Nghiên cứu này đã sử  dụng  sáp tổng hợp polyethylene (PE) để cải thiện cơ tính cũng  như độ co ngót  cho hỗn hợp sáp chế tạo mẫu chảy  đang được sử  dụng  phổ biến trong nước…

The effect of polyethylene wax  on properties of wax  pattern in investment casting process

 Đỗ Văn Quảng và Đào Hồng Bách
Trường Đại học  Bách khoa  Hà Nội

Ngày nhận bài: 2/1/2014, Ngày duyệt đăng: 6/12/2014

 Tóm  tắt

Nghiên cứu này đã sử  dụng  sáp tổng hợp polyethylene (PE) để cải thiện cơ tính cũng  như độ co ngót  cho hỗn hợp sáp chế tạo mẫu chảy  đang được sử  dụng  phổ biến trong nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng sáp PE trong hỗn  hợp tăng thì cơ tính của nó tăng, tuy nhiên độ co ngót có xu hướng giảm khi hàm lượng sáp PE tăng và đạt giá  trị thấp nhất khi hàm lượng sáp PE bằng  20 %.

Từ khóa: đúc mẫu chảy,  sáp PE, độ co ngót,  cơ tính

Abstract

This paper  investigated the effect of polyethylene wax contents on properties of wax patterns. Obtained results showed that mechanical properties of wax  patterns were increased with increasing of PE wax  content. However, the shrinkage of wax patterns has the lowest  value  at 20 wt % of PE wax.

Keywords: investment casting, polyethylene wax, shrinkage, mechanical property

1. Mở đầu

Công nghệ đúc mẫu chảy đã được sử dụng phổ biến trên thế giới  [1-5]. ở công  nghệ đúc này, mẫu dùng để tạo lòng khuôn thường được làm bằng sáp. Mẫu sáp  được  chế  tạo  bằng  nhiều  phương pháp như đùn sáp lỏng vào trong khuôn  kim loại sau đó làm nguội  để  sáp đông  đặc  hoặc sử dụng  khuôn cao  su  để  chế tạo mẫu sáp. Tiếp theo  mẫu  sáp được ghép  thành  chùm và được nhúng  vào trong huyền  phù  gốm  để  tạo  lớp  vỏ  gốm  bao  quanh chùm mẫu chảy. Sau  đó mẫu chảy được lấy ra khỏi vỏ khuôn  gốm  bằng  cách làm chảy  sáp hoặc đốt sáp. Cuối cùng, vỏ khuôn  gốm  được cho vào lò để nung nhằm đạt độ bền tối đa cũng như cải thiện độ thông khí cho khuôn.  Khuôn sau khi nung  xong thì rót kim loại lỏng vào trong khuôn  đang ở nhiệt độ cao  để chế tạo chi tiết đúc.

Chất lượng sản phẩm đúc của phương pháp đúc mẫu chảy  phụ  thuộc  vào nhiều yếu tố,  trong  đó mẫu chảy  ảnh  hưởng tới chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước của  sản phẩm đúc. Hiện nay đã có khá nhiều công bố nghiên cứu về vật liệu chế tạo mẫu chảy,  dưới đây tóm  tắt một  số công  trình tiêu  biểu.

Tascyogy và cộng  sự [6] đã tìm ra hỗn  hợp sáp khá phức  tạp gồm  nhiều thành phần: sáp tự nhiên, sáp tổng hợp, vật liệu chống co ngót và thậm chí là cả nước. Ông đã dùng các tính chất sau để đánh giá chất lượng hỗn  hợp sáp nghiên cứu: độ cứng,  khối lượng  riêng  và độ  nhớt. Trong  khi đó,  Sabau và Viswanathan [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của  các chất phụ bổ sung vào sáp. Chất phụ được dùng cho nghiên cứu  chế tạo  sáp cho  công  nghệ đúc  mẫu chảy  gồm  nhiều loại như: chất dính, nhựa, vật liệu chống co ngót,  dầu và chất nhựa  hóa. Nghiên cứu đã cho thấy sự thay  đổi kích thước giữa mẫu chảy và vật đúc phụ  thuộc  vào độ giãn  nở  nhiệt, độ co ngót,  biến  dạng  nóng,… của  vật liệu chế tạo  mẫu chảy, vật liệu làm khuôn  và quá trình đông đặc của hợp kim đúc. Okhuysen và cộng  sự [8] đã tìm ra độ co ngót của mẫu chảy là phần lớn nhất của sự thay đổi  kích  thước  chung  giữa  mẫu  chảy  và vật đúc.

