Senz Magnet - الشركة المصنعة للمواد الدائمة العالمية & المورد أكثر من 20 سنة.
أسباب وتدابير تحسين العمليات المتعلقة بمسامية الانكماش، وتجاويف الانكماش، والتشققات في الأجزاء الخشنة من مغناطيس الألومنيوم-النيكل-الكوبالت (AlNiCo) المصبوب
1. مقدمة
تُستخدم سبائك الألومنيوم-النيكل-الكوبالت (AlNiCo) على نطاق واسع في المغناطيس الدائم، وأجهزة الاستشعار، والأدوات الدقيقة نظرًا لخصائصها المغناطيسية الممتازة، ودرجة حرارة كوري العالية، وثباتها الحراري الجيد. مع ذلك، غالبًا ما تظهر عيوب أثناء عملية الصب، مثل المسامية الناتجة عن الانكماش، وتجاويف الانكماش، والتشققات، مما يؤثر سلبًا على الخواص الميكانيكية، والأداء المغناطيسي، وإنتاجية الأجزاء الخام. تُحلل هذه المقالة بشكل منهجي الأسباب الجذرية لهذه العيوب، وتقترح تدابير مُوجَّهة لتحسين العملية، بهدف توفير الدعم التقني اللازم لإنتاج سبائك AlNiCo عالية الجودة.
2. أسباب العيوب
2.1 مسامية الانكماش وتجاويف الانكماش
المسامية الناتجة عن الانكماش وتجاويف الانكماش هي فراغات داخلية تتشكل أثناء تصلب سبائك الألومنيوم والنيكل والكوبالت نتيجة عدم كفاية تغذية المعدن السائل. وفيما يلي آليات تشكلها والعوامل المؤثرة فيها:
2.1.1 خصائص انكماش التصلب
تتميز سبائك الألومنيوم والنيكل والكوبالت بنطاق تصلب واسع (فرق درجة الحرارة بين حالتي السيولة والتصلب)، مما يؤدي إلى منطقة شبه صلبة مطولة أثناء التصلب. خلال هذه الفترة، تتشكل تفرعات شجرية تسد قنوات التغذية وتمنع المعدن السائل من تعويض الانكماش الحجمي، مما ينتج عنه مسامية انكماش متفرقة أو تجاويف انكماش مركزية.
2.1.2 تصميم غير مناسب للرافعة
- حجم الصاعد غير كافٍ : يفشل الصاعد في تخزين كمية كافية من المعدن السائل للتعويض عن انكماش التصلب.
- موقع أنبوب الرفع غير المناسب : لم يتم وضع أنبوب الرفع في النقطة الساخنة (منطقة التصلب الأخيرة)، مما يؤدي إلى فشل التغذية الموضعي.
- التصلب المبكر للأنبوب الصاعد : يتصلب الأنبوب الصاعد قبل عملية الصب، مما يؤدي إلى قطع مسار التغذية.
2.1.3 هيكل الصب غير المعقول
- التحولات من السميك إلى الرقيق : تؤدي التغيرات الحادة في سمك المقطع إلى تبريد سريع موضعي، مما يؤدي إلى تكوين بقع ساخنة معرضة لعيوب الانكماش.
- الزوايا الحادة والزوايا المشطوفة : يؤدي تركيز الإجهاد عند الزوايا الحادة إلى منع تدفق المعدن السائل، مما يؤدي إلى تفاقم مسامية الانكماش.
2.1.4 معايير الصب غير المناسبة
- انخفاض درجة حرارة الصب : يقلل من سيولة المعدن السائل، مما يؤثر سلبًا على كفاءة التغذية.
- سرعة الصب العالية : تسبب الاضطراب وانحباس الهواء، مما يؤدي إلى انكماش المسامية بمساعدة الغاز.
- فترة الاحتفاظ القصيرة : وقت غير كافٍ للغاز والشوائب للطفو، مما يزيد من احتمالية المسامية.
