Bộ Công thơng
Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp
Viện Công nghệ

Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN
M số: 235.08/HĐ-KHCN Tờn ti
Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết nắp hông
động cơ RV 125-2 bằng công nghệ đúc áp lực cao Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng
Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài: KS. Trần tự trác Hà Nội - 2008

Cơ quan chủ trì
Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài
KS. Trần tự trác

MỤC LỤC
Trang
Mở đầu
………………………………………………………………………………… 1
1. Nghiên cứu lý thuyết
……………………………………………………………. 3
1.1. Vật liệu chế tạo nắp hông động cơ RV125-2
……………………… 3
1.2. Nấu luyện hợp kim nhôm
………………………………………………… 7
1.2.1. Sự hoà tan khí và sự ô xy hóa
……………………………………. 7
1.2.2. Tạo xỉ che phủ bảo vệ
………………………………………………. 8
1.2.3. Khử khí và tinh luyện
……………………………………………… 11
1.2.4. Biến tính
………………………………………………………………… 12
1.2.5. Kỹ thuật nấu luyện
……………………………………………………. 13
1.3 Đúc áp lực cao
………………………………………………………………… 14
1.3.1. Khái niệm và nguyên lý đúc áp lực cao
……………………… 14
1.3.2. Ảnh hưởng của áp lực đến quá trình điền đầy khuôn và

………………………………………………… 39
2.4.2. Thành phần hóa học, tổ chức kim loại, cơ lý tính
…………… 39
2.4.3. Xử lý khuyết tật trong quá trình đúc áp lực
…………………… 42
3. Kết luận
……………………………………………………………………………… 45
Phụ lục
……………………………………………………………………………………. 46
Tài liệu tham khảo
…………………………………………………………………… 47
Mở đầu

Trong những năm gần đây, việc chế tạo các loại động cơ diezen, động cơ
xăng và máy móc thiết bị phụ tùng phục vụ ngành nông lâm ngư nghiệp đang
được chú ý phát triển ở nước ta. Hàng loạt động cơ diezen loại RV125-2 (12,5
mã lực theo mẫu thiết kế của hãng KUBOTA) của Công ty VIKYNO đã được
xuất xưởng và bán ra thị trường. Sản phẩm gọn nhẹ, mẫu mã đẹp, mức tiêu hao
nhiên liệu thấp, với tỉ lệ nội địa hóa hơn 70% và giá chỉ bằng 45% so với loại
động cơ KUBOTA tương đương nhập từ Nhật Bản, nên được thị trường đánh
giá cao và tiêu thụ mạnh.
Nhu cầu về động cơ RV125-2 mỗi tháng từ 1500 ÷2000 chiếc. Trong đó,
khoảng 50÷60%, xuất khẩu đi các nước: Indonesia, Srilanka, Hàn Quốc, Nhật.
Động cơ chủ yếu dùng trong nông nghiệp và máy phát đ

, riêng các lỗ dầu và
phần lắp bơm dầu bôi trơn phải chịu áp lực đến 6kg/cm
2
. Nhiệt độ làm việc
thường xuyên đối với nắp là 80 ÷ 100
0
C, lớn nhất lên đến 120
0
C.
Trên nắp hông có các vị trí lắp ghép chính xác và định vị nhiều chi tiết với
những tọa độ khác nhau, nên công nghệ chế tạo đòi hỏi phải đạt được sản phẩm
có độ chính xác cao. Ngoài ra, nắp hông nằm bên ngoài nên còn yêu cầu về tính
thẩm mỹ (hình 2).

