Αιτίες και μέτρα βελτίωσης της διεργασίας για το πορώδες συρρίκνωσης, τις κοιλότητες συρρίκνωσης και τις ρωγμές σε χυτά τραχιά εξαρτήματα μαγνήτη αλουμινίου-νικελίου-κοβαλτίου (AlNiCo)

1. Εισαγωγή

Τα κράματα αλουμινίου-νικελίου-κοβαλτίου (AlNiCo) χρησιμοποιούνται ευρέως σε μόνιμους μαγνήτες, αισθητήρες και όργανα ακριβείας λόγω των εξαιρετικών μαγνητικών ιδιοτήτων τους, της υψηλής θερμοκρασίας Κιρί και της καλής θερμικής σταθερότητας. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χύτευσης, συχνά εμφανίζονται ελαττώματα όπως η πορώδης συρρίκνωση, οι κοιλότητες συρρίκνωσης και οι ρωγμές, που επηρεάζουν σοβαρά τις μηχανικές ιδιότητες, τη μαγνητική απόδοση και την απόδοση των ακατέργαστων εξαρτημάτων. Αυτό το άρθρο αναλύει συστηματικά τις βασικές αιτίες αυτών των ελαττωμάτων και προτείνει στοχευμένα μέτρα βελτίωσης της διαδικασίας για την παροχή τεχνικής υποστήριξης για την παραγωγή υψηλής ποιότητας χύτευσης AlNiCo.

2. Αιτίες ελαττωμάτων

2.1 Πορώδες συρρίκνωσης και κοιλότητες συρρίκνωσης

Το πορώδες συρρίκνωσης και οι κοιλότητες συρρίκνωσης είναι εσωτερικά κενά που σχηματίζονται κατά τη στερεοποίηση των κραμάτων AlNiCo λόγω ανεπαρκούς τροφοδοσίας υγρού μετάλλου. Οι μηχανισμοί σχηματισμού τους και οι παράγοντες που τους επηρεάζουν είναι οι εξής:

2.1.1 Χαρακτηριστικά Συρρίκνωσης κατά τη Στερεοποίηση

Τα κράματα AlNiCo παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα στερεοποίησης (διαφορά θερμοκρασίας υγρού-στερεού), οδηγώντας σε μια παρατεταμένη ζώνη πολτοποίησης κατά τη στερεοποίηση. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, σχηματίζονται δενδριτικοί βραχίονες, οι οποίοι φράζουν τα κανάλια τροφοδοσίας και εμποδίζουν το υγρό μέταλλο να αντισταθμίσει την ογκομετρική συρρίκνωση, με αποτέλεσμα τη διασκορπισμένη πορώδη συρρίκνωση ή τις κεντρικές κοιλότητες συρρίκνωσης.

2.1.2 Ανεπαρκής σχεδιασμός ανυψωτήρα

• Ανεπαρκής όγκος ανυψωτήρα : Ο ανυψωτήρας δεν αποθηκεύει αρκετό υγρό μέταλλο για να αντισταθμίσει τη συρρίκνωση κατά τη στερεοποίηση.
• Ακατάλληλη θέση ανυψωτήρα : Ο ανυψωτήρας δεν τοποθετείται στο θερμό σημείο (την τελευταία περιοχή στερεοποίησης), με αποτέλεσμα την τοπική αποτυχία τροφοδοσίας.
• Πρόωρη στερεοποίηση ανυψωτήρα : Ο ανυψωτήρας στερεοποιείται πριν από τη χύτευση, διακόπτοντας τη διαδρομή τροφοδοσίας.

2.1.3 Παράλογη δομή χύτευσης

• Μεταβάσεις από παχύ σε λεπτό : Οι απότομες αλλαγές στο πάχος της διατομής προκαλούν τοπική ταχεία ψύξη, σχηματίζοντας θερμά σημεία που είναι επιρρεπή σε ελαττώματα συρρίκνωσης.
• Αιχμηρές Γωνίες και Φιλέτα : Η συγκέντρωση τάσης στις αιχμηρές γωνίες αναστέλλει τη ροή του υγρού μετάλλου, επιδεινώνοντας το πορώδες της συρρίκνωσης.

