۱. عوامل ماکروسکوپی مؤثر در تشکیل ترک
۱.۱ در طول ریخته‌گری نیمه پیوسته، آب خنک‌کننده مستقیماً روی سطح شمش پاشیده می‌شود و یک گرادیان دمایی تند در داخل شمش ایجاد می‌کند. این امر منجر به انقباض ناهموار بین نواحی مختلف می‌شود که باعث ایجاد محدودیت متقابل و ایجاد تنش‌های حرارتی می‌شود. تحت میدان‌های تنش خاص، این تنش‌ها می‌توانند منجر به ترک خوردگی شمش شوند.
۱.۲ در تولید صنعتی، ترک خوردگی شمش اغلب در مرحله اولیه ریخته‌گری رخ می‌دهد یا به صورت ترک‌های ریز ایجاد می‌شود که بعداً در حین خنک شدن منتشر می‌شوند و به طور بالقوه در کل شمش گسترش می‌یابند. علاوه بر ترک خوردگی، عیوب دیگری مانند سرد شدن ناگهانی، تاب برداشتن و آویزان شدن نیز ممکن است در مرحله اولیه ریخته‌گری رخ دهد و آن را به یک مرحله بحرانی در کل فرآیند ریخته‌گری تبدیل کند.
۱.۳ حساسیت ریخته‌گری مستقیم تبریدی به ترک خوردگی داغ به طور قابل توجهی تحت تأثیر ترکیب شیمیایی، افزودنی‌های آلیاژ اصلی و مقدار ریزکننده‌های دانه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۱.۴ حساسیت به ترک گرم آلیاژها عمدتاً به دلیل تنش‌های داخلی است که باعث تشکیل حفره‌ها و ترک‌ها می‌شوند. تشکیل و توزیع آنها توسط عناصر آلیاژی، کیفیت متالورژیکی مذاب و پارامترهای ریخته‌گری نیمه پیوسته تعیین می‌شود. به طور خاص، شمش‌های بزرگ آلیاژهای آلومینیوم سری 7xxx به دلیل عناصر آلیاژی متعدد، محدوده انجماد گسترده، تنش‌های ریخته‌گری بالا، جدایش اکسیداسیون عناصر آلیاژی، کیفیت متالورژیکی نسبتاً ضعیف و شکل‌پذیری پایین در دمای اتاق، به طور ویژه مستعد ترک گرم هستند.
۱.۵ مطالعات نشان داده‌اند که میدان‌های الکترومغناطیسی و عناصر آلیاژی (شامل ریزکننده‌های دانه، عناصر آلیاژی اصلی و عناصر کمیاب) به طور قابل توجهی بر ریزساختار و حساسیت به ترک گرم آلیاژهای سری 7xxx ریخته‌گری نیمه پیوسته تأثیر می‌گذارند.
۱.۶ علاوه بر این، به دلیل ترکیب پیچیده آلیاژ آلومینیوم ۷۰۵۰ و وجود عناصری که به راحتی اکسید می‌شوند، مذاب تمایل به جذب هیدروژن بیشتری دارد. این امر، همراه با آخال‌های اکسیدی، منجر به همزیستی گاز و آخال‌ها می‌شود و در نتیجه مقدار هیدروژن بالایی در مذاب ایجاد می‌شود. مقدار هیدروژن به یک عامل کلیدی مؤثر بر نتایج بازرسی، رفتار شکست و عملکرد خستگی مواد شمش فرآوری شده تبدیل شده است. بنابراین، بر اساس مکانیسم حضور هیدروژن در مذاب، لازم است از محیط‌های جذب و تجهیزات تصفیه-تصفیه برای حذف هیدروژن و سایر آخال‌ها از مذاب استفاده شود تا مذاب آلیاژی با خلوص بالا به دست آید.
۲. علل میکروسکوپی تشکیل ترک
۲.۱ ترک خوردگی گرم شمش در درجه اول توسط نرخ انقباض انجماد، نرخ تغذیه و اندازه بحرانی ناحیه خمیری تعیین می‌شود. اگر اندازه ناحیه خمیری از یک آستانه بحرانی فراتر رود، ترک خوردگی گرم رخ خواهد داد.
۲.۲ به طور کلی، فرآیند انجماد آلیاژها را می‌توان به چند مرحله تقسیم کرد: تغذیه توده‌ای، تغذیه بین دندریتی، جداسازی دندریتی و پل زدن دندریتی.
۲.۳ در طول مرحله جداسازی دندریت‌ها، بازوهای دندریت به هم نزدیک‌تر می‌شوند و جریان مایع توسط کشش سطحی محدود می‌شود. نفوذپذیری ناحیه خمیری کاهش می‌یابد و انقباض انجمادی کافی و تنش حرارتی ممکن است منجر به ریزتخلخل یا حتی ترک‌های داغ شود.
