Gießverfahren für Alnico-Magnete und deren Einfluss auf Dichte und Porosität

1. Einleitung

Alnico-Magnete (Aluminium-Nickel-Kobalt) sind Permanentmagnete, die sich durch hervorragende thermische Stabilität, hohe Koerzitivfeldstärke und relativ hohe Remanenz auszeichnen. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich für Anwendungen, die zuverlässige Leistung unter extremen Temperaturen erfordern, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und im Militärbereich. Der Gießprozess spielt eine entscheidende Rolle für die Mikrostruktur und damit für die magnetischen Eigenschaften von Alnico-Magneten. Dieser Artikel untersucht verschiedene Gießverfahren für Alnico-Magnete und analysiert deren Auswirkungen auf Dichte und Porosität, die kritische Faktoren für die magnetische Leistungsfähigkeit darstellen.

2. Überblick über Alnico-Legierungen

Alnico-Legierungen bestehen hauptsächlich aus Eisen (Fe), Nickel (Ni), Aluminium (Al) und Kobalt (Co) sowie geringen Zusätzen von Kupfer (Cu) und Titan (Ti). Die magnetischen Eigenschaften beruhen auf einem zweiphasigen Mikrogefüge:

• α₁-Phase (Fe-Co-reich) : Eine stark ferromagnetische Phase mit hoher Sättigungsmagnetisierung.
• α₂-Phase (Ni-Al-reich) : Eine schwach ferromagnetische oder paramagnetische Phase mit geringerer Magnetisierung.

Während der Erstarrung oder Wärmebehandlung durchlaufen diese Phasen eine spinodale Entmischung , die zu einer feinen, periodischen Verteilung der α₁- und α₂-Phasen führt. Dieses Mikrogefüge ist essenziell für die Erzielung einer hohen Koerzitivfeldstärke und Remanenz.

3. Gießverfahren für Alnico-Magnete

Zur Herstellung von Alnico-Magneten werden verschiedene Gießverfahren eingesetzt, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Zu den wichtigsten Verfahren gehören:

1. Sandguss
2. Dauerformguss
3. Feinguss (Wachsausschmelzverfahren)
4. Schleuderguss
5. Richtungsgebundenes Erstarrungsgießen

Jede Methode beeinflusst die Mikrostruktur, die Dichte und die Porosität des fertigen Magneten und wirkt sich somit auf dessen magnetische Eigenschaften aus.

3.1 Sandguss

Prozessbeschreibung :
Beim Sandguss wird geschmolzene Alnico-Legierung in eine Form aus Sand und Bindemittel gegossen. Die Form besteht typischerweise aus zwei Hälften (Ober- und Unterteil), wobei der Hohlraum durch das Verdichten des Sandes um ein Modell herum entsteht. Nach dem Erstarren wird die Sandform entfernt, um das Gussteil zu entnehmen.

Auswirkungen auf Dichte und Porosität :

• Dichte : Sandgussteile weisen aufgrund der porösen Beschaffenheit der Sandformen im Allgemeinen eine geringere Dichte auf als andere Gussverfahren. Die Durchlässigkeit des Sandes ermöglicht zwar das Entweichen von Gasen, kann aber auch zum Lufteinschluss und damit zu Mikroporosität führen.
• Porosität : Sandgussteile weisen häufig eine höhere Porosität auf, die die magnetischen Eigenschaften negativ beeinflussen kann, indem sie den Verlauf der magnetischen Domänen unterbricht. Durch eine geeignete Anguss- und Speiserkonstruktion lässt sich die Porosität jedoch minimieren, indem eine ausreichende Zufuhr von flüssigem Metall während der Erstarrung sichergestellt wird.

Vorteile :

• Die geringen Kosten und die einfache Handhabung machen es geeignet für die Massenproduktion einfacher Formen.
• Fähigkeit zum Gießen großer und komplexer Geometrien.

Einschränkungen :

• Höhere Porosität und geringere Maßgenauigkeit im Vergleich zu anderen Methoden.
• Eingeschränkte Eignung für Hochleistungsmagnete, die eine hohe Dichte und geringe Porosität erfordern.

3.2 Dauerformguss

Prozessbeschreibung :
Beim Kokillenguss werden wiederverwendbare Formen aus Metall (typischerweise Stahl oder Gusseisen) verwendet. Geschmolzene Alnico-Legierung wird in den Formhohlraum gegossen, der für schnelles Abkühlen und Erstarren ausgelegt ist. Die Form wird häufig vorgeheizt, um einen Temperaturschock zu vermeiden und eine gleichmäßige Abkühlung zu gewährleisten.