2.1.4 Ακατάλληλες παράμετροι έκχυσης

• Χαμηλή θερμοκρασία έκχυσης : Μειώνει τη ρευστότητα του υγρού μετάλλου, μειώνοντας την απόδοση τροφοδοσίας.
• Υψηλή ταχύτητα έκχυσης : Προκαλεί αναταραχή και παγίδευση αέρα, με αποτέλεσμα τη συρρίκνωση με τη βοήθεια αερίου.
• Μικρός χρόνος συγκράτησης : Ανεπαρκής χρόνος για να επιπλεύσει το αέριο και τα εγκλείσματα, αυξάνοντας την πιθανότητα δημιουργίας πορώδους.

2.1.5 Ελαττώματα συστήματος ψύξης μούχλας

• Ανομοιόμορφος ρυθμός ψύξης : Οι υπερβολικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας μεταξύ διαφορετικών τμημάτων της χύτευσης προκαλούν θερμική καταπόνηση, προάγοντας τον σχηματισμό κοιλότητας συρρίκνωσης.
• Ανεπαρκής ψύξη σε παχιές περιοχές : Η αργή ψύξη σε παχιές περιοχές παρατείνει τη ζώνη πολτοποίησης, αυξάνοντας τον κίνδυνο πορώδους συρρίκνωσης.

2.2 Ρωγμές

Οι ρωγμές στα χυτά AlNiCo προκαλούνται κυρίως από θερμική ή μηχανική καταπόνηση που υπερβαίνει την αντοχή του υλικού κατά τη στερεοποίηση ή την ψύξη. Οι κύριοι τύποι και αιτίες είναι:

2.2.1 Θερμές ρωγμές (Θερμικές ρωγμές)

• Μηχανισμός Σχηματισμού : Εμφανίζεται κατά τα τελευταία στάδια της στερεοποίησης, όταν το χυτό υλικό έχει περιορισμένη ολκιμότητα αλλά εξακολουθεί να υπόκειται σε εφελκυστική τάση λόγω ανομοιόμορφης ψύξης ή συγκράτησης του καλουπιού.
• Παράγοντες που επηρεάζουν:
  • Ευρύ φάσμα στερεοποίησης : Παρατείνει τη ζώνη πολτοποίησης, αυξάνοντας την ευαισθησία στο σχίσιμο λόγω θερμότητας.
  • Υψηλός Συντελεστής Θερμικής Διαστολής : Ενισχύει τη θερμική καταπόνηση κατά την ψύξη.
  • Ακατάλληλη συγκράτηση μούχλας : Η υπερβολική τριβή ή πίεση από το καλούπι περιορίζει τη συρρίκνωση, προκαλώντας ρωγμές.
  • Αιχμηρές γωνίες και λεπτά τοιχώματα : Προκαλούν συγκέντρωση τάσεων, ευνοώντας τη δημιουργία ρωγμών.

2.2.2 Κρύες ρωγμές

• Μηχανισμός Σχηματισμού : Εμφανίζεται μετά τη στερεοποίηση λόγω υπολειμματικής τάσης από ανομοιόμορφη ψύξη ή εξωτερικά μηχανικά φορτία.
• Παράγοντες που επηρεάζουν:
  • Υψηλή υπολειμματική τάση : Προκαλείται από γρήγορη ψύξη ή ακατάλληλη θερμική επεξεργασία.
  • Χαμηλή Ολκιμότητα : Η παρουσία ψαθυρών φάσεων (π.χ. υπερβολική ποσότητα καρβιδίων) μειώνει την αντοχή στις ρωγμές.
  • Μηχανική κρούση : Κατά την εκτόξευση ή τον χειρισμό, η τοπική τάση υπερβαίνει την αντοχή του υλικού.

