1. Макроскопични фактори, допринасящи за образуването на пукнатини
1.1 По време на полунепрекъснато леене, охлаждащата вода се напръсква директно върху повърхността на слитъка, създавайки стръмен температурен градиент в слитъка. Това води до неравномерно свиване между различните области, причинявайки взаимно ограничаване и генериране на термични напрежения. При определени полета на напрежение, тези напрежения могат да доведат до напукване на слитъка.
1.2 В промишленото производство, напукването на слитъците често се случва в началния етап на леене или възниква като микропукнатини, които по-късно се разпространяват по време на охлаждане, потенциално разпространявайки се в целия слитък. В допълнение към напукването, по време на началния етап на леене могат да възникнат и други дефекти, като например студени затваряния, деформация и увисване, което го прави критична фаза в целия процес на леене.
1.3 Податливостта на горещо напукване при директно леене в студен режим се влияе значително от химичния състав, добавените основни сплави и количеството на използваните рафинерии за зърно.
1.4 Чувствителността на сплавите към горещи пукнатини се дължи главно на вътрешни напрежения, които предизвикват образуването на кухини и пукнатини. Тяхното образуване и разпределение се определят от легиращите елементи, металургичното качество на стопилката и параметрите на полунепрекъснато леене. По-конкретно, големите блокове от алуминиеви сплави серия 7xxx са особено склонни към горещи пукнатини поради множество легиращи елементи, широки диапазони на втвърдяване, високи напрежения при леене, окислителна сегрегация на легиращите елементи, относително лошо металургично качество и ниска формовъчност при стайна температура.
1.5 Проучванията показват, че електромагнитните полета и легиращите елементи (включително рафинерии на зърното, основни легиращи елементи и микроелементи) влияят значително върху микроструктурата и чувствителността към горещи пукнатини на полунепрекъснато отливаните сплави от серия 7xxx.
1.6 Освен това, поради сложния състав на алуминиевата сплав 7050 и наличието на лесно окисляеми елементи, стопилката е склонна да абсорбира повече водород. Това, в комбинация с оксидни включвания, води до едновременно съществуване на газ и включвания, което води до високо съдържание на водород в стопилката. Съдържанието на водород се е превърнало в ключов фактор, влияещ върху резултатите от инспекцията, поведението при разрушаване и устойчивостта на умора на обработените слиткови материали. Следователно, въз основа на механизма на наличие на водород в стопилката, е необходимо да се използват адсорбционни среди и оборудване за филтриране и рафиниране, за да се отстранят водородът и други включвания от стопилката, за да се получи високо пречистена стопилка от сплав.
2. Микроскопични причини за образуване на пукнатини
2.1 Горещото напукване на слитъци се определя главно от скоростта на свиване при втвърдяване, скоростта на подаване и критичния размер на кашообразната зона. Ако размерът на кашообразната зона надвиши критичен праг, ще възникне горещо напукване.
2.2 Обикновено процесът на втвърдяване на сплави може да бъде разделен на няколко етапа: подаване в насипно състояние, междудендритно подаване, разделяне на дендрити и премостване на дендрити.
2.3 По време на етапа на отделяне на дендритите, дендритните им рамена стават по-плътно опаковани и потокът на течност е ограничен от повърхностното напрежение. Пропускливостта на кашообразната зона е намалена и достатъчното свиване при втвърдяване и термичното напрежение могат да доведат до микропорьозност или дори горещи пукнатини.
2.4 В етапа на премостване на дендритите, само малко количество течност остава в тройните връзки. В този момент полутвърдият материал има значителна якост и пластичност, а пълзенето в твърдо състояние е единственият механизъм за компенсиране на свиването при втвърдяване и термичното напрежение. Тези два етапа са най-склонни да образуват кухини от свиване или горещи пукнатини.
3. Приготвяне на висококачествени блокове за плочи въз основа на механизми за образуване на пукнатини
3.1 Големите блокове често показват повърхностни пукнатини, вътрешна порьозност и включвания, които силно влияят на механичното поведение по време на втвърдяването на сплавта.
3.2 Механичните свойства на сплавта по време на втвърдяване до голяма степен зависят от вътрешните структурни характеристики, включително размера на зърната, съдържанието на водород и нивата на включване.
3.3 При алуминиеви сплави с дендритни структури, разстоянието между вторичните дендритни рамена (SDAS) влияе значително както върху механичните свойства, така и върху процеса на втвърдяване. По-финото SDAS води до по-ранно образуване на порьозност и по-високи фракции на порьозност, намалявайки критичното напрежение за горещо напукване.
3.4 Дефекти като междудендритни кухини от свиване и включвания силно отслабват жилавостта на твърдия скелет и значително намаляват критичното напрежение, необходимо за образуване на горещи пукнатини.
