Cauze și măsuri de îmbunătățire a procesului pentru porozitatea prin contracție, cavitățile prin contracție și fisurile din piesele brute ale magneților turnați din aluminiu-nichel-cobalt (AlNiCo)

1. Introducere

Aliajele de aluminiu-nichel-cobalt (AlNiCo) sunt utilizate pe scară largă în magneți permanenți, senzori și instrumente de precizie datorită proprietăților lor magnetice excelente, temperaturii Curie ridicate și bunei stabilități termice. Cu toate acestea, în timpul procesului de turnare, apar adesea defecte precum porozitatea prin contracție, cavitățile prin contracție și fisurile, care afectează grav proprietățile mecanice, performanța magnetică și randamentul pieselor brute. Acest articol analizează sistematic cauzele principale ale acestor defecte și propune măsuri specifice de îmbunătățire a procesului pentru a oferi suport tehnic pentru producția de turnare de AlNiCo de înaltă calitate.

2. Cauzele defectelor

2.1 Porozitatea și cavitățile de contracție

Porozitatea și cavitățile de contracție sunt goluri interne formate în timpul solidificării aliajelor AlNiCo din cauza alimentării insuficiente cu metal lichid. Mecanismele lor de formare și factorii de influență sunt următorii:

2.1.1 Caracteristicile contracției la solidificare

Aliajele AlNiCo prezintă o gamă largă de solidificare (diferență de temperatură lichidus-solidus), ceea ce duce la o zonă moale prelungită în timpul solidificării. În această perioadă, se formează brațe dendritice, blocând canalele de alimentare și împiedicând metalul lichid să compenseze contracția volumetrică, rezultând o porozitate dispersată prin contracție sau cavități centralizate de contracție.

2.1.2 Proiectare inadecvată a coloanei verticale

• Volum insuficient al coloanei verticale : Coloana verticală nu reușește să stocheze suficient metal lichid pentru a compensa contracția prin solidificare.
• Amplasarea necorespunzătoare a coloanei verticale : Coloana verticală nu este plasată în punctul fierbinte (ultima regiune de solidificare), ceea ce duce la defecțiuni localizate ale alimentării.
• Solidificarea prematură a coloanei verticale : Coloana verticală se solidifică înainte de turnare, întrerupând calea de alimentare.

2.1.3 Structură de turnare nerezonabilă

• Tranziții de la grosime la subțire : Modificările bruște ale grosimii secțiunii provoacă răcire rapidă localizată, formând puncte fierbinți predispuse la defecte de contracție.
• Colțuri ascuțite și racorduri : Concentrarea stresului la colțurile ascuțite inhibă curgerea metalului lichid, exacerbând porozitatea prin contracție.

2.1.4 Parametri de turnare necorespunzătoare

• Temperatură scăzută de turnare : Reduce fluiditatea metalului lichid, afectând eficiența alimentării.
• Viteză mare de turnare : Provoacă turbulențe și încaperea de aer, ducând la porozitate prin contracție asistată de gaz.
• Timp scurt de menținere : Timp insuficient pentru ca gazul și incluziunile să plutească, crescând probabilitatea de porozitate.

2.1.5 Defecte ale sistemului de răcire a matriței

• Viteză inegală de răcire : Gradienții excesivi de temperatură între diferitele secțiuni ale piesei turnate induc stres termic, promovând formarea cavităților de contracție.
• Răcire insuficientă în secțiuni groase : Răcirea lentă în regiunile groase prelungește zona moale, crescând riscul de porozitate prin contracție.

2.2 Fisuri

Fisurile din piesele turnate din AlNiCo sunt cauzate în principal de stresul termic sau stresul mecanic care depășește rezistența materialului în timpul solidificării sau răcirii. Principalele tipuri și cauze sunt:

2.2.1 Rupturi fierbinți (fisuri termice)

• Mecanismul de formare : Apare în etapele târzii ale solidificării, când piesa turnată are o ductilitate limitată, dar este încă supusă la solicitări de tracțiune din cauza răcirii neuniforme sau a blocării matriței.
• Factori de influență:
  • Gamă largă de solidificare : Prelungește zona moale, crescând susceptibilitatea la ruperea la cald.
  • Coeficient de dilatare termică ridicat : Amplifică stresul termic în timpul răcirii.
  • Fixare necorespunzătoare a matriței : Frecarea sau presiunea excesivă din partea matriței restricționează contracția, provocând fisuri.
  • Colțuri ascuțite și pereți subțiri : Cauzează concentrarea stresului, favorizând inițierea fisurilor.

