חקירת סדקים ועידון גרגירים של מטילי לוח מסגסוגת 7050

1. גורמים מקרוסקופיים התורמים להיווצרות סדקים

1.1 במהלך יציקה חצי רציפה, מי קירור מרוססים ישירות על פני המטיל, ויוצרים מפל טמפרטורה תלול בתוך המטיל. כתוצאה מכך, התכווצות לא אחידה בין אזורים שונים גורמת לריסון הדדי וליצירת מאמצים תרמיים. תחת שדות מאמצים מסוימים, מאמצים אלה עלולים להוביל לסדיקה של המטיל.

1.2 בייצור תעשייתי, סדקים במטיל מתרחשים לעיתים קרובות בשלב היציקה הראשוני או מקורם בצורת סדקים זעירים שמתפשטים מאוחר יותר במהלך הקירור, וייתכן שיתפשטו בכל רחבי המטיל. בנוסף לסדקים, פגמים אחרים כגון סגירה קרה, עיוות ותלייה עשויים להתרחש גם בשלב היציקה הראשוני, מה שהופך אותו לשלב קריטי בתהליך היציקה כולו.

1.3 הרגישות של יציקה קרה ישירה לפיצוח חם מושפעת באופן משמעותי מההרכב הכימי, תוספות סגסוגת האב וכמות חומרי זיקוק הגרעינים שבהם נעשה שימוש.

1.4 רגישות הסדיקה בחום של סגסוגות נובעת בעיקר ממאמצים פנימיים הגורמים להיווצרות חללים וסדקים. היווצרותם ופיזורם נקבעים על ידי יסודות הסגסוגת, איכות המתכת בהיתוך ופרמטרי יציקה חצי רציפה. באופן ספציפי, מטילי אלומיניום מסדרת 7xxx גדולים נוטים במיוחד לסדיקה בחום עקב ריבוי יסודות סגסוגת, טווחי התמצקות רחבים, מאמצי יציקה גבוהים, הפרדת חמצון של יסודות הסגסוגת, איכות מתכת ירודה יחסית ויכולת עיצוב נמוכה בטמפרטורת החדר.

1.5 מחקרים הראו כי שדות אלקטרומגנטיים ויסודות סגסוגת (כולל זיקוק גרגרים, יסודות סגסוגת עיקריים ויסודות קורט) משפיעים באופן משמעותי על המיקרו-מבנה ועל הרגישות לסדיקה בחום של סגסוגות מסדרת 7xxx יצוקות למחצה באופן רציף.

1.6 בנוסף, בשל ההרכב המורכב של סגסוגת אלומיניום 7050 ונוכחותם של יסודות מתחמצנים בקלות, החומר המותך נוטה לספוג יותר מימן. שילוב זה עם תכלילים של תחמוצת חומרים, מוביל לקיום משותף של גז ותכלילים, וכתוצאה מכך תכולת מימן גבוהה בחומרי מטילי הידיים המעובדים. תכולת המימן הפכה לגורם מפתח המשפיע על תוצאות הבדיקה, התנהגות השבר וביצועי העייפות של חומרי מטילי הידיים המעובדים. לכן, בהתבסס על מנגנון נוכחות המימן בחומרי ההיתוך, יש צורך להשתמש באמצעי ספיחה ובציוד סינון-זיקוק כדי להסיר מימן ותכלילים אחרים מהחומרי ההיתוך ולקבלת סגסוגת מותכת מטוהרת ביותר.

2. גורמים מיקרוסקופיים להיווצרות סדקים

2.1 סדקים חמים במטילים נקבעים בעיקר על ידי קצב הצטמקות ההתמצקות, קצב ההזנה והגודל הקריטי של האזור הרגיש. אם גודל האזור הרגיש עולה על סף קריטי, יתרחש סדקים חמים.

2.2 באופן כללי, ניתן לחלק את תהליך ההתמצקות של סגסוגות למספר שלבים: הזנה בתפזורת, הזנה בין-דנדריטים, הפרדת דנדריטים וגישור דנדריטים.

