Модификатор алюмокремниевых сплавов Советский патент 1979 года по МПК C22C1/06 

Изобретение относится к области получения алюмокремниевых сплавов при помощи особых средств для воздействия на их структуру и направлено на разработку состава модификатора, эффективного независимо от содерж ания кремн.ия в сплаве и от толщины литья.

За прошедщие годы гиперэвтектические алюмокремниевые сплавы находят -все больщее применение в самолетостроении для изготовления ряда ответственных деталей, так как эти сплавы обладают очень хароШИми свойствами. Так называемые гиперэвтектические алюмокремниевые сплавы содерж.ат около 12% или более кремния и, .кроме всего прочего, для литья и ковки применяются материалы на базе алюминиевых -сплавов, которые содержат п-римерно от 17 до 25% кремния - это так называемые алюм-иниевые сплавы с высоким содержанием кремйия, о которых известно, что они обладают очень хорощими свойствами, включая коэффициенты теплового расширения, которые ниже, чем у «-аких-либо других алюминиевых Сплавов, удовлетворительную стойкость -к -износу и значительную термостойкость. Однако практически область применения алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния ограничена, так как после укреп2

Ленин первичные кристаллы кремния вырастают в крупные зерна -кв-адратной формы, вследствие чего механические свойства, включая способность к переработке

или обработке на мащинах и станках, получаемых из сплавов материалов, ухудшаются.

Известными путями р-азмещения зерен кристаллического кремния в алюминиевых

сплавах является добавление фосфора, введение в сплавы пятихлористого фосфора, сплавов Си-Р, Ni-Р, Fe-Р, элементарного фосфора или его смесей с КС1 или K2TiF6 и т. п.

Каждый из данных методов обладает рядом недостатков: загрязнение окружающей среды соединениями фосфора или ухудшение качества обрабатываемых сплавов.

Иаиболее близким -к предлагаемому является модификатор, содержащий окись алюминия, фосфат натрия в форме метафосфата и фосфористую медь при следующем соотнощении компонентов, вес. %:

СиР5-20

АЬОз10-35

NaPOs50-80

Модификатор приготовлен путем сплавления указанных составляющих и последующего измельчения до порошкообразного состояния {.

Модификатор обеспечивает хорошее измельчение зерен кристаллов кремния в А1-Si сплаве, однако недостатком его является опасность ухудшить состав .сплава введением в него меди, особенно в результате повторных переплавов. Кроме того, наличие СиР в известном модификаторе делает его тяжелее обрабатываемого сплава и для эффективной обработки сплава потребуется перемешивание его, а это также приведет к переходу меди в сплав и ухудшит его состав.

Целью изобретения является непрерывное измельчение первичных зерен кристаллического кремния при одновременном сохранении состава сплава.

Модификатор должен быть хотя бы таким же эффективным, как указанные средства на основе хлора -или фтора, содержащие в качестве основного компонента пятихлористый фосфор (PCls), не должен образовывать вредных для работников газов, должен быть представлен в виде не пылящих стеклообразных или остеклованных сфероидов Подходящего размера, не должен быть гигроскопичен и должен быть простым в обращении и надежным в работе.

Идеальный модификатор и флюс для обработки расплавов алюминиевых сплавов должен адсорбировать или растворять окись алюминия, силикат и другие примеси; обладать относительно низкой реакционной температурой; иметь удельный вес меньще, чем у алюминия; быть экономичным и дещевым; не быть жидким; хр.анитьСЯ без потерь своей эффективности; не образовывать вредных примесей при взаимодействии с расплавленным сплавом; быть безвредным; не быстро испаряться при температуре расплава. Кроме того, щлаки, образованные при применении флюса, должны легко отделяться от залитого основного металла.

Предлагаемый модификатор для измельчения зерен в алюминиевы.х сплавах с высоким содержанием кремния, содержащий окись алюминия, отличается тем, что он в качестве фосфата н.атрия включает гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, вес. %:

Гексаметафосфат натрия65-95

Окись алюминия5-35

и имеет форму сфероидов диаметром от 5 до 40 мм.

Такой модификатор отвечает всем перечисленным Выще требованиям.

На фиг. 1 показ.ан внешний вид предлагаемого флюса в увеличенном масштабе; на фиг. 2 - отливка из 20%-ного кремнийалюминиевого сплава, включая первичные зерна кристаллического кремния, которые были измельчены посредством добавки

предлагаемого флюса; на фиг. 3 - то же, но без флюса; на фиг. 4 - графики, построенные по результатам экспериментов, на которых показано увеличение веса сырьевой массы и предлагаемого модификатора, обусловленное поглощением влаги; на фиг. 5 - графики, построенные ПО сравнительным опытам, проводимым с отливками из 20%-ного кремнийалюминиевого сплав-а с применением модификатора и без него; на фиг. 6 - гр.афики, на которых пОКазана зависимость между содержанием кремния в алюмокремниевом сплаве и неличиной первичных зерен кристалл.ического кремния, которые образуются в отливках, получаемых с применением предлагаемого флюса и без него.

