Cause e misure di miglioramento del processo per porosità da ritiro, cavità da ritiro e crepe nelle parti grezze dei magneti in alluminio-nichel-cobalto (AlNiCo) fusi

1. Introduzione

Le leghe di alluminio-nichel-cobalto (AlNiCo) sono ampiamente utilizzate in magneti permanenti, sensori e strumenti di precisione grazie alle loro eccellenti proprietà magnetiche, all'elevata temperatura di Curie e alla buona stabilità termica. Tuttavia, durante il processo di fusione, si verificano spesso difetti come porosità da ritiro, cavità da ritiro e cricche, che compromettono gravemente le proprietà meccaniche, le prestazioni magnetiche e la resa dei pezzi grezzi. Questo articolo analizza sistematicamente le cause profonde di questi difetti e propone misure mirate di miglioramento del processo per fornire supporto tecnico per una produzione di fusioni in AlNiCo di alta qualità.

2. Cause dei difetti

2.1 Porosità da ritiro e cavità da ritiro

La porosità da ritiro e le cavità da ritiro sono vuoti interni che si formano durante la solidificazione delle leghe AlNiCo a causa di un'alimentazione insufficiente di metallo liquido. I meccanismi di formazione e i fattori che li influenzano sono i seguenti:

2.1.1 Caratteristiche di ritiro della solidificazione

Le leghe AlNiCo presentano un ampio intervallo di solidificazione (differenza di temperatura tra liquidus e solidus), che determina la formazione di una zona pastosa prolungata durante la solidificazione. Durante questo periodo, si formano bracci dendritici che bloccano i canali di alimentazione e impediscono al metallo liquido di compensare il ritiro volumetrico, con conseguente porosità da ritiro dispersa o cavità da ritiro centralizzate.

2.1.2 Progettazione inadeguata del montante

• Volume del riser insufficiente : il riser non riesce a immagazzinare abbastanza metallo liquido per compensare il ritiro dovuto alla solidificazione.
• Posizione errata del riser : il riser non è posizionato nel punto caldo (l'ultima zona di solidificazione), con conseguente guasto localizzato dell'alimentazione.
• Solidificazione prematura del montante : il montante si solidifica prima della colata, interrompendo il percorso di alimentazione.

2.1.3 Struttura di casting irragionevole

• Transizioni da spesso a sottile : brusche variazioni nello spessore della sezione causano un rapido raffreddamento localizzato, formando punti caldi soggetti a difetti di restringimento.
• Angoli acuti e raccordi : la concentrazione di sollecitazioni sugli angoli acuti inibisce il flusso del metallo liquido, aggravando la porosità da ritiro.

2.1.4 Parametri di colata non corretti

• Bassa temperatura di colata : riduce la fluidità del metallo liquido, compromettendo l'efficienza di alimentazione.
• Elevata velocità di colata : provoca turbolenza e intrappolamento di aria, con conseguente porosità da ritiro assistita dal gas.
• Tempo di permanenza breve : tempo insufficiente per il galleggiamento di gas e inclusioni, aumentando la probabilità di porosità.

2.1.5 Difetti del sistema di raffreddamento dello stampo

• Velocità di raffreddamento non uniforme : gradienti di temperatura eccessivi tra le diverse sezioni del getto inducono stress termico, favorendo la formazione di cavità di restringimento.
• Raffreddamento insufficiente nelle sezioni spesse : il raffreddamento lento nelle regioni spesse prolunga la zona pastosa, aumentando il rischio di porosità da ritiro.

2.2 Crepe

Le cricche nelle fusioni in AlNiCo sono causate principalmente da sollecitazioni termiche o meccaniche che superano la resistenza del materiale durante la solidificazione o il raffreddamento. Le principali tipologie e cause sono:

2.2.1 Lacerazioni calde (crepe termiche)

• Meccanismo di formazione : si verifica durante le fasi finali della solidificazione, quando il getto ha una duttilità limitata ma è ancora soggetto a sollecitazioni di trazione dovute al raffreddamento non uniforme o al vincolo dello stampo.
• Fattori influenzanti:
  • Ampio intervallo di solidificazione : prolunga la zona pastosa, aumentando la suscettibilità allo strappo a caldo.
  • Elevato coefficiente di dilatazione termica : amplifica lo stress termico durante il raffreddamento.
  • Improprio contenimento dello stampo : un attrito o una pressione eccessivi dello stampo limitano il restringimento, provocando crepe.
  • Angoli acuti e pareti sottili : causano concentrazione di stress, favorendo l'insorgenza di crepe.

