Orsaker och processförbättringsåtgärder för krympporositet, krymphåligheter och sprickor i gjutna aluminium-nickel-kobolt (AlNiCo) magneter i grova delar

1. Introduktion

Aluminium-nickel-kobolt (AlNiCo)-legeringar används ofta i permanentmagneter, sensorer och precisionsinstrument på grund av deras utmärkta magnetiska egenskaper, höga Curie-temperatur och goda termiska stabilitet. Under gjutningsprocessen uppstår dock ofta defekter som krympporositet, krymphåligheter och sprickor, vilket allvarligt påverkar de mekaniska egenskaperna, den magnetiska prestandan och utbytet hos de grova delarna. Denna artikel analyserar systematiskt grundorsakerna till dessa defekter och föreslår riktade processförbättringsåtgärder för att ge tekniskt stöd för högkvalitativ AlNiCo-gjutning.

2. Orsaker till defekter

2.1 Krympporositet och krymphåligheter

Krympporositet och krymphåligheter är inre hålrum som bildas under stelningen av AlNiCo-legeringar på grund av otillräcklig tillförsel av flytande metall. Deras bildningsmekanismer och påverkande faktorer är följande:

2.1.1 Krympningsegenskaper vid stelning

AlNiCo-legeringar uppvisar ett brett stelningsintervall (temperaturskillnad mellan liquidus och solidus), vilket leder till en förlängd mosig zon under stelningen. Under denna period bildas dendritiska armar, som blockerar matningskanalerna och förhindrar att den flytande metallen kompenserar för volymetrisk krympning, vilket resulterar i spridd krympningsporositet eller centraliserade krymphåligheter.

2.1.2 Otillräcklig riserdesign

• Otillräcklig stigarvolym : Stigarröret lagrar inte tillräckligt med flytande metall för att kompensera för krympning vid stelning.
• Felaktig placering av stigröret : Stigröret är inte placerat på den heta punkten (det sista stelningsområdet), vilket leder till lokalt matningsfel.
• För tidig stelning av stigröret : Stigröret stelnar före gjutningen och avbryter matningsvägen.

2.1.3 Orimlig gjutstruktur

• Övergångar från tjockt till tunt : Skarpa förändringar i sektionstjockleken orsakar lokal snabb avkylning, vilket bildar heta punkter som är benägna att krympa.
• Skarpa hörn och avrundningar : Spänningskoncentration vid vassa hörn hämmar flödet av flytande metall, vilket förvärrar krympningsporositeten.

2.1.4 Felaktiga hällparametrar

• Låg hälltemperatur : Minskar den flytande metallens fluiditet, vilket försämrar matningseffektiviteten.
• Hög gjuthastighet : Orsakar turbulens och luftinstängning, vilket leder till gasassisterad krympporositet.
• Kort hålltid : Otillräcklig tid för gas och inneslutningar att flyta, vilket ökar sannolikheten för porositet.

2.1.5 Defekter i kylsystemet för formen

• Ojämn kylningshastighet : För höga temperaturgradienter mellan olika sektioner av gjutgodset orsakar termisk spänning, vilket främjar krympningshålighet.
• Otillräcklig kylning i tjocka sektioner : Långsam kylning i tjocka områden förlänger den mosiga zonen, vilket ökar risken för krympningsporositet.

2.2 Sprickor

Sprickor i AlNiCo-gjutgods orsakas främst av termisk stress eller mekanisk stress som överstiger materialets hållfasthet under stelning eller kylning. De huvudsakliga typerna och orsakerna är:

2.2.1 Heta sprickor (termiska sprickor)

• Bildningsmekanism : Uppstår under de sena stadierna av stelningen när gjutgodset har begränsad duktilitet men fortfarande är utsatt för dragspänning på grund av ojämn kylning eller formbegränsning.
• Påverkande faktorer:
  • Brett stelningsområde : Förlänger den mosiga zonen, vilket ökar känsligheten för varm sprickbildning.
  • Hög termisk expansionskoefficient : Förstärker termisk stress under kylning.
  • Felaktig mögelåterhållning : Överdriven friktion eller tryck från formen begränsar krympning, vilket orsakar sprickor.
  • Skarpa hörn och tunna väggar : Orsakar spänningskoncentration, vilket främjar sprickbildning.

