1. Czynniki makroskopowe przyczyniające się do powstawania pęknięć
1.1 Podczas odlewania półciągłego, woda chłodząca jest bezpośrednio rozpylana na powierzchnię wlewka, tworząc stromy gradient temperatury wewnątrz wlewka. Powoduje to nierównomierne skurczenie się różnych obszarów, co powoduje wzajemne ograniczenie i generuje naprężenia cieplne. W pewnych polach naprężeń, naprężenia te mogą prowadzić do pękania wlewka.
1.2 W produkcji przemysłowej pękanie wlewków często występuje na początkowym etapie odlewania lub powstaje w postaci mikropęknięć, które rozprzestrzeniają się podczas chłodzenia, potencjalnie rozprzestrzeniając się na cały wlewek. Oprócz pęknięć, na początkowym etapie odlewania mogą również wystąpić inne wady, takie jak skręcenia na zimno, odkształcenia i wybrzuszenia, co czyni ten etap krytycznym w całym procesie odlewania.
1.3 Podatność odlewu bezpośredniego na pękanie na gorąco w znacznym stopniu zależy od składu chemicznego, dodatków stopu wstępnego i ilości zastosowanych środków rozdrabniających ziarno.
1.4 Wrażliwość stopów na pękanie na gorąco wynika głównie z naprężeń wewnętrznych, które indukują powstawanie pustych przestrzeni i pęknięć. Ich powstawanie i rozkład zależą od pierwiastków stopowych, jakości metalurgicznej wytopu oraz parametrów odlewania półciągłego. W szczególności, wlewki o dużych rozmiarach ze stopów aluminium serii 7xxx są szczególnie podatne na pękanie na gorąco ze względu na obecność wielu pierwiastków stopowych, szeroki zakres krzepnięcia, wysokie naprężenia odlewnicze, segregację utleniania pierwiastków stopowych, stosunkowo słabą jakość metalurgiczną i niską odkształcalność w temperaturze pokojowej.
1.5 Badania wykazały, że pola elektromagnetyczne i pierwiastki stopowe (w tym modyfikatory ziarna, główne pierwiastki stopowe i pierwiastki śladowe) mają istotny wpływ na mikrostrukturę i podatność na pękanie na gorąco stopów serii 7xxx odlewanych półciągle.
1.6 Dodatkowo, ze względu na złożony skład stopu aluminium 7050 i obecność pierwiastków łatwo utleniających się, stop ma tendencję do absorpcji większej ilości wodoru. To, w połączeniu z wtrąceniami tlenkowymi, prowadzi do współistnienia gazu i wtrąceń, co skutkuje wysoką zawartością wodoru w stopie. Zawartość wodoru stała się kluczowym czynnikiem wpływającym na wyniki kontroli, zachowanie pęknięć i wytrzymałość zmęczeniową przetworzonych materiałów wlewkowych. Dlatego, biorąc pod uwagę mechanizm obecności wodoru w stopie, konieczne jest zastosowanie mediów adsorpcyjnych i urządzeń filtracyjno-rafinacyjnych w celu usunięcia wodoru i innych wtrąceń z roztopionego stopu, aby uzyskać stop o wysokiej czystości.
2. Mikroskopowe przyczyny powstawania pęknięć
2.1 Pękanie na gorąco wlewków zależy przede wszystkim od szybkości skurczu krzepnięcia, szybkości podawania oraz krytycznego rozmiaru strefy gąbczastej. Jeśli rozmiar strefy gąbczastej przekroczy próg krytyczny, wystąpi pęknięcie na gorąco.
2.2 Ogólnie rzecz biorąc, proces krzepnięcia stopów można podzielić na kilka etapów: podawanie materiału w stanie ciekłym, podawanie materiału międzydendrytycznego, rozdzielanie dendrytów i tworzenie mostków dendrytycznych.
