Более мелкий размер зерен способствует повышению качества отливки за счет минимизации усадки, горячих трещин и водородной пористости. В нормальных условиях затвердевания, характерных для всего спектра промышленных процессов литья, алюминиевые сплавы без утончения зерен имеют грубую столбчатую и/или грубую равноосную структуру.
Мелкозернистая структура также сводит к минимуму влияние на литейность и свойства, связанные с размером и распределением естественно возникающих интерметаллидов. Крупные нерастворимые интерметаллические частицы, присутствующие или образующиеся в диапазоне температур между ликвидусом и солидусом, ухудшают питание. Мелкозернистая структура способствует образованию более мелких и равномерно распределенных интерметаллических частиц, что приводит к соответствующему улучшению характеристик питания. Поскольку большинство этих более хрупких фаз выпадает в конце процесса затвердевания, их преимущественное образование на границах зерен также существенно влияет на сопротивление разрыву и механические свойства в крупнозернистых структурах.
Помимо оксидов, в структуре литых изделий в качестве включений можно рассматривать ряд других соединений. Любой алюминий содержит карбид алюминия (Al₄C₃), образующийся в процессе восстановления. Также могут присутствовать бориды. В результате агломерации бориды могут достигать таких размеров, что становятся значимым фактором в структуре металла, что особенно негативно сказывается на механической обработке.
Влияние включений
При любых условиях включения — как в виде плёнки, так и в виде частиц — ухудшают механические свойства. Общий эффект включений заключается в уменьшении эффективного поперечного сечения металла под нагрузкой. Более разрушительное воздействие на свойства оказывает концентрация напряжений, возникающая при появлении включений на поверхности деталей или образцов или вблизи неё. В последнем случае усталостная прочность снижается из-за эффекта надреза. Предел прочности и предел текучести, как правило, ниже, а пластичность может существенно снижаться при наличии включений.
Включения в виде твёрдых частиц часто встречаются в сочетании с плёночными оксидами. Бориды, карбиды, оксиды и неметаллические частицы, содержащиеся в расплаве, выделяются и затем концентрируются в определённых участках структуры отливки.
Структура зерна
В алюминиевых отливках, как правило, предпочтительна мелкозернистая равноосная структура. Тип и размер образующихся зерен определяются составом сплава, скоростью затвердевания, а также добавлением мастер-сплавов (зерноуточнителей), содержащих частицы интерметаллических фаз, которые служат очагами гетерогенного зародышеобразования зерен.
Пористость, если она имеется, характеризуется меньшим размером отдельных пустот в мелкозернистых деталях. На размер междендритных пустот, образовавшихся в результате усадки, непосредственно влияет размер зерен.
Более равномерное распределение растворимых интерметаллидов по всей структуре отливок с утончённым зерном обеспечивает более быструю и полную реакцию на термическую обработку. После термической обработки можно ожидать получения более стабильных механических свойств.
Утончение зерна
Все алюминиевые сплавы можно заставить затвердевать с образованием полностью равноосной мелкозернистой структуры за счет применения соответствующих добавки, улучшающие структуру зерна. Наиболее широко используемыми рафинерами для зерна являются мастер-сплавы из титановая добавка, либо титана и бора в алюминии. Алюминиево-титановые утончители, как правило, содержат от 3 до 10% Ti. Тот же диапазон концентраций титана используется в утончителях Al-Ti-B с содержанием бора от 0,2 до 1% и соотношением титан/бор в диапазоне от примерно 5 до 50. Хотя утончители зерна этих типов можно рассматривать как традиционные упрочнители или мастер-сплавы, они отличаются от мастер-сплавов, добавляемых в расплав исключительно для легирования.
Для обеспечения эффективности процесса рафинирования алюминия необходимо вводить контролируемые, предсказуемые и эффективные количества алюминидов (и боридов) в форме, размере и распределении, необходимых для зародышеобразования кристаллических зерен. Рафинирующий элемент в виде стержней, разработанный для непрерывной обработки алюминия на первичных этапах производства, поставляется в виде отрезанных отрезков для использования в литейном производстве.
