СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛИГАТУР И РАСКИСЛИТЕЛЕЙ
METHOD OF PREPARATION OF MASTER ALLOYS AND DEOXIDIZERS

Изобретение относится к металлургии, точнее к разработкам в области технологии приготовления лигатур для цветных сплавов и раскислителей для сталей.
Известны способы приготовления лигатур сплавлением составляющих; их брикетированием со связующим или без него; с использованием экзотермической реакции - эти способы неэкологичны, зачастую сложны, а значит, и дорогостоящие; либо не обеспечивают необходимой эффективности усвоения легирующих составляющих. К тому же они не могут обеспечить получения в производственных условиях достаточно высокого уровня содержания легирующих составляющих и почти все, как правило, обуславливают многокомпонентность состава лигатур, что также негативно отражается на их качестве, экономичности и эффективности.
Более перспективны способы приготовления лигатур и раскислителей в виде композитов, например, путем нанесения металлической оболочки на твердые частицы наполнителя (патенты России 2163646 С22С 35/00, 2118378 С21С 7/00, 2208656 С22С 33/00) или путем жидкофазного совмещения погружением частиц твердого наполнителя в расплав металлического связующего (заявка РСТ 92/01821 С22С 1/10, патент России 2192495 С22С 35/00).
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ получения раскислителя для сталей в виде композита на тугоплавкой основе по патенту России 2192495, согласно которому материал твердого наполнителя (дробь, высечку или стружку из сплава на основе железа) замешивают в расплав активного металлического связующего (алюминия), после чего полученный состав разливают в изложницы и дают затвердеть.
К недостаткам такого способа следует отнести узкую специализацию процесса, т.к. он пригоден только тогда, когда наполнитель имеет превосходящий удельный вес. Таким способом, например, нельзя получить алюминийкремниевую лигатуру, тем более с высоким содержанием кремния из-за его малого удельного веса. Способ относительно сложен и продолжителен из-за поэтапно порционного ввода наполнителя в расплав и необходимости соответствующего перемешивания расплава; по этой же причине в нем ограничен диапазон варьирования соотношений наполнителя и активного связующего, т.к. на определенном этапе снижается текучесть расплава, необходимая для разлива его в изложницы, либо требуется его запланированный перегрев - а это может спровоцировать усиление физико-химической реакции совмещаемых составляющих, например появление интерметаллидов, наличие которых снижает скорость высвобождения связующего и степень его активности, к тому же резко повышает стоимость процесса, т.к. повышает износ используемых оснастки и оборудования.
Задача изобретения - расширить область использования композитов; создать единую гибкую универсальную и при этом упрощенную технологию, которая обеспечит возможность получения широкого диапазона разнообразных по составу и служебным характеристикам как раскислителей для стали, так и лигатур для цветных сплавов, содержащих в основе тугоплавкие металлы Fe, Ti, Ni, Mn или неметаллы Si, В, и связующее из металлов Al, Mg, Cu, Pb, Zh, Su, причем с возможностью повышенного содержания активных в той или иной рецептуре составляющих.
Технический результат заключается в достижении поставленной задачи, следовательно, в удешевлении лигатур и раскислителей, поскольку предлагаемый способ обеспечивает возможность их промышленного серийного производства и прост в исполнении; а также в дополнительном удешевлении получаемого с их помощью продукта металлургии за счет повышения эффективного содержания активных составляющих и более полного их усвоения, что снижает расход дефицитных и дорогостоящих материалов.
Поставленная задача решается тем, что в способе приготовления лигатур и раскислителей в виде композитов на тугоплавкой основе объединением твердого наполнителя с расплавом активного связующего, в отличие от аналогов, из материала наполнителя, который выбирают из группы, включающей Fe, Ti, Ni, Mn, Si, В, сначала формируют пористую заготовку заданной геометрической формы с технологическим суммарным объемом пор, затем нагревают ее до температуры, соответствующей температуре ликвидуса материала активного связующего, причем нагрев ведут в среде инертного газа, после чего для объединения наполнителя с активным связующим нагретую заготовку пропитывают расплавом этого связующего путем принудительной инфильтрации расплава в поры заготовки под давлением, преимущественно, методом жидкой штамповки, для чего нагретую заготовку помещают в матрицу открытого штампа, сверху подают мерный слой расплава и сразу же прикладывают давление пуансоном штампа, которое поддерживают до полного затвердевания расплава. В качестве активного связующего используют металлы - алюминий, магний, медь или сплавы на их основе.
