Oorzaken en procesverbeteringsmaatregelen voor krimp porositeit, krimpholtes en scheuren in ruwe onderdelen van gegoten aluminium-nikkel-kobalt (AlNiCo) magneten

1. Inleiding

Aluminium-nikkel-kobalt (AlNiCo)-legeringen worden veel gebruikt in permanente magneten, sensoren en precisie-instrumenten vanwege hun uitstekende magnetische eigenschappen, hoge Curie-temperatuur en goede thermische stabiliteit. Tijdens het gietproces ontstaan ​​echter vaak defecten zoals krimp porositeit, krimpholtes en scheuren, die de mechanische eigenschappen, magnetische prestaties en opbrengst van de ruwe onderdelen ernstig beïnvloeden. Dit artikel analyseert systematisch de oorzaken van deze defecten en stelt gerichte procesverbeteringsmaatregelen voor om technische ondersteuning te bieden voor de productie van hoogwaardige AlNiCo-gietstukken.

2. Oorzaken van defecten

2.1 Krimpporositeit en krimpholtes

Krimp porositeit en krimpholtes zijn interne holtes die ontstaan ​​tijdens de stolling van AlNiCo-legeringen als gevolg van onvoldoende toevoer van vloeibaar metaal. De vormingsmechanismen en beïnvloedende factoren zijn als volgt:

2.1.1 Kenmerken van stollingskrimp

AlNiCo-legeringen vertonen een breed stollingstraject (verschil tussen liquidus- en solidustemperatuur), wat leidt tot een langdurige brijzone tijdens de stolling. Gedurende deze periode vormen zich dendritische uitlopers die de toevoerkanalen blokkeren en voorkomen dat het vloeibare metaal de volumetrische krimp compenseert. Dit resulteert in verspreide krimp porositeit of gecentraliseerde krimpholtes.

2.1.2 Onvoldoende ontwerp van de stijgbuis

• Onvoldoende stijgbuisvolume : De stijgbuis kan onvoldoende vloeibaar metaal opslaan om de krimp tijdens de stolling te compenseren.
• Onjuiste plaatsing van de stijgbuis : De stijgbuis is niet op de heetste plek (het laatste stollingsgebied) geplaatst, wat leidt tot plaatselijke toevoerstoringen.
• Voortijdige stolling van de stijgbuis : De stijgbuis stolt vóór het gieten, waardoor de toevoerleiding wordt afgesneden.

2.1.3 Onredelijke gietstructuur

• Overgangen van dik naar dun : Scherpe veranderingen in de sectiedikte veroorzaken plaatselijke, snelle afkoeling, waardoor hotspots ontstaan ​​die gevoelig zijn voor krimpdefecten.
• Scherpe hoeken en afrondingen : Spanningsconcentratie bij scherpe hoeken belemmert de vloei van vloeibaar metaal, waardoor krimp porositeit verergert.

2.1.4 Onjuiste gietparameters

• Lage giettemperatuur : Vermindert de vloeibaarheid van het metaal, waardoor de toevoerefficiëntie afneemt.
• Hoge gietsnelheid : Veroorzaakt turbulentie en luchtinsluiting, wat leidt tot gasgeïnduceerde krimp porositeit.
• Korte verblijftijd : Onvoldoende tijd voor gas en insluitsels om te zweven, waardoor de kans op porositeit toeneemt.

2.1.5 Defecten aan het matrijskoelsysteem

• Ongelijkmatige afkoelsnelheid : Overmatige temperatuurverschillen tussen verschillende delen van het gietstuk veroorzaken thermische spanning, wat de vorming van krimpholtes bevordert.
• Onvoldoende koeling in dikke secties : Langzame koeling in dikke gebieden verlengt de brijzone, waardoor het risico op krimp porositeit toeneemt.

2.2 Scheuren

Scheuren in AlNiCo-gietstukken worden voornamelijk veroorzaakt door thermische spanning of mechanische spanning die de sterkte van het materiaal overschrijdt tijdens stolling of afkoeling. De belangrijkste typen en oorzaken zijn:

2.2.1 Hittescheuren (Thermische barsten)

• Vormingsmechanisme : Treedt op tijdens de late stadia van stolling, wanneer het gietstuk een beperkte ductiliteit heeft, maar nog steeds onderhevig is aan trekspanning als gevolg van ongelijkmatige afkoeling of beperking door de vorm.
• Beïnvloedende factoren:
  • Breed stollingsbereik : Verlengt de zachte zone, waardoor de kans op scheuren door hitte toeneemt.
  • Hoge thermische uitzettingscoëfficiënt : Versterkt de thermische spanning tijdens afkoeling.
  • Onjuiste matrijsbeperking : Overmatige wrijving of druk van de matrijs beperkt de krimp, waardoor scheuren ontstaan.
  • Scherpe hoeken en dunne wanden : veroorzaken spanningsconcentratie, wat het ontstaan ​​van scheuren bevordert.