Ảnh hưởng của sáp polyethylene

Ảnh hưởng của sáp polyethylene

Nghiên cứu  đã sử dụng  mô hình  toán để tính trên máy tính kích thước của  mẫu chảy  và kết luận rằng sự khác nhau  chủ yếu trong việc sử dụng  máy tính để dự đoán  trước  sự thay  đổi kích thước của  mẫu chảy  với thực  tế là do thiếu các công  thức  toán và các tính chất của  vật liệu sáp. Gebelin và Jolly [9] đã đánh giá độ chính xác kích thước của mẫu chảy dựa trên kết quả thu được từ kích thước của vật đúc. Nghiên  cứu  đã  kết  luận  rằng  độ  chính  xác  của khuôn kim loại chế tạo mẫu sáp đóng góp vai trò rất lớn, ảnh  hưởng tới độ chính xác của  mẫu sáp cũng như vật đúc. Liu và công  sự [10] đã chỉ ra rằng hầu hết các mẫu chảy đều có sự giãn nở đột ngột trong quá trình thoát sáp, điều này dễ gây nứt khuôn gốm. Các vết nứt ở khuôn gốm có thể được loại bỏ nếu sử dụng  mẫu  bằng  nước  đông  cứng  (nước  đá)  theo công  nghệ tạo mẫu nhanh.

Nhìn chung, kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy độ co dài của  hỗn  hợp sáp nằm trong khoảng (1,2÷2,5) %, còn độ co thể tích trong khoảng (4÷9) % [11, 12]. Giới hạn bền uốn  trong khoảng (300÷600) g/mm2. Còn ở nước ta, hỗn hợp sáp chủ yếu là paraf- fin và stearin nên có độ co ngót cao (khoảng 6÷8 %) và độ bền thấp (nhỏ hơn 200 g/mm2), không chế tạo được những loại mẫu chảy lớn và có hình dạng phức tạp. Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của  sáp PE tới cơ tính và độ co ngót  của  hỗn  hợp sáp dùng để chế tạo mẫu chảy nhằm cải thiện chất lượng vật liệu chế tạo mẫu chảy trong nước.

2. Thực nghiệm

Thành phần của  hỗn  hợp sáp ban  đầu được sử dụng  và các thông  số công  nghệ của  chúng  được cho ở bảng 1, trong đó tổng khối lượng của 4 loại vật liệu: paraffin,  nhựa  thông,  stearin  và xerezin  bằng 100 %, hàm lượng sáp PE thay đổi trong khoảng từ 0 đến 20 % khối lượng của  4 loại vật liệu trên.

Bảng 1. Thành phần và các thông  số của hỗn  hợp sáp

TT Loại sáp  Tỷ trọng
(g/cm3)
Nhiệt độ
nóng chảy (oC)
Độ co ngót (%) Hàm lượng
(% khối lượng)

1

Paraffin 0,78 64 6,2 30
2 Nhựa thông 0,86 160 10
3 Stearin 0,86 63 5,4 40
4 Xerezin 0,83 76 4,3 20
5 Sáp PE 0,92 110 3,6

0 – 20

Đầu  tiên  3 loại sáp  paraffin,  stearin  và xerezin được nấu chảy  cùng  nhau. Nhựa  thông  được  nấu chảy  riêng, khi tất cả  cùng chảy  thì đổ hỗn  hợp 3 loại  sáp vào với  nhựa  thông  và khuấy  đều  trong vòng 1 phút. Sau  đó hỗn  hợp được đổ ra khuôn  để làm nguội,  gọi là hỗn  hợp sáp A. Tiếp đó, hỗn  hợp sáp A được nấu chảy để pha trộn với sáp PE, lượng sáp PE cho vào theo  các tỷ lệ: 5, 10, 15 và 20 % khối lượng của  hỗn  hợp sáp A. Sáp  PE  được nấu chảy  tách  riêng  với  hỗn  hợp  sáp A, khi cả  2 đều chảy thì đổ hỗn hợp sáp A vào sáp PE và khuấy đều trong vòng 1 phút rồi đổ vào khuôn tạo mẫu ở nhiệt độ 90 oC.

