การตรวจสอบการแตกร้าวและการทำให้ละเอียดของเมล็ดพืชของแท่งโลหะผสม 7050

1. ปัจจัยมหภาคที่ส่งผลต่อการเกิดรอยแตกร้าว

1.1 ในระหว่างการหล่อแบบกึ่งต่อเนื่อง น้ำหล่อเย็นจะถูกพ่นลงบนพื้นผิวของแท่งโลหะโดยตรง ทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิที่สูงชันภายในแท่งโลหะ ส่งผลให้เกิดการหดตัวที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างส่วนต่างๆ ทำให้เกิดการยึดติดซึ่งกันและกันและก่อให้เกิดความเค้นทางความร้อน ภายใต้พื้นที่ความเค้นบางประเภท ความเค้นเหล่านี้สามารถนำไปสู่การแตกร้าวของแท่งโลหะได้

1.2 ในการผลิตเชิงอุตสาหกรรม การแตกร้าวของแท่งโลหะมักเกิดขึ้นในระยะเริ่มแรกของการหล่อ หรือเกิดจากรอยแตกขนาดเล็กที่แพร่กระจายในภายหลังระหว่างการหล่อเย็น ซึ่งอาจแพร่กระจายไปทั่วทั้งแท่งโลหะ นอกจากการแตกร้าวแล้ว ข้อบกพร่องอื่นๆ เช่น การปิดแบบเย็น การโก่งงอ และการแขวนลอย อาจเกิดขึ้นได้ในระยะเริ่มแรกของการหล่อ ทำให้เป็นขั้นตอนสำคัญในกระบวนการหล่อทั้งหมด

1.3 ความอ่อนไหวของการหล่อแบบเย็นโดยตรงต่อการแตกร้าวจากความร้อนนั้นได้รับอิทธิพลอย่างมากจากองค์ประกอบทางเคมี การเติมโลหะผสมหลัก และปริมาณของสารกลั่นเมล็ดพืชที่ใช้

1.4 ความไวต่อการแตกร้าวขณะร้อนของโลหะผสมส่วนใหญ่เกิดจากความเค้นภายในที่ทำให้เกิดช่องว่างและรอยแตก การก่อตัวและการกระจายตัวของรอยแตกร้าวถูกกำหนดโดยองค์ประกอบผสม คุณภาพทางโลหะหลอม และพารามิเตอร์การหล่อแบบกึ่งต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แท่งโลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 7xxx ขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวขณะร้อนเป็นพิเศษ เนื่องจากมีองค์ประกอบผสมหลายชนิด ช่วงการแข็งตัวที่กว้าง ความเค้นในการหล่อสูง การแยกตัวจากออกซิเดชันขององค์ประกอบผสม คุณภาพทางโลหะวิทยาที่ค่อนข้างต่ำ และความสามารถในการขึ้นรูปที่อุณหภูมิห้องต่ำ

1.5 การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและธาตุโลหะผสม (รวมถึงสารปรับปรุงเมล็ดพืช ธาตุโลหะผสมหลัก และธาตุร่องรอย) ส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างจุลภาคและความอ่อนไหวต่อการแตกร้าวจากความร้อนของโลหะผสมซีรีส์ 7xxx ที่หล่อแบบกึ่งต่อเนื่อง

1.6 นอกจากนี้ เนื่องจากโลหะผสมอะลูมิเนียม 7050 มีองค์ประกอบที่ซับซ้อนและมีองค์ประกอบที่ออกซิไดซ์ได้ง่าย หลอมจึงมีแนวโน้มที่จะดูดซับไฮโดรเจนได้มากขึ้น เมื่อรวมกับสารเจือปนออกไซด์ ทำให้เกิดการมีอยู่ของก๊าซและสารเจือปนร่วมกัน ส่งผลให้มีปริมาณไฮโดรเจนสูงในหลอม ปริมาณไฮโดรเจนกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อผลการตรวจสอบ พฤติกรรมการแตกหัก และประสิทธิภาพการล้าของวัสดุแท่งที่ผ่านการแปรรูป ดังนั้น จากกลไกการมีอยู่ของไฮโดรเจนในหลอม จึงจำเป็นต้องใช้ตัวดูดซับและอุปกรณ์กรอง-กลั่นเพื่อกำจัดไฮโดรเจนและสารเจือปนอื่นๆ ออกจากหลอม เพื่อให้ได้โลหะผสมที่มีความบริสุทธิ์สูง

