I. Tổng quan :
Vào năm 1969 Hitchiner và công ty của ông đang tìm kiếm một giải pháp để mở rộng ứng dụng công nghệ đúc. Do đó ông đã đưa ra một ý kiến “ Chúng ta cần phải tìm ra một thị trường phù hợp hơn nữa và các khách hàng bền vững bằng cách tiếp cận thị trường sản xuất otô nếu chúng ta có thể giảm chi phí thành phẩm của công nghệ đúc mẫu chảy xuống 40%.”. Trước đó công nghệ đúc mẫu chảy của công ty đã sản xuất phục vụ cho ngành công nghiệp quốc phòng, các bộ phân chi tiết nhỏ trong cơ khí, và điện thoại. Tuy nhiện việc giảm chi phí tức là phải làm sao để cải tiến cả một công nghệ. Do đó theo Chandley thì “ chúng ta phải làm một thứ gì đó đáng kể”. Chính ý nghĩ này của Chandley là một bước ngoặc cho công ty thử nghiệm một quá trình đảo ngược quá trình đúc truyền thống. Bằng cách đảo ngược khuôn khi rót và thêm vào chân không để đưa kim loại vào khuôn. Kĩ thuật này có thể điều khiển kim loại lỏng một cách dễ dàng hơn và giảm thiểu dòng chảy rối mà chính phương pháp đúc truyền thống do trọng lực gây ra. Do đó hệ thống rót không cần phải lớn do vậy đã giảm thiểu được một lượng lớn kim loại mỗi lần rót. Giá thành đầu tư bao gồm khuôn gốm, kim loại và chi phí nấu chảy kim loại. Nếu hệ thống rót được bịt kín sau đó chân không, nhờ tác dụng của chân không dẫn kim loại lỏng vào trong hốc khuôn và vật đúc được đông đặc, sau đó kim loại trong ống rót được chảy xuống lại nồi lò, khi đó giảm được 1 lượng kim loại hao phí khi đông đặc trong hệ thống rót và ngót.
II. Ưu điểm
Một điều thú vị xảy ra trong phát triển công nghệ đúc phản trọng lực này là ngoài việc tăng hiệu suất sử dụng kim loại lỏng nó còn có các lợi ích sau.
1/ Lợi ích đến từ ống rót. Một khi vật đúc đã được đông đặc, kim loại lỏng trong ống rót quay lại nồi lò. Do vậy vật đúc không cần phải cắt bỏ khỏi ống rót. Do đó có thể đính nhiều mẫu vào cây hơn, phụ thuộc vào kích cỡ vật đúc và hình dạng của nó, số lượng mẫu có thể đính vào hệ thống rót có thể nhiều hơn gấp 5 lần so với phương pháp đúc mẫu chảy truyền thống.
2/ Kim loại lỏng sạch hơn : quá trình dẫn kim loại vào ống rót từ dưới lên nên hạn chế được dòng chảy rối, trong đầu ống hút được đặt ở mặt dưới lớp kim loại lỏng bề mặt nên đã tránh được lớp xỉ và cặn bẩn dẫn vào hốc khuôn . Người ta tiến hành so sánh thử tổ chức phóng đại của 2 pp đúc mẫu chảy truyền thống và đúc kháng trọng kết quả chỉ ra rằng với 1 chi tiết thì pp đúc kháng trọng đã giảm thiểu được tới 85% tạp chất phi kim loại. Ngoài ra, tuỳ thuộc vào mark hợp kim nhờ mà nhờ quá trình làm sạch tạp chất mà tuổi thọ của chi tiết có thể tăng lên tới 100 – 500%
3/ Đúc được vật đúc có tiết diện nhỏ hơn khoảng 0,3mm ( 0,015 inch) . Điều này có được là do so với đúc mẫu chảy truyền thống thì xuất hiện trở lực dòng chảy nên khả năng điền đầy khó hơn so với đúc kháng trọng.
