Causas y medidas de mejora de procesos para la porosidad por contracción, cavidades por contracción y grietas en piezas rugosas de imanes de aluminio-níquel-cobalto fundido (AlNiCo)

1. Introducción

Las aleaciones de aluminio-níquel-cobalto (AlNiCo) se utilizan ampliamente en imanes permanentes, sensores e instrumentos de precisión gracias a sus excelentes propiedades magnéticas, su alta temperatura de Curie y su buena estabilidad térmica. Sin embargo, durante el proceso de fundición, suelen presentarse defectos como porosidad por contracción, cavidades por contracción y grietas, que afectan gravemente las propiedades mecánicas, el rendimiento magnético y el rendimiento de las piezas brutas. Este artículo analiza sistemáticamente las causas de estos defectos y propone medidas específicas de mejora del proceso para brindar soporte técnico a la producción de piezas fundidas de AlNiCo de alta calidad.

2. Causas de los defectos

2.1 Porosidad por contracción y cavidades por contracción

La porosidad y las cavidades de contracción son huecos internos que se forman durante la solidificación de las aleaciones de AlNiCo debido a una alimentación insuficiente de metal líquido. Sus mecanismos de formación y factores de influencia son los siguientes:

2.1.1 Características de contracción por solidificación

Las aleaciones de AlNiCo presentan un amplio rango de solidificación (diferencia de temperatura líquido-sólido), lo que da lugar a una zona de solidificación prolongada. Durante este período, se forman brazos dendríticos que bloquean los canales de alimentación e impiden que el metal líquido compense la contracción volumétrica, lo que resulta en porosidad de contracción dispersa o cavidades de contracción centralizadas.

2.1.2 Diseño inadecuado del tubo ascendente

• Volumen insuficiente del tubo ascendente : el tubo ascendente no puede almacenar suficiente metal líquido para compensar la contracción por solidificación.
• Ubicación incorrecta del tubo ascendente : el tubo ascendente no está ubicado en el punto caliente (la última región de solidificación), lo que provoca una falla de alimentación localizada.
• Solidificación prematura del tubo ascendente : el tubo ascendente se solidifica antes de la fundición, cortando el camino de alimentación.

2.1.3 Estructura de fundición irrazonable

• Transiciones de grueso a delgado : los cambios bruscos en el espesor de la sección provocan un enfriamiento rápido localizado, lo que forma puntos calientes que son propensos a defectos de contracción.
• Esquinas afiladas y filetes : la concentración de tensión en las esquinas afiladas inhibe el flujo de metal líquido, lo que agrava la porosidad por contracción.

2.1.4 Parámetros de vertido inadecuados

• Baja temperatura de vertido : reduce la fluidez del metal líquido, lo que perjudica la eficiencia de alimentación.
• Alta velocidad de vertido : provoca turbulencia y atrapamiento de aire, lo que genera porosidad por contracción asistida por gas.
• Tiempo de retención corto : tiempo insuficiente para que el gas y las inclusiones floten, lo que aumenta la probabilidad de porosidad.

2.1.5 Defectos del sistema de enfriamiento del molde

• Velocidad de enfriamiento desigual : los gradientes de temperatura excesivos entre diferentes secciones de la pieza fundida inducen estrés térmico, lo que promueve la formación de cavidades de contracción.
• Enfriamiento insuficiente en secciones gruesas : el enfriamiento lento en regiones gruesas prolonga la zona blanda, aumentando el riesgo de porosidad por contracción.

2.2 Grietas

Las grietas en las piezas fundidas de AlNiCo se deben principalmente a tensiones térmicas o mecánicas que superan la resistencia del material durante la solidificación o el enfriamiento. Los principales tipos y causas son:

2.2.1 Desgarros calientes (grietas térmicas)

• Mecanismo de formación : ocurre durante las últimas etapas de solidificación cuando la pieza fundida tiene una ductilidad limitada pero aún está sujeta a tensión de tracción debido a un enfriamiento desigual o restricción del molde.
• Factores influyentes:
  • Amplio rango de solidificación : Prolonga la zona blanda, aumentando la susceptibilidad al desgarro en caliente.
  • Alto coeficiente de expansión térmica : amplifica el estrés térmico durante el enfriamiento.
  • Restricción inadecuada del molde : la fricción o presión excesiva del molde restringe la contracción y provoca grietas.
  • Esquinas afiladas y paredes delgadas : provocan concentración de tensiones, lo que favorece la aparición de grietas.

