1. Các yếu tố vĩ mô góp phần hình thành vết nứt
1.1 Trong quá trình đúc bán liên tục, nước làm mát được phun trực tiếp lên bề mặt thỏi, tạo ra một gradient nhiệt độ cao bên trong thỏi. Điều này dẫn đến sự co ngót không đều giữa các vùng khác nhau, gây ra sự kìm hãm lẫn nhau và tạo ra ứng suất nhiệt. Dưới một số trường ứng suất nhất định, những ứng suất này có thể dẫn đến nứt thỏi.
1.2 Trong sản xuất công nghiệp, nứt phôi thường xảy ra ở giai đoạn đúc ban đầu hoặc bắt nguồn từ các vết nứt nhỏ sau đó lan rộng trong quá trình làm nguội, có khả năng lan ra toàn bộ phôi. Ngoài nứt, các khuyết tật khác như đóng nguội, cong vênh và treo cũng có thể xảy ra trong giai đoạn đúc ban đầu, khiến đây trở thành một giai đoạn quan trọng trong toàn bộ quá trình đúc.
1.3 Khả năng nứt nóng của đúc nguội trực tiếp chịu ảnh hưởng đáng kể bởi thành phần hóa học, lượng hợp kim chính bổ sung và số lượng máy tinh luyện hạt được sử dụng.
1.4 Độ nhạy nứt nóng của hợp kim chủ yếu là do ứng suất bên trong gây ra sự hình thành lỗ rỗng và vết nứt. Sự hình thành và phân bố của chúng được xác định bởi các nguyên tố hợp kim, chất lượng luyện kim nóng chảy và các thông số đúc bán liên tục. Cụ thể, các thỏi nhôm cỡ lớn của hợp kim nhôm dòng 7xxx đặc biệt dễ bị nứt nóng do nhiều nguyên tố hợp kim, phạm vi đông đặc rộng, ứng suất đúc cao, sự phân tách oxy hóa của các nguyên tố hợp kim, chất lượng luyện kim tương đối kém và khả năng định hình thấp ở nhiệt độ phòng.
1.5 Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trường điện từ và các nguyên tố hợp kim (bao gồm chất tinh luyện hạt, các nguyên tố hợp kim chính và các nguyên tố vi lượng) ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và khả năng nứt nóng của hợp kim sê-ri 7xxx đúc bán liên tục.
1.6 Ngoài ra, do thành phần phức tạp của hợp kim nhôm 7050 và sự hiện diện của các nguyên tố dễ bị oxy hóa, hỗn hợp nóng chảy có xu hướng hấp thụ nhiều hydro hơn. Điều này, kết hợp với các tạp chất oxit, dẫn đến sự tồn tại đồng thời của khí và tạp chất, dẫn đến hàm lượng hydro cao trong hỗn hợp nóng chảy. Hàm lượng hydro đã trở thành một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra, hành vi nứt gãy và hiệu suất mỏi của vật liệu thỏi đã qua xử lý. Do đó, dựa trên cơ chế của sự hiện diện hydro trong hỗn hợp nóng chảy, cần sử dụng phương tiện hấp phụ và thiết bị lọc-tinh chế để loại bỏ hydro và các tạp chất khác khỏi hỗn hợp nóng chảy, từ đó thu được hỗn hợp hợp kim có độ tinh khiết cao.
2. Nguyên nhân vi mô gây ra sự hình thành vết nứt
2.1 Nứt nóng phôi chủ yếu được xác định bởi tốc độ co ngót đông đặc, tốc độ cấp liệu và kích thước tới hạn của vùng nhão. Nếu kích thước của vùng nhão vượt quá ngưỡng tới hạn, nứt nóng sẽ xảy ra.
2.2 Nhìn chung, quá trình đông đặc của hợp kim có thể được chia thành nhiều giai đoạn: nạp liệu số lượng lớn, nạp liệu giữa các nhánh cây, tách nhánh cây và bắc cầu nhánh cây.
2.3 Trong giai đoạn tách nhánh, các nhánh nhánh trở nên khít nhau hơn và dòng chảy của chất lỏng bị hạn chế bởi sức căng bề mặt. Độ thấm của vùng nhão bị giảm, và sự co ngót do đông đặc và ứng suất nhiệt đủ lớn có thể dẫn đến lỗ xốp siêu nhỏ hoặc thậm chí là vết nứt nóng.
