Đúc nhôm có lẽ là công nghệ và phương pháp quan trọng nhất trong chuỗi cung ứng sản phẩm nhôm. Sự phát triển công nghệ của con người đã trải qua những thay đổi lớn trong hàng thiên niên kỷ. Các xã hội thời đại đồ đồng cuối cùng đã bị thay thế bởi những xã hội sử dụng sắt. Đến lượt mình, sắt đã nhường chỗ cho thép vào thế kỷ 19 và thép bắt đầu nhường chỗ cho nhôm vào những năm 1940. Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ ba trong lớp vỏ trái đất. Rất dễ tìm thấy muối của nó ở nồng độ cao—và với năng lượng có sẵn, nó rất dễ tinh chế. Nhôm là chìa khóa cho hầu hết các lĩnh vực công nghệ và đúc nhôm là một trong những quy trình then chốt đưa vật liệu này vào sử dụng phổ biến và được đánh giá cao. Khả năng sản xuất các bộ phận hoàn thiện theo hình dạng lưới có độ chính xác cao, trọng lượng nhẹ và độ bền vừa phải mang lại sức mạnh cho mọi lĩnh vực sản xuất.
Đúc nhôm là gì?
Đúc nhôm bao gồm việc đổ nhôm nóng chảy vào các khoang khuôn (cavity), khuôn được thiết kế chính xác để tạo ra các bộ phận có độ bền cao và chất lượng cao. Quy trình hiệu quả này rất lý tưởng để tạo ra các thành phần phức tạp, tinh vi và chi tiết phù hợp chính xác với các thông số kỹ thuật của thiết kế ban đầu.
Nhôm và nhiều hợp kim của nó có điểm nóng chảy tương đối thấp và độ nhớt thấp khi nóng chảy, tuy nhiên khi nguội tạo thành chất rắn cứng và chắc. Nhiều quy trình đúc tận dụng các đặc tính này bằng cách tạo khoang chịu nhiệt (thành một hoặc hai phần), trong đó nhôm nóng chảy được đổ vào. Sau đó, nhôm nguội và đông đặc, mang hình dạng của khoang mà nó đã lấp đầy. Các khoang được sử dụng cho mục đích này khác nhau về vật liệu và kết cấu, và các quy trình có nhiều tên gọi khác nhau.
Đặc tính của nhôm đúc
- Hợp kim nhôm có độ dẻo đa dạng, thường thấp hơn kim loại nhôm nguyên chất vốn rất mềm.
- Độ bền kéo cực đại (UTS) thay đổi đáng kể theo quy trình. Khi đạt được độ xốp thấp bằng cách khử khí mạnh trong quá trình nấu chảy và đúc áp suất cao, UTS sẽ tiếp cận mức tối ưu cho hợp kim. Một số hợp kim được phát triển để có khả năng phục hồi cao hơn và một số hợp kim khác có độ cứng cao hơn, ngụ ý xu hướng giòn hơn. Độ bền kéo phụ thuộc vào loại hợp kim, trong đó nhôm nguyên chất có giá trị thấp nhất. Ví dụ, nhôm nguyên chất có độ bền kéo 90 MPa trong khi hợp kim đúc A07130 có giá trị 221 MPa.
- Vật đúc có độ xốp cao hơn bị suy yếu nghiêm trọng do các tạp chất/ lỗ rỗng khí có thể phổ biến trong các phương pháp ít được kiểm soát hơn. Độ xốp là một vấn đề kinh niên đối với đúc nhôm áp suất thấp.
- Đúc nhôm mang lại tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng đặc biệt, chỉ bị đánh bại bởi các bộ phận bằng magiê hoặc titan đắt tiền hơn.
- Khả năng chống ăn mòn cao là điều bình thường ở các bộ phận bằng nhôm đúc.
- Độ dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời.
- Nhìn chung có khả năng chịu nhiệt. Nhôm đúc có khả năng chịu nhiệt trong giới hạn của vật liệu, thay đổi đáng kể tùy theo hợp kim. Ví dụ, hợp kim AlSi dễ đúc, chống nứt do nhiệt và có thể chịu được nhiệt độ lên tới 180°C. Để có khả năng phục hồi nhiệt độ cao hơn, hợp kim AlCu có thể chịu được nhiệt độ 350°C nhưng yêu cầu hình dạng đơn giản hơn và tiết diện dày hơn để đúc tốt. Mặt khác, hợp kim AlMg cũng mang lại hiệu suất nhiệt độ tốt và khả năng đúc tốt hơn AlCu nhưng độ bền thấp hơn.
