1. Factors macroscòpics que contribueixen a la formació d'esquerdes
1.1 Durant la colada semicontínua, l'aigua de refrigeració es ruixa directament sobre la superfície del lingot, creant un gradient de temperatura pronunciat dins del lingot. Això provoca una contracció desigual entre les diferents regions, provocant una contenció mútua i generant tensions tèrmiques. Sota certs camps de tensions, aquestes tensions poden provocar esquerdes al lingot.
1.2 En la producció industrial, l'esquerdament dels lingots sovint es produeix a la fase inicial de fosa o s'origina com a microesquerdes que posteriorment es propaguen durant el refredament, i que poden estendre's per tot el lingot. A més de l'esquerdament, durant la fase inicial de fosa també es poden produir altres defectes com ara esquerdes en fred, deformacions i penjament, cosa que la converteix en una fase crítica de tot el procés de fosa.
1.3 La susceptibilitat de la colada directa en fred a l'esquerdament en calent està significativament influenciada per la composició química, les addicions de l'aliatge mestre i la quantitat de refinadors de gra utilitzats.
1.4 La sensibilitat a l'esquerdament en calent dels aliatges es deu principalment a tensions internes que indueixen la formació de buits i esquerdes. La seva formació i distribució estan determinades pels elements d'aliatge, la qualitat metal·lúrgica de la fosa i els paràmetres de colada semicontínua. En concret, els lingots de grans dimensions dels aliatges d'alumini de la sèrie 7xxx són particularment propensos a l'esquerdament en calent a causa dels múltiples elements d'aliatge, els amplis rangs de solidificació, les elevades tensions de colada, la segregació per oxidació dels elements d'aliatge, la qualitat metal·lúrgica relativament deficient i la baixa conformabilitat a temperatura ambient.
1.5 Els estudis han demostrat que els camps electromagnètics i els elements d'aliatge (inclosos els refinadors de gra, els elements d'aliatge principals i els oligoelements) afecten significativament la microestructura i la susceptibilitat a l'esquerdament en calent dels aliatges de la sèrie 7xxx de fosa semicontínua.
1.6 A més, a causa de la complexa composició de l'aliatge d'alumini 7050 i la presència d'elements fàcilment oxidables, la fosa tendeix a absorbir més hidrogen. Això, combinat amb les inclusions d'òxid, condueix a la coexistència de gas i inclusions, donant lloc a un alt contingut d'hidrogen a la fosa. El contingut d'hidrogen s'ha convertit en un factor clau que afecta els resultats de la inspecció, el comportament de fractura i el rendiment a fatiga dels materials de lingot processats. Per tant, basant-se en el mecanisme de presència d'hidrogen a la fosa, cal utilitzar medis d'adsorció i equips de filtració-refinació per eliminar l'hidrogen i altres inclusions de la fosa per obtenir una fosa d'aliatge altament purificada.
2. Causes microscòpiques de la formació d'esquerdes
2.1 L'esquerdament en calent dels lingots està determinat principalment per la velocitat de contracció per solidificació, la velocitat d'alimentació i la mida crítica de la zona tova. Si la mida de la zona tova supera un llindar crític, es produirà l'esquerdament en calent.
2.2 Generalment, el procés de solidificació dels aliatges es pot dividir en diverses etapes: alimentació en massa, alimentació interdendrítica, separació de dendrites i pont dendrític.
2.3 Durant l'etapa de separació de les dendrites, els braços dendrítics s'ajunten més i el flux de líquid es veu restringit per la tensió superficial. La permeabilitat de la zona tova es redueix, i una contracció per solidificació i una tensió tèrmica suficients poden provocar microporositat o fins i tot esquerdes calentes.
2.4 En l'etapa de pont dendrític, només queda una petita quantitat de líquid a les unions triples. En aquest punt, el material semisòlid té una resistència i plasticitat considerables, i la fluència en estat sòlid és l'únic mecanisme per compensar la contracció per solidificació i l'estrès tèrmic. Aquestes dues etapes són les que tenen més probabilitats de formar buits de contracció o esquerdes calentes.
3. Preparació de lingots de llosa d'alta qualitat basats en mecanismes de formació d'esquerdes
3.1 Els lingots de planxa de grans dimensions sovint presenten esquerdes superficials, porositat interna i inclusions, que afecten greument el comportament mecànic durant la solidificació de l'aliatge.
3.2 Les propietats mecàniques de l'aliatge durant la solidificació depenen en gran mesura de les característiques estructurals internes, com ara la mida del gra, el contingut d'hidrogen i els nivells d'inclusió.
3.3 Per als aliatges d'alumini amb estructures dendrítiques, l'espaiat dels braços dendrítics secundaris (SDAS) afecta significativament tant les propietats mecàniques com el procés de solidificació. Un SDAS més fi condueix a una formació de porositat més primerenca i a fraccions de porositat més altes, reduint la tensió crítica per a l'esquerdament en calent.
3.4 Els defectes com ara els buits i les inclusions per retracció interdendrítica debiliten greument la tenacitat de l'esquelet sòlid i redueixen significativament la tensió crítica necessària per a l'esquerdament en calent.