2.1.5 عيوب نظام تبريد القالب
- معدل التبريد غير المتساوي : تؤدي تدرجات درجة الحرارة المفرطة بين الأجزاء المختلفة من المسبوكة إلى إجهاد حراري، مما يعزز تكوين تجويف الانكماش.
- عدم كفاية التبريد في الأجزاء السميكة : يؤدي التبريد البطيء في المناطق السميكة إلى إطالة المنطقة اللزجة، مما يزيد من خطر انكماش المسامية.
2.2 الشقوق
تنتج الشقوق في مصبوبات AlNiCo بشكل أساسي عن الإجهاد الحراري أو الإجهاد الميكانيكي الذي يتجاوز قوة المادة أثناء التصلب أو التبريد. وفيما يلي الأنواع والأسباب الرئيسية:
2.2.1 التمزقات الساخنة (التشققات الحرارية)
- آلية التكوين : تحدث خلال المراحل المتأخرة من التصلب عندما يكون للمسبوكات مرونة محدودة ولكنها لا تزال عرضة لإجهاد الشد بسبب التبريد غير المتساوي أو تقييد القالب.
- العوامل المؤثرة:
- نطاق تصلب واسع : يطيل المنطقة الطرية، مما يزيد من قابلية التمزق الساخن.
- معامل التمدد الحراري العالي : يزيد من الإجهاد الحراري أثناء التبريد.
- تقييد القالب غير السليم : الاحتكاك أو الضغط المفرط من القالب يحد من الانكماش، مما يؤدي إلى حدوث تشققات.
- الزوايا الحادة والجدران الرقيقة : تسبب تركيز الإجهاد، مما يعزز بدء التشققات.
2.2.2 الشقوق الباردة
- آلية التكوين : تحدث بعد التصلب بسبب الإجهاد المتبقي الناتج عن التبريد غير المتساوي أو الأحمال الميكانيكية الخارجية.
- العوامل المؤثرة:
- الإجهاد المتبقي العالي : ناتج عن التبريد السريع أو المعالجة الحرارية غير السليمة.
- انخفاض الليونة : يؤدي وجود الأطوار الهشة (مثل الكربيدات الزائدة) إلى تقليل مقاومة التشقق.
- التأثير الميكانيكي : أثناء عملية الإخراج أو المناولة، يتجاوز الإجهاد الموضعي قوة المادة.
3. تدابير تحسين العمليات
3.1 تحسين تصميم الأنابيب الصاعدة
- حجم وموقع أنبوب الرفع
- استخدم المحاكاة العددية (مثل MAGMAsoft، ProCAST) للتنبؤ بدقة بمنطقة التصلب الأخيرة ووضع أنبوب الرفع وفقًا لذلك.
- قم بزيادة حجم أنبوب التغذية بنسبة 10-20% مقارنة بالحسابات النظرية لضمان التغذية الكافية.
- استخدم أنابيب التغذية الجانبية أو أنابيب التغذية المتعددة في عمليات الصب المعقدة لتحسين كفاءة التغذية.
- اختيار نوع الصاعد
- استخدم أنابيب صاعدة طاردة للحرارة أو عازلة لتأخير التصلب وإطالة وقت التغذية.
- بالنسبة للمسبوكات ذات المقاطع السميكة، ضع في اعتبارك أنظمة التغذية المدعومة بالضغط لتحسين تدفق المعدن السائل.
- تصميم رقبة مرتفعة
- حسّن أبعاد عنق أنبوب التغذية لتحقيق التوازن بين ضغط التغذية ووقت التصلب. يمكن للعنق الضيق أن يقلل من مقاومة التغذية ولكنه قد يؤدي إلى التصلب المبكر، بينما يضمن العنق العريض التغذية ولكنه قد يقلل من الإنتاجية.
3.2 تحسين هيكل الصب
- توحيد سمك الجدار
- تجنب التغييرات الحادة في سمك المقطع؛ استخدم انتقالات تدريجية (مثل الحواف ذات أنصاف أقطار ≥ 5 مم) لتقليل التدرجات الحرارية.
