Công nghệ làm khuôn và làm lõi

1. Công nghệ hộp nóng

Đây là loại công nghệ đã có lâu đời dùng làm lõi hàng loạt. Gồm có

1.1     Hotbox

Chất kết dính lỏng dạng polyme gốc phenol, ure với formaldehyde, hoà tan trong nước và furfuyrlalcohol.

Chất đông cứng là một dung dịch muối; thí dụ: ammoniunitrat.

Hỗn hợp cát Hotbox sẽ được đưa vào hộp nóng 230 ⁰C để làm đông cứng.

1.2     Warmbox

Dạng polyme gốc mê với formaldehyde hoà tan trong nước và furfurylalcohol.

Chất đông cứng là một loại axit đặc biệt (axit sulfuric hoặc sulfon axit).

Hỗn hợp cát Warmbox sẽ được đưa vào hộp nóng 180 ⁰C để làm đông cứng.

Hai nhược điểm lớn của Hotbox và Warboxx là tốn kém năng lượng để làm đông cứng lõi và sau là vấn đề môi trường: khi làm lõi vì có nhiệt độ nên các loại khí độc sẽ thoát ra nhất là formaldehyde. Hiện nay, 2 công nghệ này chỉ còn ứng dụng khoảng 7% tại Đức.

1.3     Shellmoulding: Công nghệ Croning

Công nghệ Croning do phát minh của Công ty Johannes Croning & CO., Hamburg – Altona, Đức.

Shellmoulding hay Croning cùng thuộc loại công nghệ hộp nóng như Hotbox vì lõi phải được đưa vào làm với nhiệt độ từ 200 ⁰C – 230 ⁰C.

Khác với Hotbox, chất kết dính Croning có dạng bột. Đây là một loại bột novolac gốc phenol/ formaldehyde. Độ chảy của loại bột này từ 60 – 100 ⁰C.

Cát nhựa

Bột novalac (2 – 5%) trộn với cát silica ở nhiệt độ 120 ⁰C. Nhiệt độ sau đó giảm xuống 100 ⁰C.

Sau đó cho thêm vào 12% dung dịch hexa (35% trong nước) và trộn cho đều. Cuối cùng cho 0,2% calciumstearat vào trộn. Calciumstearat sẽ làm việc lấy lõi ra khỏi khuôn dễ dàng.

Công nghệ cát nhựa (shellmoulding, croning) vì sử dụng hộp nóng, tốn kém năng lượng, dụng cụ làm khuôn cho lõi phải bằng kim loại chịu nhiệt và hơn nữa là điều kiện không tốt cho môi trường nên hiện nay chỉ còn được áp dụng khoảng 5% để làm lõi.

2. Công nghệ tự đông cứng: no bake – process

Khác với các CN hộp nóng (phải dùng nhiệt) và có hộp nguội (phải dùng khí để làm đông cứng hỗn hợp cát), CN tự động cứng hay còn gọi là No Bake chỉ cần một chất đông cứng (hardener) hoặc một chất xúc tác (catalyst) hoặc cả hai, ở dạng lỏng để làm đông cứng hỗn hợp.

Những công nghệ tự đông cứng được ứng dụng làm khuôn, lõi lớn, đơn chiếc, thủ công, để đúc gang, thép.

Công nghệ tự đông cứng quan trọng nhất hiện nay trên thế giới sẽ được nêu dưới đây:

2.1 Nhựa furan (furan No Bake, FNB)

Trong các công nghệ tự đông cứng, nhựa furan đóng một vai trò quan trọng nhất hiện nay trên thế giới dùng làm khuôn và lõi để đúc các phôi gang, gang cầu, thép có trọng lượng từ 100 kg đến trên 100T.

Nhựa furan (furan resin) là một hợp chất polyme từ furfurylalcohoi, ure, nước và formaldehyde với thành phần như sau (công thức của công ty Huettenes – Albertus Germany):

75% Furfulylalcohol

11% Fonnaldehyde

9% Urê

5% nước

Tỉ lệ giữa 2 thành phần formaldehyde và urê sẽ ảnh hưởng đến thời gian đông cứng và độ bền của hỗn hợp furan. Thành phần furfurylalcohol sẽ ảnh hưởng đến tính chất chịu nhiệt của hỗn hợp. Đó là lý do tại sao, khi đúc thép thành phần FA nhiều khi phải lên đến 90% và nitơ không được quá 1%. Nhiều nitơ sẽ gây rỗ khi đúc thép. Để tránh tình trạng phôi đúc thép bị rỗ khí nên:

- Giảm tối đa thành phần nitơ trong nhựa furan

- Tăng nhiệt độ rót lên khoảng (30 – 50 ⁰C).

