ФЛЮС ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2023 года по МПК C22C1/06 C22C21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области металлургии, а именно к флюсам для плавки литейных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано для модифицирования зерна алюминиевых сплавов при получении фасонных отливок различными способами литья, в том числе для способа литья под низким давлением.

Уровень техники

При изготовлении алюминиевых отливок для измельчения зерна широко применяются различные модификаторы. Наиболее широкое применение нашла лигатура Al-5%Ti-1%B, которая по своей структуре представляет алюминиевую матрицу с распределенными в ней включениями боридов титана. При вводе данной лигатуры в алюминиевый расплав она растворяется и высвобождает бориды, которые служат зародышами для формирования зерен при кристаллизации алюминиевых сплавов в литейной форме. При этом чем дисперснее бориды в лигатуре, тем больше их количество и сильнее модифицирующий эффект. В связи с этим оптимальным вариантом считается применение лигатуры Al-5%Ti-1%B в виде катанки. Так при данном способе производства за счет высокой скорости кристаллизации при литье катанки и последующего ее обжатия формируются дисперсные бориды. Тем не менее имеется проблема, связанная с наличием сегрегаций боридов в подобной лигатуре, что ухудшает модифицирующий эффект, и в ряде случаев способно ухудшить пластичность алюминиевых сплавов в отливках. Применение модифицирующих флюсов позволяет обеспечить формирование зародышей непосредственно в самом обрабатываемом расплаве, что особенно эффективно для условий внепечной обработки расплава в ковшах на роторных дегазирующих установках.

Известен материал, отраженный в изобретении «Флюс для рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов» (авторское свидетельство SU № 569633, С22С1/06, опубл. 25.08.1977 г.). Предложенный состав содержит, мас. %: хлористый калий 15-42, хлористый кальций 10-30, фторцирконат калия 5-15, кальций 0,5-2, гексахлорэтан – остальное. Материал может использоваться при получении алюминиевых сплавов.

Среди недостатков предложенного материала следует отметить присутствие в составе флюса токсичного гексахлорэтана. Кроме того, необходимо отметить, присутствие в составе кальция, примесь которого ограничивается в литейных сплавах системы Al-Si, так как его наличие в сплаве ухудшает адгезию лакокрасочных покрытий.

Известен другой материал, отраженный в изобретении «Флюс для обработки литейных алюминиевых сплавов» (авторское свидетельство SU № 311975, С22С21/04, 19.08.1971 г.). Предложенный состав содержит, мас. %: хлористый кадмий 45-50, фторцирконат калия 40-45, борная кислота 5-10.

Основными недостаткам данного состава является присутствие в составе флюса высокотоксичного хлористого кадмия. Так же борная кислота, входящая в состав флюса, при его взаимодействии с алюминиевым расплавом будет насыщать сплав водородом, что создает опасность формирования водородной пористости.

Наиболее близким к предложенному изобретению является материал, раскрытый в изобретении «Способ модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов» (патент RU № 2623966, С22С1/06, С22С21/02, 29.06.2017 г.). Суть изобретения заключается во введении в расплав флюса, содержащего углеродсодержащий материал, титансодержащий материал и карбонат бария, отличающийся тем, что используют титансодержащий материал в виде соли фтортитаната калия, при этом на поверхность алюминиево-кремниевого расплава при температуре 760-770°С в количестве 2-3% от веса плавки равномерным слоем насыпают флюс, выдерживают 2-3 минуты, а затем замешивают в расплав на глубину 10-20 см. Предложенный состав содержит, мас. %: карбонат бария 27-35, фтортитанат калия 50-57, углеродсодержащий материал – остальное.

Среди недостатков предложенного материала следует отметить повышенную температуру обработки расплава, которая составляет 760-770 ℃, и крайне высокий его расход, на уровне 2-3% от массы обрабатываемого расплава.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является создание нового модифицирующего флюса, предназначенного для модифицирования зерна алюминиевых литейных сплавов. Основное применение – модифицирование алюминиевых сплавов для фасонного литья.

Техническим результатом является обеспечение эффективного измельчения зерна в отливках из алюминиевых литейных сплавов, не более 500 мкм при расходе флюса не более 1 кг на тонну расплава.

Технический результат достигается за счет того, что применяется флюс, содержащий калий гексафтортитанат, калий тетрафторборат и калия хлорид, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

калий гексафтортитанат 15 – 25 калий тетрафторборат 7 – 15 калий хлорид и неизбежные примеси остальное.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена типичная структура модифицированного колеса.

