Tài liệu Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước (tt)

1 LỜI MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Khuôn gốm thường được dùng để đúc những vật đúc có hình dạng phức tạp, cần độ chính xác cao, giảm thiểu tối đa gia lượng công cơ tiếp theo. Trên thế giới, phương pháp đúc sử dụng khuôn gốm đã và đang được nghiên cứu với mục đích tạo ra các vật đúc có độ chính xác cao về hình dạng và kích thước nhằm tiết kiệm vật liệu, giảm gia công cơ khí, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Nhìn chung, công nghệ khuôn gốm đúc chính xác chưa nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước cũng như các nhà máy sản xuất. Bởi vì nền công nghiệp chế tạo ô tô, hàng không vũ trụ, công nghiệp năng lượng... chưa được phát triển ở nước ta trước đây. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển chung trên thế giới, nền công nghiệp chế tạo ở Việt Nam đang có những bước chuyển mình mạnh mẽ. Các công ty sản xuất ô tô và xe máy hàng đầu thế giới đã có ở Việt Nam như: Toyota, Ford, Honda, Piagio, Yamaha.... có nhu cầu về các sản phẩm đúc chính xác ngày càng cao trong công nghiệp lẫn đời sống xã hội. Công nghệ khuôn gốm đúc đã được ứng dụng song chưa đáp ứng về chất lượng, nên vẫn chưa phát triển rộng rãi, cũng như chưa đáp ứng được đòi hỏi chất lượng sản phẩm của xã hội. Chính vì vậy việc nghiên cứu công nghệ đúc khuôn gốm sẽ có ý nghĩa không chỉ trong khoa học tạo vật liệu mới thay thế mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao. Mục đích của luận án: Từ những phân tích khoa học trên, đã chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu khuôn gốm trên cơ sở vật liệu trong nước”. Luận án đã tập trung vào việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của khuôn gốm theo phương pháp khuôn khối một lớp (khuôn shaw một lớp), với mục đích cụ thể là cải thiện độ xốp, độ bền cho khuôn gốm, giảm thiểu khả năng nứt khuôn sau khi thoát sáp và sau nung Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Luận án đã sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun lớn hơn 3,3 nhằm giảm khả năng hút ẩm, tăng độ xốp và giảm thiểu khả năng nứt khuôn sau nung. Luận án đã sử dụng kết hợp 2 loại bột chịu lửa là ziếc côn và thạch anh để tăng độ ổn định nhiệt cho vật liệu chịu lửa, giảm khả năng nứt khuôn do sự giãn nở nhiệt gây ra. Sự giãn nở nhiệt của khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng trong quá trình nung khuôn cũng được nghiên cứu trong luận án, thông qua xác định hệ số giãn nở nhiệt của khuôn. Nước mật mía đã được ứng dụng nhiều trong công nghệ khuôn dùng trong đúc, tuy nhiên trong công nghệ khuôn gốm thì việc ứng dụng nước 2 mật mía như là một chất phụ nhằm cải thiện tính công nghệ của khuôn gốm là chưa có. Luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất của khuôn gốm. Phƣơng pháp nghiên cứu: Để hoàn thành mục đích nghiên cứu, luận án đã sử dụng phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát của từng yếu tố) và phương pháp quy hoạch thực nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tác động). Sử dụng các trang thiết bị phân tích kiểm định mẫu thí nghiệm hiện đại như: hiển vi điện tử quét, hiển vi quang học, nhiễu xạ rơn ghen, máy đo độ giãn nở nhiệt TMA, máy đo độ bền vạn năng MTS, đo trường nhiệt độ bằng máy ghi nhiệt tự động... Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: Bằng nghiên cứu thực nghiệm về sự thay đổi của mô đun thủy tinh lỏng (Mt.t.l = 3 ÷ 5), nhiệt độ nung (T = 850 ÷ 1000oC) đã xác định quy luật giảm độ bền uốn (σu), độ bền nén (σn), độ co (dΦ) và tỷ trọng của khuôn gốm (ρk), còn độ xốp của nó (γk) tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng của Mt.t.l và giảm khi nhiệt độ nung tăng. Độ bền, độ co, độ xốp và tỷ trọng của khuôn gốm tăng theo chiều tăng của hàm lượng bột ZrSiO4 có trong hỗn hợp bột chịu lửa. Khi tỷ trọng của thủy tinh lỏng tăng thì độ xốp của khuôn gốm giảm, còn độ bền và độ co của nó tăng. Độ bền của khuôn gốm đạt giá trị cao nhất khi hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng bằng 24 – 25% khối lượng bột chịu lửa và hàm lượng mật mía bằng 3% khối lượng chất dính. Nước mật mía đưa thêm vào không ảnh hưởng nhiều tới độ xốp (độ thông khí) của khuôn gốm. Hơn nữa, luận án đã xây dựng các mô hình toán học thực nghiệm với hàm mục tiêu đã chọn phụ thuộc vào các thông số khảo sát của luận án ở dạng mô hình tuyến tính. Luận án đã áp dụng kết quả nghiên cứu để đúc thử nghiệm một loại sản phẩm đúc điển hình theo bản vẽ thiết kế của công ty Monarch Industries Limited (USA) đạt yêu cầu kỹ thuật về kích thước hình học và độ nhám bề mặt đạt 2,54 – 3,05µm. Đóng góp mới của luận án: Luận án cũng đã nghiên cứu sự giãn nở nhiệt của khuôn gốm với tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 = 0,3; 0,6 và 0,7; phụ thuộc vào nhiệt độ nung. Trong khoảng nhiệt độ nung có hai sự chuyển pha ở 117oC và 573oC, ở khoảng nhiệt độ có sự chuyển pha, tốc độ nâng nhiệt nên để bằng 0 trong một khoảng thời gian nhất định (khoảng 30 phút) để