Sử dụng chất sơn không tốt (có chứa Zircon)

Chất đông cứng (hardener): là một loại axit hoặc hợp chất axit mạnh đông cứng theo phản ứng sau:

Nhựa furen (lỏng) + chất đông cứng → nhựa đông cứng + nhiệt + nước

Tuỳ theo điều kiện thời tiết, khí hậu độ ẩm cao… cần có nhiều chất đông cứng khác nhau để thích hợp với thời gian làm việc (tuổi xuân) của hỗn hợp cát.

Những ưu điểm khi sử dụng công nghệ furan:

- Đúc các phôi gang, gang cầu, thép… trên 200T.

- Chất lượng phôi rất tốt, độ chính xác cao.

- Độ hỏng ít.

- Cát tái sinh 100% (lợi kinh tế, môi trường)

- Không cần nhiệt để làm đông cứng khuôn và lõi.

2.2 Công nghệ Phenol Resin + hardener (axit): khi thay Phenol cho FA

Tiết kiệm năng lượng, không làm hại môi trường.

2.3 Công nghệ Pepset: Pholyurethane

Chất kết dính hữu cơ gồm 3 thành phần:

- Polyol (tên hoá học: polybenzylic ether phenol) là một loại polyme với phenol và formaldehyde + dung môi.

- Chất đông cứng gốc urethane (lolyisocyanate) + dung môi.

- Chất xúc tác gốc pyrindin (axit quan): làm tăng nhanh tốc độ đông cứng.

Phương pháp chế tạo hỗn hợp Pepset: Thí dụ của Công ty Huettenes – Albertus Germany):

Trộn sẵn 5% chất xúc tác – pyridin vào với chất kết dính (1)

- Cân 100 kg cát silica

- Cân 600 kg chất kết dính đã có sẵn pyridin

- Cân chất đông cứng (2)

Trộn trong vòng 60 giây.

Như thế đã có được một hỗn hợp pepset, sau đó sẽ tính thời gian làm việc (tuổi xuân), thời gian rót và độ bền của hỗn hợp sau 2h, 4h, 24h.

Benzylether     Polyole            +         Polyisocyanate → (polyaddtion) polyurethane

Công nghệ Pepset (Polyurethane) dùng làm khuôn và lõi đơn chiếc để đúc hầu hết các loại kim loại: gang, thép, nhôm.

Ưu điểm: ít bẩn, ít formlaldehyde, độ phá khuôn tốt.

Nhược điểm: độc hại (isocyanate), chất đông cứng đắt, tuổi xuân ngắn.

2.4 Công nghệ Alphaset: Phenol Resol – Ester

Chất kết dính Alphaset dạng lỏng là một hợp chất polyme giữa phenol và formaldehyde.

Chất đông cứng (hardener) là một ester (Triacetin).

Alphaset được ứng dụng để làm khuôn và lõi lối thủ công để đúc gang, thép.

Ưu điểm: không mùi (tốt cho môi trường). Chất lượng phôi tốt, bề mặt láng.

Nhược điểm: Cát tái sinh không dễ như của cát furan. Chất lượng tái sinh không được tốt. Tuổi thọ chất kết dính (phần I) ngắn.

2.5 Công nghệ nước thuỷ tinh = Ester

Công nghệ nước thuỷ tinh đã có từ rất lâu. Hiện nay công nghệ này vẫn còn được áp dụng làm khuôn và lõi nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Việt Nam.

Những khuôn, lõi nhỏ được đông cứng với khí CO2. Những khuôn, lõi lớn được đông cứng với Ester (dạng lỏng).

Ưu điểm: Tốt cho môi trường (không mùi). Kinh tế (rẻ).

Nhược điểm: Chất lượng phôi kém (không chính xác, bề mặt phôi không láng). Độ phá khuôn (độ tơi) dỡ. Cát không tái sinh được.