- بالنسبة للأجزاء السميكة، قم بتضمين مبردات داخلية أو أضلاع تبريد لتسريع عملية التصلب وتقليل النقاط الساخنة.
- ميزات تخفيف التوتر
- أضف أخاديد أو أضلاع لتخفيف الإجهاد عند الزوايا الحادة لتوزيع الإجهاد ومنع بدء التشققات.
- استخدم الهياكل المجوفة أو المضلعة لتقليل الكتلة وتحسين تجانس التبريد.
- تحسين نظام البوابات
- صمم نظام البوابات لضمان تدفق سلس للمعدن السائل بأقل قدر من الاضطراب.
- استخدم قنوات وبوابات مخروطية الشكل للتحكم في سرعة التدفق ومنع انحباس الهواء.
- ضع البوابات في الأجزاء السميكة لتعزيز التصلب الموجه نحو المصعد.
3.3 التحكم في معايير الصب
- درجة حرارة الصب
- حافظ على درجة حرارة صب مثالية (عادةً ما تكون 10-20 درجة مئوية فوق درجة حرارة السيولة) لضمان سيولة جيدة دون انكماش مفرط.
- بالنسبة لسبائك AlNiCo ذات المحتوى العالي من النيكل، قد تكون هناك حاجة إلى درجات حرارة أعلى قليلاً للتعويض عن لزوجتها العالية.
- سرعة الصب
- استخدم سرعة صب معتدلة (0.5-1.0 م/ث) لتجنب الاضطراب وانحباس الهواء.
- بالنسبة للمسبوكات الكبيرة، اعتمد تقنية الصب متعددة المراحل لملء القالب تدريجياً وتقليل الصدمة الحرارية.
- مدة الانتظار
- اتركي وقتاً كافياً (3-5 دقائق) في المغرفة حتى يطفو الغاز والشوائب قبل الصب.
- استخدم غاز الأرجون الواقي أو عوامل التغطية لمنع الأكسدة أثناء التخزين.
3.4 تحسين تبريد القوالب
- تصميم قناة التبريد
- قم بتضمين قنوات تبريد متوافقة في القالب لتحقيق معدلات تبريد موحدة عبر المسبوكة.
- استخدم حشوات مبردة بالماء أو ألواح تبريد خارجية للأجزاء السميكة لتسريع عملية التصلب.
- العزل الحراري والبرودة
- قم بتطبيق طبقات العزل الحراري على الأجزاء الرقيقة لإبطاء التبريد وموازنة التدرجات الحرارية.
- استخدم المبردات الخارجية (مثل الحشوات النحاسية أو الفولاذية) في الأجزاء السميكة لتعزيز التصلب السريع وتقليل مسامية الانكماش.
- اختيار مادة القالب
- اختر مواد القوالب ذات الموصلية الحرارية العالية (مثل فولاذ H13) للأجزاء الرقيقة لتعزيز تبديد الحرارة.
- بالنسبة للأجزاء السميكة، استخدم مواد ذات موصلية حرارية أقل (مثل الجرافيت) لإبطاء التبريد وتقليل خطر التمزق الساخن.
3.5 تقليل الإجهاد الحراري
- معدلات تبريد مضبوطة
- قم بتطبيق معدل تبريد بطيء (≤ 5 درجة مئوية/دقيقة) خلال نطاق التصلب لتقليل التدرجات الحرارية.
- استخدم بطانيات تبريد أو عزل الفرن للحفاظ على توزيع متساوٍ لدرجة الحرارة.
- العلاج الحراري لتخفيف التوتر
- قم بإجراء معالجة تلدين لتخفيف الإجهاد (على سبيل المثال، 500-600 درجة مئوية لمدة 2-4 ساعات) بعد التصلب لتقليل الإجهاد المتبقي.
- بالنسبة للمسبوكات الكبيرة، ضع في اعتبارك عملية التلدين متعددة المراحل لتخفيف الإجهاد تدريجياً دون التسبب في تشققات جديدة.
