Узроци и мере за побољшање процеса за порозност услед скупљања, шупљине услед скупљања и пукотине у грубим деловима од ливеног алуминијум-никл-кобалта (AlNiCo) магнета

1. Увод

Легуре алуминијум-никл-кобалт (AlNiCo) се широко користе у перманентним магнетима, сензорима и прецизним инструментима због својих одличних магнетних својстава, високе Киријеве температуре и добре термичке стабилности. Међутим, током процеса ливења често се јављају дефекти као што су порозност услед скупљања, шупљине услед скупљања и пукотине, што озбиљно утиче на механичка својства, магнетне перформансе и принос грубих делова. Овај чланак систематски анализира основне узроке ових дефеката и предлаже циљане мере за побољшање процеса како би се пружила техничка подршка за производњу висококвалитетних AlNiCo одливака.

2. Узроци недостатака

2.1 Порозност и шупљине услед скупљања

Порозност услед скупљања и шупљине услед скупљања су унутрашње шупљине које се формирају током очвршћавања AlNiCo легура због недовољног довода течног метала. Њихови механизми формирања и фактори утицаја су следећи:

2.1.1 Карактеристике скупљања при очвршћавању

AlNiCo легуре показују широк опсег очвршћавања (температурска разлика између ликвидуса и солидуса), што доводи до продужене кашасте зоне током очвршћавања. Током овог периода, формирају се дендритични кракови, који блокирају канале за довод и спречавају течни метал да компензује волуметријско скупљање, што резултира диспергованом порозношћу услед скупљања или централизованим шупљинама услед скупљања.

2.1.2 Неадекватан дизајн успона

• Недовољна запремина успона : Успонски систем не успева да складишти довољно течног метала да би компензовао скупљање услед очвршћавања.
• Неправилна локација успона : Подизни систем није постављен на врућу тачку (последње подручје очвршћавања), што доводи до локализованог квара у доводу.
• Прерано очвршћавање успона : Успон се стврдњава пре ливења, прекидајући пут довода.

2.1.3 Неразумна структура ливења

• Прелази од дебљег до танког слоја : Оштре промене у дебљини пресека узрокују локализовано брзо хлађење, формирајући вруће тачке које су склоне дефектима услед скупљања.
• Оштри углови и заобљења : Концентрација напона на оштрим угловима инхибира проток течног метала, погоршавајући порозност услед скупљања.

2.1.4 Неправилни параметри сипења

• Ниска температура ливења : Смањује флуидност течног метала, што смањује ефикасност додавања.
• Велика брзина ливења : Изазива турбуленцију и заробљавање ваздуха, што доводи до порозности услед скупљања уз помоћ гаса.
• Кратко време задржавања : Недовољно времена да гас и инклузије испливају, што повећава вероватноћу порозности.

2.1.5 Дефекти система за хлађење калупа

• Неравномерна брзина хлађења : Прекомерни температурни градијенти између различитих делова одливка изазивају термички стрес, што подстиче стварање шупљина услед скупљања.
• Недовољно хлађење у дебелим пресецима : Споро хлађење у дебелим регионима продужава кашасту зону, повећавајући ризик од скупљања порозности.

2.2 Пукотине

Пукотине у одливцима AlNiCo првенствено су узроковане термичким напрезањем или механичким напрезањем које прелази чврстоћу материјала током очвршћавања или хлађења. Главне врсте и узроци су:

2.2.1 Вруће пукотине (термичке пукотине)

• Механизам формирања : Јављају се током касних фаза очвршћавања када одливак има ограничену дуктилност, али је и даље подложан затезном напрезању због неравномерног хлађења или задржавања калупа.
• Фактори утицаја:
  • Широк опсег очвршћавања : Продужава кашасту зону, повећавајући подложност кидању услед врућине.
  • Висок коефицијент термичког ширења : Појачава термички напон током хлађења.
  • Неправилно задржавање калупа : Прекомерно трење или притисак калупа ограничава скупљање, изазивајући пукотине.
  • Оштри углови и танки зидови : Изазивају концентрацију напона, што подстиче настанак пукотина.

