1. العوامل العيانية المساهمة في تكوين الشقوق
١.١ أثناء الصب شبه المستمر، يُرشّ ماء التبريد مباشرةً على سطح السبيكة، مما يُحدث تدرجًا حادًا في درجة الحرارة داخلها. وينتج عن ذلك انكماش غير متساوٍ بين المناطق المختلفة، مما يُسبب انكماشًا متبادلًا ويُولّد إجهادات حرارية. وفي مجالات إجهاد مُحددة، قد تُؤدي هذه الإجهادات إلى تشقق السبيكة.
١.٢ في الإنتاج الصناعي، غالبًا ما يحدث تشقق السبيكة في مرحلة الصب الأولية، أو ينشأ على شكل شقوق مجهرية تنتشر لاحقًا أثناء التبريد، وقد تنتشر في جميع أنحاء السبيكة. بالإضافة إلى التشقق، قد تحدث عيوب أخرى، مثل الانسدادات الباردة، والتشوهات، والتعليق، خلال مرحلة الصب الأولية، مما يجعلها مرحلة حرجة في عملية الصب بأكملها.
1.3 تتأثر قابلية الصب البارد المباشر للتشقق الساخن بشكل كبير بالتركيب الكيميائي وإضافات السبائك الرئيسية وكمية مصافي الحبوب المستخدمة.
١.٤ تُعزى حساسية السبائك للتشقق الساخن بشكل رئيسي إلى الإجهادات الداخلية التي تُسبب تكوين الفراغات والشقوق. ويتحدد تكوينها وتوزيعها من خلال عناصر السبائك، وجودة المعادن المصهورة، ومعايير الصب شبه المستمر. وتحديدًا، تُعتبر سبائك الألومنيوم كبيرة الحجم من سلسلة 7xxx أكثر عرضة للتشقق الساخن بسبب تعدد عناصر السبائك، ونطاقات التصلب الواسعة، وإجهادات الصب العالية، وانفصال عناصر السبائك عن بعضها بسبب الأكسدة، والجودة المعدنية الضعيفة نسبيًا، وانخفاض قابلية التشكيل في درجة حرارة الغرفة.
1.5 أظهرت الدراسات أن المجالات الكهرومغناطيسية وعناصر السبائك (بما في ذلك مصافي الحبوب وعناصر السبائك الرئيسية والعناصر النزرة) تؤثر بشكل كبير على البنية الدقيقة وقابلية التشقق الساخن لسبائك سلسلة 7xxx المصبوبة بشكل شبه مستمر.
١.٦ بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للتركيب المعقد لسبائك الألومنيوم ٧٠٥٠ ووجود عناصر سهلة الأكسدة، يميل المصهور إلى امتصاص المزيد من الهيدروجين. هذا، بالإضافة إلى شوائب الأكسيد، يؤدي إلى تواجد الغاز والشوائب معًا، مما ينتج عنه نسبة عالية من الهيدروجين في المصهور. أصبح محتوى الهيدروجين عاملًا رئيسيًا يؤثر على نتائج الفحص، وسلوك الكسر، وأداء إجهاد مواد السبائك المعالجة. لذلك، واستنادًا إلى آلية وجود الهيدروجين في المصهور، من الضروري استخدام وسائط الامتزاز ومعدات الترشيح والتكرير لإزالة الهيدروجين والشوائب الأخرى من المصهور للحصول على مصهور سبيكة عالي النقاء.
2. الأسباب المجهرية لتكوين الشقوق
٢.١ يُحدَّد تشقق السبيكة الساخن أساسًا بمعدل انكماش التصلب، ومعدل التغذية، والحجم الحرج للمنطقة الطرية. إذا تجاوز حجم المنطقة الطرية الحد الحرج، يحدث تشقق ساخن.
2.2 بشكل عام، يمكن تقسيم عملية تصلب السبائك إلى عدة مراحل: التغذية السائبة، والتغذية بين الشجيرات، وفصل الشجيرات، وجسر الشجيرات.
٢.٣ خلال مرحلة فصل الشجيرات، تتراص أذرع الشجيرات بشكل أكثر كثافة، ويحد التوتر السطحي من تدفق السائل. تنخفض نفاذية المنطقة الطرية، وقد يؤدي انكماش التصلب والإجهاد الحراري إلى ظهور مسامات دقيقة أو حتى شقوق ساخنة.
