СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СИЛУМИНОВ

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СИЛУМИНОВ


RU (11) 2177048 (13) C1

(51) 7 C22C1/02, C22B9/10 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - может прекратить свое действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2000125624/02 
(22) Дата подачи заявки: 2000.10.11 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.10.11 
(45) Опубликовано: 2001.12.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2094514 C1, 27.10.1997. RU 2016112 С1, 15.07.1994. БОНДАРЕВ Б.И. и др. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. -М.: Металлургия, 1979, с. 174-192. GB 2243620 А, 06.11.1991. 
(71) Заявитель(и): Институт металлургии Уральского отделения РАН 
(72) Автор(ы): Казанцев Г.Ф.; Барбин Н.М.; Бродова И.Г.; Моисеев Г.К.; Ватолин Н.А.; Башлыков Д.В.; Манухин А.Б. 
(73) Патентообладатель(и): Институт металлургии Уральского отделения РАН 
Адрес для переписки: 620016, г.Екатеринбург, ул. Амундсена, 101, ИМЕТ Уро РАН, зав. патентным отделом Л.А.Сандлер 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СИЛУМИНОВ 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при производстве модифицированных силуминов, легированных медью, магнием, титаном и цирконием. Предложенный способ получения модифицированных силуминов с использованием флюса из галоидных солей, содержащих эвтектику KCl-NaCl с добавками NaF, включает загрузку исходной шихты, содержащей до 40 мас.% оборотных отходов собственного производства или вторичного силумина, в предварительно нагретый солевой расплав модифицирующей смеси, выдержку полученного расплава под слоем солей с последующим извлечением сплава и повторением цикла, причем нагрев солевого расплава осуществляют до 770-790oС, в него последовательно загружают исходную шихту и лигатуру на основе алюминия с легирующими, выбранными из группы медь, кремний, титан, цирконий, причем лигатура Al-Cu содержит 38-40 мас.% меди, лигатура Al-Ti содержит не менее 2 мас. % титана, лигатура Al-Zr содержит не более 0,6 мас.% циркония, и выдерживают полученный расплав при этой температуре в течение 10-30 мин, затем температуру снижают до 710-720oС и вводят магнийсодержащую лигатуру. Достигается значительное упрощение технологии получения сложных сплавов, отсутствует окисление тугоплавких добавок при плавке, уменьшается угар магния. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при производстве модифицированных силуминов, легированных медью, магнием, титаном и цирконием.

Известен способ модифицирования силуминов путем обработки Al-Si-сплавов, включающий одновременное рафинирование и модифицирование флюсом, содержащим хлористые и/или фтористые соли. С целью повышения длительности действия модификатора при получении стабильных и высоких механических свойств отливок с повышенной плотностью литья обработку проводят в присутствии BaF2 или BaCl2, взятого в количестве 0,1-0,3% от веса сплава в пересчете на Ba [1].

Известен способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа, включающий обработку расплава модифицирующим флюсом. С целью повышения пластичности сплава в расплав дополнительно вводят ультрадисперсный порошок карбида бора [2].

Известен способ увеличения модифицирующего действия натрия на силумины (от 15-20 мин до нескольких часов). Предложено в качестве модификатора применять таблетки, содержащие NaF 40 - 60% (предпочтительно ~50%) и C 3 - 20% (предпочтительно ~12%). Примерный состав модификатора (в %): NaF - 52, NaCl - 27, KCl - 7, C - 14. В целях замедления металлотермического восстановления Na из галогенидов температура плавления модификатора должна быть выше температуры обрабатываемого сплава. Количество добавляемого модификатора ~0,25% от массы расплава металла. В обработанной таблетке остается углеродистый каркас, что облегчает ее удаление из расплава.

Согласно приведенному примеру использования модификатора для обработки 600 - 800 кг металла эффективное действие последнего наблюдалось в течение ~ 5 ч [3].

Все перечисленные способы имеют общий недостаток - они разового действия. Для их применения необходимо заранее приготовить смесь заданного состава, перемешать, высушить, иногда, размолоть перед перемешиванием, отмерить определенную порцию от 0,25 до 2-3% по массе. Смесь вмешивается в готовый сплав, выдерживается при определенной температуре, а затем удаляется с поверхности расплава металла. Часть солей остается в металле, ухудшая его состав, а основная часть удаляется вместе с частью металла и окислов и направляется в отвал. Поскольку процесс рафинирования во времени очень краток (5 - 25 мин), металл не весь равномерно перемешивается, происходит неравномерная модификация состава металла. Необходимо строго следить за температурой металла, так как переохлаждение приводит к нарушению процесса модифицирования и большим потерям металла.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является способ модифицирования силуминов [4] , заключающийся в том, что модифицирование производят путем введения силумина в солевой расплав на основе эвтектической смеси KCl-NaCl, содержащий NaF, плавку и выдержку под слоем солей при температуре 787-1017oC в течение 1 - 2 ч, после удаления сплава в солевой расплав добавляют новую порцию твердого силумина, при этом высоту солевого расплава над металлом поддерживают в пределах 2,2 - 30 см, а соотношение металла к расплаву солей берут 1 : (0,5 - 2,5). Способ обеспечивает повышение степени модифицирования сплава и одновременное рафинирование его от окисных пленок и интерметаллидов.

