Причини и мерки за подобрување на процесот за порозност на собирање, шуплини на собирање и пукнатини кај груби делови од леан алуминиум-никел-кобалт (AlNiCo) магнет

1. Вовед

Легурите од алуминиум-никел-кобалт (AlNiCo) се широко користени во трајни магнети, сензори и прецизни инструменти поради нивните одлични магнетни својства, високата Кириева температура и добрата термичка стабилност. Сепак, за време на процесот на леење, често се појавуваат дефекти како што се порозност на собирање, шуплини на собирање и пукнатини, што сериозно влијае на механичките својства, магнетните перформанси и приносот на грубите делови. Оваа статија систематски ги анализира основните причини за овие дефекти и предлага целни мерки за подобрување на процесот за да се обезбеди техничка поддршка за висококвалитетно производство на леење од AlNiCo.

2. Причини за дефекти

2.1 Порозност на собирање и шуплини на собирање

Порозноста на собирање и шуплините на собирање се внатрешни празнини формирани за време на стврднувањето на легурите AlNiCo поради недоволно внесување на течен метал. Нивните механизми на формирање и факторите на влијание се следниве:

2.1.1 Карактеристики на стврднување при собирање

Легурите AlNiCo покажуваат широк опсег на стврднување (температурна разлика помеѓу ликвидус и цврст материјал), што доведува до продолжена кашеста зона за време на стврднувањето. Во овој период, се формираат дендритични краци, блокирајќи ги каналите за напојување и спречувајќи течниот метал да компензира за волуметриското собирање, што резултира со дисперзирана порозност на собирање или централизирани шуплини на собирање.

2.1.2 Несоодветен дизајн на подигнувачот

• Недоволен волумен на кревачот : Кревачот не успева да складира доволно течен метал за да го компензира смалувањето при стврднување.
• Неправилна локација на кревачот : Кревачот не е поставен на жешката точка (последната област на стврднување), што доведува до локализиран дефект на напојувањето.
• Предвремено стврднување на кревачот : Кревачот се стврднува пред леењето, прекинувајќи го патот на довод.

2.1.3 Неразумна структура на леење

• Транзиции од дебело кон тенка површина : Острите промени во дебелината на пресекот предизвикуваат локализирано брзо ладење, формирајќи жаришта кои се склони кон дефекти на собирање.
• Остри агли и филети : Концентрацијата на стрес кај острите агли го спречува протокот на течен метал, влошувајќи ја порозноста на собирање.

2.1.4 Неправилни параметри на истурање

• Ниска температура на истурање : ја намалува флуидноста на течниот метал, нарушувајќи ја ефикасноста на полнењето.
• Висока брзина на истурање : Предизвикува турбуленција и заробување на воздух, што доведува до порозност на собирање потпомогнато од гас.
• Кратко време на задржување : Недоволно време за гасот и инклузиите да пловат, што ја зголемува веројатноста за порозност.

2.1.5 Дефекти на системот за ладење на мувла

• Нерамномерна брзина на ладење : Прекумерните температурни градиенти помеѓу различните делови од леанокот предизвикуваат термички стрес, поттикнувајќи формирање на шуплини на собирање.
• Недоволно ладење во дебели делови : Бавното ладење во дебелите региони ја продолжува кашестата зона, зголемувајќи го ризикот од порозност на собирање.

2.2 Пукнатини

Пукнатините во одлеаноци од AlNiCo првенствено се предизвикани од термички стрес или механички стрес што ја надминува цврстината на материјалот за време на стврднување или ладење. Главните видови и причини се:

2.2.1 Топли солзи (термички пукнатини)

• Механизам на формирање : Се јавува во доцните фази на стврднување кога одлеанокот има ограничена еластичност, но сè уште е подложен на затегнувачки стрес поради нерамномерно ладење или ограничување на калапот.
• Влијателни фактори:
  • Широк опсег на стврднување : Ја продолжува кашестата зона, зголемувајќи ја подложноста на топло кинење.
  • Висок коефициент на термичка експанзија : Го засилува термичкиот стрес за време на ладењето.
  • Несоодветно ограничување на мувлата : Прекумерното триење или притисок од калапот го ограничува собирањето, предизвикувајќи пукнатини.
  • Остри агли и тенки ѕидови : Предизвикуваат концентрација на стрес, што го поттикнува создавањето на пукнатини.

