علل و اقدامات بهبود فرآیند برای تخلخل انقباضی، حفره‌های انقباضی و ترک‌ها در قطعات ریخته‌گری شده از جنس آهنربای آلومینیوم-نیکل-کبالت (AlNiCo)

۱. مقدمه

آلیاژهای آلومینیوم-نیکل-کبالت (AlNiCo) به دلیل خواص مغناطیسی عالی، دمای کوری بالا و پایداری حرارتی خوب، به طور گسترده در آهنرباهای دائمی، حسگرها و ابزارهای دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، در طول فرآیند ریخته‌گری، عیوبی مانند تخلخل انقباضی، حفره‌های انقباضی و ترک‌ها اغلب رخ می‌دهند که به شدت بر خواص مکانیکی، عملکرد مغناطیسی و بازده قطعات ناهموار تأثیر می‌گذارند. این مقاله به طور سیستماتیک علل ریشه‌ای این عیوب را تجزیه و تحلیل می‌کند و اقدامات بهبود فرآیند هدفمند را برای ارائه پشتیبانی فنی برای تولید ریخته‌گری AlNiCo با کیفیت بالا پیشنهاد می‌دهد.

۲. علل نقص‌ها

۲.۱ تخلخل انقباضی و حفره‌های انقباضی

تخلخل انقباضی و حفره‌های انقباضی، حفره‌های داخلی هستند که در طول انجماد آلیاژهای AlNiCo به دلیل تغذیه ناکافی فلز مایع تشکیل می‌شوند. مکانیسم‌های تشکیل آنها و عوامل مؤثر به شرح زیر است:

۲.۱.۱ ویژگی‌های انقباض انجمادی

آلیاژهای AlNiCo طیف وسیعی از انجماد (اختلاف دمای مایع-جامدوس) را نشان می‌دهند که منجر به ایجاد یک منطقه خمیری طولانی مدت در طول انجماد می‌شود. در طول این دوره، بازوهای دندریتی تشکیل می‌شوند که کانال‌های تغذیه را مسدود کرده و از جبران انقباض حجمی توسط فلز مایع جلوگیری می‌کنند و در نتیجه تخلخل انقباضی پراکنده یا حفره‌های انقباضی متمرکز ایجاد می‌شود.

۲.۱.۲ طراحی نامناسب رایزر

• حجم ناکافی رایزر : رایزر نمی‌تواند فلز مذاب کافی را برای جبران انقباض انجماد ذخیره کند.
• محل نامناسب رایزر : رایزر در نقطه داغ (آخرین ناحیه انجماد) قرار نگرفته است که منجر به خرابی موضعی تغذیه می‌شود.
• انجماد زودرس رایزر : رایزر قبل از ریخته‌گری منجمد می‌شود و مسیر تغذیه را مسدود می‌کند.

۲.۱.۳ ساختار ریخته‌گری نامعقول

• گذار از ضخامت به نازک : تغییرات شدید در ضخامت مقطع باعث سرد شدن سریع موضعی و تشکیل نقاط داغ می‌شود که مستعد نقص‌های انقباضی هستند.
• گوشه‌ها و فیله‌های تیز : تمرکز تنش در گوشه‌های تیز، جریان فلز مایع را مهار می‌کند و تخلخل ناشی از انقباض را تشدید می‌کند.

۲.۱.۴ پارامترهای نامناسب ریختن بتن

• دمای پایین ریختن : سیالیت فلز مذاب را کاهش می‌دهد و راندمان تغذیه را مختل می‌کند.
• سرعت ریختن بالا : باعث تلاطم و حبس هوا می‌شود و منجر به تخلخل انقباضی ناشی از گاز می‌شود.
• زمان نگهداری کوتاه : زمان کافی برای شناور شدن گاز و آخال‌ها وجود ندارد و احتمال تخلخل افزایش می‌یابد.

۲.۱.۵ عیوب سیستم خنک‌کننده قالب

• نرخ خنک شدن ناهموار : گرادیان دمایی بیش از حد بین بخش‌های مختلف قطعه ریخته‌گری باعث ایجاد تنش حرارتی شده و تشکیل حفره ناشی از انقباض را افزایش می‌دهد.
• خنک‌سازی ناکافی در بخش‌های ضخیم : خنک‌سازی آهسته در نواحی ضخیم، ناحیه خمیری را طولانی‌تر می‌کند و خطر تخلخل ناشی از انقباض را افزایش می‌دهد.

