Az öntött alumínium-nikkel-kobalt (AlNiCo) mágneses durva alkatrészek zsugorodási porozitásának, zsugorodási üregeinek és repedéseinek okai és folyamatfejlesztési intézkedései

1. Bevezetés

Az alumínium-nikkel-kobalt (AlNiCo) ötvözeteket széles körben használják permanens mágnesekben, érzékelőkben és precíziós műszerekben kiváló mágneses tulajdonságaik, magas Curie-hőmérsékletük és jó hőstabilitásuk miatt. Az öntési folyamat során azonban gyakran előfordulnak olyan hibák, mint a zsugorodási porozitás, a zsugorodási üregek és a repedések, amelyek súlyosan befolyásolják a durva alkatrészek mechanikai tulajdonságait, mágneses teljesítményét és hozamát. Ez a cikk szisztematikusan elemzi ezen hibák kiváltó okait, és célzott folyamatfejlesztési intézkedéseket javasol a kiváló minőségű AlNiCo öntvénygyártás technikai támogatása érdekében.

2. A hibák okai

2.1 Zsugorodási porozitás és zsugorodási üregek

A zsugorodási porozitás és a zsugorodási üregek belső üregek, amelyek az AlNiCo ötvözetek megszilárdulása során keletkeznek a nem megfelelő folyékony fémadagolás miatt. Kialakulási mechanizmusaik és befolyásoló tényezőik a következők:

2.1.1 Dermedés utáni zsugorodási jellemzők

Az AlNiCo ötvözetek széles dermedéstartományt mutatnak (likvidusz-szolidusz hőmérsékletkülönbség), ami a dermedés során elhúzódó, pépes zónához vezet. Ebben az időszakban dendrites karok alakulnak ki, amelyek elzárják az adagolócsatornákat, és megakadályozzák, hogy a folyékony fém kompenzálja a térfogati zsugorodást, ami diszpergált zsugorodási porozitást vagy központosított zsugorodási üregeket eredményez.

2.1.2 Nem megfelelő felszállócső-kialakítás

• Nem elegendő a felszállócső térfogata : A felszállócső nem tárol elegendő folyékony fémet a megszilárdulási zsugorodás kompenzálásához.
• Nem megfelelő emelőcső elhelyezése : Az emelőcső nincs a forró ponton (az utolsó megszilárdulási régióban) elhelyezve, ami lokális adagolási hibát okoz.
• Korai felszállócső megszilárdulása : A felszállócső az öntés előtt megszilárdul, elvágva az adagolási utat.

2.1.3 Ésszerűtlen öntvényszerkezet

• Vastagból vékonyba való átmenetek : A metszetvastagság éles változásai lokális gyors lehűlést okoznak, forró pontokat képezve, amelyek hajlamosak a zsugorodási hibákra.
• Éles sarkok és lekerekítések : Az éles sarkoknál a feszültségkoncentráció gátolja a folyékony fém áramlását, súlyosbítva a zsugorodási porozitást.

2.1.4 Nem megfelelő öntési paraméterek

• Alacsony öntési hőmérséklet : Csökkenti a folyékony fém folyékonyságát, ami rontja az adagolás hatékonyságát.
• Nagy öntési sebesség : Turbulenciát és levegőzárványokat okoz, ami gázzal segített zsugorodási porozitást eredményez.
• Rövid tartási idő : Nincs elegendő idő a gáz és a zárványok felúszására, ami növeli a porozitás valószínűségét.

2.1.5 A forma hűtőrendszerének hibái

• Egyenetlen hűtési sebesség : Az öntvény különböző részei közötti túlzott hőmérséklet-gradiensek hőfeszültséget okoznak, ami elősegíti a zsugorodási üregek kialakulását.
• Elégtelen hűtés vastag szakaszokon : A vastag régiók lassú hűtése meghosszabbítja a pépes zónát, növelve a zsugorodási porozitás kockázatát.

2.2 Repedések

Az AlNiCo öntvények repedéseit elsősorban a hőfeszültség vagy a mechanikai igénybevétel okozza, amely meghaladja az anyag szilárdságát a megszilárdulás vagy hűtés során. A fő típusok és okok a következők:

2.2.1 Forró repedések (hő okozta repedések)

• Kialakulási mechanizmus : A dermedés késői szakaszában fordul elő, amikor az öntvény képlékenysége korlátozott, de az egyenetlen hűtés vagy a forma befogása miatt még mindig szakítófeszültségnek van kitéve.
• Befolyásoló tényezők:
  • Széles dermedéstartomány : Meghosszabbítja a pépesedési zónát, növelve a forró szakadásra való hajlamot.
  • Magas hőtágulási együttható : Felerősíti a hőfeszültséget hűtés közben.
  • Nem megfelelő formarögzítés : A forma túlzott súrlódása vagy nyomása korlátozza a zsugorodást, ami repedéseket okoz.
  • Éles sarkok és vékony falak : Feszültségkoncentrációt okoznak, ami repedések kialakulását segíti elő.

