Príčiny a opatrenia na zlepšenie procesu pre pórovitosť zmršťovania, dutiny zo zmršťovania a trhliny v drsných častiach z liatych hliníkovo-niklových-kobaltových (AlNiCo) magnetov

1. Úvod

Zliatiny hliníka, niklu a kobaltu (AlNiCo) sa vďaka svojim vynikajúcim magnetickým vlastnostiam, vysokej Curieho teplote a dobrej tepelnej stabilite široko používajú v permanentných magnetoch, senzoroch a presných prístrojoch. Počas procesu odlievania sa však často vyskytujú chyby, ako je zmršťovacia pórovitosť, zmršťovacie dutiny a praskliny, ktoré výrazne ovplyvňujú mechanické vlastnosti, magnetický výkon a výťažnosť surových dielov. Tento článok systematicky analyzuje základné príčiny týchto chýb a navrhuje cielené opatrenia na zlepšenie procesu s cieľom poskytnúť technickú podporu pre výrobu vysokokvalitných odliatkov AlNiCo.

2. Príčiny porúch

2.1 Pórovitosť a dutiny spôsobené zmršťovaním

Zmršťovacia pórovitosť a zmršťovacie dutiny sú vnútorné dutiny, ktoré vznikajú počas tuhnutia zliatin AlNiCo v dôsledku nedostatočného prísunu tekutého kovu. Mechanizmy ich vzniku a ovplyvňujúce faktory sú nasledovné:

2.1.1 Charakteristiky zmršťovania pri tuhnutí

Zliatiny AlNiCo vykazujú široký rozsah tuhnutia (teplotný rozdiel likvidus-solidus), čo vedie k predĺženej kašovitej zóne počas tuhnutia. Počas tohto obdobia sa tvoria dendritické ramená, ktoré blokujú prívodné kanály a bránia tekutému kovu v kompenzácii objemového zmršťovania, čo vedie k rozptýlenej pórovitosti zmršťovania alebo centralizovaným zmršťovacím dutinám.

2.1.2 Nedostatočný dizajn stúpačky

• Nedostatočný objem stúpačky : Stúpačka nedokáže uskladniť dostatok tekutého kovu na kompenzáciu zmršťovania pri tuhnutí.
• Nesprávne umiestnenie stúpačky : Stúpačka nie je umiestnená v horúcom bode (posledná oblasť tuhnutia), čo vedie k lokálnemu zlyhaniu podávania.
• Predčasné tuhnutie stúpačky : Stúpačka tuhne pred odlievaním, čím sa preruší dráha podávania.

2.1.3 Neprimeraná štruktúra odliatku

• Prechody z hrubej na tenkú vrstvu : Prudké zmeny hrúbky prierezu spôsobujú lokalizované rýchle ochladzovanie, čím vznikajú horúce miesta, ktoré sú náchylné na zmršťovacie chyby.
• Ostré rohy a zaoblenia : Koncentrácia napätia v ostrých rohoch bráni toku tekutého kovu, čím sa zhoršuje pórovitosť spôsobená zmršťovaním.

2.1.4 Nesprávne parametre liatia

• Nízka teplota odlievania : Znižuje tekutosť tekutého kovu, čím sa zhoršuje účinnosť podávania.
• Vysoká rýchlosť liatia : Spôsobuje turbulencie a zachytávanie vzduchu, čo vedie k pórovitosti zmršťovania spôsobeného plynom.
• Krátky čas zdržania : Nedostatočný čas na vyplávanie plynu a inklúzií, čo zvyšuje pravdepodobnosť pórovitosti.

2.1.5 Poruchy chladiaceho systému formy

• Nerovnomerná rýchlosť chladnutia : Nadmerné teplotné gradienty medzi rôznymi časťami odliatku spôsobujú tepelné namáhanie, čo podporuje tvorbu zmršťovacích dutín.
• Nedostatočné chladenie v hrubých úsekoch : Pomalé chladenie v hrubých oblastiach predlžuje kašovitú zónu, čím sa zvyšuje riziko pórovitosti spôsobenej zmršťovaním.

2.2 Trhliny

Trhliny v odliatkoch AlNiCo sú primárne spôsobené tepelným namáhaním alebo mechanickým namáhaním presahujúcim pevnosť materiálu počas tuhnutia alebo chladnutia. Hlavné typy a príčiny sú:

2.2.1 Horúce trhliny (tepelné trhliny)

• Mechanizmus vzniku : Vyskytuje sa v neskorých štádiách tuhnutia, keď má odliatok obmedzenú ťažnosť, ale stále je vystavený ťahovému napätiu v dôsledku nerovnomerného chladenia alebo upchatia formy.
• Ovplyvňujúce faktory:
  • Široký rozsah tuhnutia : Predlžuje kašovitú zónu, čím zvyšuje náchylnosť na trhanie za tepla.
  • Vysoký koeficient tepelnej rozťažnosti : Zvyšuje tepelné namáhanie počas chladenia.
  • Nesprávne upevnenie formy : Nadmerné trenie alebo tlak z formy obmedzuje zmršťovanie a spôsobuje praskliny.
  • Ostré rohy a tenké steny : Spôsobujú koncentráciu napätia, čo podporuje vznik trhlín.

