Đúc cát – Quy trình, Tính chất của cát, Ưu và nhược điểm

Đúc cát, mặc dù là một kỹ thuật cổ xưa, đã chứng kiến ​​những tiến bộ đáng kể và vẫn rất phù hợp trong thế kỷ 21. Quy trình này, có nguồn gốc từ gần 5.000 năm trước ở Ai Cập cổ đại, đã phát triển đáng kể qua nhiều thế kỷ trong khi vẫn bảo tồn các nguyên tắc cốt lõi của nó.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào quy trình đúc cát hiện đại, xem xét cách thức hoạt động của nó và lý do tại sao nó vẫn là một trong những kỹ thuật đúc kim loại được sử dụng rộng rãi nhất ngay cả hàng nghìn năm sau khi ra đời.

Đúc cát là gì?

Đúc cát, hay đúc khuôn cát, là một quy trình chế tạo kim loại sử dụng khuôn làm từ cát để tạo ra các sản phẩm kim loại. Cát dễ dàng đúc bằng các vật thể thông thường. Sau khi định hình theo ý muốn, kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn. Khi kim loại nguội đi, nó sẽ có hình dạng của khuôn khi đông cứng. Sau đó, sản phẩm kim loại cuối cùng được lấy ra khỏi khuôn cát và trải qua quá trình hoàn thiện trước khi đưa vào sử dụng.

Sử dụng kỹ thuật đúc cát, có thể sản xuất các sản phẩm ở mọi kích thước và mức độ phức tạp. Nó có thể được sử dụng để đúc các vật phẩm nhỏ như chốt hoặc lớn như đầu máy xe lửa. Ngoài ra, nó tương thích với nhiều loại kim loại, bao gồm gang, sắt dễ uốn, thép, hợp kim niken, hợp kim đồng, hợp kim nhôm và hợp kim magiê.

Tính linh hoạt của nó khiến đúc cát trở thành quy trình đúc được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, với hơn 60% tất cả các sản phẩm kim loại đúc được sản xuất bằng phương pháp này.

Tính chất của cát đúc

Mặc dù có nhiều loại cát khác nhau để lựa chọn, nhưng không phải tất cả đều phù hợp với quy trình đúc. Mỗi loại đều có những đặc điểm nhất định có thể phù hợp hoặc không phù hợp với yêu cầu của dự án.

Tùy thuộc vào quy trình đúc và kim loại, cần có sự kết hợp đúng các tính chất trong cát đúc. Để tăng cường độ kết dính, có thể thêm các chất phụ gia và chất kết dính đặc biệt vào hỗn hợp cát, đất sét và nước cơ bản.

Các chất kết dính này, có thể là hữu cơ hoặc vô cơ, bao gồm ngũ cốc, nhựa đường, than biển, gilsonite, dầu nhiên liệu, bột gỗ, bột silica, oxit sắt và perlit cùng nhiều loại khác. Một số chất kết dính này có tác dụng trái ngược nhau nhưng thường cần phải đánh đổi để cân bằng các tính chất cho các ứng dụng đúc cụ thể.

Bốn loại cát phổ biến nhất được sử dụng để đúc là cát xanh, cát khô, natri silicat và cát nhựa:

1. Cát xanh được gọi như vậy vì về cơ bản nó là cát thô trộn với nước. Nó có độ đặc giống như đất sét. Cát xanh là lựa chọn giá rẻ để đúc cát với khả năng tái sử dụng tốt và tương thích với tỷ lệ sản xuất cao. Tuy nhiên, tính dễ uốn kém của nó có thể khiến khuôn bị sụp đổ trong một số trường hợp nhất định. Nó cũng có xu hướng tạo ra các khuyết tật bề mặt.
2. Cát khô là cát đúc sử dụng đất sét và chứa rất ít nước đóng vai trò là chất kết dính. Nó giữ nguyên hình dạng khá tốt sau khi được nén vào đúng vị trí. Một lợi ích của cát khô là nó tạo ra rất ít hơi nước trong giai đoạn đổ đầy, trong trường hợp cát ẩm hơn, điều này có thể dẫn đến nứt khuôn nếu không được kiểm soát.
3. Natri silicat, hay còn gọi là thủy tinh nước, là một loại cát đặc biệt sử dụng chất kết dính natri silicat để tích hợp cát. Natri silicat có thể tạo ra các hình dạng phức tạp hoặc tinh xảo hơn so với cát xanh và khô.
4. Cát nhựa, hay còn gọi là cát Furan, là một loại cát phổ biến khác được sử dụng để đúc cát. Nó sử dụng nhựa furfuryl alcohol để tạo ra một khối kết dính từ cát. Hợp chất bền chắc và có độ ổn định cao này có rất ít khả năng bị phân hủy và cung cấp độ chính xác về kích thước và độ hoàn thiện bề mặt tuyệt vời. Tuy nhiên, đây là loại cát đắt nhất. Nó cũng có thời gian giao hàng dài hơn.

Kỹ sư đúc chọn loại cát dựa trên kim loại, hình dạng sản phẩm và giới hạn dung sai. Nhưng bất kể thông số kỹ thuật nào, họ luôn sàng lọc loại cát theo các đặc tính sau:

Độ chịu lửa

Độ chịu lửa là đặc tính của vật liệu cho phép vật liệu chịu được sốc nhiệt và cháy khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Cát đóng vai trò là vật liệu chịu lửa cho kim loại nóng chảy và do đó cần có điểm nóng chảy cao. Việc lựa chọn cát để đúc phần lớn phụ thuộc vào nhiệt độ của quy trình. Nếu độ chịu lửa không đủ, cát sẽ tan chảy và kết dính vào vật đúc.

Đối với nhiều kim loại, chẳng hạn như nhôm, cát chỉ cần chịu được nhiệt độ 700 độ C. Tuy nhiên, cát để đúc thép cần chịu được ít nhất 1500 độ C vì điểm nóng chảy cao hơn.

Độ thấm

Cát phải thoát hơi nước và các khí khác sinh ra trong quá trình đúc. Mỗi đơn vị nước trong khuôn tạo ra 1600 đơn vị hơi nước.

Nếu khí và hơi nước bị giữ lại, nó có thể gây ra các khuyết tật như lỗ phun và lỗ khí trên sản phẩm cuối cùng. Việc loại bỏ chúng là rất quan trọng để có được lớp hoàn thiện chất lượng tốt. Do đó, độ thấm là một đặc tính quan trọng trong cát để đạt được sản phẩm hoàn thiện chất lượng cao.

Các đặc tính của cát đúc chịu ảnh hưởng của kích thước và sự phân bố hạt: các hạt nhỏ làm tăng độ bền của khuôn nhưng làm giảm độ thấm, trong khi các hạt lớn hơn làm tăng độ thấm. Các hạt mịn tạo ra bề mặt hoàn thiện nhẵn trên vật đúc nhưng có độ thấm thấp, trong khi các hạt thô cung cấp độ thấm cao hơn nhưng bề mặt thô hơn.

Độ dẫn nhiệt cao

Độ dẫn nhiệt là đặc tính của vật liệu cho phép nhiệt truyền qua. Dòng nhiệt hiệu quả dẫn đến kim loại nóng chảy nguội nhanh hơn. Cát có độ dẫn nhiệt cao là cần thiết để truyền nhiệt từ kim loại nóng chảy ra khí quyển.

Độ giãn nở nhiệt thấp

Độ giãn nở nhiệt là sự tăng hoặc giảm thể tích của vật liệu khi nhiệt được thêm vào hoặc loại bỏ. Đối với quy trình đúc cát, cần có cát có độ giãn nở nhiệt rất thấp. Loại cát này sẽ giữ nguyên hình dạng trong các giai đoạn khác nhau của quy trình đúc cát, bao gồm cả việc đổ kim loại lỏng và làm nguội sau đó.

