1. Макроскопічні фактори, що сприяють утворенню тріщин
1.1 Під час напівбезперервного лиття охолоджувальна вода безпосередньо розпилюється на поверхню злитка, створюючи крутий градієнт температури всередині злитка. Це призводить до нерівномірного стиснення між різними ділянками, що викликає взаємне обмеження та створює термічні напруги. За певних полів напружень ці напруги можуть призвести до розтріскування злитка.
1.2 У промисловому виробництві розтріскування злитків часто відбувається на початковому етапі лиття або виникає у вигляді мікротріщин, які пізніше поширюються під час охолодження, потенційно поширюючись по всьому злитку. Окрім розтріскування, на початковому етапі лиття можуть виникати й інші дефекти, такі як холодні затвори, деформація та зависання, що робить його критичною фазою всього процесу лиття.
1.3 Схильність лиття в прямий кокіль до гарячого розтріскування значно залежить від хімічного складу, додавання лігатури та кількості використаних подрібнювачів зерна.
1.4 Чутливість сплавів до гарячого розтріскування зумовлена головним чином внутрішніми напруженнями, що викликають утворення пустот і тріщин. Їх утворення та розподіл визначаються легуючими елементами, металургійною якістю розплаву та параметрами напівбезперервного лиття. Зокрема, великорозмірні злитки алюмінієвих сплавів серії 7xxx особливо схильні до гарячого розтріскування через наявність кількох легуючих елементів, широкі діапазони затвердіння, високі ливарні напруження, окислювальну сегрегацію елементів сплаву, відносно низьку металургійну якість та низьку формуваність за кімнатної температури.
1.5 Дослідження показали, що електромагнітні поля та легуючі елементи (включаючи подрібнювачі зерна, основні легуючі елементи та мікроелементи) суттєво впливають на мікроструктуру та схильність до гарячого розтріскування напівбезперервно литих сплавів серії 7xxx.
1.6 Крім того, через складний склад алюмінієвого сплаву 7050 та наявність легкоокислюваних елементів, розплав має тенденцію поглинати більше водню. Це, у поєднанні з оксидними включеннями, призводить до співіснування газу та включень, що призводить до високого вмісту водню в розплаві. Вміст водню став ключовим фактором, що впливає на результати контролю, поведінку руйнування та втомні характеристики оброблених злитків. Тому, виходячи з механізму присутності водню в розплаві, необхідно використовувати адсорбційні середовища та фільтраційно-рафінувальне обладнання для видалення водню та інших включень з розплаву, щоб отримати високоочищений розплав сплаву.
2. Мікроскопічні причини утворення тріщин
2.1 Гаряче розтріскування злитків визначається, головним чином, швидкістю усадки при затвердінні, швидкістю подачі та критичним розміром кашоподібної зони. Якщо розмір кашоподібної зони перевищує критичний поріг, відбудеться гаряче розтріскування.
2.2 Загалом, процес затвердіння сплавів можна розділити на кілька стадій: об'ємне живлення, міждендритне живлення, розділення дендритів та утворення дендритних містків.
2.3 Під час стадії розділення дендритів, дендритні гілки стають щільніше упакованими, а потік рідини обмежується поверхневим натягом. Проникність кашоподібної зони зменшується, а значне усадження при затвердінні та термічне напруження можуть призвести до мікропористості або навіть гарячих тріщин.
2.4 На стадії дендритного містка на потрійних з'єднаннях залишається лише невелика кількість рідини. У цій точці напівтвердий матеріал має значну міцність і пластичність, а повзучість у твердому стані є єдиним механізмом для компенсації усадки при затвердінні та термічного напруження. Ці дві стадії найімовірніше призводять до утворення усадочних порожнин або гарячих тріщин.
3. Виготовлення високоякісних злитків слябів на основі механізмів утворення тріщин
3.1 Великорозмірні злитки часто мають поверхневі тріщини, внутрішню пористість та включення, які суттєво впливають на механічні властивості під час затвердіння сплаву.
3.2 Механічні властивості сплаву під час затвердіння значною мірою залежать від внутрішніх структурних особливостей, включаючи розмір зерна, вміст водню та рівень включень.
3.3 Для алюмінієвих сплавів з дендритними структурами відстань між вторинними дендритними гілками (SDAS) суттєво впливає як на механічні властивості, так і на процес затвердіння. Більш дрібна SDAS призводить до більш раннього утворення пористості та вищої частки пористості, що знижує критичне напруження для гарячого розтріскування.
3.4 Дефекти, такі як міждендритні усадочні пустоти та включення, сильно послаблюють в'язкість твердого скелета та значно знижують критичне напруження, необхідне для гарячого розтріскування.