2.2.2 Studené trhliny

• Mechanizmus vzniku : Vznikajú po stuhnutí v dôsledku zvyškového napätia z nerovnomerného ochladzovania alebo vonkajšieho mechanického zaťaženia.
• Ovplyvňujúce faktory:
  • Vysoké zvyškové napätie : Spôsobené rýchlym ochladením alebo nesprávnym tepelným spracovaním.
  • Nízka ťažnosť : Prítomnosť krehkých fáz (napr. nadmerné množstvo karbidov) znižuje odolnosť voči praskaniu.
  • Mechanický náraz : Počas vyhadzovania alebo manipulácie lokálne napätie prevyšuje pevnosť materiálu.

3. Opatrenia na zlepšenie procesov

3.1 Optimalizácia návrhu stúpačky

1. Objem a umiestnenie stúpačky
   • Na presnú predpoveď poslednej oblasti tuhnutia a umiestnenie stúpačky podľa toho použite numerickú simuláciu (napr. MAGMAsoft, ProCAST).
   • Zvýšte objem stúpačky o 10 – 20 % v porovnaní s teoretickými výpočtami, aby ste zabezpečili dostatočné kŕmenie.
   • Pre zložité odliatky použite bočné alebo viacero stúpacích potrubí na zlepšenie efektivity podávania.
2. Výber typu stúpačky
   • Na oddialenie tuhnutia a predĺženie času podávania použite exotermické alebo izolačné stúpačky.
   • Pri odliatkoch s hrubým prierezom zvážte systémy podávania s podporou tlaku na zlepšenie toku tekutého kovu.
3. Dizajn krku s stúpaním
   • Optimalizujte rozmery hrdla stúpačky, aby ste vyvážili tlak podávania a čas tuhnutia. Úzke hrdlo môže znížiť odpor pri podávaní, ale môže predčasne stuhnúť, zatiaľ čo široké hrdlo zaisťuje podávanie, ale môže znížiť výťažnosť.

3.2 Zlepšenie štruktúry odliatku

1. Rovnomernosť hrúbky steny
   • Vyhnite sa prudkým zmenám hrúbky prierezu; na zníženie teplotných gradientov použite postupné prechody (napr. zaoblenia s polomermi ≥ 5 mm).
   • Pri hrubých profiloch zahrňte vnútorné chladiace rebrá alebo odkvapkávacie lišty, aby ste urýchlili tuhnutie a minimalizovali výskyt horúcich miest.
2. Funkcie na zmiernenie stresu
   • Pridajte drážky alebo rebrá na odľahčenie napätia v ostrých rohoch, aby ste rozložili napätie a zabránili vzniku trhlín.
   • Na zníženie hmotnosti a zlepšenie rovnomernosti chladenia použite duté alebo rebrované štruktúry.
3. Optimalizácia hradlového systému
   • Navrhnite vtokový systém tak, aby sa zabezpečil plynulý tok tekutého kovu s minimálnou turbulenciou.
   • Na reguláciu rýchlosti prúdenia a zabránenie zachytávania vzduchu použite zúžené koľajnice a uzávery.
   • Umiestnite vrátka v hrubých úsekoch, aby ste podporili smerové tuhnutie smerom k stúpačke.

3.3 Riadenie parametrov liatia

1. Teplota liatia
   • Udržiavajte optimálnu teplotu liatia (zvyčajne o 10 – 20 °C nad teplotou likvidu), aby ste zabezpečili dobrú tekutosť bez nadmerného zmršťovania.
   • Pre zliatiny AlNiCo s vysokým obsahom niklu môžu byť potrebné mierne vyššie teploty na kompenzáciu ich vysokej viskozity.
2. Rýchlosť liatia
   • Používajte miernu rýchlosť liatia (0,5 – 1,0 m/s), aby ste predišli turbulencii a zachytávaniu vzduchu.
   • Pri veľkých odliatkoch použite viacstupňovú techniku ​​liatia, aby ste postupne naplnili formu a znížili tepelný šok.
3. Čas držania
   • Pred nalievaním nechajte v naberačke dostatočný čas (3 – 5 minút), aby sa plyn a inklúzie mohli vyplaviť.
   • Na zabránenie oxidácie počas držania použite argónovú ochrannú vrstvu alebo krycie činidlá.

3.4 Zlepšenie chladenia formy

1. Návrh chladiaceho kanála
   • Začlenenie konformných chladiacich kanálov do formy na dosiahnutie rovnomernej rýchlosti chladenia v celom odliatku.
   • Pre hrubé profily použite vodou chladené vložky alebo externé chladiace dosky na urýchlenie tuhnutia.
2. Tepelná izolácia a chlad
   • Na tenké časti naneste tepelnoizolačné nátery, aby ste spomalili chladnutie a vyrovnali teplotné gradienty.
   • V hrubých častiach použite vonkajšie chladiace vložky (napr. medené alebo oceľové vložky), aby ste podporili rýchle tuhnutie a znížili pórovitosť zmršťovania.
3. Výber materiálu formy
   • Pre tenké profily vyberte materiály foriem s vysokou tepelnou vodivosťou (napr. oceľ H13), aby sa zlepšil odvod tepla.
   • Pre hrubé profily použite materiály s nižšou tepelnou vodivosťou (napr. grafit), aby sa spomalilo chladnutie a znížilo riziko roztrhnutia za tepla.