2.3 במהלך שלב הפרדת הדנדריטים, זרועות הדנדריטים צפופות יותר וזרימת הנוזל מוגבלת על ידי מתח פנים. חדירות האזור הרך מצטמצמת, והתכווצות מספקת של התמצקות ומאמץ תרמי עלולים להוביל למיקרו-נקבוביות או אפילו לסדקים חמים.

2.4 בשלב גישור הדנדריטים, נותרת רק כמות קטנה של נוזל בצמתים המשולשים. בשלב זה, לחומר המוצק למחצה יש חוזק ופלסטיות ניכרים, וזחילת מצב מוצק היא המנגנון היחיד לפצות על הצטמקות התמצקות ומאמץ תרמי. שני שלבים אלה הם בעלי הסיכוי הגבוה ביותר ליצור חללי הצטמקות או סדקים חמים.

3. הכנת מטילי לוחות איכותיים המבוססים על מנגנוני היווצרות סדקים

3.1 מטילי לוח גדולים לעיתים קרובות מציגים סדקים פני השטח, נקבוביות פנימית ותכלילים, אשר משפיעים קשות על ההתנהגות המכנית במהלך התמצקות הסגסוגת.

3.2 התכונות המכניות של הסגסוגת במהלך התמצקות תלויות במידה רבה במאפיינים מבניים פנימיים, כולל גודל גרגירים, תכולת מימן ורמות הכלאה.

3.3 עבור סגסוגות אלומיניום בעלות מבנים דנדריטיים, מרווח זרועות הדנדריט המשניות (SDAS) משפיע באופן משמעותי הן על תכונות מכניות והן על תהליך ההתמצקות. SDAS עדין יותר מוביל להיווצרות נקבוביות מוקדמת יותר ולחלקי נקבוביות גבוהים יותר, מה שמפחית את המאמץ הקריטי לסדיקה חמה.

3.4 פגמים כגון חללים ותכלילים של הצטמקות בין-דנדריטים מחלישים קשות את קשיחות השלד המוצק ומפחיתים משמעותית את המאמץ הקריטי הנדרש לסדקים בחום.

3.5 מורפולוגיה של הגרעינים היא גורם מיקרו-מבני קריטי נוסף המשפיע על התנהגות הסדיקה בחום. כאשר גרגירים עוברים מדנדריטים עמודיים לגרגירים כדוריים בעלי צירים שווים, הסגסוגת מציגה טמפרטורת קשיחות נמוכה יותר וחדירות נוזלים משופרת בין-דנדריטים, מה שמדכא צמיחת נקבוביות. בנוסף, גרגירים עדינים יותר יכולים להכיל עומס וקצבי עומס גדולים יותר ולהציג מסלולי התפשטות סדקים מורכבים יותר, ובכך להפחית את הנטייה הכוללת לסדיקה בחום.

3.6 בייצור מעשי, אופטימיזציה של טכניקות טיפול בהיתוך ויציקה - כגון שליטה קפדנית בתכולת הכלה ותכולת המימן, כמו גם מבנה הגרעינים - יכולה לשפר את העמידות הפנימית של מטילי לוח בפני סדקים חמים. בשילוב עם שיטות תכנון ועיבוד אופטימליות של כלים, אמצעים אלה יכולים להוביל לייצור מטילי לוח בעלי תפוקה גבוהה, בקנה מידה גדול ובאיכות גבוהה.

4. זיקוק גרגרים של מטיל

סגסוגת אלומיניום 7050 משתמשת בעיקר בשני סוגים של זיקוק תבואה: Al-5Ti-1B ו-Al-3Ti-0.15C. מחקרים השוואתיים על היישום בקו ייצור של זיקוקים אלה מראים:

4.1 מטילי ליטוש שעברו זיקוק עם Al-5Ti-1B מציגים גדלי גרגירים קטנים משמעותית ומעבר אחיד יותר מקצה המטיל למרכז. השכבה הגסה דקה יותר, ואפקט זיקוק הגרגירים הכולל חזק יותר על פני המטיל.

4.2 כאשר משתמשים בחומרי גלם שעברו זיקוק קודם לכן עם Al-3Ti-0.15C, אפקט זיקוק הגרעינים של Al-5Ti-1B פוחת. יתר על כן, הגדלת תוספת ה-Al-Ti-B מעבר לנקודה מסוימת אינה משפרת באופן פרופורציונלי את זיקוק הגרעינים. לכן, יש להגביל את תוספות ה-Al-Ti-B ללא יותר מ-2 ק"ג/טון.