Предлагаемый модификатор получают следующим образом.

Приготавливается смесь из 95-65 вес. % гексаметафосфата натрия (ЫаРОз)б и 5- 35 вес. % окиси алюминия () и при температуре около 1000°С или выше расплавляется. В этом состоянии расплавленпая масса выдерживается соответствующее время при определенной температуре, вследствие чего пузырьки воздуха, заключенные в расплав, выходят из него наружу. После этого температура расплава понижается до тех нор., пока его вязкость не достигнет требуемой величины. Затем расплав наносят на металлическую илиту по каплям, благодаря чему модификатор приобретает желаемую форму. На фиг. 1 видно, что полученный на металлической плите модификатор имеет форму стеклообразных или остеклованных прозрачных сфероидов. Сам по себе гексаметафосфат натрия является очень гигроскопичным соединением. Было обнаружено, что при вышеописанной технологии, когда смесь фосфата с окисью алюминия расплавляется при соответствующей температуре, а затем расплав упрочняется тем, что образуются

стеклообр.азные сфероиды подходящего размерна, фосфат переходит во влажное состояние и не обладает более гигроскопичностью. Благодаря этому предлагаемый модификатор может храниться любым способом, а благодаря своей форме и размерам он легок в обр.ащении.

Целесообразно формовать гранулы флюса диаметром примерно от 5 до 40 мм. На фиг. 4 графически представлены результаты сравнительных опытов, проводимых с предлагаемым модификатором и сырьевой смесью. Влагопоглощение и соответствующее изменение веса измерялись в процентах к весу проб, когда они через

девять суток комнатных условиях сохраняли в среднем 60% влаги. Сырьевая смесь из гексаметафосфата н-атрия и окиси алюминия быстро упрочняется, поглощает влагу из воздуха и обнаруживает

прирост веса около 8% в первый день и

НС менее 26% за неделю (кривая 1). В противоположность этому поглощение влаги иредлагаемым модификатором в виде стеклообразных сфероидов меньше 0,1% даже по прошествии недели (Кривая 2), а это зн-ачит, что модификатор гери хранении изменяется незначительно по сравнению со своим первоначальным состоянием.

Кроме того, большинство известных модификаторов имеют вид порошка, получаемого при недостаточном расплавлении, и при его применении значительная потеря модификатора неизбежна. Подобные з-атруднения не возникают при использовании предлагаемого модификатора, так как он имеет вид стеклообразных или стеклянных сфероидов. Предлагаемый модификатор очень хорошо подходит также для гиперэвтектических алюмОКремниевых сплавов, так как его температура плавления находится в пределах примерно от 650 до750 С, она значительно ниже, чем точка пл-авления этих сплавов, которая находится в пределах примерно от 750 до 850°С.

Предлагаемый модификатор, кроме того, очень экономичен, поскольку он служит в указанных целях для измельчения первичных зерен кристаллов в гиперэвтектичеоких алюмокремниевых сплавах, даже если используются такие незначительные количества его, как 1-2 вес. % относительно веса расплавленного сплава. Способ плавки -с использованием предлагаемого модификатора исключительно прост. Модификатор должен распределяться лишь по поверхности расплавленного сплава без необходимости перемешивания системы. Это существенное преимущество изобретения.

Согласно изобретению плавку можно осуществлять таким образом.

Модификатор, распределенный по поверхности расплавленной массы, поддерживаемой при температуре около 750- 850°С, сразу же расплавляется и, переходя в остеклованное состояние, покрыв ает поверхность расплава, вследствие чего она больше не имеет контакта с атмосферой. Таким образом эффективно осуществляется предотвращение адсорбции расплавом какого угодно количества атмосферных газов, а потери на окисление сводятся к минимуму. При применении какого-либо известного модификатора расплавленный сплав должен быть тп ательно перемещан для активирования превращения модификатора. Напротив, -предлагаемый модификатор действует в течение короткого п ромежутка времени около 10-15 мин и не требует перемешивания. Он обнаруживает эффективное действие по размельчению зерен кристаллов за счет реакции с расплавом на пограничной поверхности.

Так как реакция на поверхности расплава протекает очень спокойно, в перемец ивании нет необходимости и не возникает

опасности образования окислов или ввода внешних газов, что неизбежно перемешивании. Следовательно, в процессе плавки не появляются запахи или вредные

газы. Благодаря этому применение предлагаемого модификатора очень выгодно с точки зрения техники безопасности.

