Производитель Cff с плотностью 40 PPI: анализ дефектов и способы их устранения при литье слитков из алюминиевых сплавов
В процессе производства литых слитков из алюминиевых сплавов при отсутствии надлежащего контроля часто возникают различные дефекты продукции, особенно в случае алюминиево-кремниевых сплавов, таких как ADC12 и A356.
Сегрегация химических компонентов в слитках Явление неравномерного распределения химических компонентов в слитках называется сегрегацией. В деформированных алюминиевых сплавах сегрегация в основном включает внутризерновую сегрегацию и обратную сегрегацию.
Внутризерновая сегрегация в слитки алюминиевого сплава
Явление неравномерного химического состава в зернах в микроструктуре называется внутризерновой сегрегацией.
Характерной особенностью микроструктуры при внутризерновой сегрегации является то, что корродированная внутризерновая структура напоминает структуру в виде годичных колец. Микротвёрдость в зернах различна: вблизи границ зерен она высокая, а в центре зерен — низкая.
Наличие внутризерновой сегрегации приводит к крайне неравномерному химическому составу внутри зерна и структуре слитка, что серьезно ухудшает эксплуатационные характеристики слитка, в частности:
1. Неравномерность химического состава и дисбаланс избыточной фазы, вызванные сегрегацией в кристаллах твёрдого раствора, снижают устойчивость сплава к электрохимической коррозии.
2. Появление неравновесного эвтектического состава или состава с низкой температурой плавления снижает температуру плавления сплава, что может привести к локальному пережиганию при последующей термической деформации или нагреве для закалки.
3. Внутризерновая сегрегация не только приводит к появлению неравновесных фаз и увеличению количества вторичных фаз, но и вызывает образование этих низкоплавких фаз в виде твердой и хрупкой дендритной сети вокруг кристаллических дендритов, что резко снижает пластичность и технологичность слитка.
4. Неравномерность химического состава, вызванная внутризерновой сегрегацией, сохраняется в полуфабрикате, что приводит к образованию крупных зерен в обработанном материале после отжига.
Внутрикристаллическая сегрегация возникает в результате несбалансированной кристаллизации. Поэтому при промышленном производстве алюминиевых сплавов методом непрерывного литья внутрикристаллическая сегрегация является неизбежной. Эффективным способом устранения внутрикристаллической сегрегации является длительная гомогенизация слитка.
Решения по борьбе с внутризерновой сегрегацией
1. Увеличить скорость охлаждения, применить метаморфическую обработку для утончения зерен и межзерновой структуры, а также уменьшить масштабы межзерновой сегрегации.
2. Используя совершенно противоположный метод, снизить скорость охлаждения и провести литье в глубокую жидкостную полость, аналогичное литью в слитки, с целью уменьшения степени перенасыщения железа, марганца и других элементов, что позволит снизить степень сегрегации.
3. Выберите добавки, способные надлежащим образом изменить кристаллические свойства сплава. Например, добавление соответствующего количества железа в сплав 3A21 снижает концентрацию марганца в твёрдой фазе, тем самым уменьшая неравномерность распределения марганца в зернах. В реальных производственных условиях при наличии примесного железа добавление титана способствует уменьшению сегрегации в зернах твёрдого раствора сплава 3A21, поскольку направления сегрегации титана и марганца противоположны, а центр дендрита содержит титан, что уменьшает разницу между концентрацией в центре и на краю твёрдого зерна.
Анализ дефектов обратной сегрегации в слитки из алюминиевого сплава
Явление, при котором концентрация растворенного вещества на краю слитка выше, чем в его центре, называется обратной сегрегацией.
Структурные особенности обратной сегрегации нелегко различить по микроструктуре; их можно подтвердить лишь на основании анализа химического состава.
Обратная сегрегация в слитках алюминиевых сплавов является одной из основных причин значительных различий в механических и физических свойствах слитков и изделий, полученных методом горяшей штамповки.
