1. ひび割れ形成に寄与するマクロ的な要因
1.1 半連続鋳造では、冷却水が鋳塊表面に直接噴霧されるため、鋳塊内部に急激な温度勾配が生じます。その結果、各領域間で不均一な収縮が生じ、相互拘束が生じて熱応力が発生します。特定の応力場下では、これらの応力が鋳塊の割れにつながる可能性があります。
1.2 工業生産において、インゴットの割れは鋳造初期段階で発生することが多く、あるいはマイクロクラックとして発生し、冷却中に伝播してインゴット全体に広がる可能性があります。割れに加えて、コールドシャット、反り、ハンギングなどの欠陥も鋳造初期段階で発生する可能性があり、鋳造プロセス全体において非常に重要な段階となっています。
1.3 ダイレクトチル鋳造の高温割れ感受性は、化学組成、マスター合金の添加量、および使用される結晶粒微細化剤の量によって大きく左右されます。
1.4 合金の高温割れ感受性は、主に内部応力によって引き起こされ、ボイドやクラックの形成を誘発します。これらの形成と分布は、合金元素、溶湯の冶金学的品質、および半連続鋳造パラメータによって決定されます。特に、7XXXシリーズアルミニウム合金の大型インゴットは、合金元素の多様化、広い凝固範囲、高い鋳造応力、合金元素の酸化偏析、比較的低い冶金学的品質、および室温での成形性の低下により、特に高温割れが発生しやすい傾向があります。
1.5 研究により、電磁場と合金元素（結晶粒微細化剤、主要合金元素、微量元素を含む）が半連続鋳造 7xxx シリーズ合金の微細構造と高温割れ感受性に大きな影響を与えることがわかっています。
1.6 さらに、7050アルミニウム合金は組成が複雑で、酸化されやすい元素が含まれているため、溶湯はより多くの水素を吸収する傾向があります。これに加えて酸化物系介在物が存在するため、ガスと介在物が共存し、溶湯中の水素含有量が高くなります。水素含有量は、加工後のインゴット材料の検査結果、破壊挙動、疲労特性に影響を与える重要な要因となっています。したがって、溶湯中の水素の存在メカニズムに基づき、吸着媒体とろ過精製装置を用いて溶湯から水素やその他の介在物を除去し、高純度の合金溶湯を得る必要があります。
2. 亀裂形成の微視的原因
2.1 インゴットの熱間割れは、主に凝固収縮率、供給速度、およびマッシーゾーンの臨界サイズによって決定されます。マッシーゾーンのサイズが臨界閾値を超えると、熱間割れが発生します。
2.2 一般に、合金の凝固プロセスは、バルク供給、樹枝状結晶間供給、樹枝状結晶の分離、および樹枝状結晶のブリッジングといういくつかの段階に分けられます。
2.3 デンドライト分離段階では、デンドライトアームがより密集し、表面張力によって溶融塩の流動が制限されます。マッシーゾーンの透過性が低下し、十分な凝固収縮と熱応力により、ミクロポロシティや高温割れが発生する可能性があります。
2.4 デンドライト架橋段階では、三重点に微量の液体が残存するのみである。この時点では、半固体材料は相当の強度と可塑性を有し、凝固収縮と熱応力を補償する唯一のメカニズムは固体クリープである。この2つの段階では、収縮空隙や高温割れが発生する可能性が最も高い。
3. 亀裂形成機構に基づく高品質スラブインゴットの製造
3.1 大型スラブインゴットには、表面の亀裂、内部の多孔性、介在物が多く見られ、合金凝固中の機械的挙動に重大な影響を及ぼします。
3.2 凝固中の合金の機械的特性は、粒径、水素含有量、介在物レベルなどの内部構造の特徴に大きく依存します。
3.3 デンドライト構造を有するアルミニウム合金では、二次デンドライトアーム間隔（SDAS）が機械的特性と凝固プロセスの両方に大きな影響を与えます。SDASが微細化すると、気孔形成が早まり、気孔率が高くなるため、高温割れの臨界応力が低下します。
3.4 樹枝状結晶間の収縮空隙や介在物などの欠陥は、固体骨格の靭性を著しく弱め、高温割れに必要な臨界応力を大幅に低下させます。
3.5 結晶粒形態は、高温割れ挙動に影響を与えるもう一つの重要なミクロ組織因子です。柱状デンドライトから球状等軸結晶粒へ転移すると、合金の剛性温度が低下し、デンドライト間の液体透過性が向上し、気孔の成長が抑制されます。さらに、結晶粒が微細化することで、より大きなひずみとひずみ速度に対応できるようになり、より複雑なひずみ伝播経路を形成するため、高温割れ発生傾向全体が低減します。
