1. Fatores macroscópicos que contribuem para a formação de fissuras
1.1 Durante o lingotamento semicontínuo, a água de resfriamento é pulverizada diretamente sobre a superfície do lingote, criando um gradiente de temperatura acentuado dentro do lingote. Isso resulta em contração desigual entre as diferentes regiões, causando restrição mútua e gerando tensões térmicas. Sob certos campos de tensão, essas tensões podem levar à fissuração do lingote.
1.2 Na produção industrial, a trinca no lingote frequentemente ocorre na fase inicial de fundição ou se origina como microtrincas que posteriormente se propagam durante o resfriamento, podendo se espalhar por todo o lingote. Além da trinca, outros defeitos, como fechamento a frio, empenamento e deformação, também podem ocorrer durante a fase inicial de fundição, tornando-a uma fase crítica em todo o processo de fundição.
1.3 A suscetibilidade da fundição direta a frio ao surgimento de trincas a quente é significativamente influenciada pela composição química, pelas adições de ligas-mestras e pela quantidade de refinadores de grãos utilizados.
1.4 A sensibilidade das ligas à fissuração a quente deve-se principalmente a tensões internas que induzem a formação de vazios e fissuras. Sua formação e distribuição são determinadas pelos elementos de liga, pela qualidade metalúrgica do fundido e pelos parâmetros de lingotamento semicontínuo. Especificamente, lingotes de grande porte de ligas de alumínio da série 7xxx são particularmente propensos à fissuração a quente devido à multiplicidade de elementos de liga, amplas faixas de solidificação, altas tensões de fundição, segregação oxidativa dos elementos de liga, qualidade metalúrgica relativamente baixa e baixa conformabilidade à temperatura ambiente.
1.5 Estudos demonstraram que campos eletromagnéticos e elementos de liga (incluindo refinadores de grãos, principais elementos de liga e oligoelementos) afetam significativamente a microestrutura e a suscetibilidade à fissuração a quente de ligas da série 7xxx fundidas de forma semicontínua.
1.6 Além disso, devido à composição complexa da liga de alumínio 7050 e à presença de elementos facilmente oxidáveis, o fundido tende a absorver mais hidrogênio. Isso, combinado com inclusões de óxido, leva à coexistência de gás e inclusões, resultando em um alto teor de hidrogênio no fundido. O teor de hidrogênio tornou-se um fator-chave que afeta os resultados da inspeção, o comportamento da fratura e o desempenho à fadiga dos materiais de lingote processados. Portanto, com base no mecanismo da presença de hidrogênio no fundido, é necessário utilizar meios de adsorção e equipamentos de filtração e refino para remover o hidrogênio e outras inclusões do fundido, a fim de obter um fundido de liga altamente purificado.
2. Causas microscópicas da formação de fissuras
2.1 O craqueamento a quente do lingote é determinado principalmente pela taxa de contração de solidificação, pela taxa de alimentação e pelo tamanho crítico da zona de maceração. Se o tamanho da zona de maceração exceder um limite crítico, ocorrerá o craqueamento a quente.
2.2 Geralmente, o processo de solidificação de ligas pode ser dividido em várias etapas: alimentação em massa, alimentação interdendrítica, separação de dendritos e formação de pontes de dendritos.
2.3 Durante a etapa de separação dos dendritos, os braços dendríticos tornam-se mais compactados e o fluxo de líquido é restringido pela tensão superficial. A permeabilidade da zona pastosa é reduzida, e a contração de solidificação e o estresse térmico suficientes podem levar à microporosidade ou até mesmo à formação de trincas a quente.
2.4 Na fase de formação de pontes dendríticas, apenas uma pequena quantidade de líquido permanece nas junções triplas. Nesse ponto, o material semissólido apresenta resistência e plasticidade consideráveis, e a fluência no estado sólido é o único mecanismo capaz de compensar a contração de solidificação e o estresse térmico. Essas duas fases são as mais propensas à formação de vazios de contração ou trincas a quente.
3. Preparação de lingotes de placas de alta qualidade com base em mecanismos de formação de trincas
3.1 Lingotes de placas de grande porte frequentemente apresentam rachaduras superficiais, porosidade interna e inclusões, o que afeta severamente o comportamento mecânico durante a solidificação da liga.
3.2 As propriedades mecânicas da liga durante a solidificação dependem em grande parte das características estruturais internas, incluindo tamanho do grão, teor de hidrogênio e níveis de inclusão.
3.3 Para ligas de alumínio com estruturas dendríticas, o espaçamento dos braços dendríticos secundários (SDAS) afeta significativamente tanto as propriedades mecânicas quanto o processo de solidificação. Um SDAS mais fino leva à formação de porosidade mais precoce e a frações de porosidade mais elevadas, reduzindo a tensão crítica para o craqueamento a quente.
3.4 Defeitos como inclusões e vazios de retração interdendrítica enfraquecem severamente a tenacidade do esqueleto sólido e reduzem significativamente a tensão crítica necessária para fissuração a quente.