2.3 Na etapie separacji dendrytów, ramiona dendrytów ściślej się ze sobą łączą, a przepływ cieczy jest ograniczony przez napięcie powierzchniowe. Przepuszczalność strefy papkowatej ulega zmniejszeniu, a nadmierny skurcz krzepnięcia i naprężenia termiczne mogą prowadzić do mikroporowatości, a nawet pęknięć na gorąco.
2.4 W fazie mostkowania dendrytów, w połączeniach potrójnych pozostaje jedynie niewielka ilość cieczy. W tym momencie materiał półstały charakteryzuje się znaczną wytrzymałością i plastycznością, a pełzanie w stanie stałym jest jedynym mechanizmem kompensującym skurcz krzepnięcia i naprężenia termiczne. Te dwa etapy są najbardziej podatne na powstawanie pustych przestrzeni skurczowych lub pęknięć na gorąco.
3. Przygotowanie wysokiej jakości wlewków płytowych na podstawie mechanizmów powstawania pęknięć
3.1 W dużych wlewkach płytowych często występują pęknięcia powierzchniowe, porowatość wewnętrzna i wtrącenia, które mają poważny wpływ na właściwości mechaniczne podczas krzepnięcia stopu.
3.2 Właściwości mechaniczne stopu podczas krzepnięcia w dużym stopniu zależą od wewnętrznych cech strukturalnych, w tym wielkości ziarna, zawartości wodoru i poziomów inkluzji.
3.3 W przypadku stopów aluminium o strukturze dendrytycznej, odstęp między ramionami dendrytów wtórnych (SDAS) znacząco wpływa zarówno na właściwości mechaniczne, jak i proces krzepnięcia. Drobniejsze SDAS prowadzi do wcześniejszego powstawania porowatości i wyższych frakcji porowatości, zmniejszając naprężenie krytyczne dla pękania na gorąco.
3.4 Wady takie jak pustki skurczowe i wtrącenia międzydendrytyczne znacznie osłabiają wytrzymałość szkieletu stałego i znacznie zmniejszają krytyczne naprężenie niezbędne do wystąpienia pęknięć na gorąco.
3.5 Morfologia ziaren to kolejny krytyczny czynnik mikrostrukturalny wpływający na powstawanie pęknięć na gorąco. Kiedy ziarna przechodzą z dendrytów kolumnowych w ziarna kuliste, stop charakteryzuje się niższą temperaturą sztywności i lepszą przepuszczalnością cieczy międzydendrytycznej, co hamuje wzrost porów. Ponadto, drobniejsze ziarna mogą wytrzymywać większe odkształcenia i prędkości odkształcania oraz charakteryzują się bardziej złożonymi ścieżkami propagacji pęknięć, zmniejszając tym samym ogólną tendencję do pękania na gorąco.
3.6 W praktyce produkcyjnej optymalizacja obróbki stopu i technik odlewania – takich jak ścisła kontrola zawartości wtrąceń i wodoru, a także struktury ziarna – może poprawić wewnętrzną odporność wlewków płaskich na pękanie na gorąco. W połączeniu ze zoptymalizowaną konstrukcją narzędzi i metodami obróbki, środki te mogą prowadzić do produkcji wysokowydajnych, wielkoseryjnych i wysokiej jakości wlewków płaskich.
4. Rafinacja ziarna wlewka
Stop aluminium 7050 wykorzystuje głównie dwa rodzaje rafinerów ziarna: Al-5Ti-1B i Al-3Ti-0,15C. Badania porównawcze dotyczące zastosowania tych rafinerów w linii produkcyjnej pokazują:
4.1 Wlewki rafinowane za pomocą Al-5Ti-1B charakteryzują się znacznie mniejszym rozmiarem ziaren i bardziej równomiernym przejściem od krawędzi do środka wlewka. Gruboziarnista warstwa jest cieńsza, a ogólny efekt rafinacji ziarna jest silniejszy w całej objętości wlewka.
