1. Макроскопические факторы, способствующие образованию трещин
1.1 При полунепрерывном литье охлаждающая вода непосредственно распыляется на поверхность слитка, создавая резкий температурный градиент внутри слитка. Это приводит к неравномерной усадке различных участков, взаимному сжатию и возникновению термических напряжений. При определённых полях напряжений эти напряжения могут привести к растрескиванию слитка.
1.2 В промышленном производстве растрескивание слитков часто происходит на начальном этапе литья или возникает в виде микротрещин, которые впоследствии распространяются при охлаждении, потенциально распространяясь по всему слитку. Помимо трещин, на начальном этапе литья могут возникать и другие дефекты, такие как «холодные зазоры», коробление и зависание, что делает этот этап критическим во всем процессе литья.
1.3 Склонность литья в кокиль к образованию горячих трещин существенно зависит от химического состава, добавок лигатуры и количества используемых измельчителей зерна.
1.4 Склонность сплавов к образованию горячих трещин обусловлена главным образом внутренними напряжениями, вызывающими образование пор и трещин. Их образование и распределение определяются легирующими элементами, металлургическим качеством расплава и параметрами полунепрерывной разливки. В частности, крупногабаритные слитки алюминиевых сплавов серии 7xxx особенно склонны к образованию горячих трещин из-за многокомпонентности легирующих элементов, широких интервалов кристаллизации, высоких литейных напряжений, окислительной сегрегации легирующих элементов, относительно низкого металлургического качества и низкой формуемости при комнатной температуре.
1.5 Исследования показали, что электромагнитные поля и легирующие элементы (включая измельчители зерна, основные легирующие элементы и микроэлементы) существенно влияют на микроструктуру и склонность к образованию горячих трещин полунепрерывно литых сплавов серии 7xxx.
1.6 Кроме того, сложный состав алюминиевого сплава 7050 и наличие легко окисляющихся элементов приводят к повышенному поглощению водорода расплавом. В сочетании с оксидными включениями это приводит к сосуществованию газа и включений, что приводит к высокому содержанию водорода в расплаве. Содержание водорода стало ключевым фактором, влияющим на результаты контроля, поведение при разрушении и усталостные характеристики обработанных слитков. Поэтому, исходя из механизма присутствия водорода в расплаве, необходимо использовать адсорбционные среды и фильтрующее оборудование для удаления водорода и других включений из расплава с целью получения расплава сплава высокой степени очистки.
2. Микроскопические причины образования трещин
2.1 Горячие трещины в слитках определяются, главным образом, скоростью кристаллизационной усадки, скоростью подачи и критическим размером двухфазной зоны. Если размер двухфазной зоны превышает критический предел, возникают горячие трещины.
2.2 В общем случае процесс кристаллизации сплавов можно разделить на несколько стадий: объемная подача, междендритная подача, разделение дендритов и образование мостиков между дендритами.
2.3 На стадии разделения дендритов их ветви становятся более плотно упакованными, и течение жидкости ограничивается поверхностным натяжением. Проницаемость кашеобразной зоны снижается, а значительная усадка при кристаллизации и термические напряжения могут привести к образованию микропористости или даже горячих трещин.
2.4 На стадии образования мостиков дендритов в тройных стыках остаётся лишь небольшое количество жидкости. В этой стадии полутвёрдый материал обладает значительной прочностью и пластичностью, и ползучесть в твёрдом состоянии является единственным механизмом компенсации усадки при кристаллизации и термических напряжений. На этих двух стадиях наиболее вероятно образование усадочных раковин или горячих трещин.
3. Получение высококачественных слитков с учетом механизмов трещинообразования
3.1 Крупногабаритные слитки часто имеют поверхностные трещины, внутреннюю пористость и включения, которые существенно влияют на механическое поведение при затвердевании сплава.
3.2 Механические свойства сплава при затвердевании во многом зависят от внутренних структурных особенностей, включая размер зерна, содержание водорода и уровни включений.
3.3 Для алюминиевых сплавов с дендритной структурой вторичное расстояние между осями дендритов (SDAS) существенно влияет как на механические свойства, так и на процесс кристаллизации. Более мелкое SDAS приводит к более раннему образованию пор и более высокой доле пористости, что снижает критическое напряжение образования горячих трещин.
3.4 Такие дефекты, как междендритные усадочные раковины и включения, серьезно ослабляют вязкость твердого скелета и существенно снижают критическое напряжение, необходимое для образования горячих трещин.
