СПОСОБ ПЛАВКИ И ЛИТЬЯ ЛИТЕЙНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
MELTING AND CASTING METHOD OF CAST ALUMINUM ALLOY

Область техники
Изобретение относится к области металлургии литейных сплавов на основе алюминия и может быть использовано для производства алюминиевых сплавов на основе системы Al-Si, дополнительно легированных магнием, медью, марганцем, стронцием и другими элементами.
Предшествующий уровень техники
Основной способ получения литейных алюминиевых сплавов на основе кремниевой эвтектики включает приготовление расплава с заданной концентрацией кремния, предусматривающий растворение твердого (кристаллического) кремния в жидком расплаве алюминия. Для минимизации и/или снижения окисления кристаллического кремния при повышенных температурах введение кремния в расплав выполняют в присутствии флюсов и/или с использованием специальных устройств перемешивания расплава (Курдюмов А.В., Пикунов М.В. Производство отливок из сплавов цветных металлов, Москва: МИСИС, 1996 - 504 с.). Среди недостатков традиционного способа следуют выделить три. Основной - потеря кремния за счет окисления поверхности твердых кусков шихты, находящихся на поверхности расплава ввиду разницы плотностей кремния и алюминиевого расплава. Использование флюсов усиливает экологическую нагрузку, а использование специализированных перемешивающих механизмов усложняет и удорожает процесс приготовления расплава за счет приобретения и содержания дополнительного оборудования.
Известен альтернативный способ приготовления расплава, по которому сплавы готовятся в две стадии. На первой стадии готовится алюминиево-кремниевая лигатура на основе алюминия и кристаллического кремния, для чего в расплавленный алюминий небольшими порциями вводится кристаллический кремний. Далее приготовленный расплав кристаллизуют в виде чушки. Типичная концентрация кремния в лигатуре обычно составляет 20-50 масс. % Si. На второй стадии в алюминиевый расплав вводится приготовленная на первой стадии алюминиево-кремниевая лигатура и другие необходимые легирующие элементы (Курдюмов А.В., Пикунов М.В. Производство отливок из сплавов цветных металлов, Москва: МИСИС, 1996 - 504 с.). Среди недостатков данного способа является низкая производительность приготовления сплава и относительно высокая себестоимость данного производства.
Известен способ получения низколегированного алюминиево-кремниевого сплава, отраженный в патенте РФ 2015187, опубл. 30.06.1994. Предложенный способ получения низколегированного алюминиево-кремниевого сплава с содержанием кремния 2-14% масс, предусматривает растворение расчетного количества кристаллического кремния в алюминиево-кремниевой основе, в качестве основы используют сплав, полученный в электролизерах для производства алюминия с массовым отношением кремния в этой основе к общему содержанию кремния в полученном сплаве не менее 0,45. Среди недостатка предложенного способа следует выделить условие использования основы сплава в электролизере, что приводит к ухудшению рабочих показатели электролизера, в частности выход по току.
Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов и устройство для его реализации, отраженный в патенте РФ 2025526, опубл. 30.12.1994. Предложенный способ предусматривает последовательное приготовление расплава и его перемешивание в течение заданного времени. Перемешивание расплава осуществляют по всему объему турбулентными потоками инертного газа за счет периодического изменения его давления по всей высоте расплава. Среди недостатков предложенного способа следует выделить потери алюминия (повышенное образование шлака) за счет окисления расплава при возникновении турбулентных потоков, а также использование специализированных устройств для продувки алюминиевого расплава инертным газом.
Известен способ получения кремнийжелезосодержащих сплавов, отраженный в патенте РФ 2215803, опубл. 27.05.2003. Предлагаемая технология включает подачу и растворение в жидком алюминии расчетного количества легирующих компонентов в виде сплава, при этом в алюминий подают жидкую и/или твердую лигатуру, приготовленную из алюминия и ферросилиция. В результате снижаются энергозатраты на приготовление расплава заданного и реализуется более полное усвоение легирующих элементов. Среди недостатков предложенного способа следует выделить то, что конечный химический состав алюминиевого сплава будет содержать высокие концентрации железа, что существенно ухудшит его потребительские характеристики, в частности стойкость к ударным воздействиям, технологические ограничения по получению чистых (по содержанию железа) литейных алюминиевых сплавов.
Известен способ получения заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов, отраженный в патенте РФ 2041967, опубл. 20.08.1995. Способ предусматривает введение жидкого кремния частями, обеспечивая снижение содержания окисных включений в сплаве и повышению степени усвоения легкоплавких металлов. Среди недостатка предложенного способа следует выделить достаточную трудоемкость выдерживания заданного состава при использовании жидкой лигатуры, что требует использования подшихтовки, удлиняющий цикл приготовления расплава.
Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов, отраженный в патенте 2266971, опубл. 27.12.2005. Способ получения алюминиево-кремниевых сплавов включает введение расплавленного кремния в расплав алюминия или его сплава, корректировку расплава и разливку в формы, при этом проводят обработку расплавом алюминия или его сплавом металлсодержащих отходов алюминиевого и/или кремниевого производства, рассчитываемых по формуле, после чего в полученный расплав вводят расплавленный кремний. Среди недостатка предложенного способа следует выделить достаточную трудоемкость при использовании отходов, а также проблемы с выдерживанием заданного состава при использовании жидкой лигатуры, что требует использования подшихтовки, удлиняющий цикл приготовления расплава.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ получения алюминиево-кремниевого сплава, отраженный в патенте РФ 2432411, опубл. 11.02.2010. Способ включает подачу и растворение в жидком алюминии алюминиево-кремниевой лигатуры. В качестве алюминиево-кремниевой лигатуры используют жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес. %. При этом количество кремния в лигатуре составляет не менее 60 вес. % от количества кремния в получаемом сплаве. В жидкий алюминий могут дополнительно подавать и растворять твердый кремнийсодержащий компонент в виде твердой алюминиево-кремниевой лигатуры и/или в виде кристаллического кремния. Технология предусматривает смешивание жидкой алюминиево-кремниевой лигатуры и жидкого алюминия и жидкого кремния с температурой в диапазоне 1430-1520°С. Среди недостатков предложенного способа следует выделить следующие - низкое качество алюминиевого сплава в виду возможного присутствия в структуре силицидов ванадия и циркония при использовании сырья с относительно высоким содержанием циркония и ванадия.
Раскрытие изобретения
Задачами предлагаемого технического решения являются повышение технико-экономических показателей технологии производства алюминиево-кремниевых сплавов и улучшение структуры чушки из сплавов системы Al-Si и как следствие механических свойств отливок, полученных из этих сплавов.
Техническими результатами являются повышение производительности приготовления расплава, снижение затрат на приготовление сплава и получение структуры литейного алюминиевого сплава с благоприятной морфологией.
Технический результат достигается тем, что в способе плавки и литья литейного алюминиевого сплава, содержащего от 5 до 22 масс. % кремния и, по меньшей мере, один металл, выбранный из группы: железо, магний, марганец, стронций и медь, включающий: получение жидкой лигатуры, содержащей кремний в количестве 20-75 (масс. %); получение расплава алюминиевого сплава путем смешивания расплава алюминия, расплава лигатуры, содержащей кремний и твердые компоненты, содержащие кремний и, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей железо, магний, марганец, стронций и медь; кристаллизацию расплава алюминиевого сплава,
новым является то, что
а) приготовление жидкой лигатуры выполняют путем смешивания расплава алюминия с температурой не выше 860°С, содержащего бор в количестве 0,0001-0,03 масс. %, и расплава кремния с температурой не ниже 1440°С осуществляют, по меньшей мере, в 3 приема, с последовательным увеличением концентрации кремния в расплаве лигатуры;
б) выдержку расплава лигатуры с кремнием и бором выполняют в течение не менее 30 минут, при этом количество первичных кристаллов кремния не должно превышать более 5 масс. %;
в) получение сплава заданного химического состава выполняют путем смешивания расплава алюминия с температурой равной 700-860°С и жидкой лигатуры с кремнием и бором, обеспечивая количество кремния в расплаве не менее 80 масс. % от количества кремния в получаемом сплаве;
г) получение литых брусков (чушек) путем кристаллизации расплава при температуре превышающей температуру ликвидуса алюминиевого сплава не менее чем на 30°С.
В частном исполнении жидкую лигатуру с кремнием и бором, с содержанием кремния от 20 до 40 масс. %, получают смешиванием расплава алюминия с температурой не ниже 700°С и расплава кремния не ниже 1440°С, жидкую лигатуру с кремнием и бором, с содержанием кремния от 40 до 60%, получают смешиванием расплава алюминия с температурой не ниже 750°С и расплава кремния не ниже 1550°С.
Сущность изобретения
Обоснование заявляемых технологических параметров способа получения приведено ниже.
Если при смешивании температура расплава алюминия будет ниже 700°С, то при смешении жидкости кремния и алюминия при определенных концентрации кремния возможно появление твердой фазы - первично кристаллизующегося кремния, приводящего к ее нарастанию на стенки тигля.
Если при смешивании температура расплава алюминия будет выше 850°С, то при смешении жидкости кремния и алюминия конечная температура будет чрезмерно высокой, что будет приводить к повышенному износу и разрушению материала футеровки тигля, а также снижению производительности при литье за счет необходимости выполнения операции по охлаждения расплава.
Последовательное смешение по меньшей мере в 3 приема и выдержка в течение не менее 30 минут необходимы для равномерного выравнивания температуры между смешивающимися жидкостями и уменьшения градиента температуры по высоте тигля.
Для исключения появления первичных кристаллов кремния должны быть выполнены условие, при котором смешивание расплава алюминия с расплавом кремния должно обеспечивать конечную температуру смеси с перегревом выше ликвидуса по меньшей мере на 100°С.