3.5 Zníženie tepelného namáhania

1. Kontrolované rýchlosti chladenia
   • Počas tuhnutia zaveďte pomalú rýchlosť ochladzovania (≤ 5 °C/min), aby ste minimalizovali teplotné gradienty.
   • Na udržanie rovnomerného rozloženia teploty použite chladenie pece alebo izolačné prikrývky.
2. Tepelné ošetrenie na zmiernenie stresu
   • Po stuhnutí vykonajte žíhanie na zníženie napätia (napr. 500 – 600 °C počas 2 – 4 hodín), aby sa znížilo zvyškové napätie.
   • Pri veľkých odliatkoch zvážte viacstupňový proces žíhania, aby sa postupne uvoľnilo napätie bez vyvolania nových trhlín.
3. Minimalizácia obmedzenia plesní
   • Navrhnite formu s dostatočnými uhlami sklonu (≥ 1°), aby sa uľahčilo vyhadzovanie a znížilo mechanické namáhanie.
   • Na rovnomerné rozloženie vyhadzovacích síl použite vyhadzovacie kolíky vhodnej veľkosti a umiestnenia.

3.6 Riadenie materiálu a procesu tavenia

1. Optimalizácia chemického zloženia
   • Upravte obsah niklu a kobaltu, aby ste zúžili rozsah tuhnutia a zlepšili účinnosť podávania.
   • Obmedzte obsah nečistôt (napr. síry, fosforu), ktoré podporujú trhanie za tepla.
2. Prax tavenia
   • Na zníženie zachytávania vodíka a pórovitosti použite suché a čisté vsádzkové materiály.
   • Pred naliatím použite techniky odplyňovania (napr. odplyňovanie rotačným obežným kolesom) na odstránenie rozpustených plynov.
   • Kontrolujte teplotu topenia, aby ste predišli nadmernej oxidácii a absorpcii dusíka.
3. Zjemňovanie obilia
   • Pridajte zjemňovače zŕn (napr. titán alebo bór) na podporu tvorby rovnomerne tvarovaných zŕn, čo zlepšuje podávanie a znižuje náchylnosť na trhanie za tepla.
   • Počas tavenia použite elektromagnetické miešanie, aby ste dosiahli jednotnú štruktúru zŕn.

4. Prípadová štúdia: Zlepšenie procesu odlievania magnetov z AlNiCo

Výrobca permanentných magnetov AlNiCo sa stretol s výraznou pórovitosťou zmršťovania a horúcim trhaním v odliatku zložitého tvaru. Pôvodný proces používal jednu stúpačku s nedostatočným objemom a forma nemala chladiace kanály, čo viedlo k nerovnomernému chladeniu a vysokému zvyškovému napätiu.

Opatrenia na zlepšenie :

1. Prepracovanie stúpačiek : Jednoduché stúpačky boli nahradené dvoma bočnými stúpačkami so zvýšeným objemom, umiestnenými na miestach s vysokou citlivosťou identifikovaných simuláciou.
2. Chladiaci systém : Vo forme boli pridané konformné chladiace kanály na dosiahnutie rovnomerného chladenia v celom odliatku.
3. Optimalizácia liatia : Teplota liatia bola upravená o 10 °C nad teplotu likvidu a rýchlosť liatia bola znížená na 0,7 m/s.
4. Odstránenie napätia : Po stuhnutí sa vykonalo žíhanie na odstránenie napätia pri teplote 550 °C počas 3 hodín.

Výsledky :

• Pórovitosť zmršťovania sa znížila o 80 % a eliminovalo sa trhanie za tepla.
• Výťažnosť prijateľných odliatkov sa zvýšila zo 65 % na 92 ​​%.
• Magnetické vlastnosti konečného produktu sa zlepšili vďaka zníženej hustote defektov.

5. Záver

Pórovitosť zmršťovania, dutiny zmršťovania a praskliny sú bežnými chybami v odliatkoch AlNiCo, ktoré sú spôsobené predovšetkým nedostatočným podávaním, tepelným namáhaním a nesprávnymi procesnými parametrami. Optimalizáciou konštrukcie stúpacieho potrubia, zlepšením štruktúry odliatku, riadením parametrov odlievania, zlepšením chladenia formy, znížením tepelného namáhania a zjemnením materiálu a postupov tavenia je možné tieto chyby výrazne znížiť alebo úplne eliminovať. Nástroje numerickej simulácie a systematická optimalizácia procesov sú kľúčom k dosiahnutiu vysoko kvalitných odliatkov AlNiCo so zlepšenými mechanickými vlastnosťami a magnetickým výkonom.