Årsager og procesforbedringsforanstaltninger for krympningsporøsitet, krympehulrum og revner i ru dele af støbte aluminium-nikkel-kobolt (AlNiCo) magneter

1. Introduktion

Aluminium-nikkel-kobolt (AlNiCo) legeringer anvendes i vid udstrækning i permanente magneter, sensorer og præcisionsinstrumenter på grund af deres fremragende magnetiske egenskaber, høje Curie-temperatur og gode termiske stabilitet. Under støbeprocessen opstår der dog ofte defekter som krympningsporøsitet, krympehulrum og revner, hvilket alvorligt påvirker de mekaniske egenskaber, den magnetiske ydeevne og udbyttet af rådele. Denne artikel analyserer systematisk de grundlæggende årsager til disse defekter og foreslår målrettede procesforbedringsforanstaltninger for at yde teknisk support til AlNiCo-støbeproduktion af høj kvalitet.

2. Årsager til defekter

2.1 Krympningsporøsitet og krympehulrum

Krympeporøsitet og krympehulrum er interne hulrum, der dannes under størkningen af ​​AlNiCo-legeringer på grund af utilstrækkelig tilførsel af flydende metal. Deres dannelsesmekanismer og påvirkningsfaktorer er som følger:

2.1.1 Krympningskarakteristika ved størkning

AlNiCo-legeringer udviser et bredt størkningsområde (liquidus-solidus temperaturforskel), hvilket fører til en forlænget blød zone under størkningen. I denne periode dannes dendritiske arme, som blokerer tilførselskanalerne og forhindrer det flydende metal i at kompensere for volumetrisk krympning, hvilket resulterer i spredt krympningsporøsitet eller centraliserede krympekaviteter.

2.1.2 Utilstrækkeligt design af riser

• Utilstrækkelig stigrørsvolumen : Stigrøret kan ikke lagre nok flydende metal til at kompensere for størkningssvind.
• Forkert placering af stigrør : Stigrøret er ikke placeret på det varme punkt (det sidste størknende område), hvilket fører til lokaliseret fødefejl.
• For tidlig størkning af stigrøret : Stigrøret størkner før støbningen og afskærer fødebanen.

2.1.3 Urimelig støbestruktur

• Overgange fra tyk til tynd : Skarpe ændringer i sektionstykkelsen forårsager lokaliseret hurtig afkøling, hvilket danner hotspots, der er tilbøjelige til krympningsdefekter.
• Skarpe hjørner og afrundinger : Spændingskoncentration ved skarpe hjørner hæmmer flydende metalstrømning, hvilket forværrer krympningsporøsiteten.

2.1.4 Forkerte hældeparametre

• Lav hældetemperatur : Reducerer det flydende metals flydeevne, hvilket forringer tilførselseffektiviteten.
• Høj hældehastighed : Forårsager turbulens og luftindfangning, hvilket fører til gasassisteret krympningsporøsitet.
• Kort holdetid : Utilstrækkelig tid til, at gas og indeslutninger kan flyde, hvilket øger sandsynligheden for porøsitet.

2.1.5 Defekter i formkølesystemet

• Ujævn kølehastighed : For store temperaturgradienter mellem forskellige sektioner af støbegodset inducerer termisk spænding, hvilket fremmer dannelsen af ​​krympehulrum.
• Utilstrækkelig afkøling i tykke sektioner : Langsom afkøling i tykke områder forlænger den bløde zone, hvilket øger risikoen for krympningsporøsitet.

2.2 Revner

Revner i AlNiCo-støbegods skyldes primært termisk belastning eller mekanisk belastning, der overstiger materialets styrke under størkning eller afkøling. Hovedtyperne og årsagerne er:

2.2.1 Varme revner (termiske revner)

• Dannelsesmekanisme : Forekommer i de sene stadier af størkning, når støbegodset har begrænset duktilitet, men stadig er udsat for trækspænding på grund af ujævn afkøling eller formbegrænsning.
• Påvirkende faktorer:
  • Bredt størkningsområde : Forlænger den bløde zone, hvilket øger modtageligheden for varm rivning.
  • Høj termisk udvidelseskoefficient : Forstærker termisk belastning under afkøling.
  • Forkert formfastholdelse : Overdreven friktion eller tryk fra formen begrænser krympning, hvilket forårsager revner.
  • Skarpe hjørner og tynde vægge : Forårsager spændingskoncentration, der fremmer revnedannelse.