На фиг. 2 и 3 представлены результаты исследования гиперэвтектического алюмокремниевого сплава с 20%-ным содержанием кремния, более наглядно поясняется эффект измельчения зерен с помощью предлагаемого модификатора. На обеих фотографиях обозначены первичные кристаллы

Кремния А, эвтектическая матрица (а+ -f Si) Б, а а-кристаллы В.

Из сопоставления фиг. 2 и 3 хорошо видно, что предлагаемый модификатор является весьма эффективным средством для

размельчения первичных зерен кристаллического кремния и что достигается четкое распределение эвтектической матрицы. Благодаря этому можно получать отливки с намного улучшенной структурой.

В общем алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния относятся к таким сплавам, которые упрочнении приобретают крупные первичные зерна кристаллов и которые имеют большую склонность к ликвации проэвтектического кремния. В частности, в отливках с различными секциями легко наступает ликвация проэвтектического кремния, и качество таких отливок ухудшается, т. е. алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния являются сплавами, очень чувствительными к толщине отливки и к эффекту массы. Чувствительность к толщине у сплавов такого типа может, однако, в большой

степени понижаться при применении предлагаемого модификатора.

На фиг. 5 представлены графики, показЫВающие результаты опытов, которые проводились с 20%-ным кремниевоалюминиевым сплавом для сравнения распределения размеров первичных фракций кристаллического кремния в отливках, выполненных в виде клиньев, причем в одних случаях (кривая 3) предлагаемый флюс

применялся, а в других (кривая 4) - нет. В заостренных отлив-ках, изготовленных без добавки модификатора, величина первичных фракций кристаллического кремния находится в пределах от 50 мкм на

самом толстом конце отливки до 10 мкм на самом тонком конце. В противоположность этому величина зер-ен в отливках, полученных при использовании добавки предлагаемого модификатора, изменяется в пределах всего лишь от 3 до 15 мкм, а это показывает, что благодаря применению модификатора чувствительность алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния к толщине сильно понижается. Благодаря этому можно изготавливать весьма

однородные отливки. Условия плавок, которые использовались в сравнительпых опытах, были следующие: Температура ллавления, °С850

Время плавления, мин10

Количество используемого модификатора, %2,0 Температура формования, °С 200 Хорошо известно, что размеры зерен проэвтектического кремния в отливках из гиперзвтбКтических алюмокремниевых сплавов в общем растут, если в материале отливок растет содержание кремния. Это вытекает также из графиков фиг. 6. На них отображены резз льтаты других опытов, которые проводились с гиперэвтектическими алюмокремниевыми сплавами для оп.ределения эффекта измельчения зерен с помощью предлагаемого модификатора. Нижней сплошной линией показан размер зерСН в отлив.ках с различным содержанием кремния, изготовленных с использованием Предлагаемого модификатора, а верхняя пунктирная кривая представляет эту же величину в отливках, полученных без применения модификатора. Буквами «i, аг, из и «4 обозначены диапазоны размеров первичных фракций кристаллов в отливках из м-атериалов, содержащих соответственно 17,5%, 20%, 25%, 30% и 35% кремния и полученных с предлагаемым модификатором; буквами б), 62, бз и 64 обозначены величины, полученные без модификатора. Видно, что изменений в размерах зерен проэвтектического кремния в отливках, полученных с применением предлагаемого модификатора, значительно меньше, чем в отливках, полученных без применения модификатора.

Таким образом первичные кристаллические фракции кремния в гиперэвтектических алюмокремниевых сплавах могут быть существенно измельчены:, если использовать предлагаемый модификатор независимо от содержания кремния в сплаве. Одна:ко размеры первичных зерен кристаллического кремния, которые при применении предлагаемого модификатора измельчаются, могут возрастать, если возрастает содержание кремния в сплаве.

Кроме того, из нриведенных выше результатов опытов видно, что предлагаемый модификатор может с удовлетворительными результатами использоваться даже в алюминиевых сплавах, обладающих очень высоким содержанием кремния, например от 25 до 30%. Такое содержание представляется предельно возможным в используемых для литья алюмокремниевых сплавах.

Формула изобретения

1.Модификатор алюмокремниевых сплавов, содержащий окись алюминия и фосфат натрия, отличающийся тем, что, с целью непрерывного измельчения первичHbtx зерен кристаллов -кремния при одновременном сохранении состава сплава, в качестве фосфата натрия модификатор содержит гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, вес. 7о:

Гексаметафосфат нат1рия65-95

Окись алюминия5- 35

2.Модификатор по п. 1, отличающийся тем, что он имеет форму сфероидов диаметром от 5 до 40 мм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Японии № 4927007, кл. IOD 141, 1974.

Риг.г

20

I

S 3 Зре.-1я r.,r-,v..ae.0 3 8 т S Толщина отли1ки 1Н iput 5

200

2S,030,0-J5S

Содержание креп ни я,/, фиг.б