quá trình chuyển pha diễn ra hoàn toàn, như vậy sẽ giảm khả năng nứt khuôn tới mức cao nhất có thể. Nhiệt độ nung khuôn phù hợp là 950oC, với tốc độ nâng nhiệt khoảng 5oC/phút. Hàm lượng thạch anh trong hỗn 3 hợp càng tăng thì sự thay đổi kích thước của khuôn gốm khi nung càng lớn và làm tăng khả năng nứt khuôn. Bên cạnh đó sự giãn nở của khuôn gốm càng lớn cũng sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của kích thước vật đúc. Hơn nữa qua việc phân tích tổ chức màng chất dính bao gồm gel silisic và silicát natri, thủy tinh lỏng mô đun càng cao thì thời gian tạo gel càng ngắn và kích thước các hạt silicate natri càng to. Đây là nguyên nhân chính làm giảm độ bền và tăng độ xốp của hỗn hợp khuôn sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao. Luận án được chia làm 4 chương chính và kết luận chung luận án như sau: - Chương 1: Tổng quan về công nghệ khuôn gốm: Chương này tập trung phân tích tình hình nghiên cứu về công nghệ khuôn gốm trên thế giới và ở Việt Nam từ đó xác định được mục đích nghiên cứu của luận án - Chương 2: Đặc tính của vật liệu chế tạo khuôn gốm: Chương này phân tích cơ sở lý thuyết về vật liệu chế tạo khuôn gốm từ đó xác định được phạm vi nghiên cứu của luận án - Chương 3: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Chương này trình bày kết quả phân tích đối tượng nghiên cứu, từ đó lựa chọn ra được thiết bị và phương pháp nghiên cứu phù hợp. Cách thức chế tạo mẫu thí nghiệm và kiểm tra, đánh giá mẫu thí nghiệm - Chương 4: Kết quả và thảo luận: Chương này trình bày kết quả nghiên cứu của luận án và những phân tích đánh giá về kết quả của luận án - Kết luận chung luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHUÔN GỐM 1.1. Tình hình công nghệ khuôn gốm trên thế giới Chất dính dùng trong khuôn khối phổ biến là keo silic và ethyl silicát. Ngoài ra còn có chất dính thủy tinh lỏng, chất lượng khuôn sử dụng chất dính này không cao so với hai loại chất dính trên nên hiện nay ít được sử dụng trên thế giới. Trong thời gần đây, thế giới đang có xu thế thay thế chất dính hòa tan trong cồn bằng chất dính hòa tan trong nước ở công nghệ khuôn khối, đại diện tiêu biểu cho chất dính tan trong nước là keo silic. Tuy nhiên vì là chất dính dựa trên cơ sở nước nên có nhược điểm chính là thời gian đóng rắn dài. Chính điều này làm giảm khả năng ứng dụng của keo silic trong công nghệ khuôn gốm ngày nay vì nó sẽ làm tăng thời gian làm khuôn gốm. Ngoài ra, keo silic sử dụng trong công nghệ khuôn khối có độ bền tươi khá thấp và thường xuyên bị nứt trước và sau nung. Để giải 4 quyết vấn đề này, Ming Zeng và cộng sự đã ứng dụng công nghệ đóng rắn trong môi trường chân không cho khuôn khối một lớp sử dụng chất dính keo silic. Đặc biệt việc kết hợp nhiều loại chất dính với nhau để cải thiện các tính chất của khuôn như giảm tương tác hóa học giữa khuôn và kim loại với mục đích tăng chất lượng bề mặt khuôn cũng đã được các nhà nghiên cứu quan tâm. H. Saridikmen và N. Kuskonmaz đã nghiên cứu thành công việc sử dụng kết hợp 2 loại chất dính ethyl silicát và aluminum tri-sec-butoxide dùng trong công nghệ khuôn khối để đúc thép không gỉ. Các loại hạt chịu lửa phổ biến hiện nay là: ziếc côn, ôxit nhôm, alumino silicát, mullít và thạch anh nóng chảy... Kích thước hạt chịu lửa thường được sử dụng trong khoảng từ 50 μm đến 200 μm để đảm bảo chất lượng bề mặt của vật đúc và độ bền của khuôn trong suốt quá trình chế tạo. Nghiên cứu của F. Jorge Lino, T. Pereira Duarte về việc phối hợp nhiều loại vật liệu chịu lửa và kích thước khác nhau đã cho kết quả tốt về độ co, độ xốp và cơ tính của khuôn gốm. Để giảm thời gian chế tạo khuôn, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã sử dụng nhiều loại chất tạo gel khác nhau để tăng tốc độ tạo gel và giảm thời gian đóng rắn khuôn khối. Chất tạo gel dựa trên cơ sở muối amôni là được dùng phổ biến hơn cả, F. Jorge Lino và T. Pereira Duarte đã sử dụng NH4Cl và Jiaren Jiang và Xing Yang Liu sử dụng (NH4)2CO2 làm chất tạo gel cho khuôn khối sử dụng chất dính ethyl silicát còn Ming Zeng dùng NH4Cl cho khuôn khối sử dụng chất dính keo silic, lượng dùng chất tạo gel là 10% khối lượng chất dính. Tóm lại, hướng nghiên cứu chính hiện nay trong công nghệ khuôn khối vẫn là tập trung vào việc nghiên cứu để giảm thời gian chế tạo khuôn, nâng cao độ bền khuôn để giảm khuyết tật và giảm tối thiểu phản ứng giữa kim loại đúc và khuôn khối để nâng cao chất lượng bề mặt vật đúc hơn nữa. 1.2. Tình hình công nghệ khuôn gốm ở Việt Nam Ở Việt Nam hiện nay, khuôn gốm đúc chủ yếu là được làm theo công nghệ khuôn vỏ gốm sử dụng vật liệu chịu lửa là bột thạch anh có kích thước hạt khoảng 100µm, chất dính là thủy tinh lỏng có mô đun lớn nhất bằng 3 và chất tạo gel là NH4Cl. Việc sử dụng hỗn hợp làm khuôn này có ưu điểm là rẻ tiền và sẵn có ở Việt Nam. Tuy nhiên khuôn vỏ gốm hay bị nứt sau nung, độ thông khí thấp, độ co lớn, vật liệu khuôn dễ cháy dính vào bề mặt vật đúc thép (bảng 1.5). Đặc biệt, khuôn gốm có khả năng hút ẩm rất lớn do sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun thấp nên trong quá trình chế tạo khuôn phải nhanh, không lưu trữ khuôn lâu ngày được. Để cải 5 thiện chất lượng của khuôn vỏ, các nhà nghiên cứu trong nước đã nghiên cứu theo hướng tăng mô đun của thủy tinh lỏng bằng cách sử dụng NH4Cl. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chỉ tăng được mô đun lên tới 3,3. Các tính chất của khuôn vỏ gốm sau khi nâng mô đun tới 3,3 không được cải thiện nhiều so với thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3 hoặc nhỏ hơn một chút. Chính vì vậy nên thời gian gần đây, một số công ty đúc sử dụng khuôn gốm đã chuyển sang sử dụng các loại chất dính cao cấp như ethyl silicát, keo silic. Bảng 1.5: Cơ lý tính của hỗn hợp khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 3, tỷ trọng 1,33 và cát thạch anh, nung ở 950oC Độ bền nén (MPa) Độ bền uốn (MPa) Độ xốp (%) Độ co (%) 5,7 2,5 25 2,7 1.3. Mục đích nghiên cứu Đề tài luận án sẽ tập trung vào việc nghiên cứu nâng cao chất lượng của khuôn gốm theo phương pháp khuôn khối một lớp, sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô đun lớn hơn 3,3 nhằm giảm khả năng hút ẩm, tăng độ xốp và giảm thiểu khả năng nứt khuôn sau nung. Sử dụng kết hợp 2 loại bột chịu lửa là ziếc côn và thạch anh để tăng độ ổn định nhiệt cho vật liệu chịu lửa, giảm khả năng nứt khuôn do sự giãn nở nhiệt gây ra và tăng độ bền cho khuôn khối. Đặc biệt, luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất của khuôn gốm. CHƢƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM 2.1. Chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc Trình bày tính chất hóa lý, cấu trúc, giản đồ trạng thái 2 pha và 3 pha của thủy tinh lỏng. Đặc biệt quá trình polyme hóa của thủy tinh lỏng và các yếu tố ảnh hưởng được nghiên cứu và phân tích để từ đó xác định cơ chế đóng rắn của thủy chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc. Bên cạnh đó, vai trò của độ ẩm ảnh hưởng tới độ bền của khuôn ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng cũng đã được nghiên cứu và phân tích từ đó xác định được khả năng hút ẩm của chất dính thủy tinh lỏng giảm đi khi mô đun của nó tăng. 6 2.2. Keo silic dùng trong ngành đúc Trình bày cơ chế đóng rắn của chất dính keo silic dùng trong công nghệ khuôn gốm, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng khuôn như cơ và lý tính của khuôn gốm cũng đã được nghiên cứu và phân tích. Để keo silic có thể thay thế ethyl silicát được tốt hơn trong công nghệ khuôn gốm thì cần phải giảm thời gian tạo gel hơn nữa, bên cạnh đó cũng cần giảm số lượng các vết nứt trên bề mặt khuôn gốm. Có như vậy thì việc ứng dụng keo silic trong ngành đúc sẽ nhiều hơn nữa. 2.3. Thủy tinh lỏng mô đun cao và nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic Trình bày nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic để chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao. Về cơ bản, phương pháp chế tạo này dựa theo một phát minh của Mỹ. Phương pháp này có thể nâng mô đun thủy tinh lỏng lên tới 10, tuy nhiên phổ biến sử dụng để nâng mô đun thủy tinh lỏng trong khoảng từ 4 – 6 do nâng mô đun càng cao thì lượng keo silic bổ sung vào càng nhiều và như vậy làm tăng giá thành cho thủy tinh lỏng mô đun cao, hiện nay phương pháp này đang được áp dụng khá phổ biến trên thế giới. Đặc biệt cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao cũng đã được phân tích, các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền cũng đã được nghiên cứu và đánh giá. Chất dính thủy tinh lỏng có mô đun thấp tạo lên lớp màng trơn mịn trên bề mặt hạt cát và không bị nứt khi được làm khô. Tuy nhiên với chất dính thủy tinh lỏng có mô đun cao thì lớp màng bao quanh hạt cát sẽ xuất hiện vết nứt khi làm khô, điều này sẽ làm giảm độ bền của khuôn và ruột. Nếu dùng thủy tinh lỏng có mô đun từ 3,5 đến 10 trước khi nó tạo gel thì hiệu quả sử dụng tương tự như sử dụng chất dính keo silica. 2.4. Cơ chế hình thành độ bền của khuôn khối một lớp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao Trong khuôn khối, sự hình thành độ bền được chia làm 2 giai đoạn. Giai đoạn hình thành độ bền trước nung (hay còn gọi là độ bền tươi) và giai đoạn hình thành độ bền khi nung. Ở giai đoạn hình thành độ bền tươi, khuôn có thể được đóng rắn bằng sự thay đổi pH hoặc bằng sự khử nước vật lý hoặc bằng sự kết hợp của cả 2 cơ chế trên nhằm giảm thời gian chế tạo khuôn. Trong đó, chất tạo gel được sử dụng trước nhằm tạo độ bền ban đầu cần thiết cho khuôn và quá trình sấy mất nước sẽ tạo cho khuôn đạt độ bền tươi cao nhất. Còn quá trình nung khuôn sẽ tạo ra độ bền liên kết và độ 7 ổn định ở nhiệt độ cao cho khuôn khối. Các nghiên cứu của luận án cũng sẽ sử dụng phương án đóng rắn kết hợp để chế tạo mẫu thí nghiệm và chế tạo khuôn khối một lớp. 2.5. Vật liệu chịu lửa và chất phụ Trình bày ảnh hưởng các tính chất lý hóa của vật liệu chịu lửa sử dụng trong nghiên cứu là ZrSiO4 và SiO2. Đặc biệt sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới SiO2 và ZrSiO4 đã được nghiên cứu và đánh