(a) (b)

Hình 2. Chi tiết nắp hông, phía trong (a) và phía ngoài (b)
Để đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu về vai trò, chức năng quan trọng

hông của Nhật (bảng 2) thì vật liệu nắp hông là hợp kim nhôm ADC12 theo
tiêu chuẩn JIS H5302
của Nhật [1].
Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim nhôm ADC12
theo tiêu chuẩn Nhật, JIS H5302
%Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni %Pb %Sn %Ti
9,6-12,0 <1,3 1,5-3,5 <0,5 <0,3 <1,0 <0,5
Bảng 2. Thành phần hóa học sản phẩm nắp hông của Nhật
theo kết quả phân tích
%Si %Fe %Cu %Mn %Mg %Zn %Ni %Pb %Sn %Ti
11,78 1,1 3,2 0,46 0,23 0,15 0,05 0,005 0,003 0,003
Hợp kim nhôm ADC12 được dùng chế tạo nắp hông động cơ RV125-2 vì có
các ưu điểm nổi trội [2], thích ứng công nghệ chế tạo cũng như điều kiện làm
việc của nắp như:
- Độ bền cao
- Chịu ăn mòn
- Chịu nhiệt tốt, dãn nở nhiệt ít
- Tính công nghệ chế biến tốt: Chảy loãng cao (dễ đúc), dễ gia công cắt gọt.
Những thành phần chính và ả
nh hưởng của chúng trong hợp kim ADC12
có thể tóm tắt như sau.

- Nhôm: Nhôm là kim loại nền của hợp kim ADC12, chiếm trên 80% khối
lượng thành phần. Nhôm ký hiệu hóa học Al là kim loại nhẹ, dẫn nhiệt và dẫn
điện khá. Nhôm nguyên chất chịu ăn mòn trong không khí và trong môi trường
chất hữu cơ. Nhôm dễ bị ôxy hoá tạo màng oxit bền chắc có tác dụng bảo vệ
tránh cho nhôm không bị ôxy hoá tiếp. Vì vậy nhôm nguyên chất được dùng
bọc ngoài các hợp kim cần làm việc trong môi trường ăn mòn.
Một số tính chất cơ bả
n của nhôm như sau:

Độ dẻo, δ = 35 ÷ 40%
Modul đàn hồi = 72200N/mm
2
Tùy theo mức độ tinh khiết nhôm nguyên chất được chia làm 3 loại.
Nhôm rất sạch
99,995% Al dùng trong nghiên cứu
99,99% Al
99,97% Al
99,95% Al
Nhôm sạch
99,7% Al dùng làm dây dẫn điện
99,6% Al dùng bọc kim loại, dây dẩn
99,5% Al dùng pha chế hợp kim nhôm biến dạng
99% Al dùng pha chế hợp kim nhôm đúc
Nhôm kỹ thuật
Al1, Al2 dùng khử ôxy khi luyện thép
- Sắt: Lượng Fe chứa trong nhôm nguyên chất quá 0,05% thì đã sinh FeAl
3

dòn ở dạng kim. Trong hợp kim ADC12, sắt được giới hạn < 1,3%, riêng khi
đúc áp lực cao là < 1,5%
- Silic có lẫn trong nhôm sẽ cùng sắt tạo thành hợp chất dòn (AlFeSi) kết
tinh ở dạng bộ xương hoặc kim rất thô to, làm giảm nhiều độ dẻo. Tuy nhiên silic
làm tăng độ bền, độ cứng và cải thiện rất tốt tính đúc (nhiệt độ chảy, tính chảy
loãng, độ co) cho hợp kim nên được pha chế đến 12%.

- Măngan pha chế thêm vào nhôm có thể hạn chế bớt ảnh hưởng xấu của sắt
vì hợp chất AlFeSiMn kết tinh ở dạng tập trung, ít hại đến tính dẻo. Thêm Mn
cũng làm tính vững ăn mòn của nhôm tốt hơn. Lượng dùng đến 0,5%.
- Đồng tăng thêm độ dẻo, độ chịu mài mòn, tính chịu nhiệt cho hợp kim,

