1. Makroskopische Faktoren, die zur Rissbildung beitragen
1.1 Beim halbkontinuierlichen Gießen wird Kühlwasser direkt auf die Barrenoberfläche gesprüht, wodurch ein steiler Temperaturgradient im Barren entsteht. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Kontraktion verschiedener Bereiche, was zu gegenseitiger Behinderung und thermischen Spannungen führt. Unter bestimmten Spannungsfeldern können diese Spannungen zu Rissen im Barren führen.
1.2 In der industriellen Produktion treten Barrenrisse häufig bereits beim Gießen auf oder entstehen als Mikrorisse, die sich später beim Abkühlen ausbreiten und sich möglicherweise über den gesamten Barren ausbreiten. Neben Rissen können auch andere Defekte wie Kaltverzug, Verzug und Hängenbleiben während des Gießens auftreten, was diese Phase zu einer kritischen Phase im gesamten Gießprozess macht.
1.3 Die Anfälligkeit des Direktkokillengusses für Heißrisse wird maßgeblich durch die chemische Zusammensetzung, die Zugabe von Vorlegierungen und die Menge der verwendeten Kornfeiner beeinflusst.
1.4 Die Heißrissempfindlichkeit von Legierungen ist hauptsächlich auf innere Spannungen zurückzuführen, die die Bildung von Hohlräumen und Rissen begünstigen. Deren Entstehung und Verteilung wird durch Legierungselemente, die metallurgische Qualität der Schmelze und die Parameter des halbkontinuierlichen Gießens bestimmt. Insbesondere große Barren aus Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx sind aufgrund mehrerer Legierungselemente, breiter Erstarrungsbereiche, hoher Gießspannungen, oxidativer Entmischung der Legierungselemente, relativ schlechter metallurgischer Qualität und geringer Umformbarkeit bei Raumtemperatur besonders anfällig für Heißrisse.
1.5 Studien haben gezeigt, dass elektromagnetische Felder und Legierungselemente (einschließlich Kornverfeinerer, Hauptlegierungselemente und Spurenelemente) die Mikrostruktur und die Anfälligkeit für Heißrisse von halbkontinuierlich gegossenen Legierungen der 7xxx-Serie erheblich beeinflussen.
1.6 Aufgrund der komplexen Zusammensetzung der Aluminiumlegierung 7050 und der Anwesenheit leicht oxidierender Elemente neigt die Schmelze zudem dazu, mehr Wasserstoff aufzunehmen. In Kombination mit Oxideinschlüssen führt dies zum Nebeneinander von Gas und Einschlüssen, was wiederum einen hohen Wasserstoffgehalt in der Schmelze zur Folge hat. Der Wasserstoffgehalt ist zu einem Schlüsselfaktor geworden, der die Prüfergebnisse, das Bruchverhalten und die Ermüdungsbeständigkeit von verarbeiteten Barrenmaterialien beeinflusst. Aufgrund des Mechanismus der Wasserstoffpräsenz in der Schmelze ist es daher notwendig, Adsorptionsmedien und Filter- und Raffinationsgeräte zu verwenden, um Wasserstoff und andere Einschlüsse aus der Schmelze zu entfernen und eine hochreine Legierungsschmelze zu erhalten.
2. Mikroskopische Ursachen der Rissbildung
2.1 Die Heißrissbildung im Barren wird in erster Linie durch die Erstarrungsschrumpfung, die Zufuhrrate und die kritische Größe der breiigen Zone bestimmt. Überschreitet die Größe der breiigen Zone einen kritischen Schwellenwert, kommt es zur Heißrissbildung.
2.2 Im Allgemeinen kann der Erstarrungsprozess von Legierungen in mehrere Phasen unterteilt werden: Massenzufuhr, interdendritische Zufuhr, Dendritentrennung und Dendritenüberbrückung.
2.3 Während der Dendritentrennung werden die Dendritenarme dichter gepackt und der Flüssigkeitsfluss wird durch die Oberflächenspannung eingeschränkt. Die Durchlässigkeit der breiigen Zone wird reduziert, und ausreichende Erstarrungsschrumpfung und thermische Spannung können zu Mikroporosität oder sogar Heißrissen führen.