4.3 מטילי אלומיניום שעברו זיקוק עם Al-3Ti-0.15C מורכבים בעיקר מגרגירים עדינים, כדוריים בעלי צירים שווים. גודל הגרגירים אחיד יחסית לכל רוחב הלוח. תוספת של 3-4 ק"ג/טון של Al-3Ti-0.15C יעילה בייצוב איכות המוצר.

4.4 ראוי לציין, שכאשר משתמשים ב-Al-5Ti-1B בסגסוגת 7050, חלקיקי TiB₂ נוטים להתבודד לכיוון שכבת התחמוצת על פני המטיל בתנאי קירור מהירים, ויוצרים צברים המובילים להיווצרות סיגים. במהלך התמצקות המטיל, צברים אלה מתכווצים פנימה ויוצרים קיפולים דמויי חריץ, ומשנים את מתח הפנים של החומר המותך. זה מגביר את צמיגות ההיתוך ומפחית את הנזילות, מה שבתורו מקדם היווצרות סדקים בבסיס התבנית ובפינות הפאות הרחבות והצרות של המטיל. זה מעלה משמעותית את הנטייה לסדיקה ומשפיע לרעה על תפוקת המטיל.

4.5 בהתחשב בהתנהגות העיצוב של סגסוגת 7050, מבנה הגרעינים של מטילי מתכת מקומיים ובינלאומיים דומים, ואיכות המוצרים הסופיים המעובדים, Al-3Ti-0.15C עדיף כמזקק גרעינים בקו ייצור ליציקת סגסוגת 7050 - אלא אם כן תנאים ספציפיים דורשים אחרת.

5. התנהגות זיקוק גרגירים של Al-3Ti-0.15C

5.1 כאשר מוסיפים את מזקק הגרעינים בטמפרטורה של 720 מעלות צלזיוס, הגרגירים מורכבים בעיקר ממבנים שווי צירים עם כמה תת-מבנים והם העדינים ביותר בגודלם.

5.2 אם החומר המותך מוחזק זמן רב מדי לאחר הוספת חומר הזיקוק (למשל, מעבר ל-10 דקות), צמיחה דנדריטית גסה תשתלט, וכתוצאה מכך גרגירים גסים יותר.

5.3 כאשר כמות התוספת של חומר זיקוק גרגירים היא 0.010% עד 0.015%, מושגים גרגירים דקים בעלי צירים שווים.

5.4 בהתבסס על התהליך התעשייתי של סגסוגת 7050, תנאי זיקוק הגרעינים האופטימליים הם: טמפרטורת הוספה סביב 720 מעלות צלזיוס, זמן מההוספה ועד להתמצקות הסופית מבוקר תוך 20 דקות, וכמות זיקוק של כ-0.01-0.015% (3-4 ק"ג/טון של Al-3Ti-0.15C).

5.5 למרות הבדלים בגודל המטיל, הזמן הכולל מהוספת מזקק הגרעינים לאחר יציאת המטיל מהמסך, דרך המערכת המוטבעת, השוקת והתבנית, ועד להתמצקות הסופית הוא בדרך כלל 15-20 דקות.

5.6 בסביבות תעשייתיות, הגדלת כמות חומר זיקוק הגרעינים מעבר לתכולת Ti של 0.01% אינה משפרת באופן משמעותי את זיקוק הגרעינים. במקום זאת, תוספת מוגזמת מובילה להעשרת Ti ו-C, מה שמגדיל את הסבירות לפגמים בחומר.

5.7 בדיקות בנקודות שונות - כניסת הדגה, יציאת הדגה ושקע היציקה - מראות הבדלים מינימליים בגודל הגרגירים. עם זאת, הוספת מזקק ישירות לשקע היציקה ללא סינון מגבירה את הסיכון לפגמים במהלך בדיקה אולטרסאונדית של חומרים מעובדים.

5.8 כדי להבטיח זיקוק אחיד של הגרעינים ולמנוע הצטברות של חומר זיקוק, יש להוסיף את חומר זיקוק הגרעינים בכניסה של מערכת סילוק הגזים.