2.2.2 Kallsprickor

• Bildningsmekanism : Uppstår efter stelning på grund av kvarvarande spänningar från ojämn kylning eller externa mekaniska belastningar.
• Påverkande faktorer:
  • Hög kvarvarande stress : Orsakas av snabb kylning eller felaktig värmebehandling.
  • Låg duktilitet : Närvaron av spröda faser (t.ex. överdrivna karbider) minskar sprickmotståndet.
  • Mekanisk påverkan : Under utstötning eller hantering överstiger lokal spänning materialets hållfasthet.

3. Processförbättringsåtgärder

3.1 Optimera riserdesign

1. Stigrörets volym och plats
   • Använd numerisk simulering (t.ex. MAGMAsoft, ProCAST) för att noggrant förutsäga det sista stelningsområdet och placera stigröret därefter.
   • Öka stigrörsvolymen med 10–20 % jämfört med teoretiska beräkningar för att säkerställa tillräcklig matning.
   • Använd sidosteg eller flera steg för komplexa gjutgods för att förbättra matningseffektiviteten.
2. Val av stigartyp
   • Använd exoterma eller isolerande stigrör för att fördröja stelningen och förlänga matningstiden.
   • För gjutgods med tjock sektion, överväg tryckassisterade matningssystem för att förbättra flödet av flytande metall.
3. Riser-halsdesign
   • Optimera stigarens halsdimensioner för att balansera matningstryck och stelningstid. En smal hals kan minska matningsmotståndet men kan stelna i förtid, medan en bred hals säkerställer matning men kan minska utbytet.

3.2 Förbättra gjutstrukturen

1. Väggtjocklekens enhetlighet
   • Undvik skarpa förändringar i snittjockleken; använd gradvisa övergångar (t.ex. filéer med radier ≥ 5 mm) för att minska termiska gradienter.
   • För tjocka sektioner, använd inre kylkylningar eller kylribbor för att påskynda stelningen och minimera heta punkter.
2. Stressavlastande funktioner
   • Lägg till spänningsavlastande spår eller ribbor i vassa hörn för att fördela spänningar och förhindra sprickbildning.
   • Använd ihåliga eller ribbade strukturer för att minska massan och förbättra kylningens jämnhet.
3. Optimering av grindsystem
   • Utforma slusssystemet för att säkerställa ett jämnt flöde av flytande metall med minimal turbulens.
   • Använd koniska löpare och spjäll för att kontrollera flödeshastigheten och förhindra luftinstängning.
   • Placera portar vid tjocka sektioner för att främja riktad stelning mot stigröret.

3.3 Styrning av hällparametrar

1. Hälltemperatur
   • Bibehåll en optimal hälltemperatur (vanligtvis 10–20 °C över liquidustemperaturen) för att säkerställa god flytbarhet utan överdriven krympning.
   • För AlNiCo-legeringar med hög nickelhalt kan något högre temperaturer krävas för att kompensera för deras höga viskositet.
2. Hällhastighet
   • Använd en måttlig hällhastighet (0,5–1,0 m/s) för att undvika turbulens och luftinstängning.
   • För stora gjutgods, använd en flerstegs gjutningsteknik för att gradvis fylla formen och minska termisk chock.
3. Hålltid
   • Låt det stå tillräckligt länge (3–5 minuter) i sleven så att gas och inneslutningar kan flyta innan du häller i sleven.
   • Använd argonskydds- eller täckmedel för att förhindra oxidation under hållning.

3.4 Förbättra kylningen av formen

1. Kylkanaldesign
   • Inkorporera konforma kylkanaler i formen för att uppnå enhetliga kylningshastigheter över gjutningen.
   • Använd vattenkylda insatser eller externa kylplattor för tjocka sektioner för att påskynda stelningen.
2. Värmeisolering och kyla
   • Applicera värmeisolerande beläggningar på tunna sektioner för att bromsa kylningen och balansera värmegradienter.
   • Använd externa kylmedel (t.ex. koppar- eller stålinsatser) vid tjocka sektioner för att främja snabb stelning och minska krympningsporositeten.
3. Val av formmaterial
   • Välj formmaterial med hög värmeledningsförmåga (t.ex. H13-stål) för tunna sektioner för att förbättra värmeavledningen.
   • För tjocka sektioner, använd material med lägre värmeledningsförmåga (t.ex. grafit) för att bromsa kylningen och minska risken för hetta.