4/ Kiểm soát được cấu trúc hạt . Đúc kháng trọng cho phép rót kim loại dưới nhiệt độ nóng chảy có thể lên tới 148,880c ( 300 0 F) hơn bình thường. Do đó có thể điều chỉnh được kích thước hạt đa dạng. Nếu yêu cầu hạt có kích thước mịn thì ta có thể rót ở nhiệt độ thấp. Ví dụ điền hình là khi đúc nhôm. Tinh thể nhánh cây làm giảm mạnh cơ tính của nó, do vậy ta phải rót kim loại nhiệt độ thấp và làm nguội nhanh
5/ Kim loại lỏng không bị văng tung toé cũng như giảm được dòng chảy rối : Quá trình điền đầy khuôn được kiểm soát, mỗi phần khuôn được điền đầy chân không lần lượt từ dưới lên chứ không tức thời. Chính điều này tạo nên tránh bị oxihoá
6/ Ít tốn kim loại hơn . Nói chung thì do quá trình cải tiến hệ thống rót và hệ thống rãnh dẫn nên cho phép hiệu suất kim tăng lên tới 60-94% thay vì chỉ là 15-50% so với đúc mẫu chảy truyền thống
7/ Giảm chi phí gia công và làm sạch vật đúc : khi vật đúc đã đông đặc và kim loại lỏng trong ống rót quay trở lại nồi lò, phần dư ra ( phần kết nối vật đúc và hệ thống rót) tính theo chiều dài của vật đúc chỉ khoảng là 0,25 - 5 inch ( 0,63 – 12,7 cm) nên giảm chi phí gia công. Cùng với việc tránh được tạp chất phi kim nên giảm chi phí làm sạch bề mặt.
III. Tiến trình công nghệ:
Tuy hiện nay có nhiều cải tiến để phù hợp nhưng về cơ bản vẫn bao gồm các bước sau
Bước 1 : Đặt khuôn vỏ mỏng trong 1 buồng chân không ( lúc này chân không chưa được áp đặt ) và ống rót hướng xuống. Buồng này có thế xoay được đặt phía trên nồi lò
Bước 2 : Phần phía dưới của buồng ( phía hướng xuống nồi lò ) được mở ra. Đồng thời chân không được thiết lập để xua hết khí tồn tại trong buồng và trong lòng hốc khuôn đồng thời nó làm cho kim loại lỏng trong nồi lò chui vào ống rót
Bước 3 : Vật đúc được đông đặc, thời gian đông đặc phụ thuộc vào hợp kim và kích cỡ vật đúc, sau đó chân không được thả ra, kim loại lỏng chưa đông đặc trong ống rót lập tức quay lại nồi lò. Việc tránh đông đặc trong ống rót làm giảm thiểu được quá trình cắt bỏ vật đúc ra khỏi hệ thống rót đồng thời giảm chi phí quá trình hoàn thiện vật đúc thành phẩm.
IV. Lịch sử ra đời:
CLA (1972) Thế hệ đầu tiên được phát minh có thể đúc được kim loại đen cũng như kim loại màu như đúc các cây golf
CLV (1975) Cũng là cải tiến của công nghệ đúc mẫu chảy dùng đúc cho các vật đúc làm từ hợp kim chịu nhiệt cao superalloy như các chi tiết trong động cơ phản lực yêu cẩu phải nấu trong chân không. Nó cải tiến hơn so với CLA ở chỗ toàn bộ quá trình nấu chảy và đúc điều được thực hiện trong chân không hoặc khí Argon
CLAS (1982) Đây là công nghệ đúc kháng trọng đầu tiên dùng cho khuôn cát, sử dụng cho vật đúc khối lượng lớn như phụ kiện đường ống, ở đây quá trình nấu chảy được tiến hành trong không khí ( kl màu). Khuôn cát nhựa được hạ xuống một cách chính xác vào nồi lò và chân không được thiết lập để dẫn kim loại vào hốc khuôn trưc tiếp thông qua ống.
LSVAC (1990) Bắt nguồn từ CLAS đúc trong khuôn cát, dành cho vật đúc khối lượng lớn, phức tạp và kim loại được nấu trong không khí, như là gang và thép.
SSCLA (1991) nó giống với CLA, ngoại từ khuôn vỏ mỏng chỉ có 5 lớp vỏ và phủ một cách lỏng lẻo với lớp cát ( do cát chỉ đổ vào mà ko dùng lực nào tác động tạo độ nén cho cát) bên ngoài lớp vỏ khuôn và lớp cát có thể có thể tái sử dụng . Nó có các ưu điểm sau
- Điều khiển được tốc độ điền đầy từ 5 -500mm/s
- Giảm được dòng chảy rối
- Các thông số được thiết lập cố định và được tự động lặp lại nhờ máy tính
- Cải thiện được điều kiện đông đặc
- Kim loại sạch hơn nên cải thiện cấu trúc hạt và nâng cao cơ tính
- Giảm thiểu các bọt khí.
