Методи на леење за Alnico магнети и нивното влијание врз густината и порозноста

1. Вовед

Алнико (алуминиум-никел-кобалт) магнетите се класа на перманентни магнети познати по нивната одлична термичка стабилност, висока коерцитивност и релативно висока реманенција. Овие својства ги прават погодни за апликации кои бараат сигурни перформанси при екстремни температури, како што се воздухопловните, автомобилските и воените системи. Процесот на леење игра клучна улога во одредувањето на микроструктурата и, следствено, на магнетните својства на Алнико магнетите. Оваа статија истражува различни методи на леење за Алнико магнети и ги анализира нивните ефекти врз густината и порозноста, кои се критични фактори кои влијаат на магнетните перформанси.

2. Преглед на легури Alnico

Алнико легурите се составени првенствено од железо (Fe), никел (Ni), алуминиум (Al) и кобалт (Co), со мали додатоци на бакар (Cu) и титаниум (Ti). Магнетните својства произлегуваат од двофазна микроструктура:

• α₁ фаза (богата со Fe-Co) : Силно феромагнетна фаза со висока сатурација на магнетизација.
• α₂ фаза (богата со Ni-Al) : Слабо феромагнетна или парамагнетна фаза со помала магнетизација.

За време на стврднувањето или термичката обработка, овие фази претрпуваат спинодна декомпресија , што резултира со фина, периодична распределба на α₁ и α₂ фазите. Оваа микроструктура е неопходна за постигнување висока коерцивност и реманенција.

3. Методи на леење за Alnico магнети

За производство на Alnico магнети се користат неколку методи на леење, секој со различни предности и ограничувања. Примарните методи вклучуваат:

1. Лиење песок
2. Трајно леење во мувла
3. Инвестициско леење (процес на изгубен восок)
4. Центрифугално леење
5. Насочно леење со стврднување

Секој метод влијае на микроструктурата, густината и порозноста на конечниот магнет, со што влијае на неговите магнетни својства.

3.1 Лиење на песок

Опис на процесот :
Леењето во песок вклучува истурање на стопена легура Alnico во калап направен од песок измешан со врзивно средство. Калапот обично се формира на две половини (копче и влечно), а шуплината се создава со пакување песок околу шема. По зацврстувањето, калапот од песок се откинува за да се извади одливот.

Влијание врз густината и порозноста :

• Густина : Песочните одлеаноци генерално покажуваат помала густина во споредба со другите методи поради порозната природа на песочните калапи. Пропустливоста на песокот им овозможува на гасовите да излегуваат, но може да доведе и до заробување на воздух, што резултира со микропорозност.
• Порозност : Песочните одлеаноци често имаат повисоки нивоа на порозност, што може негативно да влијае на магнетните својства со нарушување на континуираниот пат на магнетните домени. Сепак, правилното затворање и дизајнот на подигнувачот можат да ја минимизираат порозноста со обезбедување соодветно внесување на стопен метал за време на зацврстувањето.

Предности :

• Ниска цена и едноставност, што го прави погоден за производство на едноставни форми во голем обем.
• Способност за лиење големи и сложени геометрии.

Ограничувања :

• Повисока порозност и помала димензионална точност во споредба со другите методи.
• Ограничена соодветност за високо-перформансни магнети кои бараат висока густина и ниска порозност.

3.2 Трајно леење во калап

Опис на процесот :
Трајното леење во калапи користи калапи за повеќекратна употреба изработени од метал (обично челик или леано железо). Растопена легура Alnico се влева во шуплината на калапот, која е дизајнирана да олесни брзо ладење и стврднување. Калапот често се загрева претходно за да се спречи термички шок и да се обезбеди рамномерно ладење.

Влијание врз густината и порозноста :

• Густина : Трајните одлеаноци од калапи генерално имаат поголема густина од одлеаноци од песок поради непропустливоста на металните калапи, што го намалува заробувањето на гас.
• Порозност : Ризикот од порозност е помал во споредба со леењето со песок, но неправилниот дизајн на калапот или техниките на лиење сепак може да доведат до порозност на собирање или дефекти на гас.

Предности :

• Подобрена димензионална точност и завршна обработка на површината во споредба со леењето со песок.
• Повисоки стапки на производство и пониски единечни трошоци за големи количини.

Ограничувања :

• Повисоки почетни трошоци за алати во споредба со леењето на песок.
• Ограничено на поедноставни геометрии поради сложеноста на калапот.

3.3 Инвестициско леење (процес на изгубен восок)

Опис на процесот :
Инвестициското леење вклучува креирање восочен образец на посакуваниот дел, негово премачкување со керамичка обвивка, а потоа топење на восокот за да се добие шуплив керамички калап. Растопена легура Alnico се истура во керамичкиот калап, кој потоа се кине по стврднувањето.

Влијание врз густината и порозноста :

• Густина : Инвестициските одлеаноци обично покажуваат висока густина поради фината керамичка обвивка, што ја минимизира пропустливоста на гас и промовира рамномерно стврднување.
• Порозност : Ризикот од порозност е значително намален, бидејќи керамичкиот калап обезбедува одлична димензионална контрола и овозможува прецизни системи за затворање и подигнување за напојување на стопениот метал за време на зацврстувањето.

Предности :

• Исклучителна димензионална точност и завршна обработка на површината, погодна за сложени геометрии.
• Ниска порозност и висока густина, што го прави идеален за магнети со високи перформанси.