2. สาเหตุระดับจุลภาคของการเกิดรอยแตกร้าว

2.1 การแตกร้าวจากความร้อนของแท่งโลหะ (Ingot hot cracking) ถูกกำหนดโดยอัตราการหดตัวจากการแข็งตัว อัตราการป้อน และขนาดวิกฤตของโซนเนื้อโลหะเหลว หากขนาดของโซนเนื้อโลหะเหลวเกินเกณฑ์วิกฤต จะเกิดการแตกร้าวจากความร้อน

2.2 โดยทั่วไป กระบวนการแข็งตัวของโลหะผสมสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายขั้นตอน ได้แก่ การป้อนจำนวนมาก การป้อนระหว่างเดนไดรต์ การแยกเดนไดรต์ และการเชื่อมเดนไดรต์

2.3 ในระหว่างขั้นตอนการแยกเดนไดรต์ แขนเดนไดรต์จะอัดแน่นกันมากขึ้นและการไหลของของเหลวจะถูกจำกัดโดยแรงตึงผิว ความสามารถในการซึมผ่านของโซนที่นิ่มจะลดลง และการหดตัวจากการแข็งตัวที่เพียงพอและความเครียดจากความร้อนอาจนำไปสู่รูพรุนขนาดเล็กหรือแม้กระทั่งรอยแตกร้อน

2.4 ในขั้นตอนการเชื่อมเดนไดรต์ จะมีของเหลวเหลืออยู่เพียงเล็กน้อยที่รอยต่อสามจุด ณ จุดนี้ วัสดุกึ่งแข็งจะมีความแข็งแรงและความยืดหยุ่นสูง และการคืบคลานในสถานะของแข็งเป็นกลไกเดียวที่ชดเชยการหดตัวจากการแข็งตัวและความเค้นจากความร้อน ทั้งสองขั้นตอนนี้มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดช่องว่างจากการหดตัวหรือรอยแตกร้อนมากที่สุด

3. การเตรียมแท่งแท่งคุณภาพสูงโดยอาศัยกลไกการเกิดรอยแตกร้าว

3.1 แท่งโลหะขนาดใหญ่ มักมีรอยแตกร้าวบนพื้นผิว ความพรุนภายใน และสิ่งเจือปน ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อพฤติกรรมเชิงกลในระหว่างการแข็งตัวของโลหะผสม

3.2 คุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมในระหว่างการแข็งตัวส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะโครงสร้างภายใน ได้แก่ ขนาดเกรน ปริมาณไฮโดรเจน และระดับการรวมตัว

3.3 สำหรับโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีโครงสร้างแบบเดนไดรต์ ระยะห่างของแขนเดนไดรต์ทุติยภูมิ (SDAS) ส่งผลอย่างมากต่อทั้งคุณสมบัติเชิงกลและกระบวนการแข็งตัว SDAS ที่ละเอียดกว่าจะทำให้เกิดรูพรุนเร็วขึ้นและมีเศษส่วนรูพรุนสูงขึ้น ช่วยลดความเค้นวิกฤตสำหรับการแตกร้าวจากความร้อน

3.4 ข้อบกพร่อง เช่น ช่องว่างการหดตัวระหว่างเดนไดรต์และสิ่งเจือปน ทำให้ความเหนียวของโครงกระดูกแข็งลดลงอย่างมาก และลดความเครียดวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการแตกร้าวจากความร้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ

3.5 สัณฐานวิทยาของเกรนเป็นปัจจัยโครงสร้างจุลภาคที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อพฤติกรรมการแตกร้าวจากความร้อน เมื่อเกรนเปลี่ยนจากเดนไดรต์แบบคอลัมน์เป็นเกรนทรงกลมที่มีแกนเท่ากัน โลหะผสมจะแสดงอุณหภูมิความแข็งที่ต่ำลงและความสามารถในการซึมผ่านของของเหลวระหว่างเดนไดรต์ที่ดีขึ้น ซึ่งยับยั้งการเติบโตของรูพรุน นอกจากนี้ เกรนที่ละเอียดกว่าสามารถรองรับอัตราความเครียดและความเครียดที่มากขึ้น และนำเสนอเส้นทางการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวที่ซับซ้อนมากขึ้น จึงช่วยลดแนวโน้มการแตกร้าวจากความร้อนโดยรวม

3.6 ในการผลิตจริง การปรับปรุงเทคนิคการหล่อและการหลอมโลหะให้เหมาะสมที่สุด เช่น การควบคุมปริมาณสารเจือปนและไฮโดรเจนอย่างเข้มงวด รวมถึงโครงสร้างเกรน สามารถปรับปรุงความต้านทานภายในของแท่งเหล็กแผ่นต่อการแตกร้าวจากความร้อนได้ เมื่อผสมผสานกับการออกแบบเครื่องมือและวิธีการแปรรูปที่เหมาะสมที่สุด มาตรการเหล่านี้สามารถนำไปสู่การผลิตแท่งเหล็กแผ่นคุณภาพสูง ขนาดใหญ่ และให้ผลผลิตสูงได้

4. การปรับปรุงคุณภาพเมล็ดของแท่งโลหะ

อะลูมิเนียมอัลลอยด์ 7050 มักใช้สารกลั่นเกรนสองประเภทหลัก ได้แก่ Al-5Ti-1B และ Al-3Ti-0.15C การศึกษาเปรียบเทียบการใช้งานแบบอินไลน์ของสารกลั่นทั้งสองประเภทนี้แสดงให้เห็นว่า:

4.1 แท่งโลหะที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ด้วย Al-5Ti-1B มีขนาดเกรนเล็กลงอย่างเห็นได้ชัด และการเปลี่ยนผ่านจากขอบแท่งโลหะไปยังจุดศูนย์กลางมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ชั้นเกรนหยาบจะบางลง และเอฟเฟกต์การทำให้บริสุทธิ์ของเกรนโดยรวมจะแข็งแกร่งขึ้นทั่วทั้งแท่งโลหะ

4.2 เมื่อใช้วัตถุดิบที่ผ่านการกลั่นด้วย Al-3Ti-0.15C ก่อนหน้านี้ ประสิทธิภาพการกลั่นเกรนของ Al-5Ti-1B จะลดลง นอกจากนี้ การเพิ่มการเติม Al-Ti-B เกินจุดหนึ่งไม่ได้ทำให้การกลั่นเกรนเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ดังนั้น การเติม Al-Ti-B ควรจำกัดไว้ไม่เกิน 2 กิโลกรัม/ตัน

4.3 แท่งโลหะที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์ด้วย Al-3Ti-0.15C ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเกรนทรงกลมละเอียดที่มีขนาดเท่ากัน ขนาดของเกรนค่อนข้างสม่ำเสมอตลอดความกว้างของแผ่นโลหะ การเติม Al-3Ti-0.15C 3–4 กก./ตัน มีประสิทธิภาพในการรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้คงที่

4.4 ที่น่าสังเกตคือ เมื่อใช้ Al-5Ti-1B ในโลหะผสม 7050 อนุภาค TiB₂ มีแนวโน้มที่จะแยกตัวเข้าหาฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของแท่งโลหะภายใต้สภาวะเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ก่อให้เกิดกลุ่มก้อนที่นำไปสู่การเกิดตะกรัน ในระหว่างการแข็งตัวของแท่งโลหะ กลุ่มก้อนเหล่านี้จะหดตัวเข้าด้านในจนเกิดรอยพับคล้ายร่อง ทำให้แรงตึงผิวของโลหะหลอมเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้ความหนืดของโลหะหลอมเพิ่มขึ้นและลดความลื่นไหล ซึ่งส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวที่ฐานของแม่พิมพ์และมุมของหน้าตัดที่กว้างและแคบของแท่งโลหะ ส่งผลให้มีแนวโน้มการแตกร้าวสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญและส่งผลเสียต่อผลผลิตของแท่งโลหะ