Однако, указанный способ не пригоден для получения сплавов сложного состава, содержащих Si, Cu, Mg, Ti, Zr и другие тугоплавкие металлы (сплавы типа АЛ5, АЛ5М, АК6М2 и др.).

Задачей предлагаемого изобретения является получение высокопрочных литейных сплавов АЛ5 и АЛ5М с модифицированной структурой и легирующими комплексными добавками Zr и Ti, а также упрощение технологии.

Использование предлагаемого технического решения значительно упростит технологию получения сложных сплавов, за счет совмещения плавки, рафинирования и модифицирования сплава одновременно. Не требуется сложная технология приготовления модифицирующих флюсов, перемешивания их с расплавом и последующим извлечением.

Активные тугоплавкие добавки Al-Zr, Al-Ti не окисляются при плавке, также уменьшается угар магния.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения модифицированных силуминов с использованием флюса из галоидных солей, содержащих эвтектику KCl - NaCl с добавками NaF, включающем загрузку исходной шихты в предварительно нагретый солевой расплав модифицирующей смеси, выдержку полученного расплава под слоем солей, с последующим извлечением сплава и повторением цикла, согласно изобретению, нагрев солевого раствора осуществляют до 770 - 790oC, в него последовательно загружают исходную шихту и лигатуру на основе алюминия с легирующими, выбранными из группы медь, кремний, титан, цирконий, и выдерживают полученный расплав при этой температуре 10 - 30 мин, затем температуру снижают до 710 - 720oC и вводят магнийсодержащую лигатуру.

Исходная шихта в предлагаемом изобретении содержит до 40 мас.% оборотных отходов собственного производства или вторичного силумина, который загружают вместе с первичным Al-Si сплавом.

При этом легирующие добавки вводят в виде лигатур, состав которых определен в ходе специальных исследований: Al-Cu, содержащий (мас.%) 38 - 40 Cu; Al-Ti, содержащий не менее 2 мас.% Ti; Al-Zr, содержащий не более 0,6 мас.% Zr. Магний вводили обернутым в алюминиевую фольгу, используя "колокол".

Температура 780oC позволяет создать перегрев силумина выше точки плавления на 120 - 125oC, что обеспечивает более быстрое и полное растворение медно-алюминиевой лигатуры (tпл - 548oC) и более тугоплавкий Al-Ti и Al-Zr. Увеличение температуры расплава приведет к улетучиванию солей и большему растворению легирующих добавок в расплаве солей, температура ниже 720oC ухудшает растворимость легирующих добавок и увеличивает вязкость сплава, приводит в конечном итоге к неравномерному составу по объему и ухудшению эффекта модифицирования.

Новым в данном способе является последовательность введения компонентов сплава, а именно, твердый алюминий, оборотный силумин в виде чушек, лома, стружки, бракованных деталей загружают в солевой расплав при 470-790oC, затем лигатуры, когда наиболее полно идет растворение легирующих добавок. Магний загружают в конце процесса при наиболее низкой температуре, создавая условия для его полного растворения.

Таким образом, сочетание модифицирующего воздействия расплава солей, содержащих NaF, и добавления к силумину модифицирующих добавок в виде лигатуры Al-Ti и Al-Zr, позволяет получить также модифицированные сплавы АЛ5, АЛ5М, рафинированные от неметаллических включений в виде окислов, карбидов, газовых включений.

Большая масса расплава солей (50 - 250% от массы металла) позволяет отказаться от дорогих модификаторов, упростить технологию и выдерживать металл длительное время без изменения состава и окисления, как самого алюминия, так и меди, Ti, Zr, Mg. Извлечение металла и его разливка может производиться по мере надобности, без опасения ухудшения его свойств (переохлаждения, осаждения кристаллов, окисления с поверхности).

Состав полученного сплава АЛ5М был следующим (мас.%): Si - 5,5; Cu - 2; Mg - 0,45; Zr - 0,12; Ti - 0,12, остальное - Al.

Сплава АЛ5: Si - 5; Mg - 0,5; Cu - 1,3, остальное - Al.

