Uzroci i mjere za poboljšanje procesa za poroznost skupljanja, šupljine od skupljanja i pukotine u hrapavim dijelovima od lijevanog aluminija-nikal-kobalta (AlNiCo) magneta

1. Uvod

Aluminijsko-nikal-kobaltne (AlNiCo) legure se široko koriste u permanentnim magnetima, senzorima i preciznim instrumentima zbog svojih izvrsnih magnetskih svojstava, visoke Curiejeve temperature i dobre toplinske stabilnosti. Međutim, tijekom procesa lijevanja često se javljaju nedostaci poput poroznosti uslijed skupljanja, šupljina uslijed skupljanja i pukotina, što ozbiljno utječe na mehanička svojstva, magnetske performanse i prinos grubih dijelova. Ovaj članak sustavno analizira temeljne uzroke ovih nedostataka i predlaže ciljane mjere poboljšanja procesa kako bi se pružila tehnička podrška za proizvodnju visokokvalitetnih AlNiCo odljevaka.

2. Uzroci nedostataka

2.1 Poroznost i šupljine uzrokovane skupljanjem

Poroznost i šupljine uzrokovane skupljanjem su unutarnje šupljine nastale tijekom skrućivanja AlNiCo legura zbog nedovoljnog dovoda tekućeg metala. Mehanizmi njihovog nastanka i utjecajni čimbenici su sljedeći:

2.1.1 Karakteristike skupljanja pri skrućivanju

AlNiCo legure pokazuju širok raspon skrućivanja (temperaturna razlika likvidus-solidus), što dovodi do produžene kašaste zone tijekom skrućivanja. Tijekom tog razdoblja formiraju se dendritični krakovi koji blokiraju kanale za dovod i sprječavaju tekući metal da kompenzira volumetrijsko skupljanje, što rezultira raspršenom poroznošću skupljanja ili centraliziranim šupljinama skupljanja.

2.1.2 Neadekvatan dizajn uspona

• Nedovoljan volumen usponskog kanala : Usponski kanal ne može pohraniti dovoljno tekućeg metala za kompenzaciju skupljanja pri skrućivanju.
• Nepravilna lokacija usponskog cijevi : Usponska cijev nije postavljena na vruću točku (posljednje područje skrućivanja), što dovodi do lokaliziranog kvara opskrbe.
• Prijevremeno stvrdnjavanje usponske cijevi : Usponska cijev se stvrdnjava prije lijevanja, prekidajući put hranjenja.

2.1.3 Nerazumna struktura lijevanja

• Prijelazi iz debelog u tanki sloj : Nagle promjene debljine presjeka uzrokuju lokalizirano brzo hlađenje, stvarajući vruće točke koje su sklone defektima skupljanja.
• Oštri kutovi i zaobljenja : Koncentracija naprezanja na oštrim kutovima sprječava protok tekućeg metala, pogoršavajući poroznost uslijed skupljanja.

2.1.4 Nepravilni parametri izlijevanja

• Niska temperatura lijevanja : Smanjuje fluidnost tekućeg metala, što smanjuje učinkovitost doziranja.
• Velika brzina izlijevanja : Uzrokuje turbulenciju i zarobljavanje zraka, što dovodi do poroznosti uslijed skupljanja uz pomoć plina.
• Kratko vrijeme zadržavanja : Nedovoljno vremena za ispiranje plina i inkluzija, što povećava vjerojatnost poroznosti.

2.1.5 Nedostaci sustava hlađenja kalupa

• Neravnomjerna brzina hlađenja : Prekomjerni temperaturni gradijenti između različitih dijelova odljevka uzrokuju toplinsko naprezanje, što potiče stvaranje šupljina uslijed skupljanja.
• Nedovoljno hlađenje u debelim presjecima : Sporo hlađenje u debelim područjima produžuje kašastu zonu, povećavajući rizik od poroznosti uslijed skupljanja.

2.2 Pukotine

Pukotine u AlNiCo odljevcima prvenstveno su uzrokovane toplinskim naprezanjem ili mehaničkim naprezanjem koje premašuje čvrstoću materijala tijekom skrućivanja ili hlađenja. Glavne vrste i uzroci su:

2.2.1 Vruće pukotine (termičke pukotine)

• Mehanizam formiranja : Nastaje tijekom kasnih faza skrućivanja kada odljevak ima ograničenu duktilnost, ali je još uvijek izložen vlačnom naprezanju zbog neravnomjernog hlađenja ili zadržavanja u kalupu.
• Utjecajni faktori:
  • Širok raspon skrućivanja : Produžuje kašastu zonu, povećavajući osjetljivost na vruće kidanje.
  • Visoki koeficijent toplinskog širenja : Pojačava toplinsko naprezanje tijekom hlađenja.
  • Nepravilno držanje kalupa : Prekomjerno trenje ili pritisak kalupa ograničava skupljanje, uzrokujući pukotine.
  • Oštri kutovi i tanke stijenke : Uzrokuju koncentraciju naprezanja, što potiče nastanak pukotina.

