Способ получения гранул магниевых сплавов Российский патент 2017 года по МПК B22F9/10 C22B26/22 C22C24/00 

Способ получения гранул магниевых сплавов

Изобретение относится к металлургии легких сплавов, к области литья магниевых сплавов. Магниевые сплавы отличаются высокой химической активностью в жидком состоянии при взаимодействии с кислородом и влагой атмосферы, поэтому операции плавления, перелива расплава, гранулирования требуют защиты от окисления с помощью флюса, использования специальной защитной газовой среды, специальной охлаждающей среды или комбинации методов защиты.

Известен способ - аналог получения гранул магниевых сплавов по патенту РФ №2232066 «Способ получения гранул магния или магниевых сплавов». В нем производство гранул из магниевых сплавов осуществляется путем распыления жидкого расплава через отверстия вращающегося перфорированного стакана-распылителя, где охлаждающей средой является газообразный азот. В качестве защитной среды стакан-распылитель при подаче жидкого расплава подают жидкий флюс на основе карналлита (MgCl₂+KCl+CaF₂+BaCl₂) для получения защитной солевой оболочки на поверхности гранул. При этом получают гранулы правильной сферической формы, наличие солевой защитной пленки делает безопасными их дальнейшее использование, транспортировку и длительное хранение.

Недостатком данного способа является то, что наряду с гранулами магниевых сплавов, покрытыми солевой оболочкой, образуются гранулы карналлита (соли шпинельного типа), что приводит к образованию так называемой «флюсовой» (межкристаллитной) коррозии в изделиях из гранул магниевых сплавов. Кроме того, солевая прослойка ухудшает условия межгранульного взаимодействия, затрудняет проведение деформационного процесса.

Наиболее близким к предлагаемому способу является прототип - Способ получения гранул магниевых сплавов, включающий распыление жидкого расплава магниевого сплава в защитной газовой среде с помощью вращающегося стакана - распылителя (патент РФ №2489229).

Недостатками настоящего способа являются:

- сама по себе защитная среда на основе гелия - чрезвычайно дорога;

- аппаратная реализация гелиевой защиты крайне затрудняется из-за его незначительной плотности по отношению к воздушной среде;

- использование в качестве охлаждающей среды добавок фреона, содержащего хлор, делает производство гранул магниевых сплавов чрезвычайно вредным экологически;

- использование газовой среды для охлаждения кристаллизующихся жидких капель магния или магниевых сплавов позволяет достигнуть скорости охлаждения при кристаллизации только 100-500 градусов Цельсия в секунду, что ограничивает возможность дополнительного легирования магниевых сплавов и/или получения сверхмелкозернистой ячеистой структуры в гранулах магния и магниевых сплавов.

Задачей настоящего изобретения является способа получения гранул из магния или магниевых сплавов, являющегося:

1. значительно более дешевым по стоимости применяемых материалов;

2. экологически безопасным для работников и окружающей среды;

3. позволяющим получить более высокие механические свойства на полуфабрикатах из магния и магниевых сплавов, в том числе и за счет увеличения степени легирования сплава.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что распыление ведут в защитной газовой среде, расположенной между поверхностью стакана-распылителя и охлаждающей средой, при этом в качестве защитной среды используют газообразный азот с точкой росы не более минус 50 градусов по Цельсию, а в качестве охлаждающей среды используется 4-6-процентный щелочной водный раствор КОН. В качестве именно защитной среды, расположенной между поверхностью стакана-распылителя и охлаждающей средой, используется газообразный азот с точкой росы не более минус 50 градусов по Цельсию, который, находясь в промежутке между поверхностью стакана-распылителя и охлаждающей средой, с одной стороны, не дает возможности окисляться гранулам - шарикам жидкого металла из магния из магниевых сплавов вплоть до достижения охлаждающей среды, а с другой стороны, не успевает стать охлаждающей средой для них. Использование в качестве охлаждающей среды 4-6 процентного щелочного водного раствора КОН, с одной стороны, обеспечивает скорость охлаждения при кристаллизации гранул- шариков жидких магния или магниевых сплавов на уровне 1000-5000 градусов Цельсия в секунду, что позволяет получить субмелкозернистую структуру в гранулах, увеличить степень легирования сплава и, таким образом, дополнительно повысить уровень механических свойств полуфабрикатов из магниевых сплавов. С другой стороны, незначительное содержание щелочи в водном растворе позволяет избежать так называемой «флюсовой»(межкристаллитной) коррозии в полуфабрикатах из магния или магниевых сплавов. Отказ от использования гелия делает процесс получения гранул из магниевых сплавов существенно более экономичным, а отказ от применения фреонов в составе охлаждающей среды делает предлагаемый способ экологически безопасным в отличие от способа-прототипа.