2.2.2 Crepe da freddo

• Meccanismo di formazione : si verifica dopo la solidificazione a causa di stress residuo dovuto a raffreddamento non uniforme o carichi meccanici esterni.
• Fattori influenzanti:
  • Elevato stress residuo : causato da un raffreddamento rapido o da un trattamento termico inadeguato.
  • Bassa duttilità : la presenza di fasi fragili (ad esempio, carburi eccessivi) riduce la resistenza alle crepe.
  • Impatto meccanico : durante l'espulsione o la movimentazione, la sollecitazione localizzata supera la resistenza del materiale.

3. Misure di miglioramento dei processi

3.1 Ottimizzazione della progettazione del riser

1. Volume e posizione del montante
   • Utilizzare la simulazione numerica (ad esempio, MAGMAsoft, ProCAST) per prevedere con precisione l'ultima regione di solidificazione e posizionare il riser di conseguenza.
   • Aumentare il volume del montante del 10-20% rispetto ai calcoli teorici per garantire un'alimentazione sufficiente.
   • Per migliorare l'efficienza di alimentazione, adottare montanti laterali o montanti multipli per getti complessi.
2. Selezione del tipo di riser
   • Utilizzare montanti esotermici o isolanti per ritardare la solidificazione e prolungare il tempo di alimentazione.
   • Per getti a sezione spessa, prendere in considerazione sistemi di alimentazione assistiti dalla pressione per migliorare il flusso del metallo liquido.
3. Design del collo riser
   • Ottimizzare le dimensioni del collo del riser per bilanciare la pressione di alimentazione e il tempo di solidificazione. Un collo stretto può ridurre la resistenza all'alimentazione ma può solidificare prematuramente, mentre un collo largo garantisce l'alimentazione ma può ridurre la resa.

3.2 Miglioramento della struttura del getto

1. Uniformità dello spessore della parete
   • Evitare bruschi cambiamenti nello spessore della sezione; utilizzare transizioni graduali (ad esempio, raccordi con raggi ≥ 5 mm) per ridurre i gradienti termici.
   • Per le sezioni spesse, incorporare raffreddatori interni o nervature di raffreddamento per accelerare la solidificazione e ridurre al minimo i punti caldi.
2. Caratteristiche antistress
   • Aggiungere scanalature o nervature di scarico delle sollecitazioni sugli angoli acuti per distribuire le sollecitazioni e prevenire l'insorgenza di crepe.
   • Utilizzare strutture cave o nervate per ridurre la massa e migliorare l'uniformità del raffreddamento.
3. Ottimizzazione del sistema di controllo
   • Progettare il sistema di distribuzione in modo da garantire un flusso regolare del metallo liquido con turbolenza minima.
   • Utilizzare canali e saracinesche conici per controllare la velocità del flusso ed evitare l'intrappolamento di aria.
   • Posizionare le paratoie in corrispondenza delle sezioni spesse per favorire la solidificazione direzionale verso il montante.

3.3 Controllo dei parametri di colata

1. Temperatura di colata
   • Mantenere una temperatura di colata ottimale (in genere 10–20°C al di sopra del liquidus) per garantire una buona fluidità senza eccessivo restringimento.
   • Per le leghe AlNiCo con elevato contenuto di nichel, potrebbero essere necessarie temperature leggermente più elevate per compensare la loro elevata viscosità.
2. Velocità di versamento
   • Utilizzare una velocità di colata moderata (0,5–1,0 m/s) per evitare turbolenze e intrappolamenti di aria.
   • Per fusioni di grandi dimensioni, adottare una tecnica di colata in più fasi per riempire gradualmente lo stampo e ridurre lo shock termico.
3. Tempo di attesa
   • Lasciare riposare il tutto nella siviera per un tempo sufficiente (3-5 minuti) affinché il gas e le inclusioni possano galleggiare prima di versare.
   • Utilizzare agenti schermanti o coprenti all'argon per prevenire l'ossidazione durante la conservazione.

3.4 Miglioramento del raffreddamento dello stampo

1. Progettazione del canale di raffreddamento
   • Incorporare canali di raffreddamento conformi nello stampo per ottenere velocità di raffreddamento uniformi in tutta la fusione.
   • Per accelerare la solidificazione, utilizzare inserti raffreddati ad acqua o piastre di raffreddamento esterne per sezioni spesse.
2. Isolamento termico e freddo
   • Applicare rivestimenti isolanti termici alle sezioni sottili per rallentare il raffreddamento e bilanciare i gradienti termici.
   • Utilizzare raffreddatori esterni (ad esempio inserti in rame o acciaio) nelle sezioni spesse per favorire una rapida solidificazione e ridurre la porosità da ritiro.
3. Selezione del materiale dello stampo
   • Per migliorare la dissipazione del calore, scegliere materiali per stampi con elevata conduttività termica (ad esempio acciaio H13) per sezioni sottili.
   • Per le sezioni spesse, utilizzare materiali con una minore conduttività termica (ad esempio, grafite) per rallentare il raffreddamento e ridurre il rischio di strappi dovuti al calore.

