RỖ CO NGÓT (SHRINKAGE DEFECTS): VẤN ĐỀ NAN GIẢI KHI ĐÚC CÁC SẢN PHẨM DÀY, LỚN

Trong ngành sản xuất sắt, thép, gang, composite hay các cấu kiện bê tông đúc sẵn, “rỗ co ngót” luôn nằm trong nhóm khuyết tật khó xử lý nhất. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, tuổi thọ và thẩm mỹ của sản phẩm. Đặc biệt, với những chi tiết có kích thước lớn, độ dày cao, rỗ co ngót càng dễ phát sinh và khó kiểm soát hơn. Vậy rỗ co ngót xuất hiện như thế nào, tại sao nó lại nguy hiểm và đâu là hướng khắc phục hiệu quả? Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ vấn đề này theo cách dễ nắm bắt nhất.

1. Rỗ co ngót là gì? Vì sao nó xuất hiện?

Rỗ co ngót (Shrinkage Defects) là các khoảng rỗng bên trong vật đúc hình thành do kim loại hoặc vật liệu lỏng bị co lại khi nguội nhưng lại thiếu lượng bù cần thiết. Nói cách dễ hiểu: Khi sản phẩm đang nóng, nó chiếm một thể tích lớn. Khi nguội, nó “teo” lại. Nhưng nếu khuôn không cung cấp thêm vật liệu kịp lúc để bù vào phần thể tích bị mất đó, sẽ tạo thành hốc rỗng.

2. Vật liệu nào dễ bị rỗ co ngót?

• Gang cầu, thép đúc khiến dễ bị rỗ co vì mức co lớn.

• Gang xám thì ít rỗ hơn nhờ than chì giúp “tự bù”.

• Composite  có thể bị rỗ co nhẹ nếu resin không phân bố đều.

• Bê tông thì ít bị rỗ co kiểu “đông đặc” như kim loại nhưng hay gặp “rỗ tổ ong” do rung kém hoặc phối trộn không đồng nhất, tính chất tương tự về mặt cấu trúc rỗng bên trong.

3. Vì sao sản phẩm dày – lớn lại dễ bị rỗ co ngót hơn?

Các sản phẩm như nắp hố ga gang, khung thép đúc lớn, tấm composite dày, cống bê tông kích thước lớn… có nguy cơ cao bị rỗ co ngót vì:

3.1. Vùng dày nguội chậm

Vùng dày tạo thành “khối nhiệt” (hot spot). Khi khu vực này nguội sau cùng, nó hút vật liệu từ những phần xung quanh đã đặc lại thiếu bù rồi tạo rỗ.

3.2. Kim loại khó điền đầy hoặc bù vào lõi

Đúc sản phẩm lớn đồng nghĩa chiều dài dòng chảy tăng, khả năng cấp bổ sung kim loại vào vùng trung tâm trở nên hạn chế.

3.3. Chênh lệch nhiệt độ lớn

Khối dày nguội chậm hơn nhiều so với phần mỏng gây co ngót không đồng đều và gây rỗ.

3.4. Khó kiểm soát thiết kế hệ thống đậu ngót

Với sản phẩm lớn, chỉ riêng việc tính toán vị trí đậu ngót (feeding system) đã phức tạp. Bố trí sai chỉ vài centimet cũng có thể tạo lỗi rỗ co.

4. Dấu hiệu nhận biết rỗ co ngót trên sản phẩm

Mặc dù rỗ co thường nằm bên trong, nhưng trong nhiều trường hợp vẫn có thể phát hiện qua các biểu hiện:

• Bề mặt lõm nhẹ, xuất hiện vùng sần hoặc lỗ nhỏ.

• Âm thanh "bồm bộp" khi gõ kiểm tra, cho thấy bên trong có khoảng rỗng.

• Khi cắt mẫu kiểm tra, thấy lỗ rỗng hình dạng không đều.

• Thiết bị soi siêu âm (UT), chụp X-ray sẽ phát hiện các hốc co bên trong (được áp dụng nhiều cho sản phẩm gang cầu, thép đúc yêu cầu độ bền cao).

Theo tiêu chuẩn ASTM, rỗ co ngót được xếp vào nhóm khuyết tật nghiêm trọng, có thể làm giảm đến 20–35% độ bền kéo của vật đúc.