3.5 Морфологія зерен є ще одним критичним мікроструктурним фактором, що впливає на поведінку гарячих тріщин. Коли зерна переходять від стовпчастих дендритів до кулястих рівноосьових зерен, сплав демонструє нижчу температуру жорсткості та покращену міждендритну проникність рідини, що пригнічує ріст пор. Крім того, дрібніші зерна можуть витримувати більші деформації та швидкості деформації та мати складніші шляхи поширення тріщин, тим самим зменшуючи загальну схильність до гарячих тріщин.
3.6 У практичному виробництві оптимізація методів обробки розплаву та лиття, таких як суворий контроль включень та вмісту водню, а також структури зерна, може покращити внутрішній опір злитків з плит до гарячого розтріскування. У поєднанні з оптимізованою конструкцією оснащення та методами обробки ці заходи можуть призвести до виробництва високопродуктивних, великомасштабних високоякісних злитків з плит.
4. Подрібнення зерна злитка
Для алюмінієвого сплаву 7050 в основному використовуються два типи рафінаторів зерна: Al-5Ti-1B та Al-3Ti-0.15C. Порівняльні дослідження поточного застосування цих рафінаторів показують:
4.1 Злитки, рафіновані за допомогою Al-5Ti-1B, демонструють значно менші розміри зерен та більш рівномірний перехід від краю злитка до центру. Грубозернистий шар тонший, а загальний ефект подрібнення зерна сильніший по всьому злитку.
4.2 При використанні сировини, попередньо рафінованої за допомогою Al-3Ti-0.15C, ефект подрібнення зерна Al-5Ti-1B зменшується. Крім того, збільшення додавання Al-Ti-B понад певну точку не призводить до пропорційного подрібнення зерна. Тому додавання Al-Ti-B слід обмежувати до не більше 2 кг/т.
4.3 Злитки, рафіновані за допомогою Al-3Ti-0.15C, складаються переважно з дрібних, кулястих рівноосьових зерен. Розмір зерна відносно рівномірний по всій ширині сляба. Додавання 3–4 кг/т Al-3Ti-0.15C ефективно стабілізує якість продукції.
4.4 Примітно, що коли Al-5Ti-1B використовується у сплаві 7050, частинки TiB₂ мають тенденцію сегрегувати до оксидної плівки на поверхні злитка за умов швидкого охолодження, утворюючи кластери, що призводять до утворення шлаку. Під час затвердіння злитка ці кластери стискаються всередину, утворюючи канавкоподібні складки, змінюючи поверхневий натяг розплаву. Це збільшує в'язкість розплаву та зменшує плинність, що, у свою чергу, сприяє утворенню тріщин біля основи форми та на кутах широких і вузьких граней злитка. Це значно підвищує схильність до розтріскування та негативно впливає на вихід злитка.
4.5 Враховуючи формувальні властивості сплаву 7050, зернисту структуру аналогічних вітчизняних та міжнародних злитків, а також якість кінцевої обробленої продукції, Al-3Ti-0.15C є кращим варіантом для поточного подрібнювача зерна для лиття сплаву 7050, якщо конкретні умови не вимагають іншого.
5. Поведінка подрібнення зерен Al-3Ti-0.15C
5.1 Коли зерновий рафінатор додають при температурі 720 °C, зерна складаються переважно з рівноосьових структур з деякими субструктурами та є найдрібнішими за розміром.
5.2 Якщо розплав витримується занадто довго після додавання рафінера (наприклад, більше 10 хвилин), домінує ріст грубих дендритів, що призводить до утворення більш грубих зерен.
5.3 Коли кількість доданого зерноподрібнювача становить від 0,010% до 0,015%, отримують дрібні рівноосьові зерна.
5.4 Виходячи з промислового процесу виробництва сплаву 7050, оптимальні умови подрібнення зерна такі: температура додавання близько 720 °C, час від додавання до остаточного затвердіння, контрольований протягом 20 хвилин, та кількість рафінера приблизно 0,01–0,015% (3–4 кг/т Al-3Ti-0,15C).
5.5 Незважаючи на різницю в розмірі злитків, загальний час від додавання подрібнювача зерна після виходу розплаву, через поточну систему, жолоб та форму, до остаточного затвердіння зазвичай становить 15–20 хвилин.
5.6 У промислових умовах збільшення кількості подрібнювача зерна понад 0,01% вмісту Ti суттєво не покращує подрібнення зерна. Натомість надмірне додавання призводить до збагачення Ti та C, що збільшує ймовірність дефектів матеріалу.
5.7 Випробування в різних точках — вхідному отворі дегазації, виході дегазації та ливарному жолобі — показують мінімальні відмінності в розмірі зерна. Однак додавання рафінера безпосередньо до ливарного жолоба без фільтрації збільшує ризик дефектів під час ультразвукового контролю оброблених матеріалів.
5.8 Для забезпечення рівномірного подрібнення зерна та запобігання накопиченню рафінера, рафінер слід додавати на вході системи дегазації.
Час публікації: 16 липня 2025 р.