2.2.2 Grietas frías

• Mecanismo de formación : Se produce después de la solidificación debido a la tensión residual del enfriamiento desigual o cargas mecánicas externas.
• Factores influyentes:
  • Estrés residual alto : causado por un enfriamiento rápido o un tratamiento térmico inadecuado.
  • Baja ductilidad : la presencia de fases frágiles (por ejemplo, carburos excesivos) reduce la resistencia al agrietamiento.
  • Impacto mecánico : durante la expulsión o la manipulación, la tensión localizada excede la resistencia del material.

3. Medidas de mejora de procesos

3.1 Optimización del diseño del tubo ascendente

1. Volumen y ubicación del tubo ascendente
   • Utilice simulación numérica (por ejemplo, MAGMAsoft, ProCAST) para predecir con precisión la última región de solidificación y colocar el tubo ascendente en consecuencia.
   • Aumente el volumen del tubo ascendente entre un 10 y un 20 % en comparación con los cálculos teóricos para garantizar una alimentación suficiente.
   • Adopte elevadores laterales o elevadores múltiples para piezas fundidas complejas para mejorar la eficiencia de alimentación.
2. Selección del tipo de elevador
   • Utilice elevadores exotérmicos o aislantes para retrasar la solidificación y extender el tiempo de alimentación.
   • Para fundiciones de sección gruesa, considere sistemas de alimentación asistidos por presión para mejorar el flujo de metal líquido.
3. Diseño de mástil elevador
   • Optimice las dimensiones del cuello del elevador para equilibrar la presión de alimentación y el tiempo de solidificación. Un cuello estrecho puede reducir la resistencia a la alimentación, pero podría solidificarse prematuramente, mientras que un cuello ancho garantiza la alimentación, pero puede reducir el rendimiento.

3.2 Mejora de la estructura de la fundición

1. Uniformidad del espesor de la pared
   • Evite cambios bruscos en el espesor de la sección; utilice transiciones graduales (por ejemplo, filetes con radios ≥ 5 mm) para reducir los gradientes térmicos.
   • Para secciones gruesas, incorpore enfriamientos internos o nervaduras de enfriamiento para acelerar la solidificación y minimizar los puntos calientes.
2. Funciones para aliviar el estrés
   • Agregue ranuras o nervaduras para aliviar la tensión en las esquinas afiladas para distribuir la tensión y evitar la formación de grietas.
   • Utilice estructuras huecas o acanaladas para reducir la masa y mejorar la uniformidad del enfriamiento.
3. Optimización del sistema de compuertas
   • Diseñe el sistema de compuerta para garantizar un flujo suave de metal líquido con una turbulencia mínima.
   • Utilice canales y compuertas cónicas para controlar la velocidad del flujo y evitar que quede aire atrapado.
   • Coloque compuertas en secciones gruesas para promover la solidificación direccional hacia el tubo ascendente.

3.3 Control de los parámetros de vertido

1. Temperatura de vertido
   • Mantenga una temperatura de vertido óptima (normalmente 10–20 °C por encima del líquido) para garantizar una buena fluidez sin contracción excesiva.
   • Para las aleaciones de AlNiCo con alto contenido de níquel, pueden requerirse temperaturas ligeramente más altas para compensar su alta viscosidad.
2. Velocidad de vertido
   • Utilice una velocidad de vertido moderada (0,5–1,0 m/s) para evitar turbulencias y atrapamiento de aire.
   • Para piezas de gran tamaño, adopte una técnica de vertido en varias etapas para llenar gradualmente el molde y reducir el choque térmico.
3. Tiempo de espera
   • Deje reposar suficiente tiempo (3 a 5 minutos) en el cucharón para que el gas y las inclusiones floten antes de verter.
   • Utilice agentes de protección o cobertura con argón para evitar la oxidación durante el mantenimiento.

3.4 Mejora del enfriamiento del molde

1. Diseño de canales de enfriamiento
   • Incorpore canales de enfriamiento conformes en el molde para lograr velocidades de enfriamiento uniformes en toda la pieza fundida.
   • Utilice insertos refrigerados por agua o placas de enfriamiento externas para secciones gruesas para acelerar la solidificación.
2. Aislamiento térmico y enfriamiento
   • Aplicar recubrimientos de aislamiento térmico a secciones delgadas para retardar el enfriamiento y equilibrar los gradientes térmicos.
   • Utilice enfriadores externos (por ejemplo, insertos de cobre o acero) en secciones gruesas para promover una solidificación rápida y reducir la porosidad por contracción.
3. Selección del material del molde
   • Elija materiales de molde con alta conductividad térmica (por ejemplo, acero H13) para secciones delgadas para mejorar la disipación del calor.
   • Para secciones gruesas, utilice materiales con menor conductividad térmica (por ejemplo, grafito) para retardar el enfriamiento y reducir el riesgo de desgarro por calor.

