1 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Khuôn gốm thường dùng để đúc vật đúc có hình dạng phức tạp, cần độ xác cao, giảm thiểu tối đa gia lượng công Trên giới, phương pháp đúc sử dụng khuôn gốm nghiên cứu với mục đích tạo vật đúc có độ xác cao hình dạng kích thước nhằm tiết kiệm vật liệu, giảm gia cơng khí, mang lại hiệu kinh tế cao Nhìn chung, cơng nghệ khn gốm đúc xác chưa nhận nhiều quan tâm nhà khoa học nước nhà máy sản xuất Bởi cơng nghiệp chế tạo tơ, hàng không vũ trụ, công nghiệp lượng chưa phát triển nước ta trước Tuy nhiên, với phát triển chung giới, cơng nghiệp chế tạo Việt Nam có bước chuyển mạnh mẽ Các cơng ty sản xuất ô tô xe máy hàng đầu giới có Việt Nam như: Toyota, Ford, Honda, Piagio, Yamaha có nhu cầu sản phẩm đúc xác ngày cao công nghiệp lẫn đời sống xã hội Công nghệ khuôn gốm đúc ứng dụng song chưa đáp ứng chất lượng, nên chưa phát triển rộng rãi, chưa đáp ứng địi hỏi chất lượng sản phẩm xã hội Chính việc nghiên cứu cơng nghệ đúc khn gốm có ý nghĩa khơng khoa học tạo vật liệu thay mà cịn có ý nghĩa thực tiễn cao Mục đích luận án: Từ phân tích khoa học trên, chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu khuôn gốm sở vật liệu nước” Luận án tập trung vào việc nghiên cứu nâng cao chất lượng khuôn gốm theo phương pháp khuôn khối lớp (khuôn shaw lớp), với mục đích cụ thể cải thiện độ xốp, độ bền cho khuôn gốm, giảm thiểu khả nứt khn sau sáp sau nung Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Luận án sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mơ đun lớn 3,3 nhằm giảm khả hút ẩm, tăng độ xốp giảm thiểu khả nứt khuôn sau nung Luận án sử dụng kết hợp loại bột chịu lửa ziếc côn thạch anh để tăng độ ổn định nhiệt cho vật liệu chịu lửa, giảm khả nứt khuôn giãn nở nhiệt gây Sự giãn nở nhiệt khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng q trình nung khn nghiên cứu luận án, thông qua xác định hệ số giãn nở nhiệt khn Nước mật mía ứng dụng nhiều công nghệ khuôn dùng đúc, nhiên cơng nghệ khn gốm việc ứng dụng nước mật mía chất phụ nhằm cải thiện tính cơng nghệ khn gốm chưa có Luận án sử dụng nước mật mía chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất khn gốm Phƣơng pháp nghiên cứu: Để hồn thành mục đích nghiên cứu, luận án sử dụng phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát yếu tố) phương pháp quy hoạch thực nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời nhiều yếu tố tác động) Sử dụng trang thiết bị phân tích kiểm định mẫu thí nghiệm 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 MTS, đo trường nhiệt độ máy ghi nhiệt tự động Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án: Bằng nghiên cứu thực nghiệm thay đổi mô đun thủy tinh lỏng (Mt.t.l = ÷ 5), nhiệt độ nung (T = 850 ÷ 1000oC) xác định quy luật giảm độ bền uốn (σu), độ bền nén (σn), độ co (dΦ) tỷ trọng khuôn gốm (ρk), cịn độ xốp (γk) tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng Mt.t.l giảm nhiệt độ nung tăng Độ bền, độ co, độ xốp tỷ trọng khuôn gốm tăng theo chiều tăng hàm lượng bột ZrSiO4 có hỗn hợp bột chịu lửa Khi tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng độ xốp khn gốm giảm, cịn độ bền độ co tăng Độ bền khn gốm đạt giá trị cao hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng 24 – 25% khối lượng bột chịu lửa hàm lượng mật mía 3% khối lượng chất dính Nước mật mía đưa thêm vào khơng ảnh hưởng nhiều tới độ xốp (độ thơng khí) khuôn gốm Hơn nữa, luận án xây dựng mơ hình tốn học thực nghiệm với hàm mục tiêu chọn phụ thuộc vào thông số khảo sát luận án dạng mơ hình tuyến tính Luận án áp dụng kết nghiên cứu để đúc thử nghiệm loại sản phẩm đúc điển hình theo vẽ thiết kế công ty Monarch Industries Limited (USA) đạt u cầu kỹ thuật kích thước hình học độ nhám bề mặt đạt 2,54 – 3,05µm Đóng góp luận án: Luận án nghiên cứu giãn nở nhiệt khuôn gốm với tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 = 0,3; 0,6 0,7; phụ thuộc vào nhiệt độ nung Trong khoảng nhiệt độ nung có hai chuyển pha 117oC 573oC, khoảng nhiệt độ có chuyển pha, tốc độ nâng nhiệt nên để khoảng thời gian định (khoảng 30 phút) để q trình chuyển pha diễn hồn tồn, giảm khả nứt khuôn tới mức cao Nhiệt độ nung khn phù hợp 950oC, với tốc độ nâng nhiệt khoảng 5oC/phút Hàm lượng thạch anh hỗn hợp tăng thay đổi kích thước khn gốm nung lớn làm tăng khả nứt khn Bên cạnh giãn nở khuôn gốm lớn ảnh hưởng tới độ xác kích thước vật đúc Hơn qua việc phân tích tổ chức màng chất dính bao gồm gel silisic silicát natri, thủy tinh lỏng mơ đun cao thời gian tạo gel ngắn kích thước hạt silicate natri to Đây nguyên nhân làm giảm độ bền tăng độ xốp hỗn hợp khuôn sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mơ đun cao Luận án chia làm chương kết luận chung luận án sau: - Chương 1: Tổng quan công nghệ khuôn gốm: Chương tập trung phân tích tình hình nghiên cứu cơng nghệ khn gốm giới Việt Nam từ xác định mục đích nghiên