Ограничувања :

• Повисока цена и подолг производствен циклус во споредба со песок и трајно леење во калапи.
• Ограничено на помали делови поради кршливоста на керамичките калапи.

3.4 Центрифугално леење

Опис на процесот :
Центрифугалното леење вклучува истурање на стопена легура Alnico во ротирачки калап. Центрифугалната сила го насочува стопениот метал кон ѕидовите на калапот, овозможувајќи униформно полнење и стврднување. Овој метод често се користи за цилиндрични или симетрични делови.

Влијание врз густината и порозноста :

• Густина : Центрифугалното леење може да произведе одлеаноци со висока густина со примена на притисок врз стопениот метал, намалувајќи ја порозноста и промовирајќи звучно стврднување.
• Порозност : Центрифугалната сила помага да се исфрлат гасовите и нечистотиите, што резултира со помала порозност во споредба со методите на статичко леење.

Предности :

• Висока густина и ниска порозност, погодни за делови што бараат супериорни механички својства.
• Способност за леење цилиндрични или симетрични делови со униформна структура на зрно.

Ограничувања :

• Ограничено на делови со ротациона симетрија.
• Повисоки трошоци за опрема и работа во споредба со другите методи.

3.5 Насочно леење со стврднување

Опис на процесот :
Насочното стврднување е специјализиран метод на леење што се користи за производство на Alnico магнети со столбеста структура на зрна. Стопената легура се стврднува на контролиран начин, обично со повлекување на калапот од печка за греење или со примена на температурен градиент. Ова го поттикнува растот на столбестите зрна порамнети по одредена насока, подобрувајќи ја магнетната анизотропија.

Влијание врз густината и порозноста :

• Густина : Насочното стврднување може да произведе одливки со висока густина со минимизирање на порозноста на собирање преку контролирани системи за ладење и полнење.
• Порозност : Ризикот од порозност е намален поради контролираниот процес на стврднување, кој обезбедува рамномерно внесување на стопен метал.

Предности :

• Подобрени магнетни својства поради порамнети колонозни зрна, кои ја подобруваат коерцивноста и реманентноста.
• Ниска порозност и висока густина, што го прави погоден за магнети со високи перформанси.

Ограничувања :

• Висока опрема и сложеност на процесот, што ги зголемува трошоците за производство.
• Ограничено на делови со едноставна геометрија што можат да се зацврстат на контролиран начин.

4. Споредба на методите на леење

Следната табела ги сумира клучните разлики помеѓу методите на леење во однос на густината, порозноста и соодветноста за Alnico магнети:

5. Оптимизација на параметрите на леење

За понатамошно подобрување на густината и намалување на порозноста кај Alnico магнетите, може да се оптимизираат неколку параметри на леење:

1. Дизајн на отвори и кревачи : Соодветните системи за отвори обезбедуваат непречен проток на стопен метал и ги минимизираат турбуленциите, намалувајќи го ризикот од заробување на гас. Кревачите дејствуваат како резервоари за напојување на стопениот метал за време на стврднувањето, спречувајќи ја порозноста на собирање.
2. Температура на истурање : Температурата на истурање треба внимателно да се контролира за да се избегне прекумерна флуидност (што може да предизвика турбуленција) или недоволна флуидност (што може да доведе до нецелосно полнење).
3. Претходно загревање на калапот : Претходното загревање на калапот го намалува термичкиот шок и промовира рамномерно ладење, минимизирајќи го ризикот од пукнатини и порозност.
4. Вакуумско леење : Користењето вакуумска средина за време на леењето може значително да го намали заробувањето на гас, што резултира со помала порозност и поголема густина.
5. Термичка обработка по леењето : Процесите на термичка обработка, како што се третманот во раствор и стареењето, можат дополнително да ја усовршат микроструктурата, намалувајќи ја порозноста и подобрувајќи ги магнетните својства.

6. Студија на случај: Инвестициско леење за високо-перформансни Alnico магнети

Беше спроведена студија за споредување на магнетните својства на Alnico 5 магнетите произведени со инвестициско леење и леење со песок. Магнетите со инвестициско леење покажаа:

• Повисока густина : 7,3 g/cm³ наспроти 7,1 g/cm³ за магнети од леење во песок.
• Помала порозност : 0,5% наспроти 2,0% за магнети од леење во песок.
• Подобрени магнетни својства : Реманенција (Br) од 12,5 kG наспроти 11,8 kG и коерцивитет (Hc) од 650 Oe наспроти 600 Oe за магнети од леење во песок.

Овие резултати ја демонстрираат супериорноста на инвестициското леење во производството на високо-перформансни Alnico магнети со минимална порозност и висока густина.

7. Заклучок

Методот на леење значително влијае на густината и порозноста на Alnico магнетите, што пак влијае на нивните магнетни својства. Инвестициското леење и насоченото стврднување се најсоодветните методи за производство на високо-перформансни магнети со ниска порозност и висока густина. Сепак, овие методи доаѓаат со повисоки трошоци и сложеност. За апликации каде што цената е клучен фактор, може да се користи трајно леење во калап или леење во песок, под услов да се имплементираат соодветни дизајни за отворање и подигнување за да се минимизира порозноста. Со оптимизирање на параметрите на леење и избирање на соодветен метод, производителите можат да произведат Alnico магнети кои ги исполнуваат строгите барања на напредните апликации.