۲.۲ ترک‌ها

ترک‌ها در قطعات ریخته‌گری AlNiCo عمدتاً ناشی از تنش حرارتی یا تنش مکانیکی بیش از حد مقاومت ماده در حین انجماد یا خنک شدن هستند. انواع و علل اصلی عبارتند از:

۲.۲.۱ پارگی‌های داغ (ترک‌های حرارتی)

• مکانیسم تشکیل : در مراحل پایانی انجماد، زمانی که قطعه ریختگی شکل‌پذیری محدودی دارد اما به دلیل خنک شدن ناهموار یا مهار قالب، هنوز در معرض تنش کششی است، رخ می‌دهد.
• عوامل مؤثر:
  • دامنه انجماد گسترده : ناحیه خمیری را طولانی‌تر می‌کند و حساسیت به پارگی گرم را افزایش می‌دهد.
  • ضریب انبساط حرارتی بالا : تنش حرارتی را در حین خنک شدن تقویت می‌کند.
  • مهار نامناسب قالب : اصطکاک یا فشار بیش از حد از جانب قالب، انقباض را محدود کرده و باعث ایجاد ترک می‌شود.
  • گوشه‌های تیز و دیوارهای نازک : باعث تمرکز تنش می‌شوند و شروع ترک را تسریع می‌کنند.

۲.۲.۲ ترک‌های سرد

• مکانیسم تشکیل : پس از انجماد به دلیل تنش پسماند ناشی از سرد شدن ناهموار یا بارهای مکانیکی خارجی رخ می‌دهد.
• عوامل مؤثر:
  • تنش پسماند بالا : ناشی از سرد شدن سریع یا عملیات حرارتی نامناسب.
  • شکل‌پذیری پایین : وجود فازهای شکننده (مثلاً کاربیدهای بیش از حد) مقاومت در برابر ترک را کاهش می‌دهد.
  • ضربه مکانیکی : در حین بیرون انداختن یا جابجایی، تنش موضعی از استحکام ماده بیشتر می‌شود.

۳. اقدامات بهبود فرآیند

۳.۱ بهینه‌سازی طراحی رایزر

1. حجم و محل قرارگیری رایزر
   • از شبیه‌سازی عددی (مثلاً MAGMAsoft، ProCAST) برای پیش‌بینی دقیق آخرین ناحیه انجماد و قرار دادن رایزر بر اساس آن استفاده کنید.
   • برای اطمینان از تغذیه کافی، حجم رایزر را در مقایسه با محاسبات تئوری، 10 تا 20 درصد افزایش دهید.
   • برای ریخته‌گری‌های پیچیده، از رایزرهای جانبی یا چندین رایز استفاده کنید تا راندمان تغذیه بهبود یابد.
2. انتخاب نوع رایزر
   • برای به تأخیر انداختن انجماد و افزایش زمان تغذیه، از رایزرهای گرمازا یا عایق استفاده کنید.
   • برای ریخته‌گری مقاطع ضخیم، سیستم‌های تغذیه با کمک فشار را برای افزایش جریان فلز مایع در نظر بگیرید.
3. طراحی گردن رایزر
   • ابعاد گردنه بالابر را بهینه کنید تا فشار تغذیه و زمان انجماد متعادل شود. گردنه باریک می‌تواند مقاومت تغذیه را کاهش دهد اما ممکن است باعث انجماد زودرس شود، در حالی که گردنه پهن، تغذیه را تضمین می‌کند اما ممکن است عملکرد را کاهش دهد.

۳.۲ بهبود ساختار ریخته‌گری

1. یکنواختی ضخامت دیواره
   • از تغییرات ناگهانی در ضخامت مقطع خودداری کنید؛ برای کاهش گرادیان‌های حرارتی از انتقال‌های تدریجی (مثلاً فیلت‌هایی با شعاع ≥ 5 میلی‌متر) استفاده کنید.
   • برای مقاطع ضخیم، از چیلرهای داخلی یا دنده‌های خنک‌کننده برای تسریع انجماد و به حداقل رساندن نقاط داغ استفاده کنید.
2. ویژگی‌های تسکین استرس
   • برای توزیع تنش و جلوگیری از شروع ترک، شیارها یا دنده‌های تنش‌زدا را در گوشه‌های تیز اضافه کنید.
   • برای کاهش جرم و بهبود یکنواختی خنک‌کنندگی، از سازه‌های توخالی یا شیاردار استفاده کنید.
3. بهینه‌سازی سیستم گیتینگ
   • سیستم راهگاهی را طوری طراحی کنید که جریان روان فلز مایع با حداقل تلاطم تضمین شود.
   • برای کنترل سرعت جریان و جلوگیری از حبس هوا، از راهگاه‌ها و دریچه‌های مخروطی شکل استفاده کنید.
   • دریچه‌ها را در مقاطع ضخیم قرار دهید تا انجماد جهت‌دار به سمت رایزر (بالا برنده) افزایش یابد.

