nhiệt của mẫu sơn Hình 5. 36. Hệ số giãn nở nhiệt độ thay đổi theo thời gian Từ kết quả thí nghiệm đo độ giãn nở nhiệt của sơn (hình 5.15) và độ giãn nở nhiệt của sơn theo thời gian (hình 5.16) cho thấy: Trong khoảng nhiệt độ 50 -100 oC, hệ số giãn nở nhiệt có giá trị nhỏ nhất nên cần sấy ở nhiệt độ thấp để tránh nứt sơn, sơn lớp mỏng để sấy khô hoàn toàn rồi mới sơn lớp mới. Hệ số giãn nở nhiệt ở khoảng trên 100 oC trở lên luôn âm chứng tỏ mẫu sơn luôn co. Ở khoảng nhiệt độ trên 850 oC, hệ số giãn nở nhiệt giảm mạnh hơn, nguyên nhân là do sự kết khối của keo silica mạnh hơn. Ở 908,6 oC có sự biến đổi pha trong sơn vì có pic thu nhiệt ở nhiệt độ này. 5.6. PHÂN TÍCH NHIỄU XẠ XRD CỦA SƠN SAU NUNG Lỗ xốp Màng chất dính Màng chất dính Vết nứt 18 Kết hợp phân tích XRD của sơn sau đúc trong hình 5.17 với đường cong giãn nở nhiệt hình 5.15 có thể chỉ ra rằng ở nhiệt độ 908,6 oC gel silica ở dạng vô định hình chuyển dần sang cấu trúc tinh thể -cristobalit. Sự chuyển biến này làm cho gel silica kết khối sít chặt hơn, và độ bền của sơn cao hơn. Hình 5. 47. Đường nhiễu xạ rơn ghen ở các nhiệt độ khác nhau 5.7. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA SƠN SAU ĐÚC 5.7.1. Tính chiều dày màng chất dính Có thể xác định chiều dày lớp chất dính -  - theo công thức (5-8): S V  (5-8) Ở đây: V – Thể tích của chất dính được xác định theo công thức (5-9) S – Diện tích bề mặt của các hạt bột chịu lửa được xác định theo công thức (5-10)  G V  (5-9) Ở đây: G - là khối lượng chất dính;  - Khối lượng riêng của chất dính    k i i i lt d g S 1 6  (5-10) Ở đây: gi – khối lượng bột trên sàng i; di – kích thước sang i;  - khối lượng riêng của bột chịu lửa. Từ đó tính được chiều dày lớp chất dính  = 2 x 2,318 = 4,636 m. 5.7.2. Ảnh SEM và giản đồ EDS của sơn sau đúc 19 Hình 5.18 a. Độ phóng đại ×5000 lần Hình 5.18b. Độ phóng đại ×5000 lần Hình 5.18c. Độ phóng đại ×100.000 lần Hình 5. 58. Ảnh SEM và EDS của sơn sau đúc gang ở màng chất dính với những độ phóng đại khác nhau 5.7.3. Phân tích ảnh cấu trúc của sơn sau đúc Màng chất dính gồm có gel silica chiếm phần lớn (hình 5.18a) ngoài ra còn có bột zircon có kích thước gần với hạt gel (hình 5.18b, 5.18c). Bentonit được nằm cùng với các hạt bột zircon có kích thước lớn. 5.8. GIẢI THÍCH CÁC HIỆN TƯỢNG XẢY RA TRONG SƠN KHI SẤY VÀ NUNG Ở NHIỆT CAO Sơn ceramic ở thể vữa (huyền phù) bao gồm các hạt chịu lửa zirconia, keo silica, bentonit, CMC và saccaroza. Khi nhúng mẫu xốp vào thùng sơn, huyền phù bám lên mẫu xốp một lớp mỏng. Khi để mẫu trong không khí hay sấy, nước trong huyền phù bay đi làm cho keo silica keo tụ thành màng gel. Màng này dày khoảng 4,636 m. Gel silica tạo ra khung xương ba chiều, bên trong các ô xương chứa đầy nước. Lúc ban đầu hình thành gel xốp và có độ bền rất thấp. Khi nước bay hơi gel co lại, áp suất mao dẫn của hơi nước tác động lên gel làm nó bị nứt. Ở nhiệt độ thấp (dưới 132 oC) chỉ có nước tự do mất đi. Khi tăng nhiệt độ đến trên 132 oC nước tinh thể của gel silica bị mất làm cho thể tích lỗ xốp tăng lên, còn gel co lại làm độ bền của nó tăng và độ thông khí tăng. Khi nung tiếp các chất phụ saccaroza bị phân hủy và cháy. Đến 600 oC cùng với sự cháy hết của saccaroza và một phần của CMC còn có sự mất nước tinh thể của bentonit. Cũng ở gần nhiệt độ này, có sự mất nước tinh thể của nhóm silanol (Si-OH) trên bề mặt hạt gel silica để ngưng tụ thành siloxan (Si-O-Si), nên thể tích lỗ xốp tăng, ngược lại thể tích của gel bị giảm do bắt đầu có sự cố kết của nó. Cùng với sự mất 20 nước càng mạnh, gel bị nứt càng nhiều làm cho độ xốp tăng và độ thông khí tăng. Khi này gel silica cố kết lại. Khi nung đến nhiệt độ cao hơn 600 oC độ xốp của sơn giảm vì gel silica tiếp tục cố kết lại dẫn tới độ thông khí của sơn giảm. Khi nung đến 908,6 oC cùng với sự kết khối của gel silica còn có sự chuyển biến cấu trúc từ dạng vô định hình sang cấu trúc tinh thể của SiO2. 