cứu luận án - Chương 2: Đặc tính vật liệu chế tạo khn gốm: Chương phân tích sở lý thuyết vật liệu chế tạo khn gốm từ xác định phạm vi nghiên cứu luận án - Chương 3: Đối tượng phương pháp nghiên cứu: Chương trình bày kết phân tích đối tượng nghiên cứu, từ lựa chọn thiết bị phương pháp nghiên cứu phù hợp Cách thức chế tạo mẫu thí nghiệm kiểm tra, đánh giá mẫu thí nghiệm - Chương 4: Kết thảo luận: Chương trình bày kết nghiên cứu luận án phân tích đánh giá kết luận án - Kết luận chung luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ KHN GỐM 1.1 Tình hình cơng nghệ khn gốm giới Chất dính dùng khuôn khối phổ biến keo silic ethyl silicát Ngồi cịn có chất dính thủy tinh lỏng, chất lượng khn sử dụng chất dính khơng cao so với hai loại chất dính nên sử dụng giới Trong thời gần đây, giới có xu thay chất dính hịa tan cồn chất dính hịa tan nước công nghệ khuôn khối, đại diện tiêu biểu cho chất dính tan nước keo silic Tuy nhiên chất dính dựa sở nước nên có nhược điểm thời gian đóng rắn dài Chính điều làm giảm khả ứng dụng keo silic công nghệ khuôn gốm ngày làm tăng thời gian làm khn gốm Ngồi ra, keo silic sử dụng cơng nghệ khn khối có độ bền tươi thấp thường xuyên bị nứt trước sau nung Để giải vấn đề này, Ming Zeng cộng ứng dụng cơng nghệ đóng rắn mơi trường chân khơng cho khn khối lớp sử dụng chất dính keo silic Đặc biệt việc kết hợp nhiều loại chất dính với để cải thiện tính chất khn giảm tương tác hóa học khn kim loại với mục đích tăng chất lượng bề mặt khn nhà nghiên cứu quan tâm H Saridikmen N Kuskonmaz nghiên cứu thành công việc sử dụng kết hợp loại chất dính ethyl silicát aluminum tri-sec-butoxide dùng công nghệ khuôn khối để đúc thép không gỉ Các loại hạt chịu lửa phổ biến là: ziếc côn, ôxit nhôm, alumino silicát, mullít thạch anh nóng chảy Kích thước hạt chịu lửa thường sử dụng khoảng từ 50 μm đến 200 μm để đảm bảo chất lượng bề mặt vật đúc độ bền khuôn suốt trình chế tạo Nghiên cứu F Jorge Lino, T Pereira Duarte việc phối hợp nhiều loại vật liệu chịu lửa kích thước khác cho kết tốt độ co, độ xốp tính khn gốm Để giảm thời gian chế tạo khuôn, nhà nghiên cứu giới sử dụng nhiều loại chất tạo gel khác để tăng tốc độ tạo gel giảm thời gian đóng rắn khuôn khối Chất tạo gel dựa sở muối amôni dùng phổ biến cả, F Jorge Lino T Pereira Duarte sử dụng NH4Cl Jiaren Jiang Xing Yang Liu sử dụng (NH4)2CO2 làm chất tạo gel cho khuôn khối sử dụng chất dính ethyl silicát cịn Ming Zeng dùng NH4Cl cho khn khối sử dụng chất dính keo silic, lượng dùng chất tạo gel 10% khối lượng chất dính Tóm lại, hướng nghiên cứu cơng nghệ khn khối tập trung vào việc nghiên cứu để giảm thời gian chế tạo khuôn, nâng cao độ bền khuôn để giảm khuyết tật giảm tối thiểu phản ứng kim loại đúc khuôn khối để nâng cao chất lượng bề mặt vật đúc 1.2 Tình hình cơng nghệ khn gốm Việt Nam Ở Việt Nam nay, khuôn gốm đúc chủ yếu làm theo công nghệ khuôn vỏ gốm sử dụng vật liệu chịu lửa bột thạch anh có kích thước hạt khoảng 100µm, chất dính thủy tinh lỏng có mơ đun lớn chất tạo gel NH4Cl Việc sử dụng hỗn hợp làm khuôn có ưu điểm rẻ tiền sẵn có Việt Nam Tuy nhiên khuôn vỏ gốm hay bị nứt sau nung, độ thơng khí thấp, độ co lớn, vật liệu khn dễ cháy dính vào bề mặt vật đúc thép (bảng 1.5) Đặc biệt, khn gốm có khả hút ẩm lớn sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mơ đun thấp nên q trình chế tạo khn phải nhanh, khơng lưu trữ khn lâu ngày Để cải thiện chất lượng khuôn vỏ, nhà nghiên cứu nước nghiên cứu theo hướng tăng mô đun thủy tinh lỏng cách sử dụng NH4Cl Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm tăng mơ đun lên tới 3,3 Các tính chất khn vỏ gốm sau nâng mô đun tới 3,3 không cải thiện nhiều so với thủy tinh lỏng có mơ đun nhỏ chút Chính nên thời gian gần đây, số công ty đúc sử dụng khuôn gốm chuyển sang sử dụng loại chất dính cao cấp ethyl silicát, keo silic Bảng 1.5: Cơ lý tính hỗn hợp khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun 3, tỷ trọng 1,33 cát thạch anh, nung 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 tập trung vào việc nghiên cứu nâng cao chất lượng khuôn gốm theo phương pháp khn khối lớp, sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mơ đun lớn 3,3 nhằm giảm khả hút ẩm, tăng độ xốp giảm thiểu khả nứt khuôn sau nung Sử dụng kết hợp loại bột chịu lửa ziếc côn thạch anh để tăng độ ổn định nhiệt cho vật liệu chịu lửa, giảm khả nứt khuôn giãn nở nhiệt gây tăng độ bền cho khuôn khối Đặc biệt, luận án sử dụng nước mật mía chất dính phụ để nhằm mục đích cải thiện tính chất khn gốm CHƢƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHN GỐM 2.1 Chất dính thủy tinh lỏng dùng ngành đúc Trình bày tính chất hóa lý, cấu trúc, giản đồ trạng thái pha pha thủy tinh lỏng Đặc biệt q trình polyme hóa thủy tinh lỏng yếu tố ảnh hưởng nghiên cứu phân tích để từ xác định chế đóng rắn thủy chất dính thủy tinh lỏng dùng ngành đúc Bên cạnh đó, vai trị độ ẩm ảnh hưởng