giá. Từ đó xác định được vật liệu làm khuôn khối trên cơ sở hỗn hợp của thạch anh và ziếc côn chính là sự chuyển biến thù hình của thạch anh. Sự chuyển biến thù hình của thạch anh ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng khuôn khối đúc, chuyển biến thù hình ở thạch anh kéo theo sự thay đổi thể tích của nó. Khi sự giãn nở này vượt quá giới hạn cho phép thì nó sẽ gây ra nứt khuôn và làm giảm độ bền của khuôn khối. Trong điều kiện hiện nay ở nước ta, các sản phẩm từ mía đường (đường tinh luyện và mật mía) là khá phổ biến và có giá thành rẻ, chất phụ này có tính dẻo cao (có cấu trúc mạch thẳng) có thể bổ trợ cho tính cứng và ròn của chất dính thủy tinh lỏng (đặc biệt là thủy tinh lỏng mô đun cao) nên có thể cải thiện độ bền cho hỗn hợp khuôn khối. Đặc biệt, các sản phẩm từ mía đường có khả năng hòa tan rất tốt trong môi trường nước nên chúng có khả năng hòa tan vào thủy tinh lỏng. Hơn nữa, đây là chất phụ hữu cơ nên chúng dễ dàng bị phân hủy sau khi nung khuôn mà không để lại những “tạp chất” gây hại cho khuôn khối. Do vậy, luận án sẽ sử dụng nước mật mía như một chất dính phụ nhằm cải thiện độ bền cho khuôn khối một lớp. 2.6. Thông số nhiệt lý và hệ số giãn nở nhiệt Trình bày vai trò và ảnh hưởng của các thông số nhiệt lý của vật liệu làm khuôn tới chất lượng vật đúc, phương pháp xác định các thông số nhiệt lý cơ bản như hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt bằng thực nghiệm và mô phỏng. Bên cạnh đó, lý thuyết về hệ số giãn nở nhiệt cũng được nghiên cứu để xác định được phương pháp tính toán hệ số giãn nở nhiệt thông qua kết quả đo trên máy Phân tích cơ nhiệt. CHƢƠNG 3: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Trình bày các đối tượng nghiên cứu của luận án sử dụng làm nguyên vật liệu đầu vào cho nghiên cứu là: bột ziếc côn, bột thạch anh, chất dính thủy tinh lỏng, keo silic, nước mật mía, chất tạo gel NH4Cl. Kết quả phân tích thành phần, độ hạt của vật liệu đầu vào cho nghiên cứu. 8 3.2. Thiết bị và phƣơng pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát của từng yếu tố) và phương pháp quy hoạch thực nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tác động). Các thiết bị cần thiết cho nghiên cứu như: lò nung có hệ thống kiểm soát nhiệt độ, phân tích tổ chức và thành phần bằng máy SEM, XRD, EDS, hiển vi quang học, phân tích giãn nở nhiệt bằng máy TMA (DIL 402PC – Netzsch, Đức). Đánh giá cơ tính bằng máy đo cơ tính vạn năng MTS - 793 của Mỹ. Đo trường nhiệt độ bằng máy đo nhiệt độ tự động Omega của Mỹ, cùng thời điểm có thể đo được 8 can nhiệt. 3.3. Mô hình thực nghiệm 3.3.1. Chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao Quá trình chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao được thực hiện theo sơ đồ thực nghiệm ở hình 3.10 Hình 3.10: Sơ đồ thực nghiệm chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao 3.3.2. Chế tạo mẫu khuôn gốm Quy trình chế tạo chung của mẫu khuôn gốm như sau: hỗn hợp bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 được trộn đều với chất tạo gel NH4Cl 25% (chiếm 10% khối lượng chất dính) trong vòng khoảng 2 – 3 phút. Sau đó hỗn hợp sẽ được trộn đều với chất dính thủy tinh lỏng trong vòng 2 – 3 phút. Trộn xong, hỗn hợp được đổ vào khuôn mẫu dạng trụ và khuôn mẫu dạng thanh, sau khoảng 30 phút để phản ứng tạo gel diễn ra hoàn toàn thì lấy mẫu ra khỏi khuôn và cho vào lò sấy ở 80oC trong vòng 12 giờ. Tiếp đó, mẫu được 9 cho vào lò nung với tốc độ nâng nhiệt trung bình là 4oC/phút, thời gian giữ nhiệt là 2 giờ. 3.3.3. Xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng mô phỏng và thực nghiệm Can nhiệt số 1 được đặt vào trong vật đúc cách bề mặt khuôn 10mm, các can nhiệt từ số 2 đến 5 đặt ở trong khuôn cách bề mặt vật đúc lần lượt là 0; 5; 10; 15mm. Trước khi đúc, khuôn được nung nóng lại trong lò điện. Khi khuôn đã đạt được nhiệt độ yêu cầu, khuôn được đưa tới vị trí rót. Hợp kim nhôm AlSi7 được nấu chảy và khi nhôm lỏng đạt nhiệt độ 750oC thì tiến hành rót khuôn đạt chiều cao 100mm. Nhiệt độ khuôn tại thời điểm rót nhôm là 670°C. Nhiệt độ ở năm can nhiệt đã được ghi lại bằng máy tính. Kết quả đo được dùng để xác định hệ số khuếch tán nhiệt và hệ số dẫn nhiệt theo công thức: X (3.5) T(X, τ)  Tmt  (Ttx  Tmt ).erf( ) 2. a .τ Quá trình mô phỏng trường nhiệt độ của khuôn gốm được tiến hành bằng phần mềm ProCast 2008. Hình 3.17: Sơ đồ thực nghiệm cài đặt 5 can nhiệt 3.3.4. Xác định hệ số giãn nở nhiệt của khuôn gốm Để tiến hành xác định hệ số giãn nở nhiệt, các mẫu được đo bằng máy đo giãn nở nhiệt TMA với tốc độ nâng nhiệt là 10oC/phút. Kết quả đo được dùng để xác định hệ số giãn nở nhiệt theo công thức 3.6  (L / t ) /(T / t )   L    (3.6) 10 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Xác định cơ chế hình thành độ bền của chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao bằng thực nghiệm 4.1.1. Kết quả và thảo luận Hình 4.1: Ảnh SEM của khuôn cát – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3: độ phóng đại thấp, x197 (a) và độ phóng đại cao, x10590 (b) Hình 