1. Factores macroscópicos que contribuyen a la formación de grietas
1.1 Durante la colada semicontinua, se rocía agua de refrigeración directamente sobre la superficie del lingote, lo que crea un gradiente de temperatura pronunciado en su interior. Esto provoca una contracción desigual entre las diferentes regiones, lo que provoca fricción mutua y genera tensiones térmicas. Bajo ciertos campos de tensión, estas tensiones pueden provocar el agrietamiento del lingote.
1.2 En la producción industrial, el agrietamiento de los lingotes suele ocurrir en la fase inicial de la fundición o se origina como microfisuras que posteriormente se propagan durante el enfriamiento, pudiendo extenderse por todo el lingote. Además del agrietamiento, otros defectos como el cierre en frío, la deformación y el abultamiento también pueden ocurrir durante la fase inicial de la fundición, lo que la convierte en una fase crítica de todo el proceso de fundición.
1.3 La susceptibilidad de la fundición en frío directo al agrietamiento en caliente está significativamente influenciada por la composición química, las adiciones de aleación maestra y la cantidad de refinadores de grano utilizados.
1.4 La sensibilidad de las aleaciones al agrietamiento en caliente se debe principalmente a las tensiones internas que inducen la formación de huecos y grietas. Su formación y distribución están determinadas por los elementos de aleación, la calidad metalúrgica de la masa fundida y los parámetros de la colada semicontinua. En concreto, los lingotes de gran tamaño de las aleaciones de aluminio de la serie 7xxx son particularmente propensos al agrietamiento en caliente debido a la multiplicidad de elementos de aleación, los amplios rangos de solidificación, las elevadas tensiones de colada, la segregación por oxidación de los elementos de aleación, la calidad metalúrgica relativamente baja y la baja conformabilidad a temperatura ambiente.
1.5 Los estudios han demostrado que los campos electromagnéticos y los elementos de aleación (incluidos los refinadores de grano, los principales elementos de aleación y los oligoelementos) afectan significativamente la microestructura y la susceptibilidad al agrietamiento en caliente de las aleaciones de la serie 7xxx fundidas de forma semicontinua.
1.6 Además, debido a la compleja composición de la aleación de aluminio 7050 y a la presencia de elementos fácilmente oxidables, la masa fundida tiende a absorber más hidrógeno. Esto, sumado a las inclusiones de óxido, provoca la coexistencia de gas e inclusiones, lo que resulta en un alto contenido de hidrógeno en la masa fundida. El contenido de hidrógeno se ha convertido en un factor clave que afecta los resultados de las inspecciones, el comportamiento a la fractura y el rendimiento a la fatiga de los lingotes procesados. Por lo tanto, basándose en el mecanismo de la presencia de hidrógeno en la masa fundida, es necesario utilizar medios de adsorción y equipos de filtración-refinación para eliminar el hidrógeno y otras inclusiones de la masa fundida y obtener una masa fundida de aleación altamente purificada.
2. Causas microscópicas de la formación de grietas
2.1 El agrietamiento por calor del lingote se determina principalmente por la tasa de contracción de solidificación, la velocidad de alimentación y el tamaño crítico de la zona blanda. Si el tamaño de la zona blanda supera un umbral crítico, se producirá agrietamiento por calor.
2.2 Generalmente, el proceso de solidificación de las aleaciones se puede dividir en varias etapas: alimentación a granel, alimentación interdendrítica, separación de dendritas y puenteo de dendritas.
2.3 Durante la etapa de separación de las dendritas, los brazos dendríticos se compactan más y el flujo de líquido se ve restringido por la tensión superficial. La permeabilidad de la zona blanda se reduce, y una contracción de solidificación suficiente y la tensión térmica pueden provocar microporosidad o incluso grietas calientes.
2.4 En la etapa de puenteo dendrítico, solo queda una pequeña cantidad de líquido en las uniones triples. En este punto, el material semisólido posee una resistencia y plasticidad considerables, y la fluencia en estado sólido es el único mecanismo para compensar la contracción de solidificación y la tensión térmica. Estas dos etapas son las más propensas a la formación de huecos por contracción o grietas por calor.
3. Preparación de lingotes de losa de alta calidad según los mecanismos de formación de grietas
3.1 Los lingotes de losa de gran tamaño a menudo presentan grietas superficiales, porosidad interna e inclusiones que afectan gravemente el comportamiento mecánico durante la solidificación de la aleación.
3.2 Las propiedades mecánicas de la aleación durante la solidificación dependen en gran medida de las características estructurales internas, incluido el tamaño del grano, el contenido de hidrógeno y los niveles de inclusión.
3.3 En aleaciones de aluminio con estructuras dendríticas, el espaciamiento de los brazos dendríticos secundarios (SDAS) afecta significativamente tanto las propiedades mecánicas como el proceso de solidificación. Un SDAS más fino conduce a una formación de porosidad más temprana y a fracciones de porosidad más altas, lo que reduce la tensión crítica para el agrietamiento en caliente.
3.4 Defectos tales como huecos de contracción interdendríticos e inclusiones debilitan severamente la tenacidad del esqueleto sólido y reducen significativamente la tensión crítica requerida para el agrietamiento en caliente.
