СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТУГОПЛАВКИЙ МЕТАЛЛ Российский патент 2004 года по МПК C22C21/00 C22C1/03 C22F3/00 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при приготовлении лигатур алюминий - тугоплавкие металлы для выплавки литейных алюминиевых сплавов и получении из них точных отливок.

В настоящее время из алюминиевых сплавов в процессах литья широко используются силумины. Учитывая, что эти сплавы являются эвтектическими, они обладают достаточно высокими литейными свойствами (повышенная жидкотекучесть, склонность к образованию концентрированной усадочной раковины и др.). Однако, для них характерны относительно низкие прочностные и пластические характеристики, в особенности при повышенных температурах эксплуатации литых деталей в современном машиностроении, развитие которого объективно повышает требования к точному литью.

Одним из эффективных направлений создания высокопрочных силуминов является их легирование тугоплавкими металлами (элементы переходных групп: молибден, вольфрам, скандий, титан, медь, цирконий и др.) /1, с.16, 17/. Указанный процесс осложняется низкой растворимостью легирующих элементов, их высокими температурами плавления и относительно низкой температурой кипения алюминия. В известных высокопрочных литейных алюминиевых сплавах наибольшее распространение нашли титан, цирконий, скандий. Использование более тугоплавких металлов, например таких как молибден, вольфрам, представляется проблематичным. Поэтому идут по пути предварительного приготовления лигатур с использованием химических соединений тугоплавких металлов. Однако и в этом случае подготовка лигатуры алюминий - тугоплавкий металл характеризуется высокими температурой перегрева, испаряемостью, низкой растворимостью и неравномерностью распределения легирующих элементов.

Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл, включающий обработку алюминиевого расплава солью тугоплавкого металла /3, с.85...87/.

Известное техническое решение обеспечивает возможность легирования алюминия скандием, титаном, цирконием. В результате измельчается зерно и повышается качество литейных алюминиевых сплавов. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- высокие температуры перегрева алюминия для его легирования тугоплавкими металлами, длительность указанного процесса обеспечивает возрастание потерь матричного металла за счет его испарения, увеличивает энергоемкость подготовки расплава;

- низкая растворимость тугоплавких металлов в алюминии приводит к неравномерности их распределения в объеме расплава и вызывает анизотропию свойств получаемых литых заготовок;

- применяемое в способе прототипа легирование тугоплавкими металлами приводит к значительному снижению литейных свойств получаемых с использованием лигатур силуминов, в том числе жидкотекучести их расплавов, что ухудшает качество точного литья;

- неудовлетворительная растворимость и крайняя неравномерность распределения тугоплавких легирующих компонентов в алюминии не обеспечивают существенного улучшения физико-механических характеристик соответствующих лигатур и выплавленных с их применением силуминов для производства тонкостенных сложнопрофильных отливок ответственного назначения в машиностроении.

В основу изобретения положена задача создать такой способ приготовления лигатур алюминий - тугоплавкие металлы, который обеспечил бы снижение температуры и продолжительности их подготовки, увеличение жаростойкости, прочностных и пластических характеристик, а также жидкотекучести сплавов путем повышения растворимости и равномерности распределения тугоплавких легирующих элементов в матрице, измельчение ее микроструктуры, обеспечивающих улучшенный комплекс литейных и физико-механических свойств силуминов и получаемых из них точных отливок.

Указанная задача решается таким образом, что в способе приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл, включающем обработку алюминиевого расплава солью тугоплавкого металла, согласно изобретению обработку расплава осуществляют галогенидом тугоплавкого металла при одновременном воздействии наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1000...1500 МВт/м³.

Обработка алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла с одновременным воздействием наносекундными электромагнитными импульсами обеспечивает электрофизическую активацию взаимодействия указанных компонентов, что приводит к ускоренному выделению продукта реакции - атомарного тугоплавкого металла при более низких температурах перегрева алюминия. “Передача” в поле НЭМИ избыточной энергии атомам тугоплавкого металла создает условия для резкого повышения его растворимости и равномерного распределения в алюминии.

Воздействие НЭМИ на рассматриваемую систему с удельной мощностью 1000...1500 МВт/м³ вызывает образование локальных импульсных электромагнитных полей высокой напряженности, частично разрушающих кластеры расплава и, тем самым, существенно увеличивающих его жидкотекучесть. Тугоплавкие легирующие элементы оказывают модифицирующее воздействие, вызывая диспергирование микроструктуры алюминиевого сплава. Выделяющийся при химическом взаимодействии алюминия с галогенидом тугоплавкого металла галогенид алюминия в газообразном состоянии создает условия для эффективного рафинирования расплава.

Использование приготовленной таким образом лигатуры алюминий - тугоплавкий металл обеспечивает получение силуминов с комплексом высоких как литейных, так и физико-механических и служебных свойств. Это повышает качество изготовления тонкостенных сложнопрофильных отливок методами точного литья для нужд современного машиностроения.

