Kutistumishuokoisuuden, kutistumisonteloiden ja halkeamien syyt ja prosessien parantamistoimenpiteet valetuissa alumiini-nikkeli-koboltti (AlNiCo) -magneettien karkeissa osissa

1. Johdanto

Alumiini-nikkeli-koboltti (AlNiCo) -seoksia käytetään laajalti kestomagneeteissa, antureissa ja tarkkuusinstrumenteissa niiden erinomaisten magneettisten ominaisuuksien, korkean Curie-lämpötilan ja hyvän lämmönkestävyyden ansiosta. Valuprosessin aikana esiintyy kuitenkin usein vikoja, kuten kutistumishuokoisuutta, kutistumisonteloita ja halkeamia, jotka vaikuttavat vakavasti karkeiden osien mekaanisiin ominaisuuksiin, magneettiseen suorituskykyyn ja saantoon. Tässä artikkelissa analysoidaan systemaattisesti näiden vikojen perimmäisiä syitä ja ehdotetaan kohdennettuja prosessinparannustoimenpiteitä korkealaatuisen AlNiCo-valutuotannon teknisen tuen tarjoamiseksi.

2. Vikojen syyt

2.1 Kutistumishuokoisuus ja kutistumisontelot

Kutistumishuokoisuus ja kutistumisontelot ovat AlNiCo-seosten jähmettymisen aikana riittämättömän nestemäisen metallin syötön seurauksena muodostuvia sisäisiä tyhjiöitä. Niiden muodostumismekanismit ja niihin vaikuttavat tekijät ovat seuraavat:

2.1.1 Jähmettymiskutistumisen ominaisuudet

AlNiCo-seoksilla on laaja jähmettymisalue (likvidus-solidus-lämpötilaero), mikä johtaa pitkittyneeseen pehmenemisvyöhykkeeseen jähmettymisen aikana. Tänä aikana muodostuu dendriittisiä varsia, jotka tukkivat syöttökanavat ja estävät nestemäistä metallia kompensoimasta tilavuuden kutistumista, mikä johtaa hajanaiseen kutistumishuokoisuuteen tai keskitettyihin kutistumisonteloihin.

2.1.2 Riittämätön nousuputken suunnittelu

• Riittämätön nousuputken tilavuus : Nousuputki ei pysty varastoimaan riittävästi nestemäistä metallia kompensoimaan jähmettymiskutistumista.
• Nousuputken väärä sijainti : Nousuputkea ei ole sijoitettu kuumaan kohtaan (viimeiseen jähmettymisalueeseen), mikä johtaa paikalliseen syöttöhäiriöön.
• Nousuputken ennenaikainen jähmettyminen : Nousuputki jähmettyy ennen valua, katkaisten syöttöreitin.

2.1.3 Kohtuuton valurakenne

• Paksusta ohueen siirtymät : Jyrkät muutokset poikkileikkauksen paksuudessa aiheuttavat paikallista nopeaa jäähtymistä, mikä muodostaa kuumia kohtia, jotka ovat alttiita kutistumisvirheille.
• Terävät kulmat ja pyöristetyt urat : Jännitysten keskittyminen teräviin kulmiin estää nestemäisen metallin virtausta, mikä pahentaa kutistumishuokoisuutta.

2.1.4 Väärät kaatoparametrit

• Alhainen kaatolämpötila : Vähentää nestemäisen metallin juoksevuutta ja heikentää syöttötehokkuutta.
• Suuri kaatonopeus : Aiheuttaa turbulenssia ja ilmataskujen muodostumista, mikä johtaa kaasuavusteiseen kutistumishuokoisuuteen.
• Lyhyt pitoaika : Riittämätön aika kaasun ja sulkeumien kellumiselle, mikä lisää huokoisuuden todennäköisyyttä.

2.1.5 Muotin jäähdytysjärjestelmän viat

• Epätasainen jäähtymisnopeus : Liialliset lämpötilagradientit valun eri osien välillä aiheuttavat lämpöjännitystä, mikä edistää kutistumisonteloiden muodostumista.
• Riittämätön jäähdytys paksuissa osissa : Hidas jäähdytys paksuissa kohdissa pidentää pehmenemisvyöhykettä ja lisää kutistumishuokoisuusriskiä.