Các công nghệ đúc nhôm phổ biến
Đúc khuôn vĩnh cửu
Chi phí đáng kể trong đúc khuôn nhôm vĩnh cửu là gia công và định hình khuôn, thường được làm từ thép. Khuôn được chế tạo để phù hợp với hình dạng hình học của bộ phận được thiết kế, với các thông số kỹ thuật thiết kế được chia thành hai nửa. Trong quá trình phun, các nửa này được bịt kín chặt chẽ để ngăn không khí hoặc chất gây ô nhiễm xâm nhập. Khuôn được làm nóng trước khi nhôm nóng chảy, có thể được múc, đổ hoặc bơm vào.
Sau khi đổ nhôm, khuôn được để nguội, tạo điều kiện cho bộ phận đông cứng lại. Sau khi nguội, bộ phận được nhanh chóng lấy ra khỏi khuôn để tránh hình thành khuyết tật.
Mặc dù quy trình này có vẻ đơn giản nhưng đây là một phương pháp được thiết kế một cách khoa học và kỹ thuật được thiết kế để sản xuất số lượng lớn.
Đúc khuôn áp lực – Die Casting
Đúc khuôn áp lực là một quá trình sản xuất trong đó nhôm nóng chảy được bơm dưới áp suất cao vào khuôn được thiết kế chính xác. Phương pháp này tạo ra các bộ phận có độ chính xác đặc biệt và yêu cầu hoàn thiện hoặc gia công tối thiểu. Do tính chất nhanh chóng của nó, đúc khuôn là giải pháp lý tưởng cho việc sản xuất hàng loạt các bộ phận có khối lượng lớn.
Có hai loại đúc khuôn chính: buồng nóng (hot chamber) và buồng lạnh (cold chamber). Sự khác biệt nằm ở cách kim loại nóng chảy được đưa vào khuôn. Trong khuôn đúc buồng nóng, nồi nấu chảy được kết nối trực tiếp với hệ thống đúc khuôn và một pít tông ép kim loại nóng chảy qua cổ ngỗng vào khuôn. Trong đúc khuôn buồng lạnh, nồi nấu chảy tách biệt với hệ thống đúc khuôn; kim loại nóng chảy được múc vào buồng lạnh rồi ép vào khuôn bằng pít tông.
Đúc khuôn áp lực chân không
Đúc khuôn chân không sử dụng vỏ chuông kín khí được trang bị lỗ rót ở phía dưới và lỗ chân không ở phía trên. Quá trình bắt đầu bằng cách nhúng cuống rót bên dưới bề mặt nhôm nóng chảy. Sau đó, chân không được tạo ra trong bộ phận thu, tạo ra chênh lệch áp suất giữa khoang khuôn và nhôm nóng chảy trong nồi nấu.
Chênh lệch áp suất này kéo nhôm nóng chảy lên trên qua phần phun vào khoang khuôn, tại đó nó đông lại. Sau khi đông lại, khuôn được lấy ra khỏi bộ phận thu, mở ra và đẩy chi tiết ra.
Bằng cách kiểm soát chân không và chênh lệch áp suất giữa khoang khuôn và nhôm nóng chảy, tốc độ nạp có thể được quản lý chính xác để đáp ứng các yêu cầu về thiết kế và cổng của chi tiết. Kiểm soát này tăng cường khả năng đảm bảo độ chắc chắn và chất lượng của chi tiết hoàn thiện.
Việc nhúng phần phun bên dưới bề mặt nhôm nóng chảy đảm bảo nhôm không bị oxit và cặn, tạo ra các chi tiết sạch và chắc với ít vật liệu lạ nhất.
Đúc mẫu chảy – Investment Casting
Đúc mẫu chảy, còn được gọi là đúc sáp, bắt đầu bằng cách phun sáp vào khuôn để tạo ra một mẫu của sản phẩm hoàn thiện. Các mẫu sáp được gắn vào một cuống để tạo thành hình dạng giống như cây. Sau đó, cụm lắp ráp này được nhúng nhiều lần vào bùn, tạo thành một lớp vỏ gốm chắc chắn xung quanh các hình dạng sáp.
Sau khi lớp vỏ gốm đã cứng lại, nó được nung trong lò hấp để loại bỏ sáp. Sau đó, lớp vỏ được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết trước khi nhôm nóng chảy được đổ vào ống rót. Nhôm chảy qua các đường dẫn và cổng vào khuôn. Sau khi nhôm đông cứng lại, lớp vỏ gốm sẽ bị vỡ ra và các bộ phận đúc riêng lẻ được tách ra khỏi cây.