2.2.2 Студени пукнатини

• Механизам на формирање : Се јавува по стврднување поради преостанат стрес од нерамномерно ладење или надворешни механички оптоварувања.
• Влијателни фактори:
  • Висок резидуален стрес : предизвикан од брзо ладење или неправилна термичка обработка.
  • Ниска еластичност : Присуството на кршливи фази (на пр., вишок карбиди) ја намалува отпорноста на пукнатини.
  • Механичко влијание : За време на исфрлање или ракување, локализираниот стрес ја надминува цврстината на материјалот.

3. Мерки за подобрување на процесот

3.1 Оптимизирање на дизајнот на столбовите

1. Волумен и локација на кревачот
   • Користете нумеричка симулација (на пр., MAGMAsoft, ProCAST) за прецизно да го предвидите последниот регион на стврднување и соодветно да го поставите столбот.
   • Зголемете го волуменот на кревачот за 10–20% во споредба со теоретските пресметки за да се обезбеди доволно хранење.
   • Усвојте странични кревачи или повеќекратни кревачи за сложени одливки за да ја подобрите ефикасноста на хранење.
2. Избор на тип на кревач
   • Користете егзотермни или изолациски кревачи за да го одложите стврднувањето и да го продолжите времето на хранење.
   • За одлеаноци со дебел пресек, разгледајте системи за напојување со потпомогнат притисок за да го подобрите протокот на течен метал.
3. Дизајн на врат за подигнување
   • Оптимизирајте ги димензиите на вратот на подигнувачот за да го балансирате притисокот на полнење и времето на стврднување. Тесниот врат може да го намали отпорот на полнење, но може да се стврдне предвреме, додека широкиот врат обезбедува полнење, но може да го намали приносот.

3.2 Подобрување на структурата на леење

1. Униформност на дебелината на ѕидот
   • Избегнувајте нагли промени во дебелината на пресекот; користете постепени транзиции (на пр., филети со радиуси ≥ 5 mm) за да ги намалите термичките градиенти.
   • За дебели делови, вклучете внатрешни ладилници или ладилни ребра за да го забрзате стврднувањето и да ги минимизирате жариштата.
2. Карактеристики за ублажување на стресот
   • Додадете жлебови или ребра за ослободување од стрес на острите агли за да го распределите стресот и да спречите појава на пукнатини.
   • Користете шупливи или ребрести структури за да ја намалите масата и да ја подобрите униформноста на ладењето.
3. Оптимизација на системот за портирање
   • Дизајнирајте го системот за затворање така што ќе обезбедите непречен проток на течен метал со минимална турбуленција.
   • Користете конусни шини и врати за да ја контролирате брзината на проток и да спречите заглавување на воздух.
   • Поставете ги вратичките на дебелите делови за да се поттикне насочено стврднување кон кревачот.

3.3 Контролирање на параметрите на истурање

1. Температура на истурање
   • Одржувајте оптимална температура на истурање (обично 10–20°C над ликвидусот) за да се обезбеди добра флуидност без прекумерно собирање.
   • За легури на AlNiCo со висока содржина на никел, може да бидат потребни малку повисоки температури за да се компензира нивниот висок вискозитет.
2. Брзина на истурање
   • Користете умерена брзина на истурање (0,5–1,0 m/s) за да избегнете турбуленција и заробување на воздух.
   • За големи одливки, усвоете техника на истурање во повеќе фази за постепено полнење на калапот и намалување на термичкиот шок.
3. Време на задржување
   • Оставете доволно време да отстои (3-5 минути) во лажицата за гасот и состојките да пловат пред да го истурите.
   • Користете аргонски заштитени или прекривки за да спречите оксидација за време на држењето.

3.4 Подобрување на ладењето на мувлата

1. Дизајн на канали за ладење
   • Вклучете конформни канали за ладење во калапот за да постигнете рамномерни стапки на ладење низ целиот лив.
   • Користете влошки со вода ладена или надворешни плочи за ладење за дебели делови за да го забрзате стврднувањето.
2. Термичка изолација и студ
   • Нанесете термоизолациски премази на тенки делови за да го забавите ладењето и да ги балансирате термичките градиенти.
   • Користете надворешни ладилници (на пр., бакарни или челични влошки) на дебелите делови за да се поттикне брзо стврднување и да се намали порозноста на собирање.
3. Избор на материјал за мувла
   • Изберете материјали за калапи со висока топлинска спроводливост (на пр., челик H13) за тенки профили за да се подобри дисипацијата на топлината.
   • За дебели делови, користете материјали со помала топлинска спроводливост (на пр., графит) за да го забавите ладењето и да го намалите ризикот од кинење при топло дејство.