Công ty Hueuenes Albertus Gennany có loại phụ gia tên Rawo PHF trộn thêm vào hỗn hợp cát nước thuỷ tinh để tăng độ phá khuôn (độ tơi).

3. Công nghệ hộp nguội: Cold box

Như đã trình bày ở trên, những công nghệ hộp nóng dùng làm khuôn, lõi khi đúc hàng loạt rất tốn kém năng lượng và gây ô nhiễm môi trường. Những công nghệ tự đông cứng thường dùng làm khuôn khi đúc các chi tiết lớn, đơn chiếc. Loại công nghệ thứ ba và cũng là loại công nghệ quan trọng nhất hiện nay dùng cho các xưởng đúc hàng loạt các bộ phận ô tô có tên là cold box (CN hộp nguội).

Khác với CN hộp nóng dùng nhiều CN tự đông cứng (dùng axit hay ester), CN Cold box dùng khí để đông cứng.

Có tất cả 5 loại Cold box quan trọng. Tuỳ theo loại khí đông cứng mà chúng có các loại tên khác nhau sau đây:

3.1 Công nghệ nước thuỷ tinh CO2

Đông cứng theo công thức: Na2SiO2 → Na2CO3

Đây là công nghệ để làm các loại lõi nhỏ hàng loạt, rẻ và tốt cho môi trường đang được sử dụng nhiều tại Việt Nam.

Ngược lại công nghệ này có quá nhiều nhược điểm:

- Độ bền hỗn hợp rất thấp

- Chất lượng phôi kém

- Rất khó phá khuôn (độ tơi kém)

- Cát không tái sinh

- Không được dùng sơn khuôn dạng nước.

- Chóng hư.

3.2 Cốang nghệ Cold box – Methylformiat

Công nghệ Methylformiat còn có tên là Beta set.

Khác với nước thuỷ tinh có gốc vô cơ, beta set là một hợp chất polyme gốc phenol với độ Pa = 14.4

Beta set gồm 2 thành phần: phenol resol và khí methylformiat.

Sự đông cứng hỗn hợp dựa trên việc giảm độ Pa của phenol resol.

Thí dụ: cho 100 kg hỗn hợp Beta set: 100 kg cát, 2 kg phenol resol, 400 g methylformiat.

Công nghệ Beta sét rất tốt cho môi trường, không mùi, độ bền hỗn hợp cao hơn của CN nước thuỷ tinh và có thể dùng sơn khuôn dạng nước.

Nhưng độ bền của hỗn hợp beta set cũng không thể so sánh được với các CN SO2 hoặc Pu Cold box, nên hiện nay Beta rất ít được áp dụng tại Đức.

3.3 Công nghệ Phenol Resol/ CO2

Công nghệ Phenol Resol/ CO2 được biết đến vào những 1990 như là một lựa chọn cho CN nước thuỷ tinh vì độ bền cao hơn NTT.

Tương tự như Cold box M, chất kết dính cũng là một polyme gốc phenol.

Tỉ lệ trộn hỗn hợp cũng là từ 2% đến 3,5% với cát.

Khác với Cold box M, CN này dùng khí CO2 để đông cứng.

Hiện nay CN này được áp dụng khoảng 6% để làm lõi tại Đức.

3.4 Công nghệ đông cứng với SO2

Công nghệ này gồm 3 thành phần:

1- Chất kết dính: gốc nhựa furan hoặc nhựa epoxy.

2- Chất tạo oxy hoá “Peroxid”

3- Khí CO2 làm đông cứng

Trộn chất kết dính và peroxid vào với cát. Khí CO2 sẽ tác động với peroxid và nước để cho ra axit sunphuric và làm cứng hỗn hợp cát.

Công nghệ SO2 có những ưu điểm sau:

- Lõi được làm rất nhanh

- Độ bền lõi rất cao

- Lõi được giữ rất lâu

- Lõi không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm

- Chất lượng phôi rất tốt.

- Độ tơi tốt khi đúc nhôm

Nhược điểm của CN này là vấn đề môi trường do khí SO2 và hay làm bẩn các khuôn làm lõi nên hiện nay chỉ còn 2 xưởng đúc tại Đức áp dụng CN để đúc các sản phẩm của mình.