2.4 In der Dendritenbrückenphase verbleibt an den Dreifachverbindungen nur noch eine geringe Flüssigkeitsmenge. Zu diesem Zeitpunkt weist das halbfeste Material eine beträchtliche Festigkeit und Plastizität auf, und Festkörperkriechen ist der einzige Mechanismus, um Erstarrungsschrumpfung und thermische Spannungen auszugleichen. In diesen beiden Phasen ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Schrumpfungshohlräumen oder Heißrissen am größten.
3. Herstellung hochwertiger Brammenblöcke auf Basis von Rissbildungsmechanismen
3.1 Große Brammenblöcke weisen häufig Oberflächenrisse, innere Porosität und Einschlüsse auf, die das mechanische Verhalten während der Legierungserstarrung stark beeinträchtigen.
3.2 Die mechanischen Eigenschaften der Legierung während der Erstarrung hängen weitgehend von inneren Strukturmerkmalen ab, einschließlich Korngröße, Wasserstoffgehalt und Einschlussgraden.
3.3 Bei Aluminiumlegierungen mit dendritischen Strukturen beeinflusst der Abstand der sekundären Dendritenarme (SDAS) sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch den Erstarrungsprozess erheblich. Ein feinerer SDAS führt zu früherer Porositätsbildung und höheren Porositätsanteilen, wodurch die kritische Spannung für Heißrisse reduziert wird.
3.4 Defekte wie interdendritische Schrumpfungshohlräume und Einschlüsse schwächen die Zähigkeit des festen Skeletts erheblich und reduzieren die für die Heißrissbildung erforderliche kritische Spannung erheblich.
3.5 Die Kornmorphologie ist ein weiterer kritischer mikrostruktureller Faktor, der das Heißrissverhalten beeinflusst. Beim Übergang von säulenförmigen Dendriten zu kugelförmigen, gleichachsigen Körnern weist die Legierung eine niedrigere Erstarrungstemperatur und eine verbesserte interdendritische Flüssigkeitsdurchlässigkeit auf, was das Porenwachstum unterdrückt. Darüber hinaus können feinere Körner größere Dehnungen und Dehnungsraten aufnehmen und komplexere Rissausbreitungspfade aufweisen, wodurch die allgemeine Heißrissneigung reduziert wird.
3.6 In der praktischen Produktion kann die Optimierung der Schmelzehandhabung und der Gießtechniken – wie z. B. die strikte Kontrolle von Einschlüssen und Wasserstoffgehalt sowie Kornstruktur – die innere Beständigkeit von Brammenblöcken gegen Heißrisse verbessern. In Kombination mit optimiertem Werkzeugdesign und Verarbeitungsmethoden können diese Maßnahmen zur Produktion von Brammenblöcken mit hoher Ausbeute, großem Maßstab und hoher Qualität führen.
4. Kornverfeinerung des Barrens
Für die Aluminiumlegierung 7050 werden hauptsächlich zwei Arten von Kornfeinern verwendet: Al-5Ti-1B und Al-3Ti-0,15C. Vergleichende Studien zur Inline-Anwendung dieser Feiner zeigen:
4.1 Mit Al-5Ti-1B veredelte Barren weisen deutlich kleinere Korngrößen und einen gleichmäßigeren Übergang vom Barrenrand zur Mitte auf. Die grobkörnige Schicht ist dünner, und der Kornverfeinerungseffekt ist über den gesamten Barren hinweg stärker.
4.2 Bei Verwendung von Rohstoffen, die zuvor mit Al-3Ti-0,15C verfeinert wurden, verringert sich der kornverfeinernde Effekt von Al-5Ti-1B. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Al-Ti-B-Zugabe über einen bestimmten Wert hinaus nicht zu einer proportionalen Verbesserung der Kornverfeinerung. Daher sollte die Al-Ti-B-Zugabe auf maximal 2 kg/t begrenzt werden.