Độ chảy

Khả năng chảy của cát vào các khu vực nhỏ hơn, chẳng hạn như các lỗ rỗng, chỗ trũng và các rãnh sâu của hoa văn, quyết định xem chúng ta có thể sử dụng cát để đúc các hình dạng phức tạp hay không. Cát có độ chảy cao hơn sẽ lấp đầy tất cả các đặc điểm của hoa văn mà không cần áp suất bên ngoài.

Cát có độ chảy cao không cần thiết cho các hình dạng đơn giản, chẳng hạn như nắp hố ga, nhưng có thể cần thiết cho một thứ phức tạp hơn như tác phẩm điêu khắc. Do đó, mức độ chảy cần thiết có thể được xác định theo từng trường hợp cụ thể.

Chi phí

Chi phí cũng có thể thay đổi đáng kể tùy theo từng loại cát. Ví dụ, cát silic có tính khả dụng cao nhưng cũng có các vấn đề như không ổn định về kích thước và có xu hướng cháy hoặc thậm chí phát nổ để tạo thành các hạt có kích thước dưới micron khi bị sốc nhiệt. Bệnh bụi phổi silic cũng là một vấn đề cực kỳ đáng lo ngại đối với những công nhân tiếp xúc với silic trong thời gian dài. Mặt khác, cát olivin và cromit đắt hơn và ít khả dụng hơn nhưng không có các vấn đề đã đề cập ở trên.

Quá trình đúc cát

Quá trình đúc cát rất đơn giản đối với các sản phẩm đơn giản. Một khoang có hình dạng mong muốn được tạo ra và kim loại nóng chảy được đổ vào đó thông qua một kênh thẳng đứng. Khi kim loại đông lại, nó được chiết xuất bằng cách loại bỏ cát khuôn xung quanh.

Tuy nhiên, với các hình dạng phức tạp, các khía cạnh như cách đổ đầy khuôn, loại bỏ kim loại thừa, đạt được bề mặt hoàn thiện chất lượng cao và đảm bảo nhiệt độ và tốc độ tối ưu của kim loại nóng chảy để đổ đầy đồng đều phải được cân nhắc cẩn thận.

Hãy cùng khám phá chi tiết hơn về quy trình đúc cát thông thường:

Bước 1: Tạo khuôn

Khuôn được tạo ra bằng cách sử dụng một mẫu, là bản sao của sản phẩm mong muốn. Mẫu có thể được làm từ vật liệu hoặc quy trình khác, chẳng hạn như gia công hoặc sản xuất bồi đắp, nhưng có cùng hình dạng và kích thước với sản phẩm cuối cùng. Có thể tạo nhiều khuôn bằng cách sử dụng một mẫu duy nhất.

Mẫu được tách thành hai phần dọc theo đường tâm của hình dạng. Sau đó, mỗi nửa được đặt trong các hộp cát riêng biệt và hỗn hợp cát được đóng gói xung quanh chúng để tạo ra các ấn tượng về các mẫu trên cát.

Sau khi các mẫu được lấy ra khỏi cát, hai hộp cát được đặt chồng lên nhau, cố định chúng để tạo thành khuôn hoàn chỉnh. Nửa trên và nửa dưới được gọi tương ứng là cope và drag. Khoang khuôn được tạo ra theo cách này có hình dạng âm của sản phẩm. Ví dụ, phần nhô ra trên sản phẩm cuối cùng xuất hiện dưới dạng vết lõm trên khuôn.

Bước 2: Tạo hệ thống gating

Hệ thống gating cung cấp một đường dẫn cho kim loại nóng chảy chảy vào khoang. Một hệ thống được thiết kế tốt có thể rất quan trọng đối với chất lượng của sản phẩm. Một hệ thống gating hiệu quả là hệ thống đơn giản, hiệu quả và giảm thiểu nhiễu loạn. Hệ thống này cũng giữ lại bất kỳ khí hoặc xỉ nào có trong kim loại nóng chảy.