Auswirkungen auf Dichte und Porosität :

• Dichte : Kokillengussteile weisen im Allgemeinen eine höhere Dichte auf als Sandgussteile, da die Metallformen undurchlässig sind, was den Gaseinschluss verringert.
• Porosität : Das Risiko der Porosität ist im Vergleich zum Sandguss geringer, jedoch können eine ungeeignete Formkonstruktion oder Gießtechnik dennoch zu Schrumpfungsporosität oder Gaseinschlüssen führen.

Vorteile :

• Verbesserte Maßgenauigkeit und Oberflächengüte im Vergleich zum Sandguss.
• Höhere Produktionsraten und niedrigere Stückkosten bei großen Mengen.

Einschränkungen :

• Höhere anfängliche Werkzeugkosten im Vergleich zum Sandguss.
• Aufgrund der Komplexität der Form sind nur einfachere Geometrien möglich.

3.3 Feinguss (Wachsausschmelzverfahren)

Prozessbeschreibung :
Beim Feinguss wird ein Wachsmodell des gewünschten Teils erstellt, mit einer Keramikschale überzogen und anschließend das Wachs ausgeschmolzen, sodass eine hohle Keramikform entsteht. In diese Form wird geschmolzene Alnico-Legierung gegossen, die nach dem Erstarren entfernt wird.

Auswirkungen auf Dichte und Porosität :

• Dichte : Feingussteile weisen typischerweise eine hohe Dichte auf, die auf die feine Keramikschale zurückzuführen ist. Diese minimiert die Gasdurchlässigkeit und fördert eine gleichmäßige Erstarrung.
• Porosität : Das Risiko der Porosität wird deutlich reduziert, da die Keramikform eine ausgezeichnete Maßkontrolle ermöglicht und präzise Anguss- und Steigsysteme für die Zufuhr von geschmolzenem Metall während der Erstarrung erlaubt.

Vorteile :

• Außergewöhnliche Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, geeignet für komplexe Geometrien.
• Niedrige Porosität und hohe Dichte machen es ideal für Hochleistungsmagnete.

Einschränkungen :

• Höhere Kosten und längerer Produktionszyklus im Vergleich zum Sandguss und Kokillenguss.
• Aufgrund der Zerbrechlichkeit der Keramikformen ist die Fertigung auf kleinere Teile beschränkt.

3.4 Schleuderguss

Prozessbeschreibung :
Beim Schleudergießen wird geschmolzene Alnico-Legierung in eine rotierende Form gegossen. Die Zentrifugalkraft drückt das flüssige Metall gegen die Formwände und sorgt so für eine gleichmäßige Füllung und Erstarrung. Dieses Verfahren wird häufig für zylindrische oder symmetrische Bauteile eingesetzt.

Auswirkungen auf Dichte und Porosität :

• Dichte : Durch das Schleudergießen können Gussteile mit hoher Dichte hergestellt werden, indem Druck auf das geschmolzene Metall ausgeübt wird, wodurch die Porosität reduziert und eine gleichmäßige Erstarrung gefördert wird.
• Porosität : Die Zentrifugalkraft hilft, Gase und Verunreinigungen auszutreiben, was zu einer geringeren Porosität im Vergleich zu statischen Gießverfahren führt.

Vorteile :

• Hohe Dichte und geringe Porosität, geeignet für Bauteile, die überlegene mechanische Eigenschaften erfordern.
• Fähigkeit, zylindrische oder symmetrische Teile mit gleichmäßiger Kornstruktur zu gießen.

Einschränkungen :

• Beschränkt auf Teile mit Rotationssymmetrie.
• Höhere Ausrüstungs- und Betriebskosten im Vergleich zu anderen Methoden.

3.5 Gerichtetes Erstarrungsgießen

Prozessbeschreibung :
Die gerichtete Erstarrung ist ein spezielles Gießverfahren zur Herstellung von Alnico-Magneten mit säulenförmiger Kornstruktur. Die geschmolzene Legierung erstarrt kontrolliert, typischerweise durch Entnahme der Form aus einem Heizofen oder durch Anlegen eines Temperaturgradienten. Dies fördert das Wachstum von säulenförmigen Körnern, die in einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind, und erhöht so die magnetische Anisotropie.