Предлагаемый способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл осуществляют следующим образом.

Расплавляют в печи сопротивления в металлическом футерованном тигле технический алюминий и перегревают его до температур 750...800°С. Вводят в алюминиевый расплав способом “колокольчика” галогенид тугоплавкого металла, в качестве которого могут быть использованы хлориды или фториды молибдена, вольфрама, титана, циркония, хрома (металлы переходных групп таблицы химических элементов Д.И.Менделеева). При этом “колокольчик” и тигель предварительно подсоединяют к генератору НЭМИ /3/. Затем осуществляют обработку алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла при одновременном воздействии НЭМИ с удельной мощностью 1000...1500 МВт/м³. Продолжительность обработки 15...20 мин. По ее окончании разливают подготовленную лигатуру алюминий - тугоплавкий металл в чушки и используют для получения силуминов и точного литья.

Оптимальность диапазона значений удельной мощности НЭМИ 1000...1500 МВт/м³ при обработке алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла диктуется возможностью достижения при этих параметрах существенного повышения растворимости и равномерности распределения тугоплавких легирующих элементов в матрице, измельчения ее микроструктуры, обеспечивающих улучшенный комплекс литейных и физико-механических свойств силуминов и получаемых из них точных отливок.

При мощности НЭМИ меньше чем 1000 Вт/м³ изменение свойств лигатуры алюминий - тугоплавкий металл незначительно. Поэтому положительные эффекты при ее использовании в точном литье силуминов выражаются слабо. При удельной мощности НЭМИ более чем 1500 Вт/м³ начинает проявляться тенденция к укрупнению интерметаллидов (алюминий - тугоплавкий металл), что вызывает некоторое ухудшение физико-механических характеристик указанной лигатуры и получаемых с ее применением силуминов и точных отливок. Кроме того, воздействие НЭМИ с удельной мощностью больше чем 1500 МВт/м³ нецелесообразно по причине возрастания энергетических затрат.

Предлагаемый способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Плавку проводят в шахтной печи типа СШОЛ в стальном тигле, покрытом огнеупорной краской на основе электрокорунда. Расплавляют технический алюминий марки А85 массой 5 кг и перегревают его до 750°С. Температуру контролируют по показаниям платино-платинородиевой термопары, встроенной в печь, и дополнительно хромель-алюмелевой термопарой непосредственно в расплаве. В “колокольчик” помещают в алюминиевой фольге порошок MoCl₅ из расчета получения в сплаве 2 мас.% Мо. Опорная часть “колокольчика” представляет собой кварцевую трубку, внутри которой устанавливается латунный стержень, подсоединенный совместно с тиглем к генератору НЭМИ /3/. “Колокольчик” опускают в расплавленный алюминий и осуществляют его обработку MoCl₅ при воздействии НЭМИ в течение 20 минут. В ходе испытаний варьируют удельную мощность НЭМИ: 1000; 1300; 1500 Вт/м³.

Влияние обработки расплава алюминия MoCl₅ при воздействии НЭМИ на свойства лигатуры Аl - 2% Мо представлено в табл. 1.

Жидкотекучесть расплавов определена при 700°С по спиральной пробе (ГОСТ 1643 - 70), значения прочностных и пластических характеристик алюминиевых сплавов получены на отдельно отлитых в песчано-глинистых формах образцах в соответствии с ГОСТ 1497 - 73.

Форма, средний размер и распределение интерметаллидных включений в алюминиевой матрице зафиксированы с использованием оптического микроскопа (МИМ-8), а также методом растровой электронной микроскопии (растровые электронные микроскопы РЭМ-200. РЭМ-100У).

Подготовленные лигатуры применены для выплавки силуминов АК7, дополнительно легированных 0,5...1,0 мас.% Мо. Влияние способов приготовления лигатур Аl - Мо (прототип и разработанный вариант) на свойства силуминов представлено в табл.2. Значения показателей по разработанному способу приведены при обработке расплавленного алюминия хлоридом молибдена с удельной мощностью НЭМИ 1300 МВт/м³.

Аналогичные результаты получены при обработке хлоридом вольфрама расплавленного алюминия при воздействии на него НЭМИ с удельной мощностью 1000...1500 Вт/м³.