2.2.2 Hladne pukotine

• Mehanizam nastanka : Nastaje nakon skrućivanja zbog zaostalog naprezanja uzrokovanog neravnomjernim hlađenjem ili vanjskim mehaničkim opterećenjima.
• Utjecajni faktori:
  • Visoko zaostalo naprezanje : Uzrokovano brzim hlađenjem ili nepravilnom toplinskom obradom.
  • Niska duktilnost : Prisutnost krhkih faza (npr. prekomjernih karbida) smanjuje otpornost na pucanje.
  • Mehanički udar : Tijekom izbacivanja ili rukovanja, lokalizirano naprezanje premašuje čvrstoću materijala.

3. Mjere za poboljšanje procesa

3.1 Optimizacija dizajna uspona

1. Volumen i lokacija uspona
   • Koristite numeričku simulaciju (npr. MAGMAsoft, ProCAST) za točno predviđanje posljednjeg područja skrućivanja i postavljanje usponske cijevi u skladu s tim.
   • Povećajte volumen uspona za 10–20% u usporedbi s teorijskim izračunima kako biste osigurali dovoljno hranjenje.
   • Za složene odljevke koristite bočne ili višestruke uspone kako biste poboljšali učinkovitost hranjenja.
2. Odabir vrste uspona
   • Koristite egzotermne ili izolacijske uspone kako biste odgodili skrućivanje i produžili vrijeme hranjenja.
   • Za odljevke debelog presjeka, razmotrite sustave za dovod uz pomoć tlaka kako biste poboljšali protok tekućeg metala.
3. Dizajn podiznog vrata
   • Optimizirajte dimenzije vrata uspona kako biste uravnotežili tlak hranjenja i vrijeme skrućivanja. Uski vrat može smanjiti otpor hranjenju, ali se može prerano stvrdnuti, dok široki vrat osigurava hranjenje, ali može smanjiti prinos.

3.2 Poboljšanje strukture odljevka

1. Ujednačenost debljine stijenke
   • Izbjegavajte nagle promjene debljine presjeka; koristite postupne prijelaze (npr. zaobljenja s radijusima ≥ 5 mm) kako biste smanjili toplinske gradijente.
   • Za debele dijelove, ugradite unutarnje rezove ili rebra za hlađenje kako biste ubrzali skrućivanje i smanjili vruće točke.
2. Značajke ublažavanja stresa
   • Dodajte žljebove ili rebra za ublažavanje naprezanja na oštrim kutovima kako biste rasporedili naprezanje i spriječili nastanak pukotina.
   • Koristite šuplje ili rebraste strukture za smanjenje mase i poboljšanje ujednačenosti hlađenja.
3. Optimizacija sustava za upravljanje
   • Dizajnirajte sustav ulijevanja kako biste osigurali nesmetan protok tekućeg metala s minimalnom turbulencijom.
   • Koristite konusne vodilice i zatvarače za kontrolu brzine protoka i sprječavanje zarobljavanja zraka.
   • Postavite zatvarače na debele dijelove kako biste potaknuli usmjereno skrućivanje prema usponu.

3.3 Kontroliranje parametara izlijevanja

1. Temperatura izlijevanja
   • Održavajte optimalnu temperaturu izlijevanja (obično 10–20 °C iznad temperature likvidusa) kako biste osigurali dobru fluidnost bez pretjeranog skupljanja.
   • Za AlNiCo legure s visokim udjelom nikla, mogu biti potrebne nešto više temperature kako bi se kompenzirala njihova visoka viskoznost.
2. Brzina izlijevanja
   • Koristite umjerenu brzinu izlijevanja (0,5–1,0 m/s) kako biste izbjegli turbulencije i zarobljavanje zraka.
   • Za velike odljevke, primijenite tehniku ​​​​višefaznog lijevanja kako biste postupno ispunili kalup i smanjili toplinski šok.
3. Vrijeme držanja
   • Prije ulijevanja ostavite dovoljno vremena zadržavanja (3-5 minuta) u loncu kako bi plin i inkluzije isplivali.
   • Koristite zaštitu od argona ili sredstva za zaštitno pokrivanje kako biste spriječili oksidaciju tijekom držanja.

3.4 Poboljšanje hlađenja kalupa

1. Dizajn rashladnog kanala
   • U kalup ugradite konformne rashladne kanale kako biste postigli ujednačenu brzinu hlađenja po cijelom odljevku.
   • Za debele dijelove koristite umetke hlađene vodom ili vanjske ploče za hlađenje kako biste ubrzali skrućivanje.
2. Toplinska izolacija i hladnoća
   • Nanesite toplinsku izolaciju na tanke dijelove kako biste usporili hlađenje i uravnotežili toplinske gradijente.
   • Koristite vanjske umetke od bakra ili čelika na debelim dijelovima kako biste potaknuli brzo skrućivanje i smanjili poroznost uslijed skupljanja.
3. Odabir materijala kalupa
   • Za tanke presjeke odaberite materijale za kalupe s visokom toplinskom vodljivošću (npr. čelik H13) kako biste poboljšali odvođenje topline.
   • Za debele dijelove koristite materijale s nižom toplinskom vodljivošću (npr. grafit) kako biste usporili hlađenje i smanjili rizik od vrućeg kidanja.