3.5 Riduzione dello stress termico

1. Velocità di raffreddamento controllate
   • Implementare una velocità di raffreddamento lenta (≤ 5°C/min) durante l'intervallo di solidificazione per ridurre al minimo i gradienti termici.
   • Utilizzare coperte isolanti o di raffreddamento della fornace per mantenere una distribuzione uniforme della temperatura.
2. Trattamento termico antistress
   • Dopo la solidificazione, eseguire un trattamento di ricottura di distensione (ad esempio, 500–600 °C per 2–4 ore) per ridurre lo stress residuo.
   • Per getti di grandi dimensioni, prendere in considerazione un processo di ricottura in più fasi per alleviare gradualmente lo stress senza provocare nuove crepe.
3. Riduzione al minimo del contenimento della muffa
   • Progettare lo stampo con angoli di spoglia sufficienti (≥ 1°) per facilitare l'espulsione e ridurre lo stress meccanico.
   • Utilizzare perni di espulsione di dimensioni e posizione appropriate per distribuire uniformemente le forze di espulsione.

3.6 Controllo del materiale e del processo di fusione

1. Ottimizzazione della composizione chimica
   • Regolare il contenuto di nichel e cobalto per restringere l'intervallo di solidificazione e migliorare l'efficienza di alimentazione.
   • Limitare il contenuto di impurità (ad esempio zolfo, fosforo) che favoriscono la lacerazione a caldo.
2. Pratica di fusione
   • Utilizzare materiali di carica asciutti e puliti per ridurre l'assorbimento di idrogeno e la porosità.
   • Utilizzare tecniche di degasaggio (ad esempio, degasaggio con girante rotante) per rimuovere i gas disciolti prima del versamento.
   • Controllare la temperatura di fusione per evitare un'eccessiva ossidazione e assorbimento di azoto.
3. Raffinazione del grano
   • Aggiungere raffinatori di cereali (ad esempio titanio o boro) per favorire la formazione di chicchi equiassici, il che migliora l'alimentazione e riduce la suscettibilità allo strappo a caldo.
   • Utilizzare l'agitazione elettromagnetica durante la fusione per ottenere una struttura granulare uniforme.

4. Caso di studio: miglioramento del processo per una fusione di magneti AlNiCo

Un produttore di magneti permanenti in AlNiCo ha riscontrato gravi porosità da ritiro e rotture a caldo in una fusione di forma complessa. Il processo originale utilizzava un singolo montante con volume inadeguato e lo stampo era privo di canali di raffreddamento, con conseguente raffreddamento non uniforme e elevate tensioni residue.

Misure di miglioramento :

1. Riprogettazione del riser : sostituito il singolo riser con due riser laterali di volume maggiore, posizionati nei punti critici identificati dalla simulazione.
2. Sistema di raffreddamento : aggiunti canali di raffreddamento conformi nello stampo per ottenere velocità di raffreddamento uniformi in tutta la fusione.
3. Ottimizzazione del versamento : temperatura di versamento regolata a 10°C al di sopra del liquidus e velocità di versamento ridotta a 0,7 m/s.
4. Riduzione dello stress : è stato eseguito un trattamento di ricottura di riduzione dello stress a 550°C per 3 ore dopo la solidificazione.

Risultati :

• La porosità da ritiro è stata ridotta dell'80% e la lacerazione a caldo è stata eliminata.
• La resa dei getti accettabili è aumentata dal 65% al ​​92%.
• Le proprietà magnetiche del prodotto finale sono migliorate grazie alla ridotta densità dei difetti.

5. Conclusion

Porosità da ritiro, cavità da ritiro e cricche sono difetti comuni nei getti in AlNiCo, causati principalmente da alimentazione inadeguata, stress termico e parametri di processo inadeguati. Ottimizzando la progettazione del montante, migliorando la struttura del getto, controllando i parametri di colata, migliorando il raffreddamento dello stampo, riducendo lo stress termico e perfezionando i materiali e le procedure di fusione, questi difetti possono essere significativamente ridotti o eliminati. Strumenti di simulazione numerica e un'ottimizzazione sistematica dei processi sono fondamentali per ottenere getti in AlNiCo di alta qualità con proprietà meccaniche e prestazioni magnetiche migliorate.