1. Makroskopické faktory prispievajúce k tvorbe trhlín
1.1 Počas polokontinuálneho odlievania sa chladiaca voda priamo strieka na povrch ingotu, čím sa vytvára strmý teplotný gradient v ingote. To má za následok nerovnomerné zmršťovanie medzi rôznymi oblasťami, čo spôsobuje vzájomné obmedzenie a vytvára tepelné napätia. V určitých poliach napätia môžu tieto napätia viesť k praskaniu ingotu.
1.2 V priemyselnej výrobe dochádza k praskaniu ingotov často v počiatočnej fáze odlievania alebo vzniká ako mikrotrhliny, ktoré sa neskôr šíria počas chladenia a potenciálne sa rozšíria po celom ingote. Okrem praskania sa počas počiatočnej fázy odlievania môžu vyskytnúť aj ďalšie chyby, ako sú studené uzávery, deformácie a zavesenie, čo z nej robí kritickú fázu v celom procese odlievania.
1.3 Náchylnosť priameho odlievania za tepla na praskanie za tepla je významne ovplyvnená chemickým zložením, pridaním predzliatin a množstvom použitých zjemňovačov zrna.
1.4 Citlivosť zliatin na praskanie za tepla je spôsobená najmä vnútornými napätiami, ktoré vyvolávajú tvorbu dutín a trhlín. Ich vznik a rozloženie sú určené legujúcimi prvkami, metalurgickou kvalitou taveniny a parametrami polokontinuálneho odlievania. Konkrétne, veľkoformátové ingoty hliníkových zliatin série 7xxx sú obzvlášť náchylné na praskanie za tepla v dôsledku viacerých legujúcich prvkov, širokých rozsahov tuhnutia, vysokých odlievacích napätí, oxidačnej segregácie legujúcich prvkov, relatívne nízkej metalurgickej kvality a nízkej tvárnosti pri izbovej teplote.
1.5 Štúdie ukázali, že elektromagnetické polia a legujúce prvky (vrátane zjemňovačov zrna, hlavných legujúcich prvkov a stopových prvkov) významne ovplyvňujú mikroštruktúru a náchylnosť k horúcim trhlinám polokontinuálne odlievaných zliatin série 7xxx.
1.6 Okrem toho, kvôli komplexnému zloženiu hliníkovej zliatiny 7050 a prítomnosti ľahko oxidovateľných prvkov má tavenina tendenciu absorbovať viac vodíka. To v kombinácii s oxidovými inklúziami vedie ku koexistencii plynu a inklúzií, čo má za následok vysoký obsah vodíka v tavenine. Obsah vodíka sa stal kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim výsledky kontroly, lomové správanie a únavové vlastnosti spracovaných ingotov. Preto je na základe mechanizmu prítomnosti vodíka v tavenine potrebné použiť adsorpčné médiá a filtračno-rafinačné zariadenia na odstránenie vodíka a iných inklúzií z taveniny, aby sa získala vysoko čistá tavenina zliatiny.
2. Mikroskopické príčiny vzniku trhlín
2.1 Praskanie ingotov za tepla je primárne určené rýchlosťou zmršťovania pri tuhnutí, rýchlosťou podávania a kritickou veľkosťou kašovitej zóny. Ak veľkosť kašovitej zóny prekročí kritickú prahovú hodnotu, dôjde k praskaniu za tepla.
2.2 Proces tuhnutia zliatin možno vo všeobecnosti rozdeliť do niekoľkých etáp: hromadné dávkovanie, medzidendritické dávkovanie, separácia dendritov a premosťovanie dendritov.
2.3 Počas fázy separácie dendritov sa ramená dendritov hustejšie zhlukujú a tok kvapaliny je obmedzený povrchovým napätím. Priepustnosť kašovitej zóny sa znižuje a dostatočné zmršťovanie pri tuhnutí a tepelné napätie môžu viesť k mikroporéznosti alebo dokonca k horúcim trhlinám.
2.4 Vo fáze premosťovania dendritov zostáva na trojitých spojoch len malé množstvo kvapaliny. V tomto bode má polotuhý materiál značnú pevnosť a plasticitu a tečenie v tuhom stave je jediným mechanizmom, ktorý kompenzuje zmrašťovanie pri tuhnutí a tepelné namáhanie. Tieto dve fázy s najväčšou pravdepodobnosťou tvoria zmrašťovacie dutiny alebo horúce trhliny.
3. Príprava vysokokvalitných ingotov na základe mechanizmov tvorby trhlín
3.1 Veľké bramové ingoty často vykazujú povrchové trhliny, vnútornú pórovitosť a inklúzie, ktoré vážne ovplyvňujú mechanické správanie počas tuhnutia zliatiny.
3.2 Mechanické vlastnosti zliatiny počas tuhnutia do značnej miery závisia od vnútorných štrukturálnych prvkov vrátane veľkosti zŕn, obsahu vodíka a úrovne inklúzií.
3.3 Pri hliníkových zliatinách s dendritickými štruktúrami rozostup sekundárnych dendritických ramien (SDAS) významne ovplyvňuje mechanické vlastnosti aj proces tuhnutia. Jemnejší SDAS vedie k skoršej tvorbe pórovitosti a vyšším podielom pórovitosti, čím sa znižuje kritické napätie pre praskanie za tepla.
3.4 Vady, ako sú interdendritické zmršťovacie dutiny a inklúzie, výrazne oslabujú húževnatosť pevnej kostry a výrazne znižujú kritické napätie potrebné pre praskanie za tepla.