2.2.2 Koude scheuren

• Vormingsmechanisme : Treedt op na stolling als gevolg van restspanning door ongelijkmatige afkoeling of externe mechanische belastingen.
• Beïnvloedende factoren:
  • Hoge restspanning : veroorzaakt door snelle afkoeling of onjuiste warmtebehandeling.
  • Lage ductiliteit : De aanwezigheid van brosse fasen (bijv. overmatige carbiden) vermindert de scheurweerstand.
  • Mechanische impact : Tijdens het uitwerpen of hanteren kan de plaatselijke spanning de sterkte van het materiaal overschrijden.

3. Procesverbeteringsmaatregelen

3.1 Optimalisatie van het ontwerp van de stijgbuis

1. Stijgbuisvolume en locatie
   • Gebruik numerieke simulatie (bijv. MAGMAsoft, ProCAST) om het laatste stollingsgebied nauwkeurig te voorspellen en de stijgbuis dienovereenkomstig te plaatsen.
   • Verhoog het volume van de stijgbuis met 10-20% ten opzichte van de theoretische berekeningen om een ​​voldoende toevoer te garanderen.
   • Gebruik zijwaartse stijgbuizen of meerdere stijgbuizen voor complexe gietstukken om de toevoerefficiëntie te verbeteren.
2. Selectie van het type stijgbuis
   • Gebruik exotherme of isolerende stijgbuizen om de stolling te vertragen en de toevoertijd te verlengen.
   • Voor dikwandige gietstukken is het raadzaam om drukgestuurde toevoersystemen te overwegen om de vloeibaar metaalstroom te verbeteren.
3. Opstaande halsconstructie
   • Optimaliseer de afmetingen van de hals van de stijgbuis om de toevoerdruk en de stollingstijd in balans te brengen. Een smalle hals kan de toevoerweerstand verminderen, maar kan leiden tot voortijdige stolling, terwijl een brede hals de toevoer wel garandeert, maar de opbrengst kan verlagen.

3.2 Verbetering van de gietstructuur

1. Uniformiteit van de wanddikte
   • Vermijd abrupte veranderingen in de sectiedikte; gebruik geleidelijke overgangen (bijvoorbeeld afrondingen met een straal van ≥ 5 mm) om thermische gradiënten te verminderen.
   • Bij dikkere secties kunnen interne koelribben of ijsschotsen worden aangebracht om de stolling te versnellen en hotspots te minimaliseren.
2. Stressverlichtende functies
   • Breng spanningsverlagende groeven of ribben aan op scherpe hoeken om de spanning te verdelen en scheurvorming te voorkomen.
   • Gebruik holle of geribbelde structuren om de massa te verminderen en de koeluniformiteit te verbeteren.
3. Optimalisatie van het poortsysteem
   • Ontwerp het gietsysteem zodanig dat een soepele stroom vloeibaar metaal met minimale turbulentie wordt gegarandeerd.
   • Gebruik taps toelopende kanalen en afsluiters om de stroomsnelheid te regelen en luchtinsluiting te voorkomen.
   • Plaats de afsluitkleppen bij de dikke secties om gerichte stolling richting de stijgbuis te bevorderen.

3.3 Controle van de gietparameters

1. Giettemperatuur
   • Houd een optimale giettemperatuur aan (doorgaans 10-20 °C boven het liquiduspunt) om een ​​goede vloeibaarheid te garanderen zonder overmatige krimp.
   • Voor AlNiCo-legeringen met een hoog nikkelgehalte kunnen iets hogere temperaturen nodig zijn om hun hoge viscositeit te compenseren.
2. Schenksnelheid
   • Gebruik een gematigde gietsnelheid (0,5–1,0 m/s) om turbulentie en luchtinsluiting te voorkomen.
   • Voor grote gietstukken is het aan te raden een meertraps giettechniek te gebruiken om de mal geleidelijk te vullen en thermische schokken te verminderen.
3. Houdtijd
   • Laat het mengsel voldoende lang (3-5 minuten) in de gietpan staan ​​zodat gas en insluitsels kunnen bezinken voordat u het uitgiet.
   • Gebruik argon als afschermingsmiddel of afdekkingsmiddel om oxidatie tijdens het bewaren te voorkomen.

3.4 Verbetering van de matrijskoeling

1. Ontwerp van koelkanalen
   • Integreer conforme koelkanalen in de mal om een ​​uniforme koelsnelheid over het gehele gietstuk te bereiken.
   • Gebruik watergekoelde inzetstukken of externe koelplaten voor dikke secties om de stolling te versnellen.
2. Thermische isolatie en koude
   • Breng thermische isolatiecoatings aan op dunne secties om afkoeling te vertragen en temperatuurgradiënten in evenwicht te brengen.
   • Gebruik externe koelplaten (bijvoorbeeld koperen of stalen inzetstukken) bij dikke secties om snelle stolling te bevorderen en krimp porositeit te verminderen.
3. Materiaalselectie voor mallen
   • Kies voor dunne secties matrijsmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid (bijvoorbeeld H13-staal) om de warmteafvoer te verbeteren.
   • Gebruik voor dikke secties materialen met een lagere warmtegeleidingscoëfficiënt (bijvoorbeeld grafiet) om de afkoeling te vertragen en het risico op scheuren door hitte te verminderen.