4.5 เมื่อพิจารณาถึงพฤติกรรมการขึ้นรูปของโลหะผสม 7050 โครงสร้างเกรนของแท่งโลหะในประเทศและต่างประเทศที่คล้ายคลึงกัน และคุณภาพของผลิตภัณฑ์แปรรูปขั้นสุดท้าย Al-3Ti-0.15C จึงได้รับการเลือกใช้เป็นเครื่องกลั่นเกรนแบบอินไลน์สำหรับการหล่อโลหะผสม 7050 เว้นแต่จะมีเงื่อนไขเฉพาะกำหนดเป็นอย่างอื่น

5. พฤติกรรมการปรับแต่งเกรนของ Al-3Ti-0.15C

5.1 เมื่อเติมเครื่องกลั่นเมล็ดพืชที่อุณหภูมิ 720 °C เมล็ดพืชจะประกอบด้วยโครงสร้างที่มีแกนเท่ากันเป็นหลัก โดยมีโครงสร้างย่อยบางส่วน และมีขนาดที่ละเอียดที่สุด

5.2 หากคงสภาพของเหลวที่หลอมละลายไว้นานเกินไปหลังจากเติมสารปรับปรุง (เช่น เกิน 10 นาที) การเจริญเติบโตของกิ่งก้านหยาบจะครอบงำ ส่งผลให้มีเมล็ดหยาบมากขึ้น

5.3 เมื่อปริมาณการเติมเครื่องกลั่นเมล็ดพืชอยู่ที่ 0.010% ถึง 0.015% จะได้เมล็ดพืชที่มีความละเอียดเท่ากัน

5.4 อิงตามกระบวนการทางอุตสาหกรรมของโลหะผสม 7050 เงื่อนไขการปรับแต่งเมล็ดพืชที่เหมาะสมที่สุด ได้แก่ อุณหภูมิการเติมที่ประมาณ 720 °C เวลาตั้งแต่การเติมจนถึงการแข็งตัวขั้นสุดท้ายควบคุมได้ภายใน 20 นาที และปริมาณการปรับแต่งที่ประมาณ 0.01–0.015% (3–4 กก./ตันของ Al-3Ti-0.15C)

5.5 แม้จะมีการเปลี่ยนแปลงในขนาดของแท่งโลหะ แต่เวลาทั้งหมดตั้งแต่การเติมเครื่องกลั่นเมล็ดพืชหลังจากออกจากสารละลาย ผ่านระบบอินไลน์ ราง และแม่พิมพ์ จนถึงการแข็งตัวขั้นสุดท้ายโดยทั่วไปคือ 15–20 นาที

5.6 ในอุตสาหกรรม การเพิ่มปริมาณสารปรับสภาพเมล็ดพืชให้เกินปริมาณไทเทเนียม 0.01% ไม่ได้ช่วยปรับปรุงคุณภาพเมล็ดพืชอย่างมีนัยสำคัญ แต่การเติมสารปรับสภาพมากเกินไปจะนำไปสู่การเสริมสมรรถนะของไทเทเนียมและคาร์บอน ซึ่งเพิ่มโอกาสเกิดข้อบกพร่องของวัสดุ

5.7 การทดสอบที่จุดต่างๆ เช่น ทางเข้าของ degas ทางออกของ degas และร่องหล่อ พบว่าขนาดเกรนมีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การเพิ่มเครื่องกลั่นลงในร่องหล่อโดยตรงโดยไม่ใช้การกรองจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดข้อบกพร่องระหว่างการตรวจสอบวัสดุที่ผ่านการแปรรูปด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

5.8 เพื่อให้แน่ใจว่าเมล็ดพืชได้รับการปรับแต่งให้สม่ำเสมอและป้องกันการสะสมของเครื่องปรับแต่ง ควรเพิ่มเครื่องปรับแต่งเมล็ดพืชที่ทางเข้าของระบบไล่ก๊าซ