Đúc đồng là gì? Hướng dẫn toàn diện- Yangzhou Yifeng Copper Products Co., Ltd.

I. Đúc đồng là gì?

đúc đồng về cơ bản là một quá trình tạo hình kim loại. Nguyên lý cốt lõi của nó liên quan đến việc nung đồng rắn (Cu) hoặc hợp kim của nó đến trạng thái nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ cao, biến chúng thành kim loại lỏng. Kim loại lỏng này sau đó được đổ (đổ/đúc) vào một khuôn đã chuẩn bị sẵn có hình dạng khoang cụ thể. Sau khi làm nguội (làm nguội) và hóa rắn (đóng rắn) trong khuôn, cuối cùng sẽ thu được một sản phẩm kim loại rắn (đúc) phù hợp với hình dạng của khoang khuôn.

Quá trình này có vẻ đơn giản nhưng thực chất là một nhiệm vụ kỹ thuật hệ thống phức tạp tích hợp khoa học vật liệu, nhiệt động lực học, động lực học chất lỏng và công nghệ kỹ thuật. Hiểu về đúc đồng đòi hỏi phải nắm được các đặc điểm và ý nghĩa chính sau đây của nó:

Mục tiêu cốt lõi: Tích hợp hình dạng và hiệu suất

Sao chép hình dạng:
Ưu điểm cơ bản của việc đúc là khả năng sản xuất tiết kiệm các bộ phận có hình dạng, khoang hoặc rãnh bên trong cực kỳ phức tạp. Điều này khó đạt được hoặc tốn kém với nhiều phương pháp gia công kim loại khác (như rèn, gia công). Khuôn là "âm bản" của hình dạng; kim loại lỏng lấp đầy nó và đông đặc lại, tái tạo chính xác hình dạng của khoang.
Truyền đạt hiệu suất:
Đúc không chỉ là hình dáng mà còn là quá trình tạo hình tính chất của vật liệu. Bằng cách chọn các hợp kim đồng khác nhau (như đồng thau, đồng thau, đồng niken), kiểm soát chất lượng nóng chảy, tối ưu hóa quá trình hóa rắn và áp dụng các phương pháp xử lý sau nhiệt cần thiết, vật đúc có thể có các tính chất cơ học cần thiết (độ bền, độ cứng, độ dẻo dai), tính chất vật lý (dẫn điện, dẫn nhiệt), tính chất hóa học (chống ăn mòn, chống mài mòn) và các chức năng đặc biệt (như tự bôi trơn, không từ tính, chống bám bẩn sinh học).

Chuỗi quy trình cốt lõi: Từ rắn đến lỏng đến rắn

tan chảy:
Đồng và các nguyên tố hợp kim được nấu chảy trong lò nhiệt độ cao (ví dụ: lò cảm ứng), sau đó là tinh chế (khử oxy, khử khí, khử xỉ), hợp kim hóa (điều chỉnh thành phần) và kiểm soát nhiệt độ để thu được kim loại nóng chảy nguyên chất, đồng nhất về thành phần ở nhiệt độ thích hợp. Đây là nền tảng để đảm bảo chất lượng bên trong của vật đúc.
Làm khuôn:
Các khuôn phù hợp được lựa chọn và sản xuất dựa trên hình dạng, kích thước, yêu cầu về độ chính xác và khối lượng sản xuất của vật đúc. Điều này thể hiện sự đa dạng của quá trình đúc:
- Khuôn dùng một lần: Ví dụ: khuôn cát (Khuôn cát - cát xanh, cát nhựa, cát natri silicat, v.v.), vỏ đầu tư (Khuôn đầu tư). Sau khi vật đúc đông đặc và nguội đi, khuôn được phá hủy để lấy vật đúc ra.
- Khuôn vĩnh viễn: Ví dụ: khuôn kim loại (Khuôn vĩnh viễn/Khuôn), khuôn đúc khuôn (Khuôn đúc khuôn). Có thể tái sử dụng hàng trăm đến hàng chục nghìn lần.
Đổ:
Đồng nóng chảy được chuyển từ lò nung sang muôi và đổ một cách trơn tru, liên tục và nhanh chóng vào khoang khuôn thông qua hệ thống cổng được thiết kế sẵn (Gating System). Nhiệt độ và tốc độ đổ là các thông số kiểm soát chính.
kiên cố hóa & làm mát:
Kim loại lỏng giải phóng nhiệt bên trong khuôn, trải qua quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn (hóa rắn) và tiếp tục làm nguội đến nhiệt độ phòng. Quá trình hóa rắn xác định cấu trúc bên trong của vật đúc, mật độ (sự hiện diện của độ xốp co ngót) và các tính chất cuối cùng. Cho ăn (thông qua ống đứng) và kiểm soát quá trình đông đặc (ví dụ: sử dụng phương pháp làm lạnh) là trọng tâm của giai đoạn này.
Loại bỏ & Làm sạch:
Sau khi vật đúc đủ nguội (để tránh bị biến dạng/nứt), vật đúc sẽ được lấy ra khỏi khuôn (loại bỏ). Hệ thống cổng, ống nâng và đèn chớp/váng được loại bỏ và thực hiện làm sạch bề mặt (phun bi, phun cát, v.v.). Bước này mang lại kết quả đúc cuối cùng.
Xử lý hậu kỳ:
Được thực hiện khi cần thiết: xử lý nhiệt (ví dụ: ủ, xử lý lão hóa bằng dung dịch), sửa chữa mối hàn, gia công, xử lý bề mặt (ví dụ: mạ, sơn) để nâng cao hơn nữa các đặc tính hoặc đạt được các yêu cầu về kích thước và hình thức cuối cùng.