2.2.2 Hideg repedések

• Kialakulási mechanizmus : Megszilárdulás után keletkezik az egyenetlen hűtés vagy külső mechanikai terhelések miatti maradék feszültség miatt.
• Befolyásoló tényezők:
  • Nagy maradékfeszültség : Gyors hűtés vagy nem megfelelő hőkezelés okozza.
  • Alacsony képlékenység : A rideg fázisok (pl. túlzott mennyiségű karbidok) jelenléte csökkenti a repedésállóságot.
  • Mechanikai ütközés : Kilökés vagy kezelés során a lokalizált feszültség meghaladja az anyag szilárdságát.

3. Folyamatfejlesztési intézkedések

3.1 A felszállócső kialakításának optimalizálása

1. Emelőcső térfogata és helye
   • Numerikus szimulációval (pl. MAGMAsoft, ProCAST) pontosan megjósolható az utolsó megszilárdulási régió, és ennek megfelelően helyezhető el a felszállócső.
   • Növelje a felszállócső térfogatát 10–20%-kal az elméleti számításokhoz képest a megfelelő táplálás biztosítása érdekében.
   • Alkalmazzon oldalsó vagy több emelőt összetett öntvényekhez az adagolási hatékonyság javítása érdekében.
2. Emelőcső típusának kiválasztása
   • Használjon exoterm vagy szigetelő emelőcsöveket a megszilárdulás késleltetésére és az adagolási idő meghosszabbítására.
   • Vastag profilú öntvények esetén érdemes nyomásrásegítéses adagolórendszereket fontolóra venni a folyékony fém áramlásának fokozása érdekében.
3. Emelőnyak kialakítás
   • Optimalizálja a felszállócső nyakának méreteit az adagolási nyomás és a dermedésidő egyensúlyban tartása érdekében. A keskeny nyak csökkentheti az adagolási ellenállást, de idő előtt megszilárdulhat, míg a széles nyak biztosítja az adagolást, de csökkentheti a hozamot.

3.2 Az öntvényszerkezet javítása

1. Falvastagság egyenletessége
   • Kerülje a metszetvastagság éles változásait; fokozatos átmeneteket használjon (pl. ≥ 5 mm sugarú lekerekítéseket) a hőgradiensek csökkentése érdekében.
   • Vastag szakaszok esetén belső hűtőbordákat vagy hűtőbordákat kell beépíteni a szilárdulás felgyorsítása és a forró pontok minimalizálása érdekében.
2. Stresszoldó funkciók
   • Feszültségcsökkentő hornyokat vagy bordákat kell elhelyezni az éles sarkokon a feszültség elosztása és a repedések kialakulásának megakadályozása érdekében.
   • Használjon üreges vagy bordázott szerkezeteket a tömeg csökkentése és a hűtés egyenletességének javítása érdekében.
3. Kapurendszer optimalizálása
   • A szeleprendszert úgy tervezze meg, hogy biztosítsa a folyékony fém zavartalan áramlását minimális turbulenciával.
   • Használjon kúpos csúszóelemeket és zsalukat az áramlási sebesség szabályozására és a levegő beszorulásának megakadályozására.
   • Helyezzen el kapukat a vastagabb szakaszokon, hogy elősegítse az irányított megszilárdulást a felszállócső felé.

3.3 Öntési paraméterek szabályozása

1. Öntési hőmérséklet
   • Tartsa fenn az optimális öntési hőmérsékletet (jellemzően 10–20 °C-kal a likvidusz felett) a jó folyékonyság biztosítása érdekében, túlzott zsugorodás nélkül.
   • A magas nikkeltartalmú AlNiCo ötvözetek esetében valamivel magasabb hőmérsékletre lehet szükség a magas viszkozitás kompenzálásához.
2. Öntési sebesség
   • Mérsékelt öntési sebességet (0,5–1,0 m/s) használjon a turbulencia és a levegő bennmaradásának elkerülése érdekében.
   • Nagy öntvények esetén többlépcsős öntési technikát alkalmazzon a forma fokozatos feltöltésére és a hősokk csökkentésére.
3. Tartási idő
   • Öntés előtt hagyjon elegendő időt (3-5 perc) a merőkanálban, hogy a gáz és a zárványok felúszhassanak.
   • A tartás során az oxidáció megakadályozására argon védő- vagy fedőanyagot kell használni.

3.4 A forma hűtésének javítása

1. Hűtőcsatorna-kialakítás
   • A formába konform hűtőcsatornákat építsen be az öntvény egyenletes hűtési sebességének elérése érdekében.
   • Vastag metszetek esetén használjon vízhűtéses betéteket vagy külső hűtőlemezeket a szilárdulás felgyorsítása érdekében.
2. Hőszigetelés és hidegrázás
   • Vigyen fel hőszigetelő bevonatokat a vékony lemezekre a lehűlés lassítása és a hőgradiensek kiegyenlítése érdekében.
   • Vastag szakaszokon külső hűtőközegeket (pl. réz- vagy acélbetéteket) használjon a gyors megszilárdulás elősegítésére és a zsugorodási porozitás csökkentésére.
3. Formaanyag kiválasztása
   • Vékony profilokhoz válasszon nagy hővezető képességű öntőanyagokat (pl. H13 acél) a hőelvezetés fokozása érdekében.
   • Vastag profilok esetén alacsonyabb hővezető képességű anyagokat (pl. grafit) kell használni a lehűlés lassítása és a forró szakadás kockázatának csökkentése érdekében.