- تقليل قيود العفن
- صمم القالب بزوايا سحب كافية (≥ 1 درجة) لتسهيل عملية الإخراج وتقليل الإجهاد الميكانيكي.
- استخدم دبابيس طرد ذات حجم وموقع مناسبين لتوزيع قوى الطرد بالتساوي.
3.6 التحكم في المواد وعملية الصهر
- تحسين التركيب الكيميائي
- اضبط محتوى النيكل والكوبالت لتضييق نطاق التصلب وتحسين كفاءة التغذية.
- قلل من محتوى الشوائب (مثل الكبريت والفوسفور) التي تعزز التمزق الساخن.
- ممارسة الصهر
- استخدم مواد شحن جافة ونظيفة لتقليل امتصاص الهيدروجين والمسامية.
- استخدم تقنيات إزالة الغازات (مثل إزالة الغازات باستخدام المروحة الدوارة) لإزالة الغازات المذابة قبل الصب.
- تحكم في درجة حرارة الانصهار لتجنب الأكسدة المفرطة وامتصاص النيتروجين.
- تكرير الحبوب
- أضف مواد تحسين الحبيبات (مثل التيتانيوم أو البورون) لتعزيز تكوين الحبيبات متساوية المحاور، مما يحسن التغذية ويقلل من قابلية التمزق الساخن.
- استخدم التحريك الكهرومغناطيسي أثناء عملية الصهر لتحقيق بنية حبيبية متجانسة.
4. دراسة حالة: تحسين عملية صب مغناطيس ألنكو
واجهت إحدى الشركات المصنعة للمغناطيس الدائم من نوع AlNiCo مشكلة انكماش مسامي حاد وتمزق حراري في قالب ذي شكل معقد. استخدمت العملية الأصلية قناة واحدة ذات حجم غير كافٍ، وافتقر القالب إلى قنوات تبريد، مما أدى إلى تبريد غير متساوٍ وإجهاد متبقٍ عالٍ.
إجراءات التحسين :
- إعادة تصميم الأنابيب الرأسية : تم استبدال الأنبوب الرأسي الواحد بأنبوبين جانبيين ذوي حجم متزايد، تم وضعهما في النقاط الساخنة التي تم تحديدها بواسطة المحاكاة.
- نظام التبريد : تمت إضافة قنوات تبريد متوافقة في القالب لتحقيق معدلات تبريد موحدة عبر المسبوكة.
- تحسين عملية الصب : تم ضبط درجة حرارة الصب لتكون أعلى بمقدار 10 درجات مئوية من درجة حرارة السيولة، وتم تقليل سرعة الصب إلى 0.7 متر/ثانية.
- تخفيف الإجهاد : تم تطبيق معالجة التلدين لتخفيف الإجهاد عند درجة حرارة 550 درجة مئوية لمدة 3 ساعات بعد التصلب.
نتائج :
- تم تقليل مسامية الانكماش بنسبة 80٪، وتم القضاء على التمزق الساخن.
- ارتفعت نسبة المسبوكات المقبولة من 65% إلى 92%.
- تحسنت الخصائص المغناطيسية للمنتج النهائي نتيجة لانخفاض كثافة العيوب.
5. الخاتمة
تُعدّ المسامية الناتجة عن الانكماش، وتجاويف الانكماش، والتشققات من العيوب الشائعة في مصبوبات AlNiCo، والتي تنتج أساسًا عن التغذية غير الكافية، والإجهاد الحراري، ومعايير التصنيع غير المناسبة. ويمكن الحدّ من هذه العيوب أو القضاء عليها تمامًا من خلال تحسين تصميم قناة الصب، وتطوير بنية المسبوكة، والتحكم في معايير الصب، وتعزيز تبريد القالب، وتقليل الإجهاد الحراري، وتحسين المواد وعمليات الصهر. وتُعدّ أدوات المحاكاة العددية والتحسين المنهجي للعمليات عنصرين أساسيين لتحقيق مصبوبات AlNiCo عالية الجودة ذات خصائص ميكانيكية وأداء مغناطيسي مُحسّنين.
