Ảnh hưởng của nhiệt độ rót, chiều dày sơn và độ chân không đến khả năng điền đầy khuôn khi đúc hợp kim A356 theo công nghệ mẫu hóa khí

TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K3- 2015 
 Trang 95 
Ảnh hưởng của nhiệt độ rót, chiều dày 
sơn và độ chân không đến khả năng 
điền đầy khuôn khi đúc hợp kim A356 
theo công nghệ mẫu hóa khí 
 Nguyễn Ngọc Hà 
 Lê Quốc Phong 
 Nguyễn Nhất Trí 
 Lại Đình Hoài 
Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 
(Bản nhận ngày 25 tháng 01 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 22 tháng 6 năm 2015) 
TÓM TẮT 
Đúc trong khuôn mẫu hóa khí là 
phương pháp đúc được quan tâm rất nhiều 
hiện nay do có nhiều ưu điểm nổi bật. Không 
cần mặt phân khuôn nên giảm thiểu được 
sai lệch mặt, không sử dụng chất kết dính 
nên giảm được chi phí cho việc xử lý hỗn 
hợp làm khuôn và thân thiện với môi trường, 
quy trình sản xuất đơn giản, có thể đúc được 
những chi tiết phức tạp. 
Trong nghiên cứu này, đã khảo sát ảnh 
hưởng của nhiệt độ rót, chiều dày lớp sơn 
mẫu (thông qua thời gian nhúng sơn) và độ 
chân không đến khả năng điền đầy khuôn 
của vật đúc trong công nghệ đúc mẫu hóa 
khí. Hợp kim được sử dụng là hợp kim nhôm 
A356. Bằng phương pháp quy hoạch thực 
nghiệm đã xây dựng được phương trình hồi 
quy về ảnh hưởng của các thông số đúc nêu 
trên đến khả năng điền đầy khuôn. Kết quả 
cho thấy, nếu tăng nhiệt độ rót kim loại lỏng, 
tăng độ chân không, giảm thời gian nhúng 
mẫu thì sẽ thu được vật đúc có mức độ điền 
đầy cao hơn. 
Từ khóa: đúc trong khuôn mẫu hóa khí;mẫu hóa khí; chất sơn mẫu 
1. GIỚI THIỆU 
Công nghệ đúc trong khuôn mẫu hóa khí có 
nhiều ưu điểm: cát làm khuôn không cần chất 
dính, có thể tạo lỗ, hốc cho vật đúc mà không cần 
ruột, vật đúc đạt độ chính xác cao do không có 
mặt phân khuôn, ít ô nhiễm môi trường, ít tiêu 
hao vật liệu làm khuôn, thiết bị và công nghệ đơn 
giản  Phương pháp đúc này đang được ứng 
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong 
ngành công nghiệp ô tô. 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 
Trang 96 
Các bước cơ bản trong công nghệ đúc trong 
khuôn mẫu hóa khí: 1) Chế tạo mẫu xốp bằng 
cách cắt hoặc ép tạo hình; 2) Ghép thành chùm 
mẫu; 3) Sơn mẫu; 4) Đặt mẫu vào khuôn, đổ cát 
và rung lèn chặt; 5) Phủ màng mỏng bằng nhựa 
dẻo lên bề mặt khuôn; 6) Rót kim loại lỏng vào 
khuôn đồng thời hút chân không; dỡ khuôn và 
lấy vật đúc ra (hình 1). 
Tuy nhiên đúc trong khuôn mẫu hóa khí có 
hai nhược điểm: vật đúc dễ bị cháy dính cát và 
khả năng điền đầy khuôn không cao. 
Hình 2 trình bày cơ chế thay thế kim loại 
lỏng/mẫu xốp trong quá trình rót khuôn [1]. 
Trong quá trình đúc nhôm, khi tiếp xúc với kim 
loại lỏng, xốp polystyrene phân hủy tạo thành 
các giọt lỏng nằm trên lớp sơn mẫu, sau đó, dưới 
tác dụng nhiệt, một phần trong chúng sẽ hóa khí 
và thoát ra ngoài qua lớp sơn mẫu. Nếu mức độ 
hút chân không không đủ, khả năng thẩm thấu 
của mẫu xốp có thể vượt quá khả năng thẩm thấu 
của lớp sơn mẫu, điều này có thể dẫn đến: 1) 
Hình thành áp lực lớn trong hốc khuôn, cản trở 
việc điền đầy khuôn, thậm chí khi áp lực quá cao 
có thể dẫn đến hiện tượng phun trào; 2) Hình 
thành các nếp gấp trên bề mặt vật đúc; 3) Có thể 
tồn tại rỗ khí trong vật đúc. Ngược lại, nếu mức 
độ hút chân không quá lớn, kim loại lỏng sẽ thẩm 
thấu qua lớp sơn mẫu và gây nên hiện tượng cháy 
dính cát cơ học. 
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng 
điền đầy khuôn khi đúc bằng công nghệ mẫu hóa 
khí: cát làm khuôn và chế độ rung lèn chặt, vật 
liệu làm mẫu xốp, khối lượng riêng của mẫu xốp, 
nhiệt độ rót, loại sơn và chiều dày lớp sơn mẫu, 
độ chân không  Công trình này chỉ nghiên cứu 
ảnh hưởng của ba yếu tố (nhiệt độ rót, chiều dày 
lớp sơn, độ chân không) đến khả năng điền đầy 
khuôn khi đúc bằng công nghệ mẫu hóa khí cho 
hợp kim nhôm A356. 
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý đúc trong khuôn mẫu hóa khí 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K3- 2015 
 Trang 97 
Hình 2. Tương tác giữa kim loại và khuôn 
2. THỰC NGHIỆM 
2.1. Nguyên vật liệu 
Mẫu xốp: Được chế tạo bằng xốp 
Polystyrene (EPS) theo phương pháp ép có khối 
lượng riêng 30 kg/m3. Mẫu có dạng bậc với kích 
thước 220x80 mm, chiều dày các bậc lần lượt là 
20, 15, 10, 5, 3, 2 mm và được ký hiệu lần lượt 
là bậc 1, 2, 3, 4, 5 (hình 3) [2, 4]. 
Cát làm khuôn: Cát thạch anh đã qua tuyển 
có kí hiệu T1C0315A [5]. 
Hỗn hợp chất sơn mẫu: Công trình sử dụng 
chất sơn mẫu có thành phần rắn (theo khối 
lượng): 80% bột zircon silicat (ZrSiO4 > 90%, 
trên 75% hạt có kích thước < 45µm, nguồn gốc: 
tuyển từ quặng titan Bình Thuận), 6% nhựa 
thông, 14 % sét bentonite natri (khoáng 
mônmôrilônit > 90%, trên 60% hạt có kích thước 
< 10µm, nguồn gốc: Bảo Lộc, Lâm Đồng); dung 
môi: cồn 96%; tỉ lệ lỏng : rắn = 1 : 0,35. 
Hợp kim đúc: A356. 
2.2. Trang thiết bị thí nghiệm 
Thiết bị rung: P = 2 HP; biên độ rung: 1 mm; 
phương rung: đứng; tần số rung: 0 - 50 Hz; kích 
thước sàn rung: 900x600mm. 
Hệ thống cấp chân không: P = 5 HP, Q = 4 
m3/phút, pmax = -760 mmHg, Vtích = 0,8 m3. 
Hòm khuôn: kích thước trong; 
320x220x300mm; kích thước mắt lưới lọc cát: 
0,05mm; số vị trí cấp chân không: 2. 
Các trang thiết bị, dụng cụ khác: thiết bị 
khuấy sơn, thiết bị cắt mẫu xốp bằng dây điện trở, 
dụng cụ đo độ nhớt của sơn (dung tích: 100ml, 
đường kính lỗ thoát: 5mm), các bình đong, ống 
nghiệm, cân điện tử,  
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 
Trang 98 
Hình 3. Mẫu xốp 
Hình 4. Mô phỏng thao tác đo chiều dày lớp sơn bằng thước kẹp Chiều	dày	lớp	sơn	 = 	Kích	thước	trước	khi	sơn	– 	kích	thước	sau	khi	sơn2 	(mm)	(1) 
2.3. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá 
a) Phương pháp xác định chiều dày lớp 
sơn 
Tiến hành đo chiều dày của mẫu trước và 
sau khi nhúng sơn (ở cùng một vị trí) bằng thước 
kẹp (phạm vi đo: 0-200mm; độ chia nhỏ nhất: 
0.02mm) để xác định chiều dày lớp sơn. Sử dụng 
khuôn chặn hình V để xác định vị trí đo chiều 
dày. Thao tác đo chiều dày sơn được thể hiện 
trong hình 4. 
Do việc khống chế chiều dày lớp sơn cố định 
ở một giá trị rất khó nên trong nghiên cứu này sẽ 
khống chế chiều dày sơn thông qua thời gian 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K3- 2015 
 Trang 99 
nhúng mẫu vào sơn. Hình 5 trình bày ảnh hưởng 
của thời gian nhúng mẫu và tỉ lệ rắn/lỏng của sơn 
lên chiều lớp sơn. 
Hình 5. Ảnh hưởng của thời gian nhúng mẫu và tỉ lệ 
rắn/lỏng đến chiều dày lớp sơn 
b) Phương pháp đánh giá mức độ điền 
đầy 
Sử dụng mẫu bậc (hình 2) để đánh giá mức 
độ điền đầy khuôn. Số bậc mà kim loại lỏng điền 
đầy là: 
ܵố	ܾậܿ = 	݊ + ݉௡ାଵ
ܯ௡ାଵ
	(2) 
Trong đó: n – số bậc đã được điền đầy đầy 
đủ; M n+1 – khối lượng đầy đủ của bậc n+1; m n+1 
– khối lượng kim loại được điền đầy thực tế ở bậc 
n+1. 
c) Phương pháp làm khuôn và rót khuôn 
Cho cát lót vào hòm khuôn; đặt mẫu lên lớp 
cát lót; vừa thêm cát vào và vừa tiến hành rung 
khuôn cho đến khi đầy cát trong hòm khuôn (thời 
gian rung: 90s, tần số rung: 40Hz, biên độ rung: 
1mm [5]); phủ một tấm màng mỏng lên bề mặt 
khuôn; rót kim loại vào khuôn đồng thời với quá 
trình hút chân không (thời gian rót khuôn: 10 1 
s); lấy vật đúc ra khỏi khuôn, làm sạch lớp sơn và 
tiến hành đánh giá. 
d) Phương án quy hoạch thực nghiệm 
Trong nghiên cứu này, sử dụng phương 
pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần để 
xây dựng phương trình hồi quy (PTHQ) và đánh 
giá sự tương thích của PTHQ theo tiêu chuẩn 
Fisher. 
Phương án thực nghiệm: thực nghiệm yếu tố 
toàn phần với k = 3 (ba yếu tố ảnh hưởng: nhiệt 
độ rót - Z1, chiều dày lớp sơn - Z2, độ chân không 
- Z3), n = 2 (hai mức độ - giá trị hai biên). Như 
vậy cần thực hiện ܰ = 2௞= 23 = 8 thí nghiệm; sau 
đó tiến hành thêm ba thí nghiệm ở tâm để tính 
ݏ௧௛
ଶ 	đánh giá sự tương thích thực nghiệm của 
PTHQ theo tiêu chuẩn Fisher. Tổng cộng thực 
hiện 11 thí nghiệm [6]. 
Để xác định khoảng khảo sát của các biến 
đầu vào bảo đảm vật đúc không bị cháy dính cát 
quá mức, đã tiến hành các thí nghiệm thăm dò. 
Từ kết quả các thí nghiệm thăm dò, giá trị các 
biến được chọn như sau: 
 Nhiệt độ rót (Z1): giới hạn dưới: 670oC, 
giới hạn trên: 760oC, tâm: 715oC; 
 Thời gian nhúng (Z2): giới hạn dưới: 
20s, giới hạn trên: 50s, tâm: 35s; 
 Độ chân không (Z3): giới hạn dưới: 
0mmHg, giới hạn trên: 500mmHg, tâm: 
250mmHg. 
Hàm mục tiêu là khả năng điền đầy vật đúc 
Y (bậc). 
2.4. Kết quả thực nghiệm và xử lý kết quả thực 
nghiệm 
Các kết quả thực nghiệm được trình bày ở 
bảng 1. Hình ảnh các vật đúc thực nghiệm được 
trình bày ở hình 6. 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
10 20 30 60
C
hi
ều
 d
ày
 lớ
p 
sơ
n 
(m
m
)
Thời gian nhúng (giây)
1/0.35
1/0.4
Tỷ lệ 
rắn/lỏng: 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 
Trang 100 
a) Tám mẫu ở biên b) Ba mẫu ở tâm 
Hình 6. Hình ảnh vật đúc 
Bảng 1. Kết quả thực nghiệm 
ST
T 
Nhiệt 
độ 
rót (Z1) 
Thời gian 
nhúng 
(Z2) 
Độ chân 
không 
(Z3) 
Khối 
lượng 
(gam) 
Điền đầy theo 
thực nghiệm 
(bậc) 
Điền đầy 
theo PTHQ 
Yi (bậc) 
Phần 
trăm sai 
số (%) 
1 670 20 500 423.64 4.35 4.29125 1.350575 
2 670 50 500 364.94 2.92 2.97875 2.011986 
3 760 20 500 427.81 4.51 4.56875 1.302661 
4 760 50 500 403.08 3.73 3.67125 1.57507 
5 670 20 0 332.35 2.55 2.60875 2.303922 
6 670 50 0 278.48 1.96 1.90125 2.99745 
7 760 20 0 366.21 2.93 2.87125 2.00512 
8 760 50 0 330.2 2.52 2.57875 2.33135 
9 715 35 250 386.60 3.31 3.18376 3.81396 
10 715 35 250 384.26 3.29 3.18376 3.22925 
11 715 35 250 385.91 3.33 3.18376 4.39166 
Từ các số liệu ở bảng 1, đã xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm như sau: 
ܻ = 3.1858796 − 0.000157407ܼଵ − 0.126564815ܼଶ + 0.003948333ܼଷ + 0.000153704ܼଵܼଶ +3.33333 × 10ି଻ܼଵܼଷ − 4.03333 × 10ିହܼଶܼଷ	(3) 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K3- 2015 
 Trang 101 
Kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher thì phương 
trình tìm được tương thích với thực nghiệm. 
3. BÀN LUẬN CÁC KẾT QUẢ THỰC 
NGHIỆM 
Sai số giữa các kết quả nhận được theo 
PTHQ và thực nghiệm (bảng 1) là chấp nhận 
được (dưới 5%). 
Từ PTHQ có thể xác định được các mối 
quan hệ định lượng giữa khả năng điền đầy 
khuôn với các biến tác động. Từ (3), xây dựng 
được đồ thị biểu thị ảnh hưởng của thời gian 
nhúng mẫu vào sơn và độ chân không (hình 7a, 
nhiệt độ rót 7600C), của nhiệt độ rót và độ chân 
không (hình 7b, thời gian nhúng mẫu vào sơn 
50s), của nhiệt độ rót và thời gian nhúng mẫu vào 
sơn (hình 7c, độ chân không 500mmHg) đến khả 
năng điền đầy khuôn. 
Trong khoảng khảo sát của các biến, các đồ 
thị trên cho thấy khả năng điền đầy khuôn đạt giá 
trị lớn nhất ở biên của các biến. 
Khả năng điền đầy khuôn tăng khi tăng nhiệt 
độ rót, độ độ chân không và giảm thời gian nhúng 
mẫu vào sơn. Điều này cũng dễ lý giải: nhiệt độ 
rót cao làm tăng khả năng bù nhiệt mất do trao 
đổi nhiệt và độ linh động của kim loại lỏng cũng 
tăng, do đó mức độ điền đầy khuôn cũng tăng; 
thời gian nhúng mẫu tăng tương ứng với chiều 
dày lớp sơn tăng, điều này gây khó khăn cho việc 
thoát khí ra ngoài và lượng khí này sẽ tạo một trở 
lực làm giảm khả năng điền đầy khuôn; chân 
không càng sâu thì việc hút khí càng tốt, do đó 
làm tăng khả năng điền đầy khuôn. Tuy nhiên, 
quá trình thực nghiệm cũng cho thấy khi khả năng 
điền đầy khuôn tăng thì mức độ cháy dính cát 
cũng tăng. 
Từ độ dốc của mặt mục tiêu so với các biến 
trong khoảng khảo sát cho thấy độ chân không có 
ảnh hưởng mạnh nhất đến khả năng điền đầy; ảnh 
hưởng của nhiệt độ rót và thời gian nhúng mẫu 
vào sơn (tác động ngược chiều nhau đến khả năng 
điền đầy) không chênh lệch nhau nhiều. 
Có thể sử dụng PTHQ (3) để xác định sơ bộ 
các thông số đúc. Thí dụ, cần đúc vật đúc dạng 
bậc (hình 2), mong muốn điền đầy 4 bậc, chọn 
nhiệt nhiệt độ rót x1= 7500C, độ chân không x3= 
500mmHg. Thay các giá trị x1, x3 vào (3) với điều 
kiện Y= 4, nhận được x2= 36s. 
a) Ảnh hưởng của thời gian nhúng mẫu và độ 
chân không đến khả năng điền đầy khuôn ở 
760oC 
b) Ảnh hưởng của nhiệt độ rót và độ chân không 
đến khả năng điền đầy khuôn ở thời gian nhúng 
mẫu 50s 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 
Trang 102 
c) Ảnh hưởng của nhiệt độ rót và thời gian nhúng 
mẫu đến khả năng điền đầy khuôn ở chân không 
500mmHg 
Hình 7. Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến khả 
năng điền đầy khuôn 
Kiểm chứng bằng thực nghiệm với các giá 
trị x1, x2, x3 nêu trên, nhận được Y= 3,87 (hình 
8). Sai số tương đối giữa độ điền đầy theo thực 
nghiệm và theo phương trình hồi quy là 4,25%. 
Hình 8. Thí nghiệm kiểm chứng 
4. KẾT LUẬN 
Công trình đã nghiên cứu ảnh hưởng đồng 
thời của ba yếu tố (nhiệt độ rót, độ chân không, 
thời gian nhúng mẫu vào sơn) đến khả năng điền 
đầy khuôn khi đúc hợp kim A356 theo công nghệ 
khuôn mẫu hóa khí. 
Với PTHQ tìm được từ thực nghiệm, cho 
phép đánh giá định lượng về ảnh hưởng của nhiệt 
độ rót, độ chân không, chiều dày sơn (thông qua 
thời gian nhúng mẫu) đến khả năng điền đầy 
khuôn. Nhiệt độ rót, độ chân không càng cao, thời 
gian nhúng mẫu vào sơn càng thấp thì khả năng 
điền đầy khuôn càng cao. 
Từ PTHQ có thể xác định sơ bộ các thông 
số đúc cho những vật đúc có khối lượng và chiều 
dày thành không quá lớn. 
PTHQ tìm được chỉ dành cho các chi tiết có 
dạng bậc. Nói như vậy không có nghĩa là với 
những chi tiết có hình dạng bất kì (được đúc bằng 
hợp kim A356) thì không thể tìm được thông số 
đúc. Có thể chuyển từ PTHQ theo dạng bậc sang 
PTHQ theo tỷ lệ F/V (F: tổng diện tích; V: thể 
tích) mà vẫn giữ nguyên được sự tương thích với 
thực nghiệm. Từ đó, chỉ cần tính F, V của chi tiết 
đúc kết hợp với PTHQ theo tỷ lệ F/V là có thể 
xác định được các thông số đúc hợp lý. 
Với những hợp kim nhôm đúc khác có nhiệt 
độ nóng chảy và độ chảy loãng tương đương hợp 
kim A356 đều có thể sử dụng PTHQ để tìm thông 
số đúc phù hợp. 
Cần có những nghiên cứu tiếp theo để xác 
lập ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến 
đồng thời khả năng điền đầy và mức độ cháy dính 
cát khi đúc trong khuôn mẫu hóa khí. 
TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 18, SOÁ K3- 2015 
 Trang 103 
Investigation of temperature, degree of 
vacuum, pattern coating thickness 
effects on mold filling in lost foam 
casting (LFC) process of A356 alloy 
 Nguyen Ngoc Ha 
 Le Quoc Phong 
 Nguyen Nhat Tri 
 Lai Dinh Hoai 
Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM 
ABSTRACT 
Lost foam casting (LFC) process with 
outstanding advantages has been known as 
a new casting technique in foundry 
engineering. Especially, the operation 
restricts errors of a mould because of using 
expanded patterns without parting line being 
appropriate for the complex model. Great 
interest in this technology of the casting 
manufacturers is mainly lower, compared 
with the traditional process, investment 
outlays and production costs. The use of 
unbounded sand also reduces its treatment 
cost, more friendly and simple with the 
environment. 
The study examines the simultaneous 
effects of pouring temperature, degree of 
vacuum, coating thickness (through dipping 
time) on mold filling in LFC. A356 aluminum 
alloy is used in this study. By using a full 
two-level factorial design of experimental 
technique to identify the significant 
manufacturing factors affecting the mold 
filling. Results of this investigation indicated 
that increasing pouring temperature, degree 
of vacuum and decreasing dipping time 
obtain casting with higher filling rate. 
Keywords: Lost foam casting; Pattern coating 
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K3 - 2015 
Trang 104 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Harry E. Littleton and John Griffin – 
Manufacturing Advanced Engineered 
Components Using Lost Foam Casting 
Technology - The Department of Energy, 
The American Foundry Society 21-24 
(2011). 
[2]. A. Sharifi, M. Mansouri Hasan Abadi, 
Investigation of gating parameters, 
temperature and density effects on mold 
filling in the lost foam casting (LFC) 
process by direct observation method, 
Materials and Metallurgical Engineering 
Department, Dezful Branch, Islamic Azad 
University, Dezful, Iran - Materials 
Engineering Department Najaf Abad 
Branch, Islamic Azad University, Najaf 
Abad, Iran, 162 (2012). 
[3]. Majid Karimiam, Ali Ourdjini, Mohd 
Hsbullah Idris, Hassan Jafari, Effect of 
pattern coating thickness on characteristics 
of lost foam Al-Si-Cu alloy casting, 
Elsevier, V.22, 2092 (2012). 
[4]. Phan Ngọc Lâm, Nghiên cứu chất sơn mẫu 
dùng cho công nghệ đúc trong khuôn mẫu 
hóa khí, LV cao học - ĐH Bách Khoa 
TP.HCM, (2013). 
[5]. Nguyễn Ngọc Hà , Nghiên cứu công nghệ 
đúc chính xác trong khuôn màng mỏng - 
chân không, Đề tài nghiên cứu Khoa học 
cấp Bộ, (2008). 
[6]. Nguyễn Cảnh, Quy hoạch thực nghiệm, 
NXB đại học Quốc gia TP. HCM, (2011).