1. Halkeamien muodostumiseen vaikuttavat makroskooppiset tekijät
1.1 Puolijatkuvan valun aikana jäähdytysvettä suihkutetaan suoraan valanteen pinnalle, mikä luo jyrkän lämpötilagradientin valanteen sisään. Tämä johtaa epätasaiseen supistumiseen eri alueiden välillä, mikä aiheuttaa keskinäistä rajoitusta ja lämpöjännityksiä. Tietyissä jännityskentissä nämä jännitykset voivat johtaa valanteen halkeiluun.
1.2 Teollisessa tuotannossa harkon halkeilua esiintyy usein valun alkuvaiheessa tai se saa alkunsa mikrohalkeamina, jotka leviävät myöhemmin jäähtymisen aikana ja voivat levitä koko harkkoon. Halkeilun lisäksi alkuvaiheessa voi esiintyä myös muita vikoja, kuten kylmäsulkeumia, vääntymistä ja roikkumista, mikä tekee siitä kriittisen vaiheen koko valuprosessissa.
1.3 Suorajäähdytysvalun kuumahalkeiluherkkyyteen vaikuttavat merkittävästi kemiallinen koostumus, perusseosten lisäykset ja käytettyjen raejauheiden määrä.
1.4 Seosten kuumahalkeiluherkkyys johtuu pääasiassa sisäisistä jännityksistä, jotka aiheuttavat tyhjien kohtien ja halkeamien muodostumista. Niiden muodostuminen ja jakautuminen määräytyvät seosaineiden, sulan metallurgisen laadun ja puolijatkuvan valun parametrien mukaan. Erityisesti 7xxx-sarjan alumiiniseosten suuret harkot ovat erityisen alttiita kuumahalkeilulle useiden seosaineiden, laajojen jähmettymisalueiden, suurten valujännitysten, seosaineiden hapettumiserottelun, suhteellisen heikon metallurgisen laadun ja heikon muovattavuuden huoneenlämmössä vuoksi.
1.5 Tutkimukset ovat osoittaneet, että sähkömagneettiset kentät ja seosaineet (mukaan lukien raejauheet, tärkeimmät seosaineet ja hivenaineet) vaikuttavat merkittävästi puolijatkuvasti valettujen 7xxx-sarjan seosten mikrorakenteeseen ja kuumahalkeiluherkkyyteen.
1.6 Lisäksi 7050-alumiiniseoksen monimutkaisen koostumuksen ja helposti hapettuvien alkuaineiden läsnäolon vuoksi sula pyrkii absorboimaan enemmän vetyä. Tämä yhdistettynä oksidisulkeumiin johtaa kaasun ja sulkeumien samanaikaiseen esiintymiseen, mikä johtaa sulan korkeaan vetypitoisuuteen. Vetypitoisuudesta on tullut keskeinen tekijä, joka vaikuttaa tarkastustuloksiin, murtumiskäyttäytymiseen ja käsiteltyjen harkkomateriaalien väsymislujuuteen. Siksi vedyn läsnäolomekanismin perusteella on tarpeen käyttää adsorptioväliaineita ja suodatus- ja puhdistuslaitteita vedyn ja muiden sulkeumien poistamiseksi sulasta, jotta saadaan erittäin puhdistettu seossulan.
2. Halkeamien muodostumisen mikroskooppiset syyt
2.1 Valanteen kuumahalkeilu määräytyy ensisijaisesti jähmettymiskutistumisen nopeuden, syöttönopeuden ja pehmenevän vyöhykkeen kriittisen koon perusteella. Jos pehmenevän vyöhykkeen koko ylittää kriittisen kynnyksen, tapahtuu kuumahalkeilua.
2.2 Yleisesti ottaen seosten jähmettymisprosessi voidaan jakaa useisiin vaiheisiin: massasyöttö, dendriittien välinen syöttö, dendriittien erotus ja dendriittien silloittaminen.
2.3 Dendriittien erotusvaiheessa dendriittihaarat pakkautuvat tiiviimmin yhteen ja pintajännitys rajoittaa nesteen virtausta. Pehmeän vyöhykkeen läpäisevyys pienenee, ja riittävä jähmettymiskutistuminen ja lämpöjännitys voivat johtaa mikrohuokoisuuteen tai jopa kuumiin halkeamiin.
