Đúc ly tâm là rót kim loại lỏng vào một khuôn đang quay nhanh, để lực ly tâm ép kim loại dạt ra thành khuôn và đông đặc thành một ống hoặc vòng tròn xoay mà không cần lõi ở giữa. Vì kim loại bị nén mạnh vào thành, còn xỉ và khí nhẹ hơn bị đẩy vào phía trong, vật đúc ly tâm thường đặc chắc hơn đúc tĩnh. Ống gang dẻo cấp nước, bạc lót bằng đồng, ống lót xi lanh động cơ và phôi vòng xéc măng là những sản phẩm tiêu biểu.
Đúc ly tâm hoạt động theo nguyên lý nào?
Hình dung một chiếc thùng quay đầy nước: nước dâng lên thành và lõm xuống ở giữa. Kim loại lỏng trong khuôn quay cũng vậy, nhưng khuôn quay nhanh hơn nhiều, nên kim loại dàn thành một lớp đều bám sát thành khuôn. Khi lớp ngoài tiếp xúc khuôn nguội đi, kim loại đông đặc từ ngoài vào trong. Mặt trong của ống tự hình thành, phẳng như mặt nước, mà không cần lõi cát nào.
Độ mạnh của quá trình thường được tính bằng hệ số trọng lực: lực ly tâm tác dụng lên kim loại gấp bao nhiêu lần trọng lực. Hệ số này tỷ lệ với bình phương tốc độ quay và với bán kính. Ví dụ, một khuôn có bán kính trong 15 cm quay 700 vòng mỗi phút tạo lực khoảng 80 lần trọng lực ở thành khuôn. Các xưởng thường chọn khoảng vài chục tới hơn một trăm lần trọng lực: quay chậm quá thì kim loại trượt, rơi xuống đáy khuôn ngang, gọi là "mưa kim loại"; quay nhanh quá thì vật đúc dễ nứt dọc vì ứng suất lớn.
Vì sao vật đúc ly tâm đặc chắc hơn?
Có ba lý do cộng lại:
- Tách tạp chất theo khối lượng riêng: xỉ, ôxít và bọt khí nhẹ hơn kim loại nhiều, nên dưới lực ly tâm chúng bị đẩy dồn về mặt trong. Lớp mỏng bẩn đó sau này được tiện bỏ.
- Đông đặc có hướng: kim loại đông từ thành khuôn vào tâm, kim loại lỏng ở phía trong liên tục được ép ra bù chỗ co ngót. Rỗ co gần như không có trong thân ống.
- Nén dưới áp lực: lực ly tâm ép tinh thể đang mọc sát lại, tổ chức kim loại mịn, chặt.
Thêm một lợi ích kinh tế: không cần lõi và gần như không có hệ thống rót, đậu ngót, nên lượng kim loại thừa rất ít. Với sản phẩm hình ống, đây là cách đúc tiết kiệm nhất.
Có những kiểu đúc ly tâm nào?
| Kiểu | Trục quay | Cách tạo hình | Sản phẩm |
|---|---|---|---|
| Ly tâm thật, trục ngang | Nằm ngang | Không lõi, mặt trong tự hình thành | Ống gang dẻo, ống thép không gỉ đúc, ống lót xi lanh |
| Ly tâm thật, trục đứng | Thẳng đứng | Mặt trong hơi hình phễu do trọng lực | Bạc lót, vành, vòng ngắn có chiều cao nhỏ |
| Bán ly tâm | Thẳng đứng | Có lõi ở tâm, khuôn quay để ép kim loại | Bánh xe, puli, bánh răng phôi tròn |
| Đúc ly tâm khuôn nhỏ | Thẳng đứng, khuôn đặt quanh tâm | Nhiều khuôn nhỏ xếp quanh trục, kim loại văng vào từng khuôn | Chi tiết nhỏ chính xác |
Khuôn có thể là khuôn kim loại làm nguội bằng nước, khuôn kim loại có phủ lớp chịu lửa, hoặc khuôn cát lót trong ống thép. Khuôn kim loại làm nguội mạnh cho tổ chức mịn và năng suất cao; khuôn có lớp phủ hoặc cát giúp kim loại nguội chậm hơn, phù hợp với hợp kim dễ nứt.
Ống gang dẻo cấp nước được đúc như thế nào?
Ống gang dẻo là sản phẩm đúc ly tâm quen thuộc nhất ở Việt Nam, thường thấy trên các công trình cấp nước, chôn dọc vỉa hè. Quy trình ở nhà máy hiện đại đại thể như sau:
- Nấu và cầu hoá gang: gang lỏng được xử lý bằng magie để graphit kết tinh thành những hạt tròn thay vì vảy. Graphit dạng cầu giúp gang dẻo, chịu kéo và chịu va đập tốt hơn gang xám nhiều. Gang cầu được công bố cuối thập niên 1940.
- Đúc ly tâm: gang lỏng chảy qua một máng dài vào khuôn thép đang quay, được làm nguội bằng nước bên ngoài. Máng rút dần từ đầu này sang đầu kia trong lúc khuôn quay, rải kim loại thành lớp đều suốt chiều dài ống. Mỗi ống thường dài khoảng 6 m. Phương pháp khuôn kim loại làm nguội nước này được phát triển từ đầu thế kỷ 20.
- Ủ: vì khuôn thép làm nguội rất nhanh, lớp ngoài ống có thể bị hoá trắng, cứng và giòn. Ống được đưa qua lò ủ để phân huỷ lớp đó, trả lại độ dẻo.
- Phủ bảo vệ: mặt ngoài phun một lớp kẽm rồi phủ sơn bitum hoặc sơn khác; mặt trong lót một lớp vữa xi măng quay ly tâm để chống ăn mòn và giữ nước sạch.
- Thử và kiểm tra: ống được thử áp lực nước, kiểm kích thước, độ dày thành và độ tròn.
Đầu ống thường có một đầu loe gọi là đầu bát, lắp gioăng cao su để nối với đầu trơn của ống kế tiếp. Nhờ khớp nối có độ lệch cho phép, đường ống gang dẻo chịu được nền đất lún nhẹ mà không gãy.
Bạc lót và ống lót xi lanh liên quan gì tới đúc ly tâm?
Bạc lót bằng đồng
Bạc lót là ống ngắn lót giữa trục quay và gối đỡ, chịu mài mòn thay cho trục đắt tiền. Bạc thường làm bằng đồng thiếc hoặc đồng nhôm, có tính chống mài mòn và chịu tải tốt. Đúc ly tâm cho phôi bạc đặc chắc, không rỗ ở vùng làm việc, sau đó tiện trong, tiện ngoài theo kích thước.
Ống lót xi lanh
Nhiều động cơ có ống lót xi lanh bằng gang xám ép vào thân máy. Mặt trong ống lót là nơi piston và xéc măng trượt lên xuống hàng triệu lần, nên cần tổ chức gang đều, graphit vảy giữ dầu bôi trơn. Đúc ly tâm cho phôi ống lót có tổ chức đồng đều quanh chu vi, ít khuyết tật, dễ gia công.
Vòng xéc măng
Một cách sản xuất xéc măng là đúc ly tâm một ống gang hợp kim, gia công rồi cắt thành từng vòng, xẻ miệng và gia công định hình. Cách khác là đúc từng vòng riêng trong khuôn cát. Cả hai đều cần gang có độ đàn hồi tốt để vòng ép sát thành xi lanh.
Đúc ly tâm còn làm được những gì đặc biệt?
Một ứng dụng đáng chú ý là vật đúc hai lớp. Rót lớp kim loại thứ nhất, chờ vừa đông, rồi rót tiếp lớp thứ hai vào trong khi khuôn vẫn quay. Kết quả là một ống hoặc trục có lớp ngoài cứng chịu mài mòn, lõi trong dẻo dai. Trục cán trong nhà máy cán thép, ống chịu mài mòn dẫn quặng, ống chống ăn mòn trong công nghiệp hoá chất có thể làm theo cách này.
Đúc ly tâm cũng được dùng cho ống thép không gỉ chịu nhiệt trong lò cracking của nhà máy hoá dầu, nơi ống phải làm việc ở nhiệt độ rất cao trong thời gian dài. Tổ chức đặc chắc giúp ống ít rão và ít nứt.
Đúc ly tâm có giới hạn gì?
- Chỉ hợp hình tròn xoay: ống, vòng, bạc, đĩa. Chi tiết có hình bất đối xứng phải dùng phương pháp khác.
- Thiên tích: ở hợp kim có thành phần nặng nhẹ khác nhau, lực ly tâm có thể làm thành phần phân bố không đều theo chiều dày.
- Lớp trong bẩn: phải chừa lượng dư để tiện bỏ.
- Máy và khuôn đắt: hợp với sản xuất ổn định, số lượng lớn.
An toàn khi vận hành máy đúc ly tâm?
Ngoài những nguy hiểm chung của kim loại lỏng như nhiệt bức xạ và kim loại bắn khi gặp ẩm, máy đúc ly tâm có thêm nguy hiểm cơ khí: khối khuôn nặng quay nhanh. Khuôn mất cân bằng hoặc kim loại rò ra khỏi khuôn đang quay có thể văng xa. Máy công nghiệp có vỏ che, khoá liên động, phanh, và quy trình kiểm tra khuôn trước mỗi ca. Đường nước làm mát khuôn phải được theo dõi chặt: rò nước vào khu vực kim loại lỏng là nguy cơ nổ hơi. Thợ vận hành mặc đồ chống nhiệt, đeo mặt nạ và đứng ở vị trí điều khiển cách xa khuôn.
Câu hỏi thường gặp
Đúc ly tâm là gì?
Đúc ly tâm là rót kim loại lỏng vào khuôn đang quay để lực ly tâm ép kim loại dạt ra thành khuôn và đông đặc thành vật hình tròn xoay. Phương pháp này tạo được ống, vòng, bạc lót mà không cần lõi.
Vì sao vật đúc ly tâm ít rỗ?
Lực ly tâm đẩy xỉ và khí nhẹ dồn vào mặt trong, nơi sau này được tiện bỏ, đồng thời ép kim loại lỏng bù vào chỗ co ngót khi đông đặc từ ngoài vào trong. Vì vậy thân vật đúc đặc chắc, tổ chức mịn.
Ống gang dẻo được làm bằng phương pháp nào?
Ống gang dẻo được đúc ly tâm trong khuôn thép làm nguội bằng nước, sau đó ủ, mạ kẽm và sơn mặt ngoài, lót vữa xi măng mặt trong và thử áp lực. Gang được xử lý magie để graphit có dạng cầu.
Ống gang dẻo nối với nhau thế nào?
Phổ biến nhất là nối đầu bát và đầu trơn: đầu trơn của ống này đút vào đầu loe của ống kia, kín nhờ một vòng gioăng cao su. Khớp nối cho phép lệch góc nhỏ nên đường ống chịu được nền đất lún nhẹ.
Đúc ly tâm dùng cho kim loại nào?
Đúc ly tâm dùng được cho gang, thép, thép không gỉ, đồng thiếc, đồng nhôm và nhiều hợp kim khác. Giới hạn chính nằm ở hình dạng: vật đúc phải có dạng tròn xoay.