3.5 La morfologia del gra és un altre factor microestructural crític que influeix en el comportament de fissuració en calent. Quan els grans passen de dendrites columnars a grans equiaxials globulars, l'aliatge presenta una temperatura de rigidesa més baixa i una permeabilitat al líquid interdendrític millorada, cosa que suprimeix el creixement dels porus. A més, els grans més fins poden adaptar-se a taxes de deformació i deformació més grans i presentar camins de propagació de fissures més complexos, reduint així la tendència general de fissuració en calent.
3.6 En la producció pràctica, l'optimització de les tècniques de manipulació de la fosa i de fosa, com ara el control estricte del contingut d'inclusió i d'hidrogen, així com de l'estructura del gra, pot millorar la resistència interna dels lingots de planxa a l'esquerdament en calent. Combinades amb un disseny d'utillatge i mètodes de processament optimitzats, aquestes mesures poden conduir a la producció de lingots de planxa d'alt rendiment, gran escala i alta qualitat.
4. Refinament del gra del lingot
L'aliatge d'alumini 7050 utilitza principalment dos tipus de refinadors de gra: Al-5Ti-1B i Al-3Ti-0.15C. Els estudis comparatius sobre l'aplicació en línia d'aquests refinadors mostren:
4.1 Els lingots refinats amb Al-5Ti-1B presenten mides de gra significativament més petites i una transició més uniforme des de la vora del lingot fins al centre. La capa de gra gruixut és més prima i l'efecte general de refinament del gra és més fort a tot el lingot.
4.2 Quan s'utilitzen matèries primeres prèviament refinades amb Al-3Ti-0.15C, l'efecte de refinament del gra de l'Al-5Ti-1B disminueix. A més, augmentar l'addició d'Al-Ti-B més enllà d'un cert punt no millora proporcionalment el refinament del gra. Per tant, les addicions d'Al-Ti-B s'han de limitar a un màxim de 2 kg/t.
4.3 Els lingots refinats amb Al-3Ti-0.15C consisteixen principalment en grans fins, globulars i equiaxials. La mida del gra és relativament uniforme a tota l'amplada de la llosa. Un afegit de 3-4 kg/t d'Al-3Ti-0.15C és eficaç per estabilitzar la qualitat del producte.
4.4 Cal destacar que, quan s'utilitza Al-5Ti-1B en l'aliatge 7050, les partícules de TiB₂ tendeixen a segregar-se cap a la pel·lícula d'òxid a la superfície del lingot en condicions de refredament ràpid, formant clústers que condueixen a la formació d'escòria. Durant la solidificació del lingot, aquests clústers es contrauen cap a dins per formar plecs en forma de solc, alterant la tensió superficial de la fosa. Això augmenta la viscositat de la fosa i redueix la fluïdesa, cosa que al seu torn promou la formació d'esquerdes a la base del motlle i a les cantonades de les cares amples i estretes del lingot. Això augmenta significativament la tendència a l'esquerdament i té un impacte negatiu en el rendiment del lingot.
4.5 Tenint en compte el comportament de conformació de l'aliatge 7050, l'estructura del gra de lingots nacionals i internacionals similars i la qualitat dels productes processats finals, es prefereix l'Al-3Ti-0.15C com a refinador de gra en línia per a la fosa de l'aliatge 7050, tret que les condicions específiques requereixin el contrari.
5. Comportament de refinament del gra d'Al-3Ti-0.15C
5.1 Quan s'afegeix el refinador de gra a 720 °C, els grans consisteixen principalment en estructures equiaxials amb algunes subestructures i són els de mida més fina.
5.2 Si la fosa es manté massa temps després d'afegir el refinador (per exemple, més enllà de 10 minuts), domina el creixement dendrític gruixut, donant lloc a grans més gruixuts.
5.3 Quan la quantitat afegida de refinador de gra és del 0,010% al 0,015%, s'aconsegueixen grans fins equiaxials.
5.4 Basant-se en el procés industrial de l'aliatge 7050, les condicions òptimes de refinament del gra són: temperatura d'addició al voltant de 720 °C, temps des de l'addició fins a la solidificació final controlat en 20 minuts i quantitat de refinador aproximadament del 0,01 al 0,015% (3-4 kg/t d'Al-3Ti-0,15C).
5.5 Malgrat les variacions en la mida dels lingots, el temps total des de l'afegit del refinador de gra després de la sortida de la fosa, a través del sistema en línia, la cubeta i el motlle, fins a la solidificació final és normalment de 15 a 20 minuts.
5.6 En entorns industrials, augmentar la quantitat de refinador de gra més enllà d'un contingut de Ti del 0,01% no millora significativament el refinament del gra. En canvi, l'addició excessiva condueix a un enriquiment de Ti i C, augmentant la probabilitat de defectes del material.
5.7 Les proves en diferents punts (entrada de desgasificació, sortida de desgasificació i cubeta de colada) mostren diferències mínimes en la mida del gra. Tanmateix, afegir el refinador directament a la cubeta de colada sense filtració augmenta el risc de defectes durant la inspecció per ultrasons dels materials processats.
5.8 Per garantir un refinament uniforme del gra i evitar l'acumulació de refinador, s'ha d'afegir aquest a l'entrada del sistema de desgasificació.
Data de publicació: 16 de juliol de 2025
