1. Makroskopiske faktorer, der bidrager til revnedannelse
1.1 Under semikontinuerlig støbning sprøjtes kølevand direkte på barrens overflade, hvilket skaber en stejl temperaturgradient i barren. Dette resulterer i ujævn sammentrækning mellem forskellige områder, hvilket forårsager gensidig begrænsning og genererer termiske spændinger. Under visse spændingsfelter kan disse spændinger føre til revner i barren.
1.2 I industriel produktion opstår der ofte revner i barren i den indledende støbefase eller opstår som mikrorevner, der senere forplanter sig under afkøling og potentielt spreder sig i hele barren. Ud over revner kan der også forekomme andre defekter, såsom koldlukning, vridning og ophængning, i den indledende støbefase, hvilket gør det til en kritisk fase i hele støbeprocessen.
1.3 Direkte koldstøbnings følsomhed over for varm revnedannelse påvirkes betydeligt af den kemiske sammensætning, tilsætning af forlegeringer og mængden af anvendte kornraffinører.
1.4 Legeringers følsomhed over for varm revnedannelse skyldes hovedsageligt indre spændinger, der forårsager dannelse af hulrum og revner. Deres dannelse og fordeling bestemmes af legeringselementer, smeltemetallurgisk kvalitet og semikontinuerlige støbningsparametre. Specifikt er store ingots af 7xxx-serien af aluminiumlegeringer særligt tilbøjelige til varm revnedannelse på grund af flere legeringselementer, brede størkningsområder, høje støbespændinger, oxidationsadskillelse af legeringselementer, relativt dårlig metallurgisk kvalitet og lav formbarhed ved stuetemperatur.
1.5 Undersøgelser har vist, at elektromagnetiske felter og legeringselementer (herunder kornforædlingsmidler, vigtige legeringselementer og sporstoffer) påvirker mikrostrukturen og modtageligheden for varme revner i semikontinuerligt støbte legeringer i 7xxx-serien betydeligt.
1.6 Derudover har smelten en tendens til at absorbere mere hydrogen på grund af den komplekse sammensætning af 7050 aluminiumlegering og tilstedeværelsen af let oxiderende elementer. Dette, kombineret med oxidindeslutninger, fører til sameksistens af gas og indeslutninger, hvilket resulterer i et højt hydrogenindhold i smelten. Hydrogenindhold er blevet en nøglefaktor, der påvirker inspektionsresultater, brudadfærd og udmattelsesegenskaber i forarbejdede barrematerialer. Derfor er det, baseret på mekanismen for hydrogentilstedeværelsen i smelten, nødvendigt at bruge adsorptionsmedier og filtrerings-raffineringsudstyr til at fjerne hydrogen og andre indeslutninger fra smelten for at opnå en højt renset legeringssmelte.
2. Mikroskopiske årsager til revnedannelse
2.1 Varm revnedannelse i barren bestemmes primært af størkningssvindhastigheden, tilførselshastigheden og den kritiske størrelse af den bløde zone. Hvis størrelsen af den bløde zone overstiger en kritisk tærskel, vil der forekomme varm revnedannelse.
2.2 Generelt kan størkningsprocessen af legeringer opdeles i flere faser: bulkfodring, interdendritisk fodring, dendritseparation og dendritbrodannelse.
2.3 Under dendritseparationsfasen bliver dendritarme tættere pakket, og væskestrømmen begrænses af overfladespænding. Permeabiliteten af den bløde zone reduceres, og tilstrækkelig størkningssvind og termisk stress kan føre til mikroporøsitet eller endda varme revner.
2.4 I dendritbrodannelsesstadiet er der kun en lille mængde væske tilbage ved tredobbelte forbindelser. På dette tidspunkt har det halvfaste materiale betydelig styrke og plasticitet, og faststofkrybning er den eneste mekanisme til at kompensere for størkningskrympning og termisk stress. Disse to stadier er de mest sandsynlige til at danne krympehulrum eller varme revner.
3. Fremstilling af højkvalitets pladebarrer baseret på revnedannelsesmekanismer
3.1 Store pladebarrer udviser ofte overfladerevner, intern porøsitet og indeslutninger, hvilket alvorligt påvirker den mekaniske adfærd under legeringens størkning.
3.2 Legeringens mekaniske egenskaber under størkning afhænger i høj grad af interne strukturelle egenskaber, herunder kornstørrelse, hydrogenindhold og inklusionsniveauer.
3.3 For aluminiumlegeringer med dendritiske strukturer påvirker den sekundære dendritarmafstand (SDAS) både de mekaniske egenskaber og størkningsprocessen betydeligt. Finere SDAS fører til tidligere porøsitetsdannelse og højere porøsitetsfraktioner, hvilket reducerer den kritiske spænding for varm revnedannelse.
3.4 Defekter såsom interdendritiske krympehuller og indeslutninger svækker alvorligt det faste skelets sejhed og reducerer den kritiske spænding, der kræves til varm revnedannelse, betydeligt.