Các thành phần chính của hệ thống gating cần được thiết kế cẩn thận bao gồm:

• Bể rót và ống rót – Bể rót đóng vai trò là điểm vào hình phễu cho kim loại nóng chảy. Kim loại chảy vào ống rót từ bể rót, di chuyển theo trọng lực hướng về khoang.
• Ống dẫn – Ống dẫn là các kênh nằm ngang để kim loại nóng chảy tiếp cận khoang khuôn từ ống rót.
• Cổng – Cổng là điểm vào của khoang khuôn, đảm bảo kim loại nóng chảy chảy trơn tru vào khoang khuôn, duy trì áp suất và ngăn ngừa hiện tượng chảy tràn. Chúng cũng giúp hạn chế xỉ xâm nhập vào khoang khuôn.
• Ống đứng – Để chống lại sự co ngót khi kim loại nguội, ống đứng đóng vai trò là bể chứa trong hệ thống cổng, lưu trữ thêm kim loại nóng chảy. Khi kim loại bắt đầu co lại, ống đứng cung cấp thêm vật liệu cho khoang, ngăn ngừa tình trạng thiếu kim loại.
• Lõi – Khi sản phẩm cần có phần rỗng hoặc khoang, một miếng chèn cát rắn gọi là lõi được đặt bên trong khuôn để tạo thành khoang mong muốn. Kim loại nóng chảy lấp đầy xung quanh lõi, tạo ra khoang trong quá trình đúc cát cuối cùng. Các vòng tròn giữ lõi cố định trong quá trình đúc cát.

Bước 3: Đổ kim loại nóng chảy

Kim loại nóng chảy được đổ từ trên xuống khoang. Lượng kim loại sử dụng hơi vượt quá lượng kim loại của sản phẩm để đảm bảo rằng một số vật liệu dư thừa được lưu trữ trong các ống đứng.

Bước 4: Làm đông đặc thành đúc

Sau khi khoang khuôn được lấp đầy, vật đúc được để nguội. Có thể áp dụng làm nguội tự nhiên hoặc cưỡng bức tùy thuộc vào kim loại và quy trình. Làm nguội đúng cách là điều cần thiết để đạt được các đặc tính mong muốn và duy trì độ chính xác về kích thước trong sản phẩm cuối cùng.

Bước 5: Shakeout và thu hồi cát

Shakeout là quá trình loại bỏ các vật đúc cát khỏi khuôn. Cát được lắc và dịch chuyển để tách vật đúc đã đông đặc, sau đó được gửi đi để hoàn thiện cuối cùng, trong khi quá trình thu hồi cát bắt đầu.

Vì không thể thu hồi toàn bộ cát, nên một số cát cũ được thay thế bằng cát mới cho các quy trình đúc cát trong tương lai. Để khôi phục các đặc tính của cát để tái sử dụng, có thể áp dụng các phương pháp xử lý cơ học, hóa học và nhiệt, cùng với việc điều chỉnh thành phần của cát bằng cách bù đắp độ ẩm và chất phụ gia đã mất.

Ưu điểm của đúc cát

Mặc dù có nhiều công nghệ tiên tiến phát triển trong những thập kỷ gần đây, đúc cát vẫn là một trong những quy trình chế tạo kim loại phổ biến nhất. Những ưu điểm độc đáo của nó khiến nó trở nên không thể thiếu trong bối cảnh sản xuất hiện đại. Ngày nay, đúc cát thường được tự động hóa, nâng cao khả năng thích ứng và hiệu quả để đáp ứng nhu cầu của môi trường sản xuất đương đại. Sau đây là một số ưu điểm chính khiến đúc cát trở thành một quy trình có giá trị như vậy.

Phù hợp với mọi loại hình sản xuất

Đúc cát tương thích với nhiều thiết lập sản xuất khác nhau, cho phép sản xuất từng mảnh, từng mẻ hoặc hàng loạt. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ô tô, quốc phòng, nông nghiệp, khai thác mỏ, xây dựng, chăm sóc sức khỏe và năng lượng tái tạo.