Cơ sở vật chất: Gia đình hợp kim đồng phong phú

Đồng nguyên chất (đồng đỏ) có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tuyệt vời nhưng khả năng đúc và độ bền hạn chế. Do đó, đúc đồng chủ yếu sử dụng các hợp kim đồng khác nhau (Hợp kim đồng), đạt được bằng cách thêm các nguyên tố khác (như Kẽm-Zn, Thiếc-Sn, Chì-Pb, Nhôm-Al, Niken-Ni, Silicon-Si, Beryllium-Be, Mangan-Mn, v.v.) vào đồng để có được các đặc tính toàn diện vượt trội:

Đồng thau (hợp kim dựa trên Cu-Zn):
Tính lưu động tốt, dễ đúc, chi phí tương đối thấp. Thêm chì (đồng thau có chì) cải thiện khả năng gia công; thêm nhôm, mangan, sắt làm tăng độ bền và khả năng chống ăn mòn (ví dụ: đồng thau nhôm, đồng thau mangan). Được sử dụng rộng rãi trong van, phụ kiện đường ống, bánh răng, bộ phận trang trí.
Đồ đồng (ban đầu là hợp kim Cu-Sn, hiện nay được dùng rộng rãi để chỉ các hợp kim đồng chủ yếu không có Zn):
- Đồng thiếc: Khả năng chống mài mòn tuyệt vời, chống ăn mòn (đặc biệt là nước biển, axit loãng), hệ số ma sát thấp. Được sử dụng cho vòng bi, bánh răng, vật đúc nghệ thuật.
- Đồng nhôm: Độ bền cao, chống mài mòn cao, chống ăn mòn cao, chịu nhiệt độ cao. Được sử dụng cho các bánh răng chịu tải nặng, chân vịt tàu thủy, các bộ phận bị mài mòn.
- Đồng chì: Chống ma sát, khả năng nhúng và tự bôi trơn đặc biệt. Vật liệu chính cho vòng bi trượt.
- Đồng silicon: Độ bền tốt, chống ăn mòn, khả năng đúc và khả năng hàn. Dùng cho thân bơm/van, phụ tùng tàu thủy.
- Đồng berili: Độ bền cực cao, độ đàn hồi cao, chống mài mòn, không từ tính. Dùng cho các linh kiện đàn hồi chính xác, chèn khuôn.
Đồng niken (hợp kim dựa trên Cu-Ni):
Chống ăn mòn nước biển tuyệt vời, chống bám bẩn sinh học, màu bạc hấp dẫn. Dùng cho bình ngưng tàu thủy, van nước biển, thiết bị y tế.
Đồng nguyên chất: Chủ yếu được sử dụng cho vật đúc đòi hỏi độ dẫn điện/nhiệt rất cao.

Ưu điểm cốt lõi và khả năng ứng dụng

Khả năng sản xuất hình dạng phức tạp: Có thể sản xuất các bộ phận có khoang bên trong phức tạp, bề mặt cong, thành mỏng và các chi tiết đẹp. Thường là quy trình được ưa thích hoặc chỉ khả thi đối với nhiều bộ phận kết cấu phức tạp (ví dụ: tác phẩm nghệ thuật, vỏ máy bơm, thân van).
Sử dụng vật liệu cao: Tiềm năng gần như hình dạng lưới đáng kể, giảm gia công tiếp theo và tiết kiệm vật liệu. Phế liệu cổng/ống nâng phần lớn có thể được tái chế.
Khả năng thích ứng kích thước rộng: Có thể đúc các bộ phận từ vài gram (ví dụ: đồ trang sức, linh kiện điện tử) đến hàng chục tấn (ví dụ: chân vịt tàu, tượng lớn).
Thuộc tính toàn diện tuyệt vời: Các đặc tính vốn có của hợp kim đồng (độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, dẫn điện/nhiệt, chống vi khuẩn, thẩm mỹ) được thể hiện và tận dụng đầy đủ thông qua quá trình đúc.
Nền kinh tế sản xuất hàng loạt: Đối với sản xuất hàng loạt, đặc biệt sử dụng khuôn cố định (khuôn kim loại, khuôn đúc), đơn giá cạnh tranh.

Phân biệt với các kỹ thuật gia công đồng khác

VS rèn: Việc rèn thay đổi hình dạng kim loại và tinh chỉnh cấu trúc thông qua biến dạng dẻo (đập, ép), cải thiện độ bền/độ dẻo dai, nhưng gặp khó khăn với các khoang bên trong phức tạp và thường sử dụng vật liệu thấp hơn so với đúc. Đúc vượt trội ở các hình dạng phức tạp.
Gia công VS: Gia công đạt được hình dạng bằng cách cắt bỏ vật liệu, mang lại độ chính xác cao nhưng lãng phí vật liệu đáng kể, đặc biệt là kém hiệu quả/tốn kém đối với các bộ phận phức tạp. Đúc là tạo thành hình lưới; chất thải chủ yếu ở các cổng/ống nâng (có thể tái chế), thích hợp cho các phôi phôi phức tạp.
Luyện kim bột VS (PM): PM tạo hình bằng cách ép và thiêu kết bột kim loại, thích hợp cho các bộ phận vật liệu xốp hoặc đặc biệt. Tuy nhiên, đúc nói chung là tốt hơn đối với các bộ phận bằng đồng lớn, mật độ cao, hiệu suất cao (đặc biệt là dẫn điện/dẫn nhiệt).
VS Sản xuất bồi đắp (In 3D): In 3D xây dựng các hình dạng theo từng lớp, mang lại sự tự do thiết kế tối đa, phù hợp với các bộ phận và nguyên mẫu phức tạp với lô nhỏ. Đúc duy trì lợi thế về chi phí và hiệu suất cho các lô lớn, các bộ phận lớn và các đặc tính vật liệu cụ thể (ví dụ: mật độ cao, độ dẫn nhiệt/điện cao), nhưng kết hợp cả hai (ví dụ: khuôn/lõi in 3D) là một xu hướng.