3.5 Kornmorfologi er en anden kritisk mikrostrukturel faktor, der påvirker varm revnedannelse. Når korn overgår fra søjleformede dendritter til kugleformede, ligeaksede korn, udviser legeringen en lavere stivhedstemperatur og forbedret interdendritisk væskepermeabilitet, hvilket undertrykker porevækst. Derudover kan finere korn håndtere større tøjning og tøjningshastigheder og præsentere mere komplekse revneudbredelsesveje, hvorved den samlede tendens til varm revnedannelse reduceres.
3.6 I praktisk produktion kan optimering af smeltehåndtering og støbeteknikker – såsom streng kontrol af inklusion og hydrogenindhold samt kornstruktur – forbedre den indre modstand af pladebarrer mod varm revnedannelse. Kombineret med optimeret værktøjsdesign og forarbejdningsmetoder kan disse foranstaltninger føre til produktion af pladebarrer af høj kvalitet med højt udbytte i stor skala.
4. Kornforfining af ingots
7050 aluminiumlegering bruger primært to typer kornraffinører: Al-5Ti-1B og Al-3Ti-0.15C. Sammenlignende undersøgelser af in-line anvendelsen af disse raffinører viser:
4.1 Ingots raffineret med Al-5Ti-1B udviser betydeligt mindre kornstørrelser og en mere ensartet overgang fra ingotkanten til midten. Det grovkornede lag er tyndere, og den samlede kornforfiningseffekt er stærkere på tværs af ingots.
4.2 Når der anvendes råmaterialer, der tidligere er raffineret med Al-3Ti-0,15C, mindskes kornforfiningseffekten af Al-5Ti-1B. Desuden vil en forøgelse af Al-Ti-B-tilsætningen ud over et vist punkt ikke proportionalt forbedre kornforfinelsen. Derfor bør Al-Ti-B-tilsætninger begrænses til højst 2 kg/t.
4.3 Ingots raffineret med Al-3Ti-0.15C består hovedsageligt af fine, kugleformede, ligeaksede korn. Kornstørrelsen er relativt ensartet over hele pladens bredde. En tilsætning af 3-4 kg/t Al-3Ti-0.15C er effektiv til at stabilisere produktkvaliteten.
4.4 Det er værd at bemærke, at når Al-5Ti-1B anvendes i 7050-legering, har TiB₂-partikler en tendens til at segregere mod oxidfilmen på barrens overflade under hurtige afkølingsforhold og danne klynger, der fører til slaggedannelse. Under størkningen af barren krymper disse klynger indad og danner rillelignende folder, hvilket ændrer smeltens overfladespænding. Dette øger smeltens viskositet og reducerer fluiditeten, hvilket igen fremmer revnedannelse ved formens bund og hjørnerne af barrens brede og smalle flader. Dette øger revnedannelsestendensen betydeligt og påvirker barrens udbytte negativt.
4.5 I betragtning af 7050-legeringens formningsadfærd, kornstrukturen i lignende indenlandske og internationale ingots og kvaliteten af de endelige forarbejdede produkter foretrækkes Al-3Ti-0.15C som inline-kornforfiner til støbning af 7050-legering - medmindre specifikke forhold kræver andet.
5. Kornforfiningsadfærd for Al-3Ti-0,15C
5.1 Når kornforfineren tilsættes ved 720 °C, består kornene primært af ligeaksede strukturer med nogle understrukturer og er de fineste i størrelse.
5.2 Hvis smelten holdes for længe efter tilsætning af raffineringsmidlet (f.eks. ud over 10 minutter), dominerer grov dendritisk vækst, hvilket resulterer i grovere korn.
5.3 Når den tilsatte mængde kornforfiner er 0,010 % til 0,015 %, opnås fine, ligeaksede korn.
5.4 Baseret på den industrielle proces for 7050-legering er de optimale kornforfiningsbetingelser: tilsætningstemperatur omkring 720 °C, tid fra tilsætning til endelig størkning kontrolleret inden for 20 minutter og raffineringsmængde på ca. 0,01-0,015 % (3-4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Trods variationer i barrestørrelse er den samlede tid fra tilsætning af kornraffinøren efter smeltens udgang, gennem inline-systemet, trug og form, til den endelige størkning typisk 15-20 minutter.
5.6 I industrielle sammenhænge forbedrer en forøgelse af mængden af kornforfiner ud over et Ti-indhold på 0,01% ikke kornforfinelsen signifikant. I stedet fører overdreven tilsætning til Ti- og C-berigelse, hvilket øger sandsynligheden for materialefejl.
5.7 Test på forskellige punkter – afgasningsindløb, afgasningsudløb og støbetrug – viser minimale forskelle i kornstørrelse. Tilsætning af raffinøren direkte ved støbetruget uden filtrering øger dog risikoen for defekter under ultralydsinspektion af forarbejdede materialer.
5.8 For at sikre ensartet kornforfining og forhindre ophobning af raffinør, bør kornforfineren tilsættes ved indløbet til afgasningssystemet.
Opslagstidspunkt: 16. juli 2025
