Ursachen und Maßnahmen zur Prozessverbesserung für Schwindungsporosität, Schwindungshohlräume und Risse in gegossenen Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo)-Magnetrohlingen

1. Einleitung

Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo)-Legierungen finden aufgrund ihrer hervorragenden magnetischen Eigenschaften, ihrer hohen Curie-Temperatur und ihrer guten thermischen Stabilität breite Anwendung in Permanentmagneten, Sensoren und Präzisionsinstrumenten. Beim Gießprozess treten jedoch häufig Defekte wie Lunker, Schwindungsporosität und Risse auf, die die mechanischen Eigenschaften, die magnetischen Eigenschaften und die Ausbeute der Rohteile erheblich beeinträchtigen. Dieser Artikel analysiert systematisch die Ursachen dieser Defekte und schlägt gezielte Prozessverbesserungsmaßnahmen vor, um die Produktion hochwertiger AlNiCo-Gussteile technisch zu unterstützen.

2. Ursachen von Defekten

2.1 Schrumpfungsporosität und Schrumpfhohlräume

Schwindungsporosität und Schwindungshohlräume sind innere Hohlräume, die während der Erstarrung von AlNiCo-Legierungen aufgrund unzureichender Flüssigmetallzufuhr entstehen. Ihre Entstehungsmechanismen und Einflussfaktoren sind wie folgt:

2.1.1 Erstarrungsschrumpfungseigenschaften

AlNiCo-Legierungen weisen einen großen Erstarrungsbereich (Differenz zwischen Liquidus- und Solidustemperatur) auf, was zu einer verlängerten Breizone während der Erstarrung führt. In dieser Phase bilden sich Dendritenarme, die die Zufuhrkanäle blockieren und verhindern, dass das flüssige Metall die Volumenverringerung kompensiert. Dies führt zu disperser Schwindungsporosität oder zentralisierten Schwindungshohlräumen.

2.1.2 Unzureichende Steigleitungskonstruktion

• Unzureichendes Steigrohrvolumen : Das Steigrohr speichert nicht genügend flüssiges Metall, um die Schrumpfung bei der Erstarrung auszugleichen.
• Falsche Steigrohrposition : Das Steigrohr befindet sich nicht am Hotspot (der letzten Erstarrungszone), was zu einem lokalen Förderausfall führt.
• Vorzeitige Erstarrung des Speisers : Der Speiser erstarrt vor dem Gussteil und unterbricht so den Speiseweg.

2.1.3 Unangemessene Gussstruktur

• Übergänge von dick nach dünn : Scharfe Änderungen der Wandstärke verursachen eine lokale, schnelle Abkühlung, wodurch Hotspots entstehen, die anfällig für Schrumpfungsfehler sind.
• Scharfe Ecken und Abrundungen : Spannungskonzentrationen an scharfen Ecken behindern den Fluss des flüssigen Metalls und verschlimmern die Schwindungsporosität.

2.1.4 Unzureichende Gießparameter

• Niedrige Gießtemperatur : Verringert die Fließfähigkeit des flüssigen Metalls und beeinträchtigt die Förderleistung.
• Hohe Gießgeschwindigkeit : Verursacht Turbulenzen und Lufteinschlüsse, was zu gasbedingter Schrumpfungsporosität führt.
• Kurze Verweilzeit : Unzureichende Zeit für Gas und Einschlüsse, um aufzusteigen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Porosität steigt.

2.1.5 Mängel des Formkühlsystems

• Ungleichmäßige Abkühlgeschwindigkeit : Zu große Temperaturgradienten zwischen verschiedenen Abschnitten des Gussteils führen zu thermischen Spannungen, die die Bildung von Lunkerbildung begünstigen.
• Unzureichende Kühlung in dicken Abschnitten : Eine langsame Abkühlung in dicken Bereichen verlängert die Breizone und erhöht das Risiko der Schwindungsporosität.