۲.۴ در مرحله پل زدن دندریتی، تنها مقدار کمی مایع در محل اتصال سه‌گانه باقی می‌ماند. در این نقطه، ماده نیمه جامد استحکام و پلاستیسیته قابل توجهی دارد و خزش حالت جامد تنها مکانیسم جبران انقباض انجماد و تنش حرارتی است. این دو مرحله محتمل‌ترین مراحل برای تشکیل حفره‌های انقباضی یا ترک‌های داغ هستند.
۳. تهیه شمش‌های اسلب با کیفیت بالا بر اساس مکانیسم‌های تشکیل ترک
۳.۱ شمش‌های تختال بزرگ اغلب ترک‌های سطحی، تخلخل داخلی و آخال‌هایی را نشان می‌دهند که به شدت بر رفتار مکانیکی در طول انجماد آلیاژ تأثیر می‌گذارند.
۳.۲ خواص مکانیکی آلیاژ در طول انجماد تا حد زیادی به ویژگی‌های ساختاری داخلی، از جمله اندازه دانه، محتوای هیدروژن و میزان آخال بستگی دارد.
۳.۳ برای آلیاژهای آلومینیوم با ساختارهای دندریتی، فاصله بازوهای دندریتی ثانویه (SDAS) به طور قابل توجهی بر خواص مکانیکی و فرآیند انجماد تأثیر می‌گذارد. SDAS ریزتر منجر به تشکیل تخلخل زودتر و کسر تخلخل بالاتر می‌شود و تنش بحرانی برای ترک خوردگی گرم را کاهش می‌دهد.
۳.۴ عیوبی مانند حفره‌های انقباضی بین دندریتی و آخال‌ها، چقرمگی اسکلت جامد را به شدت تضعیف کرده و تنش بحرانی مورد نیاز برای ترک خوردگی گرم را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.
۳.۵ مورفولوژی دانه یکی دیگر از عوامل ریزساختاری مهم است که بر رفتار ترک خوردگی گرم تأثیر می‌گذارد. هنگامی که دانه‌ها از دندریت‌های ستونی به دانه‌های کروی هم‌محور تبدیل می‌شوند، آلیاژ دمای سفتی پایین‌تری را نشان می‌دهد و نفوذپذیری مایع بین دندریتی بهبود می‌یابد که رشد منافذ را سرکوب می‌کند. علاوه بر این، دانه‌های ریزتر می‌توانند کرنش و نرخ کرنش بیشتری را در خود جای دهند و مسیرهای انتشار ترک پیچیده‌تری را ارائه دهند، در نتیجه تمایل کلی به ترک خوردگی گرم را کاهش می‌دهند.
۳.۶ در تولید عملی، بهینه‌سازی تکنیک‌های جابجایی مذاب و ریخته‌گری - مانند کنترل دقیق آخال و محتوای هیدروژن و همچنین ساختار دانه - می‌تواند مقاومت داخلی شمش‌های تختال را در برابر ترک خوردگی گرم بهبود بخشد. این اقدامات همراه با طراحی ابزار بهینه و روش‌های پردازش، می‌تواند منجر به تولید شمش‌های تختال با بازده بالا، در مقیاس بزرگ و با کیفیت بالا شود.
۴. پالایش دانه شمش
آلیاژ آلومینیوم ۷۰۵۰ عمدتاً از دو نوع ریزکننده دانه استفاده می‌کند: Al-5Ti-1B و Al-3Ti-0.15C. مطالعات تطبیقی در مورد کاربرد درون خطی این ریزکننده‌ها نشان می‌دهد:
۴.۱ شمش‌های تصفیه‌شده با Al-5Ti-1B اندازه دانه‌های به‌طور قابل‌توجهی کوچک‌تر و انتقال یکنواخت‌تری از لبه شمش به مرکز نشان می‌دهند. لایه دانه‌درشت نازک‌تر است و اثر کلی ریزدانه‌سازی در سراسر شمش قوی‌تر است.
۴.۲ هنگامی که از مواد اولیه‌ای که قبلاً با Al-3Ti-0.15C تصفیه شده‌اند استفاده می‌شود، اثر ریزدانه‌سازی Al-5Ti-1B کاهش می‌یابد. علاوه بر این، افزایش افزودن Al-Ti-B فراتر از یک نقطه خاص، به طور متناسب ریزدانه‌سازی را افزایش نمی‌دهد. بنابراین، افزودن Al-Ti-B نباید بیش از ۲ کیلوگرم در تن باشد.