4.1 trình bày ảnh SEM của hỗn hợp khuôn cát thạch anh – thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, ở độ phóng đại thấp (hình 4.1a) cho thấy màng chất dính bao quanh các hạt cát khá trơn bóng và mịn, màng chất dính không xuất hiện các vết nứt. Ở độ phóng đại cao (hình 4.1b), quan sát được rất nhiều các hạt nhỏ li ti phân bố đều trên bề mặt màng chất dính, kích thước các hạt nằm trong khoảng 100 – 200 nm. Kết quả phân tích EDS cho thấy: nền là gel silisic và các hạt nhỏ li ti này là natri silicát. Kết quả phân tích ở các mẫu sử dụng mô đun cao bằng 4 và 5 cho thấy, mô đun càng cao thì các hạt natri silicát càng lớn. Đặc biệt, thời gian tạo gel lâu đã làm cho các hạt natri silicát hình thành chậm hơn, do đó chúng có kích thước nhỏ hơn và phân bố đều trên nền gel silic. Ở mô đun thủy tinh lỏng cao hơn, quá trình hình thành gel diễn ra nhanh hơn, phản ứng giữa thủy tinh lỏng và NH4Cl diễn ra ít hơn và do đó lượng Na còn lại trong natri silicát cũng nhiều hơn. Thời gian tạo gel ngắn đã làm cho các hạt natri silicát hình thành nhanh hơn, có kích thước hạt lớn hơn và làm tăng độ xốp của màng chất dính, đây chính là nguyên nhân làm giảm độ bền của hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao. 4.1.2. Nhận xét Phần cơ sở lý thuyết ở chương 2 cho thấy, thủy tinh lỏng dính kết các hạt cát (trong khuôn và ruột) có thể được đóng rắn bằng sự thay đổi pH 11 hoặc bằng sự khử nước vật lý hoặc bằng sự kết hợp của cả 2 cơ chế trên và sản phẩm cuối cùng sau đóng rắn đều là gel silisic. Tuy nhiên, bằng các phân tích ở trên cho thấy, sản phẩm sau đóng rắn của thủy tinh lỏng mô đun cao là nền gel silisic và các hạt natri silicát. Các hạt natri silicát có ảnh hưởng rất lớn tới độ bền của hỗn hợp, các hạt này càng lớn thì càng làm tăng độ xốp và giảm độ bền của hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao. 4.2. Tính chất công nghệ của khuôn gốm 4.2.1. Tỷ trọng của khuôn gốm Tỷ trọng của mẫu khuôn gốm phụ thuộc vào các tham số vật liệu đầu vào khác nhau như: mô đun thủy tinh lỏng, nhiệt độ nung, tỷ lệ pha trộn bột ziếc côn và thạch anh, tỷ trọng thủy tinh lỏng và hàm lượng nước mật mía đã được nghiên cứu và phân tích. Nhìn chung, ảnh hưởng của các tham số vật liệu đầu vào và các tham số công nghệ tới tỷ trọng của mẫu khuôn gốm là không nhiều, tỷ trọng của mẫu khuôn gốm nằm trong khoảng từ 2,2 – 2,5 g/cm3. 4.2.2. Độ co của khuôn gốm Độ co của mẫu khuôn gốm giảm dần theo sự tăng mô đun thủy tinh lỏng và giảm dần của nhiệt độ nung. Độ co tăng dần theo sự tăng của tỷ trọng thủy tinh lỏng và sự tăng hàm lượng ziếc côn trong hỗn hợp bột chịu lửa. Trong khi đó, độ co của mẫu khuôn gốm chỉ tăng nhẹ khi hàm lượng chất dính tăng. Căn cứ vào dữ liệu thực nghiệm được trình bày ở phụ lục, luận án đã xây dựng phương trình hồi quy xác định độ co phụ thuộc vào các tham số mô đun thủy tinh lỏng, tỷ trọng thủy tinh lỏng, tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa và nhiệt độ nung. dΦ = -4,47902 – 0,285Mt.t.l + 0,002919T + 3,092561ρt.t.l + 0,676691462C Trong đó: dΦ: Độ co của khuôn gốm; Mt.t.l: Mô đun của thủy tinh lỏng; T: Nhiệt độ nung; ρt.t.l: Tỷ trọng thủy tinh lỏng và C: Tỷ lệ pha trộn ZrSiO4/SiO2 4.2.3. Độ xốp của khuôn gốm Độ xốp của mẫu tăng dần theo sự tăng của mô đun thủy tinh lỏng, tuy nhiên lại giảm dần khi tăng nhiệt độ nung. Độ xốp của mẫu khuôn gốm tăng khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng. Tuy nhiên, độ xốp lại giảm khi tỷ trọng của thủy tinh lỏng tăng. Điều này có thể được lý giải bởi thủy tinh lỏng có tỷ trọng thấp thì lượng nước mất đi sẽ nhiều, nên sẽ làm tăng độ xốp của mẫu khuôn gốm. Thủy tinh lỏng có tỷ trọng cao có lượng nước 12 mất đi ít hơn nên độ xốp của nó thấp hơn. Độ xốp đạt giá trị cao nhất ở vùng khảo sát sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có tỷ trọng bằng 1,27. Tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 ở mức thấp (30/70), độ xốp của mẫu khuôn gốm có giá trị thấp nhất, tuy nhiên giá trị này tăng dần lên khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng lên. Ở mức tỷ lệ 30/70 được cho là có sự pha trộn hợp lý giữa các hạt chịu lửa to và hạt chịu lửa nhỏ trong vùng khảo sát nên có độ xốp thấp nhất. Khi tăng tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa thì lượng hạt chịu lửa có kích thước siêu mịn (bột ziếc côn) tăng lên, điều này làm cho số lượng lỗ xốp nhỏ li ti trong mẫu khuôn gốm tăng lên và làm tăng độ xốp. Trong khi đó, hàm lượng chất dính ảnh hưởng không nhiều tới độ xốp của mẫu khuôn gốm. Khi hàm lượng chất dính thay đổi từ 23 – 27% khối lượng bột chịu lửa thì độ xốp của nó thay đổi không nhiều, từ 39,88% giảm xuống còn 38,95%. Hình 4.19: Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ xốp của mẫu khuôn gốm Độ xốp của các mẫu cũng giảm dần và đạt giá trị thấp nhất trong vùng khảo sát khi hàm lượng nước mật mía tăng tới 3%. Sau khi đạt giá trị nhỏ nhất, độ xốp của mẫu khuôn gốm tăng trở lại theo sự tăng của hàm lượng nước mật mía. Ở mẫu sử dụng mô đun bằng 3, độ xốp tăng