tới độ bền khuôn ruột sử dụng chất dính thủy tinh lỏng nghiên cứu phân tích từ xác định khả hút ẩm chất dính thủy tinh lỏng giảm mơ đun tăng 6 2.2 Keo silic dùng ngành đúc Trình bày chế đóng rắn chất dính keo silic dùng cơng nghệ khn gốm, yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng khuôn lý tính khn gốm nghiên cứu phân tích Để keo silic thay ethyl silicát tốt công nghệ khn gốm cần phải giảm thời gian tạo gel nữa, bên cạnh cần giảm số lượng vết nứt bề mặt khn gốm Có việc ứng dụng keo silic ngành đúc nhiều 2.3 Thủy tinh lỏng mô đun cao nguyên lý hòa trộn thủy tinh lỏng với keo silic Trình bày ngun lý hịa trộn thủy tinh lỏng với keo silic để chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao Về bản, phương pháp chế tạo dựa theo phát minh Mỹ Phương pháp nâng mơ đun thủy tinh lỏng lên tới 10, nhiên phổ biến sử dụng để nâng mô đun thủy tinh lỏng khoảng từ – nâng mơ đun cao lượng keo silic bổ sung vào nhiều làm tăng giá thành cho thủy tinh lỏng mô đun cao, phương pháp áp dụng phổ biến giới Đặc biệt chế hình thành độ bền chất dính thủy tinh lỏng mơ đun cao phân tích, yếu tố ảnh hưởng tới độ bền nghiên cứu đánh giá Chất dính thủy tinh lỏng có mô đun thấp tạo lên lớp màng trơn mịn bề mặt hạt cát không bị nứt làm khơ Tuy nhiên với chất dính thủy tinh lỏng có mơ đun cao lớp màng bao quanh hạt cát xuất vết nứt làm khô, điều làm giảm độ bền khuôn ruột Nếu dùng thủy tinh lỏng có mơ đun từ 3,5 đến 10 trước tạo gel hiệu sử dụng tương tự sử dụng chất dính keo silica 2.4 Cơ chế hình thành độ bền khn khối lớp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mơ đun cao Trong khn khối, hình thành độ bền chia làm giai đoạn Giai đoạn hình thành độ bền trước nung (hay gọi độ bền tươi) giai đoạn hình thành độ bền nung Ở giai đoạn hình thành độ bền tươi, khn đóng rắn thay đổi pH khử nước vật lý kết hợp chế nhằm giảm thời gian chế tạo khn Trong đó, chất tạo gel sử dụng trước nhằm tạo độ bền ban đầu cần thiết cho khn q trình sấy nước tạo cho khuôn đạt độ bền tươi cao Cịn q trình nung khn tạo độ bền liên kết độ ổn định nhiệt độ cao cho khuôn khối Các nghiên cứu luận án sử dụng phương án đóng rắn kết hợp để chế tạo mẫu thí nghiệm chế tạo khn khối lớp 2.5 Vật liệu chịu lửa chất phụ Trình bày ảnh hưởng tính chất lý hóa vật liệu chịu lửa sử dụng nghiên cứu ZrSiO4 SiO2 Đặc biệt ảnh hưởng nhiệt độ tới SiO2 ZrSiO4 nghiên cứu đánh giá Từ xác định vật liệu làm khuôn khối sở hỗn hợp thạch anh ziếc chuyển biến thù hình thạch anh Sự chuyển biến thù hình thạch anh ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng khuôn khối đúc, chuyển biến thù hình thạch anh kéo theo thay đổi thể tích Khi giãn nở vượt giới hạn cho phép gây nứt khn làm giảm độ bền khuôn khối Trong điều kiện nước ta, sản phẩm từ mía đường (đường tinh luyện mật mía) phổ biến có giá thành rẻ, chất phụ có tính dẻo cao (có cấu trúc mạch thẳng) bổ trợ cho tính cứng rịn chất dính thủy tinh lỏng (đặc biệt thủy tinh lỏng mô đun cao) nên cải thiện độ bền cho hỗn hợp khn khối Đặc biệt, sản phẩm từ mía đường có khả hịa tan tốt mơi trường nước nên chúng có khả hịa tan vào thủy tinh lỏng Hơn nữa, chất phụ hữu nên chúng dễ dàng bị phân hủy sau nung khuôn mà không để lại “tạp chất” gây hại cho khuôn khối Do vậy, luận án sử dụng nước mật mía chất dính phụ nhằm cải thiện độ bền cho khuôn khối lớp 2.6 Thông số nhiệt lý hệ số giãn nở nhiệt Trình bày vai trị ảnh hưởng thơng số nhiệt lý vật liệu làm khuôn tới chất lượng vật đúc, phương pháp xác định thông số nhiệt lý hệ số khuếch tán nhiệt độ độ dẫn nhiệt thực nghiệm mô Bên cạnh đó, lý thuyết hệ số giãn nở nhiệt nghiên cứu để xác định phương pháp tính tốn hệ số giãn nở nhiệt thơng qua kết đo máy Phân tích nhiệt CHƢƠNG 3: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu Trình bày đối tượng nghiên cứu 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 phân tích thành phần, độ hạt vật liệu đầu vào cho nghiên cứu 8 3.2 Thiết bị phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp tiếp cận truyền thống (khảo sát yếu tố) phương pháp quy hoạch thực nghiệm (khảo sát ảnh hưởng đồng thời nhiều yếu tố tác động) Các thiết bị cần thiết cho nghiên cứu như: lị nung có hệ thống kiểm sốt nhiệt độ, phân tích tổ chức thành phần máy SEM, XRD, EDS, hiển vi quang học, phân tích giãn nở nhiệt máy TMA (DIL 402PC – Netzsch, Đức) Đánh giá tính máy đo tính vạn MTS - 793 Mỹ Đo trường nhiệt độ máy đo nhiệt độ tự động Omega Mỹ, thời điểm đo can nhiệt 3.3 Mơ hình thực nghiệm 3.3.1 Chế tạo thủy tinh lỏng mơ đun cao Q trình chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao thực theo sơ đồ thực nghiệm hình 3.10 Hình 3.10: Sơ đồ thực nghiệm chế tạo thủy tinh lỏng mô đun cao 3.3.2 Chế tạo mẫu khn gốm Quy trình chế tạo chung mẫu khuôn gốm sau: hỗn hợp bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 trộn với chất tạo gel NH4Cl 25% (chiếm 10% khối lượng chất dính) vịng khoảng – phút