1. Macroscopische factoren die bijdragen aan scheurvorming
1.1 Tijdens semi-continu gieten wordt koelwater direct op het oppervlak van de ingot gespoten, waardoor een steile temperatuurgradiënt in de ingot ontstaat. Dit resulteert in een ongelijkmatige krimp tussen verschillende delen, waardoor er wederzijdse beperkingen en thermische spanningen ontstaan. Onder bepaalde spanningsvelden kunnen deze spanningen leiden tot barsten in de ingot.
1.2 Bij industriële productie treedt barsten in de ingots vaak op in de eerste gietfase of ontstaan er microscheurtjes die zich later tijdens het afkoelen voortplanten en zich mogelijk over de hele ingot verspreiden. Naast barsten kunnen er tijdens de eerste gietfase ook andere defecten optreden, zoals koudsluiting, kromtrekken en hangen, waardoor het een kritieke fase is in het gehele gietproces.
1.3 De gevoeligheid van direct koelgieten voor warmscheuren wordt aanzienlijk beïnvloed door de chemische samenstelling, de toevoeging van de moederlegering en de hoeveelheid gebruikte korrelverfijners.
1.4 De gevoeligheid van legeringen voor warmscheuren wordt voornamelijk veroorzaakt door interne spanningen die de vorming van holtes en scheuren veroorzaken. De vorming en verdeling ervan worden bepaald door de legeringselementen, de kwaliteit van de smeltmetallurgische eigenschappen en de parameters van semi-continue gietprocessen. Met name grote blokken van aluminiumlegeringen uit de 7xxx-serie zijn bijzonder gevoelig voor warmscheuren vanwege de aanwezigheid van meerdere legeringselementen, brede stollingsbereiken, hoge gietspanningen, oxidatiesegregatie van legeringselementen, een relatief slechte metallurgische kwaliteit en een lage vervormbaarheid bij kamertemperatuur.
1.5 Uit onderzoek is gebleken dat elektromagnetische velden en legeringselementen (waaronder korrelverfijners, belangrijke legeringselementen en sporenelementen) een aanzienlijke invloed hebben op de microstructuur en de gevoeligheid voor warmscheuren van semi-continu gegoten legeringen uit de 7xxx-serie.
1.6 Bovendien heeft de smelt, vanwege de complexe samenstelling van de 7050 aluminiumlegering en de aanwezigheid van gemakkelijk oxiderende elementen, de neiging om meer waterstof te absorberen. Dit, in combinatie met oxide-insluitsels, leidt tot de coëxistentie van gas en insluitsels, wat resulteert in een hoog waterstofgehalte in de smelt. Het waterstofgehalte is een belangrijke factor geworden die de inspectieresultaten, het breukgedrag en de vermoeiingsprestaties van verwerkte ingots beïnvloedt. Daarom is het, gebaseerd op het mechanisme van de aanwezigheid van waterstof in de smelt, noodzakelijk om adsorptiemedia en filtratie- en raffinageapparatuur te gebruiken om waterstof en andere insluitsels uit de smelt te verwijderen en een zeer zuivere legeringssmelt te verkrijgen.
2. Microscopische oorzaken van scheurvorming
2.1 Warmscheuren van ingots wordt voornamelijk bepaald door de snelheid van stollingskrimp, de voedingssnelheid en de kritische grootte van de papperige zone. Als de grootte van de papperige zone een kritische drempel overschrijdt, treedt warmscheuren op.
2.2 Over het algemeen kan het stollingsproces van legeringen worden onderverdeeld in verschillende fasen: bulkvoeding, interdendritische voeding, dendrietscheiding en dendrietbrugvorming.
2.3 Tijdens de dendrietscheidingsfase raken de dendrietarmen dichter op elkaar gepakt en wordt de vloeistofstroom beperkt door oppervlaktespanning. De permeabiliteit van de papperige zone neemt af en voldoende krimp en thermische spanning door stolling kunnen leiden tot microporositeit of zelfs hete scheuren.
2.4 In de dendrietbrugfase blijft er slechts een kleine hoeveelheid vloeistof achter bij de drievoudige verbindingen. In dit stadium heeft het halfvaste materiaal aanzienlijke sterkte en plasticiteit, en is vaste-toestandkruip het enige mechanisme om krimp en thermische spanning door stolling te compenseren. Deze twee fasen zijn het meest waarschijnlijk voor de vorming van krimpholtes of hete scheuren.
3. Voorbereiding van hoogwaardige plaatstaven op basis van scheurvormingsmechanismen
3.1 Grote plaatstaven vertonen vaak oppervlaktescheuren, interne porositeit en insluitsels, die een ernstige invloed hebben op het mechanische gedrag tijdens het stollen van de legering.
3.2 De mechanische eigenschappen van de legering tijdens het stollen hangen grotendeels af van interne structurele kenmerken, waaronder korrelgrootte, waterstofgehalte en insluitselniveaus.
3.3 Bij aluminiumlegeringen met dendritische structuren heeft de secundaire dendrietarmafstand (SDAS) een aanzienlijke invloed op zowel de mechanische eigenschappen als het stollingsproces. Fijnere SDAS leidt tot een eerdere porositeitsvorming en hogere porositeitsfracties, waardoor de kritische spanning voor warmscheuren wordt verlaagd.
3.4 Defecten zoals interdendritische krimpholtes en insluitsels verzwakken de taaiheid van het vaste skelet aanzienlijk en verlagen de kritische spanning die nodig is voor warmscheuren aanzienlijk.