trở lại tương đương với độ xốp của mẫu không sử dụng nước mật mía. Thậm trí khi hàm lượng nước mật mía lớn hơn 7% thì độ xốp của nó còn lớn hơn độ xốp của mẫu không sử dụng nước mật mía, như được trình bày ở hình 4.19. Nhìn chung, do bản thân nước mật mía có tính axit nhẹ (độ pH = 5,7) nên khi tăng hàm lượng nước mật mía thì nó sẽ thúc đẩy quá trình tạo gel xảy ra nhanh hơn và các gel này cũng xốp hơn. 13 Tương tự như cách xác định phương trình hồi quy cho độ co, phương trình hồi quy của độ xốp là: γk = 81,72691 + 4,145 Mt.t.l – 0,03752T – 24,893ρt.t.l + 14,52164C 4.3. Cơ tính của khuôn gốm Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền nén của mẫu được đưa ra ở hình 4.20 và tới độ bền uốn của mẫu ở hình 4.21. Kết quả phân tích cho thấy, độ bền nén và uốn giảm đáng kể khi tăng mô đun thủy tinh lỏng và giảm nhiệt độ nung. Ở mô đun thủy tinh lỏng càng nhỏ thì ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới độ bền nén và uốn lớn hơn ở mô đun cao. Theo kết quả phân tích ở trên, do không có sự tạo thành pha mới nên độ bền của mẫu khuôn gốm thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào độ xốp của nó. Ở nhiệt độ thiêu kết lớn nhất trong khoảng khảo sát thì đạt độ bền cao nhất và độ xốp thấp nhất. Ta có thể nâng cao nhiệt nung lên trên 1000oC để tăng thêm độ bền cho mẫu khuôn gốm, tuy nhiên điều này là không cần thiết vì trong khoảng nhiệt độ 950 – 1000oC, đã đạt được độ bền cần thiết đối với khuôn gốm. Đặc biệt, việc nâng cao nhiệt độ nung sẽ làm giảm độ xốp, tăng chi phí sản xuất khuôn và tăng thời gian chế tạo khuôn. Hình 4.20: Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền nén của mẫu khuôn gốm Hình 4.21: Ảnh hưởng của mô đun thủy tinh lỏng và nhiệt độ nung tới độ bền uốn của mẫu khuôn gốm Cơ tính của mẫu khuôn gốm tăng khi tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng và tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng. Đặc biệt, độ bền nén và độ bền uốn tăng khá cao khi tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 lớn hơn 50/50 và tỷ trọng của thủy tinh lỏng lớn hơn 1,33 g/cm3. Độ bền nén và độ bền uốn của mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn nhất ở tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 cao nhất trong vùng khảo sát (70/30) và tỷ trọng thủy tinh lỏng bằng 1,38 g/cm3 lần lượt là 29 MPa và 17 MPa. Độ bền nén và uốn của mẫu khuôn gốm tăng dần khi hàm lượng chất dính tăng và đạt giá trị cực đại ở 24%, sau đó độ 14 bền nén và uốn giảm khi hàm lượng chất dính tăng. Độ bền nén của mẫu khuôn gốm sau khi đạt giá trị cực đại trong vùng khảo sát đã giảm giá trị khá nhiều, trong khi đó độ bền uốn của nó thay đổi không nhiều. Giá trị lớn nhất của độ bền uốn và nén đạt được ở 24% chất dính lần lượt là 8,33 MPa và 17,25 MPa. Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền nén của mẫu khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun bằng 3 và 4, nung ở các nhiệt độ khác nhau (850oC và 950oC). Kết quả cho thấy, độ bền nén của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun bằng 4 và nung ở 850oC không thay đổi nhiều khi hàm lượng nước mật mía tăng từ 1% đến 9%. Giá trị độ bền nén của nó nằm trong khoảng từ 8,7 đến 12,5 MPa. Tuy nhiên, ở các mẫu còn lại độ bền nén tăng khá nhanh khi hàm lượng nước mật mía tăng và đạt giá trị cực đại khi hàm lượng nước mật mía bằng 3%. Sau khi đạt giá trị lớn nhất thì độ bền nén của các mẫu này đều giảm dần khi hàm lượng nước mật mía lớn hơn 3%. Mặt khác, cùng một hàm lượng nước mật mía thêm vào thì độ bền nén của mẫu khuôn gốm tăng khi nhiệt độ nung tăng và độ bền nén giảm khi mô đun thủy tinh lỏng tăng. Ở mẫu sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 và 3% nước mật mía thì khi thay đổi nhiệt độ nung, độ bền nén của mẫu khuôn gốm thay đổi lớn nhất từ 12,5 MPa đến 21,7 MPa. Ảnh hưởng của hàm lượng nước mật mía tới độ bền uốn của mẫu khuôn gốm cũng tương tự như ảnh hưởng của nước mật mía tới độ bền nén. Tuy nhiên, sự tác động của nước mật mía tới độ bền uốn ở mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4 là không đáng kể và nó tác động mạnh hơn tới mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3. Độ bền uốn của mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng mật mía thêm vào bằng 3%, sau đó giảm dần. Mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 3, nung ở 950oC có lượng giảm lớn nhất từ 21 MPa (ở 3% nước mật mía) giảm xuống còn 12 MPa (ở 9% nước mật mía). - Phương trình hồi quy cho độ bền uốn: σu = -64,5666 – 5,2825Mt.t.l + 0,038703T + 35,26325ρt.t.l + 20,19854C - Phương trình hồi quy cho độ bền nén: σn = -126,057 – 9,6835Mt.t.l + 0,069369T + 75,32468ρt.t.l + 26,22925C Từ các phương trình hồi quy ở trên, kết hợp với các điều kiện lý thuyết về các tính chất của khuôn gốm sử dụng các chất dính cao cấp như keo silic hay ethyl silicát đã được trình bày phần tổng quan làm cơ sở để xác định 15 thành phần tối ưu cho hỗn hợp làm khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng trong phạm vi nghiên cứu. Để