۴.۳ شمش‌های تصفیه‌شده با Al-3Ti-0.15C عمدتاً از دانه‌های ریز، کروی و هم‌محور تشکیل شده‌اند. اندازه دانه در عرض تختال نسبتاً یکنواخت است. افزودن ۳ تا ۴ کیلوگرم در تن Al-3Ti-0.15C در تثبیت کیفیت محصول مؤثر است.
۴.۴ نکته قابل توجه این است که وقتی Al-5Ti-1B در آلیاژ ۷۰۵۰ استفاده می‌شود، ذرات TiB₂ در شرایط خنک‌سازی سریع تمایل به جدا شدن به سمت لایه اکسید روی سطح شمش دارند و خوشه‌هایی را تشکیل می‌دهند که منجر به تشکیل سرباره می‌شوند. در طول انجماد شمش، این خوشه‌ها به سمت داخل جمع می‌شوند تا چین‌های شیار مانندی تشکیل دهند که کشش سطحی مذاب را تغییر می‌دهد. این امر ویسکوزیته مذاب را افزایش داده و سیالیت را کاهش می‌دهد که به نوبه خود باعث ایجاد ترک در پایه قالب و گوشه‌های سطوح پهن و باریک شمش می‌شود. این امر به طور قابل توجهی تمایل به ترک خوردن را افزایش داده و بر بازده شمش تأثیر منفی می‌گذارد.
۴.۵ با توجه به رفتار شکل‌دهی آلیاژ ۷۰۵۰، ساختار دانه‌بندی شمش‌های مشابه داخلی و بین‌المللی و کیفیت محصولات فرآوری‌شده نهایی، Al-3Ti-0.15C به عنوان ریزکننده دانه‌بندی درون‌خطی برای ریخته‌گری آلیاژ ۷۰۵۰ ترجیح داده می‌شود - مگر اینکه شرایط خاص، شرایط دیگری را ایجاب کند.
۵. رفتار ریز شدن دانه Al-3Ti-0.15C
۵.۱ هنگامی که ریزکننده دانه در دمای ۷۲۰ درجه سانتیگراد اضافه می‌شود، دانه‌ها عمدتاً از ساختارهای هم‌محور با برخی زیرساختارها تشکیل شده‌اند و از نظر اندازه ریزترین هستند.
۵.۲ اگر مذاب پس از افزودن پالایشگر بیش از حد نگه داشته شود (مثلاً بیش از ۱۰ دقیقه)، رشد دندریتی درشت غالب می‌شود و در نتیجه دانه‌های درشت‌تری ایجاد می‌شود.
۵.۳ وقتی مقدار افزودنی ریزکننده دانه از ۰.۰۱۰٪ تا ۰.۰۱۵٪ باشد، دانه‌های ریز هم‌محور حاصل می‌شوند.
۵.۴ بر اساس فرآیند صنعتی آلیاژ ۷۰۵۰، شرایط بهینه اصلاح دانه عبارتند از: دمای افزودن حدود ۷۲۰ درجه سانتیگراد، زمان از افزودن تا انجماد نهایی که در عرض ۲۰ دقیقه کنترل می‌شود، و مقدار اصلاح‌کننده تقریباً ۰.۰۱ تا ۰.۰۱۵٪ (۳ تا ۴ کیلوگرم در تن Al-3Ti-0.15C).
۵.۵ علیرغم تغییرات در اندازه شمش، کل زمان از اضافه کردن ریزکننده دانه پس از خروج مذاب، از طریق سیستم درون خطی، ناودان و قالب، تا انجماد نهایی معمولاً ۱۵ تا ۲۰ دقیقه است.
۵.۶ در محیط‌های صنعتی، افزایش مقدار ریزکننده دانه بیش از مقدار تیتانیوم ۰.۰۱٪، ریزدانه‌سازی را به طور قابل توجهی بهبود نمی‌بخشد. در عوض، افزودن بیش از حد منجر به غنی‌سازی تیتانیوم و کربن می‌شود و احتمال نقص مواد را افزایش می‌دهد.
۵.۷ آزمایش‌ها در نقاط مختلف - ورودی گاززدایی، خروجی گاززدایی و ناودان ریخته‌گری - تفاوت‌های کمی را در اندازه دانه نشان می‌دهند. با این حال، افزودن پالایشگر مستقیماً در ناودان ریخته‌گری بدون فیلتراسیون، خطر نقص در حین بازرسی اولتراسونیک مواد فرآوری شده را افزایش می‌دهد.
۵.۸ برای اطمینان از تصفیه یکنواخت دانه و جلوگیری از تجمع ریزکننده، ریزکننده دانه باید در ورودی سیستم گاززدایی اضافه شود.
زمان ارسال: ۱۶ ژوئیه ۲۰۲۵