۳.۳ کنترل پارامترهای ریختن

1. دمای ریختن
   • برای اطمینان از سیالیت خوب بدون انقباض بیش از حد، دمای ریختن بهینه (معمولاً 10 تا 20 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه لیکوئیدوس) را حفظ کنید.
   • برای آلیاژهای AlNiCo با محتوای نیکل بالا، ممکن است برای جبران ویسکوزیته بالای آنها، دمای کمی بالاتر مورد نیاز باشد.
2. سرعت ریختن
   • برای جلوگیری از تلاطم و محبوس شدن هوا، از سرعت ریختن متوسط ​​(0.5 تا 1.0 متر بر ثانیه) استفاده کنید.
   • برای ریخته‌گری‌های بزرگ، از تکنیک ریختن چند مرحله‌ای استفاده کنید تا قالب به تدریج پر شود و شوک حرارتی کاهش یابد.
3. زمان نگهداری
   • قبل از ریختن، زمان کافی (۳ تا ۵ دقیقه) را در ملاقه نگه دارید تا گاز و ناخالصی‌ها شناور شوند.
   • برای جلوگیری از اکسیداسیون در حین نگهداری، از محافظ یا پوشش دهنده آرگون استفاده کنید.

۳.۴ بهبود خنک‌سازی قالب

1. طراحی کانال خنک‌کننده
   • برای دستیابی به نرخ‌های خنک‌کنندگی یکنواخت در سراسر قطعه ریخته‌گری، کانال‌های خنک‌کننده تطبیقی ​​را در قالب تعبیه کنید.
   • برای تسریع انجماد، از اینسرت‌های خنک‌شونده با آب یا صفحات خنک‌کننده خارجی برای مقاطع ضخیم استفاده کنید.
2. عایق حرارتی و سرمازدگی
   • پوشش‌های عایق حرارتی را روی مقاطع نازک اعمال کنید تا سرعت سرد شدن را کاهش داده و گرادیان‌های حرارتی را متعادل کنید.
   • از چیلرهای خارجی (مثلاً درج‌های مسی یا فولادی) در مقاطع ضخیم استفاده کنید تا انجماد سریع انجام شود و تخلخل ناشی از انقباض کاهش یابد.
3. انتخاب مواد قالب
   • برای مقاطع نازک، مواد قالب با رسانایی حرارتی بالا (مثلاً فولاد H13) را انتخاب کنید تا اتلاف گرما را افزایش دهید.
   • برای مقاطع ضخیم، از موادی با رسانایی حرارتی پایین‌تر (مثلاً گرافیت) استفاده کنید تا سرعت سرد شدن کاهش یابد و خطر پارگی گرم کاهش یابد.

۳.۵ کاهش تنش حرارتی

1. نرخ‌های خنک‌سازی کنترل‌شده
   • برای به حداقل رساندن گرادیان‌های حرارتی، در طول محدوده انجماد، سرعت خنک‌سازی آهسته (≤ 5 درجه سانتیگراد در دقیقه) را اعمال کنید.
   • برای حفظ توزیع یکنواخت دما، از خنک‌کننده‌های کوره یا پتوهای عایق استفاده کنید.
2. عملیات حرارتی تنش زدایی
   • پس از انجماد، برای کاهش تنش پسماند، عملیات حرارتی آنیل تنش‌زدایی (مثلاً ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲ تا ۴ ساعت) انجام دهید.
   • برای قطعات ریخته‌گری بزرگ، یک فرآیند آنیل چند مرحله‌ای را در نظر بگیرید تا به تدریج تنش را بدون ایجاد ترک‌های جدید از بین ببرید.
3. به حداقل رساندن مهار کپک
   • قالب را با زاویه‌های برش کافی (≥ ۱ درجه) طراحی کنید تا خروج آسان را تسهیل کرده و تنش مکانیکی را کاهش دهد.
   • از پین‌های بیرون‌انداز با اندازه و محل مناسب برای توزیع یکنواخت نیروهای بیرون‌اندازی استفاده کنید.