2.2 Halkeamat

AlNiCo-valujen halkeamat johtuvat pääasiassa lämpöjännityksestä tai mekaanisesta jännityksestä, joka ylittää materiaalin lujuuden jähmettymisen tai jäähdytyksen aikana. Tärkeimmät tyypit ja syyt ovat:

2.2.1 Kuumat repeämät (lämpöhalkeamat)

• Muodostumismekanismi : Tapahtuu jähmettymisen loppuvaiheissa, kun valukappaleella on rajallinen sitkeys, mutta se on edelleen alttiina vetojännitykselle epätasaisen jäähdytyksen tai muotin pitävyyden vuoksi.
• Vaikuttavat tekijät:
  • Laaja jähmettymisalue : Pidentää pehmenemisvyöhykettä, mikä lisää alttiutta kuumalle repeytymiselle.
  • Korkea lämpölaajenemiskerroin : Vahvistaa lämpöjännitystä jäähdytyksen aikana.
  • Virheellinen muotinpitäminen : Liiallinen kitka tai paine muotista rajoittaa kutistumista ja aiheuttaa halkeamia.
  • Terävät kulmat ja ohuet seinät : Aiheuttavat jännitysten keskittymistä, mikä edistää halkeamien syntymistä.

2.2.2 Kylmähalkeamat

• Muodostumismekanismi : Syntyy jähmettymisen jälkeen epätasaisen jäähdytyksen tai ulkoisten mekaanisten kuormien aiheuttaman jäännösjännityksen vuoksi.
• Vaikuttavat tekijät:
  • Korkea jäännösjännitys : Johtuu nopeasta jäähdytyksestä tai virheellisestä lämpökäsittelystä.
  • Alhainen sitkeys : Hauraiden faasien (esim. liiallisten karbidien) läsnäolo heikentää halkeamien kestävyyttä.
  • Mekaaninen isku : Poiston tai käsittelyn aikana paikallinen jännitys ylittää materiaalin lujuuden.

3. Prosessien parantamistoimenpiteet

3.1 Nousulinjan suunnittelun optimointi

1. Nousuputken tilavuus ja sijainti
   • Käytä numeerista simulointia (esim. MAGMAsoft, ProCAST) viimeisen jähmettymisalueen tarkkaan ennustamiseen ja nousuputken sijoittamiseen sen mukaisesti.
   • Lisää nousuputken tilavuutta 10–20 % teoreettisiin laskelmiin verrattuna riittävän syöttömäärän varmistamiseksi.
   • Käytä monimutkaisissa valukappaleissa sivuttaisia ​​tai useita nousuputkia syöttötehokkuuden parantamiseksi.
2. Nousulinjan tyypin valinta
   • Käytä eksotermisiä tai eristäviä nousuputkia hidastaaksesi jähmettymistä ja pidentääksesi syöttöaikaa.
   • Paksuprofiilisten valukappaleiden kohdalla harkitse paineistettuja syöttöjärjestelmiä nestemäisen metallin virtauksen parantamiseksi.
3. Korotuskaulan muotoilu
   • Optimoi nousuputken kaulan mitat tasapainottaaksesi syöttöpaineen ja jähmettymisajan. Kapea kaula voi vähentää syöttövastusta, mutta voi jähmettyä ennenaikaisesti, kun taas leveä kaula varmistaa syötön, mutta voi vähentää saantoa.