٢.٤ في مرحلة جسر التغصنات، تبقى كمية صغيرة فقط من السائل عند الوصلات الثلاثية. عند هذه النقطة، تتمتع المادة شبه الصلبة بقوة ومرونة كبيرتين، ويُعدّ زحف الحالة الصلبة الآلية الوحيدة لتعويض انكماش التصلب والإجهاد الحراري. هاتان المرحلتان هما الأكثر عرضة لتكوين فجوات انكماش أو شقوق ساخنة.
3. تحضير سبائك عالية الجودة بناءً على آليات تكوين الشقوق
3.1 غالبًا ما تظهر سبائك الألواح كبيرة الحجم شقوقًا سطحية ومسامية داخلية وشوائب، مما يؤثر بشدة على السلوك الميكانيكي أثناء تصلب السبائك.
3.2 تعتمد الخصائص الميكانيكية للسبائك أثناء التصلب إلى حد كبير على السمات الهيكلية الداخلية، بما في ذلك حجم الحبيبات، ومحتوى الهيدروجين، ومستويات التضمين.
٣.٣ بالنسبة لسبائك الألومنيوم ذات الهياكل الشجرية، يؤثر تباعد ذراع الشجيرات الثانوي (SDAS) بشكل كبير على كل من الخواص الميكانيكية وعملية التصلب. يؤدي تباعد ذراع الشجيرات الثانوي (SDAS) الأدق إلى تكوين مسامية مبكرة ونسب مسامية أعلى، مما يقلل من الإجهاد الحرج للتشقق الساخن.
3.4 تؤدي العيوب مثل فراغات الانكماش بين الشجيرات والشوائب إلى إضعاف صلابة الهيكل الصلب بشكل كبير وتقليل الضغط الحرج المطلوب للتشقق الساخن بشكل كبير.
٣.٥ يُعدّ شكل الحبيبات عاملًا بنيويًا دقيقًا آخر يؤثر على سلوك التشقق الساخن. فعندما تتحول الحبيبات من شجيرات عمودية إلى حبيبات كروية متساوية المحاور، يُظهر السبيكة صلابة أقل ونفاذية أفضل للسوائل بين الشجيرات، مما يُقلل من نمو المسام. بالإضافة إلى ذلك، تستطيع الحبيبات الدقيقة استيعاب إجهادات ومعدلات إجهاد أعلى، وتُظهر مسارات انتشار أكثر تعقيدًا للشقوق، مما يُقلل من الميل العام للتشقق الساخن.
٣.٦ في الإنتاج العملي، يُمكن لتحسين تقنيات معالجة المصهور والصب - كالتحكم الدقيق في الشوائب ومحتوى الهيدروجين، بالإضافة إلى بنية الحبيبات - أن يُحسّن المقاومة الداخلية لسبائك الألواح للتشقق الساخن. وبالاقتران مع تحسين تصميم الأدوات وطرق المعالجة، يُمكن أن تُؤدي هذه الإجراءات إلى إنتاج سبائك ألواح عالية الإنتاجية، بكميات كبيرة، وعالية الجودة.
4. تنقية حبيبات السبائك
يستخدم سبيكة الألومنيوم 7050 بشكل أساسي نوعين من مصافي الحبيبات: Al-5Ti-1B وAl-3Ti-0.15C. تُظهر الدراسات المقارنة للتطبيق المباشر لهذه المصافي ما يلي:
٤.١ تُظهر السبائك المُنقّاة باستخدام Al-5Ti-1B أحجام حبيبات أصغر بكثير، وانتقالًا أكثر تجانسًا من حافة السبيكة إلى مركزها. الطبقة ذات الحبيبات الخشنة أرق، وتأثير تنقية الحبيبات الكلي أقوى في جميع أنحاء السبيكة.
٤.٢ عند استخدام مواد خام مُكررة مسبقًا باستخدام Al-3Ti-0.15C، يتضاءل تأثير Al-5Ti-1B على تنقية الحبوب. علاوة على ذلك، فإن زيادة إضافة Al-Ti-B إلى حد معين لا تُحسّن تنقية الحبوب بشكل متناسب. لذلك، يجب ألا تتجاوز إضافة Al-Ti-B ٢ كجم/طن.