В частных случаях исполнения дополнительные отличия способа заключаются в том, что
- подачу мерного слоя расплава ведут в присутствии инертного газа;
- формирование пористой заготовки осуществляют с помощью промежуточного пассивного связующего, например жидкого стекла, и при этом технологический объем пор обеспечивают соотношением объемов наполнителя и пассивного связующего;
- формирование пористой заготовки осуществляют прессованием материала наполнителя.
Проанализированный авторами уровень состояния техники, определенный по результатам проведенного патентного поиска, не выявил аналогов, содержащих совокупность существенных признаков, присущую предлагаемому техническому решению, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критериям изобретения "новизна" и "существенность отличий". Соответствие критерию "промышленная применимость" подтверждается приведенными ниже примерами конкретного исполнения способа.
Реализуется предлагаемый способ следующим образом.
Материал твердого наполнителя, являющийся основой для приготовления раскислителя или лигатуры с требуемыми служебными свойствами, выбирают из группы, включающей Fe, Ti, Ni, Mn, Si, В и используют в виде порошка, гранул, стружки или в другой какой-либо технологически целесообразной форме с размером фракций до 25 мм.
Материал активного связующего, также в зависимости от служебных свойств изготавливаемого изделия, выбирают из группы металлов, содержащей Al, Mg, Cu, Pb, Zn, Su, используя их в чистом виде или в виде сплавов на основе любого из них.
Из материала наполнителя формируют пористую заготовку в виде любой целесообразной геометрической объемной фигуры, например шайбы или таблетки.
Заготовку можно формировать любым известным образом, наиболее оптимально брикетирование материала наполнителя прессованием или с помощью промежуточного пассивного связующего, в качестве которого может быть использовано жидкое стекло.
На стадии формирования заготовки обеспечивают определенный технологический суммарный объем ее пор (V1), задавая таким образом соответствующий объем активного связующего в готовом изделии, соответственно и его массу, и долевое участие в рецептуре. Если заготовку формируют брикетированием материала наполнителя с пассивным связующим (жидким стеклом), то объем пор V1 обеспечивают соотношением исходных объемов наполнителя и жидкого стекла - в этом случае материал наполнителя смешивают с жидким стеклом в заданном соотношении, полученную смесь формируют и подсушивают до состояния сохранения формы, иногда совмещая эту операцию с нагревом заготовки под пропитку. При формировании заготовки прессованием объем V1 обеспечивают достигаемой при прессовании степенью плотности заготовки.
Готовую пористую заготовку нагревают в печи в среде инертного газа (аргона или азота) до температуры, соответствующей температуре ликвидуса металла, выбранного в качестве активного связующего.
Затем нагретую заготовку переносят в матрицу открытого штампа, сверху подают мерный слой расплава активного связующего и сразу же прикладывают давление, воздействуя на расплав сверху пуансоном штампа, которое поддерживают до окончательного затвердевания расплава. Величину давления задают в зависимости от объема композита и определяют эмпирически опытным путем.
Способ допускает использование и других методов принудительной пропитки, например литьем под давлением.
Под действием давления происходит принудительная инфильтрация расплава в поры заготовки до полного их заполнения, одновременно часть расплава заполняет технологические зазоры между полостью матрицы и стенками заготовки, образуя оболочку по контуру заготовки. Замыкает контур оболочка, образующаяся на верхней поверхности заготовки под пуансоном.
Объем подаваемого мерного слоя расплава V2 задают из технологических соображений в зависимости от суммарного объема пор V1, с учетом объема зазоров между полостью матрицы и стенками заготовки V3, и толщины пленки, образующейся под пуансоном, т.е. другими словами объем мерного слоя расплава должен обеспечить полное заполнение пор заготовки и толщину контурной оболочки в пределах 1-3 мм.
Подачу мерного слоя расплава ведут в присутствии инертного газа (аргона, азота) либо без него. При этом газ подают в матрицу до и/или во время подачи расплава.
По окончании времени выдержки давления его снимают и полученный композит удаляют из штампа. После чего цикл может быть повторен.
Для облегчения удаления изделия из штампа используют известные технологические и/или конструктивные средства.
Для повышения эффективности инфильтрации расплава под давлением без увеличения параметров последнего и чтобы предотвратить неравномерность корпусной оболочки, превышающую допускаемую, на расплав воздействуют через башмак, закрепленный снизу на пуансоне.
В результате получают композитный брикет раскислителя или лигатуры объемной формы с контурной каркасной твердой оболочкой из активного связующего и с обеспечением равномерного и организованного распределения активного связующего в пространстве, замкнутом геометрической формой наполнителя, - это позволяет достичь простыми средствами стандартной твердости брикета и рациональной его плотности, соответственно, пластичности, способствующей незамедлительному освобождению активного связующего из пор и своевременному его эффективному участию в металлургическом процессе.