2.4 Dendriittien siltausvaiheessa kolmoisliitoksissa on jäljellä vain pieni määrä nestettä. Tässä vaiheessa puolikiinteällä materiaalilla on huomattavaa lujuutta ja plastisuutta, ja kiinteän olomuodon viruminen on ainoa mekanismi, joka kompensoi jähmettymiskutistumista ja lämpöjännitystä. Nämä kaksi vaihetta ovat todennäköisimpiä kutistumisaukkojen tai kuumien halkeamien muodostumisen aiheuttajia.
3. Korkealaatuisten laattaharkkojen valmistus halkeamien muodostumismekanismien perusteella
3.1 Suurikokoisissa valanteissa on usein pintahalkeamia, sisäistä huokoisuutta ja sulkeumia, jotka vaikuttavat vakavasti mekaaniseen käyttäytymiseen seoksen jähmettymisen aikana.
3.2 Seoksen mekaaniset ominaisuudet jähmettymisen aikana riippuvat suurelta osin sisäisistä rakenteellisista ominaisuuksista, kuten raekoko, vetypitoisuus ja sulkeumatasot.
3.3 Dendriittirakenteisilla alumiiniseoksilla toissijaisten dendriittihaarojen välimatka (SDAS) vaikuttaa merkittävästi sekä mekaanisiin ominaisuuksiin että jähmettymisprosessiin. Hienompi SDAS johtaa aikaisempaan huokoisuuden muodostumiseen ja suurempiin huokoisuuslukuihin, mikä vähentää kuumahalkeilun kriittistä jännitystä.
3.4 Viat, kuten dendriittien väliset kutistumisontelot ja sulkeumat, heikentävät vakavasti kiinteän rungon sitkeyttä ja vähentävät merkittävästi kuumahalkeilun edellyttämää kriittistä jännitystä.
3.5 Rakeiden morfologia on toinen kriittinen mikrorakenteellinen tekijä, joka vaikuttaa kuumahalkeilun käyttäytymiseen. Kun jyvät siirtyvät pylväsmäisistä pallomaisista tasa-akselisiksi jyviksi, seoksella on alhaisempi jäykkyyslämpötila ja parempi dendriittien välinen nesteen läpäisevyys, mikä estää huokosten kasvua. Lisäksi hienommat rakeet kestävät suurempia venymiä ja venymänopeuksia ja tarjoavat monimutkaisempia halkeamien etenemisreittejä, mikä vähentää kuumahalkeilun yleistä taipumusta.
3.6 Käytännön tuotannossa sulan käsittelyn ja valutekniikoiden optimointi – kuten sulkeumien ja vetypitoisuuden sekä raerakenteen tarkka hallinta – voi parantaa valuharkkojen sisäistä kestävyyttä kuumahalkeilua vastaan. Yhdessä optimoidun työkalusuunnittelun ja prosessointimenetelmien kanssa nämä toimenpiteet voivat johtaa korkean saannon, laajamittaisen ja korkealaatuisen valuharkon tuotantoon.
4. Valanteen raekoon jalostus
7050-alumiiniseoksessa käytetään pääasiassa kahdenlaisia raejauhimia: Al-5Ti-1B ja Al-3Ti-0.15C. Näiden jauhimien linjassa tapahtuvaa käyttöä koskevat vertailututkimukset osoittavat:
4.1 Al-5Ti-1B:llä puhdistetuilla harkoilla on huomattavasti pienemmät raekoot ja tasaisempi siirtymä harkon reunasta keskelle. Karkearakeinen kerros on ohuempi ja kokonaisuudessaan raekoon hienontuminen on voimakkaampaa harkon koko alueella.
4.2 Kun käytetään aiemmin Al-3Ti-0.15C:llä puhdistettuja raaka-aineita, Al-5Ti-1B:n raekoon hienontava vaikutus heikkenee. Lisäksi Al-Ti-B-lisäyksen lisääminen tietyn pisteen yli ei paranna suhteellisesti raekoon hienontumista. Siksi Al-Ti-B-lisäysten määrä tulisi rajoittaa enintään 2 kg:aan/t.