3.5 La morfología del grano es otro factor microestructural crítico que influye en el comportamiento de agrietamiento en caliente. Cuando los granos pasan de dendritas columnares a granos globulares equiaxiales, la aleación presenta una temperatura de rigidez más baja y una mejor permeabilidad a los líquidos interdendríticos, lo que suprime el crecimiento de poros. Además, los granos más finos pueden soportar mayores deformaciones y tasas de deformación, y presentan trayectorias de propagación de grietas más complejas, lo que reduce la tendencia general al agrietamiento en caliente.
3.6 En la producción práctica, la optimización del manejo de la masa fundida y de las técnicas de colada, como el control estricto del contenido de inclusiones e hidrógeno, así como de la estructura del grano, puede mejorar la resistencia interna de los lingotes de planchón al agrietamiento en caliente. Combinadas con el diseño optimizado de herramientas y métodos de procesamiento, estas medidas pueden conducir a la producción de lingotes de planchón de alto rendimiento, a gran escala y de alta calidad.
4. Refinamiento del grano del lingote
La aleación de aluminio 7050 utiliza principalmente dos tipos de refinadores de grano: Al-5Ti-1B y Al-3Ti-0,15C. Estudios comparativos sobre la aplicación en línea de estos refinadores muestran lo siguiente:
4.1 Los lingotes refinados con Al-5Ti-1B presentan tamaños de grano significativamente menores y una transición más uniforme desde el borde hasta el centro. La capa de grano grueso es más delgada y el efecto general de refinamiento del grano es más intenso en todo el lingote.
4.2 Cuando se utilizan materias primas previamente refinadas con Al-3Ti-0,15C, el efecto de refinamiento del grano del Al-5Ti-1B se ve disminuido. Además, aumentar la adición de Al-Ti-B más allá de cierto punto no mejora proporcionalmente el refinamiento del grano. Por lo tanto, las adiciones de Al-Ti-B deben limitarse a un máximo de 2 kg/t.
4.3 Los lingotes refinados con Al-3Ti-0,15C se componen principalmente de granos finos, globulares y equiaxiales. El tamaño del grano es relativamente uniforme a lo largo de la placa. Una adición de 3-4 kg/t de Al-3Ti-0,15C es eficaz para estabilizar la calidad del producto.
4.4 Cabe destacar que, al utilizar Al-5Ti-1B en la aleación 7050, las partículas de TiB₂ tienden a segregarse hacia la película de óxido de la superficie del lingote bajo condiciones de enfriamiento rápido, formando cúmulos que conducen a la formación de escoria. Durante la solidificación del lingote, estos cúmulos se contraen hacia adentro, formando pliegues en forma de surcos, lo que altera la tensión superficial de la masa fundida. Esto aumenta la viscosidad de la masa fundida y reduce la fluidez, lo que a su vez promueve la formación de grietas en la base del molde y en las esquinas de las caras anchas y estrechas del lingote. Esto aumenta significativamente la tendencia al agrietamiento y afecta negativamente el rendimiento del lingote.
4.5 Teniendo en cuenta el comportamiento de formación de la aleación 7050, la estructura de grano de lingotes nacionales e internacionales similares y la calidad de los productos procesados finales, se prefiere Al-3Ti-0,15C como refinador de grano en línea para la fundición de aleación 7050, a menos que las condiciones específicas requieran lo contrario.
5. Comportamiento de refinamiento de grano de Al-3Ti-0,15C
5.1 Cuando se añade el refinador de granos a 720 °C, los granos están constituidos principalmente por estructuras equiaxiales con algunas subestructuras y son los de tamaño más fino.
5.2 Si la masa fundida se mantiene durante demasiado tiempo después de añadir el refinador (por ejemplo, más de 10 minutos), predomina el crecimiento dendrítico grueso, lo que da lugar a granos más gruesos.
5.3 Cuando la cantidad de adición de refinador de grano es de 0,010% a 0,015%, se logran granos finos equiaxiales.
5.4 Con base en el proceso industrial de la aleación 7050, las condiciones óptimas de refinamiento del grano son: temperatura de adición alrededor de 720 °C, tiempo desde la adición hasta la solidificación final controlada dentro de los 20 minutos y cantidad de refinador de aproximadamente 0,01–0,015 % (3–4 kg/t de Al-3Ti-0,15C).
5.5 A pesar de las variaciones en el tamaño del lingote, el tiempo total desde la adición del refinador de grano después de la salida de la masa fundida, a través del sistema en línea, el canal y el molde, hasta la solidificación final es típicamente de 15 a 20 minutos.
5.6 En entornos industriales, aumentar la cantidad de refinador de grano por encima de un contenido de Ti del 0,01 % no mejora significativamente el refinamiento del grano. Por el contrario, una adición excesiva provoca un enriquecimiento de Ti y C, lo que aumenta la probabilidad de defectos en el material.
5.7 Las pruebas en diferentes puntos (entrada y salida del desgasificador y canal de colada) muestran diferencias mínimas en el tamaño del grano. Sin embargo, añadir el refinador directamente en el canal de colada sin filtración aumenta el riesgo de defectos durante la inspección ultrasónica de los materiales procesados.
5.8 Para garantizar un refinamiento uniforme del grano y evitar la acumulación de refinador, éste debe agregarse en la entrada del sistema de desgasificación.
Hora de publicación: 16 de julio de 2025
