1. Fattori macroscopici che contribuiscono alla formazione di crepe
1.1 Durante la colata semicontinua, l'acqua di raffreddamento viene spruzzata direttamente sulla superficie del lingotto, creando un forte gradiente di temperatura al suo interno. Ciò provoca una contrazione non uniforme tra le diverse zone, causando un reciproco contenimento e generando sollecitazioni termiche. In determinati campi di sollecitazione, queste sollecitazioni possono portare alla criccatura del lingotto.
1.2 Nella produzione industriale, la criccatura del lingotto si verifica spesso nella fase iniziale di colata o si origina sotto forma di microcricche che si propagano successivamente durante il raffreddamento, potenzialmente estendendosi all'intero lingotto. Oltre alla criccatura, durante la fase iniziale di colata possono verificarsi anche altri difetti come chiusure a freddo, deformazioni e penzolamenti, rendendola una fase critica dell'intero processo di colata.
1.3 La predisposizione della fusione diretta in conchiglia alla criccatura a caldo è influenzata in modo significativo dalla composizione chimica, dalle aggiunte di lega madre e dalla quantità di affinatori di grano utilizzati.
1.4 La sensibilità delle leghe alla criccatura a caldo è dovuta principalmente alle tensioni interne che inducono la formazione di vuoti e cricche. La loro formazione e distribuzione sono determinate dagli elementi di lega, dalla qualità metallurgica del fuso e dai parametri di colata semicontinua. In particolare, i lingotti di grandi dimensioni delle leghe di alluminio della serie 7xxx sono particolarmente soggetti a criccatura a caldo a causa della presenza di molteplici elementi di lega, ampi intervalli di solidificazione, elevate tensioni di colata, segregazione per ossidazione degli elementi di lega, qualità metallurgica relativamente scarsa e bassa formabilità a temperatura ambiente.
1.5 Studi hanno dimostrato che i campi elettromagnetici e gli elementi di lega (inclusi affinatori di grano, elementi di lega principali ed elementi in tracce) influenzano significativamente la microstruttura e la suscettibilità alla criccatura a caldo delle leghe della serie 7xxx colate semi-continuamente.
1.6 Inoltre, a causa della complessa composizione della lega di alluminio 7050 e della presenza di elementi facilmente ossidabili, la massa fusa tende ad assorbire più idrogeno. Questo, combinato con le inclusioni di ossido, porta alla coesistenza di gas e inclusioni, con conseguente elevato contenuto di idrogeno nella massa fusa. Il contenuto di idrogeno è diventato un fattore chiave che influenza i risultati delle ispezioni, il comportamento alla frattura e le prestazioni a fatica dei materiali in lingotti lavorati. Pertanto, in base al meccanismo di presenza di idrogeno nella massa fusa, è necessario utilizzare mezzi di adsorbimento e apparecchiature di filtrazione-raffinazione per rimuovere l'idrogeno e altre inclusioni dalla massa fusa e ottenere una massa fusa di lega altamente purificata.
2. Cause microscopiche della formazione di crepe
2.1 La criccatura a caldo del lingotto è determinata principalmente dalla velocità di ritiro da solidificazione, dalla velocità di alimentazione e dalle dimensioni critiche della zona pastosa. Se le dimensioni della zona pastosa superano una soglia critica, si verificherà una criccatura a caldo.
2.2 In genere, il processo di solidificazione delle leghe può essere suddiviso in diverse fasi: alimentazione in massa, alimentazione interdendritica, separazione dei dendriti e ponte dendritico.
2.3 Durante la fase di separazione dei dendriti, i bracci dendritici diventano più compatti e il flusso del liquido è limitato dalla tensione superficiale. La permeabilità della zona pastosa si riduce e un ritiro di solidificazione e uno stress termico eccessivi possono portare a microporosità o persino a cricche a caldo.
2.4 Nella fase di collegamento dendritico, solo una piccola quantità di liquido rimane nelle giunzioni triple. A questo punto, il materiale semisolido ha una notevole resistenza e plasticità, e lo scorrimento viscoso allo stato solido è l'unico meccanismo in grado di compensare il ritiro da solidificazione e lo stress termico. Queste due fasi sono le più soggette a formazione di vuoti da ritiro o cricche a caldo.
3. Preparazione di lingotti di alta qualità in lastre in base ai meccanismi di formazione delle crepe
3.1 I lingotti in lastre di grandi dimensioni presentano spesso crepe superficiali, porosità interna e inclusioni, che incidono notevolmente sul comportamento meccanico durante la solidificazione della lega.
3.2 Le proprietà meccaniche della lega durante la solidificazione dipendono in larga misura dalle caratteristiche strutturali interne, tra cui la dimensione dei grani, il contenuto di idrogeno e i livelli di inclusione.
3.3 Per le leghe di alluminio con strutture dendritiche, la spaziatura dei bracci dendritici secondari (SDAS) influisce significativamente sia sulle proprietà meccaniche che sul processo di solidificazione. Una SDAS più fine porta a una formazione di porosità più precoce e a frazioni di porosità più elevate, riducendo lo stress critico per la criccatura a caldo.
3.4 Difetti quali vuoti da ritiro interdendritici e inclusioni indeboliscono notevolmente la tenacità dello scheletro solido e riducono significativamente lo stress critico necessario per la criccatura a caldo.
