1. Makroskopski faktori koji doprinose stvaranju pukotina
1.1 Tokom polukontinuiranog lijevanja, rashladna voda se direktno prska na površinu ingota, stvarajući strmi temperaturni gradijent unutar ingota. To rezultira neravnomjernim skupljanjem između različitih područja, uzrokujući međusobno ograničenje i stvaranje termičkih napona. Pod određenim poljima napona, ovi naponi mogu dovesti do pucanja ingota.
1.2 U industrijskoj proizvodnji, pucanje ingota često se javlja u početnoj fazi livenja ili nastaje kao mikropukotine koje se kasnije šire tokom hlađenja, potencijalno se šireći po cijelom ingotu. Pored pucanja, tokom početne faze livenja mogu se pojaviti i drugi defekti poput hladnog zatvaranja, savijanja i visenja, što je čini kritičnom fazom u cijelom procesu livenja.
1.3 Na podložnost vrućim pukotinama kod direktnog livenja u hladnoj vodi značajno utiču hemijski sastav, dodaci glavne legure i količina korištenih pročišćavača zrna.
1.4 Osjetljivost legura na vruće pucanje uglavnom je posljedica unutrašnjih napona koji izazivaju stvaranje šupljina i pukotina. Njihovo formiranje i raspodjela određeni su legirajućim elementima, metalurškim kvalitetom taline i parametrima polukontinuiranog lijevanja. Konkretno, veliki ingoti aluminijskih legura serije 7xxx posebno su skloni vrućem pucanju zbog više legirajućih elemenata, širokih raspona skrućivanja, visokih napona lijevanja, oksidacijske segregacije elemenata legure, relativno lošeg metalurškog kvaliteta i niske oblikovanja na sobnoj temperaturi.
1.5 Studije su pokazale da elektromagnetska polja i legirajući elementi (uključujući sredstva za pročišćavanje zrna, glavne legirajuće elemente i elemente u tragovima) značajno utiču na mikrostrukturu i podložnost vrućim pukotinama kod polukontinuirano livenih legura serije 7xxx.
1.6 Osim toga, zbog složenog sastava aluminijske legure 7050 i prisustva lako oksidirajućih elemenata, talina ima tendenciju apsorbiranja više vodika. To, u kombinaciji s inkluzijama oksida, dovodi do koegzistencije plina i inkluzija, što rezultira visokim sadržajem vodika u talini. Sadržaj vodika postao je ključni faktor koji utječe na rezultate inspekcije, ponašanje pri lomu i performanse zamora obrađenih materijala ingota. Stoga je, na osnovu mehanizma prisustva vodika u talini, potrebno koristiti adsorpcijske medije i opremu za filtraciju i rafiniranje kako bi se uklonio vodik i druge inkluzije iz taline kako bi se dobila visoko pročišćena talina legure.
2. Mikroskopski uzroci stvaranja pukotina
2.1 Vruće pucanje ingota prvenstveno je određeno brzinom skupljanja pri skrućivanju, brzinom punjenja i kritičnom veličinom kašaste zone. Ako veličina kašaste zone premaši kritični prag, doći će do vrućeg pucanja.
2.2 Općenito, proces skrućivanja legura može se podijeliti u nekoliko faza: punjenje mase, interdendritično punjenje, odvajanje dendrita i premošćivanje dendrita.
2.3 Tokom faze odvajanja dendrita, dendritni krakovi postaju gušće zbijeni i protok tečnosti je ograničen površinskom napetošću. Propusnost kašaste zone je smanjena, a dovoljno skupljanje pri skrućivanju i termički stres mogu dovesti do mikroporoznosti ili čak vrućih pukotina.
2.4 U fazi premošćavanja dendrita, samo mala količina tečnosti ostaje na trostrukim spojevima. U ovom trenutku, polučvrsti materijal ima značajnu čvrstoću i plastičnost, a puzanje u čvrstom stanju je jedini mehanizam za kompenzaciju skupljanja usljed skrućivanja i termičkog napona. Ove dvije faze najvjerovatnije formiraju šupljine usljed skupljanja ili vruće pukotine.
3. Priprema visokokvalitetnih ingota za ploče na osnovu mehanizama formiranja pukotina
3.1 Veliki ingoti u obliku ploče često pokazuju površinske pukotine, unutrašnju poroznost i inkluzije, što ozbiljno utiče na mehaničko ponašanje tokom skrućivanja legure.
3.2 Mehanička svojstva legure tokom skrućivanja uveliko zavise od unutrašnjih strukturnih karakteristika, uključujući veličinu zrna, sadržaj vodonika i nivoe inkluzija.
3.3 Kod aluminijskih legura s dendritnim strukturama, razmak sekundarnih dendritnih krakova (SDAS) značajno utječe i na mehanička svojstva i na proces skrućivanja. Finiji SDAS dovodi do ranijeg formiranja poroznosti i većeg udjela poroznosti, smanjujući kritični napon za vruće pukotine.
3.4 Defekti poput interdendritskih šupljina i inkluzija usljed skupljanja ozbiljno slabe žilavost čvrstog skeleta i značajno smanjuju kritični napon potreban za pojavu vrućih pukotina.