3. Μέτρα βελτίωσης διαδικασιών

3.1 Βελτιστοποίηση Σχεδιασμού Ανυψωτήρα

1. Όγκος και τοποθεσία ανυψωτήρα
   • Χρησιμοποιήστε αριθμητική προσομοίωση (π.χ., MAGMAsoft, ProCAST) για να προβλέψετε με ακρίβεια την περιοχή τελευταίας στερεοποίησης και να τοποθετήσετε τον ανυψωτήρα ανάλογα.
   • Αυξήστε τον όγκο του ανυψωτήρα κατά 10–20% σε σύγκριση με τους θεωρητικούς υπολογισμούς για να εξασφαλίσετε επαρκή τροφοδοσία.
   • Υιοθετήστε πλευρικούς ανυψωτήρες ή πολλαπλούς ανυψωτήρες για σύνθετα χυτά εξαρτήματα για να βελτιώσετε την απόδοση τροφοδοσίας.
2. Επιλογή τύπου ανυψωτήρα
   • Χρησιμοποιήστε εξώθερμους ή μονωτικούς ανυψωτήρες για να καθυστερήσετε τη στερεοποίηση και να παρατείνετε τον χρόνο τροφοδοσίας.
   • Για χυτά με παχύ τμήμα, εξετάστε το ενδεχόμενο συστημάτων τροφοδοσίας με υποβοήθηση πίεσης για την ενίσχυση της ροής του υγρού μετάλλου.
3. Σχεδιασμός λαιμού ανύψωσης
   • Βελτιστοποιήστε τις διαστάσεις του λαιμού του ανυψωτήρα για να εξισορροπήσετε την πίεση τροφοδοσίας και τον χρόνο στερεοποίησης. Ένας στενός λαιμός μπορεί να μειώσει την αντίσταση τροφοδοσίας, αλλά μπορεί να στερεοποιηθεί πρόωρα, ενώ ένας φαρδύς λαιμός εξασφαλίζει την τροφοδοσία, αλλά μπορεί να μειώσει την απόδοση.

3.2 Βελτίωση της δομής χύτευσης

1. Ομοιομορφία πάχους τοίχου
   • Αποφύγετε τις απότομες αλλαγές στο πάχος της διατομής. Χρησιμοποιήστε σταδιακές μεταβάσεις (π.χ., φιλέτα με ακτίνες ≥ 5 mm) για να μειώσετε τις θερμικές κλίσεις.
   • Για παχιά τμήματα, ενσωματώστε εσωτερικά κρύα στοιχεία ή ψυκτικές νευρώσεις για να επιταχύνετε τη στερεοποίηση και να ελαχιστοποιήσετε τα θερμά σημεία.
2. Χαρακτηριστικά ανακούφισης από το στρες
   • Προσθέστε αυλακώσεις ή νευρώσεις εκτόνωσης τάσης σε αιχμηρές γωνίες για να κατανείμετε την τάση και να αποτρέψετε τη δημιουργία ρωγμών.
   • Χρησιμοποιήστε κοίλες ή νευρώσεις για να μειώσετε τη μάζα και να βελτιώσετε την ομοιομορφία ψύξης.
3. Βελτιστοποίηση συστήματος πύλης
   • Σχεδιάστε το σύστημα πύλης έτσι ώστε να διασφαλίζεται η ομαλή ροή υγρού μετάλλου με ελάχιστη αναταραχή.
   • Χρησιμοποιήστε κωνικούς δρομείς και πύλες για να ελέγχετε την ταχύτητα ροής και να αποτρέπετε τον εγκλωβισμό αέρα.
   • Τοποθετήστε τις πύλες σε παχιά τμήματα για να προωθήσετε την κατευθυντική στερεοποίηση προς τον ανυψωτήρα.

3.3 Έλεγχος παραμέτρων έκχυσης

1. Θερμοκρασία έκχυσης
   • Διατηρήστε μια βέλτιστη θερμοκρασία έκχυσης (συνήθως 10–20°C πάνω από το liquidus) για να εξασφαλίσετε καλή ρευστότητα χωρίς υπερβολική συρρίκνωση.
   • Για κράματα AlNiCo με υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο, ενδέχεται να απαιτούνται ελαφρώς υψηλότερες θερμοκρασίες για να αντισταθμιστεί το υψηλό ιξώδες τους.
2. Ταχύτητα έκχυσης
   • Χρησιμοποιήστε μέτρια ταχύτητα έκχυσης (0,5–1,0 m/s) για να αποφύγετε τις αναταράξεις και τον εγκλωβισμό αέρα.
   • Για μεγάλα χυτά, υιοθετήστε μια τεχνική πολλαπλών σταδίων έκχυσης για να γεμίσετε σταδιακά το καλούπι και να μειώσετε το θερμικό σοκ.
3. Χρόνος αναμονής
   • Αφήστε αρκετό χρόνο παραμονής (3-5 λεπτά) στην κουτάλα για να επιπλέουν το αέριο και τα εγκλείσματα πριν το ρίξετε.
   • Χρησιμοποιήστε προστατευτικά ή καλυπτικά μέσα αργού για να αποτρέψετε την οξείδωση κατά τη συγκράτηση.

3.4 Βελτίωση της ψύξης μούχλας

1. Σχεδιασμός καναλιού ψύξης
   • Ενσωματώστε σύμμορφα κανάλια ψύξης στο καλούπι για να επιτύχετε ομοιόμορφους ρυθμούς ψύξης σε όλο το χυτό τμήμα.
   • Χρησιμοποιήστε υδρόψυκτα ένθετα ή εξωτερικές πλάκες ψύξης για παχιές διατομές για να επιταχύνετε τη στερεοποίηση.
2. Θερμομόνωση και ρίγη
   • Εφαρμόστε θερμομονωτικές επιστρώσεις σε λεπτά τμήματα για να επιβραδύνετε την ψύξη και να εξισορροπήσετε τις θερμικές κλίσεις.
   • Χρησιμοποιήστε εξωτερικά συστήματα ψύξης (π.χ., ένθετα από χαλκό ή χάλυβα) σε παχιά τμήματα για να προωθήσετε την ταχεία στερεοποίηση και να μειώσετε το πορώδες της συρρίκνωσης.
3. Επιλογή Υλικού Μούχλας
   • Επιλέξτε υλικά καλουπιού με υψηλή θερμική αγωγιμότητα (π.χ., χάλυβας H13) για λεπτές διατομές για να βελτιώσετε την απαγωγή θερμότητας.
   • Για παχιά τμήματα, χρησιμοποιήστε υλικά με χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα (π.χ. γραφίτη) για να επιβραδύνετε την ψύξη και να μειώσετε τον κίνδυνο σχισίματος λόγω θερμότητας.

3.5 Μείωση της θερμικής καταπόνησης

1. Ελεγχόμενοι ρυθμοί ψύξης
   • Εφαρμόστε αργό ρυθμό ψύξης (≤ 5°C/λεπτό) κατά το εύρος στερεοποίησης για να ελαχιστοποιήσετε τις θερμικές διαβαθμίσεις.
   • Χρησιμοποιήστε ψυκτικά ή μονωτικά καλύμματα κλιβάνου για να διατηρήσετε ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας.
2. Θερμική επεξεργασία ανακούφισης από το στρες
   • Εκτελέστε μια επεξεργασία ανόπτησης για την ανακούφιση από την τάση (π.χ., 500–600°C για 2–4 ώρες) μετά τη στερεοποίηση για να μειώσετε την υπολειμματική τάση.
   • Για μεγάλα χυτά, σκεφτείτε μια διαδικασία ανόπτησης πολλαπλών σταδίων για τη σταδιακή ανακούφιση από την τάση χωρίς να προκαλέσετε νέες ρωγμές.
3. Ελαχιστοποίηση συγκράτησης μούχλας
   • Σχεδιάστε το καλούπι με επαρκείς γωνίες βύθισης (≥ 1°) για να διευκολύνετε την εύκολη εκτόξευση και να μειώσετε τη μηχανική καταπόνηση.
   • Χρησιμοποιήστε πείρους εξαγωγής με κατάλληλο μέγεθος και θέση για να κατανείμετε ομοιόμορφα τις δυνάμεις εξαγωγής.