2.2.2 Хладне пукотине

• Механизам формирања : Настаје након очвршћавања због заосталог напрезања услед неравномерног хлађења или спољашњих механичких оптерећења.
• Фактори утицаја:
  • Висок заостали напон : Узрокован брзим хлађењем или неправилном термичком обрадом.
  • Ниска дуктилност : Присуство крхких фаза (нпр. прекомерних карбида) смањује отпорност на пуцање.
  • Механички удар : Током избацивања или руковања, локализовани напон превазилази чврстоћу материјала.

3. Мере за побољшање процеса

3.1 Оптимизација дизајна подизача

1. Запремина и локација успона
   • Користите нумеричку симулацију (нпр. MAGMAsoft, ProCAST) да бисте прецизно предвидели последњу област очвршћавања и поставили успон у складу са тим.
   • Повећајте запремину успона за 10–20% у поређењу са теоријским прорачунима како бисте осигурали довољно храњење.
   • Усвојите бочне успоне или више успонских отвора за сложене одливке како бисте побољшали ефикасност храњења.
2. Избор типа успона
   • Користите егзотермне или изолационе успинске цеви да бисте одложили очвршћавање и продужили време храњења.
   • За одливке дебелог пресека, размотрите системе за довод под притиском како бисте побољшали проток течног метала.
3. Дизајн подижућег врата
   • Оптимизујте димензије грлића успона како бисте уравнотежили притисак храњења и време очвршћавања. Уски грлић може смањити отпор храњења, али може прерано да се стврдне, док широки грлић осигурава храњење, али може смањити принос.

3.2 Побољшање структуре одливака

1. Уједначеност дебљине зида
   • Избегавајте нагле промене дебљине пресека; користите постепене прелазе (нпр. угаоне заобљења са радијусима ≥ 5 mm) да бисте смањили термичке градијенте.
   • За дебеле пресеке, укључите унутрашње хладњаке или ребра за хлађење како бисте убрзали очвршћавање и смањили вруће тачке.
2. Карактеристике ублажавања стреса
   • Додајте жлебове или ребра за ублажавање напона на оштрим угловима како бисте распоредили напрезање и спречили настанак пукотина.
   • Користите шупље или ребрасте структуре да бисте смањили масу и побољшали равномерност хлађења.
3. Оптимизација система за капирање
   • Пројектовати систем за убацивање како би се обезбедио гладак проток течног метала са минималном турбуленцијом.
   • Користите конусне клизаче и капије да бисте контролисали брзину протока и спречили заробљавање ваздуха.
   • Поставите капије на дебелим деловима како бисте подстакли усмерено очвршћавање према успоннику.

3.3 Контролисање параметара ливења

1. Температура сипења
   • Одржавајте оптималну температуру сипања (обично 10–20°C изнад температуре ликвидуса) како бисте осигурали добру флуидност без прекомерног скупљања.
   • За AlNiCo легуре са високим садржајем никла, могу бити потребне нешто више температуре да би се компензовала њихова висока вискозност.
2. Брзина сипења
   • Користите умерену брзину сипања (0,5–1,0 м/с) да бисте избегли турбуленцију и заробљавање ваздуха.
   • За велике одливке, усвојите технику вишестепеног ливења како бисте постепено напунили калуп и смањили термички шок.
3. Време задржавања
   • Оставите довољно времена задржавања (3–5 минута) у лонцу да гас и инклузије испливају пре сипања.
   • Користите заштиту од аргона или средства за покривање да бисте спречили оксидацију током држања.

3.4 Побољшање хлађења калупа

1. Дизајн канала за хлађење
   • Уградите конформне канале за хлађење у калуп како бисте постигли равномерну брзину хлађења по целом одливку.
   • Користите уметке хлађене водом или спољне плоче за хлађење за дебеле пресеке како бисте убрзали очвршћавање.
2. Термичка изолација и хладноћа
   • Нанесите термоизолационе премазе на танке делове како бисте успорили хлађење и уравнотежили термичке градијенте.
   • Користите спољне хладњаке (нпр. бакарне или челичне уметке) на дебелим пресецима како бисте подстакли брзо очвршћавање и смањили порозност услед скупљања.
3. Избор материјала калупа
   • Изаберите материјале за калупе са високом топлотном проводљивошћу (нпр. челик H13) за танке пресеке како бисте побољшали одвођење топлоте.
   • За дебеле пресеке, користите материјале са нижом топлотном проводљивошћу (нпр. графит) да бисте успорили хлађење и смањили ризик од кидања услед врућине.