Độ co ngót của sáp được chia làm 2 loại là co dài và co thể tích. Độ co dài được tính toán dựa trên kích thước của  khuôn  và kích thước của  mẫu như trình bày ở hình 1. Độ co thể tích được đo như sau: bịt kín khuôn  tạo mẫu sáp bằng  đất sét, sau đó đổ nước vào khuôn để xác định thể tích của khuôn (Vk). Thể tích  của  mẫu sáp được  xác  định  bằng  cách nhấn chìm trong  cốc  nước có phân vạch đo như hình 2, lượng nước dâng lên chính là thể tích của  mẫu sáp (Vm). Độ co thể tích được tính theo  công  thức:

ct1_sapPolyethylene

Độ cứng của sáp được đo theo tiêu chuẩn ASTM D5 của Hoa Kỳ, sử dụng thiết bị đo độ cứng chuyên dùng cho  sáp như trình bày ở hình 3. Nhiệt độ đo mẫu nằm trong khoảng (28÷30) oC. Độ bền uốn của mẫu được đo bằng máy đo độ bền vạn năng MTS – 793 (Hoa Kỳ), tốc độ hạ tải thiết lập cho máy là 0,07 mm/s.  Nhiệt độ đo mẫu nằm trong khoảng (30÷32)oC, phương  pháp kiểm  tra  độ  bền  uốn  3 điểm đã được thực hiện, 5 mẫu cho mỗi giá trị đo.

Độ bền uốn  được xác định theo  công  thức: 

 

ct2_sapPolyethylene

Trong đó σ: giới hạn bền uốn (MPa), F: tải trọng lớn nhất (N), L: khoảng cách giữa 2 nhịp tải (span distance;  mm),  b:  chiều  rộng  của  mẫu  (mm),  d: chiều dày của mẫu (mm). 

Hình 3. Thiết bị đo độ cứng  của sáp

Hình 3. Thiết bị đo độ cứng  của sáp

3. Kết quả và thảo luận

Hình 4. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ co ngót thể tích của hỗn  hợp sáp A

Hình 4. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ co ngót thể tích của hỗn  hợp sáp A

Ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ co ngót thể tích của  hỗn  hợp sáp chế tạo  mẫu chảy  được trình bày ở hình 4. Kết quả cho thấy độ co ngót  thể tích của  hỗn  hợp sáp giảm khi hàm lượng sáp PE tăng  và đạt  giá  trị  nhỏ  nhất ở  hàm lượng  sáp PE bằng  20 %. ở mức 20 % khối lượng sáp PE,  giá trị độ co thể tích gần tương đương với giá trị độ co thực của sáp PE, bằng  3,6 %.  

Hình 5. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ co dài của hỗn  hợp sáp A

Hình 5. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ co dài của hỗn  hợp sáp A

Hình 5 trình bày ảnh  hưởng của  hàm lượng sáp PE tới độ co dài của hỗn hợp sáp chế tạo mẫu chảy. Tương tự như độ co thể tích, độ co dài của  hỗn  hợp sáp giảm khi hàm lượng sáp PE tăng và đạt giá trị nhỏ nhất khi hàm lượng sáp PE trong hỗn hợp bằng 20  %. Giá  trị  độ co  dài  và co  thể tích  này tương đương với độ co của  hỗn  hợp sáp đã được các tác giả khác công  bố.

Hình 6. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ cứng  của hỗn  hợp sáp A

Hình 6. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ cứng  của hỗn  hợp sáp A

Hình 6 trình bày ảnh  hưởng của  hàm lượng sáp PE  tới độ cứng  của  hỗn  hợp sáp A. Trong  khoảng nghiên cứu, hàm lượng sáp PE tăng từ 0 đến 20 %, thì độ cứng  của  hỗn  hợp sáp cũng  tăng. Giá trị cao nhất ở hàm lượng sáp PE bằng 20 % là 81 HA, đây là giá trị độ cứng  khá cao  khi so sánh với độ cứng của  mẫu sáp Trung Quốc  hay  hỗn  hợp sáp không có sáp PE (67 HA). Hỗn hợp sáp có độ cứng cao sẽ làm  cho  mẫu sáp  có  khả  năng chống lại  va  đập trong  quá  trình  chế tạo  mẫu chảy,  giảm thiểu khả năng sứt hay vỡ mẫu.