- Đúc được thành mỏng tới 0,4mm
- Hiệu suất kim loại từ 60 - 90%
- Không cần cắt bỏ vật đúc khỏi hệ thống rót
- 1 khuôn có thể chứa được nhiều mẫu
- Sản xuất được tới 40 khuôn/ giờ
- Đúc được các loại vật đúc lớn.
CLI (1991) công nghệ này dùng đúc các chi tiết như bộ phận tên lửa. CLI tương tự như CLA nhưn kim loại được nấu chảy trong chân không, và chi tiết được đúc trong khí bảo vệ là Argon. Phần lớn chi tiết được đúc giá thành thấp hơn CLV.
C3( Centrifucal Counter gravity Casting)
Sau khi kim loại lỏng vào lòng khuôn, cả buồng khuôn đươc quay với tốc độ gần 300 vòng/ phút. Chính nhờ lực quay li tâm đã tác động vào kim loại lỏng cho nên có các ưu điểm là
- Giảm bọt khí, ngăn ngừa khuyết tật liên quan đến co rút .
- Cơ tính đồng đều
- Giảm sự biến dạng các rãnh dẫn khi đông đặc.
- Đúc vật đúc thành mỏng nhờ tăng áp lực điền đầy
- Tăng chu kì do giảm thời gian điền đầy
- Không cần làm đậu ngót to để tăng áp lực lên kim loại lỏng hỗ trợ việc điền đầy
- Nếu bọt khí tồn tại sẽ dồn vào trong ống rót.
SSCV (1994) tương tự SSCLA nhưng thay vì van nằm dưới cùng giữ kim loại lỏng nằm lại thay vì chảy trở lại nồi lò. Do đó SSCV dùng để sản xuất các chi tiết hơn có thể lên tới 200kg ( 450lb) và thành dày tới 153 mm ( 6in), đúc các hợp kim màu như các chi tiết trong tàu vũ trụ.
CLIX (1994) sử dụng cho các hợp kim như titanium aluminide. Trong nồi lò loại hợp kim này trải qua phản ứng toả nhiệt trước khi tan chảy. Người ta dùng đúc golf hoặc là các loại van.
Ngoài ra còn có công nghệ LEVI là công nghệ đúc chính xác ở áp suât thấp được dùng cho các hợp kim của Ti. Kim loại được nấu chảy trong lò cảm ứng tần số cao (high-frequency magnetic induction power ) nhưng được giữ ở trạng thái bán lỏng. Nhờ áp suất chân không kim loại lỏng lập tức được hút vào khuôn và đông đặc trong đó. Do đó sự mất nhiệt rất nhỏ chỉ 1 khoảng thời gian rất nhỏ từ kim loại lỏng đến lúc điền đầy vào hốc khuôn do vậy giảm đáng kể giá thành so với các phương pháp đúc khác
Ưu điểm
1/ Ít tạp chất do kim loại lỏng không tiếp xúc với thành khuôn
2/ Do không tiếp xúc với thành khuôn nên giảm đáng kể quá trình thất thoát nhiệt
3/ Bề mặt nhẵn mịn
4/ Sử dụng áp suất thấp, đúc được các vật đúc mỏng hơn dễ dàng chế tạo golf
Tài liệu tham khảo
1/ http://www.entrepreneur.com/tradejournals/article/20969637.html
2/ http://dsuxgwns.daido.co.jp/english/products/casting/casting_levi.html
3/ http://file.seekpart.com/keywordpdf/2011/3/30/2011330163853904.pdf
4/countergravity casting apparatus – patent number 4932461
5/ countergravity casting apparatus and process for casting thin walled parts --- patent number 4865113
6/http://www.ukintpress-conferences.com/conf/eng03/pres/ihsane/ihsane.pdf
7/ ASM metal handbook volume 15 . pages 696 - 700