dãn dài giảm.
- Về khả năng nhiệt luyện
Hợp kim Al-Si thường ít nhiệt luyện vì độ bền tăng không nhiều. Tuy nhiên
có thể pha thêm những nguyên tố hợp kim khác như Mg, Cu, Zn làm cho hợp
kim có thể nhiệt luyện tốt, độ bền tăng.
- Về tính đúc
Hợp kim Al-Si có khoảng đông nhỏ d
ễ đúc nhưng cần chú ý chống rỗ ngót
tập trung. Độ chảy loãng của hợp kim khá tốt, thuận lợi cho việc điền đầy khuôn.
- Về tính chịu ăn mòn
Chịu ăn mòn tốt trong không khí và cả trong nước, axít yếu nếu trong hợp
kim có pha thêm đồng và khi nấu không bị hoà tan nhiều sắt.
- Về lý tính khác
Tăng silic sẽ làm độ dẫn điện và dãn nở nhiệt của hợp kim Al – Si giảm
Trong thực t
ế ta hay dùng hai nhóm mác hợp kim
1- Nhóm Al – Si (5% Si)
2- Nhóm Al – Si (12% Si)
Như đã giới thiệu trong bảng 1 và bảng 2, vật liệu chế tạo nắp hông động cơ
RV125 thuộc nhóm 2. Nguyên tố silic với hàm lượng 12% sẽ mang lại độ cứng
vững cần thiết cho nắp, đồng thời cũng giúp cho nắp hông không bị giãn nở quá
nhiều trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao. Ở hàm lượng gần tới 12,6% Si
(gần sát đi
ểm cùng tinh), theo giản đồ trạng thái hình 3 hợp kim có nhiệt độ nóng
chảy thấp nhất 577
o
C, khoảng đông đặc nhỏ nhất, rất thuận lợi cho đúc áp lực.
Khi đúc áp lực, quá trình điền đầy và kết tinh diễn ra rất nhanh, khí không có
điều kiện thoát ra nên không gây rỗ cho sản phẩm. Các nghiên cứu [3] đã cho
thấy, Si có tác dụng tốt với vật đúc hợp kim nói chung và đặc biệt với hợp kim

0
C nhôm đặc hoà tan tới 0,037 cm
3
H
2
/100gAl
Ở 660
0
C nhôm lỏng hoà tan tới 0,7 cm
3
H
2
/100gAl, tăng gấp 10 lần so với
trạng thái đặc.
Các nguồn chủ yếu mang khí H
2
vào là hơi nước H
2
O, dầu mỡ bám ở liệu
kim loại và khí C
m
H
m
trong khói lò. Vì thế cần có biện pháp ngăn chặn khí từ
gốc khi nấu luyện:
- Sấy cho hết độ ẩm trong tường lò, nồi graphít, than, chất trợ dung, liệu, nồi
rót để tránh phản ứng 2Al + 3H
2
O → Al
2


1.2.2 Tạo xỉ che phủ bảo vệ
Để tránh khí xâm nhập vào hợp kim nhôm gây các tác hại như đã giới thiệu
ở trên, người ta thường dùng biện pháp hữu hiệu là tạo xỉ che phủ bảo vệ.
Nấu nhôm thỏi nguyên chất không cần che phủ bảo vệ, vì đã có màng oxit
nhôm bền vững bao bọc. Nấu các hợp kim nhôm có Mg với khối lượng lớn
thường dùng một lượng nhỏ berili [3] cho vào hợp kim (0,03 ÷ 0,07% ) để tạ
o
màng oxit bêrêlima nhẹ, bền ở bề mặt kim loại lỏng. Màng õit này có tác dụng
bảo vệ kim loại lỏng khỏi bị hoà tan khí và oxy hoá. Với hợp kim chứa >1% Mg
thì màng oxyt chỉ toàn là MgO xốp, do đó việc che phủ bảo vệ là cần thiết.
Dùng berili tiện nhưng rất độc, nên trên thực tế ít áp dụng mà thường dùng
chất trợ dung hay còn gọi là các muối để tạo xỉ bảo vệ bề mặt kim loại lỏng thay
cho Be.
Ngoài tác dụng bảo vệ, một số chất trợ dung như cryolit còn có khả năng
tinh luyện và khử khí. Cryolit hoà tan oxit nhôm Al
2
O
3
làm cho màng oxit ở bề
mặt nhôm lỏng mất đi, tạo điều kiện cho khí trong kim loại lỏng có thể thoát ra.
a. Yêu cầu đối với chất tạo xỉ
- Nhiệt độ chảy tương đối thấp, thường khoảng 700
0
C
- Chảy loãng tốt để có thể dễ che phủ kín bề mặt kim loại lỏng, nhưng không
quá loãng để cào xỉ dễ dàng, tránh để lọt xỉ theo kim loại lỏng chảy vào khuôn.
- Trọng lượng riêng nhỏ hơn nhôm, thường khoảng 1,4 ÷ 1,6 ở nhiệt độ
750
0

- ZnCl
2
và đặc biệt là MgCl
2
hút ẩm mạnh cần chú ý khi dùng.