Auswirkungen auf Dichte und Porosität :

• Dichte : Durch gerichtete Erstarrung lassen sich hochdichte Gussteile herstellen, indem die Schwindungsporosität durch kontrollierte Kühl- und Zuführungssysteme minimiert wird.
• Porosität : Das Risiko der Porosität wird durch den kontrollierten Erstarrungsprozess reduziert, der eine gleichmäßige Zufuhr des geschmolzenen Metalls gewährleistet.

Vorteile :

• Verbesserte magnetische Eigenschaften aufgrund ausgerichteter säulenförmiger Körner, was die Koerzitivfeldstärke und Remanenz erhöht.
• Niedrige Porosität und hohe Dichte machen es geeignet für Hochleistungsmagnete.

Einschränkungen :

• Hohe Anlagen- und Prozesskomplexität, was die Produktionskosten erhöht.
• Beschränkt auf Teile mit einfacher Geometrie, die kontrolliert verfestigt werden können.

4. Vergleich der Gießverfahren

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen den Gießverfahren hinsichtlich Dichte, Porosität und Eignung für Alnico-Magnete zusammen:

5. Optimierung der Gießparameter

Um die Dichte weiter zu verbessern und die Porosität von Alnico-Magneten zu reduzieren, können verschiedene Gießparameter optimiert werden:

1. Gieß- und Steigrohrkonstruktion : Geeignete Gießsysteme gewährleisten einen gleichmäßigen Fluss des flüssigen Metalls und minimieren Turbulenzen, wodurch das Risiko von Gaseinschlüssen verringert wird. Steigrohre dienen als Vorratsbehälter zur Zufuhr von flüssigem Metall während der Erstarrung und verhindern so Schwindungsporosität.
2. Gießtemperatur : Die Gießtemperatur sollte sorgfältig kontrolliert werden, um eine zu hohe Fließfähigkeit (die zu Turbulenzen führen kann) oder eine zu geringe Fließfähigkeit (die zu einer unvollständigen Befüllung führen kann) zu vermeiden.
3. Vorwärmen der Form : Durch das Vorwärmen der Form wird der Temperaturschock reduziert und eine gleichmäßige Abkühlung gefördert, wodurch das Risiko von Rissen und Porosität minimiert wird.
4. Vakuumgießen : Durch die Verwendung einer Vakuumumgebung beim Gießen kann der Gaseinschluss deutlich reduziert werden, was zu einer geringeren Porosität und einer höheren Dichte führt.
5. Wärmebehandlung nach dem Gießen : Wärmebehandlungsverfahren wie Lösungsglühen und Auslagern können das Mikrogefüge weiter verfeinern, die Porosität verringern und die magnetischen Eigenschaften verbessern.

6. Fallstudie: Feinguss für Hochleistungs-Alnico-Magnete

Es wurde eine Studie durchgeführt, um die magnetischen Eigenschaften von Alnico-5-Magneten zu vergleichen, die im Feinguss- und Sandgussverfahren hergestellt wurden. Die im Feingussverfahren hergestellten Magnete wiesen folgende Eigenschaften auf:

• Höhere Dichte : 7,3 g/cm³ gegenüber 7,1 g/cm³ bei sandgegossenen Magneten.
• Geringere Porosität : 0,5 % gegenüber 2,0 % bei sandgegossenen Magneten.
• Verbesserte magnetische Eigenschaften : Remanenz (Br) von 12,5 kG gegenüber 11,8 kG und Koerzitivfeldstärke (Hc) von 650 Oe gegenüber 600 Oe bei sandgegossenen Magneten.

Diese Ergebnisse belegen die Überlegenheit des Feingussverfahrens bei der Herstellung von Hochleistungs-Alnico-Magneten mit minimaler Porosität und hoher Dichte.

7. Schlussfolgerung

Das Gießverfahren beeinflusst maßgeblich die Dichte und Porosität von Alnico-Magneten, was wiederum deren magnetische Eigenschaften beeinflusst. Feinguss und gerichtete Erstarrung sind die geeignetsten Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsmagneten mit geringer Porosität und hoher Dichte. Diese Verfahren sind jedoch mit höheren Kosten und Komplexität verbunden. Für Anwendungen, bei denen die Kosten eine entscheidende Rolle spielen, können Kokillenguss oder Sandguss eingesetzt werden, sofern geeignete Anguss- und Speiserkonstruktionen zur Minimierung der Porosität implementiert werden. Durch die Optimierung der Gießparameter und die Wahl des geeigneten Verfahrens können Hersteller Alnico-Magnete produzieren, die den hohen Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen gerecht werden.