2.2.2 Kolde revner

• Dannelsesmekanisme : Opstår efter størkning på grund af restspænding fra ujævn afkøling eller eksterne mekaniske belastninger.
• Påvirkende faktorer:
  • Høj restspænding : Forårsaget af hurtig afkøling eller forkert varmebehandling.
  • Lav duktilitet : Tilstedeværelsen af ​​sprøde faser (f.eks. for store mængder karbider) reducerer revnemodstanden.
  • Mekanisk påvirkning : Under udkastning eller håndtering overstiger den lokaliserede belastning materialets styrke.

3. Procesforbedringsforanstaltninger

3.1 Optimering af riserdesign

1. Stigrørsvolumen og placering
   • Brug numerisk simulering (f.eks. MAGMAsoft, ProCAST) til præcist at forudsige det sidste størkningsområde og placere stigrøret i overensstemmelse hermed.
   • Øg stigrørets volumen med 10-20 % i forhold til teoretiske beregninger for at sikre tilstrækkelig fodring.
   • Brug sideforhøjninger eller flere forhøjninger til komplekse støbegods for at forbedre fodringseffektiviteten.
2. Valg af risertype
   • Brug eksoterme eller isolerende stigrør til at forsinke størkningen og forlænge tilførselstiden.
   • Til tykke støbegods bør man overveje trykassisterede fødesystemer for at forbedre strømmen af ​​flydende metal.
3. Riser Neck Design
   • Optimer dimensionerne på stigrørets hals for at afbalancere fodertryk og størkningstid. En smal hals kan reducere fodermodstanden, men kan størkne for tidligt, mens en bred hals sikrer fodring, men kan reducere udbyttet.

3.2 Forbedring af støbestrukturen

1. Vægtykkelsens ensartethed
   • Undgå skarpe ændringer i snittykkelsen; brug gradvise overgange (f.eks. fileter med radier ≥ 5 mm) for at reducere termiske gradienter.
   • Ved tykke sektioner skal der indbygges indvendige køleelementer eller køleribber for at fremskynde størkningen og minimere varme punkter.
2. Stresslindrende funktioner
   • Tilføj spændingsaflastende riller eller ribber i skarpe hjørner for at fordele spændingen og forhindre revnedannelse.
   • Brug hule eller ribbede strukturer for at reducere masse og forbedre køleensartetheden.
3. Optimering af portsystemer
   • Design portsystemet for at sikre en jævn strøm af flydende metal med minimal turbulens.
   • Brug koniske udløbere og porte til at kontrollere strømningshastigheden og forhindre luftindeslutning.
   • Placer porte ved tykke sektioner for at fremme retningsbestemt størkning mod stigrøret.

3.3 Styring af hældeparametre

1. Hældetemperatur
   • Oprethold en optimal hældetemperatur (typisk 10-20 °C over liquidus) for at sikre god flydeevne uden overdreven krympning.
   • For AlNiCo-legeringer med højt nikkelindhold kan det være nødvendigt med lidt højere temperaturer for at kompensere for deres høje viskositet.
2. Hældehastighed
   • Brug en moderat hældehastighed (0,5-1,0 m/s) for at undgå turbulens og luftindespærring.
   • Til store støbegods skal du anvende en flertrinsstøbningsteknik for gradvist at fylde formen og reducere termisk chok.
3. Holdetid
   • Lad det stå tilstrækkeligt længe (3-5 minutter) i øsen, så gassen og indeslutningerne kan flyde, inden den hældes.
   • Brug argonafskærmnings- eller dækkende midler for at forhindre oxidation under opbevaring.

3.4 Forbedring af formkøling

1. Design af kølekanaler
   • Indarbejde konforme kølekanaler i formen for at opnå ensartede kølehastigheder på tværs af støbegodset.
   • Brug vandkølede indsatser eller eksterne køleplader til tykke sektioner for at fremskynde størkningen.
2. Termisk isolering og kuldegysninger
   • Påfør termiske isoleringsbelægninger på tynde sektioner for at bremse afkølingen og afbalancere termiske gradienter.
   • Brug eksterne kølemidler (f.eks. kobber- eller stålindsatser) ved tykke sektioner for at fremme hurtig størkning og reducere krympningsporøsitet.
3. Valg af formmateriale
   • Vælg formmaterialer med høj varmeledningsevne (f.eks. H13-stål) til tynde sektioner for at forbedre varmeafledningen.
   • Til tykke sektioner skal du bruge materialer med lavere varmeledningsevne (f.eks. grafit) for at bremse afkølingen og reducere risikoen for varm rivning.