Trong ngành công nghiệp ô tô, đúc cát được sử dụng để phát triển nguyên mẫu, khối động cơ, đầu xi lanh và nhiều bộ phận động cơ IC khác nhau. Ứng dụng của nó cũng đã mở rộng sang sản xuất EV, nơi đúc cát được sử dụng để sản xuất các thành phần cấu trúc, vỏ động cơ, vỏ pin, v.v.

Hầu như không có giới hạn nào về kích thước. Các sản phẩm có khối lượng từ vài gam đến vài tấn có thể được đúc với độ chính xác về mặt toán học.

Tiết kiệm chi phí

Một trong những yếu tố chính thúc đẩy nhiều ngành áp dụng công nghệ đúc cát là chi phí. Đúc cát tiết kiệm chi phí hơn đáng kể so với các quy trình đúc khác. Cát có thể được tái sử dụng cho các lần đúc trong tương lai với quy trình xử lý tối thiểu.

Tự động hóa trong sản xuất khối lượng lớn cũng giúp giảm chi phí cho mỗi sản phẩm trong khi vẫn đảm bảo chất lượng đồng nhất và đáng tin cậy. Đúc cát cũng có chi phí gia công thấp so với các phương pháp đúc khác.

Phù hợp với mọi kim loại

Đúc cát có thể sử dụng với hầu hết mọi hợp kim kim loại đen hoặc kim loại màu. Ví dụ như vàng, sắt, chì và titan. Yêu cầu duy nhất là kim loại phải nóng chảy và chảy thành kim loại lỏng vào khuôn. Tính linh hoạt này cho phép các xưởng đúc làm việc với nhiều loại kim loại mà không cần phải sửa đổi đáng kể quy trình hoặc thiết bị.

Quy trình nhanh

Mặc dù các quy trình như đúc ly tâm có thể hiệu quả hơn đối với các hình dạng cụ thể, nhưng đúc cát cung cấp thời gian quay vòng nhanh cho cả ứng dụng tạo mẫu và ứng dụng quy mô lớn.

Hạn chế của đúc cát

Tất cả các quy trình sản xuất đều liên quan đến sự đánh đổi. Tuy nhiên, trong trường hợp đúc cát, những sự đánh đổi này là rất nhỏ so với những lợi ích. Hãy cùng xem xét một số hạn chế đó:

Bề mặt hoàn thiện kém

Chất lượng cát kém và sai lệch trong quy trình đôi khi có thể dẫn đến bề mặt hoàn thiện kém trong đúc cát. Bất kỳ sự cố nào trong khuôn cát đều có thể dẫn đến bề mặt thô ráp. Đối với các sản phẩm cần bề mặt hoàn thiện chất lượng cao mà không cần xử lý hậu kỳ nhiều, đúc khuôn và đúc mẫu chảy thường được ưa chuộng, nhưng đúc cát cũng có thể tạo ra bề mặt hoàn thiện tinh tế với cát và quy trình phù hợp.

Sử dụng cát mịn chất lượng cao mang lại bề mặt hoàn thiện tốt hơn nhiều, nhưng nó làm tăng chi phí của quy trình. Nén hoặc đóng gói đúng cách các hạt cát cũng giúp cải thiện bề mặt hoàn thiện. Để khắc phục các khuyết tật bề mặt như bề mặt quá thô, đúc cát thường trải qua các hoạt động gia công như tiện, mài và phun bi.

Kiểm soát lỏng lẻo tốc độ làm mát

Trong khi tốc độ làm mát có thể được kiểm soát hiệu quả hơn trong nhiều quy trình chế tạo kim loại, thì không thể nói như vậy đối với đúc cát. Cát, là chất cách điện, làm trầm trọng thêm những thách thức liên quan đến giai đoạn làm mát. Giai đoạn làm mát kéo dài đáng kể trong đúc cát, ảnh hưởng đến thời gian hoàn thành và tốc độ sản xuất.