3.5 Морфологията на зърната е друг критичен микроструктурен фактор, влияещ върху поведението на горещо напукване. Когато зърната преминават от колоновидните дендрити към кълбовидните равноосни зърна, сплавта показва по-ниска температура на твърдост и подобрена междудендритна пропускливост на течности, което потиска растежа на порите. Освен това, по-фините зърна могат да поемат по-големи деформации и скорости на деформация и да представят по-сложни пътища на разпространение на пукнатини, като по този начин намаляват общата тенденция към горещо напукване.
3.6 В практическото производство, оптимизирането на техниките за обработка на стопилката и леене – като например строг контрол на включванията и съдържанието на водород, както и на зърнестата структура – може да подобри вътрешната устойчивост на блоковете за плочи срещу горещо напукване. В комбинация с оптимизиран дизайн на инструменталната екипировка и методи за обработка, тези мерки могат да доведат до производството на висококачествени, едрогабаритни блокове за плочи.
4. Рафиниране на зърното на слитъка
Алуминиевата сплав 7050 използва предимно два вида рафинерии за зърно: Al-5Ti-1B и Al-3Ti-0.15C. Сравнителни проучвания върху приложението на тези рафинерии в поточната линия показват:
4.1 Блоковете, рафинирани с Al-5Ti-1B, показват значително по-малки размери на зърната и по-равномерен преход от ръба на блока към центъра. Едрозърнестият слой е по-тънък и цялостният ефект на рафиниране на зърната е по-силен в целия блок.
4.2 Когато се използват суровини, предварително рафинирани с Al-3Ti-0.15C, ефектът на рафиниране на зърната на Al-5Ti-1B се намалява. Освен това, увеличаването на добавянето на Al-Ti-B над определена точка не подобрява пропорционално рафинирането на зърната. Следователно, добавките на Al-Ti-B трябва да бъдат ограничени до не повече от 2 kg/t.
4.3 Блоковете, рафинирани с Al-3Ti-0.15C, се състоят главно от фини, кълбовидни равноосни зърна. Размерът на зърната е относително равномерен по цялата ширина на сляба. Добавянето на 3–4 kg/t Al-3Ti-0.15C е ефективно за стабилизиране на качеството на продукта.
4.4 Забележително е, че когато Al-5Ti-1B се използва в сплав 7050, частиците TiB₂ са склонни да се сегрегират към оксидния филм върху повърхността на слитъка при условия на бързо охлаждане, образувайки клъстери, които водят до образуване на шлака. По време на втвърдяването на слитъка тези клъстери се свиват навътре, за да образуват жлебовидни гънки, променяйки повърхностното напрежение на стопилката. Това увеличава вискозитета на стопилката и намалява течливостта, което от своя страна насърчава образуването на пукнатини в основата на формата и ъглите на широките и тесни страни на слитъка. Това значително повишава склонността към напукване и влияе отрицателно върху добива на слитъка.
4.5 Като се имат предвид поведението при формоване на сплав 7050, зърнестата структура на подобни местни и международни блокове и качеството на крайните обработени продукти, Al-3Ti-0.15C е предпочитан като поточна рафинираща зърнес машина за леене на сплав 7050, освен ако специфичните условия не изискват друго.
5. Поведение на Al-3Ti-0.15C при изтъняване на зърната
5.1 Когато рафинерът за зърно се добави при 720 °C, зърната се състоят предимно от равноосни структури с някои подструктури и са с най-фин размер.
5.2 Ако стопилката се държи твърде дълго след добавяне на рафинера (напр. повече от 10 минути), доминира растежът на едри дендрити, което води до по-едри зърна.
5.3 Когато количеството на добавения рафинерен препарат за зърно е от 0,010% до 0,015%, се постигат фини равноосни зърна.
5.4 Въз основа на индустриалния процес на сплав 7050, оптималните условия за рафиниране на зърната са: температура на добавяне около 720 °C, време от добавянето до окончателното втвърдяване, контролирано в рамките на 20 минути, и количество рафинер приблизително 0,01–0,015% (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Въпреки вариациите в размера на слитъците, общото време от добавянето на рафинера за зърно след излизане от стопилката, през поточната система, корито и формата, до окончателното втвърдяване обикновено е 15–20 минути.
5.6 В промишлени условия, увеличаването на количеството на рафинера за зърно над съдържание на Ti от 0,01% не подобрява значително рафинирането на зърното. Вместо това, прекомерното добавяне води до обогатяване с Ti и C, което увеличава вероятността от дефекти на материала.
5.7 Тестовете в различни точки – вход за дегазация, изход за дегазация и леярски канал – показват минимални разлики в размера на зърната. Добавянето на рафинера директно в леярския канал без филтрация обаче увеличава риска от дефекти по време на ултразвукова проверка на обработените материали.
5.8 За да се осигури равномерно рафиниране на зърното и да се предотврати натрупването на рафинер, рафинерът за зърно трябва да се добави на входа на системата за дегазация.
Време на публикуване: 16 юли 2025 г.
