Причины и меры по улучшению процесса образования усадочной пористости, усадочных полостей и трещин в литых заготовках из алюминиево-никель-кобальтовых (AlNiCo) магнитов.

1. Введение

Алюминиево-никель-кобальтовые (AlNiCo) сплавы широко используются в постоянных магнитах, датчиках и прецизионных приборах благодаря своим превосходным магнитным свойствам, высокой температуре Кюри и хорошей термической стабильности. Однако в процессе литья часто возникают дефекты, такие как усадочная пористость, усадочные полости и трещины, которые серьезно влияют на механические свойства, магнитные характеристики и выход годных изделий. В данной статье систематически анализируются первопричины этих дефектов и предлагаются целенаправленные меры по улучшению процесса для обеспечения технической поддержки производства высококачественных отливок из AlNiCo.

2. Причины дефектов

2.1 Усадочная пористость и усадочные полости

Усадочная пористость и усадочные полости — это внутренние пустоты, образующиеся в процессе затвердевания сплавов AlNiCo из-за недостаточной подачи жидкого металла. Механизмы их образования и влияющие на них факторы следующие:

2.1.1 Характеристики усадки при затвердении

Сплавы AlNiCo обладают широким диапазоном затвердевания (разницей температур ликвидуса и солидуса), что приводит к образованию продолжительной зоны кристаллизации. В этот период формируются дендритные отростки, блокирующие питающие каналы и препятствующие компенсации объемной усадки жидким металлом, что приводит к образованию дисперсной усадочной пористости или централизованных усадочных полостей.

2.1.2 Недостаточная конструкция стояка

• Недостаточный объем стояка : Стоек не вмещает достаточное количество жидкого металла для компенсации усадки при затвердении.
• Неправильное расположение стояка : стояк не расположен в горячей точке (последней зоне затвердевания), что приводит к локальному сбою подачи сырья.
• Преждевременное затвердевание питателя : питатель затвердевает до начала литья, перекрывая путь подачи материала.

2.1.3 Неправильная конструкция отливки

• Переходы от толстого к тонкому сечению : Резкие изменения толщины сечения вызывают локальное быстрое охлаждение, образуя горячие точки, склонные к дефектам усадки.
• Острые углы и скругления : концентрация напряжений в острых углах препятствует течению жидкого металла, усугубляя усадочную пористость.

2.1.4 Неправильные параметры заливки

• Низкая температура заливки : снижает текучесть жидкого металла, ухудшая эффективность подачи.
• Высокая скорость заливки : вызывает турбулентность и захват воздуха, что приводит к образованию пористости за счет усадки, вызванной газом.
• Короткое время выдержки : недостаточно времени для всплывания газа и включений, что увеличивает вероятность образования пористости.

2.1.5 Дефекты системы охлаждения пресс-формы

• Неравномерная скорость охлаждения : чрезмерные температурные градиенты между различными участками отливки вызывают термические напряжения, способствуя образованию усадочных камер.
• Недостаточное охлаждение в толстых участках : медленное охлаждение в толстых областях продлевает зону кристаллизации, увеличивая риск образования усадочной пористости.

2.2 Трещины

Трещины в отливках из сплава AlNiCo возникают в основном из-за термических или механических напряжений, превышающих прочность материала в процессе затвердевания или охлаждения. Основные типы и причины трещин:

2.2.1 Горячие разрывы (термические трещины)

• Механизм образования : Происходит на поздних стадиях затвердевания, когда отливка обладает ограниченной пластичностью, но все еще подвержена растягивающим напряжениям из-за неравномерного охлаждения или ограничения формы.
• Факторы влияния:
  • Широкий диапазон затвердевания : удлиняет зону кристаллизации, повышая восприимчивость к горячему растрескиванию.
  • Высокий коэффициент теплового расширения : усиливает термическое напряжение при охлаждении.
  • Неправильная фиксация формы : чрезмерное трение или давление со стороны формы ограничивают усадку, вызывая образование трещин.
  • Острые углы и тонкие стенки : вызывают концентрацию напряжений, способствуя образованию трещин.