3.5 Reduktion af termisk stress

1. Kontrollerede kølehastigheder
   • Implementer en langsom afkølingshastighed (≤ 5 °C/min) i størkningsområdet for at minimere termiske gradienter.
   • Brug ovnkølende eller isolerende tæpper for at opretholde ensartet temperaturfordeling.
2. Stresslindrende varmebehandling
   • Udfør en spændingsaflastende udglødning (f.eks. 500-600 °C i 2-4 timer) efter størkning for at reducere restspænding.
   • For store støbegods bør en flertrinsglødningsproces overvejes for gradvist at aflaste spændinger uden at forårsage nye revner.
3. Minimering af skimmelsvamp
   • Design formen med tilstrækkelige udkastvinkler (≥ 1°) for at lette udstødningen og reducere mekanisk belastning.
   • Brug udstøderstifter med passende størrelse og placering for at fordele udstødningskræfterne jævnt.

3.6 Materiale- og smelteproceskontrol

1. Optimering af kemisk sammensætning
   • Juster nikkel- og koboltindholdet for at indsnævre størkningsområdet og forbedre tilførselseffektiviteten.
   • Begræns indholdet af urenheder (f.eks. svovl, fosfor), der fremmer varmrivning.
2. Smelteøvelse
   • Brug tørre og rene ladningsmaterialer for at reducere hydrogenoptagelse og porøsitet.
   • Anvend afgasningsteknikker (f.eks. afgasning med roterende impeller) for at fjerne opløste gasser før hældning.
   • Kontroller smeltetemperaturen for at undgå overdreven oxidation og nitrogenabsorption.
3. Kornforfining
   • Tilsæt kornforfiningsmidler (f.eks. titanium eller bor) for at fremme dannelse af ligeakset korn, hvilket forbedrer tilførslen og reducerer modtageligheden for varm rivning.
   • Brug elektromagnetisk omrøring under smeltning for at opnå en ensartet kornstruktur.

4. Casestudie: Procesforbedring af en AlNiCo-magnetstøbning

En producent af AlNiCo permanente magneter oplevede kraftig krympningsporøsitet og varmrivning i en komplekst formet støbeform. Den oprindelige proces brugte et enkelt stigrør med utilstrækkelig volumen, og formen manglede kølekanaler, hvilket førte til ujævn afkøling og høj restspænding.

Forbedringsforanstaltninger :

1. Redesign af riser : Det enkelte riser er erstattet med to sideriser med øget volumen, placeret på de hotspots, der er identificeret ved simuleringen.
2. Kølesystem : Tilføjede konforme kølekanaler i formen for at opnå ensartede kølehastigheder på tværs af støbegodset.
3. Hældeoptimering : Hældetemperaturen blev justeret til 10 °C over liquidusen, og hældehastigheden blev reduceret til 0,7 m/s.
4. Spændingsaflastning : Implementerede en spændingsaflastende udglødningsbehandling ved 550 °C i 3 timer efter størkning.

Resultater :

• Krympningsporøsiteten blev reduceret med 80%, og varmrivning blev elimineret.
• Udbyttet af acceptable støbegods steg fra 65% til 92%.
• De magnetiske egenskaber af det færdige produkt blev forbedret på grund af den reducerede defektdensitet.

5. Konklusion

Krympningsporøsitet, krympehulrum og revner er almindelige defekter i AlNiCo-støbegods, primært forårsaget af utilstrækkelig tilførsel, termisk stress og ukorrekte procesparametre. Ved at optimere riserdesign, forbedre støbestrukturen, kontrollere hældeparametre, forbedre formkøling, reducere termisk stress og forfine materiale- og smeltepraksis, kan disse defekter reduceres eller elimineres betydeligt. Numeriske simuleringsværktøjer og systematisk procesoptimering er nøglen til at opnå AlNiCo-støbegods af høj kvalitet med forbedrede mekaniske egenskaber og magnetisk ydeevne.