5. Tác hại của rỗ co ngót đối với sản phẩm đúc lớn

5.1. Giảm độ bền và tuổi thọ

Các hốc rỗng làm giảm khả năng chịu lực, nhất là sản phẩm phải chịu tải trọng lớn như khung nắp hố ga, phụ kiện đúc hạ tầng, chi tiết máy nặng,…

5.2. Dễ nứt khi có va đập hoặc tải trọng tập trung

Rỗ co trở thành “điểm yếu” bên trong. Khi có lực tác động, vết nứt xuất phát từ chính các lỗ rỗng này.

5.3. Ảnh hưởng thẩm mỹ

Với sản phẩm yêu cầu bề mặt đẹp, rỗ co trên mặt ngoài khiến sản phẩm xấu, phải tăng công đoạn mài hoặc sửa.

5.4. Tăng chi phí sản xuất

Một sản phẩm lớn bị rỗ co thường phải:

• Đúc lại toàn bộ

• Hoặc sửa chữa bằng hàn, bù kim loại

Cả hai đều tốn kém khá nhiều thời gian và vật tư.

6. Nguyên nhân gây rỗ co ngót thường gặp trong thực tế

Dựa trên kinh nghiệm thực tế của các nhà máy đúc trong ngành, rỗ co ngót thường xuất phát từ:

6.1. Thiết kế đậu ngót chưa tối ưu

Đây là nguyên nhân phổ biến nhất. Đậu ngót quá nhỏ hoặc đặt sai vị trí khiến kim loại không thể bù vào vùng co.

6.2. Rót kim loại quá nóng hoặc quá nguội

• Quá nóng → kim loại co nhiều khi nguội.

• Quá nguội → chưa kịp điền đầy đã đông đặc.

Cả hai đều gây rỗ co.

6.3. Vật liệu chứa tạp chất hoặc tỷ lệ hợp kim sai

Kim loại tái chế không kiểm soát tốt tỷ lệ carbon – silic (đối với gang) sẽ làm thay đổi mức co.

6.4. Khuôn quá chặt hoặc thoát khí kém

Khuôn bí làm thời gian nguội kéo dài → tạo khối nhiệt.

6.5. Thiếu thiết bị kiểm soát nhiệt

Nhiều xưởng đúc nhỏ chưa có hệ thống kiểm tra nhiệt độ tự động nên việc rót theo “kinh nghiệm” làm tăng rủi ro rỗ.

7. Giải pháp hạn chế rỗ co ngót cho các sản phẩm lớn và dày

Rỗ co ngót có thể giảm đáng kể nếu doanh nghiệp kiểm soát tốt từ bước thiết kế khuôn cho đến khi sản phẩm ra khỏi lò. Dưới đây là những biện pháp hiệu quả nhất hiện nay

7.1. Thiết kế đậu ngót đúng cách – yếu tố quan trọng nhất

Đậu ngót giống như “bình chứa dự phòng”, giúp bổ sung kim loại khi sản phẩm co lại lúc nguội.
Để đậu ngót hoạt động hiệu quả, cần:

• Đặt đúng vị trí – ngay những vùng có nguy cơ hình thành “khối nhiệt” (vùng dày).

• Dùng đậu ngót cách nhiệt hoặc đậu ngót tăng áp, giúp kim loại nóng lâu hơn và dễ bù vào sản phẩm.

• Tính toán kích thước đậu ngót đủ lớn để đảm bảo lượng kim loại bù luôn đầy đủ.

Các nghiên cứu của AFS cho thấy đậu ngót cách nhiệt có thể kéo dài thời gian nóng hơn 30–40%, giảm rõ rệt tình trạng rỗ co ngót.

7.2. Kiểm soát nhiệt độ rót

Đây là yếu tố then chốt quyết định sản phẩm có bị rỗ hay không. Nếu rót quá nóng, kim loại co lại nhiều hơn khi nguội. Nếu rót quá nguội, kim loại đông đặc quá nhanh, không kịp điền đầy khuôn.

Mức nhiệt độ rót phổ biến:

• Gang cầu: 1.350 – 1.450°C

• Gang xám: 1.250 – 1.350°C

• Thép đúc: 1.520 – 1.600°C

Duy trì nhiệt độ ổn định giúp sản phẩm đông đặc đồng đều, hạn chế rỗ co.

7.3. Kiểm soát tốc độ nguội của sản phẩm

Những phần dày bị nguội chậm hơn phần mỏng. Sự chênh lệch này tạo ra rỗ co. Vì vậy, nhà máy có thể:

• Chom nguội nhanh hơn ở phần dày.

• Hoặc làm nguội chậm hơn ở phần mỏng.

Điều này giúp toàn bộ sản phẩm nguội đồng đều, giảm nguy cơ tạo vùng rỗng bên trong.