Sau hỗn hợp trộn với chất dính thủy tinh lỏng vòng – phút Trộn xong, hỗn hợp đổ vào khuôn mẫu dạng trụ khuôn mẫu dạng thanh, sau khoảng 30 phút để phản ứng tạo gel diễn hồn tồn lấy mẫu khỏi khn cho vào lị sấy 80oC vịng 12 Tiếp đó, mẫu cho vào lị nung với tốc độ nâng nhiệt trung bình 4oC/phút, thời gian giữ nhiệt 3.3.3 Xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ độ dẫn nhiệt khuôn gốm mô thực nghiệm Can nhiệt số đặt vào vật đúc cách bề mặt khuôn 10mm, can nhiệt từ số đến đặt khuôn cách bề mặt vật đúc 0; 5; 10; 15mm Trước đúc, khn nung nóng lại lị điện Khi khuôn đạt nhiệt độ yêu cầu, khuôn đưa tới vị trí rót Hợp kim nhơm AlSi7 nấu chảy nhôm lỏng đạt nhiệt độ 750oC tiến hành rót khn đạt chiều cao 100mm Nhiệt độ khn thời điểm rót nhơm 670°C Nhiệt độ năm can nhiệt ghi lại máy tính Kết đo dùng để xác định hệ số khuếch tán nhiệt hệ số dẫn nhiệt theo công thức: X (3.5) T(X, τ)  Tmt  (Ttx  Tmt ).erf( ) a τ Quá trình mô trường nhiệt độ khuôn gốm tiến hành phần mềm ProCast 2008 Hình 3.17: Sơ đồ thực nghiệm cài đặt can nhiệt 3.3.4 Xác định hệ số giãn nở nhiệt khuôn gốm Để tiến hành xác định hệ số giãn nở nhiệt, mẫu đo máy đo giãn nở nhiệt TMA với tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút Kết đo 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 chế hình thành độ bền chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao thực nghiệm 4.1.1 Kết thảo luận Hình 4.1: Ảnh SEM khn cát – thủy tinh lỏng có mơ đun 3: độ phóng đại thấp, x197 (a) độ phóng đại cao, x10590 (b) Hình 4.1 trình bày ảnh SEM hỗn hợp khuôn cát thạch anh – thủy tinh lỏng có mơ đun 3, độ phóng đại thấp (hình 4.1a) cho thấy màng chất dính bao quanh hạt cát trơn bóng mịn, màng chất dính khơng xuất vết nứt Ở độ phóng đại cao (hình 4.1b), quan sát nhiều hạt nhỏ li ti phân bố bề mặt màng chất dính, kích thước hạt nằm khoảng 100 – 200 nm Kết phân tích EDS cho thấy: gel silisic hạt nhỏ li ti natri silicát Kết phân tích mẫu sử dụng mô đun cao cho thấy, mơ đun cao hạt natri silicát lớn Đặc biệt, thời gian tạo gel lâu làm cho hạt natri silicát hình thành chậm hơn, chúng có kích thước nhỏ phân bố gel silic Ở mô đun thủy tinh lỏng cao hơn, trình hình thành gel diễn nhanh hơn, phản ứng thủy tinh lỏng NH4Cl diễn lượng Na lại natri silicát nhiều Thời gian tạo gel ngắn làm cho hạt natri silicát hình thành nhanh hơn, có kích thước hạt lớn làm tăng độ xốp màng chất dính, nguyên nhân làm giảm độ bền hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mô đun cao 4.1.2 Nhận xét Phần sở lý thuyết chương cho thấy, thủy tinh lỏng dính kết hạt cát (trong khn ruột) đóng rắn thay đổi pH 11 khử nước vật lý kết hợp chế sản phẩm cuối sau đóng rắn gel silisic Tuy nhiên, phân tích cho thấy, sản phẩm sau đóng rắn thủy tinh lỏng mơ đun cao gel silisic hạt natri silicát Các hạt natri silicát có ảnh hưởng lớn tới độ bền hỗn hợp, hạt lớn làm tăng độ xốp giảm độ bền hỗn hợp sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mơ đun cao 4.2 Tính chất cơng nghệ khn gốm 4.2.1 Tỷ trọng khuôn gốm Tỷ trọng mẫu khuôn gốm phụ thuộc vào tham số vật liệu đầu vào khác như: mô đun thủy tinh lỏng, nhiệt độ nung, tỷ lệ pha trộn bột ziếc côn thạch anh, tỷ trọng thủy tinh lỏng hàm lượng nước mật mía nghiên cứu phân tích Nhìn chung, ảnh hưởng tham số vật liệu đầu vào tham số công nghệ tới tỷ trọng mẫu khuôn gốm không nhiều, tỷ trọng mẫu khuôn gốm nằm khoảng từ 2,2 – 2,5 g/cm3 4.2.2 Độ co khuôn gốm Độ co mẫu khuôn gốm giảm dần theo tăng mô đun thủy tinh lỏng giảm dần nhiệt độ nung Độ co tăng dần theo tăng tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng hàm lượng ziếc côn hỗn hợp bột chịu lửa Trong đó, độ co mẫu khn gốm tăng nhẹ hàm lượng chất dính tăng Căn vào liệu thực nghiệm trình bày phụ lục, luận án xây dựng phương trình hồi quy xác định độ co phụ thuộc vào tham số mô đun thủy tinh lỏng, tỷ trọng thủy tinh lỏng, tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa nhiệt độ nung dΦ = -4,47902 – 0,285Mt.t.l + 0,002919T + 3,092561ρt.t.l + 0,676691462C Trong đó: dΦ: Độ co khn gốm; Mt.t.l: Mô đun thủy tinh lỏng; T: Nhiệt độ nung; ρt.t.l: Tỷ trọng thủy tinh lỏng C: Tỷ lệ pha trộn ZrSiO4/SiO2 4.2.3 Độ xốp khuôn gốm Độ xốp mẫu tăng dần theo tăng mô đun thủy tinh lỏng, nhiên lại giảm dần tăng nhiệt độ nung Độ xốp mẫu khuôn gốm tăng tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng Tuy nhiên, độ xốp lại giảm tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng Điều lý giải thủy tinh lỏng có tỷ trọng thấp lượng nước nhiều, nên làm tăng độ xốp mẫu khn gốm Thủy tinh lỏng có tỷ trọng cao có lượng nước 12 nên độ xốp thấp Độ xốp đạt giá trị cao vùng khảo sát sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có tỷ trọng 1,27 Tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 mức thấp (30/70), độ xốp mẫu khn gốm có giá trị thấp nhất, nhiên giá trị tăng dần lên tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng lên Ở mức tỷ lệ 30/70 cho có pha trộn hợp lý hạt chịu lửa to hạt chịu lửa nhỏ vùng khảo sát nên có độ xốp thấp Khi tăng tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa lượng hạt chịu lửa có kích thước siêu mịn (bột ziếc côn) tăng lên, điều làm cho số lượng lỗ xốp nhỏ li ti mẫu khuôn gốm tăng lên làm tăng độ xốp Trong đó, hàm lượng chất dính ảnh hưởng khơng nhiều tới độ xốp mẫu khuôn gốm Khi hàm lượng chất dính thay đổi từ 23 – 27% khối lượng bột chịu lửa độ xốp thay đổi khơng nhiều, từ 39,88% giảm xuống cịn 38,95% Hình 4.19: Ảnh hưởng hàm lượng nước mật mía tới độ xốp mẫu khuôn gốm Độ xốp mẫu giảm dần đạt giá trị thấp vùng khảo sát hàm lượng nước mật mía tăng tới 3% Sau đạt giá trị nhỏ nhất, độ xốp mẫu khuôn gốm tăng trở lại theo tăng hàm lượng nước mật mía Ở mẫu sử dụng mô đun 3, độ xốp tăng trở lại tương đương với độ xốp mẫu không sử dụng nước mật mía Thậm trí hàm lượng nước mật mía lớn 7% độ xốp cịn lớn độ xốp mẫu không sử dụng nước mật mía, trình bày hình 4.19 Nhìn chung, thân nước mật mía có tính axit nhẹ (độ pH = 5,7) nên tăng hàm lượng nước mật mía thúc đẩy q trình tạo gel xảy nhanh gel xốp 13 Tương tự cách xác định phương trình hồi quy cho độ co, phương trình hồi quy độ xốp là: γk = 81,72691 + 4,145 Mt.t.l – 0,03752T – 24,893ρt.t.l + 14,52164C 4.3 Cơ tính khuôn gốm Ảnh hưởng mô đun thủy tinh lỏng nhiệt độ nung tới độ bền nén mẫu đưa hình 4.20 tới độ bền uốn mẫu hình 4.21 Kết phân tích cho thấy, độ bền nén uốn giảm đáng kể tăng mô đun thủy tinh lỏng giảm nhiệt độ nung Ở mô đun thủy tinh lỏng nhỏ ảnh hưởng nhiệt độ nung tới độ bền nén uốn lớn mô đun cao Theo kết phân tích trên, khơng có tạo thành pha nên độ bền mẫu khuôn gốm thay đổi chủ yếu phụ thuộc vào độ xốp Ở nhiệt độ thiêu kết lớn khoảng khảo sát đạt độ bền cao độ xốp thấp Ta nâng cao nhiệt nung lên 1000oC để tăng thêm độ bền cho mẫu khuôn gốm, nhiên điều không cần thiết khoảng nhiệt độ 950 – 1000oC, đạt độ bền cần thiết khuôn gốm Đặc biệt, việc nâng cao nhiệt độ nung làm giảm độ xốp, tăng chi phí sản xuất khn tăng thời gian chế tạo khn Hình 4.20: Ảnh hưởng mô đun thủy tinh lỏng nhiệt độ nung tới độ bền nén mẫu khn gốm Hình 4.21: Ảnh hưởng mô đun thủy tinh lỏng nhiệt độ nung tới độ bền uốn mẫu khuôn gốm Cơ tính mẫu khn gốm tăng tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 tăng Đặc biệt, độ bền nén độ bền uốn tăng cao tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 lớn 50/50 tỷ trọng thủy tinh lỏng lớn 1,33 g/cm3 Độ bền nén độ bền uốn mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 cao vùng khảo sát (70/30) tỷ trọng thủy tinh lỏng 1,38 g/cm3 29 MPa 17 MPa Độ bền nén uốn mẫu khn gốm tăng dần hàm lượng chất dính tăng đạt giá trị cực đại 24%, sau độ 14 bền nén uốn giảm hàm lượng chất dính tăng Độ bền nén mẫu khn gốm sau đạt giá trị cực đại vùng khảo sát giảm giá trị nhiều, độ bền uốn thay đổi khơng nhiều Giá trị lớn độ bền uốn nén đạt 24% chất dính 8,33 MPa 17,25 MPa Ảnh hưởng hàm lượng nước mật mía tới độ bền nén mẫu khn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mơ đun 4, nung nhiệt độ khác (850oC 950oC) Kết cho thấy, độ bền nén mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mô đun nung 850oC không thay đổi nhiều hàm lượng nước mật mía tăng từ 1% đến 9% Giá trị độ bền nén nằm khoảng từ 8,7 đến 12,5 MPa Tuy nhiên, mẫu lại độ bền nén tăng nhanh hàm lượng nước mật mía tăng đạt giá trị cực đại hàm lượng nước mật mía 3% Sau đạt giá trị lớn độ bền nén mẫu giảm dần hàm lượng nước mật mía lớn 3% Mặt khác, hàm lượng nước mật mía thêm vào độ bền nén mẫu khuôn gốm tăng nhiệt độ nung tăng độ bền nén giảm mô đun thủy tinh lỏng tăng Ở mẫu sử dụng thủy tinh lỏng có mơ đun 3% nước mật mía thay đổi nhiệt độ nung, độ bền nén mẫu khuôn gốm thay đổi lớn từ 12,5 MPa đến 21,7 MPa Ảnh hưởng hàm lượng nước mật mía tới độ bền uốn mẫu khn gốm tương tự ảnh hưởng nước mật mía tới độ bền nén Tuy nhiên, tác động nước mật mía tới độ bền uốn mẫu khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mơ đun khơng đáng kể tác động mạnh tới mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mơ đun Độ bền uốn mẫu khuôn gốm đạt giá trị lớn hàm lượng mật mía thêm vào 3%, sau giảm dần Mẫu khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mơ đun 3, nung 950oC có lượng giảm lớn từ 21 MPa (ở 3% nước mật mía) giảm xuống cịn 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 phương trình hồi quy trên, kết hợp với điều kiện lý thuyết tính chất khn gốm sử dụng chất dính cao cấp keo silic hay ethyl silicát trình bày phần tổng quan làm sở để xác định 15 thành phần tối ưu cho hỗn hợp làm khuôn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng phạm vi nghiên cứu Để giải tốn tối ưu này, cơng cụ Solver Excel sử dụng Kết giải tốn tối ưu cơng cụ Solver sau: Mt.t.l = 4; T = 938oC; ρt.t.l = 1,36; C = 0,7 (tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 70/30) giá trị độ co, độ xốp, độ bền nén độ bền uốn trình bày bảng 4.3 Bảng 4.3: Bảng giá trị tối ưu Độ co (%) Độ xốp (%) 1,8 Độ bền nén (MPa) 21,1 39,4 Độ bền uốn (MPa) 12,7 4.4 Cấu trúc tổ chức tế viHUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M4 chua nung Faculty of Chemistry, mẫu khuôn gốm 4.4.1 Cấu trúc 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 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: s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 01-071-0991 (C) - Zircon - ZrSiO4 - Y: 28.78 % - d x by: - 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) - - 03-065-0466 (C) - Quartz low, syn - SiO2 - Y: 33.83 % - d x by: - 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) - - 00-004-0551 (D) - Rutile - TiO2 - Y: 2.12 % - d x by: - 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 mẫu khn gốm sau đóng rắn (chưa nung) Hình 4.27 hình 4.28 trình bảy ảnh XRD mẫu khn gốm sử dụng chất dính thủy tinh lỏng có mơ-đun sau đóng rắn sau nung 950oC, kết phân tích cho thấy khơng có tạo thành pha thay đổi nhiệt độ nung mà có chuyển biến thù hình cát thạch anh Ở mẫu chưa nung, cát thạch anh (SiO2) tồn dạng Quartz 16 thấp chuyển thành dạng alpha nhiệt độ nung 850oC, dạng Quartz 900oC cuối tồn dạng Quartz thấp alpha nhiệt độ 950oC 1000oC Mặt khác, ảnh XRD mẫu khn gốm có mơ đun 4, nung Faculty of Chemistry, HUS, mật ADVANCE-Bruker - Mau M4-950C 950oC bổ sung thêm 3% nước VNU, D8mía cho kết tương tự mẫu khơng 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 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: 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: - 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) - - 01-087-2096 (C) - Quartz low - alpha-SiO2 - Y: 45.35 % - d x by: - 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) - 01-075-1750 (D) - Rutile - TiO2 - Y: 4.87 % - d x by: - 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) - - 62.4347 - Hình 4.28: Ảnh XRD mẫu khuôn gốm sau nung 950oC Hình 4.31: Ảnh SEM mặt gãy khn gốm nung 950oC, mơ đun 4: độ phóng đại thấp (a) độ phóng đại cao (b) Kết phân tích cho thấy hạt thạch anh phân bố đồng bột ziếc – Đặc biệt, lỗ xốp nhỏ li ti có kích thước nhỏ 10 µm quan sát rõ phân đố đồng mẫu phân tích (hình 4.31) Bề mặt mặt gãy có mơ đun cao có độ phẳng bề mặt gãy bề mặt có mơ đun thấp Mẫu khuôn gốm sử 17 dụng thủy tinh lỏng mô đun có mặt gãy với độ nhấp nhơ lớn cịn mẫu khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mơ đun có mặt gãy phẳng Điều lý giải mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mơ đun thấp có độ bền cao có độ xốp nhỏ nên bị bẻ gãy tạo mặt gãy có độ nhấp nhô lớn mẫu khuôn gốm sử dụng thủy tinh lỏng mơ đun cao Hình 4.35: Ảnh SEM lớp vỏ mẫu khn 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 mẫu khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mơ đun 4, nung 950oC, tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40 hàm lượng nước mật mía 1%: bề mặt mẫu (a) mặt gãy cắt ngang mẫu (b) Bề mặt mẫu khn gốm sử dụng 24% chất dính thủy tinh lỏng mịn khơng có vết nứt quan sát thấy trình bày hình 4.35 Tuy nhiên, hàm lượng chất dính tăng lên, vết nứt bề mặt mẫu khuôn gốm dần xuất với mật độ ngày tăng theo hàm lượng chất dính Đặc biệt vết nứt to theo hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tăng trình bày hình 4.37 (27% chất 18 dính) Sự xuất vết nứt lý giải sử dụng hàm lượng thủy tinh lỏng lớn kéo theo lượng nước chất dính cần giải phóng lớn, nước làm tăng độ co mẫu khuôn gốm, tăng khả nứt khuôn làm giảm độ bền mẫu khn gốm Hình 4.39: Ảnh SEM mẫu khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mơ đun 4, nung 950oC, tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40 hàm lượng nước mật mía 3%: bề mặt mẫu (a) mặt gãy cắt ngang mẫu (b) Hình 4.40: Ảnh SEM mẫu khn gốm sử dụng thủy tinh lỏng có mô đun 4, nung 950oC, tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 60/40 hàm lượng nước mật mía 5%: bề mặt mẫu (a) mặt gãy cắt ngang mẫu (b) Các lỗ xốp mẫu khn gốm khơng có nước mật mía quan sát rõ ảnh SEM mặt gãy mẫu, mẫu khuôn gốm sử dụng 1% nước mật mía có kích thước nhỏ 20µm trình bày hình 4.38b Ở mẫu chứa 3% nước mật mía, khơng quan sát lỗ xốp có kích thước lớn 5µm, lỗ xốp có kích thước nhỏ (nhỏ 1µm) phân bố bề mặt mẫu khuôn gốm chứa 3% nước mật mía 19 trình bày hình 4.39b Tuy nhiên, hàm lượng mật mía mẫu khn gốm tăng lên 5%, lỗ xốp to có kích thước lớn 5µm xuất trở lại (hình 4.40b) 4.5 Tính chất nhiệt lý khn gốm 4.5.1 Hệ số khuếch tán nhiệt độ độ dẫn nhiệt khuôn gốm mô thực nghiệm Hình 4.45 trình bày đường cong nguội vật đúc (can nhiệt số 1), biên giới khuôn - vật đúc (can nhiệt số 2) khuôn (can nhiệt số 4) thực nghiệm Kết cho thấy, tốc độ nguội ba vị trí tương đồng thể ba đường cong nguội gần song song với Hình 4.45: Đường cong nguội vật đúc khuôn gốm thực nghiệm Ở khoảng nhiệt độ thấp, nhỏ 545oC, hệ số khuếch tán nhiệt