II. Quy trình cốt lõi: Phân tích kỹ thuật đúc đồng

Đúc đồng là một quá trình hóa lý phức tạp bao gồm một số bước chính:

Thiết kế hợp kim và chuẩn bị nóng chảy

Lựa chọn vật liệu: Chọn loại hợp kim đồng phù hợp (ví dụ: Cu nguyên chất, đồng thau, đồng thau, hợp kim đồng niken, hợp kim Cu đặc biệt) dựa trên yêu cầu sử dụng cuối cùng của vật đúc (độ bền, độ dẫn điện, khả năng chống ăn mòn/mài mòn, màu sắc, chi phí).
Tính phí: Tính toán chính xác tỷ lệ đồng nguyên chất, các nguyên tố hợp kim (ví dụ: Zn, Sn, Pb, Ni, Al, Si, Be, Mn) và trả lại (phế liệu).
Thiết bị nóng chảy: Chủ yếu là lò cảm ứng tần số trung bình (hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, kiểm soát nhiệt độ chính xác, thành phần hợp kim đồng nhất, tương đối thân thiện với môi trường). Lò nung, lò phản xạ và lò hồ quang có những ứng dụng cụ thể.
Quá trình nóng chảy:
- Sạc & tan chảy: Thêm các điện tích kim loại theo trình tự (thường là Cu, Ni khó nóng chảy trước, sau đó dễ bị oxy hóa/dễ bay hơi Zn, Pb, v.v.). Lò nung cảm ứng làm nóng chảy kim loại bằng dòng điện xoáy cảm ứng điện từ.
- Che phủ & khử oxy: Sử dụng chất phủ (than, borax, thủy tinh) để giảm quá trình oxy hóa và hấp thụ khí (chủ yếu là H₂). Thêm chất khử oxy (ví dụ: đồng photphor, hợp kim canxi silic) để loại bỏ oxy hòa tan, ngăn ngừa độ xốp của khí và tạp chất oxit.
- Tinh chế (nếu cần): Loại bỏ tạp chất (ví dụ: S, Fe). Đối với vật đúc có nhu cầu cao, có thể sử dụng tinh chế khí trơ (ví dụ Ar) hoặc nấu chảy chân không.
- Hợp kim: Thêm các nguyên tố hợp kim khi nhiệt độ nóng chảy phù hợp; khuấy kỹ để hòa tan đồng đều.
- Kiểm soát nhiệt độ: Kiểm soát chính xác nhiệt độ rót và rót (thường cao hơn 50-150°C so với chất lỏng hợp kim), rất quan trọng đối với tính lưu động, cấp liệu và kích thước hạt. Được giám sát bằng cặp nhiệt điện và nhiệt kế hồng ngoại.

Làm khuôn: Tạo hình kim loại

Khuôn là công cụ cốt lõi tạo thành đường viền bên ngoài và các khoang bên trong của vật đúc. Các quy trình khuôn phổ biến để đúc đồng bao gồm:

Đúc cát: Phương pháp đúc được sử dụng rộng rãi và thích ứng nhất.
- Cát đúc: Thành phần chủ yếu là cát nền (cát silic, cát zircon, cát crômit, v.v.), chất kết dính (đất sét, natri silicat, nhựa, v.v.) và phụ gia (bụi than, nước, v.v.). Yêu cầu đủ cường độ, độ thấm, khả năng chịu lửa, khả năng đóng mở.
- Phương pháp đúc:
  - Đúc tay: Tính linh hoạt cao, phù hợp với nguyên mẫu, lô nhỏ, chi tiết lớn hoặc phức tạp. Hiệu quả thấp, chất lượng phụ thuộc vào tay nghề của người lao động.
  - Máy đúc: (Bóp-bóp, ép bắn, áp suất tĩnh, tác động của không khí, v.v.) Cải thiện đáng kể hiệu quả và độ đồng đều của khuôn nén. Thích hợp cho sản xuất hàng loạt.
- Hệ thống chất kết dính:
  - Cát đất sét xanh: Chi phí thấp, được sử dụng rộng rãi. Độ bền xanh cao, độ thấm/độ co lại tương đối kém.
  - Cát natri silicat: (CO₂ làm cứng, xử lý bằng este) Làm cứng nhanh, độ bền cao, khả năng co giãn tốt (đặc biệt là xử lý bằng este). Hút ẩm, cải tạo cát khó khăn.
  - Cát nhựa: (Cát không nung Furan, phenolic, phenolic kiềm) Độ chính xác kích thước đúc cao, độ bóng bề mặt, độ bền, khả năng co giãn tốt. Chi phí cao hơn, mối lo ngại về môi trường (lượng khí thải formaldehyde, phenol).
- Làm cốt lõi: Làm lõi (lõi cát) cho các lỗ bên trong hoặc các khoang phức tạp. Thường được làm bằng cát nhựa, cát dầu, cát natri silicat. Yêu cầu đủ độ bền, độ thấm, khả năng thu gọn và định vị đáng tin cậy trong khuôn (in lõi, hình chữ nhật).
- Lớp phủ: Áp dụng các lớp phủ chịu lửa (ví dụ: dựa trên than chì, dựa trên zircon) cho các khoang và lõi khuôn để cải thiện độ hoàn thiện bề mặt, ngăn chặn sự xâm nhập của kim loại và tăng cường dòng chảy kim loại.
Đúc đầu tư (Đúc sáp bị mất): Được ưu tiên cho vật đúc có độ chính xác cao, độ phức tạp cao, chất lượng bề mặt cao.
- Tiêm sáp: Bơm vật liệu tạo mẫu dạng lỏng/dán (sáp hoặc nhựa) vào khuôn kim loại để tạo ra mẫu sáp chính xác.
- Cuộc họp: Hàn nhiều mẫu sáp vào hệ thống đo sáp (cốc rót, mầm, đường dẫn, cổng) để tạo thành cụm mẫu.
- Tòa nhà vỏ: Nhúng cụm liên tục vào vữa chịu lửa (bột zircon silica sol/natri silicat, bột alumina, v.v.) và vữa (các kích thước hạt khác nhau), sấy khô/làm cứng từng lớp. Thông thường 5-9 lớp tạo thành một lớp vỏ đủ bền.
- Tẩy lông: Đun nóng vỏ (hơi nước, nước nóng hoặc lò nung) để làm tan chảy vật liệu tạo mẫu, để lại lớp vỏ rỗng.
- Bắn: Nung vỏ ở nhiệt độ cao (800-1100°C) để loại bỏ vật liệu còn sót lại và độ ẩm, tăng độ bền/độ thấm của vỏ và làm nóng trước để rót.
- Ưu điểm: Độ chính xác kích thước cao (CT4-7), độ hoàn thiện bề mặt tốt (Ra 3,2-12,5 μm), có thể đúc các hình dạng cực kỳ phức tạp (thành mỏng, lỗ sâu, chi tiết tinh xảo), độ lóe sáng của đường chia tay tối thiểu, phù hợp với các hợp kim cứng gia công. Nhược điểm: Nhiều bước, thời gian chu kỳ dài, chi phí cao, hạn chế về kích thước.
Đúc khuôn cố định (Đúc khuôn trọng lực):
Sử dụng các khuôn có thể tái sử dụng làm bằng kim loại (gang, thép đúc, hợp kim đồng, v.v.).
- Ưu điểm: Làm mát nhanh hơn, cấu trúc dày đặc hơn, tính chất cơ học tốt hơn; độ chính xác kích thước cao, bề mặt hoàn thiện tốt; tỷ lệ sản xuất cao (không cần đúc). Nhược điểm: Chi phí khuôn cao, thời gian làm khuôn dài; những hạn chế về độ phức tạp của bộ phận; yêu cầu kiểm soát nhiệt độ lớp phủ và khuôn.
- ứng dụng: Sản xuất khối lượng lớn các vật đúc hợp kim đồng tương đối đơn giản đến phức tạp vừa phải, ví dụ như phôi bánh răng, ống lót, các bộ phận van.
Đúc chết:
Ép hợp kim đồng lỏng hoặc bán rắn dưới áp suất cao (hàng chục đến hàng trăm MPa) ở tốc độ cao vào khoang khuôn kim loại chính xác, nơi nó nhanh chóng đông cứng dưới áp suất.
- Ưu điểm: Tỷ lệ sản xuất rất cao; độ chính xác kích thước và độ hoàn thiện bề mặt rất cao; có thể sản xuất các bộ phận phức tạp có thành mỏng; cấu trúc dày đặc (đúc khuôn bán rắn tốt hơn). Nhược điểm: Thiết bị đắt tiền; chi phí khuôn rất cao; dễ bị xốp khí; thường chỉ thích hợp cho các hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp, chảy tự do (ví dụ: một số đồng thau); hạn chế về kích thước.
- ứng dụng: Sản xuất số lượng lớn các bộ phận hợp kim đồng nhỏ, thành mỏng, có độ chính xác cao, ví dụ: ổ khóa, phần cứng, bánh răng nhỏ, đầu nối điện.
Đúc ly tâm:
Đổ kim loại nóng chảy vào khuôn quay với tốc độ cao, lấp đầy khoang và đông đặc lại dưới lực ly tâm.
- Ưu điểm: Cấu trúc đúc dày đặc (đặc biệt tốt cho các bộ phận nhạy cảm với độ xốp/khí co ngót); tính chất cơ học tốt; đơn giản hóa việc đúc các bộ phận hình trụ/hình vòng (ống lót, vòng, ống). Nhược điểm: Chủ yếu cho các hình dạng cụ thể; độ chính xác kích thước kém/độ hoàn thiện bề mặt trên đường kính trong (cần gia công); sự phân chia có thể xảy ra.
- ứng dụng: Ống bọc, ống lót, mặt bích, thân van, các bộ phận vòng bằng hợp kim đồng.
Đúc liên tục:
Liên tục đổ đồng nóng chảy vào khuôn làm mát bằng nước (kết tinh), tại đây nó đông cứng lại thành hình dạng mặt cắt cụ thể (tấm, phôi, ống) và liên tục được rút ra.
- Ưu điểm: Hiệu quả sản xuất rất cao; cấu trúc đồng đều và dày đặc; năng suất vật chất cao; tự động hóa dễ dàng. Nhược điểm: Đầu tư trang thiết bị cao; chủ yếu được sử dụng để sản xuất phôi cho quá trình cán, ép đùn, rèn tiếp theo.
- ứng dụng: Sản xuất đồng nguyên chất, đồng thau, đồng tấm, phôi, ống để tạo hình nhựa tiếp theo.