3.5 Korrelmorfologie is een andere cruciale microstructurele factor die het warmscheurgedrag beïnvloedt. Wanneer korrels overgaan van zuilvormige dendrieten naar bolvormige equiaxiale korrels, vertoont de legering een lagere stijfheidstemperatuur en een verbeterde interdendritische vloeistofpermeabiliteit, wat poriegroei onderdrukt. Bovendien kunnen fijnere korrels hogere rek en reksnelheden aan en vertonen ze complexere scheurvoortplantingspaden, waardoor de algehele neiging tot warmscheuren afneemt.
3.6 In de praktijk kan het optimaliseren van smeltverwerkings- en giettechnieken – zoals het strikt controleren van insluitsels en waterstofgehalte, evenals de korrelstructuur – de interne weerstand van plaatstaven tegen warmscheuren verbeteren. In combinatie met geoptimaliseerd gereedschapsontwerp en verwerkingsmethoden kunnen deze maatregelen leiden tot de productie van hoogwaardige, grootschalige plaatstaven met een hoge opbrengst.
4. Korrelverfijning van de ingot
7050 aluminiumlegering maakt voornamelijk gebruik van twee soorten korrelverfijners: Al-5Ti-1B en Al-3Ti-0,15C. Vergelijkende studies naar de in-line toepassing van deze verfijners laten het volgende zien:
4.1 Met Al-5Ti-1B geraffineerde ingots vertonen aanzienlijk kleinere korrelgroottes en een gelijkmatigere overgang van de rand van de ingot naar het midden. De grofkorrelige laag is dunner en het algehele korrelverfijningseffect is sterker over de gehele ingot.
4.2 Bij gebruik van grondstoffen die eerder met Al-3Ti-0,15C zijn geraffineerd, wordt het korrelverfijningseffect van Al-5Ti-1B verminderd. Bovendien leidt een verhoging van de Al-Ti-B-toevoeging boven een bepaald punt niet tot een evenredige verbetering van de korrelverfijning. Daarom dient de toevoeging van Al-Ti-B te worden beperkt tot maximaal 2 kg/t.
4.3 Met Al-3Ti-0,15C geraffineerde ingots bestaan voornamelijk uit fijne, bolvormige, gelijkassige korrels. De korrelgrootte is relatief uniform over de breedte van de plaat. Een toevoeging van 3-4 kg/t Al-3Ti-0,15C is effectief in het stabiliseren van de productkwaliteit.
4.4 Met name wanneer Al-5Ti-1B wordt gebruikt in 7050-legering, hebben TiB₂-deeltjes de neiging zich onder snelle afkoeling te segregeren naar de oxidefilm op het oppervlak van de ingot, waardoor clusters ontstaan die leiden tot slakvorming. Tijdens het stollen van de ingot krimpen deze clusters naar binnen en vormen groefachtige plooien, waardoor de oppervlaktespanning van de smelt verandert. Dit verhoogt de viscositeit van de smelt en vermindert de vloeibaarheid, wat op zijn beurt scheurvorming aan de basis van de matrijs en de hoeken van de brede en smalle vlakken van de ingot bevordert. Dit verhoogt de neiging tot scheuren aanzienlijk en heeft een negatieve invloed op de opbrengst van de ingot.
4.5 Gezien het vormgedrag van 7050-legering, de korrelstructuur van vergelijkbare binnenlandse en internationale ingots en de kwaliteit van de verwerkte eindproducten, heeft Al-3Ti-0.15C de voorkeur als in-line korrelverfijner voor het gieten van 7050-legering, tenzij specifieke omstandigheden anders vereisen.
5. Korrelverfijningsgedrag van Al-3Ti-0.15C
5.1 Wanneer de korrelverfijner bij 720 °C wordt toegevoegd, bestaan de korrels voornamelijk uit gelijkassige structuren met enkele substructuren en zijn ze het fijnst van formaat.
5.2 Als de smelt te lang wordt vastgehouden nadat de refiner is toegevoegd (bijvoorbeeld langer dan 10 minuten), overheerst de grove dendritische groei, wat resulteert in grovere korrels.
5.3 Wanneer de toegevoegde hoeveelheid korrelverfijner 0,010% tot 0,015% bedraagt, worden fijne gelijkassige korrels verkregen.
5.4 Op basis van het industriële proces van 7050-legering zijn de optimale korrelverfijningsomstandigheden: toevoegingstemperatuur rond 720 °C, tijd van toevoeging tot uiteindelijke stolling gecontroleerd binnen 20 minuten en verfijningshoeveelheid van ongeveer 0,01–0,015% (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Ondanks variaties in de grootte van de ingot bedraagt de totale tijd vanaf het toevoegen van de korrelverfijner na de uitlaat van de smelt, via het in-line systeem, de trog en de mal, tot de uiteindelijke stolling doorgaans 15 tot 20 minuten.
5.6 In industriële omgevingen leidt het verhogen van de hoeveelheid korrelverfijner boven een Ti-gehalte van 0,01% niet tot een significante verbetering van de korrelverfijning. In plaats daarvan leidt een overmatige toevoeging tot Ti- en C-verrijking, waardoor de kans op materiaaldefecten toeneemt.
5.7 Tests op verschillende punten – ontgassingsinlaat, ontgassingsuitlaat en gietgoot – laten minimale verschillen in korrelgrootte zien. Het toevoegen van de raffinaderij direct bij de gietgoot zonder filtratie verhoogt echter het risico op defecten tijdens ultrasoon onderzoek van verwerkte materialen.
5.8 Om een gelijkmatige korrelverfijning te garanderen en ophoping in de verfijner te voorkomen, moet de korrelverfijner bij de inlaat van het ontgassingssysteem worden toegevoegd.
Plaatsingstijd: 16-07-2025