độ mô thực nghiệm tương đồng Tuy nhiên, nhiệt độ tăng lên 545oC hệ số khuếch tán nhiệt độ thực nghiệm có xu hướng giảm nhẹ cịn hệ số khuếch tán nhiệt độ mô không thay đổi Hệ số khuếch tán nhiệt độ trung bình khn gốm mơ thực nghiệm (32±0,5)x10-6 (m2/s) (31±0,5)x10-6 (m2/s) Tương tự hệ số khuếch tán nhiệt độ, khoảng nhiệt độ nhỏ 545oC, độ dẫn nhiệt mơ thực nghiệm tương đồng Khi nhiệt độ lớn 545oC độ dẫn nhiệt thực nghiệm có xu hướng giảm nhẹ cịn độ dẫn nhiệt mơ có tăng lên chút sau giữ giá trị ổn định khoảng 80±0,5 (W.m-1.K-1) Nhìn chung, giá trị độ dẫn 20 nhiệt mô thực nghiệm có sai khác định, nhiên sai khác nhỏ Giá trị trung bình độ dẫn nhiệt mơ thực nghiệm 79±0,5 (W.m-1.K-1) 77.5±0,5 (W.m-1.K-1) 4.5.2 Hệ số giãn nở nhiệt 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) 1.5 [1] 1.0 Temp./°C T Alpha/(1/K) 665.6, 894.3 : -12.8688E-06 0.5 Peak: 175.2 °C, -3.1609E-03 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 khn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 = 30/70 theo nhiệt độ Hình 4.49 trình bày thay đổi kích thước mẫu khuôn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 30/70 (% thể tích) q trình nung Kết phân tích cho thấy nhiệt độ tăng kích thước mẫu giảm dần kích thước mẫu đạt giá trị nhỏ khoảng nghiên cứu khoảng nhiệt độ 175oC, giá trị dL/Lo khoảng -3,16x10-3 mm Sự giảm kích thước khoảng nhiệt độ lý giải chủ yếu nước thủy tinh lỏng tạo nên Trong khoảng nhiệt độ có chuyển biến pha thạch anh từ γtridimit thành βtridimit 117oC, chuyển biến pha thể rõ đường vi phân theo thời gian (nét đứt) hình 4.49 Sự chuyển pha làm cho kích thước mẫu khn gốm tăng trở lại (giãn nở) Đặc biệt khoảng nhiệt độ từ 560 – 680oC có chuyển biến pha thạch anh từ βquắc thành αquắc Sự chuyển biến pha kéo theo tăng kích thước lớn hơn, kích thước mẫu khn gốm đạt giá trị lớn vùng nhiệt độ khảo sát Giá trị dL/Lo khoảng 7x10-3 mm Kết thúc chuyển pha kích thước mẫu có xu hướng giảm co ngót chung vật liệu Từ kết đo này, áp dụng lý thuyết dễ dàng tính hệ số dãn nỡ nhiệt mẫu khuôn gốm Hệ số giãn nở nhiệt 21 đạt giá trị nhỏ khoảng (-31±0,5)x10-6 (1/oC) lần chuyển pha đạt giá trị lớn lần chuyển pha thứ hai khoảng (11,5±0,5)x10-6 (1/oC) Khi tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 thay đổi theo hướng tăng ZrSiO4 giảm SiO2 nhìn chung chuyển biến pha khơng thay đổi Tuy nhiên có thay đổi lớn kích thước mẫu khn gốm, giá trị cực trị dL/Lo dịch chuyển phía nhiệt độ cao theo hướng tăng ZrSiO4 Hệ số giãn nở nhiệt mẫu khuôn gốm mang giá trị dương giảm dần hàm lượng ziếc côn hỗn hợp tăng lên, khoảng 6x10-6±0,5 (1/oC) lần chuyển pha thứ hai hàm lượng ziếc côn tăng lên 60% mang giá trị âm hàm lượng ziếc tăng lên 70% (hình 4.52) dL/Lo *10-3 Temp./°C T Alpha/(1/K) 322.0, 676.0 : 12.3721E-06 dL/dt *10-3 /(1/min) 0.8 -1 0.6 Peak: 675.3 °C, -0.9884E-03 0.4 -2 0.2 -3 0.0 Peak: 322.4 °C, -5.3689E-03 -4 Temp./°C T Alpha/(1/K) 675.0, 894.0 : -16.3652E-06 Temp./°C T Alpha/(1/K) 36.0, 321.0 : -18.8206E-06 -0.2 [2] [2] nhom - Mau sau.sl4 dL dL/dt [2] -0.4 -5 -0.6 100 200 300 400 500 Temperature /°C 600 700 800 Hình 4.52: Sự thay đổi kích thước mẫu khn gốm sử dụng bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 = 70/30 theo nhiệt độ Như vậy, mẫu khuôn gốm có xu hướng co thay đổi kích thước hàm lượng ziếc tăng điều làm giảm khả nứt khuôn nung, điều phù hợp với nghiên cứu thực nghiệm trình bày phía Nghiên cứu thực nghiệm luận án rõ độ bền khuôn gốm tăng dần theo tăng hàm lượng ziếc côn hỗn hợp khuôn gốm 4.6 Đúc thử nghiệm Độ co khuôn vật đúc mẫu có dao động nhẹ theo kích thước, sai số trình đo Nhìn chung, độ co lịng khn khoảng 1,7 – 1,9% độ co vật đúc khoảng 3,8 – 4,0% (bao gồm độ co kim loại đúc C40) 22 Hình 4.57: Sản phẩm đúc thử Sản phẩm đúc làm sơ (chưa qua phun bi) trình bày hình 4.57 Số lượng sản phẩm đúc thử sản phẩm, nhân viên đại diện công ty Monarch đánh giá sơ ngoại quan kích thước sản phẩm đạt tiêu chuẩn nhập hàng công ty Monarch Industries Limited, Hoa Kỳ Cụ thể tiêu chuẩn kiểm tra dung sai kích thước đúc (cụ thể theo dung sai kích thước ghi vẽ) độ nhám bề mặt 2,54 – 3,05µm KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN Luận án nghiên cứu ảnh hưởng tham số cơng nghệ tới tính chất khuôn gốm, tập trung vào hai đối tượng nghiên cứu vật liệu chịu lửa chất dính Trong đó, tỷ lệ pha trộn bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 (bằng 30/70; 40/60; 50/50; 60/40 70/30), mô đun thủy tinh lỏng (bằng 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 5,0), tỷ trọng thủy tinh lỏng (bằng 1,27; 1,30; 1,33; 1,36 1,38) nhiệt độ nung (bằng 850; 900; 950 1000oC) nghiên cứu đánh giá vai trị ảnh hưởng tới chất lượng khn gốm Ngồi ra, ảnh hưởng hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng (từ 23 – 27%) chất dính phụ nước mật mía (có hàm lượng từ – 9% khối lượng chất dính) nghiên cứu phân tích Luận án nghiên cứu xác định giá trị hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán nhiệt độ hệ số giãn nở nhiệt khuôn gốm Đặc biệt, phương pháp chế tạo mô đun thủy tinh lỏng mô đun cao (lớn 3) xác định chế đóng rắn thủy tinh lỏng mô đun cao (từ 3,0 – 5,0) nghiên cứu, phân tích đánh giá luận án 23 Trong khoảng nghiên cứu mô đun thủy tinh lỏng thay đổi phạm vi từ đế nhiệt độ nung thay đổi phạm vi từ 850-1000oC cho thấy tăng mô đun thủy tinh lỏng độ bền, độ co tỷ trọng khn giảm, độ xốp tăng Ngược lại, tăng nhiệt độ nung độ bền, độ co tỷ trọng khuôn tăng, độ xốp giảm Mặt khác, thay đổi tỷ lệ bột chịu lửa tỷ trọng thủy tinh lỏng độ bền, độ co, độ xốp tỷ trọng khuôn gốm tăng tăng hàm lượng bột ZrSiO4 Tuy nhiên, độ xốp khn gốm lại giảm cịn tỷ trọng, độ bền độ co khuôn gốm tăng tỷ trọng thủy tinh lỏng tăng Đặc biệt, luận án xây dựng phương trình hồi quy cho giá trị độ co (1), độ xốp (2), độ bền uốn (3) độ bền nén (4) Từ tìm thành phần tối ưu khn gốm gồm: mô đun thủy tinh lỏng 4, nhiệt độ nung 950oC, tỷ trọng thủy tinh lỏng mô đun 1,36 tỷ lệ ZrSiO4/SiO2 = 70/30 Với thành phần này, giá trị độ co, độ xốp, độ bền uốn độ bền nén tương đương với khuôn gốm sử dụng chất dính cao cấp keo silic hay ethyl silicát, giá trị 1,8%; 39,4%; 12,7 MPa 21,1 MPa dΦ = -4,47902 – 0,285Mt.t.l + 0,002919T + 3,092561ρt.t.l + 0,6766914C (1) γk = 81,72691 + 4,145 Mt.t.l – 0,03752T – 24,893ρt.t.l + 14,52164C (2) σu = -64,5666 – 5,2825Mt.t.l + 0,038703T + 35,26325ρt.t.l + 20,19854C (3) σn = -126,057 – 9,6835Mt.t.l + 0,069369T + 75,32468ρt.t.l + 26,22925C (4) Sự ảnh hưởng hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng chất dính phụ mật mía tới khn gốm nghiên cứu luận án Trong khoảng nghiên cứu, độ bền khuôn gốm đạt giá trị cao hàm lượng chất dính 24% hàm lượng mật mía 3% khối lượng chất dính Tuy nhiên, độ xốp khn gốm giảm dần hàm lượng chất dính thủy tinh lỏng tăng giá trị độ xốp khuôn gốm đạt giá trị nhỏ hàm lượng nước mật mía 3% Nhìn chung, lượng mật mía thêm vào cải thiện đáng kể độ bền khuôn gốm làm giảm độ xốp so với khuôn gốm không sử dụng chất phụ khơng làm giảm độ thơng khí khn Lượng dùng phù hợp khoảng 24 – 25% chất dính 3% nước mật mía Đã nghiên cứu q trình giãn nở nhiệt khn gốm nung để từ xác định khoảng nhiệt độ chuyển pha thạch anh kéo theo thay đổi kích thước khn gốm Hai khoảng nhiệt độ có chuyển pha 117oC 573oC, khoảng nhiệt độ này, tốc độ nâng nhiệt nên để khoảng thời gian định (khoảng 30 phút) để q trình chuyển pha diễn hồn tồn, giảm khả nứt khuôn tới 24 mức cao Nhiệt độ nung khn phù hợp 950oC, với tốc độ nâng nhiệt khoảng 5oC/phút Nghiên cứu hàm lượng thạch anh hỗn hợp tăng thay đổi kích thước khn gốm nung lớn làm tăng khả nứt khn Bên cạnh giãn nở khuôn gốm lớn ảnh hưởng tới độ xác kích thước vật đúc Độ giãn nở nhiệt trung bình khn gốm khoảng nhiệt độ từ 30 – 900oC ứng với tỷ lệ bột chịu lửa ZrSiO4/SiO2 = 30/70 ; 60/40 70/30 (-2,976±0,5)x10-6/oC; (-6,02±0,5)x106 o / C; (-11,9±0,5)x10-6/oC Đã xác định hệ số khuếch tán nhiệt độ độ dẫn nhiệt thực nghiệm Đặc biệt, kết thực nghiệm so sánh với lý thuyết thông qua phần mềm mô Procast 2008 Kết cho thấy, hệ số khuếch tán nhiệt độ độ dẫn nhiệt mô thực nghiệm tương đồng Hệ số khuếch tán nhiệt độ mô thực nghiệm khoảng nhiệt độ từ 440 – 650oC (32±0,5)x10-6 (m2/s) (31±0,5)x10-6 (m2/s) độ dẫn nhiệt mô thực nghiệm 79±0,5 (W.m-1.K-1)) 77,5±0,5 (W.m-1.K-1)) Đặc biệt, luận án xác định chế đóng rắn thủy tinh lỏng mô đun cao Tổ chức màng chất dính bao gồm gel silisic silicát natri, thủy tinh lỏng mơ đun cao thời gian tạo gel ngắn kích thước hạt silicate natri to Đây nguyên nhân làm giảm độ bền tăng độ xốp hỗn hợp khuôn sử dụng chất dính thủy tinh lỏng mơ đun cao Các nghiên cứu trước cho thủy tinh lỏng dính kết hạt cát đóng rắn thay đổi pH khử nước vật lý kết hợp chế sản phẩm cuối sau đóng rắn gel silisic Do đó, kết nghiên cứu luận án coi phát chế đóng rắn thủy tinh lỏng, đặc biệt thủy tinh lỏng mô đun cao điều kiện nước ta Đã tiến hành đúc thử sản phẩm xuất công ty Monarch Industries Limited, Hoa Kỳ theo thành phần phần khuôn chế độ công nghệ Kết luận ban đầu 100% sản phẩm đúc thử đạt yêu cầu dung sai kích thước đúc (cụ thể theo dung sai kích thước ghi vẽ) độ nhám bề mặt 2,54 – 3,05µm, đạt tiêu chuẩn công ty Monarch Industries Limited, Hoa Kỳ  ... xác định mục đích nghiên cứu luận án - Chương 2: Đặc tính vật liệu chế tạo khuôn gốm: Chương phân tích sở lý thuyết vật liệu chế tạo khn gốm từ xác định phạm vi nghiên cứu luận án - Chương 3: Đối... 4: Kết thảo luận: Chương trình bày kết nghiên cứu luận án phân tích đánh giá kết luận án - Kết luận chung luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHN GỐM 1.1 Tình hình cơng nghệ khn gốm giới Chất... 2,54 – 3,05µm KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN Luận án nghiên cứu ảnh hưởng tham số cơng nghệ tới tính chất khn gốm, tập trung vào hai đối tượng nghiên cứu vật liệu chịu lửa chất dính Trong đó, tỷ lệ pha