Vào năm 1969 Hitchiner và công ty của ông đang tìm kiếm một giải pháp để mở rộng ứng dụng công nghệ đúc. Do đó ông đã đưa ra một ý kiến “ Chúng ta cần phải tìm ra một thị trường phù hợp hơn nữa và các khách hàng bền vững bằng cách tiếp cận thị trường sản xuất otô nếu chúng ta có thể giảm chi phí thành phẩm của công nghệ đúc mẫu chảy xuống 40%.”. Trước đó công nghệ đúc mẫu chảy của công ty đã sản xuất phục vụ cho ngành công nghiệp quốc phòng, các bộ phân chi tiết nhỏ trong cơ khí, và điện thoại. Tuy nhiện việc giảm chi phí tức là phải làm sao để cải tiến cả một công nghệ. Do đó theo Chandley thì “ chúng ta phải làm một thứ gì đó đáng kể”. Chính ý nghĩ này của Chandley là một bước ngoặc cho công ty thử nghiệm một quá trình đảo ngược quá trình đúc truyền thống. Bằng cách đảo ngược khuôn khi rót và thêm vào chân không để đưa kim loại vào khuôn. Kĩ thuật này có thể điều khiển kim loại lỏng một cách dễ dàng hơn và giảm thiểu dòng chảy rối mà chính phương pháp đúc truyền thống do trọng lực gây ra. Do đó hệ thống rót không cần phải lớn do vậy đã giảm thiểu được một lượng lớn kim loại mỗi lần rót. Giá thành đầu tư bao gồm khuôn gốm, kim loại và chi phí nấu chảy kim loại. Nếu hệ thống rót được bịt kín sau đó chân không, nhờ tác dụng của chân không dẫn kim loại lỏng vào trong hốc khuôn và vật đúc được đông đặc, sau đó kim loại trong ống rót được chảy xuống lại nồi lò, khi đó giảm được 1 lượng kim loại hao phí khi đông đặc trong hệ thống rót và ngót.
II. Ưu điểm
Một điều thú vị xảy ra trong phát triển công nghệ đúc phản trọng lực này là ngoài việc tăng hiệu suất sử dụng kim loại lỏng nó còn có các lợi ích sau.
1/ Lợi ích đến từ ống rót. Một khi vật đúc đã được đông đặc, kim loại lỏng trong ống rót quay lại nồi lò. Do vậy vật đúc không cần phải cắt bỏ khỏi ống rót. Do đó có thể đính nhiều mẫu vào cây hơn, phụ thuộc vào kích cỡ vật đúc và hình dạng của nó, số lượng mẫu có thể đính vào hệ thống rót có thể nhiều hơn gấp 5 lần so với phương pháp đúc mẫu chảy truyền thống.
2/ Kim loại lỏng sạch hơn : quá trình dẫn kim loại vào ống rót từ dưới lên nên hạn chế được dòng chảy rối, trong đầu ống hút được đặt ở mặt dưới lớp kim loại lỏng bề mặt nên đã tránh được lớp xỉ và cặn bẩn dẫn vào hốc khuôn . Người ta tiến hành so sánh thử tổ chức phóng đại của 2 pp đúc mẫu chảy truyền thống và đúc kháng trọng kết quả chỉ ra rằng với 1 chi tiết thì pp đúc kháng trọng đã giảm thiểu được tới 85% tạp chất phi kim loại. Ngoài ra, tuỳ thuộc vào mark hợp kim nhờ mà nhờ quá trình làm sạch tạp chất mà tuổi thọ của chi tiết có thể tăng lên tới 100 – 500%
3/ Đúc được vật đúc có tiết diện nhỏ hơn khoảng 0,3mm ( 0,015 inch) . Điều này có được là do so với đúc mẫu chảy truyền thống thì xuất hiện trở lực dòng chảy nên khả năng điền đầy khó hơn so với đúc kháng trọng.