Một số biến thể trong tính dị hướng của cấu trúc vi mô có thể xảy ra do tốc độ làm mát khác nhau. Tính dị hướng đề cập đến những thay đổi về tính chất cơ học do sự thay đổi trong hướng hạt của vật liệu.

Tạo khoang bên trong có thể khó khăn

Phương pháp đúc cát đòi hỏi phải đặt lõi vào khoang khuôn để tạo khoang bên trong. Ví dụ, khi sản xuất khối động cơ, cần tạo khoang rỗng cho xi lanh động cơ trong quá trình đúc.

Việc tạo khoang, lỗ hoặc khoảng trống bên trong khoang khuôn là một thách thức vì chúng phải được định vị chính xác và được hỗ trợ đầy đủ để chịu được quá trình đúc. Các khoang này càng phức tạp thì càng cần phải vượt qua nhiều thách thức hơn.

Cần có lao động lành nghề nếu quy trình không được tự động hóa

Quy trình tự động có thể tốn kém. Tuy nhiên, nếu không có tự động hóa, quy trình này phụ thuộc vào các chuyên gia đúc cát lành nghề để chế tạo mẫu, khuôn và giám sát quy trình để đảm bảo sản phẩm chất lượng cao. Nếu không có lao động lành nghề, kết quả có thể giảm đáng kể so với tiêu chuẩn chấp nhận được, dẫn đến tổn thất về danh tiếng và vật chất.

Xử lý cát có thể là một thách thức

Các xưởng đúc tái chế cát đúc càng nhiều càng tốt, nhưng sau một số chu kỳ nhất định, cát đúc không còn phù hợp để tái sử dụng nữa. Tuy nhiên, cát thải từ các xưởng đúc là chất gây ô nhiễm có hại có thể dẫn đến các vấn đề về môi trường.

Xây dựng là một trong những lĩnh vực mà cát thải từ các xưởng đúc hiện đang được chuyển hướng để xử lý. Cát thải được sử dụng làm vật liệu thay thế cho cốt liệu mịn (cát) trong bê tông. Thực hành này không chỉ giải quyết vấn đề xử lý cát mà còn giảm chi phí và lượng khí thải carbon liên quan đến sản xuất bê tông.

Nhưng ngoài ra, hầu hết cát thải từ các xưởng đúc đều được đưa vào bãi chôn lấp, điều này chắc chắn không lý tưởng. Các lựa chọn để tái chế cát đúc bị hạn chế.

Kết luận

Mặc dù đúc cát truyền thống là một quy trình cổ xưa, nhưng nó đã trải qua những cải tiến đáng kể, khiến nó trở nên rất phù hợp và hữu ích trong bối cảnh sản xuất ngày nay. Sự phổ biến của nó một phần là do tính linh hoạt của nó trên nhiều loại kim loại và kích thước sản phẩm khác nhau, và một phần là do hiệu quả về chi phí so với các quy trình đúc khác.

Những đổi mới liên tục trong khoa học vật liệu và tự động hóa quy trình càng mở rộng tầm quan trọng của đúc cát trong các ngành công nghiệp từ ô tô đến xây dựng. Khi các ngành công nghiệp phát triển, đúc cát sẽ tiếp tục định hình bối cảnh công nghiệp, kết hợp truyền thống và đổi mới trong các kỹ thuật gia công kim loại.

Tìm thiết bị, vật tư đánh bóng ở đâu uy tín, chất lượng

Hiện nay thiết bị, vật tư đánh bóng được phân phối với nhiều nhà sản xuất và giá cả khác nhau. Nếu bạn cần tìm mua cho mình thiết bị, vật tư đánh bóng hãy liên hệ với chúng tôi theo thông tin bên dưới để nhận được ưu đãi tốt nhất cũng như được tư vấn bởi những kỹ sư đánh bóng của chúng tôi:

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống

Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam

Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797

Di động: 0906 988 447

Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Giải thích về phun cát – Định nghĩa, quy trình và nhiều hơn nữa