В зонах с выраженной обратной сегрегацией химический состав даже выходит за пределы, установленные стандартом, а механические свойства превышают требуемые стандартом, в результате чего такая продукция подлежит утилизации.
Обратная сегрегация — это явление перемешивания, возникающее в процессе затвердевания непрерывных слитков из алюминиевых сплавов, которое невозможно полностью предотвратить и устранить даже с помощью высокотемпературной гомогенизации.
Решения по борьбе с обратной сегрегацией
Однако, исходя из правил образования и факторов, влияющих на обратную сегрегацию, сегрегацию элементов можно удержать в допустимых пределах. Решение:
1. Повысить прочность слитка при охлаждении.
2. Выберите подходящую скорость разлива, чтобы угол наклона переходной зоны к открытой поверхности жидкости не был слишком большим — как правило, не более 60°.
3. Правильно повысить температуру литья.
4. Используйте подходящую литейную воронку, чтобы равномерно направлять поток и обеспечить его подачу к краю слитка.
Газовые и неметаллические включения в слитки алюминиевых сплавов
Неметаллические включения (шлаковые включения)
Шлак, попавший в слиток, или другие неметаллические примеси, попавшие в слиток, называются неметаллическими включениями.
Особенностями излома являются чёрные полоски или чешуйки, а микроструктура в основном представлена чёрными линейными, блоковидными и хлопьевидными беспорядочными структурами, которые заметно отличаются по цвету от матрицы.
Неметаллические включения являются одной из основных причин расслоения и появления множества поверхностных дефектов в изделиях из алюминия.
В процессе термической обработки и нагрева наличие неметаллических включений может способствовать образованию вторичной пористости и пузырьков.
С точки зрения механических свойств неметаллические включения представляют собой места концентрации напряжений, что приводит к снижению предела прочности и относительного удлинения сплава.
В частности, более значительным является снижение поперечного удлинения и динамических механических характеристик (ударопрочности, усталостной прочности и вязкости разрушения).
Кроме того, неметаллические включения также снижают стойкость сплава к коррозии под напряжением.
Неметаллические включения (шлаковые включения) обычно можно обнаружить при осмотре пробных кусков слитка небольшого размера.
Стандарт YS67-1993 предусматривает, что для всех изделий из сплавов на испытательном образце слитка должно быть не более двух участков с шлаком, причем площадь каждого из них должна быть менее 0,5 мм², в противном случае образец будет отбракован.
Неметаллические включения (шлаковые включения) являются наиболее распространёнными примесями в слитках алюминиевых сплавов.
Согласно статистическим данным, с точки зрения качества на слитки, бракованные из-за включений шлака, приходится от 10% до 25% от общего объема брака. Включения шлака, как правило, возникают из-за попадания в слиток вместе с расплавленным металлом в процессе литья шлака, фрагментов футеровки и крупноразмерных оксидов.
Способ предотвращения образования шлаковых включений
Компания AdTech предлагает установки для очистки расплавленного алюминия, такие как оборудование для дегазации в технологическом потоке, пластинчатое фильтрующее оборудование. Онлайн-установка дегазации выполняет две функции: очистку и нагрев. Она позволяет удалять водород (H) и шлак из расплавленного алюминия. Фильтрующее оборудование CFF предназначено для фильтрации включений и мелких частиц в расплавленном алюминии.
1. Тщательно проводить рафинирование, чтобы обеспечить необходимое время выдержки, и Фильтр CFF в фильтрующем оборудовании CFF.
2. Максимально сократите расстояние транспортировки, обеспечьте надлежащие условия транспортировки, закройте все открытые пазы в канале потока, на потоковой плите и воронке, чтобы предотвратить колебания уровня металла. При наличии возможности лучше всего использовать отливки одинакового уровня.
3. Тщательно прогреть инструмент для переноса, надлежащим образом повысить температуру литья, тщательно удалять шлак в процессе литья, а также тщательно очищать печь, литьевую форму и другие инструменты после литья.