3.5 Смањење термичког напрезања

1. Контролисане брзине хлађења
   • Примените спору брзину хлађења (≤ 5°C/мин) током периода очвршћавања како бисте минимизирали термалне градијенте.
   • Користите хлађење пећи или изолационе покриваче да бисте одржали равномерну расподелу температуре.
2. Термичка обрада за ублажавање стреса
   • Извршите третман жарења за ублажавање напона (нпр. 500–600°C током 2–4 сата) након очвршћавања да бисте смањили заостали напон.
   • За велике одливке, размотрите вишестепени процес жарења како бисте постепено смањили напрезање без изазивања нових пукотина.
3. Минимизирање заштите од буђи
   • Пројектовати калуп са довољним угловима нагиба (≥ 1°) како би се олакшало избацивање и смањило механичко напрезање.
   • Користите игле за избацивање одговарајуће величине и положаја како бисте равномерно распоредили силе избацивања.

3.6 Контрола материјала и процеса топљења

1. Оптимизација хемијског састава
   • Подесите садржај никла и кобалта да бисте сузили опсег очвршћавања и побољшали ефикасност храњења.
   • Ограничити садржај нечистоћа (нпр. сумпора, фосфора) које подстичу вруће кидање.
2. Пракса топљења
   • Користите суве и чисте материјале за пуњење како бисте смањили апсорпцију водоника и порозност.
   • Користите технике дегазације (нпр. дегазацију ротационим импелером) да бисте уклонили растворене гасове пре сипања.
   • Контролишите температуру топљења како бисте избегли прекомерну оксидацију и апсорпцију азота.
3. Рафинирање зрна
   • Додајте средства за рафинирање зрна (нпр. титанијум или бор) да бисте подстакли формирање зрна са једнаким осама, што побољшава храњење и смањује подложност кидању на топло.
   • Користите електромагнетно мешање током топљења да бисте постигли уједначену структуру зрна.

4. Студија случаја: Унапређење процеса ливења AlNiCo магнета

Произвођач сталних магнета од AlNiCo метала сусрео се са јаком порозношћу услед скупљања и кидањем на топло у одливку сложеног облика. Оригинални процес је користио један успон са недовољном запремином, а калуп није имао канале за хлађење, што је довело до неравномерног хлађења и високог заосталог напона.

Мере за побољшање :

1. Редизајн успона : Један успон је замењен са два бочна успона повећане запремине, постављена на жариштима идентификованим симулацијом.
2. Систем хлађења : Додати су конформни канали за хлађење у калупу како би се постигла равномерна брзина хлађења по целом одливку.
3. Оптимизација ливења : Подесила је температуру ливења на 10°C изнад ликвидуса и смањила брзину ливења на 0,7 м/с.
4. Ублажавање напона : Спроведен је третман жарења за ублажавање напона на 550°C током 3 сата након очвршћавања.

Резултати :

• Порозност услед скупљања је смањена за 80%, а елиминисано је кидање на топло.
• Принос прихватљивих одливака повећан је са 65% на 92%.
• Магнетна својства финалног производа су се побољшала због смањене густине дефеката.

5. Закључак

Порозност услед скупљања, шупљине услед скупљања и пукотине су уобичајени дефекти код AlNiCo одливака, првенствено узроковани неадекватним доводом, термичким напрезањем и неправилним параметрима процеса. Оптимизацијом дизајна успонског канала, побољшањем структуре одливака, контролом параметара ливења, побољшањем хлађења калупа, смањењем термичког напрезања и рафинирањем материјала и пракси топљења, ови дефекти се могу значајно смањити или елиминисати. Алати за нумеричку симулацију и систематска оптимизација процеса су кључни за постизање висококвалитетних AlNiCo одливака са побољшаним механичким својствима и магнетним перформансама.