МОДИФИКАТОР АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЖЕЛЕЗО И КРЕМНИЙ Российский патент 2024 года по МПК C22C1/03 C22C21/00 

Изобретение относится к металлургии алюминия и может быть использовано для модифицирования алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний.

Первые патенты о тройной лигатуре Al-Ti-B были получены специалистами голландской фирмы «Кавекки» в патентах № 802701 (Англия), 1957 г. и № 395549, № 395550 (Швейцария), 1965 г. Данные модификаторы находят широкое применение в алюминиевом производстве при изготовлении различных отливок.

Известен модификатор системы Al-Ti-B, содержащий железо и кремний, химический состав которого соответствует ГОСТ 53777-2010. Лигатуры алюминиевые: технические условия. - М.: Стандартинформ, 2012, и представлен в табл. 1.

Таблица 1 - Состав основных легирующих элементов в лигатуре Al-5Ti-1B по ГОСТ 53777-2010

Марка лигатуры Массовая доля, % В Ti Fe Si V Прочие элементы Каждый Сумма А1-5Ti-1В 0,9-1,1 4,5-5,5 <0,3 <0,2 <0,15 <0,04 <0,1

Максимальный эффект для измельчения структуры алюминиевых сплавов достигается при расходе данного модификатора в среднем 2 кг на тонну расплава, а дальнейшее увеличение расхода лигатуры не дает заметного дополнительного эффекта модифицирования. Одним из методов дальнейшего повышения эффективности модифицирования алюминия и его сплавов с помощью известных лигатур является использование комплексных добавок [Напалков, В.И. Легирование и модифицирование алюминия и магния / В.И. Напалков, С.В. Махов. - М.: МИСИС, 2002. - 376 с.]. Известный модификатор принимаем за прототип.

Следует отметить, что железо и кремний в силу особенностей алюминиевого производства являются постоянными элементами в техническом алюминии, а также являются легирующими элементами в ряде алюминиевых сплавов, в том числе 1ХХХ, 3ХХХ серий (табл. 2).

Таблица 2 - Химический состав алюминиевых сплавов1ХХХ, 3ХХХ серий, содержащих железо и кремний

Марка Массовая доля, % Al Fe Si Ti Mn Cu Mg Zn Сумма прочих примесей 1050 основа <0,7 <0,25 <0,03 <0,05 < 0,05 < 0,05 <0,05 <0,03 3003 <0,6 1,0-1,5 0,05-0,2 - <0,1 <0,05 3004 <0,3 <0,25 0,8-1,3 <0,25 3005 <0,6 <0,30 0,2-0,6

Следует отметить, что пределы содержания железа и кремния составляют: железа - не более 0,7 %, а кремния - не более 0,6 %.

Известный модификатор недостаточно эффективен для алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний.

Основной задачей изобретения является повышение эффективности модифицирования алюминия и его сплавов, содержащих железо и кремний. Поставленная задача достигается тем, что модификатор алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний, содержащий алюминий, титан, бор, железо и кремний, дополнительно содержит иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

титан 4,5-5,5 бор 0,9-1,1 железо не более 0,7 кремний определяется из соотношения Fe≥3,5Si иттрий до 0,1 алюминий остальное

Заявляемый модификатор по сравнению с прототипом характеризуется отличительными признаками: кремний - определяется из соотношения Fe≥3,5Si и дополнительно содержит иттрий - до 0,1 мас. %, что позволит повысить эффективность модифицирования алюминия и его сплавов, содержащих железо и кремний.