4.2 W przypadku stosowania surowców uprzednio rafinowanych za pomocą Al-3Ti-0,15C, efekt rozdrobnienia ziarna przez Al-5Ti-1B jest osłabiony. Ponadto, zwiększenie dodatku Al-Ti-B powyżej pewnego poziomu nie powoduje proporcjonalnej poprawy rozdrobnienia ziarna. Dlatego też dodatek Al-Ti-B powinien być ograniczony do nie więcej niż 2 kg/t.
4.3 Wlewki rafinowane Al-3Ti-0,15C składają się głównie z drobnych, kulistych ziaren równoosiowych. Wielkość ziaren jest stosunkowo równomierna na całej szerokości wlewka. Dodatek 3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C skutecznie stabilizuje jakość produktu.
4.4 Należy zauważyć, że w przypadku zastosowania stopu Al-5Ti-1B w stopie 7050, cząstki TiB₂ mają tendencję do segregacji w kierunku warstwy tlenkowej na powierzchni wlewka podczas szybkiego chłodzenia, tworząc skupiska, które prowadzą do powstawania żużla. Podczas krzepnięcia wlewka skupiska te kurczą się do wewnątrz, tworząc rowkowate fałdy, zmieniając napięcie powierzchniowe stopu. Zwiększa to lepkość stopu i zmniejsza płynność, co z kolei sprzyja powstawaniu pęknięć u podstawy formy oraz narożach szerokich i wąskich powierzchni wlewka. To znacznie zwiększa tendencję do pękania i negatywnie wpływa na wydajność wlewka.
4.5 Biorąc pod uwagę właściwości formowania stopu 7050, strukturę ziarna podobnych krajowych i międzynarodowych wlewków oraz jakość końcowych przetworzonych produktów, Al-3Ti-0,15C jest preferowanym materiałem do rafinacji ziarna w linii do odlewania stopu 7050 — chyba że konkretne warunki wymagają inaczej.
5. Zachowanie się ziarna Al-3Ti-0,15C podczas rozdrabniania
5.1 Po dodaniu środka rozdrabniającego ziarno w temperaturze 720 °C ziarna składają się głównie ze struktur równoosiowych z pewnymi podstrukturami i są najmniejsze pod względem wielkości.
5.2 Jeśli stop będzie przetrzymywany zbyt długo po dodaniu rafinatora (np. dłużej niż 10 minut), dominuje gruby wzrost dendrytyczny, co skutkuje powstaniem grubszych ziaren.
5.3 Gdy dodana ilość środka rozdrabniającego ziarno wynosi od 0,010% do 0,015%, można uzyskać drobne ziarna równoosiowe.
5.4 W oparciu o przemysłowy proces stopu 7050, optymalne warunki rafinacji ziarna są następujące: temperatura dodawania około 720 °C, czas od dodania do ostatecznego zestalenia kontrolowany w granicach 20 minut i ilość środka rafinującego wynosząca około 0,01–0,015% (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Pomimo zróżnicowania wielkości wlewków, całkowity czas od dodania środka rozdrabniającego ziarno po wyjściu ze stopu, poprzez system liniowy, koryto i formę, do ostatecznego zestalenia wynosi zazwyczaj 15–20 minut.
5.6 W warunkach przemysłowych zwiększenie ilości środka rozdrabniającego ziarno powyżej zawartości Ti 0,01% nie poprawia znacząco rozdrobnienia ziarna. Nadmierne dodanie prowadzi natomiast do wzbogacenia Ti i C, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia wad materiałowych.
5.7 Testy w różnych punktach – wlotu i wylotu odgazowywacza oraz wanny odlewniczej – wykazują minimalne różnice w wielkości ziarna. Jednak dodanie środka rafinującego bezpośrednio do wanny odlewniczej bez filtracji zwiększa ryzyko wystąpienia wad podczas kontroli ultradźwiękowej przetworzonych materiałów.
5.8 Aby zapewnić równomierne rozdrobnienie ziarna i zapobiec gromadzeniu się środka rafinującego, należy dodać środek rafinujący ziarno na wlocie do układu odgazowującego.
Czas publikacji: 16 lipca 2025 r.