2.2 Risse

Risse in AlNiCo-Gussteilen entstehen hauptsächlich durch thermische oder mechanische Spannungen, die während der Erstarrung oder Abkühlung die Festigkeit des Materials überschreiten. Die wichtigsten Arten und Ursachen sind:

2.2.1 Heißrisse (Thermische Risse)

• Entstehungsmechanismus : Sie treten in den späten Phasen der Erstarrung auf, wenn das Gussteil nur eine begrenzte Duktilität aufweist, aber aufgrund ungleichmäßiger Abkühlung oder Formeinschränkungen noch Zugspannungen ausgesetzt ist.
• Einflussfaktoren:
  • Breiter Erstarrungsbereich : Verlängert die Breizone und erhöht die Anfälligkeit für Heißrisse.
  • Hoher Wärmeausdehnungskoeffizient : Verstärkt die thermische Belastung beim Abkühlen.
  • Unzureichende Formfixierung : Übermäßige Reibung oder Druck seitens der Form behindern die Schrumpfung und führen zu Rissen.
  • Scharfe Ecken und dünne Wände : Führen zu Spannungskonzentrationen und begünstigen so die Rissbildung.

2.2.2 Kälterisse

• Entstehungsmechanismus : Entstehen nach der Erstarrung aufgrund von Restspannungen durch ungleichmäßige Abkühlung oder äußere mechanische Belastungen.
• Einflussfaktoren:
  • Hohe Eigenspannungen : Verursacht durch schnelle Abkühlung oder unsachgemäße Wärmebehandlung.
  • Geringe Duktilität : Das Vorhandensein spröder Phasen (z. B. übermäßige Carbide) verringert die Rissbeständigkeit.
  • Mechanische Einwirkung : Beim Auswerfen oder Handling übersteigt die lokal auftretende Spannung die Festigkeit des Materials.

3. Maßnahmen zur Prozessverbesserung

3.1 Optimierung des Steigleitungsdesigns

1. Steigrohrvolumen und -position
   • Verwenden Sie numerische Simulationen (z. B. MAGMAsoft, ProCAST), um die letzte Erstarrungszone genau vorherzusagen und das Steigrohr entsprechend zu platzieren.
   • Um eine ausreichende Zufuhr zu gewährleisten, sollte das Steigrohrvolumen im Vergleich zu den theoretischen Berechnungen um 10–20 % erhöht werden.
   • Um die Zuführungseffizienz bei komplexen Gussteilen zu verbessern, können seitliche Steiger oder mehrere Steiger verwendet werden.
2. Auswahl des Steigleitungstyps
   • Um die Erstarrung zu verzögern und die Zufuhrzeit zu verlängern, können exotherme oder isolierende Steigleitungen verwendet werden.
   • Bei dickwandigen Gussteilen sollten druckunterstützte Zuführsysteme zur Verbesserung des Flüssigmetallflusses in Betracht gezogen werden.
3. Riser Neck Design
   • Optimieren Sie die Abmessungen des Steigrohrhalses, um ein optimales Verhältnis zwischen Förderdruck und Erstarrungszeit zu erreichen. Ein schmaler Hals kann den Förderwiderstand verringern, aber zu vorzeitiger Erstarrung führen, während ein breiter Hals die Förderung gewährleistet, aber die Ausbeute reduzieren kann.

3.2 Verbesserung der Gussstruktur

1. Gleichmäßigkeit der Wandstärke
   • Vermeiden Sie abrupte Änderungen der Wandstärke; verwenden Sie stattdessen sanfte Übergänge (z. B. Abrundungen mit Radien ≥ 5 mm), um thermische Gradienten zu reduzieren.
   • Bei dicken Abschnitten sollten interne Kühlvorrichtungen oder Kühlrippen eingesetzt werden, um die Erstarrung zu beschleunigen und Hotspots zu minimieren.
2. Funktionen zur Stressentlastung
   • Um Spannungen zu verteilen und die Entstehung von Rissen zu verhindern, sollten an scharfen Ecken Entlastungsrillen oder -rippen angebracht werden.
   • Durch den Einsatz von Hohl- oder Rippenstrukturen lässt sich die Masse reduzieren und die Kühlgleichmäßigkeit verbessern.
3. Optimierung des Torsystems
   • Das Gießsystem ist so auszulegen, dass ein gleichmäßiger Flüssigmetallfluss mit minimalen Turbulenzen gewährleistet ist.
   • Verwenden Sie konische Kanäle und Schieber, um die Strömungsgeschwindigkeit zu steuern und Lufteinschlüsse zu verhindern.
   • Positionieren Sie die Gießkanäle an den dicken Abschnitten, um eine gerichtete Erstarrung in Richtung des Steigrohrs zu fördern.