3.5 Smanjenje toplinskog naprezanja

1. Kontrolirane brzine hlađenja
   • Tijekom skrućivanja primijenite sporu brzinu hlađenja (≤ 5 °C/min) kako biste smanjili toplinske gradijente.
   • Za održavanje ravnomjerne raspodjele temperature koristite hlađenje peći ili izolacijske pokrivače.
2. Toplinska obrada za ublažavanje stresa
   • Nakon skrućivanja provedite tretman žarenja za ublažavanje naprezanja (npr. 500–600 °C tijekom 2–4 sata) kako biste smanjili zaostala naprezanja.
   • Za velike odljevke, razmotrite višestupanjski proces žarenja kako biste postupno ublažili naprezanje bez izazivanja novih pukotina.
3. Minimiziranje suzbijanja plijesni
   • Kalup treba konstruirati s dovoljnim kutovima nagiba (≥ 1°) kako bi se olakšalo izbacivanje i smanjilo mehaničko naprezanje.
   • Koristite igle za izbacivanje odgovarajuće veličine i položaja kako biste ravnomjerno rasporedili sile izbacivanja.

3.6 Upravljanje materijalom i procesom taljenja

1. Optimizacija kemijskog sastava
   • Prilagodite sadržaj nikla i kobalta kako biste suzili raspon skrućivanja i poboljšali učinkovitost punjenja.
   • Ograničite sadržaj nečistoća (npr. sumpora, fosfora) koje potiču vruće kidanje.
2. Praksa taljenja
   • Koristite suhe i čiste materijale za punjenje kako biste smanjili nakupljanje vodika i poroznost.
   • Koristite tehnike otplinjavanja (npr. otplinjavanje rotacijskim impelerom) za uklanjanje otopljenih plinova prije ulijevanja.
   • Kontrolirajte temperaturu taljenja kako biste izbjegli prekomjernu oksidaciju i apsorpciju dušika.
3. Pročišćavanje zrna
   • Dodajte sredstva za pročišćavanje zrna (npr. titan ili bor) kako biste potaknuli stvaranje jednakoosnih zrna, što poboljšava dovod i smanjuje osjetljivost na kidanje pri vrućini.
   • Tijekom taljenja koristite elektromagnetsko miješanje kako biste postigli ujednačenu strukturu zrna.

4. Studija slučaja: Poboljšanje procesa za odljevak AlNiCo magneta

Proizvođač permanentnih magneta od AlNiCo materijala susreo se s velikom poroznošću uslijed skupljanja i vrućim kidanjem u odljevku složenog oblika. Izvorni postupak koristio je jedan usponski kanal s nedovoljnim volumenom, a kalupu su nedostajali kanali za hlađenje, što je dovodilo do neravnomjernog hlađenja i visokog zaostalog naprezanja.

Mjere za poboljšanje :

1. Preoblikovanje uspona : Jednostruki usponski vod zamijenjen je s dva bočna usponska vodna voda povećanog volumena, postavljena na vrućim točkama identificiranim simulacijom.
2. Sustav hlađenja : Dodani su konformni kanali za hlađenje u kalupu kako bi se postigla ravnomjerna brzina hlađenja po cijelom odljevku.
3. Optimizacija izlijevanja : Prilagođena je temperatura izlijevanja na 10°C iznad likvidusa i smanjena brzina izlijevanja na 0,7 m/s.
4. Ublažavanje naprezanja : Proveden je tretman žarenja za ublažavanje naprezanja na 550 °C tijekom 3 sata nakon skrućivanja.

Rezultati :

• Poroznost skupljanja smanjena je za 80%, a kidanje na vrućem je eliminirano.
• Prinos prihvatljivih odljevaka povećao se sa 65% na 92%.
• Magnetska svojstva konačnog proizvoda poboljšana su zbog smanjene gustoće defekata.

5. Zaključak

Poroznost uslijed skupljanja, šupljine uslijed skupljanja i pukotine uobičajeni su nedostaci u AlNiCo odljevcima, prvenstveno uzrokovani neadekvatnim dovodom, toplinskim naprezanjem i nepravilnim parametrima procesa. Optimizacijom dizajna uspona, poboljšanjem strukture odljevka, kontrolom parametara lijevanja, poboljšanjem hlađenja kalupa, smanjenjem toplinskog naprezanja te poboljšanjem materijala i postupaka taljenja, ovi se nedostaci mogu značajno smanjiti ili eliminirati. Alati za numeričku simulaciju i sustavna optimizacija procesa ključni su za postizanje visokokvalitetnih AlNiCo odljevaka s poboljšanim mehaničkim svojstvima i magnetskim performansama.