giải bài toán tối ưu này, công cụ Solver trong Excel đã được sử dụng. Kết quả giải bài toán tối ưu bằng công cụ Solver như sau: Mt.t.l = 4; T = 938oC; ρt.t.l = 1,36; C = 0,7 (tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 70/30) và các giá trị về độ co, độ xốp, độ bền nén và độ bền uốn được trình bày ở bảng 4.3. Bảng 4.3: Bảng giá trị tối ưu Độ co (%) Độ xốp (%) 1,8 39,4 Độ bền nén (MPa) 21,1 Độ bền uốn (MPa) 12,7 4.4. Cấu trúc và tổ chức tế viHUS, củaVNU, mẫu khuôn gốm Faculty of Chemistry, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M4 chua nung 4.4.1. Cấu trúc của mẫu khuôn gốm 2500 2400 2300 d=3.297 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 d=3.336 1400 1300 1200 1100 d=2.521 Lin (Cps) 1500 1000 900 d=1.380 d=1.363 d=1.477 d=1.541 d=1.752 d=1.817 d=1.911 d=1.451 100 d=2.123 200 d=2.453 d=3.245 300 d=2.649 400 d=2.221 500 d=2.281 d=2.334 600 d=1.978 d=2.066 700 d=1.651 d=1.713 800 0 21 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Minh BK mau M=4.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0. 01-071-0991 (C) - Zircon - ZrSiO4 - Y: 28.78 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 6.61200 - b 6.61200 - c 5.99400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 2 03-065-0466 (C) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: 33.83 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91410 - b 4.91410 - c 5.40600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 - 1 00-004-0551 (D) - Rutile - TiO2 - Y: 2.12 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.59400 - b 4.59400 - c 2.95800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 62.4281 - F3 Hình 4.27: Ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sau khi đóng rắn (chưa nung) Hình 4.27 và hình 4.28 trình bảy ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mô-đun bằng 4 sau khi đóng rắn và sau khi nung ở 950oC, kết quả phân tích cho thấy không có sự tạo thành pha mới khi thay đổi nhiệt độ nung mà chỉ có sự chuyển biến thù hình của cát thạch anh. Ở mẫu chưa nung, cát thạch anh (SiO2) tồn tại ở dạng Quartz 16 thấp chuyển thành các dạng alpha ở nhiệt độ nung 850oC, dạng Quartz ở 900oC và cuối cùng tồn tại ở dạng Quartz thấp alpha ở nhiệt độ 950oC và 1000oC. Mặt khác, ảnh XRD của mẫu khuôn gốm có mô đun bằng 4, nung Faculty of 3% Chemistry, HUS, VNU, ADVANCE-Bruker - Mau M4-950C ở 950oC và bổ sung thêm nước mậtD8mía cho kết quả tương tự như mẫu không bổ sung thêm nước mật mía 2700 2600 2500 d=3.291 2400 2300 2200 2100 2000 1900 d=3.330 1800 1700 1500 1400 d=2.516 Lin (Cps) 1600 1300 1200 d=1.711 1100 1000 900 d=1.380 d=1.362 d=1.476 d=1.451 d=1.542 d=1.495 d=1.622 d=1.750 d=1.687 d=1.669 d=1.815 d=2.124 d=2.331 d=2.278 d=1.978 100 d=2.214 d=2.184 d=2.645 200 d=2.484 d=2.453 300 d=3.242 400 d=4.420 500 d=4.246 600 d=1.907 d=2.064 700 d=1.650 800 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Minh BK mau M=4-950C.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 19 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° 01-083-1374 (C) - Zircon - ZrSiO4 - Y: 15.70 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 6.60420 - b 6.60420 - c 5.97960 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 2 01-087-2096 (C) - Quartz low - alpha-SiO2 - Y: 45.35 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91270 - b 4.91270 - c 5.40450 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 01-075-1750 (D) - Rutile - TiO2 - Y: 4.87 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.59370 - b 4.59370 - c 2.95870 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 - 62.4347 - Hình 4.28: Ảnh XRD của mẫu khuôn gốm sau khi nung ở 950oC Hình 4.31: Ảnh SEM của mặt gãy khuôn gốm nung ở 950oC, mô đun bằng 4: độ phóng đại thấp (a) và độ phóng đại cao (b) Kết quả phân tích cho thấy các hạt thạch anh được phân bố khá đồng đều trên nền bột ziếc – côn. Đặc biệt, các lỗ xốp nhỏ li ti có kích thước nhỏ hơn 10 µm được quan sát khá rõ và phân đố đồng đều trên nền mẫu phân tích (hình 4.31). Bề mặt của mặt gãy có mô đun càng cao thì càng có độ phẳng hơn bề mặt gãy của bề mặt có mô đun thấp. Mẫu khuôn gốm sử 17 dụng thủy tinh lỏng mô đun 3 có mặt gãy với độ nhấp nhô lớn nhất còn mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun 5 có mặt gãy khá bằng phẳng. Điều này được lý giải là do mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun thấp có độ bền cao hơn và có độ xốp nhỏ hơn nên khi bị bẻ gãy sẽ tạo ra mặt gãy có độ nhấp nhô lớn hơn mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun cao. Hình 4.35: Ảnh SEM lớp vỏ mẫu khuôn gốm sử dụng 24% chất dính Hình 4.37: Ảnh SEM lớp vỏ mẫu khuôn gốm sử dụng 27% chất dính Hình 4.38: Ảnh SEM của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4, nung ở 950oC, tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40 và hàm lượng nước mật mía 1%: bề mặt mẫu (a) và mặt gãy cắt ngang mẫu (b) Bề mặt của mẫu khuôn gốm sử dụng 24% chất dính thủy tinh lỏng khá mịn và hầu như không có vết nứt nào được quan sát