Техническая сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. При соотношении Fe/Si≥3,5 в тройной системе Al-Fe-Si происходит образование равновесной стабильной фазы в виде эвтектики (α+Al₃Fe), что способствует образованию однородной и мелкозернистой структуры в объеме слитка, при этом размер дендритной ячейки составляет не более 8,0 мкм. Добавка Y препятствуют скоплению интерметаллидов ТiB₂ и образованию Al₃Тi и Al₃Fe в грубой иглообразной форме. Все это приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации и измельчению структуры [Напалков, В.И. Модифицирование алюминиевых сплавов / В.И. Напалков, С.В. Махов, А.В. Поздняков; под ред. д-ра техн. наук В.И. Напалкова. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2017. - 348 с.]. Максимальное содержание железа 0,7 мас. % ограничено в сплавах 1ХХХ, 3ХХХ серий, поэтому предельное содержание кремния составит не более 0,2 мас. %. При увеличении содержания железа свыше 0,7 мас. % и иттрия - свыше 0,1 мас. % происходит повышение прочности, но пластические характеристики резко снижаются, что является особенно важным при производстве длинномерных деформированных полуфабрикатов (катанки, прутков, проволоки, фольги), при этом быстрое упрочнение металла приводит к обрывам изделий и многочисленным остановкам технологического процесса.

Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует причинно-следственная связь - регламентируемое содержание железа, кремния и иттрия в модификаторе позволит повысить эффективность модифицирования для алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний, особенно для сплавов 1ХХХ, 3ХХХ серий.

Для проведения сравнительных исследований предложенного модификатора с известными были приготовлены модификаторы с различным содержанием железа и кремния для модифицирования сплава 3004. Химические составы модификаторов представлены в табл. 3.

Таблица 3 - Химический состав исследуемых модификаторов

Модификатор Fe/Si Содержание компонентов, мас. % Ti B V Y Fe Si Al Предложенный Fe/Si≥3,5 3,5 5,0 1,0 - 0,1 0,70 0,20 основа Fe/Si<3,5 2,5 - - 0,50 0,20 Прототип 1,4 0,15 - 0,26 0,18

Расход модификатора принимался равным из расчета 2,0 кг/т (0,2%). Оценку модифицирующей способности исследуемых модификаторов проводили по стандартной процедуре исследования модификаторов для алюминиевых сплавов ТР-1, утвержденной Американской алюминиевой ассоциацией [Standard Test Procedure for Aluminum Alloy Grain Refiners: TP-1. The Aluminum Association Inc. - Washington, DC, 2012].

Макро- и микроструктуру образцов лигатур изучали с применением сканера и стереоскопического микроскопа Stemi 2000-С, Carl Zeiss. Размер зерна определяли методом линейного анализа (по методу секущих). Результаты исследований представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Изменение размера зерна и макроструктуры алюминиевого сплава марки 8011

Марка лигатуры Без модификатора Предложенный Fe/Si≥3,5 Fe/Si<3,5 Прототип Средний размер зерна, мкм 324 132 141 144 Уменьшение размера зерна в количество раз - 2,45 2,28 2,25

Результаты сравнительной оценки показали, что предлагаемый модификатор по сравнению с известными позволяет максимально уменьшить средний размер зерна, то есть имеет наибольшую модифицирующую способность, уменьшая размер зерна более чем в 2,45 раза.

Таким образом, применение предлагаемого модификатора по сравнению с известными позволяет повысить эффективность модифицирования алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний.

Изобретение относится к металлургии алюминия и может быть использовано для модифицирования алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний. Модификатор на основе лигатуры алюминий-титан-бор, содержащий следующие компоненты, мас.%: титан 4,5-5,5, бор 0,9-1,1, железо - не более 0,7, кремний, концентрация которого определяется из соотношения Fe≥3,5Si, иттрий - до 0,1 и алюминий - остальное. Повышает эффективность модифицирования и способствует образованию однородной и мелкозернистой структуры в объеме слитка. 4 ил., 4 табл.

Модификатор алюминиевых сплавов, содержащих железо и кремний, содержащий алюминий, титан, бор, железо и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

титан 4,5-5,5 бор 0,9-1,1 железо не более 0,7 кремний определяется из соотношения Fe≥3,5Si иттрий до 0,1 алюминий остальное