4.3 Al-3Ti-0.15C:llä puhdistetut harkot koostuvat pääasiassa hienoista, pallomaisista, tasa-akselisista jyvistä. Rakekoko on suhteellisen tasainen aihion leveydeltä. 3–4 kg/t Al-3Ti-0.15C:n lisäys on tehokas tuotteen laadun vakauttaja.
4.4 Huomionarvoista on, että kun 7050-seoksessa käytetään Al-5Ti-1B:tä, TiB₂-hiukkaset pyrkivät nopeissa jäähdytysolosuhteissa irtoamaan valanteen pinnalla olevaa oksidikalvoa kohti muodostaen kasautumia, jotka johtavat kuonan muodostumiseen. Valanteen jähmettymisen aikana nämä kasautumat kutistuvat sisäänpäin muodostaen uramaisia poimuja, mikä muuttaa sulan pintajännitystä. Tämä lisää sulan viskositeettia ja vähentää juoksevuutta, mikä puolestaan edistää halkeamien muodostumista muotin pohjaan ja valanteen leveiden ja kapeiden pintojen kulmiin. Tämä lisää merkittävästi halkeilualttiutta ja vaikuttaa negatiivisesti valanteen saantoon.
4.5 Ottaen huomioon 7050-seoksen muovauskäyttäytymisen, vastaavien kotimaisten ja kansainvälisten harkkojen raerakenteen ja lopputuotteiden laadun, Al-3Ti-0.15C on suositeltavampi linjassa käytettävä raejauhe 7050-seoksen valamiseen – elleivät erityisolosuhteet toisin edellytä.
5. Al-3Ti-0.15C:n raekoon hienojakoisuus
5.1 Kun jyvänjauhin lisätään 720 °C:ssa, jyvät koostuvat pääasiassa tasa-akselisista rakenteista ja joistakin alirakenteista, ja ne ovat kooltaan hienoimpia.
5.2 Jos sulaa pidetään liian kauan jauhimen lisäämisen jälkeen (esim. yli 10 minuuttia), karkea dendriittinen kasvu on vallitsevaa, mikä johtaa karkeampiin rakeihin.
5.3 Kun jyvänjauhimen lisäysmäärä on 0,010–0,015 %, saavutetaan hienojakoisia, tasa-akselisia jyviä.
5.4 7050-seoksen teollisen prosessin perusteella optimaaliset raekoon hienonnuksen olosuhteet ovat: lisäyslämpötila noin 720 °C, aika lisäyksestä lopulliseen jähmettymiseen, jonka on oltava 20 minuutin sisällä, ja jauhimen määrä noin 0,01–0,015 % (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C:tä).
5.5 Harkon koosta vaihtelevista huolimatta kokonaisaika rakeenjauhimen lisäämisestä sulan poistumisen jälkeen linjassa olevan järjestelmän, kourun ja muotin läpi lopulliseen jähmettymiseen on tyypillisesti 15–20 minuuttia.
5.6 Teollisuusympäristöissä jyvänjauhimen määrän lisääminen yli 0,01 %:n titaanipitoisuuden ei paranna merkittävästi jyvänjauhimeutta. Sen sijaan liiallinen lisäys johtaa titaanin ja hiilen rikastumiseen, mikä lisää materiaalivirheiden todennäköisyyttä.
5.7 Eri pisteissä – kaasunpoiston sisääntulossa, ulostulossa ja valukaukalossa – tehdyt testit osoittavat vain minimaalisia eroja raekokoon. Jauhimen lisääminen suoraan valukaukaloon ilman suodatusta lisää kuitenkin virheiden riskiä käsiteltyjen materiaalien ultraäänitarkastuksessa.
5.8 Tasaisen jyvänjauhatuksen varmistamiseksi ja jauhimen kertymisen estämiseksi jyvänjauhin tulisi lisätä kaasunpoistojärjestelmän tuloon.
Julkaisuaika: 16.7.2025
