Причини и мерки за подобряване на процеса при порьозност от свиване, кухини от свиване и пукнатини в груби части от ляти алуминиево-никел-кобалтови (AlNiCo) магнити

1. Въведение

Алуминиево-никел-кобалтовите (AlNiCo) сплави се използват широко в постоянни магнити, сензори и прецизни инструменти поради отличните си магнитни свойства, високата температура на Кюри и добрата термична стабилност. Въпреки това, по време на процеса на леене често се появяват дефекти като порьозност от свиване, кухини от свиване и пукнатини, които сериозно влияят на механичните свойства, магнитните характеристики и добива на грубите части. Тази статия систематично анализира коренните причини за тези дефекти и предлага целенасочени мерки за подобряване на процеса, за да се осигури техническа поддръжка за производството на висококачествени AlNiCo отливки.

2. Причини за дефекти

2.1 Порьозност при свиване и кухини при свиване

Порьозността при свиване и кухините при свиване са вътрешни кухини, образувани по време на втвърдяването на AlNiCo сплави поради недостатъчно подаване на течен метал. Механизмите на тяхното образуване и влияещите фактори са следните:

2.1.1 Характеристики на свиване при втвърдяване

Сплавите AlNiCo показват широк диапазон на втвърдяване (температурна разлика между ликвидус и солидус), което води до продължителна кашеста зона по време на втвърдяване. През този период се образуват дендритни рамена, които блокират захранващите канали и пречат на течния метал да компенсира обемното свиване, което води до диспергирана порьозност при свиване или централизирани кухини при свиване.

2.1.2 Неадекватен дизайн на щранга

• Недостатъчен обем на щранга : щрангът не успява да съхранява достатъчно течен метал, за да компенсира свиването при втвърдяване.
• Неправилно разположение на щранга : Щрангът не е поставен в горещата точка (последната зона на втвърдяване), което води до локализирано прекъсване на захранването.
• Преждевременно втвърдяване на райзера : Райзерът се втвърдява преди отливането, прекъсвайки пътя на подаване.

2.1.3 Неразумна структура на отливката

• Преходи от дебел към тънък профил : Резките промени в дебелината на сечението причиняват локализирано бързо охлаждане, образувайки горещи точки, които са склонни към дефекти от свиване.
• Остри ъгли и заобляния : Концентрацията на напрежение в острите ъгли възпрепятства потока на течен метал, което изостря порьозността при свиване.

2.1.4 Неправилни параметри на изливане

• Ниска температура на изливане : Намалява течливостта на течния метал, което нарушава ефективността на подаване.
• Висока скорост на изливане : Предизвиква турбуленция и задържане на въздух, което води до порьозност при свиване, подпомогнато от газ.
• Кратко време на задържане : Недостатъчно време за изплуване на газ и включвания, което увеличава вероятността от порьозност.

2.1.5 Дефекти на системата за охлаждане на матрицата

• Неравномерна скорост на охлаждане : Прекомерните температурни градиенти между различните части на отливката предизвикват термично напрежение, което насърчава образуването на кухини от свиване.
• Недостатъчно охлаждане в дебели участъци : Бавното охлаждане в дебели области удължава кашеста зона, увеличавайки риска от свиване и порьозност.

2.2 Пукнатини

Пукнатините в отливките от AlNiCo се причиняват предимно от термично напрежение или механично напрежение, надвишаващо якостта на материала по време на втвърдяване или охлаждане. Основните видове и причини са:

2.2.1 Горещи разкъсвания (термични пукнатини)

• Механизъм на образуване : Възникват по време на късните етапи на втвърдяване, когато отливката има ограничена пластичност, но все още е подложена на опънно напрежение поради неравномерно охлаждане или задържане на формата.
• Влияещи фактори:
  • Широк диапазон на втвърдяване : Удължава кашестата зона, увеличавайки податливостта на горещо разкъсване.
  • Висок коефициент на термично разширение : Усилва термичното напрежение по време на охлаждане.
  • Неправилно задържане на матрицата : Прекомерното триене или налягане от матрицата ограничава свиването, причинявайки пукнатини.
  • Остри ъгли и тънки стени : Причиняват концентрация на напрежение, което насърчава образуването на пукнатини.