2.2.2 Холодные трещины

• Механизм образования : Происходит после затвердевания из-за остаточных напряжений, возникающих в результате неравномерного охлаждения или внешних механических нагрузок.
• Факторы влияния:
  • Высокое остаточное напряжение : вызвано быстрым охлаждением или неправильной термообработкой.
  • Низкая пластичность : наличие хрупких фаз (например, избытка карбидов) снижает сопротивление растрескиванию.
  • Механическое воздействие : Во время извлечения или обработки локальное напряжение превышает прочность материала.

3. Меры по улучшению процессов

3.1 Оптимизация конструкции стояка

1. Объем и расположение стояка
   • Используйте численное моделирование (например, MAGMAsoft, ProCAST) для точного прогнозирования последней зоны затвердевания и соответствующего размещения стояка.
   • Для обеспечения достаточной подачи сырья увеличьте объем стояка на 10–20% по сравнению с теоретическими расчетами.
   • Для повышения эффективности подачи при изготовлении сложных отливок следует использовать боковые или многоканальные подающие устройства.
2. Выбор типа стояка
   • Для замедления затвердевания и увеличения времени подачи используйте экзотермические или изолирующие стояки.
   • Для толстостенных отливок следует рассмотреть возможность использования систем подачи металла под давлением для улучшения текучести жидкого металла.
3. Конструкция с поднятым грифом
   • Оптимизируйте размеры горловины стояка, чтобы сбалансировать давление подачи и время затвердевания. Узкая горловина может уменьшить сопротивление подаче, но может привести к преждевременному затвердеванию, в то время как широкая горловина обеспечивает подачу, но может снизить выход готовой продукции.

3.2 Улучшение структуры литья

1. Равномерность толщины стенки
   • Избегайте резких изменений толщины среза; используйте плавные переходы (например, скругления с радиусами ≥ 5 мм) для уменьшения температурных градиентов.
   • Для толстых деталей следует использовать внутренние охлаждающие элементы или ребра для ускорения затвердевания и минимизации зон перегрева.
2. Функции для снятия стресса
   • На острых углах следует нанести канавки или ребра для снятия напряжения, чтобы распределить нагрузку и предотвратить образование трещин.
   • Используйте полые или ребристые конструкции для уменьшения массы и улучшения равномерности охлаждения.
3. Оптимизация системы управления
   • Разработайте систему литниковых каналов таким образом, чтобы обеспечить плавный поток жидкого металла с минимальной турбулентностью.
   • Используйте конические направляющие и задвижки для регулирования скорости потока и предотвращения попадания воздуха.
   • Располагайте литники в местах с толстыми участками, чтобы способствовать направленному затвердеванию в сторону стояка.

3.3 Контроль параметров заливки

1. Температура заливки
   • Для обеспечения хорошей текучести без чрезмерной усадки необходимо поддерживать оптимальную температуру заливки (обычно на 10–20 °C выше температуры ликвидуса).
   • Для сплавов AlNiCo с высоким содержанием никеля могут потребоваться несколько более высокие температуры для компенсации их высокой вязкости.
2. Скорость наливания
   • Для предотвращения турбулентности и попадания воздуха используйте умеренную скорость наливания (0,5–1,0 м/с).
   • Для крупных отливок следует применять многоступенчатую технологию заливки, чтобы постепенно заполнять форму и уменьшить термический шок.
3. Время удержания
   • Перед заливкой дайте смеси достаточно времени постоять в ковше (3–5 минут), чтобы газ и включения всплыли на поверхность.
   • Для предотвращения окисления во время выдержки используйте аргоновую защиту или защитные средства.

3.4 Улучшение охлаждения пресс-форм

1. Конструкция каналов охлаждения
   • Для обеспечения равномерного охлаждения по всей поверхности отливки следует предусмотреть в форме конформные каналы охлаждения.
   • Для ускорения затвердевания толстых участков используйте вставки с водяным охлаждением или внешние охлаждающие пластины.
2. Теплоизоляция и охлаждение
   • Наносите теплоизоляционные покрытия на тонкие участки, чтобы замедлить охлаждение и сбалансировать температурные градиенты.
   • Для ускорения затвердевания и уменьшения усадочной пористости в толстых секциях используйте внешние охлаждающие элементы (например, медные или стальные вставки).
3. Выбор материала для пресс-формы
   • Для тонких профилей выбирайте материалы для пресс-форм с высокой теплопроводностью (например, сталь H13), чтобы улучшить рассеивание тепла.
   • Для толстых участков используйте материалы с более низкой теплопроводностью (например, графит), чтобы замедлить охлаждение и снизить риск разрыва под воздействием высоких температур.

