1. Makroskopski dejavniki, ki prispevajo k nastanku razpok
1.1 Med polkontinuirnim litjem se hladilna voda neposredno brizga na površino ingota, kar ustvarja strm temperaturni gradient znotraj ingota. To povzroči neenakomerno krčenje med različnimi območji, kar povzroča medsebojno zadrževanje in toplotne napetosti. Pod določenimi napetostnimi polji lahko te napetosti povzročijo razpoke v ingotu.
1.2 V industrijski proizvodnji se razpoke v ingotih pogosto pojavijo v začetni fazi litja ali pa nastanejo kot mikrorazpoke, ki se kasneje med hlajenjem širijo in se potencialno razširijo po celotnem ingotu. Poleg razpok se lahko v začetni fazi litja pojavijo tudi druge napake, kot so hladni zapor, upogibanje in obešanje, zaradi česar je to kritična faza v celotnem procesu litja.
1.3 Na dovzetnost za vroče razpoke pri litju v hlajenem stanju pomembno vplivajo kemična sestava, dodatki predzlitine in količina uporabljenih zlitin za rafiniranje zrn.
1.4 Občutljivost zlitin na vroče razpoke je predvsem posledica notranjih napetosti, ki povzročajo nastanek praznin in razpok. Njihov nastanek in porazdelitev določajo legirni elementi, metalurška kakovost taline in parametri polkontinuirnega litja. Natančneje, veliki ingoti iz aluminijevih zlitin serije 7xxx so še posebej nagnjeni k vročim razpokam zaradi več legirnih elementov, širokih območij strjevanja, visokih napetosti pri litju, oksidacijske segregacije legirnih elementov, relativno slabe metalurške kakovosti in nizke oblikovalnosti pri sobni temperaturi.
1.5 Študije so pokazale, da elektromagnetna polja in legirni elementi (vključno z rafinerji zrn, glavnimi legirnimi elementi in elementi v sledovih) pomembno vplivajo na mikrostrukturo in dovzetnost za vroče razpoke pri polkontinuirno litih zlitinah serije 7xxx.
1.6 Poleg tega talina zaradi kompleksne sestave aluminijeve zlitine 7050 in prisotnosti lahko oksidirajočih elementov ponavadi absorbira več vodika. To v kombinaciji z oksidnimi vključki vodi do soobstoja plina in vključkov, kar ima za posledico visoko vsebnost vodika v talini. Vsebnost vodika je postala ključni dejavnik, ki vpliva na rezultate pregledov, lomne lastnosti in utrujenost obdelanih ingotov. Zato je na podlagi mehanizma prisotnosti vodika v talini potrebno uporabiti adsorpcijske medije in opremo za filtracijo in rafiniranje, da se iz taline odstrani vodik in drugi vključki, da se dobi visoko prečiščena talina zlitine.
2. Mikroskopski vzroki za nastanek razpok
2.1 Vroče razpokanje ingotov je v prvi vrsti odvisno od hitrosti strjevanja, krčenja zaradi strjevanja, hitrosti podajanja in kritične velikosti kašaste cone. Če velikost kašaste cone preseže kritični prag, pride do vročega razpokanja.
2.2 Na splošno lahko proces strjevanja zlitin razdelimo na več stopenj: dovajanje v razsutem stanju, meddendritično dovajanje, ločevanje dendritov in premoščanje dendritov.
2.3 Med fazo ločevanja dendritov se dendritni kraki bolj tesno združijo in pretok tekočine je omejen zaradi površinske napetosti. Prepustnost kašaste cone se zmanjša, zadostno krčenje zaradi strjevanja in toplotna napetost pa lahko povzročita mikroporoznost ali celo vroče razpoke.
2.4 V fazi premoščanja dendritov ostane na trojnih stikih le majhna količina tekočine. Na tej točki ima poltrdni material precejšnjo trdnost in plastičnost, lezenje v trdnem stanju pa je edini mehanizem za kompenzacijo krčenja zaradi strjevanja in toplotnih napetosti. Ti dve fazi najverjetneje tvorita praznine zaradi krčenja ali vroče razpoke.
3. Priprava visokokakovostnih ingotov iz plošč na podlagi mehanizmov nastanka razpok
3.1 Veliki ingoti v obliki plošč pogosto kažejo površinske razpoke, notranjo poroznost in vključke, ki močno vplivajo na mehansko obnašanje med strjevanjem zlitine.
3.2 Mehanske lastnosti zlitine med strjevanjem so v veliki meri odvisne od notranjih strukturnih značilnosti, vključno z velikostjo zrn, vsebnostjo vodika in stopnjo vključkov.
3.3 Pri aluminijevih zlitinah z dendritičnimi strukturami razmik med sekundarnimi dendritnimi vejami (SDAS) pomembno vpliva tako na mehanske lastnosti kot na proces strjevanja. Drobnejši SDAS vodi do zgodnejšega nastanka poroznosti in višjih deležev poroznosti, kar zmanjšuje kritično napetost za vroče razpoke.
3.4 Napake, kot so interdendritične praznine zaradi krčenja in vključki, močno oslabijo žilavost trdnega ogrodja in znatno zmanjšajo kritično napetost, potrebno za vroče razpoke.