3.6 Έλεγχος Υλικών και Διαδικασιών Τήξης

1. Βελτιστοποίηση Χημικής Σύνθεσης
   • Προσαρμόστε την περιεκτικότητα σε νικέλιο και κοβάλτιο για να περιορίσετε το εύρος στερεοποίησης και να βελτιώσετε την απόδοση τροφοδοσίας.
   • Περιορίστε την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες (π.χ. θείο, φώσφορο) που προάγουν το σχίσιμο με θερμότητα.
2. Πρακτική τήξης
   • Χρησιμοποιήστε στεγνά και καθαρά υλικά φόρτισης για να μειώσετε την πρόσληψη υδρογόνου και το πορώδες.
   • Χρησιμοποιήστε τεχνικές απαερίωσης (π.χ., απαερίωση με περιστροφική πτερωτή) για την απομάκρυνση των διαλυμένων αερίων πριν από την έκχυση.
   • Ελέγξτε τη θερμοκρασία τήξης για να αποφύγετε την υπερβολική οξείδωση και την απορρόφηση αζώτου.
3. Βελτίωση σιτηρών
   • Προσθέστε μέσα εξευγενισμού κόκκων (π.χ. τιτάνιο ή βόριο) για να προωθήσετε τον σχηματισμό ισοαξονικών κόκκων, κάτι που βελτιώνει την τροφοδοσία και μειώνει την ευαισθησία σε σχίσιμο με θερμότητα.
   • Χρησιμοποιήστε ηλεκτρομαγνητική ανάδευση κατά την τήξη για να επιτύχετε ομοιόμορφη δομή κόκκων.

4. Μελέτη περίπτωσης: Βελτίωση διεργασίας για χύτευση μαγνήτη AlNiCo

Ένας κατασκευαστής μόνιμων μαγνητών AlNiCo αντιμετώπισε σοβαρή συρρίκνωση του πορώδους και σχίσιμο εν θερμώ σε ένα χυτό πολύπλοκου σχήματος. Η αρχική διαδικασία χρησιμοποιούσε έναν μόνο ανυψωτήρα με ανεπαρκή όγκο και το καλούπι δεν διέθετε κανάλια ψύξης, με αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη ψύξη και την υψηλή υπολειμματική τάση.

Μέτρα βελτίωσης :

1. Επανασχεδιασμός ανυψωτήρα : Αντικαταστάθηκε ο μονός ανυψωτήρας με δύο πλευρικούς ανυψωτήρες αυξημένου όγκου, τοποθετημένους στα θερμά σημεία που εντοπίστηκαν από την προσομοίωση.
2. Σύστημα ψύξης : Προστέθηκαν σύμμορφα κανάλια ψύξης στο καλούπι για την επίτευξη ομοιόμορφων ρυθμών ψύξης σε όλη τη χύτευση.
3. Βελτιστοποίηση Έκχυσης : Προσαρμόστηκε η θερμοκρασία έκχυσης στους 10°C πάνω από το liquidus και μειώθηκε η ταχύτητα έκχυσης στα 0,7 m/s.
4. Ανακούφιση από το στρες : Εφαρμόστηκε επεξεργασία ανόπτησης για την ανακούφιση από το στρες στους 550°C για 3 ώρες μετά τη στερεοποίηση.

Αποτελέσματα :

• Η πορώδης συρρίκνωση μειώθηκε κατά 80% και το σχίσιμο λόγω θερμότητας εξαλείφθηκε.
• Η απόδοση των αποδεκτών χυτών αυξήθηκε από 65% σε 92%.
• Οι μαγνητικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος βελτιώθηκαν λόγω της μειωμένης πυκνότητας ελαττωμάτων.

5. Συμπέρασμα

Η πορώδης συρρίκνωση, οι κοιλότητες συρρίκνωσης και οι ρωγμές είναι συνηθισμένα ελαττώματα στα χυτά AlNiCo, που προκαλούνται κυρίως από ανεπαρκή τροφοδοσία, θερμική καταπόνηση και ακατάλληλες παραμέτρους διεργασίας. Βελτιστοποιώντας τον σχεδιασμό του ανυψωτήρα, βελτιώνοντας τη δομή χύτευσης, ελέγχοντας τις παραμέτρους έκχυσης, ενισχύοντας την ψύξη του καλουπιού, μειώνοντας τη θερμική καταπόνηση και βελτιώνοντας το υλικό και τις πρακτικές τήξης, αυτά τα ελαττώματα μπορούν να μειωθούν ή να εξαλειφθούν σημαντικά. Τα εργαλεία αριθμητικής προσομοίωσης και η συστηματική βελτιστοποίηση της διεργασίας είναι το κλειδί για την επίτευξη υψηλής ποιότητας χυτών AlNiCo με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και μαγνητική απόδοση.