3.5 Снижение теплового напряжения

1. Регулируемые скорости охлаждения
   • Для минимизации температурных градиентов следует применять медленную скорость охлаждения (≤ 5 °C/мин) в процессе затвердевания.
   • Для поддержания равномерного распределения температуры используйте охлаждающие или теплоизоляционные одеяла для печей.
2. Термическая обработка для снятия напряжения
   • После затвердевания проведите термическую обработку для снятия напряжений (например, при температуре 500–600 °C в течение 2–4 часов), чтобы уменьшить остаточные напряжения.
   • Для крупных отливок рекомендуется использовать многоступенчатый процесс отжига, чтобы постепенно снять напряжение, не вызывая образования новых трещин.
3. Минимизация препятствий для образования плесени
   • Спроектируйте пресс-форму с достаточными углами уклона (≥ 1°), чтобы облегчить извлечение заготовки и снизить механическое напряжение.
   • Используйте выталкивающие штифты соответствующего размера и расположения, чтобы равномерно распределить усилие выталкивания.

3.6 Контроль материалов и процесса плавления

1. Оптимизация химического состава
   • Отрегулируйте содержание никеля и кобальта, чтобы сузить диапазон затвердевания и повысить эффективность подачи.
   • Ограничьте содержание примесей (например, серы, фосфора), способствующих растрескиванию тканей при нагревании.
2. Практика плавления
   • Для уменьшения поглощения водорода и пористости используйте сухие и чистые материалы для заряжания.
   • Для удаления растворенных газов перед заливкой следует применять методы дегазации (например, дегазацию с помощью роторного импеллера).
   • Контролируйте температуру плавления, чтобы избежать чрезмерного окисления и поглощения азота.
3. Очистка зерна
   • Для улучшения формирования равноосных зерен, повышения эффективности подачи материала и снижения склонности к растрескиванию при высоких температурах, следует добавлять модификаторы зерна (например, титан или бор).
   • Для достижения однородной зернистой структуры используйте электромагнитное перемешивание в процессе плавления.

4. Пример из практики: Улучшение технологического процесса литья магнитов из сплава AlNiCo.

Производитель постоянных магнитов из сплава AlNiCo столкнулся с сильной усадочной пористостью и горячим растрескиванием при отливке сложной формы. В первоначальном процессе использовался один питатель недостаточного объема, а в форме отсутствовали каналы охлаждения, что приводило к неравномерному охлаждению и высоким остаточным напряжениям.

Меры по улучшению :

1. Перепроектирование стояка : заменен одинарный стояк двумя боковыми стояками увеличенного объема, расположенными в местах наибольшей нагрузки, выявленных в ходе моделирования.
2. Система охлаждения : В форму были добавлены конформные охлаждающие каналы для достижения равномерной скорости охлаждения по всей отливке.
3. Оптимизация процесса заливки : температура заливки была скорректирована на 10 °C выше температуры ликвидуса, а скорость заливки снижена до 0,7 м/с.
4. Снятие напряжений : После затвердевания была проведена термическая обработка для снятия напряжений при температуре 550°C в течение 3 часов.

Результаты :

• Пористость, обусловленная усадкой, снизилась на 80%, а образование горячих трещин было устранено.
• Выход годных отливок увеличился с 65% до 92%.
• Благодаря снижению плотности дефектов магнитные свойства конечного продукта улучшились.

5. Заключение

Усадочная пористость, усадочные полости и трещины являются распространенными дефектами в отливках из сплава AlNiCo, в основном вызванными недостаточной подачей материала, термическими напряжениями и неправильными параметрами процесса. Оптимизация конструкции питателя, улучшение структуры отливки, контроль параметров заливки, улучшение охлаждения формы, снижение термических напряжений и совершенствование материалов и методов плавки позволяют значительно уменьшить или устранить эти дефекты. Численные методы моделирования и систематическая оптимизация процесса являются ключом к получению высококачественных отливок из сплава AlNiCo с улучшенными механическими свойствами и магнитными характеристиками.