На фиг. 1, 2 представлены результаты металлографического излучения шлифов, по которым оценивали эффективность модифицирования структуры готового сплава.

Пример 1. В печь Тиммана установили алундовый тигель с навеской NaCl квалификации "ч" - 44 г, KCl квалификации "ч" - 56 г, NaF квалификации "хч" - 14 г, расплавили соли и нагрели до температуры 780oC, затем загрузили 15,4 г чистого алюминия, после его расплавления через 20 мин загрузили 67 г сплава АЛ9, через 20 мин при температуре 776oC 5,7 г лигатуры Al-Cu, еще через 20 мин лигатуру Al-Ti в количестве 7,2 г, затем лигатуру Al-Zr - 24 г. После расплавления лигатуры Al-Zr, температуру в печи снизили с 780 до 726oC и в обертке из фольги, в маленьком тигле, в виде колокола опустили 0,72 г Mg. Расплав выдержали при 720oC 20 мин, извлекли тигель, сначала слили слой солей, а сплав алюминия - в графитовую изложницу. Всего загрузили 110,2 г в виде плоского слитка, в тигле с солью остались капли металла ~8 г.

Из слитка нарезали образцы, провели термообработку и сделали шлифы для металлографического изучения. Состав полученного сплава: Si - 5,7%; Cu - 1,75%; Ti - 0,06%; Zr - 0,09%; остальное - Al.

Результаты других опытов приведены в табл. 1, 2, 3.

Пример 2. Синтез сплава АЛ5 производили в селитовой печи, прямоугольной в плане, дно которой имело вид сегмента, футерованного магнезитовым кирпичом. На своде крепились селитовые нагреватели, свод плоский. Крышку можно было поднимать, не отключая печь для загрузки солей и металла.

Температуру измерили термопарой, разливку произвели через летку в нижней части сегмента в кокили и изложницу из холодно твердеющей смеси (ХТС).

В разогретую до 700oC печь загрузили 4 кг смеси KCl-NaCl в весовом отношении 1: 1, а затем 0,5 кг NaF. Затем при 770oC загрузили 1930 г силумина АЛ9, порциями по 200 - 250 г единовременно.

Лигатуру Al-Cu в количестве 111 г загрузили при 770oC, загрузку возврата АЛ5 (2350 г) проводили в 2 приема при температуре 780oC, после чего температуру снизили до 730oC и провели загрузку 18,2 г Mg. Печь выдержали при 720 - 730oC в течение 20 мин и начали разливку сплава в форму ХТС и кокиль.

Весь опыт продолжался 4 ч; соотношение металла и солей было 1,38:1 по весу.

Химический состав металла: Si - 5,19; Mg - 0,25; Fe - 0,29; Cu - 1,57 (% по весу).

Использованная литература

1. Гребенкин В.С. Институт проблем литья АН УССР. Авт. свид. СССР, кл. C 22 B 9/10 N 608843, з. N 2427543 от 7.12.76, опубл. 16.05.78.

2. Крушенко Г.Г., Мусохранов Ю.М., Ямских И.О., Коркилов А.А., Крушенко С. Г. Красноярск, Институт цветных металлов. Авт. свид. СССР, кл. C 22 C 1/06, N 831840, з. 2831160 от 17.10.79, опубл. 23.05.81.

3. Способ модифицирования силуминов натрием. Заявка ФРГ, кл. C 22 C 21/02, N 2928794, з. от 17.07.79, опубл. 5.02.81.

4. Казанцев Г.Ф., Барбин Н.М., Бродова И.Г., Моисеев Г.К. и др. Патент РФ N 2094514, кл. C 22 C 1/06, C 22 B 9/10, з. от 31.10.95, опубл. 27.10.97. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ получения модифицированных силуминов с использованием флюса из галоидных солей, содержащих эвтектику KCl-NaCl с добавками NaF, включающий загрузку исходной шихты в предварительно нагретый солевой расплав модифицирующей смеси, выдержку полученного расплава под слоем солей с последующим извлечением сплава и повторением цикла, отличающийся тем, что нагрев солевого расплава осуществляют до 770-790oС, в него последовательно загружают исходную шихту и лигатуру на основе алюминия с легирующими, выбранными из группы медь, кремний, титан, цирконий, и выдерживают полученный расплав при этой температуре в течение 10-30 мин, затем температуру снижают до 710-720oС и вводят магнийсодержащую лигатуру.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют исходную шихту, содержащую до 40 мас.% оборотных отходов собственного производства или вторичного силумина.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лигатуру Al-Cu, содержащую 38-40 мас.% меди.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лигатуру Al-Ti, содержащую не менее 2 мас.% титана.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лигатуру Al-Zr, содержащую не более 0,6 мас.% циркония.