2.4 Trong giai đoạn bắc cầu dendrite, chỉ còn lại một lượng nhỏ chất lỏng tại các mối nối ba. Tại thời điểm này, vật liệu bán rắn có độ bền và độ dẻo đáng kể, và hiện tượng rão ở trạng thái rắn là cơ chế duy nhất để bù đắp cho sự co ngót do đông đặc và ứng suất nhiệt. Hai giai đoạn này dễ hình thành các lỗ rỗng co ngót hoặc vết nứt nóng nhất.
3. Chuẩn bị phôi tấm chất lượng cao dựa trên cơ chế hình thành vết nứt
3.1 Các thỏi thép tấm cỡ lớn thường có vết nứt bề mặt, độ xốp bên trong và tạp chất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hành vi cơ học trong quá trình đông đặc hợp kim.
3.2 Tính chất cơ học của hợp kim trong quá trình đông đặc phụ thuộc phần lớn vào các đặc điểm cấu trúc bên trong, bao gồm kích thước hạt, hàm lượng hydro và mức độ tạp chất.
3.3 Đối với hợp kim nhôm có cấu trúc dạng cây, khoảng cách nhánh cây thứ cấp (SDAS) ảnh hưởng đáng kể đến cả tính chất cơ học và quá trình đông đặc. SDAS mịn hơn dẫn đến hình thành lỗ rỗng sớm hơn và tỷ lệ lỗ rỗng cao hơn, giảm ứng suất tới hạn cho quá trình nứt nóng.
3.4 Các khuyết tật như lỗ rỗng co ngót giữa các nhánh cây và tạp chất làm suy yếu nghiêm trọng độ dẻo dai của bộ khung rắn và làm giảm đáng kể ứng suất quan trọng cần thiết cho quá trình nứt nóng.
3.5 Hình thái hạt là một yếu tố vi cấu trúc quan trọng khác ảnh hưởng đến hành vi nứt nóng. Khi các hạt chuyển từ dạng sợi nhánh hình cột sang dạng hạt cầu đẳng trục, hợp kim thể hiện nhiệt độ cứng thấp hơn và độ thấm chất lỏng giữa các sợi nhánh được cải thiện, giúp ức chế sự phát triển lỗ rỗng. Ngoài ra, các hạt mịn hơn có thể chịu được ứng suất và tốc độ biến dạng lớn hơn, đồng thời tạo ra đường lan truyền vết nứt phức tạp hơn, do đó làm giảm xu hướng nứt nóng nói chung.
3.6 Trong sản xuất thực tế, việc tối ưu hóa kỹ thuật xử lý và đúc nóng chảy—chẳng hạn như kiểm soát chặt chẽ hàm lượng tạp chất và hydro, cũng như cấu trúc hạt—có thể cải thiện khả năng chống nứt nóng bên trong của phôi thép tấm. Kết hợp với thiết kế dụng cụ và phương pháp gia công được tối ưu hóa, những biện pháp này có thể dẫn đến việc sản xuất phôi thép tấm chất lượng cao, quy mô lớn và năng suất cao.
4. Tinh luyện hạt của thỏi
Hợp kim nhôm 7050 chủ yếu sử dụng hai loại máy tinh luyện hạt: Al-5Ti-1B và Al-3Ti-0.15C. Các nghiên cứu so sánh về ứng dụng trực tiếp của các máy tinh luyện này cho thấy:
4.1 Các thỏi được tinh luyện bằng Al-5Ti-1B có kích thước hạt nhỏ hơn đáng kể và chuyển tiếp đồng đều hơn từ rìa thỏi đến tâm thỏi. Lớp hạt thô mỏng hơn, và hiệu ứng tinh luyện hạt tổng thể mạnh hơn trên toàn bộ thỏi.
4.2 Khi sử dụng nguyên liệu thô đã được tinh chế trước đó bằng Al-3Ti-0.15C, hiệu quả tinh chế hạt của Al-5Ti-1B sẽ giảm đi. Hơn nữa, việc tăng lượng Al-Ti-B bổ sung vượt quá một ngưỡng nhất định không làm tăng tỷ lệ tinh chế hạt. Do đó, việc bổ sung Al-Ti-B nên được giới hạn ở mức không quá 2 kg/tấn.