3.5 Намалување на термичкиот стрес

1. Контролирани стапки на ладење
   • Имплементирајте бавна брзина на ладење (≤ 5°C/мин) за време на опсегот на стврднување за да ги минимизирате термичките градиенти.
   • Користете ќебиња за ладење на печката или изолациски ќебиња за да одржите рамномерна распределба на температурата.
2. Термички третман за ублажување на стресот
   • Извршете третман со жарење за ослободување од стрес (на пр., 500–600°C во тек на 2–4 часа) по стврднувањето за да го намалите преостанатиот стрес.
   • За големи одливки, разгледајте го процесот на жарење во повеќе фази за постепено ослободување од стресот без да предизвикате нови пукнатини.
3. Минимизирање на ограничувањето на мувлата
   • Дизајнирајте го калапот со доволни агли на влечење (≥ 1°) за да се олесни лесното исфрлање и да се намали механичкиот стрес.
   • Користете иглички за исфрлање со соодветна големина и локација за рамномерно распределување на силите на исфрлање.

3.6 Контрола на процесот на материјали и топење

1. Оптимизација на хемискиот состав
   • Прилагодете ја содржината на никел и кобалт за да го стесните опсегот на стврднување и да ја подобрите ефикасноста на хранење.
   • Ограничете ја содржината на нечистотии (на пр., сулфур, фосфор) кои го поттикнуваат кинењето на топло.
2. Вежбање на топење
   • Користете суви и чисти материјали за полнење за да го намалите собирање на водород и порозноста.
   • Користете техники на дегасификација (на пр., дегасификација со ротациона импелер) за да ги отстраните растворените гасови пред истурање.
   • Контролирајте ја температурата на топење за да избегнете прекумерна оксидација и апсорпција на азот.
3. Рафинирање на жито
   • Додадете рафинерии за зрна (на пр., титаниум или бор) за да се поттикне формирање на еквиоксирани зрна, што го подобрува хранењето и ја намалува подложноста на топло кинење.
   • Користете електромагнетно мешање за време на топењето за да постигнете униформна структура на зрната.

4. Студија на случај: Подобрување на процесот за леење од AlNiCo магнет

Производител на перманентни магнети AlNiCo се соочил со сериозна порозност на собирање и топло кинење кај одлеанок со комплексна форма. Оригиналниот процес користел еден кревач со несоодветен волумен, а калапот немал канали за ладење, што довело до нерамномерно ладење и висок преостанат стрес.

Мерки за подобрување :

1. Редизајн на кревачот : Единечниот кревач е заменет со два странични кревачи со зголемен волумен, поставени на жариштата идентификувани со симулација.
2. Систем за ладење : Додадени се конформни канали за ладење во калапот за да се постигнат рамномерни стапки на ладење низ целиот леанок.
3. Оптимизација на истурање : Температурата на истурање е прилагодена на 10°C над ликвидусот и брзината на истурање е намалена на 0,7 m/s.
4. Олеснување од стрес : Имплементиран е третман со жарење за ослободување од стрес на 550°C во тек на 3 часа по зацврстувањето.

Резултати :

• Порозноста на собирање беше намалена за 80%, а топлото кинење беше елиминирано.
• Приносот на прифатливи одливки се зголеми од 65% на 92%.
• Магнетните својства на финалниот производ се подобрија поради намалената густина на дефекти.

5. Заклучок

Порозноста на собирање, шуплините на собирање и пукнатините се чести дефекти кај одлеаноци од AlNiCo, првенствено предизвикани од несоодветно полнење, термички стрес и неправилни параметри на процесот. Со оптимизирање на дизајнот на кревачот, подобрување на структурата на леење, контрола на параметрите на истурање, подобрување на ладењето на калапот, намалување на термичкиот стрес и рафинирање на материјалот и практиките на топење, овие дефекти можат значително да се намалат или елиминираат. Алатките за нумеричка симулација и систематската оптимизација на процесот се клучни за постигнување висококвалитетни одлеаноци од AlNiCo со подобрени механички својства и магнетни перформанси.