3.5 Reducción del estrés térmico

1. Velocidades de enfriamiento controladas
   • Implementar una velocidad de enfriamiento lenta (≤ 5°C/min) durante el rango de solidificación para minimizar los gradientes térmicos.
   • Utilice mantas aislantes o de enfriamiento del horno para mantener una distribución uniforme de la temperatura.
2. Tratamiento térmico para aliviar el estrés
   • Realice un tratamiento de recocido para aliviar la tensión (por ejemplo, 500–600 °C durante 2 a 4 horas) después de la solidificación para reducir la tensión residual.
   • Para piezas fundidas de gran tamaño, considere un proceso de recocido de múltiples etapas para aliviar gradualmente la tensión sin inducir nuevas grietas.
3. Minimización de la restricción del moho
   • Diseñe el molde con ángulos de inclinación suficientes (≥ 1°) para facilitar la expulsión y reducir la tensión mecánica.
   • Utilice pasadores eyectores con el tamaño y la ubicación adecuados para distribuir las fuerzas de eyección de manera uniforme.

3.6 Control del material y del proceso de fusión

1. Optimización de la composición química
   • Ajuste el contenido de níquel y cobalto para limitar el rango de solidificación y mejorar la eficiencia de alimentación.
   • Limite el contenido de impurezas (por ejemplo, azufre, fósforo) que favorecen el desgarro en caliente.
2. Práctica de fusión
   • Utilice materiales de carga secos y limpios para reducir la absorción de hidrógeno y la porosidad.
   • Utilice técnicas de desgasificación (por ejemplo, desgasificación con impulsor rotatorio) para eliminar los gases disueltos antes de verter.
   • Controlar la temperatura de fusión para evitar la oxidación excesiva y la absorción de nitrógeno.
3. Refinamiento de grano
   • Agregue refinadores de grano (por ejemplo, titanio o boro) para promover la formación de granos equiaxiales, lo que mejora la alimentación y reduce la susceptibilidad al desgarro en caliente.
   • Utilice agitación electromagnética durante la fusión para lograr una estructura de grano uniforme.

4. Caso práctico: Mejora del proceso de fundición de un imán de AlNiCo

Un fabricante de imanes permanentes de AlNiCo detectó una grave porosidad por contracción y desgarro por calor en una pieza fundida de forma compleja. El proceso original utilizaba una sola mazarota con un volumen insuficiente y el molde carecía de canales de refrigeración, lo que provocaba un enfriamiento desigual y una alta tensión residual.

Medidas de mejora :

1. Rediseño del riser : se reemplazó el riser único con dos risers laterales de mayor volumen, ubicados en los puntos críticos identificados mediante simulación.
2. Sistema de enfriamiento : Se agregaron canales de enfriamiento conformes en el molde para lograr velocidades de enfriamiento uniformes en toda la pieza fundida.
3. Optimización de vertido : se ajustó la temperatura de vertido a 10 °C por encima del líquido y se redujo la velocidad de vertido a 0,7 m/s.
4. Alivio de tensiones : Se implementó un tratamiento de recocido de alivio de tensiones a 550 °C durante 3 horas después de la solidificación.

Resultados :

• La porosidad por contracción se redujo en un 80% y se eliminó el desgarro en caliente.
• El rendimiento de piezas fundidas aceptables aumentó del 65% al ​​92%.
• Las propiedades magnéticas del producto final mejoraron debido a la menor densidad de defectos.

5. Conclusión

La porosidad, las cavidades y las grietas por contracción son defectos comunes en las piezas fundidas de AlNiCo, causados ​​principalmente por una alimentación inadecuada, la tensión térmica y parámetros de proceso inadecuados. Mediante la optimización del diseño de la mazarota, la mejora de la estructura de la pieza fundida, el control de los parámetros de vertido, la mejora de la refrigeración del molde, la reducción de la tensión térmica y el refinamiento del material y las prácticas de fundición, estos defectos pueden reducirse significativamente o incluso eliminarse. Las herramientas de simulación numérica y la optimización sistemática de procesos son clave para lograr piezas fundidas de AlNiCo de alta calidad con propiedades mecánicas y un rendimiento magnético mejorados.