Đổ: Phun kim loại lỏng

Chuyển đồng nóng chảy ở nhiệt độ thích hợp từ lò nung sang muôi (máy rót thủ công, cẩu nâng, tự động) và đổ đều, liên tục, nhanh chóng (tránh gián đoạn) vào hệ thống gá của khuôn.

Điều khiển chính:

Nhiệt độ đổ: Quá cao gây co ngót, xốp, xuyên kim loại, hạt thô; quá thấp sẽ gây ra hiện tượng tắt nguội, chạy sai, lẫn tạp chất. Kiểm soát chính xác dựa trên hợp kim, kích thước bộ phận/độ dày thành, vật liệu khuôn.
Tốc độ đổ: Ảnh hưởng đến độ ổn định của khuôn, bẫy không khí, lỗ thông hơi. Thường tuân theo nguyên tắc “chậm-nhanh-chậm” (bắt đầu thông khí chậm, làm đầy nhanh, kết thúc chậm cho ăn).
Thiết kế hệ thống cổng: Dẫn kim loại lấp đầy khoang một cách trơn tru, trật tự và hỗn loạn; bẫy xỉ; lỗ thông hơi; điều khiển trình tự làm nguội/đóng rắn. Bao gồm cốc rót, mầm rót, đường dẫn, cổng vào, ống đứng, v.v. Thiết kế rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vật đúc.

Hóa rắn & Làm mát: Xác định hình thức

Quá trình đồng mất nhiệt trong khuôn và chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn. Một quá trình vật lý phức tạp liên quan đến truyền nhiệt, thay đổi pha và co rút thể tích.