3.5 La morfologia dei grani è un altro fattore microstrutturale critico che influenza il comportamento alla criccatura a caldo. Quando i grani passano da dendriti colonnari a grani equiassici globulari, la lega presenta una temperatura di rigidità inferiore e una migliore permeabilità ai liquidi interdendritici, che inibisce la crescita dei pori. Inoltre, i grani più fini possono sopportare deformazioni e velocità di deformazione maggiori e presentano percorsi di propagazione delle cricche più complessi, riducendo così la tendenza complessiva alla criccatura a caldo.
3.6 Nella produzione pratica, l'ottimizzazione delle tecniche di movimentazione e colata della massa fusa, come il controllo rigoroso del contenuto di inclusioni e idrogeno, nonché della struttura dei grani, può migliorare la resistenza interna dei lingotti in bramme alla criccatura a caldo. Combinate con una progettazione ottimizzata degli utensili e metodi di lavorazione, queste misure possono portare alla produzione di lingotti in bramme ad alta resa, su larga scala e di alta qualità.
4. Raffinazione del grano del lingotto
La lega di alluminio 7050 utilizza principalmente due tipi di raffinatori del grano: Al-5Ti-1B e Al-3Ti-0,15C. Studi comparativi sull'applicazione in linea di questi raffinatori mostrano:
4.1 I lingotti raffinati con Al-5Ti-1B presentano granulometrie significativamente più piccole e una transizione più uniforme dal bordo del lingotto al centro. Lo strato a grana grossa è più sottile e l'effetto complessivo di raffinazione del grano è più forte lungo tutto il lingotto.
4.2 Quando si utilizzano materie prime precedentemente raffinate con Al-3Ti-0,15C, l'effetto di raffinazione del grano di Al-5Ti-1B risulta ridotto. Inoltre, aumentare l'aggiunta di Al-Ti-B oltre un certo limite non aumenta proporzionalmente la raffinazione del grano. Pertanto, le aggiunte di Al-Ti-B dovrebbero essere limitate a non più di 2 kg/t.
4.3 I lingotti raffinati con Al-3Ti-0,15C sono costituiti principalmente da grani fini, globulari ed equiassici. La granulometria è relativamente uniforme lungo tutta la larghezza della bramma. Un'aggiunta di 3–4 kg/t di Al-3Ti-0,15C è efficace nel stabilizzare la qualità del prodotto.
4.4 In particolare, quando l'Al-5Ti-1B viene utilizzato nella lega 7050, le particelle di TiB₂ tendono a segregarsi verso il film di ossido sulla superficie del lingotto in condizioni di raffreddamento rapido, formando cluster che portano alla formazione di scorie. Durante la solidificazione del lingotto, questi cluster si restringono verso l'interno formando pieghe simili a scanalature, alterando la tensione superficiale del fuso. Ciò aumenta la viscosità del fuso e riduce la fluidità, che a sua volta favorisce la formazione di cricche alla base dello stampo e agli angoli delle facce larghe e strette del lingotto. Ciò aumenta significativamente la tendenza alla criccatura e influisce negativamente sulla resa del lingotto.
4.5 Considerando il comportamento di formatura della lega 7050, la struttura granulare di lingotti nazionali e internazionali simili e la qualità dei prodotti finali lavorati, si preferisce l'Al-3Ti-0.15C come raffinatore di grano in linea per la fusione della lega 7050, a meno che condizioni specifiche non richiedano diversamente.
5. Comportamento di raffinamento del grano di Al-3Ti-0,15C
5.1 Quando il raffinatore di grano viene aggiunto a 720 °C, i grani sono costituiti principalmente da strutture equiassiali con alcune sottostrutture e sono di dimensioni più fini.
5.2 Se la fusione viene mantenuta troppo a lungo dopo l'aggiunta del raffinatore (ad esempio, oltre 10 minuti), prevale la crescita dendritica grossolana, con conseguente formazione di grani più grossolani.
5.3 Quando la quantità aggiunta di raffinatore per cereali è compresa tra lo 0,010% e lo 0,015%, si ottengono grani equiassiali fini.
5.4 Sulla base del processo industriale della lega 7050, le condizioni ottimali di raffinazione del grano sono: temperatura di aggiunta intorno ai 720 °C, tempo dall'aggiunta alla solidificazione finale controllato entro 20 minuti e quantità di raffinatore pari a circa lo 0,01-0,015% (3-4 kg/t di Al-3Ti-0,15C).
5.5 Nonostante le variazioni nelle dimensioni del lingotto, il tempo totale dall'aggiunta del raffinatore di grano dopo l'uscita della fusione, attraverso il sistema in linea, la vasca e lo stampo, alla solidificazione finale è in genere di 15-20 minuti.
5.6 In ambito industriale, aumentare la quantità di raffinatore di grano oltre un contenuto di Ti dello 0,01% non migliora significativamente la raffinazione del grano. Al contrario, un'aggiunta eccessiva porta all'arricchimento di Ti e C, aumentando la probabilità di difetti nel materiale.
5.7 I test effettuati in punti diversi (ingresso e uscita del degasaggio e vasca di colata) mostrano differenze minime nella granulometria. Tuttavia, l'aggiunta del raffinatore direttamente alla vasca di colata senza filtrazione aumenta il rischio di difetti durante l'ispezione a ultrasuoni dei materiali lavorati.
5.8 Per garantire una raffinazione uniforme del grano e prevenire l'accumulo di raffinatore, il raffinatore del grano deve essere aggiunto all'ingresso del sistema di degasaggio.
Data di pubblicazione: 16-07-2025