Осуществление изобретения

При взаимодействии калий гексафтортитаната с расплавом алюминия происходит восстановление из него титана на поверхности раздела флюс-расплав, который реагирует с бором, в свою очередь образующимся при взаимодействии калия тетрафторбората с алюминиевым расплавом. При взаимодействии титана с бором на поверхности раздела флюс-расплав формируются дисперсные частицы диборида титана, служащие центрами кристаллизации для зерна твердого раствора алюминия. Калия хлорид снижает температуру плавления флюса, что повышает реакционную способность предложенного состава флюса.

Содержания (масс. %) калий гексафтортитаната (15-25), калий тетрафторбората (7-15), калия хлорид (остальное) ограничены в заявленном пределе, который обеспечивает плавление флюса при температуре, не превышающей 670 ℃ и обеспечивает измельчение зерна до размера не более 500 мкм при расходе 1 кг флюса на тонну сплава. При прочих концентрациях температура плавления флюса увеличивается, а его реакционная способность резко ухудшается, что приводит к укрупнению зерна.

Флюс выполнен в виде механической смеси компонентов.

Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной формулой.

Пример конкретного исполнения

ПРИМЕР 1

Для определения модифицирующей способности флюса в индукционной печи выплавляли сплав АК12пч и обрабатывали его путем нанесения флюса на поверхность и замешивания его графитовой мешалкой, расход флюса 0,1% от массы плавки, температура расплава при обработке составляла 690-700 ℃, время обработки 10-15 минут. Кристаллизацию сплава осуществляли в металлическом кокиле для изготовления заготовки для вырезки образцов в соответствии с ГОСТ 1583 с температурой кокиля 400-450 °С. Размер зерна оценивался после травления с помощью оптического микроскопа на поперечном макрошлифе.

Для подтверждения заявленного состава в лабораторных условиях были приготовлены составы флюсов, приведённые в таблице 1. Температуры плавления флюсов приведены в таблице 2, размеры зерна приведены в таблице 3.

Таблица 1 – Состав флюсов, %масс.

№ Калий гексафтортитанат Калий тетрафторборат Калий хлорид Прототип 50-57 27-35 BaCO₃ Углерод-остальное 10,0 5,0 Остальное 15,0 7,0 Остальное 20,0 10,0 Остальное 25,0 15,0 Остальное 30,0 18,0 Остальное

Таблица 2 – Температура плавления флюса

№ T_пл, ℃ Прототип 750-770 718 670 660 657 711

Таблица 3 – Размер зерна

№ Размер зерна, мкм Прототип 1761 Без обработки 3751 930 500 452 391 1142

Из анализа результатов, представленных в таблицах 2 и 3 видно, что составы 2-4 согласно заявленного диапазона обеспечивают требуемую эффективность модифицирования с измельчением зерна до размера не более 500 мкм, благодаря присутствия титансодержащей добавки в виде калий гексафтортитаната, борсодержащей добавки в виде калий тетрафторбората и калия хлорида в необходимом количестве со снижением температуры плавления флюса, что обеспечивает его высокую реакционную способность.

ПРИМЕР 2

Для подтверждения пригодности флюса для сплавов, используемых при литье под низким давлением, были отлиты автомобильные колеса из сплава AlSi11 с обработкой прутковой лигатурой Al-5%Ti-1%B с расходом 1,7 кг на тонну расплава и с обработкой предлагаемым флюсом (состав 3) с расходом 0,8 кг на тонну. Полученные размеры зерна приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Размер зерна

Способ модифицирования Размер зерна в различных зонах колеса, мкм Переход спица-обод Спица Переход спица-ступица Al-5%Ti-1%B 891 1350 1408 Состав 3 443 412 451

Из анализа результатов, представленных в таблице 4 видно, что флюс имеет высокую модифицирующую способность в сравнении с прутковой лигатурой Al-5%Ti-1%B при получении отливок методом литья под низким давлением. Типичная структура модифицированного колеса приведена на фиг. 1.

Изобретение относится к металлургии, а именно к флюсам для плавки литейных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано для модифицирования зерна алюминиевых сплавов при получении фасонных отливок различными способами литья, в том числе для способа литья под низким давлением. Флюс содержит, мас.%: калий гексафтортитанат 15-25, калий тетрафторборат 7-15, калий хлорид и неизбежные примеси - остальное. Обеспечивается измельчение зерна до размера не более 500 мкм при расходе флюса не более 1 кг на тонну расплава. 1 ил., 4 табл., 2 пр.

Флюс для модифицирования алюминиевых сплавов, отличающийся тем, что он содержит калий гексафтортитанат, калий тетрафторборат, калий хлорид и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

калий гексафтортитанат 15-25 калий тетрафторборат 7-15 калий хлорид и неизбежные примеси остальное