3.5 Morfologija zrn je še en ključni mikrostrukturni dejavnik, ki vpliva na obnašanje vročih razpok. Ko zrna preidejo iz stebrastih dendritov v kroglasta enakoosna zrna, zlitina kaže nižjo temperaturo togosti in izboljšano prepustnost za meddendritično tekočino, kar zavira rast por. Poleg tega lahko finejša zrna prenesejo večje deformacije in hitrosti deformacij ter predstavljajo bolj kompleksne poti širjenja razpok, s čimer se zmanjša splošna nagnjenost k vročim razpokam.
3.6 V praktični proizvodnji lahko optimizacija tehnik ravnanja s talino in litja – kot je strog nadzor nad vključki in vsebnostjo vodika ter strukturo zrn – izboljša notranjo odpornost ingotov v ploščah proti vročim razpokam. V kombinaciji z optimizirano zasnovo orodij in metodami obdelave lahko ti ukrepi vodijo do proizvodnje visokokakovostnih ingotov v ploščah z visokim izkoristkom.
4. Izpopolnjevanje zrn ingota
Aluminijeva zlitina 7050 uporablja predvsem dve vrsti rafinerjev zrn: Al-5Ti-1B in Al-3Ti-0.15C. Primerjalne študije o linijski uporabi teh rafinerjev kažejo:
4.1 Ingoti, rafinirani z Al-5Ti-1B, kažejo bistveno manjše velikosti zrn in bolj enakomeren prehod od roba ingota do središča. Grobozrnata plast je tanjša, celoten učinek rafiniranja zrn pa je močnejši po celotnem ingotu.
4.2 Pri uporabi surovin, predhodno rafiniranih z Al-3Ti-0.15C, se učinek rafiniranja zrn Al-5Ti-1B zmanjša. Poleg tega povečanje dodatka Al-Ti-B preko določene točke ne poveča sorazmerno rafiniranja zrn. Zato je treba dodatke Al-Ti-B omejiti na največ 2 kg/t.
4.3 Ingoti, rafinirani z Al-3Ti-0.15C, so sestavljeni predvsem iz drobnih, kroglastih enakoosnih zrn. Velikost zrn je relativno enakomerna po širini plošče. Dodatek 3–4 kg/t Al-3Ti-0.15C učinkovito stabilizira kakovost izdelka.
4.4 Omeniti velja, da se pri uporabi Al-5Ti-1B v zlitini 7050 delci TiB₂ pri hitrem ohlajanju nagibajo k oksidnemu filmu na površini ingota in tvorijo skupke, ki vodijo do nastanka žlindre. Med strjevanjem ingota se ti skupki skrčijo navznoter in tvorijo žlebove podobne gube, kar spremeni površinsko napetost taline. To poveča viskoznost taline in zmanjša fluidnost, kar posledično spodbuja nastanek razpok na dnu kalupa in vogalih širokih in ozkih ploskev ingota. To znatno poveča nagnjenost k razpokam in negativno vpliva na izkoristek ingota.
4.5 Glede na oblikovne lastnosti zlitine 7050, strukturo zrn podobnih domačih in mednarodnih ingotov ter kakovost končnih predelanih izdelkov je Al-3Ti-0.15C prednostna izbira kot linijski rafiner zrn za litje zlitine 7050 – razen če posebni pogoji zahtevajo drugače.
5. Obnašanje zrnatosti Al-3Ti-0.15C
5.1 Ko se pri 720 °C doda rafinerij zrn, so zrna sestavljena predvsem iz enakoosnih struktur z nekaj podstrukturami in so najdrobnejše velikosti.
5.2 Če se talina po dodajanju rafinerja zadržuje predolgo (npr. več kot 10 minut), prevladuje rast grobih dendritov, kar ima za posledico grobejša zrna.
5.3 Ko je količina dodatka rafinerije zrn od 0,010 % do 0,015 %, se dosežejo fina enakoosna zrna.
5.4 Na podlagi industrijskega postopka za zlitino 7050 so optimalni pogoji za prečiščevanje zrn naslednji: temperatura dodajanja okoli 720 °C, čas od dodajanja do končnega strjevanja, nadzorovan v 20 minutah, in količina prečiščevalnika približno 0,01–0,015 % (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Kljub razlikam v velikosti ingotov je skupni čas od dodajanja rafinerije zrn po izstopu taline, skozi linijski sistem, korito in kalup do končnega strjevanja običajno 15–20 minut.
5.6 V industrijskih okoljih povečanje količine sredstva za rafiniranje zrn nad vsebnostjo Ti 0,01 % ne izboljša bistveno rafiniranja zrn. Namesto tega prekomerno dodajanje vodi do obogatitve s Ti in C, kar povečuje verjetnost napak v materialu.
5.7 Preskusi na različnih točkah – vhodu za odplinjevanje, izhodu za odplinjevanje in livarskem koritu – kažejo minimalne razlike v velikosti zrn. Vendar pa dodajanje rafinerja neposredno na livarskem koritu brez filtracije poveča tveganje za napake med ultrazvočnim pregledom obdelanih materialov.
5.8 Za zagotovitev enakomernega zdrobljenja zrn in preprečevanje kopičenja rafinerije je treba rafinerij dodati na vhodu v sistem za odplinjevanje.
Čas objave: 16. julij 2025