3.5 A morfologia dos grãos é outro fator microestrutural crítico que influencia o comportamento de trincas a quente. Quando os grãos passam de dendritos colunares para grãos equiaxiais globulares, a liga apresenta menor temperatura de rigidez e melhor permeabilidade a líquidos interdendríticos, o que suprime o crescimento de poros. Além disso, grãos mais finos podem acomodar maiores taxas de deformação e deformação e apresentar trajetórias de propagação de trincas mais complexas, reduzindo assim a tendência geral de trincas a quente.
3.6 Na produção prática, a otimização do manuseio do fundido e das técnicas de fundição — como o controle rigoroso do teor de inclusão e hidrogênio, bem como da estrutura dos grãos — pode melhorar a resistência interna dos lingotes de placas à trinca a quente. Combinadas com o projeto otimizado de ferramentas e métodos de processamento, essas medidas podem levar à produção de lingotes de placas de alto rendimento, em larga escala e de alta qualidade.
4. Refinamento de grãos de lingotes
A liga de alumínio 7050 utiliza principalmente dois tipos de refinadores de grãos: Al-5Ti-1B e Al-3Ti-0,15C. Estudos comparativos sobre a aplicação em linha desses refinadores mostram:
4.1 Lingotes refinados com Al-5Ti-1B apresentam tamanhos de grãos significativamente menores e uma transição mais uniforme da borda do lingote para o centro. A camada de grãos grossos é mais fina e o efeito geral do refinamento dos grãos é mais intenso em todo o lingote.
4.2 Quando são utilizadas matérias-primas previamente refinadas com Al-3Ti-0,15C, o efeito de refino de grãos do Al-5Ti-1B é reduzido. Além disso, aumentar a adição de Al-Ti-B além de um certo ponto não aumenta proporcionalmente o refino de grãos. Portanto, as adições de Al-Ti-B devem ser limitadas a, no máximo, 2 kg/t.
4.3 Os lingotes refinados com Al-3Ti-0,15C consistem principalmente de grãos finos, globulares equiaxiais. O tamanho dos grãos é relativamente uniforme em toda a largura da placa. Uma adição de 3 a 4 kg/t de Al-3Ti-0,15C é eficaz na estabilização da qualidade do produto.
4.4 Notavelmente, quando o Al-5Ti-1B é utilizado na liga 7050, as partículas de TiB₂ tendem a segregar em direção ao filme de óxido na superfície do lingote sob condições de resfriamento rápido, formando aglomerados que levam à formação de escória. Durante a solidificação do lingote, esses aglomerados se contraem para dentro, formando dobras em forma de sulcos, alterando a tensão superficial do fundido. Isso aumenta a viscosidade do fundido e reduz a fluidez, o que, por sua vez, promove a formação de trincas na base do molde e nos cantos das faces largas e estreitas do lingote. Isso aumenta significativamente a tendência à formação de trincas e impacta negativamente o rendimento do lingote.
4.5 Considerando o comportamento de conformação da liga 7050, a estrutura de grãos de lingotes nacionais e internacionais similares e a qualidade dos produtos finais processados, o Al-3Ti-0,15C é o preferido como refinador de grãos em linha para fundição da liga 7050, a menos que condições específicas exijam o contrário.
5. Comportamento de Refinamento de Grão de Al-3Ti-0,15C
5.1 Quando o refinador de grãos é adicionado a 720 °C, os grãos consistem principalmente de estruturas equiaxiais com algumas subestruturas e são os mais finos em tamanho.
5.2 Se a fusão for mantida por muito tempo após a adição do refinador (por exemplo, mais de 10 minutos), o crescimento dendrítico grosso domina, resultando em grãos mais grossos.
5.3 Quando a quantidade de adição de refinador de grãos é de 0,010% a 0,015%, grãos finos equiaxiais são obtidos.
5.4 Com base no processo industrial da liga 7050, as condições ótimas de refino do grão são: temperatura de adição em torno de 720 °C, tempo da adição até a solidificação final controlado em 20 minutos e quantidade de refinador em aproximadamente 0,01–0,015% (3–4 kg/t de Al-3Ti-0,15 °C).
5.5 Apesar das variações no tamanho do lingote, o tempo total desde a adição do refinador de grãos após a saída do fundido, através do sistema em linha, calha e molde, até a solidificação final é normalmente de 15 a 20 minutos.
5.6 Em ambientes industriais, aumentar a quantidade de refinador de grãos acima de um teor de Ti de 0,01% não melhora significativamente o refino dos grãos. Em vez disso, a adição excessiva leva ao enriquecimento de Ti e C, aumentando a probabilidade de defeitos no material.
5.7 Testes em diferentes pontos — entrada de desgaseificação, saída de desgaseificação e calha de fundição — mostram diferenças mínimas no tamanho dos grãos. No entanto, adicionar o refinador diretamente na calha de fundição sem filtração aumenta o risco de defeitos durante a inspeção ultrassônica dos materiais processados.
5.8 Para garantir o refinamento uniforme dos grãos e evitar o acúmulo do refinador, o refinador de grãos deve ser adicionado na entrada do sistema de desgaseificação.
Horário da publicação: 16 de julho de 2025