Представленные данные свидетельствуют о том, что обработка алюминиевого расплава хлоридом молибдена при воздействии НЭМИ позволяет за счет электроимпульсной активации восстановления алюминием молибдена из его галогенида и увеличения растворимости этого тугоплавкого металла в матрице значительно уменьшить температуру и продолжительность приготовления лигатуры Аl - Мо, обеспечить повышение более чем в 1,5 раза жидкотекучесть алюминиевого расплава. При этом воздействие НЭМИ вызывает глубокую “перестройку” микроструктуры образующихся интерметаллидных соединений (Al₂Mo, Аl₃Мо). В частности, в поле НЭМИ происходит диспергирование крупных (90...100 мкм) интерметаллидов, имеющих форму развитых многогранников. В результате, как показывают проведенные методами оптической и растровой электронной микроскопии исследования микроструктур, при электроимпульсном воздействии высокой мощности образуются компактные глобулярные интерметаллидные включения размером 5...8 мкм. Это во многом определяет увеличение более чем в 2,5 раза пластических свойств и повышение на 60...70% прочностных характеристик указанных лигатур и получаемых с их использованием силуминов и точных отливок.

Аналогичные результаты получены при легировании силумина АК7 вольфрамом (0,5...1,0 мас.%) с использованием лигатуры Al - 2% W, приготовленной по разработанному способу.

Пример 2. Осуществляют обработку расплавленного алюминия галогенидом титана в виде иодида титана (TiI₄) при воздействии НЭМИ. Способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл в этом случае аналогичен представленному в примере 1, но количество TiI₄ дается из расчета получения в сплаве 4 мас.% Ti. В ходе испытаний также варьируют удельную мощность НЭМИ: 1000; 1300; 1500 Вт/м³. Влияние обработки расплава алюминия TiI₄ при воздействии НЭМИ на свойства лигатуры Аl - 4% Ti представлено в табл.3. Аналогичные результаты получены при обработке иодидом циркония расплавленного алюминия при воздействии на него НЭМИ с удельной мощностью 1000...1500 Вт/м³.

Подготовленные лигатуры применены для выплавки силуминов АК5М (ГОСТ 1583-93), дополнительно легированных 2,5...3,0 мас.% Ti. Влияние разработанного способа приготовления лигатуры Аl - 4% Ti на свойства силуминов по сравнению с прототипом представлено в табл.4.

Значения показателей по разработанному способу приведены при обработке расплавленного алюминия иодидом титана с удельной мощностью НЭМИ 1300 МВт/м³.

Аналогичные результаты получены при легировании силумина АК5М цирконием (2,5...3,0 мас.%) с использованием лигатуры Al - 4% Zr, приготовленной по разработанному способу.

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает увеличение более чем на 80% жидкотекучести расплава, улучшение физико-механических свойств лигатур Аl - Ti, Al - Zr при значительном сокращении продолжительности и температуры их приготовления. При этом обработка в поле НЭМИ расплавленного алюминия иодидами титана или циркония вызывает переход от крупной (200...300 мкм) пластинчатой (игольчатой) формы интерметаллидов (Аl₃Тi, Al₃Zr), пронизывающих зерна матрицы и “ослабляющих” ее, к сильно диспергированным компактным включениям Аl₃Тi, Al₃Zr со средним размером 3...5 мкм. Такая микроструктура создает условия для усиления модифицирующего эффекта Ti, Zr при выплавке с использованием приготовленных по разработанному способу лигатур силуминов. Это обеспечивает повышение их пластических свойств более чем в 3,0 раза, увеличение на 50...60% прочностных характеристик указанных алюминиевых сплавов, в особенности при повышенных температурах.

Заявленный способ опробован при изготовлении литьем по вытяжным резиновым моделям в высокопористые формы на гипсовом связующем алюминиевых колес компрессоров двигателей внутреннего сгорания. Отмечено улучшение качества этих точных отливок ответственного назначения.

Учитывая повышенный комплекс физико-механических и литейных свойств, заявленный способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл может быть использован в точном литье из алюминиевых сплавов для нужд машиностроения, приборостроения, аэрокосмического комплекса.

Список литературы

1. Колобнев И.Ф., Крымов В.В., Мельников А.В. Справочник литейщика. Цветное литье легких сплавов. - М.: Машиностроение, 1974. - 416 с.

2. Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях. Коллективная монография. / Под ред. М.Е.Дрица. - М.: Наука, 1973. - 215 с. (прототип).

3. Патент РФ №2030097, МКИ Н 03 К 3/33, К 3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов. / Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при приготовлении лигатур алюминий - тугоплавкие металлы для выплавки литейных алюминиевых сплавов и получения из них точных отливок. Способ включает обработку алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла при одновременном воздействии наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1000-1500 МВт/м³. Изобретение позволяет увеличить жаростойкость, прочностные и пластические характеристики получаемых лигатур, а также их жидкотекучесть путем повышения растворимости и равномерности распределения тугоплавких легирующих элементов в матрице, измельчения ее микроструктуры. Использование тугоплавких лигатур обеспечивает улучшенный комплекс литейных и физико-механических свойств силуминов и получаемых из них точных отливок. 4 табл.

Способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл, включающий обработку алюминиевого расплава солью тугоплавкого металла, отличающийся тем, что обработку расплава осуществляют галогенидом тугоплавкого металла при одновременном воздействии наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1000-1500 МВт/м³.