3.5 A hőfeszültség csökkentése

1. Szabályozott hűtési sebesség
   • A hőgradiensek minimalizálása érdekében a dermedés tartományában lassú hűtési sebességet (≤ 5°C/perc) alkalmazzon.
   • Használjon kemencehűtőt vagy szigetelő takarókat a hőmérséklet egyenletes eloszlásának fenntartása érdekében.
2. Stresszoldó hőkezelés
   • A megszilárdulás után feszültségcsökkentő lágyító kezelést kell végezni (pl. 500–600 °C-on 2–4 órán át) a maradék feszültség csökkentése érdekében.
   • Nagy öntvények esetén érdemes többlépcsős hőkezelési eljárást alkalmazni a feszültség fokozatos enyhítésére anélkül, hogy új repedések keletkeznének.
3. Penészgátló minimalizálás
   • A formát megfelelő huzatszöggel (≥ 1°) kell megtervezni a könnyű kilökődés és a mechanikai feszültség csökkentése érdekében.
   • Használjon megfelelő méretű és elhelyezkedésű kidobócsapokat a kidobóerők egyenletes elosztásához.

3.6 Anyag- és olvasztási folyamatvezérlés

1. Kémiai összetétel optimalizálása
   • Állítsa be a nikkel- és kobalttartalmat a megszilárdulási tartomány szűkítése és az adagolási hatékonyság javítása érdekében.
   • Korlátozza a forró szakadást elősegítő szennyeződések (pl. kén, foszfor) tartalmát.
2. Olvasztási gyakorlat
   • Száraz és tiszta töltetanyagokat használjon a hidrogénfelvétel és a porozitás csökkentése érdekében.
   • Gáztalanító technikákat (pl. forgólapátos gáztalanítást) alkalmazzon az oldott gázok eltávolítására az öntés előtt.
   • Az olvadási hőmérsékletet szabályozni kell a túlzott oxidáció és a nitrogén abszorpciójának elkerülése érdekében.
3. Szemcsefinomítás
   • Adjunk hozzá szemcsefinomítókat (pl. titánt vagy bórt) az egyenlőtengelyű szemcseképződés elősegítésére, ami javítja az adagolást és csökkenti a forró szakadási hajlamot.
   • Az olvasztás során elektromágneses keverést kell alkalmazni az egyenletes szemcseszerkezet eléréséhez.

4. Esettanulmány: AlNiCo mágnesöntvény folyamatfejlesztése

Egy AlNiCo permanens mágneseket gyártó cég egy összetett alakú öntvénynél súlyos zsugorodási porozitással és hőszakadással találkozott. Az eredeti eljárás egyetlen, nem megfelelő térfogatú emelőcsövet használt, és a formában hiányoztak a hűtőcsatornák, ami egyenetlen hűtést és magas maradékfeszültséget eredményezett.

Fejlesztési intézkedések :

1. Emelőcső újratervezése : Az egyetlen emelőcső helyére két, megnövelt térfogatú oldalsó emelőcső került, amelyeket a szimuláció által azonosított gócpontokon helyeztek el.
2. Hűtőrendszer : A formában kialakított konform hűtőcsatornák egyenletes hűtési sebességet biztosítanak az öntvény egészében.
3. Öntési optimalizálás : Az öntési hőmérsékletet 10°C-kal a likvidusz fölé állítottuk, és az öntési sebességet 0,7 m/s-ra csökkentettük.
4. Feszültségmentesítés : Megszilárdulás után 3 órán át 550°C-on feszültségmentesítő lágyító kezelést alkalmaztak.

Eredmények :

• A zsugorodási porozitás 80%-kal csökkent, és a meleg szakadás megszűnt.
• Az elfogadható öntvények hozama 65%-ról 92%-ra nőtt.
• A végtermék mágneses tulajdonságai javultak a csökkent hibasűrűség miatt.

5. Következtetés

A zsugorodási porozitás, a zsugorodási üregek és a repedések gyakori hibák az AlNiCo öntvényekben, amelyeket elsősorban a nem megfelelő adagolás, a hőfeszültség és a nem megfelelő folyamatparaméterek okoznak. A felszállócső kialakításának optimalizálásával, az öntvény szerkezetének javításával, az öntési paraméterek szabályozásával, a forma hűtésének javításával, a hőfeszültség csökkentésével, valamint az anyag- és olvasztási gyakorlatok finomításával ezek a hibák jelentősen csökkenthetők vagy kiküszöbölhetők. A numerikus szimulációs eszközök és a szisztematikus folyamatoptimalizálás kulcsfontosságú a kiváló minőségű, jobb mechanikai tulajdonságokkal és mágneses teljesítménnyel rendelkező AlNiCo öntvények előállításához.