3.5 Morfologija zrna je još jedan kritični mikrostrukturni faktor koji utiče na ponašanje vrućih pukotina. Kada zrna prelaze iz stupčastih dendrita u globularna zrna s jednakom osom, legura pokazuje nižu temperaturu krutosti i poboljšanu interdendritičnu propusnost tekućine, što suzbija rast pora. Osim toga, finija zrna mogu podnijeti veće naprezanje i brzine naprezanja te predstaviti složenije puteve širenja pukotina, čime se smanjuje ukupna sklonost vrućim pukotinama.
3.6 U praktičnoj proizvodnji, optimizacija rukovanja talinom i tehnika livenja - kao što je stroga kontrola inkluzije i sadržaja vodonika, kao i strukture zrna - može poboljšati unutrašnju otpornost ingota u pločama na vruće pucanje. U kombinaciji s optimiziranim dizajnom alata i metodama obrade, ove mjere mogu dovesti do proizvodnje visokokvalitetnih ingota u pločama visokog prinosa, velikih razmjera.
4. Rafiniranje zrna ingota
Aluminijska legura 7050 prvenstveno koristi dvije vrste rafinera: Al-5Ti-1B i Al-3Ti-0.15C. Komparativne studije o primjeni ovih rafinera u liniji pokazuju:
4.1 Ingoti rafinirani s Al-5Ti-1B pokazuju znatno manje veličine zrna i ujednačeniji prijelaz od ruba ingota prema središtu. Grubozrnati sloj je tanji, a ukupni učinak rafiniranja zrna je jači po cijelom ingotu.
4.2 Kada se koriste sirovine prethodno rafinirane sa Al-3Ti-0.15C, efekat rafiniranja zrna Al-5Ti-1B se smanjuje. Nadalje, povećanje dodatka Al-Ti-B preko određene tačke ne povećava proporcionalno rafiniranje zrna. Stoga, dodavanje Al-Ti-B treba ograničiti na najviše 2 kg/t.
4.3 Ingoti rafinirani s Al-3Ti-0.15C sastoje se uglavnom od finih, kuglastih zrna s jednakom dužinom. Veličina zrna je relativno ujednačena po širini ploče. Dodatak od 3-4 kg/t Al-3Ti-0.15C je učinkovit u stabilizaciji kvalitete proizvoda.
4.4 Posebno je važno napomenuti da kada se Al-5Ti-1B koristi u leguri 7050, čestice TiB₂ imaju tendenciju da se segregiraju prema oksidnom filmu na površini ingota pod uslovima brzog hlađenja, formirajući klastere koji dovode do stvaranja troske. Tokom skrućivanja ingota, ovi klasteri se skupljaju prema unutra i formiraju nabore nalik žljebovima, mijenjajući površinsku napetost taline. To povećava viskoznost taline i smanjuje fluidnost, što zauzvrat podstiče stvaranje pukotina na dnu kalupa i uglovima širokih i uskih strana ingota. To značajno povećava tendenciju pucanja i negativno utiče na prinos ingota.
4.5 Uzimajući u obzir ponašanje oblikovanja legure 7050, strukturu zrna sličnih domaćih i međunarodnih ingota i kvalitet gotovih obrađenih proizvoda, Al-3Ti-0.15C se preferira kao linijski pročišćavač zrna za lijevanje legure 7050 - osim ako specifični uslovi ne zahtijevaju drugačije.
5. Ponašanje Al-3Ti-0.15C pri profinjenju zrna
5.1 Kada se doda pročišćavač zrna na 720 °C, zrna se sastoje prvenstveno od jednakoosnih struktura s nekim podstrukturama i najfinije su veličine.
5.2 Ako se rastopa drži predugo nakon dodavanja sredstva za rafiniranje (npr. duže od 10 minuta), dominira rast grubih dendrita, što rezultira grubljim zrnima.
5.3 Kada se doda količina pročišćavača zrna od 0,010% do 0,015%, postižu se fina zrna sa jednakom dužinom usitnjavanja.
5.4 Na osnovu industrijskog procesa legure 7050, optimalni uslovi za pročišćavanje zrna su: temperatura dodavanja oko 720 °C, vrijeme od dodavanja do konačnog očvršćavanja kontrolisano unutar 20 minuta i količina pročišćavača od približno 0,01–0,015% (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Uprkos varijacijama u veličini ingota, ukupno vrijeme od dodavanja pročišćavača zrna nakon izlaska iz taline, kroz linijski sistem, žlijeb i kalup, do konačnog očvršćavanja je obično 15-20 minuta.
5.6 U industrijskim okruženjima, povećanje količine sredstva za pročišćavanje zrna iznad sadržaja Ti od 0,01% ne poboljšava značajno pročišćavanje zrna. Umjesto toga, prekomjerno dodavanje dovodi do obogaćivanja Ti i C, povećavajući vjerovatnoću defekata materijala.
5.7 Testovi na različitim tačkama - ulazu za degasaciju, izlazu za degasaciju i livnom koritu - pokazuju minimalne razlike u veličini zrna. Međutim, dodavanje pročišćavača direktno na livnom koritu bez filtracije povećava rizik od defekata tokom ultrazvučne inspekcije obrađenih materijala.
5.8 Da bi se osiguralo ujednačeno usitnjavanje zrna i spriječilo nakupljanje pročišćavača, pročišćavač zrna treba dodati na ulazu sistema za degazaciju.
Vrijeme objave: 16. jul 2025.