4/ Kiểm soát được cấu trúc hạt . Đúc kháng trọng cho phép rót kim loại dưới nhiệt độ nóng chảy có thể lên tới 148,880c ( 300 0 F) hơn bình thường. Do đó có thể điều chỉnh được kích thước hạt đa dạng. Nếu yêu cầu hạt có kích thước mịn thì ta có thể rót ở nhiệt độ thấp. Ví dụ điền hình là khi đúc nhôm. Tinh thể nhánh cây làm giảm mạnh cơ tính của nó, do vậy ta phải rót kim loại nhiệt độ thấp và làm nguội nhanh
5/ Kim loại lỏng không bị văng tung toé cũng như giảm được dòng chảy rối : Quá trình điền đầy khuôn được kiểm soát, mỗi phần khuôn được điền đầy chân không lần lượt từ dưới lên chứ không tức thời. Chính điều này tạo nên tránh bị oxihoá
6/ Ít tốn kim loại hơn . Nói chung thì do quá trình cải tiến hệ thống rót và hệ thống rãnh dẫn nên cho phép hiệu suất kim tăng lên tới 60-94% thay vì chỉ là 15-50% so với đúc mẫu chảy truyền thống
7/ Giảm chi phí gia công và làm sạch vật đúc : khi vật đúc đã đông đặc và kim loại lỏng trong ống rót quay trở lại nồi lò, phần dư ra ( phần kết nối vật đúc và hệ thống rót) tính theo chiều dài của vật đúc chỉ khoảng là 0,25 - 5 inch ( 0,63 – 12,7 cm) nên giảm chi phí gia công. Cùng với việc tránh được tạp chất phi kim nên giảm chi phí làm sạch bề mặt.
III. Tiến trình công nghệ:
Tuy hiện nay có nhiều cải tiến để phù hợp nhưng về cơ bản vẫn bao gồm các bước sau
Bước 1 : Đặt khuôn vỏ mỏng trong 1 buồng chân không ( lúc này chân không chưa được áp đặt ) và ống rót hướng xuống. Buồng này có thế xoay được đặt phía trên nồi lò
Bước 2 : Phần phía dưới của buồng ( phía hướng xuống nồi lò ) được mở ra. Đồng thời chân không được thiết lập để xua hết khí tồn tại trong buồng và trong lòng hốc khuôn đồng thời nó làm cho kim loại lỏng trong nồi lò chui vào ống rót
Bước 3 : Vật đúc được đông đặc, thời gian đông đặc phụ thuộc vào hợp kim và kích cỡ vật đúc, sau đó chân không được thả ra, kim loại lỏng chưa đông đặc trong ống rót lập tức quay lại nồi lò. Việc tránh đông đặc trong ống rót làm giảm thiểu được quá trình cắt bỏ vật đúc ra khỏi hệ thống rót đồng thời giảm chi phí quá trình hoàn thiện vật đúc thành phẩm.
IV. Lịch sử ra đời:
CLA (1972) Thế hệ đầu tiên được phát minh có thể đúc được kim loại đen cũng như kim loại màu như đúc các cây golf
CLV (1975) Cũng là cải tiến của công nghệ đúc mẫu chảy dùng đúc cho các vật đúc làm từ hợp kim chịu nhiệt cao superalloy như các chi tiết trong động cơ phản lực yêu cẩu phải nấu trong chân không. Nó cải tiến hơn so với CLA ở chỗ toàn bộ quá trình nấu chảy và đúc điều được thực hiện trong chân không hoặc khí Argon
CLAS (1982) Đây là công nghệ đúc kháng trọng đầu tiên dùng cho khuôn cát, sử dụng cho vật đúc khối lượng lớn như phụ kiện đường ống, ở đây quá trình nấu chảy được tiến hành trong không khí ( kl màu). Khuôn cát nhựa được hạ xuống một cách chính xác vào nồi lò và chân không được thiết lập để dẫn kim loại vào hốc khuôn trưc tiếp thông qua ống.
LSVAC (1990) Bắt nguồn từ CLAS đúc trong khuôn cát, dành cho vật đúc khối lượng lớn, phức tạp và kim loại được nấu trong không khí, như là gang và thép.
SSCLA (1991) nó giống với CLA, ngoại từ khuôn vỏ mỏng chỉ có 5 lớp vỏ và phủ một cách lỏng lẻo với lớp cát ( do cát chỉ đổ vào mà ko dùng lực nào tác động tạo độ nén cho cát) bên ngoài lớp vỏ khuôn và lớp cát có thể có thể tái sử dụng . Nó có các ưu điểm sau
- Điều khiển được tốc độ điền đầy từ 5 -500mm/s
- Giảm được dòng chảy rối
- Các thông số được thiết lập cố định và được tự động lặp lại nhờ máy tính
- Cải thiện được điều kiện đông đặc
- Kim loại sạch hơn nên cải thiện cấu trúc hạt và nâng cao cơ tính
- Giảm thiểu các bọt khí.