Đặc điểm kiên cố hóa:

Phạm vi đóng băng: Hợp kim đồng có phạm vi hóa rắn rất khác nhau (chênh lệch nhiệt độ từ chất lỏng đến chất rắn). Các hợp kim có phạm vi đóng băng rộng (ví dụ: một số đồng thau có hàm lượng chì cao) có xu hướng đông đặc nhão, khiến việc nạp nguyên liệu trở nên khó khăn và dễ có lỗ xốp vi mô; các hợp kim có phạm vi đóng băng hẹp (ví dụ: đồng nhôm, một số đồng mangan) có xu hướng hóa rắn theo hướng, khiến việc cho ăn tương đối dễ dàng hơn.
co rút: Hợp kim đồng trải qua quá trình co ngót lỏng, co ngót hóa rắn và co ngót rắn trong quá trình làm mát. Co ngót hóa rắn là nguyên nhân chính gây ra các lỗ co ngót và độ xốp; độ co ngót rắn xác định kích thước cuối cùng và xu hướng biến dạng (yêu cầu xem xét mức độ co ngót trong thiết kế khuôn).
Cho ăn: Để bù đắp cho sự co ngót do quá trình đông đặc và ngăn ngừa các lỗ rỗng/độ xốp, người ta thường sử dụng các ống đứng (bể chứa kim loại nóng chảy nằm phía trên tâm nhiệt hoặc các phần cuối cùng đóng băng). Thiết kế ống nâng (vị trí, kích thước, hình dạng) và các biện pháp cách nhiệt/tỏa nhiệt là chìa khóa để cho ăn hiệu quả.
kiên cố định hướng: Kiểm soát hướng làm mát (ví dụ: sử dụng hệ thống làm lạnh, ống đứng cách nhiệt) để làm cho vật đúc đông cứng dần dần từ các khu vực xa nhất từ ống đứng về phía ống đứng, đảm bảo ống đứng đông cứng lần cuối và có thể nạp vật đúc một cách hiệu quả.
Tốc độ làm mát: Ảnh hưởng đến kích thước hạt, khoảng cách nhánh dendrite, sự phân chia vi mô, phân bố pha thứ hai, do đó ảnh hưởng đến các tính chất cơ/lý cuối cùng. Khuôn kim loại/đúc khuôn nguội nhanh, mang lại kết cấu tốt; cát/đúc đầu tư nguội đi chậm hơn.

Loại bỏ, làm sạch và xử lý hậu kỳ

Loại trực tiếp: Sau khi vật đúc đủ nguội (để tránh biến dạng/nứt), lấy vật đúc ra khỏi khuôn (máy rung, máy rung).
Tháo Cổng/Riser: Loại bỏ hệ thống cổng và các thanh nâng khỏi vật đúc bằng cách gõ, cưa, mài, cắt bằng ngọn lửa, cắt thủy lực.
Làm sạch bề mặt:
- Bắn/phun cát: Sử dụng đạn/cát thép tốc độ cao để tác động lên bề mặt, loại bỏ cát, cặn, gờ bám dính, đạt được bề mặt sạch sẽ và làm cứng da.
- Làm sạch bằng hóa chất: Tẩy cặn (loại bỏ cặn), làm sạch bằng kiềm (loại bỏ cặn cát trong lõi), v.v. Các cân nhắc về môi trường và an toàn là rất quan trọng.
- Mài & Hoàn thiện: Loại bỏ đèn flash, gờ, cuống cổng/ống nâng bằng tay hoặc bằng máy; trang trí bề mặt.
Xử lý nhiệt (theo yêu cầu):
- Giảm căng thẳng (ủ).
- Cải thiện tính đồng nhất của vi cấu trúc và tính chất cơ học (dung dịch xử lý lão hóa, đặc biệt đối với đồng berili, đồng nhôm).
- Cải thiện sự ổn định kích thước (giảm căng thẳng).
Sửa chữa mối hàn (tùy chọn): Sửa chữa các khuyết tật đúc cho phép (ví dụ: lỗ chân lông nhỏ, lỗ vi mô).
Kiểm tra & sơn phủ lần cuối: Sau khi vượt qua kiểm tra chất lượng, áp dụng các phương pháp xử lý bề mặt (ví dụ: thụ động, mạ điện, sơn) nếu cần để chống ăn mòn hoặc thẩm mỹ.

III. Các loại đúc đồng

Nhiều hợp kim đồng được sử dụng để đúc, có tính chất đa dạng. Các danh mục chính bao gồm:

Đồng nguyên chất (Đồng đỏ):
- Các loại: ví dụ: C11000 (Đồng cứng điện phân - ETP).
- Đặc điểm: Độ dẫn điện & dẫn nhiệt cực cao (~100% IACS), độ dẻo tuyệt vời, chống ăn mòn tốt (đặc biệt trong khí quyển, nước ngọt). Khả năng đúc kém (độ lưu động vừa phải, dễ bị oxy hóa/hấp thụ khí, độ co ngót cao).
- Ứng dụng đúc: Chủ yếu là các vật đúc đòi hỏi độ dẫn điện/nhiệt rất cao, ví dụ: các bộ phận điện lớn, khuôn mẫu (ví dụ: khuôn đúc liên tục), vật đúc nghệ thuật. Thường được đúc bằng cát, đúc ly tâm.
Đồng thau (Hợp kim đồng-kẽm): Các hợp kim đồng đúc được sử dụng rộng rãi nhất.
- Đồng thau trơn: Hợp kim nhị phân Cu-Zn (ví dụ: C85800, C86100). Độ bền tăng theo Zn, độ dẻo đạt cực đại sau đó giảm dần. Khả năng đúc tốt (tính lưu động tốt, độ co vừa phải).
- Đồng thau đặc biệt: Thêm các yếu tố khác để cải thiện thuộc tính:
  - Đồng thau có chì: Thêm Pb (ví dụ: C83600, C84400, C85700). Cải thiện đáng kể khả năng gia công và chống mài mòn, tăng cường khả năng tự bôi trơn. Được sử dụng rộng rãi trong van, phụ kiện đường ống, bánh răng, vòng bi, ổ khóa, bộ phận đồng hồ. Trụ cột chính của đồng thau đúc. Theo xu hướng môi trường, đồng thau gia công không chì (thêm Bi, Se, Te, v.v.) đang phát triển.
  - Đồng thiếc: Thêm Sn (ví dụ: C87500, C87600). Tăng cường độ, độ cứng và khả năng chống ăn mòn của nước biển (chống khử kẽm). Dùng cho các bộ phận hàng hải, thân bơm.
  - Đồng thau nhôm: Thêm Al (ví dụ: C86200, C86300). Tăng đáng kể độ bền, độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn (đặc biệt là ăn mòn-xói mòn do nước biển). Dùng cho các bánh răng chịu tải nặng, sâu, vòng bi, chân vịt tàu thủy.
  - Đồng thau mangan: Thêm Mn (ví dụ: C86500, C86700). Độ bền cao, độ dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn nước biển/hơi nước tuyệt vời, giảm xóc tốt. Được sử dụng cho cánh quạt hàng hải, vòng bi chịu tải nặng, bánh răng, thân bơm, van.
  - Đồng thau silicon: Thêm Si (ví dụ: C87500, C87800). Khả năng đúc tốt, độ bền vừa phải, khả năng chống ăn mòn cao (đặc biệt là nước tốc độ cao), hàn dễ dàng. Dùng làm phụ kiện đường ống, vỏ máy bơm, thân van vòi.
  - Đồng thau sắt: Thêm Fe (thường có Mn, Al, ví dụ C86300, C86500). Tinh chế ngũ cốc, tăng sức mạnh và khả năng chống mài mòn.
Đồng thau (ban đầu là hợp kim Cu-Sn, hiện nay nói chung là hợp kim Cu không có Zn hoặc có Zn ở vị trí thứ yếu):
- Đồng thiếc: Cu-Sn nhị phân hoặc đa hợp kim (ví dụ: C90300, C90500, C90700, C91000, C91300).
  - Đặc tính: Chống mài mòn tuyệt vời, chống ăn mòn (đặc biệt là nước biển, axit loãng), hệ số ma sát thấp (chống ăn mòn), khả năng đúc tốt (tính lưu động tốt, độ co ngót thấp, xu hướng phân tách). Độ bền/độ cứng tăng theo hàm lượng Sn, độ dẻo giảm. Hợp kim đúc quan trọng nhất trong lịch sử.
  - Ứng dụng: Vòng bi, ống lót, bánh răng, giun, ống bọc, bộ phận van, thân bơm, tác phẩm điêu khắc nghệ thuật, chuông. Đồng thiếc có hàm lượng thiếc cao (>10% Sn) dành cho các bộ phận chịu mài mòn hiệu suất cao.
- Đồng nhôm: Cu-Al nhị phân hoặc đa hợp kim (thường có Fe, Ni, Mn, ví dụ: C95200, C95400, C95500, C95800).
  - Đặc điểm: Trong số các hợp kim đồng đúc có độ bền và độ cứng cao nhất; khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn tuyệt vời (đặc biệt là nước biển, axit sunfuric/hữu cơ); chống va đập / mỏi tốt; khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao (lên tới 500 ° C); chống tia lửa. Khả năng đúc chấp nhận được (tính lưu động tốt, nhưng độ co ngót cao hơn, dễ bị oxy hóa/hấp thụ khí).
  - Ứng dụng: Bánh răng hạng nặng, sâu, vòng bi, ống lót, ghế van, cánh bơm, cánh quạt tàu, bộ phận máy móc khai thác mỏ, bộ phận chống ăn mòn của thiết bị hóa học, dụng cụ chống tia lửa.
- Đồng chì: Cu-Pb nhị phân hoặc đa hợp kim (thường có Sn, ví dụ: C93200, C93400, C93500, C93700, C93800, C94300).
  - Đặc điểm: Chứa lượng lớn các hạt chì không hòa tan (5-25%), mang lại khả năng nhúng và tính phù hợp tuyệt vời (mòn/chống ma sát), chống mòn và tự bôi trơn, đặc biệt thích hợp cho các vòng bi tốc độ thấp, chịu tải cao. Độ bền/độ cứng tương đối thấp.
  - Ứng dụng: Vật liệu chính làm ổ trượt (ống lót, vỏ), dùng trong động cơ, máy móc hạng nặng, phương tiện đường sắt.
- Đồng silicon: Cu-Si nhị phân hoặc đa hợp kim (thường có Zn, Mn, Fe, ví dụ: C87300, C87500, C87800).
  - Đặc điểm: Độ bền tốt, chống ăn mòn (đặc biệt là nước biển), khả năng đúc và khả năng hàn; không có từ tính; chống tia lửa. Tính lưu động tốt, độ co thấp.
  - Ứng dụng: Vỏ máy bơm, thân van, phụ kiện đường ống, phụ kiện tàu thủy, thiết bị hóa học, vật đúc nghệ thuật, dụng cụ chống cháy nổ.
- Đồng berili: Cu-Be nhị phân hoặc đa hợp kim (thường có Ni, Co, ví dụ: C82000, C82200, C82500).
  - Đặc điểm: Mức độ bền cao nhất trong số các hợp kim đồng đúc (sau khi lão hóa dung dịch); độ đàn hồi tuyệt vời, độ bền mỏi, chống mài mòn, chống ăn mòn, dẫn nhiệt, không từ tính; khả năng đúc tốt (tính lưu loát tốt). Giá thành cao, berili là chất độc cần được bảo vệ nghiêm ngặt.
  - Ứng dụng: Các bộ phận đàn hồi chính xác (lò xo, màng chắn), các bộ phận có độ mài mòn cao (tấm lót khuôn nhựa, dụng cụ chống tia lửa), linh kiện hàng không vũ trụ/điện tử, các tiếp điểm công tắc hiệu suất cao.
Đồng niken (Hợp kim đồng-niken):
- Đồng niken trơn: Hợp kim nhị phân Cu-Ni (ví dụ: C96200, C96400).
  - Đặc điểm: Chống ăn mòn tuyệt vời (đặc biệt là nước biển, axit hữu cơ, kiềm); chịu lực tốt, dẻo dai, chịu được nóng lạnh; màu bạc hấp dẫn; chống bám bẩn sinh học. Khả năng đúc chấp nhận được.
  - Ứng dụng: Tấm ống ngưng tàu, bộ phận van/bơm nước biển, bộ phận chống ăn mòn của thiết bị hóa học, thiết bị y tế, tiền xu, bộ phận trang trí.
- Đồng niken phức tạp: Thêm Fe, Mn, Cr, Al, v.v. (ví dụ: C70600 - CuNi10Fe1Mn, C71500 - CuNi30Mn1Fe).
  - Đặc điểm: Tăng thêm độ bền, khả năng chống ăn mòn (ví dụ: xói mòn nước biển tốc độ cao, ăn mòn do ứng suất), khả năng chịu nhiệt.
  - Ứng dụng: Ống ngưng tụ tàu hiệu suất cao (thường được sử dụng cùng nhau), bộ trao đổi nhiệt, van nhiệt độ cao/áp suất cao, thiết bị giàn khoan ngoài khơi.

