1. Makroskopické faktory přispívající ke vzniku trhlin
1.1 Během polokontinuálního odlévání je chladicí voda stříkána přímo na povrch ingotu, čímž vzniká strmý teplotní gradient uvnitř ingotu. To má za následek nerovnoměrné smrštění mezi různými oblastmi, což způsobuje vzájemné omezení a vzniká tepelné napětí. V určitých napěťových polích mohou tato napětí vést k praskání ingotu.
1.2 V průmyslové výrobě dochází k praskání ingotů často v počáteční fázi odlévání nebo vzniká jako mikrotrhliny, které se později šíří během chlazení a potenciálně se rozšíří po celém ingotu. Kromě praskání se během počáteční fáze odlévání mohou vyskytnout i další vady, jako jsou studené uzávěry, deformace a zavěšení, což z ní činí kritickou fázi celého procesu odlévání.
1.3 Náchylnost k tvorbě trhlin za tepla při odlévání za studena je významně ovlivněna chemickým složením, přídavkem předslitin a množstvím použitých zjemňovačů zrna.
1.4 Citlivost slitin k praskání za tepla je způsobena především vnitřním napětím, které vyvolává tvorbu dutin a trhlin. Jejich vznik a rozložení jsou určeny legujícími prvky, metalurgickou kvalitou taveniny a parametry poloplynulého odlévání. Konkrétně velké ingoty hliníkových slitin řady 7xxx jsou obzvláště náchylné k praskání za tepla v důsledku více legujících prvků, širokých rozsahů tuhnutí, vysokých licích napětí, oxidační segregace legujících prvků, relativně nízké metalurgické kvality a nízké tvařitelnosti při pokojové teplotě.
1.5 Studie ukázaly, že elektromagnetická pole a legující prvky (včetně zjemňovačů zrna, hlavních legujících prvků a stopových prvků) významně ovlivňují mikrostrukturu a náchylnost k tvorbě trhlin za tepla u polokontinuálně litých slitin řady 7xxx.
1.6 Navíc kvůli komplexnímu složení hliníkové slitiny 7050 a přítomnosti snadno oxidovatelných prvků má tavenina tendenci absorbovat více vodíku. To v kombinaci s oxidickými vměstky vede ke koexistenci plynu a vměstků, což má za následek vysoký obsah vodíku v tavenině. Obsah vodíku se stal klíčovým faktorem ovlivňujícím výsledky kontrol, lomové chování a únavové vlastnosti zpracovávaných ingotů. Proto je na základě mechanismu přítomnosti vodíku v tavenině nutné použít adsorpční média a filtračně-rafinační zařízení k odstranění vodíku a dalších vměstků z taveniny, aby se získala vysoce čistá tavenina slitiny.
2. Mikroskopické příčiny vzniku trhlin
2.1 Horké praskání ingotu je primárně určeno rychlostí smrštění při tuhnutí, rychlostí podávání a kritickou velikostí kašovité zóny. Pokud velikost kašovité zóny překročí kritickou prahovou hodnotu, dojde k horkému praskání.
2.2 Obecně lze proces tuhnutí slitin rozdělit do několika fází: objemové podávání, mezidendritické podávání, separace dendritů a přemosťování dendritů.
2.3 Během fáze separace dendritů se ramena dendritů více shlukují a tok kapaliny je omezen povrchovým napětím. Propustnost kašovité zóny je snížena a dostatečné smrštění při tuhnutí a tepelné napětí může vést k mikroporozitě nebo dokonce k trhlinám za tepla.
2.4 Ve fázi přemostění dendritů zůstává v trojitých spojích pouze malé množství kapaliny. V tomto bodě má polotuhý materiál značnou pevnost a plasticitu a tečení v pevném stavu je jediným mechanismem, který kompenzuje smršťování při tuhnutí a tepelné namáhání. Tyto dvě fáze s největší pravděpodobností tvoří smršťovací dutiny nebo trhliny za tepla.
3. Příprava vysoce kvalitních ingotů z bramy na základě mechanismů vzniku trhlin
3.1 Velké bramové ingoty často vykazují povrchové trhliny, vnitřní pórovitost a vměstky, které vážně ovlivňují mechanické chování během tuhnutí slitiny.
3.2 Mechanické vlastnosti slitiny během tuhnutí do značné míry závisí na vnitřních strukturních vlastnostech, včetně velikosti zrna, obsahu vodíku a úrovně vměstků.
3.3 U hliníkových slitin s dendritickými strukturami ovlivňuje rozteč sekundárních dendritických ramen (SDAS) významně jak mechanické vlastnosti, tak proces tuhnutí. Jemnější SDAS vede k dřívější tvorbě pórovitosti a vyššímu podílu pórovitosti, což snižuje kritické napětí pro praskání za tepla.
3.4 Vady, jako jsou interdendritické smršťovací dutiny a inkluze, výrazně oslabují houževnatost pevné kostry a významně snižují kritické napětí potřebné pro vznik trhlin za tepla.