Способ прост, универсален, производителен, т.к. обеспечивает короткий цикл изготовления, не требует сложного специального оборудования для его осуществления, соответствует современному требованию гибкости производства, позволяет с незначительными капитальными вложениями наладить серийное или мелкосерийное производство в рамках мелкого и среднего бизнеса.
Короткий цикл получения композита без использования относительно высоких температур позволяет свести к минимуму физико-химическое взаимодействие наполнителя и связующего и тем самым повысить скорость и полноту освобождения связующего, степень участия активного составляющего, а возможность получения композита при невысоких температурах допускает использование в качестве активного связующего дешевых вторичных алюминиевых, магниевых, медных, свинцовых, цинковых или на основе олова сплавов.
Использование жидкого стекла в качестве пассивного связующего обеспечивает простоту, дешевизну и точность получения технологического суммарного объема пор V1, который является определяющим точности получения заданного соотношения составляющих, следовательно, точности получения служебных свойств изделия.
Получение композита методом принудительной инфильтрации расплава в поры предварительно сформированной заготовки обеспечивает приготовление качественных лигатур и раскислителей с высоким содержанием тугоплавкой основы (до 70%), что особенно важно при приготовлении лигатур с кремнием, железом, никелем, титаном, и при приготовлении раскислителей с алюминием, кремнием.
Конкретные примеры исполнения способа
ПРИМЕР 1. Приготовление раскислителя Al-Fe в форме цилиндрического брикета диаметром 100 мм, высотой 50 мм, общим весом 8 кг, с соотношением составляющих 50/50.
Для приготовления раскислителя с химическим составом по запросу потребителя использовали первичный алюминий марки АО (ГОСТ 11069-74) или алюминий вторичный марки АВ 86, АВ 92 (ГОСТ 295-73). В качестве твердого наполнителя использовали чугунную или стальную дробь (ГОСТ 11964-81), или стальную/чугунную стружку, или стальную высечку с размером частиц в пределах 0,2-15 мм.
Пористую заготовку сформировали путем смешивания заранее подготовленной смеси твердого наполнителя (4 кг) с жидким стеклом и последующим прессованием на специальном стенде до размеров по диаметру 98 мм и по высоте 50 мм. После чего провели сушку заготовки на воздухе в течение 8-10 часов и затем нагрели ее в нагревательной печи до температуры 500°С при подаче азота с температуры 300°С.
Нагретую заготовку поместили в предварительно подогретую до 500°С матрицу, имеющую цилиндрическую рабочую полость диаметром 100 мм. Одновременно в матрицу начали подачу азота. Сверху мерным ковшом произвели заливку расплава объемом, обеспечивающим соотношение алюминия и железа в равных частях. Произвели прессование расплава и выдержку его под давлением 160 т с в течение 1 минуты. После прессования и выдержки готовый брикет извлекли из матрицы.
Были проведены испытания раскислителей с соотношением алюминий/железо от 20/80 до 70/30, которые показали что наиболее целесообразным соотношением с точки зрения как изготовителя, так и исходя из запросов потребителя, является соотношение от 40/60 до 60/40. Однако приготовление раскислителей с соотношением 30/70 и 70/30 не вызвало никаких трудностей и предложенный способ обеспечивает приготовление брикетов с равномерным распределением составляющих и необходимой плотностью и при таких соотношениях.
ПРИМЕР 2. Приготовление лигатуры Al-Si в форме цилиндра диаметром 100 мм и высотой 50 мм, общий вес брикета 3,925 кг, содержание кремния 50%.
Из кристаллического кремния (весом 2 кг) с размером частиц до 10 мм сформировали с использованием жидкого стекла пористую заготовку диаметром 98 мм и высотой 50 мм. Заготовку подсушили и нагрели до температуры 500°С в атмосфере азота. Нагретую заготовку поместили в матрицу (диаметр рабочей полости 100 мм) с одновременной подачей азота, залили мерным объемом расплава алюминия и произвели прессование усилием 200 т с. Выдержали расплав под давлением в течение 1 минуты, после чего сняли давление и извлекли брикет.
Исследование макро- и микроструктуры полученных брикетов показало равномерное распределение частиц кремния и хорошее заполнение пор заготовки алюминием. При использовании брикетов для приготовления алюминиевых сплавов они погружаются под поверхностный слой расплава, предотвращая угар кремния и повышая его втворение в расплав.
Известными способами введение в расплав 50% элементарного кремния не удается или требует трудоемких операций перемешивания или плавки в индукционных печах с большими затратами электроэнергии и повышенными потерями от алюминия.