3.3 Steuerung der Gießparameter

1. Gießtemperatur
   • Um eine gute Fließfähigkeit ohne übermäßige Schrumpfung zu gewährleisten, sollte eine optimale Gießtemperatur (typischerweise 10–20 °C über der Liquidustemperatur) eingehalten werden.
   • Bei AlNiCo-Legierungen mit hohem Nickelgehalt können etwas höhere Temperaturen erforderlich sein, um die hohe Viskosität auszugleichen.
2. Gießgeschwindigkeit
   • Um Turbulenzen und Lufteinschlüsse zu vermeiden, sollte eine moderate Gießgeschwindigkeit (0,5–1,0 m/s) verwendet werden.
   • Bei großen Gussteilen empfiehlt sich ein mehrstufiges Gießverfahren, um die Form schrittweise zu füllen und den Temperaturschock zu reduzieren.
3. Haltezeit
   • Lassen Sie die Masse vor dem Ausgießen ausreichend lange (3–5 Minuten) in der Schöpfkelle, damit Gase und Einschlüsse aufsteigen können.
   • Um Oxidation während der Lagerung zu verhindern, verwenden Sie Argon-Schutzgase oder Abdeckmittel.

3.4 Verbesserung der Formenkühlung

1. Kühlkanaldesign
   • Um eine gleichmäßige Abkühlung des Gussteils zu erreichen, sollten konturnahe Kühlkanäle in die Form integriert werden.
   • Um die Erstarrung bei dicken Bauteilen zu beschleunigen, können wassergekühlte Einsätze oder externe Kühlplatten verwendet werden.
2. Wärmedämmung und Kälte
   • Durch das Aufbringen von Wärmedämmschichten auf dünne Bauteile wird die Abkühlung verlangsamt und thermische Gradienten werden ausgeglichen.
   • Bei dicken Wandstärken sollten externe Kühlkörper (z. B. Kupfer- oder Stahleinsätze) verwendet werden, um eine schnelle Erstarrung zu fördern und die Schwindungsporosität zu reduzieren.
3. Auswahl des Formmaterials
   • Wählen Sie für dünne Querschnitte Formmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. H13-Stahl), um die Wärmeableitung zu verbessern.
   • Bei dicken Querschnitten sollten Werkstoffe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Graphit) verwendet werden, um die Abkühlung zu verlangsamen und das Risiko von Heißrissen zu verringern.

3.5 Reduzierung der thermischen Belastung

1. Kontrollierte Kühlraten
   • Um thermische Gradienten zu minimieren, sollte während des Erstarrungsbereichs eine langsame Abkühlrate (≤ 5°C/min) angewendet werden.
   • Verwenden Sie Ofenkühlung oder Isolierdecken, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten.
2. Stressabbauende Wärmebehandlung
   • Um die Restspannungen zu reduzieren, sollte nach der Erstarrung eine Spannungsarmglühung durchgeführt werden (z. B. bei 500–600 °C für 2–4 Stunden).
   • Bei großen Gussteilen empfiehlt sich ein mehrstufiger Glühprozess, um Spannungen schrittweise abzubauen, ohne neue Risse zu verursachen.
3. Minimierung des Schimmelpilzbefalls
   • Die Form sollte mit ausreichendem Entformungsschrägenwinkel (≥ 1°) konstruiert werden, um ein einfaches Auswerfen zu ermöglichen und die mechanische Belastung zu reduzieren.
   • Verwenden Sie Auswerferstifte mit geeigneter Größe und Position, um die Auswerfkräfte gleichmäßig zu verteilen.