4. Используйте чистый заряд.
Анализ дефектов оксидной пленки в слитки из алюминиевого сплава, полученные литьем
Согласно определению стандарта YS/T417.1-1999, оксидная пленка представляет собой неметаллические включения и невыделенный газ (преимущественно водород), которые в слитке состоят в основном из оксида алюминия.
Таким образом, оксидная пленка представляет собой своеобразный дефект в виде неметаллических включений в слитке, однако она отличается от шлаковых включений. Её невозможно обнаружить при осмотре проб с низким увеличением и при исследовании структуры излома слитка; её можно обнаружить только с помощью специальных технологических образцов (образцов, полученных путём осадки слитка).
Оксидную пленку, обнаруженную на поверхности излома технологического образца слитка, можно условно разделить на три типа
Один из видов представляет собой пленочную оксидную пленку светло-желтого, коричневого или тёмно-коричневого цвета.
Первый тип — “sparkle” с белой и блестящей поверхностью, напоминающей пленочный оксид.
Другой тип — это “небольшие светлые пятна” с серебристо-белым блеском, имеющие круглую или овальную форму.
Когда расплав кристаллизуется, микропоры, образовавшиеся в дендритах после кристаллизации, оказываются рыхлыми из-за недостаточного поступления жидкого металла между дендритами матрицы или из-за наличия невыделенного газа (в основном водорода).
Поры, образовавшиеся в результате недостаточного заполнения, называются усадочными пустотами; пустоты, образовавшиеся под действием газа, называются газовыми пустотами.
Рыхлая макроскопическая структура характеризуется наличием чёрных точечных отверстий, а структура излома — неплотной и шероховатой тканью. При выраженной рыхлости на изломе появляются мелкие белые светлые пятна.
Микроструктура характеризуется угловатыми «черными дырами»: чем сильнее рыхлость, тем больше их количество и тем больше их размер.
Неплотность снижает плотность слитка, а также плотность, в особенности ударную вязкость и поперечное удлинение высокопрочного алюминиевого сплава.
Кроме того, неплотно уплотненные слитки приводят к образованию трещин при горячей прокатке и ковке, а в полуфабрикатах во время сфероидизирующего отжига появляются пузыри.
Поэтому необходимо предотвращать распушение, являющееся одним из важных организационных дефектов слитков. Необходимо строго контролировать степень распушения, возникшего в слитке. Если она превышает уровень, допустимый стандартом, слиток подлежит браку.
Степень рыхлости слитка из алюминиевого сплава, как правило, можно определить путем измерения плотности образца и сравнения её с теоретической плотностью сплава.
Раствор оксидной пленки
С учетом процесса образования рыхлости и факторов, влияющих на него, метод предотвращения рыхлости слитка заключается в следующем:
1. Уменьшить содержание газа в расплаве. Для этого в основном необходимо выполнить следующее:
1. Печь большая, и после капитального ремонта её следует тщательно прочистить.
2. Предварительный нагрев и обжиг рафинирующего агента и литейных форм должны быть тщательными.
3. Очистка должна быть тщательной; (4) Чтобы предотвратить слишком длительное нахождение расплава в печи.
Уменьшить размер переходной зоны в слитке. Основные меры заключаются в следующем:
Поры в непрерывном слитке из алюминиевого сплава всегда распределяются в области равноосных кристаллов с широкой переходной зоной и всегда заполнены газом. В нормальных условиях наибольшая площадь пористости плоского слитка приходится на участок в пределах 30 мм от широкого поверхностного слоя. Наибольшая площадь пустот в слитке приходится на его центр и расширяется в стороны по мере увеличения высоты кристаллизатора. Условия подачи воды оказывают большое влияние на распределение пустот и могут нарушать вышеуказанные закономерности, приводя к образованию максимальных пустот в отдельных участках.