5.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 1. Khi nung vỏ sơn ceramic với nhiệt độ nung trong khoảng (100-600) oC, nước liên kết trong sơn bị mất, chất hữu cơ bị cháy, các vết nứt trong sơn xuất hiện làm cho độ xốp tăng và độ thông khí tăng. Từ nhiệt độ trên 600 oC, độ thông khí giảm, gel silica bắt đầu kết khối. Ở nhiệt độ trên 908,6 oC gel SiO2 ở dạng vô định hình chuyển sang cấu trúc tinh thể, thể tích của gel nhỏ lại, tỷ trọng khối tăng đến tỷ trọng khối lý thuyết, dẫn tới độ xốp bằng không, độ bền cực đại. Quá trình chuyển biến này phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian. 2. Sơn càng dày độ thông khí càng kém. Độ thông khí của sơn cao nhất khi độ xốp trong sơn lớn nhất ở 600 oC. Tuy nhiên độ thông khí của sơn này vẫn không đáp ứng cho đúc gang và thép theo công nghê đúc mẫu tiêu thông thường. Vì thế nên đề tài đã nghiên cứu sơn dùng trong công nghệ đúc Replicast – CS. Chương 6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC REPLICAST - CS 6.1. NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA MẪU XỐP Hình 6.3 và hình 6.4 đưa ra ảnh của mẫu thí nghiệm dạng khối chữ nhật và khối trụ ở các nhiệt độ nung khác nhau. Hình 6.5 là ảnh SEM (với độ phóng đại 40 lần ảnh trên và 500 lần ảnh dưới) của cấu trúc polystyren xốp ở các nhiệt độ khác nhau. Hình 6.6 là phổ nguyên tố EDS của bề mặt vỏ ceramic tiếp giáp mẫu xốp khi nung ở 450 oC. Hình 6.7 là ảnh SEM lớp muội cacbon bám trên bề mặt sơn khi nung ở nhiệt độ 450 oC. Hình 6.8 là giản đồ DTG/DSC của polystyren xốp. a) Ở 50 oC b) Ở 100 oC c) Ở 140 oC d) Ở 160 oC e) Ở 350 oC f) Ở 450 oC g) Ở 500 oC h) Ở 800 oC Hình 6.3. Mẫu xốp trụ ở các nhiệt độ nung khác nhau 21 a) Ở 50 oC b) Ở 100 oC c) Ở 140 oC d) Ở 160 oC e) Ở 350 oC f) Ở 450 oC g) Ở 500 oC h) Ở 800 oC Hình 6.4. Mẫu xốp khối chữ nhật ở các nhiệt độ nung khác nhau a) Nhiệt độ nung 50 oC b) Mẫu xốp ở nhiệt độ 100 oC d) Nhiệt độ nung 140 oC e) Nhiệt độ nung 160 oC f) Nhiệt độ nung 350 oC g) Nhiệt độ 450 oC Hình 6.5. Ảnh SEM cấu trúc xốp polystyren ở các nhiệt độ khác nhau (x 40 và 500) 22 Hình 6.6. Phổ EDS cấu trúc lớp sơn mặt tiếp giáp xốp ở 450 oC Hình 6.7. Ảnh SEM lớp cacbon bám trên bề mặt sơn khi nung mẫu ở 450 oC (x 10000 và 25000) Hình 6.8. Giản đồ DTG/DSC của polystyrene xốp ❖ Nhận xét - Polystyren xốp bị biến mềm ở 100 oC, chảy lỏng ở khoảng 160 oC. Trong khoảng nhiệt độ từ 280 oC đến 400 oC mẫu bị phân hủy mạnh, một phần bị hóa hơi, một phần bị cháy. Từ 598 oC polystyren phân hủy hết, sản phẩm còn lại là cặn cacbon. - Quá trình phân hủy xốp tạo ra 0,7 % cacbon rắn. Phần này có thể để lại tro trên bề mặt hoặc trong vật đúc. - Ở nhiệt độ 598 oC, sự phân hủy polystyren xốp hoàn toàn kết thúc. Do đó có thể nung đốt xốp ở nhiệt độ này. - Sơn trên cở sở chất dính silica có thể sấy ở nhiệt độ 85 oC và mẫu chưa bị biến dạng đồng thời cho hiệu quả sấy cao - Sự mất khối lượng của mẫu sơn thí nghiệm khi nung do sự mất nước, bay chất hữu cơ trong sơn và do sự hóa hơi của các hợp chất trong xốp polystyren. 23 6.2. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐỐT MẪU TRƯỚC BẰNG CÁCH NUNG Hình 6. 9. Sự thay đổi trọng lượng của sơn ceramic ở nhiệt độ cao 6.3. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA SƠN KHI ĐÚC RÓT 6.3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Hình 6.11. Mẫu xốp Hình 6.121. Mẫu sau sơn Hình 6. 23. Vỏ khuôn nung ở 600 oC Hình 6. 34. Vỏ khuôn nung ở 800 oC 6.3.2. Đúc rót Hình 6. 47. Rót khuôn Hình 6. 18. Dỡ vật đúc Hình 6. 19. Vật đúc sau làm sạch 6.4. ĐÚC THỬ NGHIỆM NẮP QUY LÁT ĐỘNG CƠ DIEZEL RV95 Hình 6. 205. Ảnh mẫu đã sơn Hình 6.22. Khuôn vỏ sau nung ở 800 oC trong 2h Hình 6.246. Vật đúc trong khuôn nung ở 600 oC Hình 6. 25. Vật đúc trong khuôn nung 800 oC 24 Độ nhám vật đúc của luận án đạt được là 11,39 – 15,34 µm. 6.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 6 1. Quá trình biến đổi trạng thái khi nung của mẫu xốp rất phức tạp. Ở gần 100 oC mẫu bắt đầu sun lại, đến 160 oC xốp bắt đầu chảy, đến 385 oC xốp bắt đầu hóa hơi, bốc cháy và một phần ở dạng lỏng, đến 491 oC mẫu cháy và hóa hơi đến 94,6 %, và đến 600 oC thì chỉ còn lại một lượng cacbon bị cốc hóa là 0,7 %. 2. Sơn với keo silica có độ bền sau nung cao thích hợp với công nghệ đúc Replicast - CS. 3. Đối với vật đúc đơn giản có thể nung khuôn ở 600 oC trong 2 giờ. Đối với vật đúc thành mỏng có ruột phức tạp nung khuôn ở 800 oC trong 2 giờ. KẾT LUẬN 1. Bằng phương pháp quy hoạch thí nghiệm trực giao đã xây dựng được các phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố thành phần sơn vơi độ nhớt, độ ổn định độ bền sau sấy và độ bền sau nung của sơn. CMC làm tăng mạnh nhất tới tính ổn định, độ nhớt, độ bền sấy của keo, sau đó đến bentonit và thấp nhất là saccaroza. 2. Đã xác định thành phần sơn hợp lý gồm 40% keo silica; 0,1% CMC; 1,25% saccaroza, 0,3% bentonit; 58,35 % bột zircon. 3. Chiều dày màng chất dính lý thuyết khoảng 4,636 m. 4. Sơn vô cơ với keo silica có độ thông khí rất thấp nên chỉ dùng cho công nghệ đúc Replicast - CS 5. Khi nung vỏ sơn ceramic với nhiệt độ nung trong khoảng (100-600) oC, nước liên kết trong sơn bị mất, chất hữu cơ bị cháy, các vết nứt trong sơn xuất hiện làm cho độ xốp tăng và độ thông khí tăng. Từ nhiệt độ trên 600 oC, độ thông khí giảm, gel silica bắt đầu kết khối. Ở nhiệt độ 908,6 oC gel SiO2 ở dạng vô định hình chuyển sang cấu trúc tinh thể, dẫn tới thể tích của gel nhỏ lại, tỷ trọng khối tăng đến tỷ trọng khối lý thuyết, dẫn tới độ xốp bằng không, độ bền cực đại. Quá trình chuyển biến này phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian. 6. Polystyren xốp bị biến mềm ở 100 oC, chảy lỏng ở khoảng 160 oC. Trong khoảng nhiệt độ từ 280 oC đến 400 oC mẫu bị phân hủy mạnh, một phần bị hóa hơi, một phần bị cháy. Từ 598 oC polystyren phân hủy hết, sản phẩm còn lại là cặn cacbon khoảng 0,7%. 7. Bước đầu đề xuất công nghệ đúc Replicast với sơn trên cơ sở chất dính keo silica; chiều dày lớp sơn khoảng 3 mm; đối với vật đúc đơn giản nung khuôn ở 600 oC, với vật thành mỏng ruột phức tạp ở 800 oC hoặc cao hơn (920 oC) trong 2 giờ. 8. Độ bền của sơn càng tăng khi nhiệt độ nung càng cao. Độ thông khí của sơn khi nung tăng và cao nhất ở 600 oC sau đó giảm. Cũng tương tự độ xốp của sơn tăng đến 600 oC thì độ xốp của sơn lại giảm. KIẾN NGHỊ 1. Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ đúc Replicast – CS. 2. Nghiên cứu thay thế một phần bột zircon bằng các vật liệu rẻ tiền khác để hạ giá thành sơn. 3. Nghiên cứu chế tạo keo silica từ thủy tinh lỏng để chủ động nguồn cung cấp vật liệu.