2.2.2 Fisuri reci

• Mecanismul de formare : Apar după solidificare din cauza tensiunii reziduale provenite de la răcirea neuniformă sau sarcini mecanice externe.
• Factori de influență:
  • Tensiune reziduală ridicată : cauzată de răcirea rapidă sau de un tratament termic necorespunzătoare.
  • Ductilitate scăzută : Prezența fazelor fragile (de exemplu, excesul de carburi) reduce rezistența la fisurare.
  • Impact mecanic : În timpul ejectării sau manipulării, tensiunea localizată depășește rezistența materialului.

3. Măsuri de îmbunătățire a procesului

3.1 Optimizarea designului coloanelor verticale

1. Volumul și amplasarea coloanei verticale
   • Folosiți simularea numerică (de exemplu, MAGMAsoft, ProCAST) pentru a prezice cu exactitate ultima regiune de solidificare și a plasa coloana vertebrală în consecință.
   • Măriți volumul coloanei verticale cu 10-20% față de calculele teoretice pentru a asigura o alimentare suficientă.
   • Adoptăți contragreutăți laterale sau contragreutăți multiple pentru piese turnate complexe pentru a îmbunătăți eficiența alimentării.
2. Selectarea tipului de coloană verticală
   • Folosiți coloane verticale exoterme sau izolatoare pentru a întârzia solidificarea și a prelungi timpul de alimentare.
   • Pentru piesele turnate cu secțiune groasă, luați în considerare sistemele de alimentare asistate prin presiune pentru a îmbunătăți curgerea metalului lichid.
3. Designul gâtului cu ridicare
   • Optimizați dimensiunile gâtului coloanei verticale pentru a echilibra presiunea de alimentare și timpul de solidificare. Un gât îngust poate reduce rezistența la alimentare, dar se poate solidifica prematur, în timp ce un gât larg asigură alimentarea, dar poate reduce randamentul.

3.2 Îmbunătățirea structurii de turnare

1. Uniformitatea grosimii peretelui
   • Evitați modificările bruște ale grosimii secțiunii; utilizați tranziții graduale (de exemplu, racorduri cu raze ≥ 5 mm) pentru a reduce gradienții termici.
   • Pentru secțiuni groase, încorporați răciri interne sau nervuri de răcire pentru a accelera solidificarea și a minimiza punctele fierbinți.
2. Caracteristici de ameliorare a stresului
   • Adăugați caneluri sau nervuri de detensionare la colțurile ascuțite pentru a distribui tensiunea și a preveni inițierea fisurilor.
   • Folosiți structuri goale sau cu nervuri pentru a reduce masa și a îmbunătăți uniformitatea răcirii.
3. Optimizarea sistemului de porți
   • Proiectați sistemul de închidere pentru a asigura o curgere lină a metalului lichid cu turbulențe minime.
   • Folosiți canale și porți conice pentru a controla viteza de curgere și a preveni încadrarea aerului.
   • Poziționați porțile la secțiuni groase pentru a promova solidificarea direcțională spre coloană.

3.3 Controlul parametrilor de turnare

1. Temperatura de turnare
   • Mențineți o temperatură optimă de turnare (de obicei cu 10–20°C peste lichidus) pentru a asigura o fluiditate bună fără contracție excesivă.
   • Pentru aliajele AlNiCo cu conținut ridicat de nichel, pot fi necesare temperaturi puțin mai ridicate pentru a compensa vâscozitatea lor ridicată.
2. Viteză de turnare
   • Folosiți o viteză de turnare moderată (0,5–1,0 m/s) pentru a evita turbulențele și încadrarea aerului.
   • Pentru piese turnate de dimensiuni mari, adoptați o tehnică de turnare în mai multe etape pentru a umple treptat matrița și a reduce șocul termic.
3. Timp de așteptare
   • Lăsați suficient timp de așteptare (3-5 minute) în oală pentru ca gazul și incluziunile să plutească înainte de turnare.
   • Folosiți agenți de protecție sau de acoperire cu argon pentru a preveni oxidarea în timpul menținerii.

3.4 Îmbunătățirea răcirii matriței

1. Proiectarea canalului de răcire
   • Încorporarea canalelor de răcire conformale în matriță pentru a obține rate uniforme de răcire pe întreaga piesă turnată.
   • Folosiți inserții răcite cu apă sau plăci de răcire externe pentru secțiuni groase pentru a accelera solidificarea.
2. Izolație termică și răcoare
   • Aplicați straturi de izolație termică pe secțiuni subțiri pentru a încetini răcirea și a echilibra gradienții termici.
   • Folosiți răciri externe (de exemplu, inserții de cupru sau oțel) la secțiunile groase pentru a promova solidificarea rapidă și a reduce porozitatea prin contracție.
3. Selectarea materialului matriței
   • Alegeți materiale de matriță cu conductivitate termică ridicată (de exemplu, oțel H13) pentru secțiuni subțiri, pentru a îmbunătăți disiparea căldurii.
   • Pentru secțiuni groase, utilizați materiale cu conductivitate termică mai mică (de exemplu, grafit) pentru a încetini răcirea și a reduce riscul de rupere la cald.