3.5 Morfológia zŕn je ďalším kritickým mikroštrukturálnym faktorom ovplyvňujúcim správanie sa pri tvorbe trhlín za tepla. Keď zrná prechádzajú zo stĺpcových dendritov na guľovité rovnoosé zrná, zliatina vykazuje nižšiu teplotu tuhosti a zlepšenú priepustnosť medzi dendritickými kvapalinami, čo potláča rast pórov. Okrem toho, jemnejšie zrná dokážu zvládnuť väčšie deformácie a rýchlosti deformácie a predstavujú zložitejšie dráhy šírenia trhlín, čím sa znižuje celková tendencia k tvorbe trhlín za tepla.
3.6 V praktickej výrobe môže optimalizácia manipulácie s taveninou a techník odlievania – ako napríklad prísna kontrola obsahu inklúzií a vodíka, ako aj štruktúry zŕn – zlepšiť vnútornú odolnosť bramových ingotov voči tvorbe horúcich trhlín. V kombinácii s optimalizovaným návrhom nástrojov a metódami spracovania môžu tieto opatrenia viesť k výrobe vysokovýkonných, veľkoobjemových a vysoko kvalitných bramových ingotov.
4. Zjemňovanie zrna ingotu
Hliníková zliatina 7050 používa predovšetkým dva typy zjemňovačov zrna: Al-5Ti-1B a Al-3Ti-0,15C. Porovnávacie štúdie o priamom použití týchto zjemňovačov ukazujú:
4.1 Ingoty zjemnené pomocou Al-5Ti-1B vykazujú výrazne menšie veľkosti zŕn a rovnomernejší prechod od okraja ingotu do stredu. Hrubozrnná vrstva je tenšia a celkový efekt zjemnenia zŕn je silnejší v celom ingote.
4.2 Ak sa použijú suroviny predtým rafinované s Al-3Ti-0.15C, účinok zjemňovania zrna Al-5Ti-1B sa znižuje. Okrem toho, zvýšenie pridania Al-Ti-B nad určitý bod úmerne nezlepší zjemňovanie zrna. Preto by sa pridanie Al-Ti-B malo obmedziť na maximálne 2 kg/t.
4.3 Ingoty rafinované s Al-3Ti-0,15C pozostávajú prevažne z jemných, guľovitých rovnoosých zŕn. Veľkosť zŕn je relatívne rovnomerná po celej šírke bramy. Pridanie 3 – 4 kg/t Al-3Ti-0,15C je účinné pri stabilizácii kvality produktu.
4.4 Je pozoruhodné, že keď sa v zliatine 7050 použije Al-5Ti-1B, častice TiB₂ majú tendenciu sa pri rýchlom ochladzovaní oddeľovať smerom k oxidovému filmu na povrchu ingotu a vytvárať zhluky, ktoré vedú k tvorbe trosky. Počas tuhnutia ingotu sa tieto zhluky zmenšujú dovnútra a vytvárajú drážkovité záhyby, čím sa mení povrchové napätie taveniny. To zvyšuje viskozitu taveniny a znižuje tekutosť, čo následne podporuje tvorbu trhlín na dne formy a v rohoch širokých a úzkych plôch ingotu. To výrazne zvyšuje tendenciu k praskaniu a negatívne ovplyvňuje výťažnosť ingotu.
4.5 Vzhľadom na tvárniace vlastnosti zliatiny 7050, štruktúru zŕn podobných domácich a medzinárodných ingotov a kvalitu finálnych spracovaných produktov sa ako in-line zjemňovač zŕn na odlievanie zliatiny 7050 uprednostňuje Al-3Ti-0.15C – pokiaľ špecifické podmienky nevyžadujú inak.
5. Správanie sa pri zjemňovaní zŕn materiálu Al-3Ti-0.15C
5.1 Keď sa pridá zjemňovač zrna pri teplote 720 °C, zrná pozostávajú prevažne z rovnoosých štruktúr s niekoľkými podštruktúrami a majú najjemnejšiu veľkosť.
5.2 Ak sa tavenina po pridaní zjemňovacej prísady udržiava príliš dlho (napr. dlhšie ako 10 minút), dominuje rast hrubých dendritov, čo vedie k hrubším zrnám.
5.3 Keď je pridané množstvo zjemňovača zrna 0,010 % až 0,015 %, dosiahnu sa jemné rovnoosé zrná.
5.4 Na základe priemyselného procesu výroby zliatiny 7050 sú optimálne podmienky zjemňovania zrna: teplota pridávania okolo 720 °C, čas od pridania do konečného stuhnutia kontrolovaný do 20 minút a množstvo zjemňovacej prísady približne 0,01 – 0,015 % (3 – 4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Napriek rozdielom vo veľkosti ingotov je celkový čas od pridania zjemňovača zrna po výstupe z taveniny, cez systém v rade, žľab a formu, až po konečné stuhnutie typicky 15 – 20 minút.
5.6 V priemyselnom prostredí zvýšenie množstva zjemňovača zrna nad obsah Ti 0,01 % významne nezlepší zjemnenie zrna. Nadmerné pridávanie vedie k obohateniu Ti a C, čím sa zvyšuje pravdepodobnosť materiálových defektov.
5.7 Testy v rôznych bodoch – vstup odplyňovača, výstup odplyňovača a odlievací žľab – vykazujú minimálne rozdiely vo veľkosti zŕn. Pridanie rafinéra priamo do odlievacieho žľabu bez filtrácie však zvyšuje riziko defektov počas ultrazvukovej kontroly spracovaných materiálov.
5.8 Aby sa zabezpečilo rovnomerné zjemnenie zrna a zabránilo sa hromadeniu zjemňovača, mal by sa zjemňovač zrna pridať na vstupe do odplyňovacieho systému.
Čas uverejnenia: 16. júla 2025