2.2.2 Студени пукнатини

• Механизъм на образуване : Възникват след втвърдяване поради остатъчно напрежение от неравномерно охлаждане или външни механични натоварвания.
• Влияещи фактори:
  • Високо остатъчно напрежение : Причинява се от бързо охлаждане или неправилна термична обработка.
  • Ниска пластичност : Наличието на крехки фази (напр. прекомерни карбиди) намалява устойчивостта на напукване.
  • Механично въздействие : По време на изхвърляне или боравене, локализираното напрежение надвишава якостта на материала.

3. Мерки за подобряване на процесите

3.1 Оптимизиране на дизайна на щранга

1. Обем и местоположение на щранга
   • Използвайте числено симулиране (напр. MAGMAsoft, ProCAST), за да предвидите точно последната област на втвърдяване и да разположите щранга съответно.
   • Увеличете обема на щранга с 10–20% в сравнение с теоретичните изчисления, за да осигурите достатъчно захранване.
   • Използвайте странични повдигачи или множество повдигачи за сложни отливки, за да подобрите ефективността на подаване.
2. Избор на тип щранг
   • Използвайте екзотермични или изолационни щрангове, за да забавите втвърдяването и да удължите времето за подаване.
   • За отливки с дебело сечение, помислете за системи за подаване с помощта на налягане, за да подобрите потока на течен метал.
3. Дизайн на повдигащата се врата
   • Оптимизирайте размерите на шийката на повдигача, за да балансирате налягането на подаване и времето за втвърдяване. Тясната шийка може да намали съпротивлението при подаване, но може да се втвърди преждевременно, докато широката шийка осигурява подаване, но може да намали добива.

3.2 Подобряване на структурата на отливката

1. Еднородност на дебелината на стената
   • Избягвайте резки промени в дебелината на сечението; използвайте постепенни преходи (напр. филета с радиуси ≥ 5 mm), за да намалите температурните градиенти.
   • За дебели секции, включете вътрешни охлаждащи ребра, за да ускорите втвърдяването и да сведете до минимум горещите точки.
2. Функции за облекчаване на стреса
   • Добавете жлебове или ребра за облекчаване на напрежението в острите ъгли, за да разпределите напрежението и да предотвратите появата на пукнатини.
   • Използвайте кухи или оребрени структури, за да намалите масата и да подобрите равномерността на охлаждането.
3. Оптимизация на гейтинг системата
   • Проектирайте литниковата система така, че да осигурите плавен поток на течен метал с минимална турбуленция.
   • Използвайте конусовидни канали и шибъри, за да контролирате скоростта на потока и да предотвратите захващане на въздух.
   • Позиционирайте шибърите на дебелите участъци, за да насърчите насоченото втвърдяване към щранга.

3.3 Контролиране на параметрите на изливане

1. Температура на изливане
   • Поддържайте оптимална температура на изливане (обикновено 10–20°C над ликвидуса), за да осигурите добра течливост без прекомерно свиване.
   • За AlNiCo сплави с високо съдържание на никел може да са необходими малко по-високи температури, за да се компенсира високият им вискозитет.
2. Скорост на изливане
   • Използвайте умерена скорост на изливане (0,5–1,0 m/s), за да избегнете турбуленция и задържане на въздух.
   • За големи отливки използвайте многоетапна техника на изливане, за да запълните постепенно формата и да намалите термичния шок.
3. Време на задържане
   • Оставете достатъчно време за задържане (3–5 минути) в черпака, за да може газът и включванията да изплуват, преди да излеете.
   • Използвайте аргонова защита или покриващи агенти, за да предотвратите окисляването по време на задържане.

3.4 Подобряване на охлаждането на матрицата

1. Дизайн на охлаждащия канал
   • Включете конформни охлаждащи канали във формата, за да постигнете равномерни скорости на охлаждане в цялата отливка.
   • Използвайте водно охлаждани вложки или външни охлаждащи плочи за дебели профили, за да ускорите втвърдяването.
2. Топлоизолация и студ
   • Нанесете топлоизолационни покрития върху тънки участъци, за да забавите охлаждането и да балансирате температурните градиенти.
   • Използвайте външни охлаждащи елементи (напр. медни или стоманени вложки) при дебели участъци, за да ускорите втвърдяването и да намалите порьозността при свиване.
3. Избор на материал за матрица
   • Изберете материали за форми с висока топлопроводимост (напр. стомана H13) за тънки секции, за да подобрите разсейването на топлината.
   • За дебели секции използвайте материали с по-ниска топлопроводимост (напр. графит), за да забавите охлаждането и да намалите риска от разкъсване при нагряване.