4.3 تتكون السبائك المكررة باستخدام Al-3Ti-0.15C بشكل رئيسي من حبيبات كروية دقيقة متساوية المحاور. حجم الحبيبات موحد نسبيًا على طول عرض السبائك. إضافة 3-4 كجم/طن من Al-3Ti-0.15C فعالة في تثبيت جودة المنتج.
4.4 تجدر الإشارة إلى أنه عند استخدام Al-5Ti-1B في سبيكة 7050، تميل جسيمات TiB₂ إلى الانفصال باتجاه طبقة الأكسيد على سطح السبيكة في ظروف التبريد السريع، مُشكلةً تجمعات تؤدي إلى تكوين الخبث. أثناء تصلب السبيكة، تنكمش هذه التجمعات إلى الداخل مُشكلةً طياتٍ تُشبه الأخدود، مما يُغير التوتر السطحي للمصهور. هذا يزيد من لزوجة المصهور ويُقلل من سيولته، مما يُعزز بدوره تكوين الشقوق في قاعدة القالب وزوايا الأسطح العريضة والضيقة للسبيكة. هذا يزيد بشكل كبير من ميل التشقق ويؤثر سلبًا على إنتاجية السبيكة.
4.5 مع الأخذ في الاعتبار سلوك تشكيل سبيكة 7050، وبنية الحبوب للسبائك المحلية والدولية المماثلة، وجودة المنتجات المعالجة النهائية، يتم تفضيل Al-3Ti-0.15C كمكرر حبوب مباشر لصب سبيكة 7050 - ما لم تتطلب الظروف المحددة خلاف ذلك.
5. سلوك تنقية الحبوب لـ Al-3Ti-0.15C
5.1 عندما يتم إضافة مصفى الحبوب عند درجة حرارة 720 درجة مئوية، تتكون الحبوب في المقام الأول من هياكل متساوية المحاور مع بعض الهياكل الفرعية وتكون هي الأفضل في الحجم.
5.2 إذا تم ترك المصهور لمدة طويلة بعد إضافة المكرر (على سبيل المثال، أكثر من 10 دقائق)، يهيمن النمو الشجري الخشن، مما يؤدي إلى حبيبات أكثر خشونة.
5.3 عندما تكون كمية الإضافة لمكرر الحبوب 0.010% إلى 0.015%، يتم الحصول على حبوب دقيقة متساوية المحاور.
5.4 بناءً على العملية الصناعية لسبائك 7050، فإن ظروف تنقية الحبوب المثالية هي: درجة حرارة الإضافة حوالي 720 درجة مئوية، والوقت من الإضافة إلى التصلب النهائي يتم التحكم فيه في غضون 20 دقيقة، وكمية التكرير عند حوالي 0.01-0.015٪ (3-4 كجم / طن من Al-3Ti-0.15C).
5.5 وعلى الرغم من الاختلافات في حجم السبائك، فإن الوقت الإجمالي من إضافة مصفاة الحبوب بعد خروج الذوبان، عبر النظام المباشر، والحوض، والقالب، إلى التصلب النهائي يكون عادة 15-20 دقيقة.
٥.٦ في البيئات الصناعية، لا تُحسّن زيادة كمية مُكرّر الحبوب بما يتجاوز نسبة ٠.٠١٪ من التيتانيوم من جودة تكرير الحبوب بشكل ملحوظ. بل إن الإفراط في الإضافة يؤدي إلى إثراء التيتانيوم والكربون، مما يزيد من احتمالية ظهور عيوب في المواد.
٥.٧ تُظهر الاختبارات في نقاط مختلفة - مدخل ومخرج الغازات وحوض الصب - اختلافات طفيفة في حجم الحبيبات. مع ذلك، فإن إضافة المُكرِّر مباشرةً إلى حوض الصب دون ترشيح يزيد من خطر العيوب أثناء الفحص بالموجات فوق الصوتية للمواد المُعالَجة.
5.8 لضمان تنقية الحبوب بشكل موحد ومنع تراكم المصفاة، يجب إضافة مصفاة الحبوب عند مدخل نظام إزالة الغازات.
وقت النشر: ١٦ يوليو ٢٠٢٥
