МОДИФИКАТОР АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2024 года по МПК C22C1/03 C22C21/00 

Изобретение относится к металлургии алюминия, в частности к модификаторам алюминия и его сплавов и может быть использовано для измельчения структуры слитков из алюминия и его сплавов.

Известен многокомпонентный сплав на основе алюминия, содержащий компоненты при следующем их соотношении, мас. %: медь 0,5-0,85; марганец 0,5-0,95; бор 0,02-0,15; цирконий 0,1-0,5; скандий 0,02-0,15; железо 0,01-0,3; кремний 0,01-0,15, неизбежные примеси 0-0,1, из них каждого 0-0,03, алюминий - остальное [Патент № 2556179 Российская Федерация, МПК C22C 21/12. (54) Термостойкий электропроводный сплав на основе алюминия (варианты) и способ получения деформированного полуфабриката из сплава на основе алюминия / Гречников Ф.В., Попов И.П., Гольдбухт Г.Е. [и др.] - № 2013128208/02, заявл. 18.06.2013; опубл. 10.07.2015 Бюл. № 19].

Данный алюминиевый сплав со скандием и бором имеет сложный химический состав, обладает высокими эксплуатационными свойствами, но его невозможно применять в качестве модификатора для алюминиевых сплавов.

Известен бинарный сплав алюминий-скандий Al-Sc, изготавливаемый согласно ГОСТ Р 53777-2010 [Лигатуры алюминиевые: технические условия. - М.: Стандартинформ, 2012 - 18 c], химический состав которого представлен в табл. 1, где алюминий - основа.

Таблица 1 - Химический состав основных элементов в сплавах Al-Sc по ГОСТ Р 53777-2010

Марка лигатуры Массовая доля, % Sc Примеси Si/ Fe Cu/Ca Mn/Mg F Прочие элементы Каждый Сумма AlSc5 4,7-5,3 0,05/0,05 0,01/0,01 0,01/0,1 0,01 0,04 0,1

Данное изобретение принимаем за прототип. Применение сплава AlSc5 ограниченно, его применяют только при легировании алюминиевых сплавов, а его использование при модифицировании неэффективно, так как алюминиды скандия Al₃Sc, образующиеся в расплаве, практически не обладают модифицирующей способностью.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности модифицирования алюминия и его сплавов.

Поставленная задача достигается тем, что модификатор алюминиевых сплавов, содержащий алюминий, скандий и бор, дополнительно содержит по иттрий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

скандий 4,1-4,2;

бор 0,95-1,05;

иттрий до 0,1;

алюминий - остальное.

Заявляемый модификатор отличается от прототипа как количественно: содержит пониженное содержание скандия, так и качественно: дополнительно содержит В и Y.

Техническая сущность заявляемого технического решения заключается в следующем. Предлагаемый модификатор при кристаллизации алюминиевого расплава выделяется в виде интерметаллических соединений - алюминида скандия Al₃Sc и диборида скандия ScB₂. Частицы ScB₂ имеют размер не более 2-4 мкм и равномерно распределяются по объему слитка, не образуя скоплений по границам зерен α-твердого раствора, поэтому активно участвуют в образовании мелких зерен, чем более крупные частицы Al₃Sc размерами. Добавки элемента Y до 0,1% препятствуют скоплению интерметаллидов ScB₂ и Al₃Sc в грубой иглообразной форме, но их избыток свыше 0,1 % приводит к снижению пластичности. Все это в совокупности позволит эффективно провести модифицирование структуры слитка.

Выбор процентного содержания элементов Sc и B в модификаторе основан на результатах научных исследований авторов. Оптимальное соотношение Sc к B в молях будет равно 1:1 или в мас. % соотношении: 44,95:10,81=4,16:1. При содержании в модификаторе скандия более 4,2% и бора более 1,1% возможно образование крупных первичных частиц фазы Al₃Sc, обладающих низкой модифицирующей способностью и снижающих технологические и эксплуатационные свойства модификатора. При меньшем содержании скандия - менее 4,0% и бора менее 1,1% возможно снижение количества интерметаллидных частиц ScB₂ и, как следствие, снижение модифицирующей способности модификатора.

Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует причинно-следственная связь - предлагаемый модификатор позволит повысить эффективность модифицирования алюминия и его сплавов с помощью скандия и бора.

Для сравнительной оценки прототипа и предлагаемого изобретения выполнено сравнение исследуемых модификаторов при модифицировании расплава алюминия марки А85.

Химические состава исследуемых модификаторов представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Химический состав исследуемых лигатур

Модификатор Расход
по Sc,
мас.% Содержание компонентов, мас.% Sc B Y Al Предложенный 0,1 4,15 1,0 0,1 ост Прототип 5,0 - -

Сравнительные испытания модифицирующей способности данных модификаторов проводили в лабораторных условиях, при этом плавление, снятие шлака, введение модификатора, перемешивание, выдержка расплава, разливка и другие операции осуществляли в одинаковых температурно-временных условиях. Оценку модифицирующей способности проводили по стандартной процедуре исследования модификаторов для алюминиевых сплавов ТР-1 [Standard Test Procedure for Aluminum Alloy Grain Refiners: TP-1. The Aluminum Association Inc. - Washington, DC, 2012]

Макроструктуру модифицированных образцов изучали с применением сканера и стереоскопического микроскопа Stemi 2000-С, Carl Zeiss. Размер зерна определяли методом линейного анализа (по методу секущих).

Влияние модификаторов на макроструктуры алюминия марки А85 представлено на фиг. 1-3.

Средний размер зерна макроструктуры образца алюминия марки А85 без применения модификатора, представленной на фиг. 1, составляет 346 мкм.

Результаты исследований макроструктуры алюминия марки А85 с использованием модификатора по прототипу, представленной на фиг. 2 показали, что средний размер зерна образца равен 112 мкм и уменьшился в 3,1 раза по сравнению с размером зерна образца без применения модификатора.

Средний размер зерна макроструктуры образца алюминия марки А85 с применением предлагаемой лигатуры алюминий-скандий-бор, приведенной на фиг. 3, составляет 64 мкм, при этом размер зерна образца уменьшился в 5,4 раза по сравнению с размером зерна без применения модификатора.

Результаты сравнительной оценки показали, что предлагаемая лигатура по сравнению с известными имеет большую модифицирующую способность, уменьшая размер зерна более чем в 1,75 раза.

Таким образом, применение предлагаемого модификатора по сравнению с известными позволяет повысить эффективность модифицирования алюминия и его сплавов.

Изобретение относится к металлургии алюминия, в частности к модификаторам алюминиевых сплавов. Модификатор алюминиевых сплавов содержит, мас.%: скандий 4,1-4,2, бор 0,95-1,05, иттрий до 0,1, алюминий - остальное. Обеспечивается повышение эффективности модифицирования алюминиевых сплавов. 3 ил., 2 табл.

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

скандий 4,1-4,2;

бор 0,95-1,05;

иттрий до 0,1;

алюминий - остальное.