3.2 Valurakenteen parantaminen

1. Seinämän paksuuden tasaisuus
   • Vältä jyrkkiä muutoksia poikkileikkauksen paksuudessa; käytä asteittaisia ​​siirtymiä (esim. pyöristyksiä, joiden säde on ≥ 5 mm) lämpögradienttien pienentämiseksi.
   • Paksujen osien kohdalla käytä sisäisiä jäähdytysripoja tai jäähdytysripoja jähmettymisen nopeuttamiseksi ja kuumien kohtien minimoimiseksi.
2. Stressin lievitysominaisuudet
   • Lisää teräviin kulmiin jännityksenpoistouria tai -ripoja jännityksen jakamiseksi ja halkeamien syntymisen estämiseksi.
   • Käytä onttoja tai uurrettuja rakenteita massan vähentämiseksi ja jäähdytyksen tasaisuuden parantamiseksi.
3. Porttijärjestelmän optimointi
   • Suunnittele porttijärjestelmä siten, että nestemäisen metallin virtaus on tasainen ja turbulenssi minimaalinen.
   • Käytä kapenevia jakokanavia ja portteja virtausnopeuden säätämiseen ja ilmataskujen estämiseen.
   • Aseta portit paksuihin osiin edistääksesi jähmettymisen suuntaa nousuputkea kohti.

3.3 Kaatoparametrien hallinta

1. Kaatamislämpötila
   • Pidä optimaalinen kaatolämpötila (yleensä 10–20 °C likviduksen yläpuolella) varmistaaksesi hyvän juoksevuuden ilman liiallista kutistumista.
   • Korkean nikkelipitoisuuden omaavien AlNiCo-seosten kohdalla voidaan tarvita hieman korkeampia lämpötiloja niiden korkean viskositeetin kompensoimiseksi.
2. Kaatamisnopeus
   • Käytä kohtuullista kaatonopeutta (0,5–1,0 m/s) turbulenssin ja ilmataskujen välttämiseksi.
   • Suurissa valukappaleissa käytä monivaiheista kaatotekniikkaa muotin asteittaiseksi täyttämiseksi ja lämpöshokin vähentämiseksi.
3. Pitoaika
   • Anna seistä kauhassa riittävästi (3–5 minuuttia), jotta kaasu ja sulkeumat kelluvat ennen kaatamista.
   • Käytä argonsuoja- tai peiteaineita hapettumisen estämiseksi säilytyksen aikana.

3.4 Muotin jäähdytyksen tehostaminen

1. Jäähdytyskanavan suunnittelu
   • Sisällytä muottiin konformaaliset jäähdytyskanavat tasaisen jäähdytysnopeuden saavuttamiseksi koko valussa.
   • Käytä paksujen osien kanssa vesijäähdytteisiä inserttejä tai ulkoisia jäähdytyslevyjä jähmettymisen nopeuttamiseksi.
2. Lämmöneristys ja vilunväristykset
   • Levitä lämpöeristyspinnoitteita ohuille pinnoille hidastaaksesi jäähtymistä ja tasapainottaaksesi lämpötilagradientteja.
   • Käytä paksuissa osissa ulkoisia jäähdytyselementtejä (esim. kupari- tai teräsinserttejä) nopean jähmettymisen edistämiseksi ja kutistumishuokoisuuden vähentämiseksi.
3. Muotin materiaalin valinta
   • Valitse ohuille profiileille muottimateriaaleja, joilla on korkea lämmönjohtavuus (esim. H13-teräs), jotta lämmönhukka paranee.
   • Paksujen osien kohdalla käytä alhaisemman lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja (esim. grafiittia) hidastaaksesi jäähtymistä ja vähentääksesi kuuman repeämisen riskiä.

3.5 Lämpöjännityksen vähentäminen

1. Hallitut jäähdytysnopeudet
   • Käytä hidasta jäähdytysnopeutta (≤ 5 °C/min) jähmettymisvaiheen aikana lämpötilagradienttien minimoimiseksi.
   • Käytä uunin jäähdytystä tai eristyspeitteitä tasaisen lämpötilan jakautumisen ylläpitämiseksi.
2. Stressin lievityslämpökäsittely
   • Suorita jännityksenpoistokäsittely (esim. 500–600 °C 2–4 tunnin ajan) jähmettymisen jälkeen jäännösjännityksen vähentämiseksi.
   • Suurten valukappaleiden kohdalla harkitse monivaiheista hehkutusprosessia jännityksen asteittaiseksi poistamiseksi aiheuttamatta uusia halkeamia.
3. Homeen muodostumisen minimointi
   • Suunnittele muotti riittävillä vetokulmilla (≥ 1°), jotta muotti irtoaa helposti ja mekaaninen rasitus vähenee.
   • Käytä sopivan kokoisia ja sijoitettuja ulostyöntötappeja, jotta ulostyöntövoimat jakautuvat tasaisesti.