4.3 Mit Al-3Ti-0,15C veredelte Barren bestehen überwiegend aus feinen, kugelförmigen, gleichachsigen Körnern. Die Korngröße ist über die gesamte Breite der Bramme relativ gleichmäßig. Eine Zugabe von 3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C stabilisiert die Produktqualität.
4.4 Insbesondere bei der Verwendung von Al-5Ti-1B in der Legierung 7050 neigen TiB₂-Partikel bei schneller Abkühlung dazu, sich in Richtung der Oxidschicht auf der Barrenoberfläche abzusondern und Ansammlungen zu bilden, die zur Schlackenbildung führen. Während der Erstarrung des Barrens schrumpfen diese Ansammlungen nach innen und bilden rillenartige Falten, wodurch die Oberflächenspannung der Schmelze verändert wird. Dies erhöht die Viskosität der Schmelze und verringert die Fließfähigkeit, was wiederum die Rissbildung am Formboden und an den Ecken der breiten und schmalen Flächen des Barrens fördert. Dies erhöht die Rissneigung erheblich und wirkt sich negativ auf die Barrenausbeute aus.
4.5 Unter Berücksichtigung des Umformverhaltens der Legierung 7050, der Kornstruktur ähnlicher inländischer und internationaler Barren und der Qualität der endgültig verarbeiteten Produkte wird Al-3Ti-0,15C als Inline-Kornverfeinerer für das Gießen der Legierung 7050 bevorzugt – sofern besondere Bedingungen nichts anderes erfordern.
5. Kornfeinungsverhalten von Al-3Ti-0,15C
5.1 Wenn der Kornverfeinerer bei 720 °C hinzugefügt wird, bestehen die Körner hauptsächlich aus gleichachsigen Strukturen mit einigen Unterstrukturen und weisen die feinste Größe auf.
5.2 Wenn die Schmelze nach Zugabe des Refiners zu lange gehalten wird (z. B. länger als 10 Minuten), dominiert grobes dendritisches Wachstum, was zu gröberen Körnern führt.
5.3 Wenn die Zugabemenge des Kornverfeinerers 0,010 % bis 0,015 % beträgt, werden feine gleichachsige Körner erreicht.
5.4 Basierend auf dem industriellen Verfahren zur Herstellung der Legierung 7050 sind die optimalen Bedingungen für die Kornverfeinerung folgende: Zugabetemperatur etwa 720 °C, Zeit von der Zugabe bis zur endgültigen Verfestigung auf 20 Minuten begrenzt und Verfeinerungsmenge von etwa 0,01–0,015 % (3–4 kg/t Al-3Ti-0,15C).
5.5 Trotz unterschiedlicher Barrengrößen beträgt die Gesamtzeit vom Hinzufügen des Kornverfeinerers nach dem Austritt der Schmelze über das Inline-System, die Rinne und die Form bis zur endgültigen Verfestigung typischerweise 15–20 Minuten.
5.6 In industriellen Anwendungen führt eine Erhöhung der Kornverfeinerermenge über einen Ti-Gehalt von 0,01 % hinaus nicht zu einer signifikanten Verbesserung der Kornverfeinerung. Vielmehr führt eine übermäßige Zugabe zu einer Anreicherung von Ti und C, was die Wahrscheinlichkeit von Materialfehlern erhöht.
5.7 Tests an verschiedenen Stellen – Entgasungseinlass, Entgasungsauslass und Gießrinne – zeigen minimale Unterschiede in der Korngröße. Die Zugabe des Refiners direkt an der Gießrinne ohne Filtration erhöht jedoch das Risiko von Fehlern bei der Ultraschallprüfung der verarbeiteten Materialien.
5.8 Um eine gleichmäßige Kornverfeinerung zu gewährleisten und eine Ansammlung von Kornverfeinerer zu verhindern, sollte der Kornverfeinerer am Einlass des Entgasungssystems hinzugefügt werden.
Veröffentlichungszeit: 16. Juli 2025