۳.۶ کنترل مواد و فرآیند ذوب

1. بهینه‌سازی ترکیب شیمیایی
   • میزان نیکل و کبالت را تنظیم کنید تا محدوده انجماد محدود شود و راندمان تغذیه بهبود یابد.
   • محتوای ناخالصی‌ها (مثلاً گوگرد، فسفر) که پارگی گرم را افزایش می‌دهند، محدود کنید.
2. تمرین ذوب
   • برای کاهش جذب هیدروژن و تخلخل، از مواد شارژ خشک و تمیز استفاده کنید.
   • قبل از ریختن، از تکنیک‌های گاززدایی (مثلاً گاززدایی با پروانه چرخشی) برای حذف گازهای محلول استفاده کنید.
   • دمای ذوب را کنترل کنید تا از اکسیداسیون بیش از حد و جذب نیتروژن جلوگیری شود.
3. پالایش غلات
   • ریزکننده‌های دانه (مثلاً تیتانیوم یا بور) را برای تشکیل دانه‌های هم‌محور اضافه کنید که باعث بهبود تغذیه و کاهش حساسیت به پارگی گرم می‌شود.
   • برای دستیابی به ساختار دانه‌ای یکنواخت، از همزن الکترومغناطیسی در حین ذوب استفاده کنید.

۴. مطالعه موردی: بهبود فرآیند برای ریخته‌گری آهنربای AlNiCo

یک تولیدکننده آهنرباهای دائمی AlNiCo در یک ریخته‌گری با شکل پیچیده با تخلخل انقباضی شدید و پارگی گرم مواجه شد. فرآیند اصلی از یک بالابر تکی با حجم ناکافی استفاده می‌کرد و قالب فاقد کانال‌های خنک‌کننده بود که منجر به خنک‌سازی ناهموار و تنش پسماند بالا می‌شد.

اقدامات بهبود :

1. طراحی مجدد رایزر : رایزر تکی با دو رایزر جانبی با حجم افزایش یافته جایگزین شد که در نقاط حساس شناسایی شده توسط شبیه‌سازی قرار گرفتند.
2. سیستم خنک‌کننده : کانال‌های خنک‌کننده تطبیقی ​​در قالب اضافه شده است تا نرخ خنک‌کنندگی یکنواختی در سراسر قطعه ریخته‌گری حاصل شود.
3. بهینه‌سازی ریختن : دمای ریختن را تا 10 درجه سانتیگراد بالاتر از مایع تنظیم کرده و سرعت ریختن را به 0.7 متر بر ثانیه کاهش داد.
4. تنش‌زدایی : پس از انجماد، عملیات آنیل تنش‌زدایی در دمای ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۳ ساعت انجام شد.

نتایج :

• تخلخل ناشی از انقباض تا 80 درصد کاهش یافت و پارگی گرم از بین رفت.
• بازده قطعات ریخته‌گری قابل قبول از ۶۵٪ به ۹۲٪ افزایش یافت.
• خواص مغناطیسی محصول نهایی به دلیل کاهش چگالی نقص بهبود یافت.

۵. نتیجه‌گیری

تخلخل انقباضی، حفره‌های انقباضی و ترک‌ها از عیوب رایج در ریخته‌گری‌های AlNiCo هستند که عمدتاً ناشی از تغذیه ناکافی، تنش حرارتی و پارامترهای نامناسب فرآیند می‌باشند. با بهینه‌سازی طراحی رایزر، بهبود ساختار ریخته‌گری، کنترل پارامترهای ریختن، افزایش خنک‌کاری قالب، کاهش تنش حرارتی و اصلاح مواد و روش‌های ذوب، می‌توان این عیوب را به طور قابل توجهی کاهش داد یا حذف کرد. ابزارهای شبیه‌سازی عددی و بهینه‌سازی سیستماتیک فرآیند، کلید دستیابی به ریخته‌گری‌های AlNiCo با کیفیت بالا با خواص مکانیکی و عملکرد مغناطیسی بهبود یافته هستند.