Khi lng riờng v nhit chy ca mt s mui dựng lm cht to x
c nờu trong bng 3 [4].
Bng 3. Khi lng riờng v nhit chy ca mt s mui dựng lm cht to x
Khi lợng riêng
(g/cm
3
)
Muối
Khi rắn Khi lỏng
Nhiệt độ
chảy
(
0
C)
Clorua natri NaCl 2,17 1,55 805
Florua natri NaF 2,77 1,95 992
Clorua kali KCl 1,99 1,53 772
Florua kali KF 2,48 1,91 860
Clorua canxi CaCl
2
2,15 2,06 744
Flourua canxi CaF
2
3,18 1378

.3NaF 33 1
Clorua natri NaCl 67
735
Cryôlit AlF
3
.3NaF 15
Clorua natri NaCl 60
2
Clorua kali KCl 25
660
Cryôlit AlF
3
.3NaF 50
Cacbonnat natri Na
2
CO
3
15
3
Clorua natri NaCl 35
743
Florua natri NaF 10 4
Clorua kali KCl 90
700
Florua natri NaF 20 5
Clorua kali KCl 80
743
Florua natri NaF 10
Clorua kali KCl 45
6

Florua Kali KF

10
Clorua natri NaCl 40
11
Clorua kali KCl 30
Flousilicat natri 35
Clorua natri NaCl

30
Clorua kali KCl 28
12
Hexacloretan 7
Bảng 6. Chất tạo xỉ dùng khi nấu luyện hợp kim nhôm có Mg
TT Hçn hîp muèi Thµnh phÇn %
Clorua manhª MgCl
2
70 13
Clorua natri NaCl 30
Clorua manhª MgCl
2
34
Clorua natri NaCl 33
14
Clorua kali KCl 33
Clorua manhª MgCl
2
58
Clorua natri NaCl 24
15

kim Al – Mg) nhưng thường cho vào khi kim loại đã chảy hết.
- Lượng dùng từ 0,5 ÷ 1% trọng lượng nhôm. Đối với xỉ có tác dụng tinh
luyện không nên cho vào một lần mà cho ít một để tránh vón cục kém tác dụng.
Thường dùng dụng cụ riêng nhấn chìm chất t
ạo xỉ trong kim loại lỏng và chờ ít
lâu để có phản ứng tạo bọt.
- Chú ý đến sự cháy hao của Mg (nguyên tố có tác dụng tốt đến khả năng
nhiệt luyện của hợp kim), nên dùng chất tạo xỉ có clorua manhê.
1.2.3 Khử khí và tinh luyện
Khi nấu xong, trước khi rót phải có biện pháp làm cho khí hoà tan trong kim
loại lỏng thoát ra ngoài (khử khí) và giảm bớt lượng oxit nhôm và các tạp chất
rắn (Al
2
O
3
, SiO
2
) trong kim loại lỏng (tinh luyện) [5].
Hai cách phổ biến nhất vừa khử khí vừa có tác dụng tinh luyện là:
a. Thổi khí clo (Cl
2
) vào kim loại lỏng.
Khí clo khô (đã được hút ẩm qua axít sunphuaric đặc hoặc CaCl
2
) được thổi
vào đáy nồi nhôm lỏng. Các bọt khí Cl
2
và các khí HCl, AlCl
3
bay lên sẽ mang

MnCl
2
) tạo bọt khí AlCl
3
bay lên:
3ZnCl
2
+ 2Al → 2 Al Cl
3
↑ + 3Zn
3MnCl
2
+ 2Al → 2 Al Cl
3
↑ + 3Mn
Dùng MnCl
2
tốt hơn vì ít hút ẩm, và Mn còn lại trong nhôm lỏng cũng không
có hại như Zn.
Khối lượng muối dùng chỉ khoảng 0,05 ÷0,2% khối lượng kim loại lỏng.
Nhiệt độ kim loại lỏng chỉ nên cao trên nhiệt độ chảy khoảng 30 ÷ 50
0
C. Nếu
nhiệt độ cao quá sẽ lưu nhiều khí, thấp quá bọt khí khó nổi lên làm cho tác dụng
tinh luyện kém. Nên tiến hành khử khí khi kim loại còn trong nồi nấu, sau đó
tăng nhiệt độ đến nhiệt độ rót yêu cầu.

Ngoài ra còn có thể khử khí bằng các phương pháp sau:
- Dùng siêu âm tác dụng vào nồi rót sẽ tạo nên những khu vực chân không
nhỏ trong kim loại lỏng, khí H

trong hợp kim không đều.
b. Biến tính bằng hỗn hợp muối
Nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên tới 760 ÷ 800
0
C rồi rắc lên trên bề mặt kim
loại lỏng một lượng muối khoảng 0,6 ÷1% trọng lượng kim loại lỏng, dùng chụp
nhấn chìm và khuấy trong 10 ÷ 15 phút cho nhôm tác dụng với muối, tạo ra Na
hoà tan vào kim loại.
3NaF + Al → AlF
3
+ 3Na
Vì ở nhiệt độ thấp muối phản ứng chậm nên khi biến tính đòi hỏi phải dùng
lượng muối tương đối nhiều. Tùy theo chiều dày của vật đúc có thể chọn nhiệt
độ kim loại lỏng thích hợp để biến tính tương ứng với hổn hợp muối đã chọn.
Một số thành phần hỗn hợp muối thường dùng được nêu trong bảng 7.

Bảng 7. Một số thành phần hỗn hợp muối thường dùng
Loại muối
NaCl (%) KCl (%) NaF (%) NhiÖt ®é ch¶y (
0
C )
1 33 - 67
2 20 45 35 650
3 40 40 20 600
4 40 12.5 47.5

Có thể dùng những hình thức thao tác khác nhau nhằm tăng khả năng biến
tính như:
- Cho muối vào đáy nồi rót trước rồi đổ kim loại lỏng vào sau
- Nấu hỗn hợp muối chảy lỏng rồi rót hợp kim nhôm cần biến tính vào

+ Rút ngắn thời gian nấu
+ Tránh nâng nhiệt độ kim loại lỏng lên quá cao, giữ lâu ở nhiệt độ cao (hoà
tan nhiều khí, làm hạt thô)
+ Có tiến hành khử khí và tinh luyện kim loại lỏng trước khi rót.
+ Hạn chế khuấy động kim loại lỏng khi nấu.
+ Tránh rót đi rót lại vào nồi chuyển nhiều lần.

1.3 Đúc áp lực cao
1.3.1 Khái niệm và nguyên lý đúc áp lực cao
Đúc áp lực cao là công nghệ đúc trong đó kim loại lỏng điền đầy khuôn và
đông đặc dưới tác dụng của áp lực cao.
Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các
loại hợp kim khác. Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm sản phẩm nhôm đúc áp lực đạt
giá trị tới 2,5 tỷ đôla. Đúc áp l
ực rất phù hợp với đúc hàng loạt số lượng lớn,
khối lượng chi tiết nhỏ, thường có thể nặng tới 5kg [6], cũng có trường hợp đúc
chi tiết nặng tới 50kg nhưng giá thành rất cao [7]. Đúc áp lực có ưu điểm là giảm
thiểu dung sai, bề mặt nhẵn bóng, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc.
Quá trình đúc áp lực có thể mô tả như sau: kim loạ
i lỏng được đưa vào
khuôn bằng áp lực cao thông qua một bộ xylanh-piston nạp hay còn gọi là buồng
nạp, hoặc buồng ép (hình 4). Áp lực lớn, tốc độ nguội nhanh, sẽ làm cho sản
phẩm đạt tổ chức sít chặt, hạt nhỏ mịn, tăng cơ tính và khả năng chịu mài mòn.
Có 2 dạng đúc áp lực là đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) và đúc áp
lực buồng nóng (hot chamber). Đúc áp lực buồng nguội (hình 4) vớ
i bộ xylanh-
piston nạp- ép của thiết bị đúc nằm bên ngoài lò- bể chứa kim loại lỏng. Kim loại

áp lực ép, lắp tháo ruột, làm sạch và sơn khuôn, thời gian hợp kim kết tinh, vận
tốc vào ra của khuôn động… và cài đặt cho máy đúc áp lực. Trên thực tế, các
công đoạn diễn ra liên tiếp với th
ời gian rất ngắn và máy làm việc hoàn toàn tự
động theo chương trình đã cài đặt. Các công đoạn cụ thể được mô tả trong các sơ đồ minh họa sau E
M
M
E
E
M

E
M
M
E
E
M
1. Chuẩn bị và đóng ráp khuôn

3. Dồn ép hợp kim lỏng ở vận tốc chậm
Kim loại được bơm chậm đầy buồng ép trước khi đi
vào khuôn
4. Ép hợp kim lỏng ở vận tốc cao
Khi hợp kim điền đầy buồng ép, vận tốc ép được
tăng lên đến cực đại để điền đầy khuôn E
M
M
E
E
M

E
M
M
E
E
M

M
E
E
M
8. Đẩy sản phẩm
Sản phẩm đúc được đẩy ra khỏi nửa khuôn động
nhờ hệ thống các chốt đẩy

1.3.2 Ảnh hưởng của áp lực đến quá trình điền đầy khuôn và kết tinh
của kim loại
Lực ép tác động lên kim loại lỏng để điền đầy khuôn trong quá trình kết
tinh, do pittông thuỷ lực tạo ra. Tốc độ dịch chuyển của chất lỏng thuỷ lực và áp
lực ép của pittông thay đổi trong
suốt 1 chu trình đúc. Có thể chia
1 chu trình đúc thành 4 giai đoạn
như hình 6 [9].
Giai đoạn 1: Pittông ép đã đi
qua và bịt lỗ rót. Vận tốc v
1
của
pittông ép và áp lực p
1
trong
buồng ép còn nhỏ. Vì khi đó áp
lực chỉ cần đủ để thắng ma sát
trong buồng ép và xi lanh thuỷ
lực.
Giai đoạn 2: Kim loại lỏng
đã điền đầy toàn bộ buồng ép.
Tốc độ của pittông tăng lên và đạt giá trị cực đại

quá trình tác động nhiệt để hình thành vật đúc.
Áp lực bên ngoài sẽ gây ra các ảnh hưởng sau:
1. Nâng cao hệ số dẫn nhiệt của kim loại lỏng và hệ số trao đổi nhiệt giữa vật
đúc và khuôn
2.
Làm giảm kích thước của mần kết tinh tới hạn và nâng cao số lượng tâm
mầm kết tinh.
3. Giảm độ hạt trung bình, tính không đồng nhất các nhánh cây của kim loại
Hình 6. Thay đổi tốc độ và áp suất trong
buồng ép

4. Giảm hệ số khuếch tán và giảm tốc độ khuếch tán tương đối của tạp chất
5. Làm tốt điều kiện lọc thấm của vùng 2 pha, do đó cấu trúc kim loại sẽ đặc
chắc hơn
6. Giảm nhiệt độ bắt đầu co ngót và giảm độ co ngót của hợp kim trong
khoảng kết tinh có hiệu quả
7. Giảm khuynh hướng nứt nóng củ
a kim loại.

1.3.3 Phạm vi ứng dụng công nghệ đúc áp lực cao
Về cơ bản, đúc áp lực cao áp dụng chủ yếu để sản xuất những vật đúc bằng
hợp kim nhôm, magiê, kẽm và đồng. Cũng có thể dùng công nghệ đúc áp lực cao
để đúc thép hoặc gang nhưng rất ít vì nhiệt độ nóng chảy và tỷ trọng của gang và
thép lớn.
Do kim loại điền đầy khuôn và kết tinh trong tr
ạng thái áp lực nên phương
pháp đúc này có nhiều điểm ưu việt:
- Đúc được vật đúc thành rất mỏng (0,5mm)
- Độ chính xác cao
- Chất lượng vật đúc rất tốt do đạt được tổ chức nhỏ mịn, sít chặt