3.6 実生産においては、溶湯ハンドリングと鋳造技術の最適化（介在物や水素含有量、結晶粒構造の厳密な制御など）により、スラブインゴットの高温割れに対する内部抵抗を向上させることができます。これらの対策と最適化された工具設計および加工方法を組み合わせることで、高収率、大型、高品質のスラブインゴットの生産が可能になります。
4. インゴットの結晶粒微細化
7050アルミニウム合金では、主にAl-5Ti-1BとAl-3Ti-0.15Cの2種類の結晶粒微細化剤が使用されています。これらの微細化剤のインライン適用に関する比較研究から、以下の結果が得られました。
4.1 Al-5Ti-1Bで微細化されたインゴットは、結晶粒径が著しく小さく、インゴットのエッジから中心部にかけてより均一な遷移を示す。粗粒層は薄く、インゴット全体にわたる結晶粒微細化効果がより強くなる。
4.2 Al-3Ti-0.15Cで精錬された原料を使用する場合、Al-5Ti-1Bによる結晶粒微細化効果は減少します。さらに、Al-Ti-B添加量をある一定量以上に増加させても、結晶粒微細化効果は比例して向上しません。したがって、Al-Ti-B添加量は2kg/t以下に制限する必要があります。
4.3 Al-3Ti-0.15Cで精錬されたインゴットは、主に微細な球状の等軸結晶粒から構成されます。結晶粒径はスラブ幅全体にわたって比較的均一です。製品品質の安定化には、Al-3Ti-0.15Cを3～4kg/t添加することが効果的です。
4.4 特に、7050合金にAl-5Ti-1Bを使用すると、急冷条件下でTiB₂粒子がインゴット表面の酸化膜に偏析し、クラスターを形成してスラグ形成につながる傾向があります。インゴットの凝固過程において、これらのクラスターは内側に収縮して溝状の襞を形成し、溶融塩の表面張力を変化させます。これにより溶融塩の粘度が上昇し、流動性が低下します。その結果、鋳型の底面やインゴットの長辺・短辺の角部に亀裂が発生しやすくなります。これにより、亀裂発生率が著しく高まり、インゴットの歩留まりに悪影響を及ぼします。
4.5 7050 合金の成形挙動、同様の国内外のインゴットの結晶構造、および最終加工製品の品質を考慮すると、特別な条件が要求されない限り、Al-3Ti-0.15C が 7050 合金の鋳造用のインライン結晶粒微細化剤として推奨されます。
5. Al-3Ti-0.15Cの結晶粒微細化挙動
5.1 結晶粒微細化剤を 720 °C で添加すると、結晶粒は主に等軸構造といくつかの下部構造から構成され、サイズは最も細かくなります。
5.2 精製剤を添加した後、溶融物を長時間保持すると（例えば、10 分以上）、粗大な樹枝状結晶の成長が優先され、粒子が粗くなります。
5.3 結晶粒微細化剤の添加量が0.010%～0.015%の場合、微細等軸結晶粒が達成される。
5.4 7050合金の工業プロセスに基づくと、最適な結晶粒微細化条件は、添加温度が約720℃、添加から最終凝固までの時間が20分以内に制御され、微細化剤の量が約0.01〜0.015％（Al-3Ti-0.15Cの3〜4kg / t）です。
5.5 インゴットのサイズは異なりますが、溶融金属の出口から結晶微細化剤を添加してから、インラインシステム、トラフ、鋳型を通過して最終的に凝固するまでの合計時間は通常 15 ～ 20 分です。
5.6 工業用途では、Ti含有量が0.01%を超えて結晶粒微細化剤の量を増やしても、結晶粒微細化は著しく改善されません。むしろ、過剰な添加はTiとCの濃縮を招き、材料欠陥の発生確率を高めます。
5.7 脱ガス入口、脱ガス出口、鋳造トラフといった異なる箇所での試験では、粒径の差は最小限であることが示されています。しかし、ろ過せずに鋳造トラフに直接精製剤を添加すると、加工済み材料の超音波検査において欠陥が発生するリスクが高まります。
5.8 均一な結晶粒微細化を確保し、微細化剤の蓄積を防ぐために、結晶粒微細化剤は脱ガスシステムの入口に添加する必要があります。
投稿日時: 2025年7月16日