thấy như được trình bày ở hình 4.35. Tuy nhiên, khi hàm lượng chất dính tăng lên, các vết nứt trên bề mặt mẫu khuôn gốm dần xuất hiện với mật độ ngày càng tăng theo hàm lượng chất dính. Đặc biệt các vết nứt này cũng to hơn theo hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tăng như được trình bày ở hình 4.37 (27% chất 18 dính). Sự xuất hiện các vết nứt này được lý giải là do sử dụng hàm lượng thủy tinh lỏng lớn sẽ kéo theo lượng nước trong chất dính cần giải phóng ra lớn, chính sự mất nước này làm tăng độ co của mẫu khuôn gốm, tăng khả năng nứt khuôn và làm giảm độ bền của mẫu khuôn gốm. Hình 4.39: Ảnh SEM của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4, nung ở 950oC, tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40 và hàm lượng nước mật mía 3%: bề mặt mẫu (a) và mặt gãy cắt ngang mẫu (b) Hình 4.40: Ảnh SEM của mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun bằng 4, nung ở 950oC, tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40 và hàm lượng nước mật mía 5%: bề mặt mẫu (a) và mặt gãy cắt ngang mẫu (b) Các lỗ xốp ở mẫu khuôn gốm không có nước mật mía được quan sát khá rõ ở ảnh SEM mặt gãy của mẫu, mẫu khuôn gốm sử dụng 1% nước mật mía có kích thước nhỏ hơn 20µm như được trình bày ở hình 4.38b. Ở mẫu chứa 3% nước mật mía, hầu như không quan sát được các lỗ xốp có kích thước lớn hơn 5µm, các lỗ xốp có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 1µm) được phân bố đều trên bề mặt mẫu khuôn gốm chứa 3% nước mật mía như 19 được trình bày ở hình 4.39b. Tuy nhiên, khi hàm lượng mật mía trong mẫu khuôn gốm tăng lên 5%, thì các lỗ xốp to có kích thước lớn hơn 5µm xuất hiện trở lại (hình 4.40b) 4.5. Tính chất nhiệt lý của khuôn gốm 4.5.1. Hệ số khuếch tán nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của khuôn gốm bằng mô phỏng và thực nghiệm Hình 4.45 trình bày đường cong nguội của vật đúc (can nhiệt số 1), biên giới giữa khuôn - vật đúc (can nhiệt số 2) và của khuôn (can nhiệt số 4) bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy, tốc độ nguội ở ba vị trí là khá tương đồng được thể hiện bằng ba đường cong nguội gần như song song với nhau. Hình 4.45: Đường cong nguội của vật đúc và khuôn gốm bằng thực nghiệm Ở khoảng nhiệt độ thấp, nhỏ hơn 545oC, thì hệ số khuếch tán nhiệt độ giữa mô phỏng và thực nghiệm là khá tương đồng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên trên 545oC thì hệ số khuếch tán nhiệt độ bằng thực nghiệm có xu hướng giảm nhẹ còn hệ số khuếch tán nhiệt độ bằng mô phỏng hầu như không thay đổi. Hệ số khuếch tán nhiệt độ trung bình của khuôn gốm bằng mô phỏng và thực nghiệm là (32±0,5)x10-6 (m2/s) và (31±0,5)x10-6 (m2/s). Tương tự như hệ số khuếch tán nhiệt độ, ở khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 545oC, thì độ dẫn nhiệt của mô phỏng và thực nghiệm là khá tương đồng. Khi nhiệt độ lớn hơn 545oC thì độ dẫn nhiệt bằng thực nghiệm có xu hướng giảm nhẹ còn độ dẫn nhiệt bằng mô phỏng có tăng lên một chút sau đó giữ ở giá trị ổn định khoảng 80±0,5 (W.m-1.K-1). Nhìn chung, giá trị độ dẫn 20 nhiệt bằng mô phỏng và thực nghiệm có một sự sai khác nhất định, tuy nhiên sự sai khác này là khá nhỏ. Giá trị trung bình của độ dẫn nhiệt bằng mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 79±0,5 (W.m-1.K-1) và 77.5±0,5 (W.m-1.K-1). 4.5.2. Hệ số giãn nở nhiệt của mẫu khuôn gốm Temp./°C T. Alpha/(1/K) 32.0, 665.6 : 10.5019E-06 dL/Lo *10-3 dL/dt *10-3 /(1/min) 6 1.5 [1] 4 1.0 Temp./°C T. Alpha/(1/K) 665.6, 894.3 : -12.8688E-06 2 0.5 Peak: 175.2 °C, -3.1609E-03 0 0.0 [1] [1] mau 30-70.sl4 dL dL/dt -2 -0.5 100 200 300 400 500 Temperature /°C 600 700 800 Hình 4.49: Sự thay đổi kích thước mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 = 30/70 theo nhiệt độ Hình 4.49 trình bày sự thay đổi kích thước của mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 bằng 30/70 (% thể tích) trong quá trình nung. Kết quả phân tích cho thấy khi nhiệt độ tăng thì kích thước của mẫu giảm dần và kích thước mẫu đạt giá trị nhỏ nhất trong khoảng nghiên cứu ở khoảng nhiệt độ 175oC, giá trị dL/Lo bằng khoảng -3,16x10-3 mm. Sự giảm kích thước ở khoảng nhiệt độ này được lý giải chủ yếu là do sự mất nước của thủy tinh lỏng tạo nên. Trong khoảng nhiệt độ này cũng có sự chuyển biến pha của thạch anh từ γtridimit thành βtridimit ở 117oC, sự chuyển biến pha này được thể hiện rất rõ bằng đường vi phân theo thời gian (nét đứt) ở hình 4.49 Sự chuyển pha này đã làm cho kích thước mẫu khuôn gốm tăng trở lại (giãn nở). Đặc biệt ở khoảng nhiệt độ từ 560 – 680oC có sự chuyển biến pha tiếp theo của thạch anh từ βquắc thành αquắc. Sự chuyển biến pha này kéo theo sự tăng kích thước lớn hơn, kích thước mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn nhất trong vùng nhiệt độ khảo sát. Giá trị dL/Lo bằng khoảng 7x10-3 mm. Kết thúc sự chuyển pha này thì kích thước của mẫu có xu hướng giảm do sự co ngót chung của vật liệu. Từ kết quả đo này, áp dụng lý thuyết dễ dàng tính được hệ số dãn nỡ nhiệt của mẫu khuôn gốm. Hệ số giãn nở nhiệt