3.6 Material- und Schmelzprozesssteuerung

1. Optimierung der chemischen Zusammensetzung
   • Durch Anpassung des Nickel- und Kobaltgehalts kann der Erstarrungsbereich verengt und die Zuführungseffizienz verbessert werden.
   • Begrenzen Sie den Gehalt an Verunreinigungen (z. B. Schwefel, Phosphor), die zu Heißrissen führen.
2. Schmelzpraxis
   • Um die Wasserstoffaufnahme und Porosität zu reduzieren, sollten trockene und saubere Füllmaterialien verwendet werden.
   • Vor dem Eingießen sollten Entgasungstechniken (z. B. Rotationsrührer-Entgasung) eingesetzt werden, um gelöste Gase zu entfernen.
   • Die Schmelztemperatur muss kontrolliert werden, um übermäßige Oxidation und Stickstoffaufnahme zu vermeiden.
3. Getreideveredelung
   • Durch die Zugabe von Kornfeinungsmitteln (z. B. Titan oder Bor) wird die Bildung gleichachsiger Körner gefördert, was die Zuführung verbessert und die Anfälligkeit für Heißrisse verringert.
   • Um eine gleichmäßige Kornstruktur zu erzielen, sollte während des Schmelzens elektromagnetisches Rühren angewendet werden.

4. Fallstudie: Prozessverbesserung beim Guss eines AlNiCo-Magneten

Ein Hersteller von AlNiCo-Permanentmagneten hatte mit starker Schwindungsporosität und Heißrissen bei einem komplex geformten Gussteil zu kämpfen. Das ursprüngliche Verfahren verwendete einen einzelnen Speiser mit unzureichendem Volumen, und die Form wies keine Kühlkanäle auf, was zu ungleichmäßiger Kühlung und hohen Eigenspannungen führte.

Verbesserungsmaßnahmen :

1. Neugestaltung des Steigrohrs : Das einzelne Steigrohr wurde durch zwei seitliche Steigrohre mit größerem Volumen ersetzt, die an den durch Simulation ermittelten Hotspots positioniert wurden.
2. Kühlsystem : Um eine gleichmäßige Abkühlung des Gussteils zu erreichen, wurden zusätzliche, konturnahe Kühlkanäle in die Form integriert.
3. Gießoptimierung : Die Gießtemperatur wurde auf 10°C über der Liquidustemperatur eingestellt und die Gießgeschwindigkeit auf 0,7 m/s reduziert.
4. Spannungsabbau : Nach der Erstarrung wurde eine Spannungsabbau-Glühbehandlung bei 550°C für 3 Stunden durchgeführt.

Ergebnisse :

• Die Schrumpfporosität wurde um 80 % reduziert, und Heißrisse wurden beseitigt.
• Die Ausbeute an brauchbaren Gussteilen stieg von 65 % auf 92 %.
• Die magnetischen Eigenschaften des Endprodukts verbesserten sich aufgrund der reduzierten Defektdichte.

5. Schlussfolgerung

Lunker, Schwindungsporosität und Risse sind häufige Fehler in AlNiCo-Gussteilen, die hauptsächlich durch unzureichende Speisung, thermische Spannungen und ungeeignete Prozessparameter verursacht werden. Durch die Optimierung der Speiserkonstruktion, die Verbesserung der Gussstruktur, die Kontrolle der Gießparameter, die Verbesserung der Formkühlung, die Reduzierung thermischer Spannungen sowie die Verfeinerung des Material- und Schmelzverfahrens lassen sich diese Fehler deutlich verringern oder sogar beseitigen. Numerische Simulationswerkzeuge und eine systematische Prozessoptimierung sind der Schlüssel zur Herstellung hochwertiger AlNiCo-Gussteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und magnetischen Eigenschaften.