4.3 Thỏi tinh luyện bằng Al-3Ti-0.15C chủ yếu bao gồm các hạt hình cầu mịn, cân bằng trục. Kích thước hạt tương đối đồng đều trên toàn bộ chiều rộng của tấm. Việc bổ sung 3–4 kg/tấn Al-3Ti-0.15C có hiệu quả trong việc ổn định chất lượng sản phẩm.
4.4 Đáng chú ý, khi sử dụng Al-5Ti-1B trong hợp kim 7050, các hạt TiB₂ có xu hướng phân tách về phía lớp màng oxit trên bề mặt thỏi trong điều kiện làm nguội nhanh, tạo thành các cụm dẫn đến hình thành xỉ. Trong quá trình đông đặc thỏi, các cụm này co lại vào trong tạo thành các nếp gấp dạng rãnh, làm thay đổi sức căng bề mặt của hỗn hợp nóng chảy. Điều này làm tăng độ nhớt của hỗn hợp nóng chảy và làm giảm độ lưu động, từ đó thúc đẩy hình thành vết nứt ở đáy khuôn và các góc của bề mặt rộng và hẹp của thỏi. Điều này làm tăng đáng kể xu hướng nứt và ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất thỏi.
4.5 Xét đến hành vi tạo hình của hợp kim 7050, cấu trúc hạt của các thỏi tương tự trong nước và quốc tế, cũng như chất lượng của sản phẩm gia công cuối cùng, Al-3Ti-0.15C được ưu tiên sử dụng làm máy tinh luyện hạt trực tiếp để đúc hợp kim 7050—trừ khi các điều kiện cụ thể yêu cầu khác.
5. Hành vi tinh chế hạt của Al-3Ti-0,15C
5.1 Khi thêm chất làm mịn hạt ở nhiệt độ 720 °C, các hạt chủ yếu bao gồm các cấu trúc cân bằng với một số cấu trúc phụ và có kích thước mịn nhất.
5.2 Nếu giữ hỗn hợp nóng chảy quá lâu sau khi thêm chất tinh chế (ví dụ, quá 10 phút), sự phát triển của các nhánh cây thô sẽ chiếm ưu thế, dẫn đến các hạt thô hơn.
5.3 Khi lượng bột nghiền bổ sung là 0,010% đến 0,015% thì thu được hạt mịn, đều trục.
5.4 Dựa trên quy trình công nghiệp của hợp kim 7050, các điều kiện tinh luyện hạt tối ưu là: nhiệt độ thêm vào khoảng 720 °C, thời gian từ khi thêm vào đến khi đông đặc cuối cùng được kiểm soát trong vòng 20 phút và lượng chất tinh luyện ở mức khoảng 0,01–0,015% (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Mặc dù có sự khác biệt về kích thước thỏi, tổng thời gian từ khi thêm máy tinh luyện hạt sau khi thoát khỏi trạng thái nóng chảy, qua hệ thống trong đường ống, máng và khuôn, cho đến khi đông đặc cuối cùng thường là 15–20 phút.
5.6 Trong môi trường công nghiệp, việc tăng lượng chất tinh luyện ngũ cốc vượt quá hàm lượng Ti 0,01% không cải thiện đáng kể hiệu quả tinh luyện ngũ cốc. Thay vào đó, việc bổ sung quá mức sẽ dẫn đến làm giàu Ti và C, làm tăng khả năng xảy ra khuyết tật vật liệu.
5.7 Các thử nghiệm tại các điểm khác nhau—cửa xả khí, cửa xả khí và máng đúc—cho thấy sự khác biệt tối thiểu về kích thước hạt. Tuy nhiên, việc thêm chất tinh luyện trực tiếp vào máng đúc mà không lọc sẽ làm tăng nguy cơ khuyết tật trong quá trình kiểm tra siêu âm vật liệu đã qua xử lý.
5.8 Để đảm bảo quá trình tinh chế hạt đồng đều và ngăn ngừa sự tích tụ của chất tinh chế, cần thêm chất tinh chế hạt vào đầu vào của hệ thống khử khí.
Thời gian đăng: 16-07-2025