3.5 Reducerea stresului termic

1. Rate de răcire controlate
   • Implementați o rată lentă de răcire (≤ 5°C/min) în timpul intervalului de solidificare pentru a minimiza gradienții termici.
   • Folosiți pături de răcire a cuptorului sau izolatoare pentru a menține o distribuție uniformă a temperaturii.
2. Tratament termic pentru ameliorarea stresului
   • Efectuați un tratament de recoacere pentru detensionare (de exemplu, 500–600°C timp de 2–4 ore) după solidificare pentru a reduce tensiunea reziduală.
   • Pentru piese turnate de dimensiuni mari, luați în considerare un proces de recoacere în mai multe etape pentru a elibera treptat stresul fără a induce noi fisuri.
3. Minimizarea restricțiilor de mucegai
   • Proiectați matrița cu unghiuri de deformare suficiente (≥ 1°) pentru a facilita ejectarea ușoară și a reduce stresul mecanic.
   • Folosiți știfturi de ejecție de dimensiune și amplasare adecvate pentru a distribui uniform forțele de ejecție.

3.6 Controlul materialelor și al procesului de topire

1. Optimizarea compoziției chimice
   • Ajustați conținutul de nichel și cobalt pentru a restrânge intervalul de solidificare și a îmbunătăți eficiența alimentării.
   • Limitați conținutul de impurități (de exemplu, sulf, fosfor) care favorizează ruperea la cald.
2. Practică de topire
   • Folosiți materiale de încărcare uscate și curate pentru a reduce acumularea de hidrogen și porozitatea.
   • Se utilizează tehnici de degazare (de exemplu, degazarea cu rotor rotativ) pentru a îndepărta gazele dizolvate înainte de turnare.
   • Controlați temperatura de topire pentru a evita oxidarea excesivă și absorbția de azot.
3. Rafinarea cerealelor
   • Adăugați agenți de rafinare a granulelor (de exemplu, titan sau bor) pentru a promova formarea echiaxială a granulelor, ceea ce îmbunătățește alimentarea și reduce susceptibilitatea la rupere la cald.
   • Folosiți agitarea electromagnetică în timpul topirii pentru a obține o structură uniformă a granulelor.

4. Studiu de caz: Îmbunătățirea procesului de turnare a unui magneți AlNiCo

Un producător de magneți permanenți din AlNiCo a întâmpinat o porozitate severă prin contracție și ruptură la cald într-o piesă turnată cu formă complexă. Procesul inițial folosea o singură coloană verticală cu volum inadecvat, iar matrița nu avea canale de răcire, ceea ce a dus la o răcire inegală și la o tensiune reziduală ridicată.

Măsuri de îmbunătățire :

1. Reproiectarea coloanei : Coloana unică a fost înlocuită cu două coloane laterale de volum mărit, poziționate în punctele fierbinți identificate prin simulare.
2. Sistem de răcire : Au fost adăugate canale de răcire conformale în matriță pentru a obține rate uniforme de răcire pe întreaga piesă turnată.
3. Optimizarea turnării : Temperatura de turnare a fost ajustată la 10°C peste lichidus și viteza de turnare a fost redusă la 0,7 m/s.
4. Detensionare : S-a implementat un tratament de recoacere de detensionare la 550°C timp de 3 ore după solidificare.

Rezultate :

• Porozitatea prin contracție a fost redusă cu 80%, iar ruperea la cald a fost eliminată.
• Randamentul pieselor turnate acceptabile a crescut de la 65% la 92%.
• Proprietățile magnetice ale produsului final s-au îmbunătățit datorită densității reduse a defectelor.

5. Concluzie

Porozitatea prin contracție, cavitățile prin contracție și fisurile sunt defecte frecvente la piesele turnate din AlNiCo, cauzate în principal de alimentarea inadecvată, stresul termic și parametrii de proces necorespunzătoare. Prin optimizarea designului coloanelor verticale, îmbunătățirea structurii pieselor turnate, controlul parametrilor de turnare, îmbunătățirea răcirii matriței, reducerea stresului termic și rafinarea materialelor și a practicilor de topire, aceste defecte pot fi reduse sau eliminate semnificativ. Instrumentele de simulare numerică și optimizarea sistematică a procesului sunt esențiale pentru obținerea unor piese turnate din AlNiCo de înaltă calitate, cu proprietăți mecanice și performanțe magnetice îmbunătățite.