3.5 Морфология зерен – еще один важный микроструктурный фактор, влияющий на поведение при горячих трещинах. При переходе зерен от столбчатых дендритов к глобулярным равноосным зернам сплав демонстрирует более низкую температуру жесткости и улучшенную междендритную проницаемость для жидкости, что подавляет рост пор. Кроме того, более мелкие зерна способны выдерживать более высокие деформации и скорости деформации, а также обеспечивают более сложные пути распространения трещин, тем самым снижая общую склонность к образованию горячих трещин.
3.6 В практическом производстве оптимизация процессов обработки расплава и литья, такая как строгий контроль содержания включений и водорода, а также структуры зерна, может повысить внутреннюю стойкость слитков к образованию горячих трещин. В сочетании с оптимизированной конструкцией инструмента и методами обработки эти меры могут привести к получению слитков с высоким выходом годного, крупносерийного и высококачественного качества.
4. Измельчение зерна слитка
Для алюминиевого сплава 7050 в основном используются два типа измельчителей зерна: Al-5Ti-1B и Al-3Ti-0,15C. Сравнительные исследования по применению этих измельчителей в поточных линиях показывают:
4.1 Слитки, очищенные сплавом Al-5Ti-1B, характеризуются значительно меньшим размером зерна и более равномерным переходом от края к центру слитка. Крупнозернистый слой тоньше, а общий эффект измельчения зерна сильнее по всему слитку.
4.2 При использовании сырья, предварительно рафинированного добавкой Al-3Ti-0,15C, эффект измельчения зерна добавкой Al-5Ti-1B снижается. Более того, увеличение добавки Al-Ti-B сверх определённого предела не приводит к пропорциональному увеличению измельчения зерна. Поэтому добавку Al-Ti-B следует ограничивать не более чем 2 кг/т.
4.3 Слитки, очищенные с помощью Al-3Ti-0,15C, состоят преимущественно из мелких, глобулярных равноосных зерен. Размер зерен относительно равномерен по ширине сляба. Добавка Al-3Ti-0,15C в количестве 3–4 кг/т эффективна для стабилизации качества продукции.
4.4. В частности, при использовании Al-5Ti-1B в сплаве 7050 частицы TiB₂ при быстром охлаждении имеют тенденцию к сегрегации к оксидной пленке на поверхности слитка, образуя кластеры, приводящие к образованию шлака. В процессе затвердевания слитка эти кластеры сжимаются внутрь, образуя складки, напоминающие бороздки, изменяя поверхностное натяжение расплава. Это увеличивает вязкость расплава и снижает его текучесть, что, в свою очередь, способствует образованию трещин в основании изложницы и углах широкой и узкой граней слитка. Это значительно повышает склонность к растрескиванию и отрицательно влияет на выход годного слитка.
4.5 Учитывая формовочные свойства сплава 7050, структуру зерна аналогичных отечественных и импортных слитков, а также качество конечной обработанной продукции, предпочтительным в качестве поточной добавки для измельчения зерна при литье сплава 7050 является Al-3Ti-0.15C, если особые условия не требуют иного.
5. Поведение Al-3Ti-0,15C при измельчении зерна
5.1 При добавлении измельчителя зерна при температуре 720 °C зерна состоят в основном из равноосных структур с некоторыми субструктурами и имеют мельчайшие размеры.
5.2 Если расплав выдерживается слишком долго после добавления рафинера (например, более 10 минут), преобладает рост крупных дендритов, что приводит к образованию более крупных зерен.
5.3 При добавлении измельчителя зерна в количестве от 0,010% до 0,015% достигаются мелкие равноосные зерна.
5.4 Исходя из промышленного процесса сплава 7050, оптимальными условиями измельчения зерна являются: температура добавления около 720 °C, контролируемое время от добавления до окончательного затвердевания в пределах 20 минут и количество рафинирующего агента приблизительно 0,01–0,015% (3–4 кг/т Al-3Ti-0,15C).
5.5 Несмотря на различия в размерах слитков, общее время от добавления измельчителя зерна после выхода расплава через встроенную систему, желоб и кристаллизатор до окончательного затвердевания обычно составляет 15–20 минут.
5.6 В промышленных условиях увеличение количества измельчителя зерна свыше 0,01% Ti не приводит к существенному улучшению его качества. Напротив, избыточное добавление приводит к обогащению титаном и углеродом, что повышает вероятность возникновения дефектов материала.
5.7 Испытания в различных точках — на входе и выходе дегазатора, в литейном желобе — показывают минимальные различия в размере зерна. Однако добавление рафинера непосредственно в литейный желоб без фильтрации увеличивает риск возникновения дефектов при ультразвуковом контроле обработанных материалов.
5.8 Для обеспечения равномерного измельчения зерна и предотвращения накопления измельчителя его следует добавлять на входе в систему дегазации.
Время публикации: 16 июля 2025 г.