3.5 Morfologie zrn je dalším kritickým mikrostrukturálním faktorem ovlivňujícím chování při tvorbě trhlin za tepla. Když zrna přecházejí z sloupcových dendritů na kulovitá rovnoosá zrna, slitina vykazuje nižší teplotu tuhosti a zlepšenou propustnost kapalin mezi dendrity, což potlačuje růst pórů. Jemnější zrna navíc dokáží vydržet větší deformaci a rychlosti deformace a představují složitější cesty šíření trhlin, čímž se snižuje celková tendence k tvorbě trhlin za tepla.
3.6 V praktické výrobě může optimalizace manipulace s taveninou a technik odlévání – jako je přísná kontrola obsahu vměstků a vodíku, stejně jako struktury zrn – zlepšit vnitřní odolnost bramových ingotů vůči tvorbě trhlin za tepla. V kombinaci s optimalizovanou konstrukcí nástrojů a metodami zpracování mohou tato opatření vést k výrobě vysoce kvalitních bramových ingotů s vysokou výtěžností.
4. Zjemnění zrna ingotu
Hliníková slitina 7050 používá primárně dva typy zjemňovačů zrna: Al-5Ti-1B a Al-3Ti-0.15C. Srovnávací studie o aplikaci těchto zjemňovačů v lince ukazují:
4.1 Ingoty zušlechtěné s Al-5Ti-1B vykazují výrazně menší velikost zrna a rovnoměrnější přechod od okraje ingotu do středu. Hrubozrnná vrstva je tenčí a celkový efekt zušlechtění zrna je silnější v celém ingotu.
4.2 Pokud se použijí suroviny dříve rafinované pomocí Al-3Ti-0.15C, účinek zjemnění zrna Al-5Ti-1B se snižuje. Navíc zvýšení přídavku Al-Ti-B nad určitý bod nevede k proporcionálnímu zvýšení zjemnění zrna. Proto by přídavek Al-Ti-B měl být omezen na maximálně 2 kg/t.
4.3 Ingoty zušlechtěné s Al-3Ti-0.15C se skládají převážně z jemných, kulovitých rovnoměrně osých zrn. Velikost zrna je relativně rovnoměrná po celé šířce bramy. Přídavek 3–4 kg/t Al-3Ti-0.15C účinně stabilizuje kvalitu výrobku.
4.4 Je pozoruhodné, že při použití Al-5Ti-1B ve slitině 7050 mají částice TiB₂ tendenci se za rychlého ochlazování oddělovat směrem k oxidovému filmu na povrchu ingotu a vytvářet shluky, které vedou k tvorbě strusky. Během tuhnutí ingotu se tyto shluky smršťují dovnitř a vytvářejí drážkovité záhyby, čímž se mění povrchové napětí taveniny. To zvyšuje viskozitu taveniny a snižuje tekutost, což následně podporuje tvorbu trhlin na dně formy a v rozích širokých a úzkých ploch ingotu. To výrazně zvyšuje tendenci k praskání a negativně ovlivňuje výtěžnost ingotu.
4.5 Vzhledem k tvářitelnosti slitiny 7050, struktuře zrn podobných domácích i mezinárodních ingotů a kvalitě finálních zpracovaných produktů je Al-3Ti-0.15C preferován jako in-line zjemňovač zrna pro odlévání slitiny 7050 – pokud specifické podmínky nevyžadují jinak.
5. Chování zjemnění zrna Al-3Ti-0.15C
5.1 Když se přidá zjemňovač zrna při teplotě 720 °C, zrna se skládají převážně z rovnoosých struktur s několika substrukturami a mají nejjemnější velikost.
5.2 Pokud je tavenina po přidání zjemňovacího činidla udržována příliš dlouho (např. déle než 10 minut), dominuje růst hrubých dendritických struktur, což má za následek hrubší zrna.
5.3 Pokud je množství přidaného zjemňovače zrna 0,010 % až 0,015 %, dosáhnou se jemných rovnoměrně rozemletých zrn.
5.4 Na základě průmyslového procesu výroby slitiny 7050 jsou optimální podmínky zjemnění zrna následující: teplota přidávání kolem 720 °C, doba od přidání do konečného tuhnutí kontrolovaná do 20 minut a množství zjemňovacího činidla přibližně 0,01–0,015 % (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Navzdory rozdílům ve velikosti ingotů je celková doba od přidání zjemňovače zrna po výstupu z taveniny, přes systém in-line, žlab a formu, až po konečné ztuhnutí obvykle 15–20 minut.
5.6 V průmyslovém prostředí zvýšení množství zjemňovače zrna nad obsah Ti 0,01 % významně nezlepší zjemnění zrna. Nadměrné přidání místo toho vede k obohacení Ti a C, což zvyšuje pravděpodobnost materiálových vad.
5.7 Zkoušky v různých bodech – vstup odplyňování, výstup odplyňování a licí žlab – vykazují minimální rozdíly ve velikosti zrna. Přidání rafinéru přímo do licího žlabu bez filtrace však zvyšuje riziko vad během ultrazvukové kontroly zpracovávaných materiálů.
5.8 Aby bylo zajištěno rovnoměrné zjemnění zrna a zabránilo se hromadění zjemňovače, měl by být zjemňovač zrna přidán na vstupu odplyňovacího systému.
Čas zveřejnění: 16. července 2025