- Đúc được thành mỏng tới 0,4mm
- Hiệu suất kim loại từ 60 - 90%
- Không cần cắt bỏ vật đúc khỏi hệ thống rót
- 1 khuôn có thể chứa được nhiều mẫu
- Sản xuất được tới 40 khuôn/ giờ
- Đúc được các loại vật đúc lớn.
CLI (1991) công nghệ này dùng đúc các chi tiết như bộ phận tên lửa. CLI tương tự như CLA nhưn kim loại được nấu chảy trong chân không, và chi tiết được đúc trong khí bảo vệ là Argon. Phần lớn chi tiết được đúc giá thành thấp hơn CLV.
C3( Centrifucal Counter gravity Casting)
Sau khi kim loại lỏng vào lòng khuôn, cả buồng khuôn đươc quay với tốc độ gần 300 vòng/ phút. Chính nhờ lực quay li tâm đã tác động vào kim loại lỏng cho nên có các ưu điểm là
- Giảm bọt khí, ngăn ngừa khuyết tật liên quan đến co rút .
- Cơ tính đồng đều
- Giảm sự biến dạng các rãnh dẫn khi đông đặc.
- Đúc vật đúc thành mỏng nhờ tăng áp lực điền đầy
- Tăng chu kì do giảm thời gian điền đầy
- Không cần làm đậu ngót to để tăng áp lực lên kim loại lỏng hỗ trợ việc điền đầy
- Nếu bọt khí tồn tại sẽ dồn vào trong ống rót.
SSCV (1994) tương tự SSCLA nhưng thay vì van nằm dưới cùng giữ kim loại lỏng nằm lại thay vì chảy trở lại nồi lò. Do đó SSCV dùng để sản xuất các chi tiết hơn có thể lên tới 200kg ( 450lb) và thành dày tới 153 mm ( 6in), đúc các hợp kim màu như các chi tiết trong tàu vũ trụ.
CLIX (1994) sử dụng cho các hợp kim như titanium aluminide. Trong nồi lò loại hợp kim này trải qua phản ứng toả nhiệt trước khi tan chảy. Người ta dùng đúc golf hoặc là các loại van.
Ngoài ra còn có công nghệ LEVI là công nghệ đúc chính xác ở áp suât thấp được dùng cho các hợp kim của Ti. Kim loại được nấu chảy trong lò cảm ứng tần số cao (high-frequency magnetic induction power ) nhưng được giữ ở trạng thái bán lỏng. Nhờ áp suất chân không kim loại lỏng lập tức được hút vào khuôn và đông đặc trong đó. Do đó sự mất nhiệt rất nhỏ chỉ 1 khoảng thời gian rất nhỏ từ kim loại lỏng đến lúc điền đầy vào hốc khuôn do vậy giảm đáng kể giá thành so với các phương pháp đúc khác
Ưu điểm
1/ Ít tạp chất do kim loại lỏng không tiếp xúc với thành khuôn
2/ Do không tiếp xúc với thành khuôn nên giảm đáng kể quá trình thất thoát nhiệt
3/ Bề mặt nhẵn mịn
4/ Sử dụng áp suất thấp, đúc được các vật đúc mỏng hơn dễ dàng chế tạo golf
Tài liệu tham khảo
1/ http://www.entrepreneur.com/tradejournals/article/20969637.html
2/ http://dsuxgwns.daido.co.jp/english/products/casting/casting_levi.html
3/ http://file.seekpart.com/keywordpdf/2011/3/30/2011330163853904.pdf
4/countergravity casting apparatus – patent number 4932461
5/ countergravity casting apparatus and process for casting thin walled parts --- patent number 4865113
6/http://www.ukintpress-conferences.com/conf/eng03/pres/ihsane/ihsane.pdf
7/ ASM metal handbook volume 15 . pages 696 - 700
[video=youtube;02Gol9Y7S60]http://www.youtube.com/watch?v=02Gol9Y7S60[/video]
[video=youtube;kVglh6WKw5s]http://www.youtube.com/watch?v=kVglh6WKw5s[/video]
[video=youtube;kVglh6WKw5s]http://www.youtube.com/watch?v=kVglh6WKw5s[/video]
Last edited: