BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----[\[\-----

TÁC GIẢ
Nguyễn Quang Huỳnh
TÊN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu hỗn hợp khuân trong công nghệ đúc mẫu
cháy (Quá trình đóng rắn)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Đào Hồng Bách

Hà Nội, năm 2011

-1-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS. TS
Đào Hồng Bách đã tận tình hướng dẫn, thường xuyên chỉ bảo và giúp đỡ trong suốt
quá trình học tập và thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu.
Nhân dịp này tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể các Thầy Cô trong Bộ
môn Vật liệu & Công nghệ đúc, phòng thí nghiệm C8, phòng thí nghiệm kim loại
bột – Bộ môn Kim loại màu và Composite đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình
nghiên cứu.
Xin bày tỏ biết ơn tới Khoa khoa học và công nghệ Vật liệu, Trung tâm đào

tạo và Bồi dưỡng sau đại học trường đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả
trong quá trình nghiên cứu.
Xin bày tỏ lòng biết ơn tới bạn bè và người thân đã động viên, tạo mọi điều
kiện để Luận văn này có thể được hoàn thành.


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn : “ Nghiên cứu hỗn hợp khuôn trong công nghệ
đúc mẫu chảy (Quá trình đóng rắn ) ” là công trình của riêng tôi.
Các số liệu kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong các luận văn trước đây.

Hà nội, ngày 26 tháng 9 năm 2011
Tác giả

Nguyễn Quang Huỳnh


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Kích thước mắt sàng theo tiêu chuẩn ASTM
Bảng 4.1: Kết quả phân tích thành phần độ hạt của thạch cao
Bảng 4.2: Hàm lượng phụ gia thực nghiệm cho vào thạch cao Lào


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các bước trong công nghệ đúc mẫu chảy
Hình 2.1: Hình ảnh cấu trúc thạch cao phân tích qua qua SEM
Hình 2.2: Độ tăng nhiệt độ của dạng α và β hemihydrat theo thời gian
Hình 2.3 : Vị trí của nguyên tử canxi, nhóm sunfat và phần tử nước trong thạch cao
Hình 2.4: Vị trí của nguyên tử canxi, lưu huỳnh, oxy và phân tử nước trong thạch
cao
Hình 2.5: Liên kết các ion trong thạch cao thể hiện vị trí các liên kết OI, OI', OII và
OII'
Hình 2.6: a) Cấu trúc nguyên tử thạch cao trượt theo bước mạng (010)
b) Hình thái cấu trúc tinh thể thạch cao với dạng (010), (120), (011), và (111)
thường được quan sát thấy
Hình 2.7: Sự hình thành và phát triển của foam
Hình 2.8: 5 bức ảnh ghi sự phát triển của khí trong hỗn hợp bằng máy ảnh chụp
tốc độ cao.
Hình 2.9: Công thức cấu tạo của axit citric
Hình 2.10: cấu trúc tinh thể của axit Boric
Hình 3.1: Bút đo nhiệt độ với độ chính xác 0,1 độ
Hình 3.2: Thiêt bị dùng để đo chiều sâu vết đâm
Hình 3.3: Thiết bị dùng để đo độ cứng
Hình 3.4: Phễu và dụng cụ đong nước bằng thủy tinh
Hình 3.5: Máy trộn hỗn hợp làm khuôn
Hình 3.6: Thước cặp với độ chính xác 0,1 mm
Hình 3.7: Cân điện tử với giá trị lớn nhất 300g và độ chính xác 0,01 g
Hình 3.8: Cân điện tử với giá trị lớn nhất 6000g và độ chính xác 0,1 g
Hình 3.9: Thí nghiệm đo thời gian đóng rắn


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu


Hình 3.10: Thí nghiệm đo độ cứng
Hình 4.1: Kết quả phân tích thành phần hóa học và cấu trúc phân tử thạch cao Lào
Hình 4.2: Kết quả phân tích thành phần hóa học và cấu trúc phân tử thạch cao Thái
lan
Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ độ cứng – thời gian của thạch cao Lào
Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ lượng nước – độ cứng của thạch cao Thái Lan
Hình 4.5: Đường đông đặc của thạch cao Lào thuần và có thêm chất phụ gia axit
boric (0,2%)
Hình 4.6: Kích thước foam với thành phần citric khác nhau
Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn sự đồng đều của kích thước foam ở các thành phần axit
citric khác nhau
Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn kích thước trung bình của foan với hàm lượng axit citric
khác nhau
Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn độ bền sau đóng rắn của thạch cao Lào với thành phần
axit citric khác nhau
Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn độ bền sau nung của thạch cao Lào với thành phần axit
citric khác nhau
Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của axit boric tới độ cứng của thạch cao Thái
Lan
Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của axit boric tới thời gian đóng rắn của
thạch cao Thái Lan


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU

1

PHẦN I: TỔNG QUAN

4

1.1. Đúc mẫu chảy

4

1.1.1. Tổng quan

4

1.1.2. Đúc mẫu chảy với vật liệu làm khuôn thạch cao

6

1.2. Tình hình nghiên cứu & ứng dụng công nghệ khuôn thạch cao

8

1.2.1. Trên thế giới

8


1.2.2. Trong nước

10

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

11

2.1. Vật liệu thạch cao làm khuôn đúc

11

2.1.1. Bản chất của vật liệu thạch cao làm khuôn đúc

11

2.1.2. Cơ chế đóng rắn của thạch cao

16

2.2. Cơ chế của quá trình tạo foam

18

2.2.1. Các giai đoạn của quá trình tạo foam

18

2.2.2. Cơ chế của quá trình hình thành foam


20

2.3. Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến thạch cao

22

2.3.1. Axit citric

22

2.3.2. Axit boric

23

2.3.3. Cao lanh

26

PHẦN III: MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH
GIÁ KẾT QUẢ

27


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

3.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

27


3.2. Nguyên liệu và phương pháp phân tích nguyên liệu đầu vào

27

3.2.1. Nguyên liệu đầu vào

27

3.2.2. Phương pháp phân tích và đánh giá nguyên liệu đầu vào theo

28

tiêu chuẩn ATSM
3.3. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá kết quả

28

3.3.1. Phương pháp đánh giá hàm lượng nước tự do

28

3.3.2. Phương pháp đo thời gian đóng rắn

29

3.3.3. Phương pháp xác định độ hạt

29

3.3.4. Phương pháp xác định thành phần hóa học và cấu trúc phân tử 31

3.3.5. Phương pháp xác định độ cứng thạch cao
3.4. Thí nghiệm và mô hình thí nghiệm

31
34

3.4.1. Thiết bị phục vụ thí nghiệm

34

3.4.2. Các thí nghiệm và mô hình thí nghiệm

38

PHẦN IV:

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

40

4.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của thạch 40
cao
4.1.1. Thạch cao Lào

40

4.1.2. Thạch cao Thái lan

42


4.2. Kết quả phân tích thành phần độ hạt

44

4.3. Ảnh hưởng của lượng nước đến độ cứng của khuôn thạch cao

44

4.4. Ảnh hưởng của chất phụ gia

46

4.4.1. Thạch cao Lào

46

4.4.2. Thạch cao Thái

52

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ

54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

56

PHỤ LỤC


61


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

MỞ ĐẦU
Đúc mẫu chảy là một trong những công nghệ tạo hình cổ xưa nhất được biết
đến. Lịch sử của đúc mẫu chảy có từ hàng nghìn năm trước. Phương pháp đúc này
ban đầu được dùng để đúc tượng, đồ trang sức với mẫu được làm từ sáp ong tự
nhiên, khuôn được làm thủ công từ đất sét. Các sản phẩm đúc mẫu chảy được tìm
thấy khắp nơi trên thế giới: các bức tượng của nền văn minh Harappan của Ấn độ
(2500 đến 2000 năm trước công nguyên); trong lăng mộ Tutankhamun ở Ai Cập
(1333 đên 1324 năm trước công nguyên), ... Từ 5000 năm trước khi mẫu được làm
từ sáp ong cho đến công nghệ sáp hiện đại ngày nay cùng với vật liệu chịu lửa và
hợp kim đặc biệt, đúc mẫu chảy cho phép sản xuất các chi tiết có độ chính xác và
năng suất cao đối với nhiều loại hợp kim. Phương pháp này thường đắt hơn so với
đúc khuôn kim loại hoặc khuôn cát nhưng chi phí thiết bị thấp hơn. Phương pháp
đúc này có thể đúc ra những chi tiết có hình dạng phức tạp, loại khó có thể đúc đối
với các phương pháp đúc thông dụng. Chi tiết đúc bằng phương pháp đúc mẫu chảy
không cần phải gia công bề mặt nhiều.
Văn bản mô tả quá trình đúc mẫu chảy sớm nhất được biết đến được viết bởi
nhà sư Theophilus khoảng 1100 năm trước công nguyên. Nhà sư này đã mô tả nhiều
quá trình, công thức sản xuất trong đó có cả công thức sản xuất giấy da. Cuốn sách
này được sử dụng bởi nhà điêu khắc và thợ kim hoàn Benvenuto Cellini (1500 –
1571), người đã sử dụng phương pháp này để đúc tượng Perseus with the Head of
Medusa hiện đang được lưu giữ tại bảo tàng Loggia dei Lanzi ở Florence, Italia.

-1-



Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Tượng Perseus with the Head of Medusa tại bảo tàng Loggia dei Lanzi
ở Florence, Italia.
Đúc mẫu chảy được dùng vào sản xuất công nghiệp vào cuối thế kỷ 19, khi
các nha sỹ dùng phương pháp này để đúc răng hoặc trám răng. Ứng dụng của
phương pháp đúc này được phát triển mạnh bởi tiến sỹ William H. Taggart
(Chicago). Ông cũng nghiên cứu ra hợp chất sáp làm mẫu có tính chất tuyệt vời và
máy đúc áp lực dùng khí nén.
Trong những năm 1940, Chiến tranh Thế giới II tăng nhu cầu về chi tiết với
độ chính xác hình dạng và hợp kim mà không thể đúc được bởi các phương pháp
truyền thống, hoặc cần phải gia công quá nhiều. Các nhà sản xuất vũ khí đã phải
chuyển sang dùng đúc mẫu chảy. Sau chiến tranh, sản phẩm của đúc mẫu chảy được
sử dụng nhiều trong nền công nghiệp, thương mại.
Đúc mẫu chảy hiện đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới. Các dòng sản
phẩm đúc bằng công nghệ mẫu chảy ngày càng nhiều vì có chất lượng cao và tỷ lệ
sản phẩm hư hỏng thấp. Tuy nhiên ở nước ta, chỉ có một số doanh nghiệp hoặc tư
nhân sử dụng công nghệ đúc mẫu chảy, chỉ để sản xuất các sản phẩm trang trí mỹ
nghệ. Chính vì vậy mà chúng ta cần phải phát triển hơn nữa công nghệ đúc chính
xác này.

-2-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Trong các nghiên cứu trước đây, ta thấy đúc mẫu chảy sử dụng khuôn thạch
cao cho sản phẩm có độ chính xác, độ nhẵn bề mặt cao.
Khuôn thạch cao là loại khuôn tự đóng rắn vì vậy quá trình đóng rắn của
khuôn thạch cao là một quá trình quan trọng ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng khuôn

và chất lượng vật đúc. Đi sâu vào quá trình đóng rắn giúp chúng ta hiểu rõ bản chất
quá trình đóng rắn cũng như các diễn biến trong quá trình, từ đó chúng ta có thể
điều khiển quá trình đóng rắn và tác dụng vào quá trình này nhằm tìm ra hỗn hợp
khuôn có thời gian đóng rắn và cơ tính tốt nhất.
Chính vì lẽ đó, đề tài nghiên cứu này đề cập tới vấn đề “Nghiên cứu hỗn
hợp khuôn trong công nghệ đúc mẫu chảy (Quá trình đóng rắn)’’ mục đích là
để nghiên cứu bản chất quá trình, xác định lượng nước, các chất phụ gia cũng như
hàm lượng các chất phụ gia cần thiết cho hỗn hợp khuôn.

-3-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1. Đúc mẫu chảy
1.1.1. Tổng quan
Đúc mẫu chảy là phương pháp đúc chính xác, theo đúng tên gọi của nó, là
làm cho mẫu bằng sáp chảy lỏng ra như một chất lỏng và thoát ra khỏi khuôn. Mẫu
chảy phải thoát ra khỏi khuôn và để lại một hốc khuôn có hình dáng của vật cần
đúc. Rót kim loại lỏng vào khuôn, kim loại đông đặc và tạo thành vật đúc. Hiện nay
phương pháp đúc này vẫn đang được sử dụng rộng rãi bởi công nghệ này cho phép
đúc được những chi tiết có những chỉ tiêu mà những phương pháp đúc thông
thường khác khó đáp ứng được.
Đúc mẫu chảy có những đặc điểm quan trọng sau:
‐

Sử dụng mẫu một lần, mỗi vật đúc cần một mẫu. Mẫu chảy sau khi làm
xong nhiệm vụ tạo hình khuôn.


‐

Mẫu không có miếng rời, đậu gác.

‐

Khuôn thuộc loại khuôn vỏ mỏng, dày khoảng 1,5 ÷ 4,0 mm, không có
mặt phẳng, mặt làm việc nhẵn.

‐

Rót khuôn ở nhiệt độ cao tạo điều kiện điền đầy và bổ ngót tốt. Do
những đặc điểm này phương pháp cho phép chế tạo vật đúc có hình dạng
phức tạp, cỡ trọng lượng từ vài gam đến 5000 kg.

Như vậy ta thấy được ưu điểm của phương pháp này, đó là:
‐

Đúc những chi tiết có hình thù phức tạp, thành mỏng tới 0,5 mm, bằng
thép.

‐

Có độ chính xác cao, từ cấp 5 đến cấp 7.

‐

Độ nhẵn bề mặt cao, từ cấp 3 đến cấp 6.

‐


Không có mặt phân khuôn.

‐

Sau khi đúc xong vật đúc không cần gia công hoặc gia công rất ít ...

Tuy nhiên phương pháp đúc mẫu chảy vẫn còn tồn tại nhược điểm cần phải
khắc phục đó là: Vật liệu làm mẫu (sáp) có nhiệt độ làm việc thấp cho nên rất dễ bị

-4-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

biến dạng ngay ở nhiệt độ xưởng đúc. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như ở Việt
Nam, cần nghiên cứu thêm một số hóa chất hoặc chất dẻo khác để nâng cao nhiệt độ
biến mềm và nhiệt độ làm việc cho mẫu, ví dụ như nhựa PVC.
Để khắc phục nhược điểm trên của phương pháp đúc mẫu chảy chất làm mẫu
chảy cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:
‐

Nhiệt độ nóng chảy không cao, trong khoảng 600C ÷ 1000C để thuận tiện
trong quá trình chế tạo mẫu.

‐

Nhiệt độ biến mềm cao, không thấp hơn 350C ÷ 450C để mẫu không bị
biến dạng trước khi tạo hình khuôn.


‐

Co và nở khi nung nóng và làm nguội phải nhỏ nhất và ổn định.

‐

In hình trên khuôn cao su tốt: Chính xác về hình dạng, kích thước. Bề
mặt sạch và nhẵn. Thấm ướt huyền phù tốt.

‐

Có độ bền và độ cứng cao.

‐

Trơ hóa học với khuôn cao su và khuôn gốm.

‐

Rẻ, dễ kiếm và không độc hại.

Các công đoạn của phương pháp đúc mẫu chảy bao gồm:

-5-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Mẫu gốc


Tạo khuôn cho mẫu sáp

Tạo mẫu sáp

Gắn mẫu và hệ thống rót thành chùm mẫu
Làm khuôn

Loại bỏ mẫu ra khỏi khuôn

Nung khuôn

Rót kim loại lỏng vào khuôn

Làm nguội và tháo dỡ vật đúc

Hình 1.1: Các bước trong công nghệ đúc mẫu chảy.
1.1.2. Đúc mẫu chảy với vật liệu làm khuôn thạch cao
Với phương pháp đúc mẫu chảy thông thường, vật liệu làm khuôn là cát
thạch anh, cát zirconi... với chất dính là etylsilicat hoặc thủy tinh lỏng. Vỏ khuôn
bao gồm lớp trong cùng dưới dạng huyền phù, các lớp ngoài là lớp cát rắc. Khuôn
được chế tạo bằng cách nhúng mẫu hoặc chùm mẫu vào huyền phù, nhấc ra khỏi
huyền phù, rắc cát khô lên bề mặt mẫu, sấy khô, lại nhúng vào huyền phù. Lặp lại
quy trình này nhiều lần để tạo được một lớp vỏ rắn có chiều dày 3 ÷ 10 mm tùy
thuộc vào kích thước vật đúc. Lưu ý, độ hạt của cát rắc lên bề mặt càng về sau càng
lớn.

-6-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu


Với vật liệu làm khuôn là thạch cao thì phương pháp chế tạo khuôn hơi khác.
Quá trình làm khuôn được chia ra làm 2 phần chủ yếu : phần khuôn ngoài in hình
vật đúc và bộ phận thao. Phần khuôn ngoài đòi hỏi phải khống chế tốt dung sai, còn
thao được làm tách biệt trong một hộp làm thao.Thạch cao đúc được trộn với các
loại vật liệu chịu lửa và nước tạo thành hỗn hợp dùng để đổ khuôn. Hỗn hợp này
sau đó được đổ vào mẫu đợi khoảng 5 đến 15 phút cho chắc đặc.
Sau khi khuôn đã đóng rắn hoàn toàn, chúng được tiến hành thoát sáp. Quá
trình thoát sáp có thể được tiến hành bằng nhiều phương pháp: dùng khí nóng, dùng
ngọn lửa trực tiếp, ngâm khuôn và mẫu trong dung dịch tẩy sáp, luộc trong nước
sôi. Mục đích của quá trình này là làm thoát hoàn toàn hoặc gần như hoàn toàn mẫu
sáp trong khuôn.
Tiếp theo là quá trình nung khuôn. Khuôn được đặt vào lò sấy, để sấy hết
nước tự do và nước liên kết bên trong phân tử. Khuôn có thể được sấy khô trong lò
hoặc trên băng tải đã được lập trình trước để quá trình thoát nước được điều khiển
chính xác nhằm đảm bảo hết nước mà không bị sốc nhiệt. Thao được sấy khô theo
cách tương tự, thường là cùng thời gian với khuôn bên ngoài.
Sấy khô khuôn là yếu tố then chốt nhất của đúc trong khuôn thạch cao, vì
việc thoát hết hơi ẩm là vô cùng quan trọng. Nếu không khi rót kim loại sẽ dẫn đến
hiện tượng không thoát được khí ra ngoài gây sôi khuôn. Chu trình sấy khuôn ở
2600c trong khoảng từ 12 đến 16 giờ thông thường được sử dụng trong khuôn thạch
cao nhằm đảm bảo khả năng rót nhôm hoặc kẽm. Khi rót đồng, khuôn thường được
sấy ở 700 – 8500c, và thời gian thường dài hơn 1,5 lần để khử triệt để nước.
Sau khi sấy khô, các bộ phận như thao, vỏ bao ngoài, hoặc cốt đúc được lắp
ghép lại. Sau đó khuôn được giữ bởi một bộ gá cố định trước khi rót. Quá trình rót
có thể được thực hiện hoàn toàn trong môi trường chân không, có thể sử dụng máy
hút chân không, ngoài ra cũng có thể rót trực tiếp lợi dụng áp lực do trọng lực gây
ra. Lựa chọn phương pháp rót đặc biệt này phụ thuộc vào khả năng trang thiết bị và
yêu cầu của chất lượng vật đúc.


-7-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Tính chất cách nhiệt của khuôn thạch cao đã qua sấy giúp thời gian đông đặc
của kim loại đủ dài cho phép điền đầy những phần mỏng, đồng thời với khả năng
thông khí khuôn thạch cao vẫn có thể thoát một lượng khí nhất định qua khuôn.
Hơn nữa, với thời gian đông đặc tương đối dài kết hợp với việc rót trong môi trường
chân không sẽ cho vật đúc có chất lượng tốt hơn.
Sau khi nguội, khuôn được phá dỡ cẩn thận, tháo bỏ hệ thống rót và đậu hơi.
Ngoài ra có thể dùng những chất mài mòn hoặc axit để xử lý vật đúc.
Ưu điểm của phương pháp đúc mẫu chảy khuôn thạch cao so với phương
pháp đúc mẫu chảy khuôn gốm đó là vật liệu làm khuôn rẻ, các thao tác làm khuôn
đơn giản hơn.
1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc khuôn thạch cao:
1.2.1. Trên thế giới:
Ngày này, công nghệ đúc khuôn thạch cao là một trong những kỹ thuật đúc
quan trọng nhất tại Hoa Kỳ được đầu tư trọng điểm, các nhà khoa học luôn tìm cách
tận dụng ưu thế mà chỉ có được bởi công nghệ đúc khuôn thạch cao. Hầu hết tất cả
các xưởng đúc khuôn thạch cao trên thế giới được đặt tại Hoa Kỳ, và sản phẩm đúc
thường được phân phối cho thị trường châu Âu.
Về tình hình nghiên cứu, các công trình nghiên cứu về thạch cao sử dụng
trong công nghệ đúc trên thế giới có rất ít hoặc chưa được công bố hiện nay. Chủ
yếu các công trình nghiên cứu về thạch cao của các nhà khoa học được ứng dụng
trong lĩnh vực xây dựng. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này chính là tiền đề,
cở sở để nghiên cứu về thạch cao ứng dụng trong công nghệ đúc.
Đáng chú ý trong các công trình đó là các kết quả nghiên cứu về tính chất
thạch cao (cơ học, vật lý, hoá học…); hoặc là các kết quả nghiên cứu về chế tạo
thạch cao, có liên quan đến khâu chuẩn bị vật liệu làm khuôn thạch cao trong công

nghệ đúc. Có thể kể ra một số công trình sau:
Theo Farzaneh Aghajani [17], khái niệm hai dạng αCaSO4.0,5H2O và
βCaSO4.0,5H2O được Kelley (1941) đưa ra. Theo đó, đưa ra cách phân biệt và chế
tạo hai dạng thạch cao này bằng các công nghệ nung khác nhau. Và còn có nhiều

-8-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này cũng được đưa ra sau này như
Bushuev và Borisov [12] nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ X-quang hoặc nghiên
cứu quang phổ hồng ngoại; Kuzel và Hauner [47] nghiên cứu cấu trúc bằng phân
tích quang phổ Raman, phân tích quang phổ NMR; H. Lehmann [33] tiến hành phân
tích nhiệt vi sai của cả hai dạng thạch cao cũng tìm thấy sự khác biệt giữa hai dạng
thạch cao này…
Đáng chú ý trong các nghiên cứu gần đây, Henry Tiemann, Ilka Sotje [31]
đưa ra cấu trúc tế vi dạng αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O qua kính hiển vi điện
tử quét. Theo đó đã giải thích được lý do dạng βCaSO4.0,5H2O cần nhiều lượng
nước yêu cầu hơn dạng αCaSO4.0,5H2O để được một mẫu tiêu chuẩn thống nhất.
Ở trên là một số công trình nghiên cứu liên quan đến khâu chuẩn bị vật liệu
làm khuôn thạch cao trong công nghệ đúc. Ngoài ra, còn một số công trình nghiên
cứu gần đây đáng lưu tâm có kết quả liên quan đến các thông số nhiệt lý của thạch
cao. Đây có thể được coi là tiền đề, cơ sở cho các nghiên cứu về quá trình nung
khuôn thạch cao, một công đoạn có tính quyết định trong công nghệ đúc khuôn
thạch cao. Cụ thể có một số công trình sau:
Thomas [45] [46] sau khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt
dung riêng và hệ số dẫn nhiệt λ của thạch cao, ông đưa ra được đồ thị so sánh giá trị
nhiệt dung riêng và bảng so sánh giá trị hệ số dẫn nhiệt ảnh hưởng bởi nhiệt độ giữa
các nhà khoa học nghiên cứu trước đây.

Rahmanian, Y. Wang [58], sau khi nghiên cứu về tính chất thạch cao cũng
đưa ra kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng riêng của thạch cao. Ngoài
ra, sau khi tiến cận phương pháp kết hợp giữa thực nghiệm và toán học trong quá
trình nghiên cứu độ dẫn nhiệt của thạch cao ở nhiệt độ cao Rahmanian, Y. Wang
[58] cũng đã đưa ra một số kết quả nghiên cứu có giá trị, giúp ta có được cái nhìn
tổng thể về diễn biến nhiệt độ xảy ra trong quá trình nung thạch cao…

-9-


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

1.2.2. Trong nước:
Hiện nay ở nước ta, chỉ có một số doanh nghiệp hoặc tư nhân sử dụng công
nghệ đúc khuôn thạch cao với chất lượng sản phẩm tốt. Tuy nhiên các dòng sản
phẩm chủ yếu là thủ công mỹ nghệ, không phong phú và vẫn chưa đáp ứng được
với nhu cầu của thị trường. Điều này có thể do chưa nắm hết được công nghệ đúc
thạch cao, không dám nhận các sản phẩm, ngoài các sản phẩm của cơ sở đã chế tạo.
Về nghiên cứu thạch cao dùng trong công nghệ đúc hiện tại ở Việt Nam,
chưa có công trình nào nghiên cứu chuyên sâu và hoàn thiện về loại vật liệu làm
khuôn này. Chỉ có luận án tốt nghiệp của các sinh viên lớp Vật liệu và Công nghệ
đúc khóa 48, 49, 50, 51 và gần đây là 2 luận văn thạc sĩ khoa học của Bùi Bình Hà
[7] và Nguyễn Văn Lương [26] trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là mới bắt đầu
nghiên cứu về các tính chất của loại vật liệu làm khuôn này.
Với các đồ án tốt nghiệp của các sinh viên khóa 48, 49, 50, 51 đã đưa ra
được quy trình công nghệ đúc mẫu chảy khuôn thạch cao, đã hoàn thiện công nghệ
tạo ra mẫu sáp và đã có nghiên cứu một phần về hỗn hợp khuôn thạch cao.
Với luận văn thạc sĩ khoa học của Bùi Bỉnh Hà đã đưa ra các kết quả về quá
trình chuyển pha và chế độ hấp tối ưu khi hấp thoát sáp khuôn thạch cao sử dụng
thiết bị hấp autoclave.

Với luận văn thạc sĩ khoa học, Nguyễn Văn Lương đã xây dựng được quan
hệ giữa các thông số công nghệ trong quá trình nung.
Tuy nhiên, các đồ án tốt nghiệp và luận văn mới bước đầu đi sâu vào bản
chất và chưa hoàn thiện về mặt công nghệ.
Mặt khác, chưa đề tài nào đi sâu vào quá trình đóng rắn. Chính vì vậy mà đề
tài đi sâu nghiên cứu quá trình đóng rắn, đưa ra các thông số, chế độ để bổ xung và
hoàn thiện công nghệ khuôn thạch cao ở Việt Nam.

- 10 -


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vật liệu thạch cao làm khuôn đúc:
2.1.1. Bản chất của vật liệu thạch cao làm khuôn đúc:
Vật liệu thạch cao tuỳ theo cách chế tạo tồn tại hai dạng sau: dạng
αCaSO4.0,5H2O và dạng βCaSO4.0,5H2O (theo Farzaneh Aghajani [17], khái niệm
hai dạng này được Kelley (1941) đưa ra). Theo đó, dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O
được tạo ra bằng cách nung nguyên liệu đá thạch cao trong thiết bị kín bằng hơi
nước bão hòa có nhiệt độ và áp suất cao (autoclaving), hay trong thiết bị lưu thông
áp suất có dung dịch nước muối. Còn khi nung nguyên liệu đá thạch cao theo
phương pháp khô sẽ tạo ra dạng thạch cao βCaSO4.0,5H2O. Hai dạng thạch cao
αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O có sự khác nhau ở tốc độ hydrát hóa, lượng
nước yêu cầu, lượng nhiệt hòa tan và độ bền, độ cứng của sản phẩm hợp nước đó…
Khi nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ X-quang hoặc nghiên cứu quang phổ
hồng ngoại, Bushuev và Borisov [12] không cho thấy sự khác biệt giữa hai dạng
thạch cao này. Tuy nhiên, các tinh thể αCaSO4.0,5H2O kết tinh có dạng tinh thể đơn
tà (monoclinic) trong khi tinh thể β -hemihydrate ở dạng tam giác. Còn theo Kuzel
và Hauner [47], không có sự khác biệt về tinh thể, dạng α và β chỉ khác nhau về

kích thước và sự sắp xếp của các tinh thể. Khi phân tích quang phổ Raman của cả
hai dạng cũng cho thấy sự khác biệt về cấu trúc. Cấu trúc khác biệt giữa
αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O cũng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng
máy phân tích quang phổ NMR. Tương tự như vậy, có rất nhiều nghiên cứu trên thế
giới cũng cho kết quả về sự khác nhau giữa hai dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O và
βCaSO4.0,5H2O như H. Lehmann [33] tiến hành phân tích nhiệt vi sai của cả hai
dạng thạch cao và tìm thấy sự khác biệt tại nhiệt độ chuyển đổi…
Đáng chú ý trong các nghiên cứu gần đây, Henry Tiemann, Ilka Sotje [31]
đưa ra cấu trúc tế vi dạng αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O qua kính hiển vi điện
tử quét. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét đã chỉ ra rằng dạng αCaSO4.0,5H2O bao
gồm các dạng tinh thể trong suốt có dạng hình kim, lăng trụ với các cạnh tinh thể

- 11 -


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

sắc nét. Trong khi đó, dạng βCaSO4.0,5H2O bao gồm các hạt dễ bong ra thành từng
mảnh tạo thành các tinh thể nhỏ. Chính vì vậy mà dạng βCaSO4.0,5H2O cần nhiều
lượng nước yêu cầu hơn dạng αCaSO4.0,5H2O để được một mẫu tiêu chuẩn thống
nhất bởi vì nó có một diện tích riêng bề mặt cao hơn nhiều. Mặt khác, dạng
αCaSO4.0,5H2O có kích thước tinh thể lớn nên tốc độ hyđrát hóa và đông kết rắn
chắc chậm, lượng nước yêu cầu thấp và độ cứng, độ bền cao hơn.

a) Cấu trúc dạng α qua SEM

b) Cấu trúc dạng β
Hình 2.1: Hình ảnh cấu trúc thạch cao phân tích qua qua SEM

- 12 -



Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Đánh giá các hoạt động thủy lực của hai dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O và
βCaSO4.0,5H2O, Lewry và Williamson [1] nghiên cứu khả năng hydrat hóa trong
quá trình đóng rắn thạch cao. Họ nghiên cứu mẫu chuẩn ở cùng một tỷ lệ (nước/
thạch cao = w/p = 0,6) là hàm của thời gian và thấy rằng hai dạng thạch cao có một
số sự khác biệt. Trong đồ thị, ban đầu khoảng thời gian cảm ứng cho hydrat hóa
dạng αCaSO4.0,5H2O là ngắn hơn dạng cho βCaSO4.0,5H2O nhưng sau đó
βCaSO4.0,5H2O hydrat nhanh hơn vì diện tích bề mặt cao hơn của nó cung cấp
nhiều mầm kết tinh hơn cho các kết tinh của thạch cao.

Hình 2.2: Độ tăng nhiệt độ của dạng α và β hemihydrat theo thời gian
Tinh thể thạch cao cũng được Farzaneh Aghajani [17] tổng hợp lại từ các
nghiên cứu của Wooster, 1936; Kelly, 1941; Deer, 1992. Theo đó, một đơn vị tinh
thể của thạch cao được mô tả ở dạng đơn tà với 4 hoặc 8 phân tử CaSO4.2H2O. Các
nguyên tử canxi và nhóm sulfat được sắp xếp thành từng lớp, phân cách bởi các lớp
phân tử nước. Các phân tử nước này chiếm vị trí xác định trong mạng tinh thể của
thạch cao. Do vậy khi mất nước, nước tách ra khỏi thạch cao nhưng mạng lưới tinh
thể thạch cao không bị phá hoại. CaSO4 được tạo bởi liên kết ion trong khi lớp nước
được tạo bởi liên kết hydro.

- 13 -


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Hình 2.3: Vị trí của nguyên tử canxi, nhóm sunfat và phân tử nước trong thạch cao


Hình 2.4: Vị trí của nguyên tử canxi, lưu huỳnh, oxy và phân tử nước trong thạch
cao.

- 14 -


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

Vị trí của các nguyên tử trong thạch cao cũng được Farzaneh Aghajani [17]
tổng hợp lại từ các nghiên cứu của Cole và Lancucki (1972a, 1972b, 1974) và
(Cheng & Zussman, 1963; Arai & Yasue, 1979), cho thấy rằng, mỗi ion canxi được
liên kết với bốn nguyên tử ôxy của một nhóm sulfat và với hai nguyên tử oxy của
phân tử nước. Khi Cole và Lancucki (1972a, 1972b, 1974) tiến hành phân tích cấu
trúc 3 chiều X-ray, thấy rằng các ion SO4 có cấu tạo hình tứ diện đối xứng. Điều
này là do dạng OI hoặc OI' liên kết với hai phân tử nước, trong khi có không có liên
kết hydro trong OII hoặc OII' (Hình 3). Các tứ diện đối xứng tăng lên sau khi loại bỏ
các phân tử nước. Chiều dài liên kết S - O trở thành tương tự với dạng khan sulfat
canxi tự nhiên.

Hình 2.5: Liên kết các ion trong thạch cao thể hiện vị trí các liên kết OI, OI', OII và
OII'

- 15 -


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

2.1.2. Cơ chế đóng rắn của thạch cao:
Trong công nghệ đúc khuôn thạch cao, nguyên liệu đầu vào cho khuôn thạch
cao chủ yếu ở dạng CaSO4.0,5H2O (cả anpha và bêta), các sản phẩm dạng CaSO4

không có giá trị sử dụng như hai dạng thạch cao CaSO4.0,5H2O.
Khi pha trộn với nước thì Thạch Cao phản ứng theo phương trình sau:
CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4.2H2O + Q
Hầu hết các nhà nghiên cứu đồng ý rằng quá trình hydrat hóa của
CaSO4.0,5H2O dẫn đến sự hình thành của CaSO4.2H2O xảy ra thông qua một cơ chế
hòa tan, nghĩa là, CaSO4.0,5H2O đầu tiên hòa tan và sau đó là CaSO4.2H2O kết tủa
từ dung dịch nước bởi vì nó ít hòa tan hơn các CaSO4.0,5H2O. Vì vậy khi
CaSO4.0,5H2O được trộn với nước, một phần của nó ngay lập tức bị hòa tan tạo
thành dung dịch bão hòa với các ion Ca2+ và SO42-. Dung dịch bão hòa trở thành quá
bão hòa đối với CaSO4.2H2O dẫn đến sự tạo mầm và tăng lên số lượng các tinh thể.
Để sự kết tinh có thể diễn ra, các mầm kết tinh phải đạt được kích thước tới hạn.
Bán kính tới hạn liên quan đến trạng thái quá bão hòa (S) theo H.K. Hensch [32]
được tính theo công thức sau đây:
rc =

2σν
kT log S

ở đây: S là năng lượng cho mỗi đơn vị diện tích bề mặt, ν là khối lượng phân tử, k
là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ (Kelvin). Từ phương trình, rõ ràng là giảm
nồng độ quá bão hòa sẽ làm giảm xác suất tạo mầm bằng cách tăng rc.
Trong thời gian phản ứng, ion Ca2+ hợp với ion SO42- dẫn đến sự hình thành
của các mầm CaSO4.2H2O. Các mầm mà có được một kích thước nhất định quan
trọng sau đó bắt đầu kết tinh thành phân tử CaSO4 x 2H2O. Tuy nhiên, quá trình kết
tinh phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như dung dịch bão hòa/ quá bão hòa, tạp
chất, loại hemihydrate và diện tích bề mặt của nó, nhiệt độ, tỷ lệ nước/ thạch cao,…
Nhìn chung, các tinh thể lớn lên bằng cách hợp nhất sự lớn lên các đơn tinh
thể tạo thành mạng tinh thể ở bề mặt. Các tinh thể bề mặt thường gồm lưới phẳng
cách nhau bởi thông số bước mạng. Vị trí các nút mạng xuất hiện dọc theo sau các


- 16 -


Luận văn thạc sỹ khoa học chuyên ngành Kỹ thuật vật liệu

bước mạng và chúng được coi là vị trí phát triển nhất. Nó đã được giả định rằng các
tinh thể phát triển từ dung dịch nước bằng cách tích hợp trực tiếp các đơn tinh thể
vào mạng lưới tinh thể tại các điểm nút. Kết quả là, lớp đơn tinh nối tiếp nhau, đã
được thử nghiệm xác nhận bởi Bosbach [16]. Các thí nghiệm tiến hành đã chỉ ra
rằng các tinh thể thạch cao phát triển bởi một sự tạo mầm và cơ chế gia tăng tinh
thể. Tinh thể thạch cao có cấu trúc nhiều lớp gồm hai lớp Ca2+/SO42- song song với
mặt (010). Hai lớp Ca2+/SO42-, được gắn kết với nhau bởi các tương tác ion, tạo lên
một lớp phát triển song song với mặt (010). Những lớp gia tăng đó được phân cách
bởi lớp H2O. Sự phân lớp hoàn hảo (mặt cắt khai) xảy ra dọc theo lớp H2O song
song với (010).
Sự tạo mầm trên bề mặt là một quá trình rất quan trọng để tạo ra bước mạng
mới trên bề mặt (010) ít nhất là ở độ quá bão hòa cao. Kích thước bề mặt hạt (mầm)
đều nhau được hình thành trên bề mặt (010) của thạch cao, được bao quanh bởi
nhiều bước mạng (001) và (100). Sau khi mầm đã được hình thành, số lượng mầm
tăng xảy ra thông qua việc thúc đẩy các lớp đơn tinh nối tiếp nhau, chủ yếu là song
song với (101) và (001). liên quan đến bước mạng (001), đó là kết quả của bước
mạng năng lượng cao hơn cho bước mạng (101).

Hình 2.6: a) Cấu trúc nguyên tử thạch cao trượt theo bước mạng (010)
b) Hình thái cấu trúc tinh thể thạch cao với dạng (010), (120), (011), và
thường được quan sát thấy

- 17 -

(111)