Пример реализации предлагаемого способа

Сравнительные испытания проводили на прутках из магниевого сплава AZ 31 и МА12. Для экспериментов был выплавлен мастер-сплав AZ 31 с химическим составом, включающим 3.1% алюминия, 0.8% марганца, 1.2% цинка, примеси в сумме составили 0.36%, основа сплава - магний и мастер-сплав МА12 с химическим составом, включающим 0,6% циркония, 3,1% неодима, основа сплава - магний, примеси в пределах допусков по ГОСТ 14957-76. Для исследований возможности увеличения степени легирования сплава вышеописанный мастер-сплав был дополнительно легирован 1.5% алюминия и 1.5% цинка, таким образом, состав сплава с повышенным легированием содержал 4.6% алюминия, 0.8% марганца, 2.7% цинка, примеси в сумме составили 0.36%, основа сплава - магний. Мастер-сплав МА12 был дополнительно легирован 0,6% циркония, что в сумме составило 1,2% циркония в сплаве. Гранулы отлили из мастер-сплава AZ 31 и МА12 по технологии предлагаемого способа и технологии прототипа, по технологии предлагаемого способа были отлиты гранулы из мастер-сплава AZ 31, дополнительно легированного 1.5% алюминия и 1.5% цинка, и мастер-сплава МА12, дополнительно легированного 0,6% циркония. Далее все шесть групп гранул были засыпаны в капсулы, дегазированы в капсулах. На гидравлическом прессе в контейнере с «глухой» матрицей из них были получены компактные заготовки, которые были обточены для того, чтобы удалить материал капсул. Далее из обточенных заготовок на гидравлическом прессе экструзией были получены прутки диаметром 50 мм, из которых были вырезаны образцы для испытаний механических свойств. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 1.

По результатам сравнительных испытаний механических свойств прутков из гранул исследуемых сплавов было установлено, что по всем исследуемым параметрам по сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ обладает существенными преимуществами, а именно увеличивает предел прочности на 10% (мастер-сплав AZ31) (приведенные проценты здесь и далее определяются как соотношение между двумя числами, умноженное на 100), увеличивает предел текучести на 13% (мастер-сплав AZ31), относительное удлинение увеличивает на 27% (мастер-сплав AZ31), а также позволяет увеличить содержание основных легирующих элементов в сплаве AZ31, а именно алюминия и цинка, каждого на 1.5%, что позволило существенно увеличить механические свойства прутков: предела прочности - на 14%, предела текучести - на 25%, относительное удлинение - на 55%, по сравнению со способом-прототипом.

Аналогичные результаты были получены и на прутках из сплава МА12 (мастер-сплава и мастер-сплава, дополнительно легированного цирконием). Так, испытания механических свойств прутков из мастер-сплава МА12, произведенных по технологи способа-прототипа и предлагаемого способа, показали результаты: предел прочности увеличился на 11%, предел текучести увеличился на 14%, относительное удлинение увеличилось на 18%. Свойства прутков, изготовленных по технологии предлагаемого способа, из мастер-сплава МА12, дополнительно легированного 0,6% циркония, оказались еще выше по сравнению со свойствами прутков, изготовленных по технологии способа-прототипа: предел прочности увеличился на 20%. предел текучести увеличился на 25%, относительное удлинение увеличилось на 44%.

Таким образом, применение предлагаемого способа не только позволило увеличить уровень механических свойств магниевых сплавов, но за счет дополнительного легирования еще более увеличить их, так как, применяя способ-прототип, такое дополнительное легирование реализовать невозможно из-за недостаточной скорости охлаждения жидких капель магниевых расплавов при их кристаллизации и превращении в твердые гранулы в охлаждающей среде.

Отказ от использования гелия с ценой 1200 рублей за 0.8 кубического метра в пользу азота с ценой 190 рублей за 0.8 кубического метра при равном расходе газа в процессе получения гранул делает процесс получения гранул из магниевых экономичным в 6.3 раза, а отказ от применения фреонов в составе охлаждающей среды делает предлагаемый способ экологически безопасным в отличие от способа-прототипа.

Изобретение относится к получению гранул магниевых сплавов. Способ включает распыление жидкого расплава магниевого сплава в защитной газовой среде с помощью вращающегося стакана-распылителя. Распыление ведут в защитной газовой среде, расположенной между поверхностью стакана-распылителя и охлаждающей средой. В качестве защитной среды используют газообразный азот с точкой росы не более минус 50 °C, а в качестве охлаждающей среды используют 4-6-процентный щелочной водный раствор КОН. Обеспечивается повышение механических свойств магниевых сплавов. 1 табл., 1 пр.

Способ получения гранул магниевых сплавов, включающий распыление жидкого расплава магниевого сплава в защитной газовой среде с помощью вращающегося стакана-распылителя, отличающийся тем, что распыление ведут в защитной газовой среде, расположенной между поверхностью стакана-распылителя и охлаждающей средой, при этом в качестве защитной среды используют газообразный азот с точкой росы не более минус 50 °C, а в качестве охлаждающей среды используют 4-6-процентный щелочной водный раствор КОН.