3.6 Materiaalin ja sulatusprosessin ohjaus

1. Kemiallisen koostumuksen optimointi
   • Säädä nikkeli- ja kobolttipitoisuutta kaventaaksesi jähmettymisaluetta ja parantaaksesi syöttötehokkuutta.
   • Rajoita kuumarepeämistä edistävien epäpuhtauksien (esim. rikki, fosfori) pitoisuutta.
2. Sulamiskäytäntö
   • Käytä kuivia ja puhtaita panosmateriaaleja vedyn kertymisen ja huokoisuuden vähentämiseksi.
   • Käytä kaasunpoistotekniikoita (esim. pyörivän juoksupyörän kaasunpoisto) liuenneiden kaasujen poistamiseksi ennen kaatamista.
   • Sulamislämpötilaa on hallittava liiallisen hapettumisen ja typen imeytymisen välttämiseksi.
3. Viljan jalostus
   • Lisää jyvänjauhoja (esim. titaania tai booria) edistämään tasa-akselista jyvänmuodostusta, mikä parantaa syöttöä ja vähentää kuumarepeämisherkkyyttä.
   • Käytä sulatuksen aikana sähkömagneettista sekoitusta tasaisen raerakenteen saavuttamiseksi.

4. Case-tutkimus: AlNiCo-magneettivaluprosessin parantaminen

AlNiCo-kestomagneettien valmistaja havaitsi monimutkaisen muotoisen valukappaleen kutistumishuokoisuutta ja kuumarepeämistä. Alkuperäisessä prosessissa käytettiin yhtä nousuputkea, jonka tilavuus oli riittämätön, ja muotista puuttui jäähdytyskanavia, mikä johti epätasaiseen jäähdytykseen ja suureen jäännösjännitykseen.

Parannustoimenpiteet :

1. Nousuputken uudelleensuunnittelu : Yksittäinen nousuputki korvattiin kahdella tilavammalla sivuttaisella nousuputkella, jotka on sijoitettu simulaation tunnistamiin kuumiin kohtiin.
2. Jäähdytysjärjestelmä : Muottiin on lisätty konformaalisia jäähdytyskanavia, jotta jäähdytysnopeus olisi tasainen koko valukappaleessa.
3. Kaatamisen optimointi : Kaatamislämpötila säädettiin 10 °C likviduksen yläpuolelle ja kaatamisnopeus laskettiin 0,7 m/s:iin.
4. Jännityksenpoisto : Jännityksenpoistokäsittely 550 °C:ssa 3 tunnin ajan jähmettymisen jälkeen.

Tulokset :

• Kutistumishuokoisuus väheni 80 % ja kuumarepeäminen eliminoitiin.
• Hyväksyttävien valukappaleiden saanto nousi 65 prosentista 92 prosenttiin.
• Lopputuotteen magneettiset ominaisuudet paranivat pienentyneen vikatiheyden ansiosta.

5. Johtopäätös

Kutistumishuokoisuus, kutistumisontelot ja halkeamat ovat yleisiä AlNiCo-valukappaleiden vikoja, jotka johtuvat pääasiassa riittämättömästä syöttötavasta, lämpöjännityksestä ja virheellisistä prosessiparametreista. Näitä vikoja voidaan merkittävästi vähentää tai poistaa optimoimalla nousuputken suunnittelua, parantamalla valukappaleen rakennetta, hallitsemalla kaatoparametreja, tehostamalla muotin jäähdytystä, vähentämällä lämpöjännitystä sekä jalostamalla materiaali- ja sulatuskäytäntöjä. Numeeriset simulointityökalut ja systemaattinen prosessien optimointi ovat avainasemassa korkealaatuisten AlNiCo-valukappaleiden saavuttamisessa, joilla on paremmat mekaaniset ominaisuudet ja magneettinen suorituskyky.