3.5 Công nghệ PUCB: Polyurethan Cold box

PUCB là công nghệ được áp dụng nhiều nhất hiện nay trên thế giới làm lõi đúc hàng loạt các loại phôi gang, gang cầu thép, nhôm và các hợp kim khác cho ngành ô tô. Công ty Eisenwerk Bruehl tại Đức áp dụng công nghệ này để đúc 15 ngàn block máy trong vòng 1 ngày với sản lượng là 1000 t/ phôi/ ngày.

Ngày nay 75% các loại lõi dùng để đúc hàng loạt được áp dụng CN PUCB.

PUCB gồm 3 thành phần:

- Polyol (Polybenzylic Ether Phenol)

- Polyisocyanat

- Khí quan (TEA, DMEA…)

Thí dụ làm 100 kg hỗn hợp PUCB của Công ty Huettenes Albertus Germany:

Cân: 100 kg cát silica

600 g Gasharz 5366 (Polyol + dung môi) = 0,6%

600 g Am 5333 (lsocyanat + dung môi) = 0,6%

Hỗn hợp cát được trộn 1 phút, sau đó cho vào máy làm lõi. Dùng áp suất để đẩy hỗn hợp cát vào khuôn làm lõi. Khí quan sẽ được bơm vào để làm đông cứng lõi.

Lõi sau khi làm xong có độ bền rất cao và có thể đúc ngay.

Dùng công nghệ PUCB để có thể làm được những loại lõi khó nhất, có thành mỏng nhất mà không sợ bị gãy hoặc vỡ. Lõi sau khi làm xong có thể để hàng tuần mà không sợ giảm mất độ bền cũng như không bị ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm.

Huettenes Albertus Dusseldorf (Germany) là công ty hoá chất ngành đúc hàng đầu thế giới hiện nay trong việc sản xuất các loại PUCB.

Vấn đề môi trường được HA đưa lên hàng đầu để giảm tất cả các chất độc hại như phenol, formaldehyde trong các loại PUCB hiện nay. Các dung môi gốc dầu hoả cũng được thay thế bởi các loại dầu thực vật như Béo Diesel và những sản phẩm mới nhất hiện nay của HA với TES (Tetraethylsilicat) đã loại bỏ những mùi và khí khó chịu khi làm lõi cũng như sau khi đúc:

Tóm lược:

Polyol (I) + Polyisocyanat (II) → polyurethan Cold box

4. Kết luận

Trên đây tường trình tổng quát về các công nghệ làm khuôn và lõi quan trọng nhất hiện nay trên thế giới.

Tuỳ theo sản phẩm của mình mà các xưởng đúc nên lựa chọn công nghệ làm khuôn và lõi cho thích hợp (chất lượng, kinh tế, môi trường).

Khi chọn công nghệ nên biết rõ là công nghệ cho khuôn hay cho lõi hay cho cả hai. Nên biết rõ công nghệ nào thích hợp khi đúc đơn chiếc, chi tiết lớn hoặc CN khi đúc hàng loạt, chi tiết nhỏ và vừa. Khi đúc gang xám, gang cầu, thép phải cần đến các CN làm khuôn và lõi có sức chịu nhiệt cao cũng như khi đúc nhôm phải cần đến CN làm khuôn và lõi có độ phá khuôn (độ tơi) tốt…

Ngoài ra còn những yếu tốt rất quan trọng khác ảnh hưởng đến chất lượng phôi:

1. Chuyên gia

2. Nhiệt luyện

3. Chất sơn khuôn

4. Bột phát nhiệt (độ ngót)

Yếu tố con người vẫn đóng vai trò quan trọng nhất. Một xưởng dúc, dù được trang bị đầy đủ máy móc, thiết bị hiện đại để áp dụng các loại công nghệ trên, nhưng nếu yếu tố con người kém, không có chuyên gia và chuyên viên giỏi ngành đúc thì cũng sẽ dẫn đến thất bại nhanh chóng.

Công ty hoá chất Huettenes Albertus mong rằng, qua phần tóm tắt trên đây bạn đọc sẽ có một khái niệm tổng quát về các phương pháp làm khuôn và lõi như những áp dụng của chúng cho xưởng đúc của mình.