IV. Lĩnh vực ứng dụng: Lĩnh vực đúc đồng rộng lớn

Tận dụng lợi thế về hiệu suất toàn diện của mình, đúc đồng thâm nhập vào mọi khía cạnh của xã hội hiện đại:

Sản xuất thiết bị & máy móc công nghiệp:
- Van & Phụ kiện đường ống: Thân vòi, cổng/quả cầu/bóng/bướm/thân van một chiều, nắp ca-pô, đĩa (Đồng thau thường có chì, Đồng thau silicon, Đồng nhôm).
- Máy bơm: Vỏ máy bơm, cánh quạt, vòng chống mòn cho máy bơm ly tâm/bánh răng/trục vít (Thông thường là Đồng nhôm, Đồng thiếc, Đồng thau mangan).
- Vòng bi & ống lót: Vòng bi trơn (Đồng chì, Đồng thiếc, Đồng nhôm), vòng bi lực đẩy, ống lót (Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động cơ khí khác nhau).
- Bánh răng & Giun: Bánh răng nhỏ/trung bình (Đồng thau có chì), bánh răng và giun chịu tải nặng (Đồng nhôm, Đồng Mangan).
- Bộ phận máy móc tổng hợp: Các phụ kiện, ống lót, mặt bích, đầu nối, vỏ, tấm chống mòn.
Giao thông vận tải:
- Hàng hải: Cánh quạt (Đồng nhôm mangan cao, Đồng nhôm niken), van bơm nước biển, tấm ống ngưng tụ (Cupronickel), vòng bi ống đuôi (Lignum Vitae Cupronickel/Bronze), phụ kiện hệ thống đường ống, các bộ phận trang bị.
- Ô tô: Phụ tùng bộ chế hòa khí (truyền thống), nắp tản nhiệt, phụ tùng bơm dầu, xi lanh khóa, lồng ổ trục, vòng đồng tốc (Đồng đặc biệt, Đồng).
- Đường sắt: Vỏ ổ trục đầu máy/toa xe (Đồng có chì), các bộ phận của hệ thống phanh, dải tiếp xúc cần tiếp điện (Luyện kim bột hợp kim đồng).
- Hàng không vũ trụ: Vòng bi, bánh răng, van thủy lực, linh kiện dẫn điện hiệu suất cao (Thường là Đồng Beryllium, Đồng nhôm đặc biệt, v.v.).
Xây dựng & Hệ thống nước:
- Hệ thống đường ống: Phụ kiện đường ống, khuỷu tay, chữ T, nắp (Sử dụng nhiều đồng thau đúc có chì, đồng thau không chì).
- Phần cứng hệ thống nước: Thân vòi, tay cầm, vòi hoa sen, bộ phận thoát nước (Chủ yếu sử dụng Đồng thau đúc, bề mặt được mạ Cr, Ni, v.v.).
- Trang trí kiến trúc: Tay nắm cửa, bản lề, ổ khóa, tấm bảng, lan can nghệ thuật, đồ trang trí trên mái nhà (Đồng, Đồng thau).
Điện & Điện tử:
- Thành phần dẫn điện: Tiếp điểm công tắc, kẹp, đầu nối thanh cái (Đồng nguyên chất, đúc hợp kim đồng dẫn điện cao).
- Linh kiện tản nhiệt: Đế tản nhiệt, các bộ phận ống dẫn nhiệt (Đồng nguyên chất, Hợp kim đồng).
- Bao bì điện tử: Một số vỏ, đế (Hợp kim đồng đặc biệt).
- Động cơ & Thiết bị điện: Tấm chắn đầu động cơ, thanh rôto (đúc Cu nguyên chất rất hiếm, chủ yếu được rèn), vỏ thiết bị.
Nghệ thuật & Văn hóa:
- Điêu khắc: Các tác phẩm điêu khắc đô thị lớn, tượng, tượng động vật (Thông thường là Đồng thiếc, Đồng silicon, cát hoặc đúc đầu tư).
- Chuông & Chuông: Chuông nhà thờ, chuông chùm, chuông nghệ thuật (Đồng thiếc cao cấp).
- Đối tượng tôn giáo & trang trí: Lư hương, chân nến, cúp, bảng, phù điêu (Đồng, Đồng).
- Bộ phận nhạc cụ: Thân kèn saxophone, chuông kèn (Đồng thau), chũm chọe (Đồng đặc biệt).
Các lĩnh vực khác:
- Phần cứng & Công cụ: Cờ lê, đầu búa (một số loại đúc bằng hợp kim đồng), dụng cụ chống tia lửa điện (Đồng Beryllium, Đồng nhôm).
- Mặc các bộ phận: Máy khai thác mỏ lót, cuộn (Nhôm đồng).
- Hàng tiêu dùng: Ổ khóa, khóa kéo, gọng kính (chủ yếu là kẽm đúc, cũng có đồng thau), đồ trang trí.

V. Kiểm soát chất lượng đúc đồng: Khiếm khuyết và kiểm tra

Quá trình đúc phức tạp với nhiều yếu tố ảnh hưởng nên không thể tránh khỏi sai sót. Những hư hỏng và nguyên nhân thường gặp:

Khiếm khuyết loại khoang:
- Độ xốp của khí: Khí hòa tan trong kim loại (chủ yếu là H₂) kết tủa trong quá trình đông đặc hoặc khí sinh ra do khuôn/lõi bị mắc kẹt trong kim loại không thể thoát ra ngoài. Xuất hiện dưới dạng các khoang hình cầu hoặc hình quả lê với thành nhẵn. Phòng ngừa: Khử oxy/khử khí triệt để, cải thiện tính thấm của cát, đảm bảo lỗ thông hơi đúng cách, kiểm soát nhiệt độ đổ.
- Khoang co ngót / Độ xốp co ngót: Được hình thành khi độ co ngót của kim loại không được bù đắp đầy đủ. Khoang: khoảng trống tập trung lớn; Độ xốp: khoảng trống phân tán tốt. Phòng ngừa: Thiết kế ống nâng/làm lạnh hợp lý để hóa rắn theo hướng; đảm bảo đủ áp lực cấp liệu; kiểm soát thành phần hợp kim (tránh phạm vi đóng băng rộng).
- Bao gồm xỉ (bao gồm): Xỉ, oxit, các hạt cát bị cuốn theo kim loại vào trong hốc hoặc nứt vỡ bề mặt khuôn/gốc. Khoang không đều chứa xỉ. Phòng ngừa: Khử xỉ triệt để trong quá trình nóng chảy; bẫy xỉ trong quá trình rót (môi muôi, bộ lọc); giữ cho hệ thống cổng sạch sẽ.
Khiếm khuyết bề mặt:
- Sự thâm nhập kim loại (Đốt cháy): Kim loại xuyên qua các lỗ cát hoặc phản ứng hóa học với cát làm cho cát bám chắc vào bề mặt vật đúc. Sự thâm nhập cơ học (vật lý), Sự thâm nhập hóa học (hình thành các hợp chất có hàm lượng khí thấp). Phòng ngừa: Sử dụng cát mịn hơn, lớp phủ chịu lửa; kiểm soát nhiệt độ rót; tối ưu hóa các đặc tính của cát (độ nén, độ chịu lửa).
- Vảy/Khóa: Bề mặt khuôn bị vênh/nứt dưới tác dụng nhiệt, kim loại xuyên qua tạo thành các cục cát kim loại. Phòng ngừa: Tăng cường độ nóng của cát (ví dụ: thêm đất sét, bentonite); tránh làm khô bề mặt quá mức; nhiệt độ rót thấp hơn
- Tắt nguội/Chạy sai: Dòng kim loại không thể kết hợp hoàn toàn (Cold Shut) hoặc không lấp đầy khoang (Chạy sai). Thường gặp ở những đoạn thưa, khu vực xa cổng. Xuất hiện dưới dạng đường nối hoặc các miếng phi lê bị thiếu. Phòng ngừa: Tăng nhiệt độ/tốc độ rót; cải thiện tính lưu động (hợp kim, quá nhiệt); tăng diện tích cửa vào; cải thiện sự thông hơi.
Khiếm khuyết về hình dạng và kích thước:
- Biến dạng (Warpage): Đúc cong vênh trong quá trình đông đặc/làm nguội do độ co rút hạn chế (khuôn, lõi, hình dạng bộ phận) hoặc ứng suất không đồng đều. Phòng ngừa: Tối ưu hóa thiết kế (tường đồng nhất, cốt thép); cải thiện khả năng đóng mở khuôn/lõi; sử dụng giằng; kiểm soát thời gian loại trực tiếp; giảm căng thẳng.
- Dịch chuyển khuôn/Dịch chuyển lõi: Sự lệch trục/kéo hoặc lõi trong quá trình lắp ráp khuôn, gây ra sai lệch kích thước/hình dạng. Phòng ngừa: Cải thiện độ chính xác của mẫu/hộp lõi; tăng cường định vị khuôn/lõi (chốt chốt); đảm bảo đúc/lắp ráp chính xác.
Khiếm khuyết loại vết nứt:
- Nước mắt nóng bỏng: Các vết nứt giữa các hạt xảy ra ở nhiệt độ cao trong quá trình đông đặc cuối cùng hoặc ngay sau đó do hạn chế co ngót (khuôn, lõi, thiết kế bộ phận). Bề mặt vết nứt bị oxy hóa. Phòng ngừa: Cải thiện khả năng đóng mở khuôn/lõi; tối ưu hóa thiết kế (tránh điểm nóng, góc nhọn); nhiệt độ rót thấp hơn; kiểm soát các yếu tố có hại (ví dụ: S).
- Vết nứt lạnh: Các vết nứt xuyên hạt xảy ra khi vật đúc nguội đến nhiệt độ thấp hơn (trạng thái đàn hồi), do ứng suất đúc (nhiệt, biến đổi, hạn chế cơ học) vượt quá độ bền vật liệu. Vết nứt thẳng, bề mặt sạch sẽ. Phòng ngừa: Tối ưu hóa thiết kế để giảm sự tập trung ứng suất; cải thiện khả năng thu gọn; kiểm soát tốc độ làm mát (ví dụ: làm mát chậm); giảm căng thẳng.

Phương pháp kiểm tra chất lượng:

Kiểm tra trực quan (VT): Phương pháp cơ bản nhất, kiểm tra các khuyết tật bề mặt, tính toàn vẹn của đường viền.
Kiểm tra kích thước: Kiểm tra các kích thước chính bằng thước cặp, thước đo, Máy đo tọa độ (CMM).
Kiểm tra thâm nhập chất lỏng (PT): Phát hiện các khuyết tật trên bề mặt (vết nứt, lỗ rỗ, độ xốp).
Kiểm tra hạt từ tính (MT): Chỉ áp dụng cho vật liệu sắt từ (một số hợp kim Cu có hàm lượng Fe cao). Phát hiện các khuyết tật bề mặt/gần bề mặt.
Kiểm tra chụp ảnh phóng xạ (RT - X-quang/γ-ray): Phát hiện các khuyết tật bên trong (độ xốp, các khoang/độ xốp co ngót, tạp chất, vết nứt), hiển thị trực quan hình dạng/kích thước/vị trí khuyết tật. Phương pháp chung.
Kiểm tra siêu âm (UT): Phát hiện các khuyết tật bên trong, đo độ dày, nhạy cảm với các khuyết tật phẳng (vết nứt). Yêu cầu vận hành/thông dịch có tay nghề cao.
Kiểm tra áp suất: Kiểm tra thủy tĩnh hoặc khí nén của vật đúc chịu áp lực (ví dụ: van, thân bơm) để kiểm tra rò rỉ.
Phân tích kim loại: Các mẫu được kiểm tra bằng kính hiển vi để đánh giá kích thước hạt, thành phần pha, tạp chất, bản chất khuyết tật, xác minh quá trình xử lý nhiệt.
Kiểm tra tính chất cơ học: Kiểm tra độ bền kéo, độ cứng, va đập để xác minh tính chất vật liệu đáp ứng yêu cầu.
Phân tích thành phần hóa học: Quang phổ, v.v., để xác minh thành phần hợp kim.