3.5 Намаляване на термичното напрежение

1. Контролирани скорости на охлаждане
   • Приложете бавна скорост на охлаждане (≤ 5°C/мин) по време на втвърдяване, за да сведете до минимум термичните градиенти.
   • Използвайте охлаждащи или изолационни одеяла за пещ, за да поддържате равномерно разпределение на температурата.
2. Термична обработка за облекчаване на стреса
   • След втвърдяване извършете отгряване за облекчаване на напрежението (напр. 500–600°C за 2–4 часа), за да намалите остатъчното напрежение.
   • За големи отливки, помислете за многоетапен процес на отгряване, за да се облекчи постепенно напрежението, без да се предизвикват нови пукнатини.
3. Минимизиране на ограничаването на плесента
   • Проектирайте матрицата с достатъчни ъгли на наклон (≥ 1°), за да улесните лесното изхвърляне и да намалите механичното напрежение.
   • Използвайте изхвърлящи щифтове с подходящ размер и местоположение, за да разпределите равномерно силите на изхвърляне.

3.6 Контрол на материалите и процеса на топене

1. Оптимизация на химичния състав
   • Регулирайте съдържанието на никел и кобалт, за да стесните диапазона на втвърдяване и да подобрите ефективността на подаване.
   • Ограничете съдържанието на примеси (напр. сяра, фосфор), които насърчават горещото разкъсване.
2. Практика на топене
   • Използвайте сухи и чисти материали за зареждане, за да намалите поемането на водород и порьозността.
   • Използвайте техники за дегазиране (напр. дегазиране с ротационен импелер), за да отстраните разтворените газове преди изливане.
   • Контролирайте температурата на топене, за да избегнете прекомерно окисление и абсорбция на азот.
3. Рафиниране на зърното
   • Добавете рафинерии за зърно (напр. титан или бор), за да насърчите образуването на равноосни зърна, което подобрява подаването и намалява чувствителността към горещо разкъсване.
   • Използвайте електромагнитно разбъркване по време на топене, за да постигнете равномерна структура на зърната.

4. Казус: Подобряване на процеса за отливане на магнити от AlNiCo

Производител на постоянни магнити от AlNiCo се сблъсква със силна порьозност от свиване и горещо разкъсване в отливка със сложна форма. Първоначалният процес използва единична отливка с недостатъчен обем, а формата не е имала охлаждащи канали, което води до неравномерно охлаждане и високо остатъчно напрежение.

Мерки за подобрение :

1. Препроектиране на щранговете : Единичният щранг е заменен с два странични щранга с увеличен обем, разположени на горещите точки, идентифицирани чрез симулация.
2. Охлаждаща система : Добавени са конформни охлаждащи канали във формата за постигане на равномерни скорости на охлаждане по цялата отливка.
3. Оптимизация на изливането : Температурата на изливане е коригирана с 10°C над ликвидуса и скоростта на изливане е намалена до 0,7 m/s.
4. Облекчаване на напрежението : След втвърдяване е извършено отгряване за облекчаване на напрежението при 550°C в продължение на 3 часа.

Резултати :

• Порьозността при свиване е намалена с 80% и е елиминирано разкъсването от горещо.
• Добивът на приемливи отливки се е увеличил от 65% на 92%.
• Магнитните свойства на крайния продукт се подобриха поради намалената плътност на дефектите.

5. Заключение

Порьозността от свиване, кухините от свиване и пукнатините са често срещани дефекти в отливките от AlNiCo, причинени главно от неадекватно подаване, термично напрежение и неправилни параметри на процеса. Чрез оптимизиране на дизайна на повдигача, подобряване на структурата на отливката, контролиране на параметрите на леене, подобряване на охлаждането на формата, намаляване на термичното напрежение и рафиниране на материала и практиките на топене, тези дефекти могат да бъдат значително намалени или елиминирани. Инструментите за числено симулиране и систематичната оптимизация на процеса са ключови за постигане на висококачествени отливки от AlNiCo с подобрени механични свойства и магнитни характеристики.