7.4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng đúc

Ngày nay, nhiều cơ sở sản xuất đã sử dụng các phần mềm như MAGMA, ProCAST, AnyCasting để “xem trước” quá trình đông đặc của vật liệu. Phần mềm cho biết:

• Vùng nào sẽ bị co ngót

• Chỗ nào cần đặt đậu ngót

• Kim loại có điền đầy hay không

• Thời gian đông đặc của từng phần

Nhờ đó, doanh nghiệp có thể giảm 50–70% lỗi rỗ ngay từ khi thiết kế.

7.5. Dùng vật liệu đạt chuẩn, ổn định

Tỷ lệ vật liệu tái chế quá cao hoặc pha hợp kim không đúng sẽ làm thay đổi mức co của kim loại. Giữ tỷ lệ 40–60% vật liệu nguyên sinh giúp mức co ổn định, giảm nguy cơ rỗ.

7.6. Kiểm tra sản phẩm bằng phương pháp không phá hủy

Với các sản phẩm quan trọng như nắp hố ga tải trọng cao, thân van, phụ kiện cơ khí lớn, doanh nghiệp nên kiểm tra bằng:

• Siêu âm (UT)

• X-ray

• Kiểm tra từ tính (MT)

Các phương pháp này giúp phát hiện rỗ co bên trong mà không làm hỏng sản phẩm.

8. Ứng dụng thực tế trong sản xuất gang, thép, composite và bê tông

Rỗ co ngót có thể ảnh hưởng đến nhiều dòng sản phẩm khác nhau. Mỗi loại vật liệu có đặc điểm riêng, vì vậy giải pháp xử lý cũng khác nhau ở từng nhóm sản phẩm:

8.1. Trong đúc gang và thép

Các sản phẩm như nắp hố ga, khung gang cầu,...rất dễ phát sinh rỗ co vì có nhiều phần dày và kích thước lớn.

Nhờ áp dụng các giải pháp như đậu ngót tăng áp, mô phỏng đúc và kiểm soát nhiệt độ rót, nhiều nhà máy đã giảm hơn 30% lượng sản phẩm lỗi, đồng thời nâng cao chất lượng bề mặt và độ bền của sản phẩm.

8.2. Trong sản xuất composite

Composite không bị co ngót mạnh như kim loại, nhưng sản phẩm dày hoặc ép nhiều lớp vẫn có thể xuất hiện rỗ rỗng nếu:

• Nhựa không phân bố đều

• Khí bị giữ lại khi ép

• Áp lực ép không đủ

Khắc phục bằng cách:

• Tăng lực ép

• Sử dụng máy hút chân không (vacuum)

• Phân bố đều resin trong quá trình sản xuất

Nhờ vậy, sản phẩm composite như máng thu nước, nắp bể kỹ thuật, tấm ốp dày đạt độ cứng và khả năng chịu lực tốt hơn.

8.3. Trong sản xuất cống bê tông và cấu kiện bê tông đúc sẵn

Dù không sinh ra rỗ co theo kiểu kim loại đông đặc, nhưng bê tông lại hay gặp lỗi tương tự gọi là rỗ tổ ong. Nguyên nhân thường do:

• Đổ bê tông không đồng đều

• Thiếu hồ xi măng

• Đầm rung không kỹ

• Cốt liệu quá thô hoặc trộn không đều

Rỗ tổ ong làm giảm khả năng chịu tải của sản phẩm, đặc biệt ở các cấu kiện lớn như cống, hố ga, tấm đan bê tông.

Để khắc phục, cần:

• Tăng thời gian đầm rung

• Cải thiện cấp phối

• Kiểm soát tốt quá trình trộn và đổ bê tông

Khi xử lý đúng cách, sản phẩm bê tông đúc sẵn có bề mặt đẹp, chắc, tuổi thọ cao và ít bị thấm nước.

Tóm lại, rỗ co ngót không phải là vấn đề mới, nhưng luôn là “bài toán khó” với các sản phẩm có kích thước lớn hoặc độ dày cao trong ngành gang – thép – composite – bê tông. Điều quan trọng nhất để hạn chế lỗi này là kiểm soát tốt ngay từ khâu thiết kế đậu ngót, theo dõi nhiệt độ rót, mô phỏng quá trình đông đặc và sử dụng vật liệu đạt chuẩn. Khi xử lý đúng cách, doanh nghiệp có thể giảm mạnh tỷ lệ phế phẩm, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm chi phí sản xuất.