Đúc mẫu cháy – Lost Foam Casting
Quy trình đúc mẫu cháy là một biến thể của đúc mẫu chảy sử dụng bọt polystyrene thay vì sáp. Các mẫu được đúc từ polystyrene và lắp ráp thành từng cụm, tương tự như các rãnh và rãnh phun trong đúc mẫu chảy truyền thống. Các hạt polystyrene được phun vào khuôn nhôm đã được nung nóng dưới áp suất thấp, với hơi nước được sử dụng để làm nở bọt và lấp đầy các khoang rỗng.
Sau đó, mẫu này được nhúng vào cát khô dày đặc, được nén chặt bằng rung để loại bỏ bất kỳ khoảng trống hoặc túi khí nào. Khi nhôm nóng chảy được đổ vào khuôn cát, bọt sẽ bị đốt cháy, để lại phần đúc đã hình thành.
Đúc khuôn cát – Sand Casting
Quy trình đúc cát bao gồm việc đóng gói cát xung quanh một mẫu có thể tái sử dụng, xác định hình dạng, chi tiết và cấu hình của sản phẩm cuối cùng. Mẫu này bao gồm các ống nâng để cho phép đổ kim loại nóng chảy vào khuôn và cung cấp vật liệu bổ sung trong quá trình hóa rắn, giúp ngăn ngừa độ xốp co ngót.
Mẫu cũng có một ống rót, được sử dụng để đưa kim loại nóng chảy vào khuôn. Để tính đến sự co ngót trong quá trình làm mát, mẫu được làm lớn hơn một chút so với sản phẩm cuối cùng. Cát đủ chắc chắn và ổn định để giữ hình dạng của mẫu và có khả năng chống tương tác với kim loại nóng chảy.
Lợi ích của đúc nhôm
- Tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao.
- Sức bền cao.
- Trọng lượng thấp.
- Độ bền dưới tải thay đổi và tuần hoàn.
- Độ chính xác cao.
- Gia công dễ dàng.
- Sản xuất số lượng lớn và tự động.
- Độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao.
- Ít ăn mòn, ngay cả trong môi trường biển.
Hạn chế của đúc nhôm
- Độ bền mỏi từ trung bình đến kém.
- Khả năng chống mài mòn rất kém.
- Không có khả năng chịu lực như một bề mặt chịu lực.
- Dễ bị tổn thương do nhiệt độ ở mức trung bình.
Nhôm đúc so với Nhôm
Không có sự khác biệt giữa nhôm đúc và nhôm. Nhôm đúc là vật liệu cơ bản tương tự (nhôm) đã trải qua quá trình xử lý. Tuy nhiên, do có nhiều phương pháp đúc khác nhau nên có khả năng vật liệu đúc sẽ có tạp chất và độ xốp không có trong nguyên liệu thô.
Nhôm đúc so với Nhôm rèn
Sự khác biệt chính giữa nhôm rèn và nhôm đúc là cấu trúc tinh thể. Quá trình đúc áp đặt rất ít sự kiểm soát đối với quá trình làm mát và kết quả là sự phát triển của tinh thể, làm cho cấu trúc tinh thể trong các bộ phận đúc bị biến đổi rất nhiều và mất phương hướng. Điều này làm cho các phần dày hơn có độ bền thấp hơn, vì chúng nguội chậm hơn, tạo thành các tinh thể lớn hơn.
Quá trình rèn thường được thực hiện trên phôi đúc. Quá trình đảo lộn này phá vỡ cấu trúc vi mô bằng cách phá vỡ các tinh thể thành các đơn vị nhỏ hơn mà không tạo ra sự rời rạc giữa chúng. Điều này làm cho vật liệu trở nên cứng hơn và bền hơn ở một mức độ đáng kể. Nó cũng tạo ra một “dòng chảy” vật liệu xung quanh các vật cản và các góc, tạo cho cấu trúc vi mô tinh thể một “hạt” giúp tăng cường độ bền và sự phân bổ ứng suất.
Các tạp chất (các chất gây ô nhiễm không phải dung dịch như xỉ oxit) thường được kết tụ ở một mức độ nào đó trong các bộ phận bằng nhôm đúc, thường tạo ra điểm yếu nghiêm trọng. Trong các bộ phận được rèn, mọi tạp chất (từ quá trình đúc phôi) đều bị đập vỡ và phân bố, làm giảm ảnh hưởng của chúng. Đúc nhôm có khả năng tạo ra các chi tiết đẹp và chi tiết, trong khi rèn là một quá trình mạnh mẽ phù hợp nhất với các hình dạng đơn giản.