Выше 850°С применения расплава алюминия не рекомендуется ввиду его повышенных потерь из-за окисления.
Добавка бора необходима для нейтрализации вредного влияния циркония и ванадия, которое заключается в следующем:
2
2
2
2
1) Ванадий и цирконий образуют с кремнием соответствующие силициды, в частности кристаллы частиц SiZr и SiV, формирующихся в виде первичных кристаллов, преимущественно игольчатой формы, размер которых (при определенных условиях) может достигать до десятков микрон. Такая морфологии и размере частиц может приводить к снижению механических свойств, в частности относительного удлинения и усталостных характеристик. При контроле качества чушки частицы SiZr и SiV чаше всего выявляются на изломах чушки.
2
2
2) Поскольку кристаллизация частиц SiZr м SiV осуществляется при повышенной температуре, то при относительно низкой температуре литья данные частицы способны загрязнить фильтр, используемый для очистки расплава от неметаллических включений, снизив его эффективность. Для предотвращения такого загрязнения необходимо повышать температуру литья, что дополнительного увеличивает затраты на электроэнергию, а также дополнительно увеличивает угар из окисления алюминиевого расплава.
Бор в количестве 0,001-0,05 масс. % и в соотношении (V+Zr)/B > 2,3…4,2 необходим для полного связывания циркония и ванадия в соответствующие бориды, исключив формирование силицидов этих элементов.
Присутствие в расплаве первичных кристаллов кремния удлиняет процесс приготовления расплава ввиду необходимости их растворения, ухудшая производительность процесса.
Изобретение может быть использовано для получения литейных сплавов системы Al-Si с содержанием кремния от 5 до 22%, при этом сплав может содержать, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей железо, магний, марганец, стронций и медь. Железо, магний, марганец, стронций и медь могут быть добавлены в расплав на любой стадии приготовления расплава.
Пример конкретного исполнения
Пример 1
С использованием расчетного метода проанализирован фазовый состав сплава системы Al-7% Si-0,3% Mg-0,09% Fe (масс. %) с переменным содержанием ванадия и бора. Проанализированные составы сплавов указаны в таблице 1.
* - кроме указанных элементов в химическом составе сплавов могут присутствовать другие неизбежные примеси.
2
2
2
12
Из представленных расчетов видно, что при избыточном содержании суммы элементов ванадия и циркония по отношению к бору структуре сплавов системы Al-Si в структуре могут присутствовать силициды ванадия и кремния (SiV и SiZr). Кроме того, при избытке бора к сумме ванадия и циркония в структуре сплава будет присутствовать избыточный бор в виде борида алюминия (вероятнее всего AlB и менее вероятно AlB).
Пример 2
В условия предприятия ИркАЗ получена опытная партия чушки сплава АК7пч (356.2) с использованием жидкой лигатуры. Соотношение циркония и ванадия выбиралось таким образом, чтобы полностью связать бор с цирконием и ванадием в соответствующие бориды, в частности (Zr+V)/B=3. Химический состав первичного алюминия представлен в таблице 2.
Последовательность плавки и литья была следующей:
1) Приготовление жидкой лигатуры;
2) Приготовление расплава;
3) Литье сплава
Лигатуру готовили следующим образом. В предварительно очищенный и разогретый вакуумно-разливочный ковш из электролизера залили первичный алюминий в количестве 2980 кг. Температура алюминиевого расплава перед смешением с жидким кремнием составляла 809°С. При смешении температура переливаемого кремния составляла 1500°С. Заливку кремния в количестве 1135 кг производили в 8 приемов с контролем веса по крановым весам. Исходя из этого, расчетное содержание кремния в лигатуре - 27,6%.
Температура жидкой лигатуры после смешения составила 940°С. Далее полученную лигатуру смешали с 8 тоннами первичного алюминия в миксере. Температура расплава в миксере, после заливки и перемешивания металла составила 749°С, для снижения температуры отдали 120 кг твердого сплава - температуру снизили до 710°С. Литье произвели по обычной технологии согласно Плану управления производства. Контроль качества контролировался металлографическим образом путем анализа соответствующих изломов чушки, изломов разрывных образцов и анализа и микроструктуры. Детальный анализ микроструктуры показал отсутствие первичных кристаллов силицидов ванадия и циркония.
Для подтверждения повышения качества полученного сплава проведен сравнительный анализ полученного сплава по предложенной технологи и сплава классической путем (без легирования бором) определения количество циклов до разрушения при циклическом нагружении. Для проведения испытаний использована схема изгиб с вращением на испытательной машине модели RR Moore. Испытание проводили при напряжении 80 МПа на трех точеных гладких цилиндрических образцах диаметром 7,5 мм в соответствии с ГОСТ 25.502. Результаты приведены в таблице 3.
Пример 3
Выбор и обоснование температуры расплава алюминия и расплава кремния проведен с использованием результатов таблицы 4.
* - точность определения температуры +/ - 10°С