3.5 Minska termisk stress

1. Kontrollerade kylningshastigheter
   • Implementera en långsam kylningshastighet (≤ 5 °C/min) under stelningsintervallet för att minimera termiska gradienter.
   • Använd ugnskylning eller isoleringsfiltar för att upprätthålla en jämn temperaturfördelning.
2. Stressavlastande värmebehandling
   • Utför en spänningsavlastande glödgningsbehandling (t.ex. 500–600 °C i 2–4 timmar) efter stelningen för att minska kvarvarande spänningar.
   • För stora gjutgods, överväg en flerstegsglödgningsprocess för att gradvis avlasta spänningar utan att orsaka nya sprickor.
3. Minimering av mögelbegränsning
   • Utforma formen med tillräckliga dragvinklar (≥ 1°) för att underlätta enkel utstötning och minska mekanisk belastning.
   • Använd utstötarstift med lämplig storlek och placering för att fördela utstötningskrafterna jämnt.

3.6 Material- och smältprocesskontroll

1. Optimering av kemisk sammansättning
   • Justera nickel- och kobolthalten för att begränsa stelningsområdet och förbättra matningseffektiviteten.
   • Begränsa innehållet av föroreningar (t.ex. svavel, fosfor) som främjar varmrivning.
2. Smältövning
   • Använd torra och rena laddningsmaterial för att minska väteupptagning och porositet.
   • Använd avgasningstekniker (t.ex. avgasning med roterande impeller) för att avlägsna upplösta gaser före hällning.
   • Kontrollera smälttemperaturen för att undvika överdriven oxidation och kväveabsorption.
3. Spannmålsförädling
   • Tillsätt kornförfiningsmedel (t.ex. titan eller bor) för att främja ekviaxiserad kornbildning, vilket förbättrar utfodringen och minskar känsligheten för varmrivning.
   • Använd elektromagnetisk omrörning under smältning för att uppnå en jämn kornstruktur.

4. Fallstudie: Processförbättring för en AlNiCo-magnetgjutning

En tillverkare av AlNiCo-permanentmagneter stötte på kraftig krympningsporositet och het sprickbildning i ett komplexformat gjutgods. Den ursprungliga processen använde en enda stigrör med otillräcklig volym, och formen saknade kylkanaler, vilket ledde till ojämn kylning och hög restspänning.

Förbättringsåtgärder :

1. Omdesign av stigarrör : Den enda stigarröret har ersatts med två sidostigarrör med ökad volym, placerade vid de hotspots som identifierats genom simuleringen.
2. Kylsystem : Lade till konforma kylkanaler i formen för att uppnå enhetliga kylhastigheter över gjutningen.
3. Hälloptimering : Justerade hälltemperaturen till 10 °C över liquidusen och reducerade hällhastigheten till 0,7 m/s.
4. Spänningsavlastning : Implementerade en spänningsavlastande glödgningsbehandling vid 550 °C i 3 timmar efter stelning.

Resultat :

• Krympporositeten minskade med 80 % och varmrivning eliminerades.
• Utbytet av acceptabla gjutgods ökade från 65 % till 92 %.
• Slutproduktens magnetiska egenskaper förbättrades på grund av den minskade defektdensiteten.

5. Slutsats

Krympporositet, krymphåligheter och sprickor är vanliga defekter i AlNiCo-gjutgods, främst orsakade av otillräcklig matning, termisk stress och felaktiga processparametrar. Genom att optimera stigrörsdesignen, förbättra gjutstrukturen, kontrollera gjutparametrar, förbättra formens kylning, minska termisk stress samt förfina material- och smältmetoder kan dessa defekter minskas eller elimineras avsevärt. Numeriska simuleringsverktyg och systematisk processoptimering är nyckeln till att uppnå högkvalitativa AlNiCo-gjutgods med förbättrade mekaniska egenskaper och magnetisk prestanda.