Hình 7. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ bền uốn  của hỗn  hợp sáp A

Hình 7. ảnh hưởng của hàm lượng sáp PE tới độ bền uốn  của hỗn  hợp sáp A

Ảnh hưởng  của  hàm lượng  sáp PE  tới  độ  bền uốn của hỗn  hợp sáp A được trình bày ở hình 7. Kết quả cho thấy độ bền uốn của hỗn hợp sáp tăng khi hàm lượng sáp PE tăng và đạt giá trị lớn nhất trong khoảng nghiên  cứu  khi hàm  lượng  sáp PE  bằng 20%. So với các hỗn  hợp sáp được nghiên cứu trên thế giới thì độ bền này là khá cao.  Hỗn hợp sáp có cơ tính cao  sẽ được dùng để chế tạo được những mẫu sáp có độ phức  tạp cao,  thành mỏng  và kích thước lớn.

4. Kết luận

Đã khảo  sát ảnh  hưởng của  hàm lượng sáp PE tới độ co và cơ tính của  hỗn hợp sáp ban  đầu gồm: paraffin, nhựa  thông,  stearin và xerezin. Thấy rằng độ co của  hỗn  hợp sáp đạt giá  trị thấp nhất bằng 3,6% đối với co thể tích và 1,3 % đối với co dài. Mặt khác, cơ tính của  hỗn  hợp sáp tăng khi hàm lượng của  sáp PE  trong  hỗn  hợp  tăng  và đạt  giá  trị cao nhất trong khoảng nghiên cứu tại hàm lượng sáp PE bằng  20 %. Độ cứng  và giới hạn bền uốn  của  hỗn hợp sáp khi hàm lượng sáp PE trong hỗn hợp bằng 20 % lần lượt là 81 HA và 6,6 MPa.

 Lời cảm ơn

Tác giả xin chân thành cảm  ở Sở  Khoa  học  và công  nghệ  Hà Nội đã cung  cấp tài chính để hoàn thành nghiên cứu này.

  1. 1. Eddy W. P., Barbero R. J., Dieters W. I., Esarey B. , Frey L., Gros J. R., et al.; Investment casting, In: Lyman T. (Ed.), Ohio, American Society for Metals, 1974, p. 237-261
  2. 2. Horton R. A., Investment casting, In: Lyman T. (Ed.), Ohio: American Society for Metals, 1987, p. 253-269
  3. 3. Hamilton , Tooling for lost wax investment casting, AFS Trans 93, 1985, p. 903-906
  4. 4. Brown J. R., Barlow , Bastin S. B., Bill D., Birch J. M., Calvert A. B., et al.; The investment casting process, Foundryman 90, 1997, p. 175-181
  5. 5. Piwonka T. S., Woodburry K. A., Wiest J. M.; Modeling casting dimensions: effect of wax rheology and interfacial heat transfer, Mater Design 21, 2000, 365-372
  6. 6. Tascyoglu S., Inem B. and Akar N.; Conversion of an investment casting sprue wax to a pattern wax by the mod- ification of its properties, Materials and Design, vol. 25, 2004, pp 499 – 505
  7. 7. Sabau A. S. and Viswanathan S.; Material properties for predicting wax pattern dimensions in investment casting, Material Science and Engineering A, vol. 362, 2003, pp 125-134
  8. 8. Okhuysen V. F., Padmanabhan K. and Voigt R. C.; Tooling allowance practices in investment casting industry, Proceedings of the 46th Annual Technical Meeting of the Investment Casting Institute, Orlando, USA, 1998, Paper no.
  9. 9. Gebelin J. C.  and  Jolly   R.;  Modeling  of  the  investment  casting  process,  Journal  of  Material  Processing Technology, vol. 135, 2003,  pp 291 – 300
  1. 10. Liu Q., Sui G. and Leu M. ; Experimental study on the ice pattern fabrication for the investment casting by rapid freeze prototyping (RFP), Computers in Industry, vol. 48, 2002, pp 181 – 197
  2. 11. Omkar Bemblage and  Benny Karunakar  D.; A Study on  the Blended  Wax  Patterns  in  Investment  Casting Process, Proceedings of the World Congress on Engineering, Vol. I WCE 2011,  July 6 – 8, 2011,  London, UK
  1. 12. Miehio Ito, Toshio Yamagishi, Yoshiki  Oshida and Carlos  A.  Munoz; Effect  of  selected physical  properties of  waxes on  investments and  casting  shrinkage, The Journal of prosthetic dentistry, Fe 1996, pp. 211 – 216

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>