3.5 Vermindering van thermische spanning

1. Gecontroleerde koelsnelheden
   • Hanteer een langzame afkoelsnelheid (≤ 5 °C/min) tijdens het stollingsproces om temperatuurgradiënten te minimaliseren.
   • Gebruik ovenkoeling of isolatiedekens om een ​​gelijkmatige temperatuurverdeling te behouden.
2. Stressverlichtende warmtebehandeling
   • Voer na de stolling een spanningsverlagende gloeibehandeling uit (bijv. 500-600 °C gedurende 2-4 uur) om restspanningen te verminderen.
   • Overweeg bij grote gietstukken een meertraps gloeiproces om de spanning geleidelijk te verminderen zonder nieuwe scheuren te veroorzaken.
3. Minimalisering van schimmelvorming
   • Ontwerp de matrijs met voldoende lossingshoek (≥ 1°) om het uitwerpen te vergemakkelijken en de mechanische spanning te verminderen.
   • Gebruik uitwerppennen met de juiste afmetingen en plaatsing om de uitwerpkrachten gelijkmatig te verdelen.

3.6 Materiaal- en smeltprocescontrole

1. Optimalisatie van de chemische samenstelling
   • Pas het nikkel- en kobaltgehalte aan om het stollingstraject te verkleinen en de toevoerefficiëntie te verbeteren.
   • Beperk het gehalte aan onzuiverheden (bijv. zwavel, fosfor) die tranende ogen door hitte bevorderen.
2. Smeltpraktijk
   • Gebruik droge en schone laadmaterialen om waterstofopname en porositeit te verminderen.
   • Gebruik ontgassingstechnieken (bijvoorbeeld ontgassing met een roterende waaier) om opgeloste gassen te verwijderen vóór het gieten.
   • Beheers de smelttemperatuur om overmatige oxidatie en stikstofopname te voorkomen.
3. Korrelverfijning
   • Voeg korrelverfijners toe (bijvoorbeeld titanium of boor) om de vorming van gelijkassige korrels te bevorderen, wat de toevoer verbetert en de kans op scheuren bij hoge temperaturen verkleint.
   • Gebruik elektromagnetisch roeren tijdens het smelten om een ​​uniforme korrelstructuur te verkrijgen.

4. Casestudie: Procesverbetering voor het gieten van een AlNiCo-magneet

Een fabrikant van AlNiCo-permanente magneten ondervond ernstige krimp porositeit en scheurvorming bij hoge temperaturen in een gietstuk met een complexe vorm. Het oorspronkelijke proces maakte gebruik van een enkele opstijgbuis met onvoldoende volume, en de mal miste koelkanalen, wat leidde tot ongelijkmatige koeling en hoge restspanningen.

Verbeteringsmaatregelen :

1. Herontwerp van de stijgbuis : De enkele stijgbuis is vervangen door twee zijstijgbuizen met een groter volume, geplaatst op de hotspots die door de simulatie zijn geïdentificeerd.
2. Koelsysteem : Er zijn conforme koelkanalen in de mal aangebracht om een ​​uniforme koelsnelheid over het gehele gietstuk te garanderen.
3. Optimalisatie van het schenken : De schenktemperatuur is aangepast naar 10 °C boven het liquiduspunt en de schenksnelheid is verlaagd naar 0,7 m/s.
4. Spanningsvermindering : Na de stolling is een spanningsverminderende gloeibehandeling uitgevoerd bij 550 °C gedurende 3 uur.

Resultaten :

• De krimp porositeit werd met 80% verminderd en scheurvorming door verhitting werd geëlimineerd.
• Het percentage acceptabele gietstukken steeg van 65% naar 92%.
• De magnetische eigenschappen van het eindproduct verbeterden door de verminderde defectdichtheid.

5. Conclusie

Krimpingsporositeit, krimpholtes en scheuren zijn veelvoorkomende defecten in AlNiCo-gietstukken, voornamelijk veroorzaakt door onvoldoende toevoer, thermische spanning en onjuiste procesparameters. Door het optimaliseren van het ontwerp van de opstijgbuis, het verbeteren van de gietstructuur, het beheersen van de gietparameters, het verbeteren van de matrijskoeling, het verminderen van thermische spanning en het verfijnen van materiaal- en smeltprocessen, kunnen deze defecten aanzienlijk worden verminderd of geëlimineerd. Numerieke simulatietools en systematische procesoptimalisatie zijn essentieel voor het verkrijgen van hoogwaardige AlNiCo-gietstukken met verbeterde mechanische eigenschappen en magnetische prestaties.