СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ ИЗ СПЛАВОВ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ С МЕЛКОДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ КАРБИДОВ
METHOD OF PRODUCING CASTING FROM ALLOYS ON METAL BASE WITH FINE CARBIDE PARTICLES

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к способам производства и литья слитков и отливок из сплавов на основе алюминия, магния, железа, никеля, кобальта, хрома, армированных мелкодисперсными частицами карбидов.
Известны способы изготовления литых композиционных сплавов упрочненными дисперсными частицами. Основные этапы технологического процесса получения этих сплавов включают:
- получение основного расплава;
- равномерное распределение твердых частиц в объеме жидкого расплава;
- кристаллизация композиционного материала.
Для введения в расплав дисперсных частиц используют следующие способы:
- инжектирование дисперсных частиц в струю металла подавлением (журнал «Киндзоку Metal and Technology», 1992, т.62, №5, стр.2-3, 21-27);
- механическое смешивание расплава и частиц;
- совместное прессование, спекание смеси порошков матричного сплава и дисперсных частиц (К.И.Портной, Б.И.Бабич. Дисперсно-упрочненные материалы, М., Металлургия, 1974, стр.93-126);
- введение в матричный сплав окатышей или гранул из вспомогательного сплава, уже содержащего дисперсные упрочняющие частицы, получаемые при введении во вспомогательный сплав хлоратов, перхлоратов, щелочных металлов, нитратов, графита (патент RU, 2083321, С1, 26.10.93 г.)
("Cast aluminium-graphite particle composites-a potential engineering material" - Rotatgl PK, Das S., Dan TK - Inst. Eng - 1987 - 67, №2 - 277-283)
Основными недостатками данных способов является: невысокая смачиваемость упрочняющих частиц, их комкование и, как результат, неравномерное распределение их в объеме расплава. Все это ведет к необходимости перегревать расплав, подогревать частицы и вводить в расплав в потоке высокотемпературной плазмы инертного газа, вводить в расплав поверхностно-активные вещества, использовать реагенты, содержащие хлор и щелочные металлы, что требует повышенных мер техники безопасности, длительного выстаивания расплава при температуре плавления. Для равномерного распределения частиц в объеме расплава - использовать бегущую волну электромагнитного поля, ультразвуковые устройства и механическое перемешивание, а это требует дополнительных затрат электроэнергии и специальных устройств.
Наиболее близким к предлагаемому способу, т.е. прототипом, является способ введения дисперсных частиц, предварительно нагретых в потоке ионизированного инертного до 0,5-0,9 температуры их плавления при непрерывном перемешивании расплава (патент RU, 2020042, С1, от 19.09.90 г.).
Этот способ имеет следующие недостатки:
- нагрев инертного газа до состояния плазмы требует специального оборудования, дополнительных затрат электроэнергии при производстве сплава;
- необходимость непрерывного интенсивного перемешивания при изменении объема жидкой фазы требует дополнительного специального оборудования и дополнительных затрат электроэнергии. Изменение интенсивности перемешивания может привести к ослаблению поверхностного контакта матричного сплава с частицами, образованию расслоений, сегрегации и, как следствие, неоднородность по химическому и структурному составу.
Техническим результатом изобретения является повышение качества композиционного материала, устранение дефектов литья, обеспечение упрочнения сплавов мелкодисперсными частицами, равномерно распределенными в объеме расплава, обеспечить полную смачиваемость и совместимость упрочняющих частиц в матричном расплаве.
Технический результат достигается тем, что в процессе литья матричного сплава в расплав вводится углеводородный газ (метан, пропан). Струя газа с помощью керамического фильтра дробится на мелкие пузырьки, которые мгновенно нагреваются до температуры расплава. Под действием температуры расплава молекулы углеводородного газа разлагаются на атомы углерода и водорода. Атомы углерода вступают в реакцию с атомами матричного сплава, образуя мелкодисперсные частицы карбидов, а атомы водорода образуют пузырьки молекул водорода и всплывают на поверхность расплава, обеспечивая тем самым перемешивание матричного расплава и равномерное распределение мелкодисперсных частиц карбидов в объеме расплава. В результате того что процесс зарождения и формирования частиц карбидов происходит непосредственно в расплаве и на атомарном уровне, это обеспечивает совместимость, полное смачивание частиц карбидов матричным расплавом и мелкодисперсный размер частиц карбидов. Это позволяет устранить дефекты литья и повысить качество отливок. Поиск по источникам научно-технической информации и патентной документации по классам показал, что не известны технические решения, в которых используются отличительные признаки предложенного способа получения композиционных материалов. Следовательно, заявленное решение соответствует критерию изобретения.
Пример реализации данного способа представлен в виде схемы на чертеже
Расплавленный матричный сплав (АК5М2 или АЛ9) из печи подается в камеру 2 контроля уровня расплава. Через отверстие 3 расплав попадает в камеру 4 образования частиц карбидов. Одновременно с расплавом через устройство 1 для подачи газа в расплав и дробления струи газа на мелкие пузырьки (используются керамические фильтры) подается газ метан (пропан). Под действием температуры расплава газ разлагается на атомы углерода и водорода. Атомы углерода вступают в реакцию с атомами расплава и образуют мелкодисперсные частицы карбидов, полностью совместимые с расплавом. Затем расплав поднимается вверх и переливается в камеру 5 выпуска и дегазации расплава от водорода (частичная дегазация идет уже в камере 4). Пузырьки газа (за счет высокой проницаемости водорода) быстро всплывают на поверхность расплава и сгорают, тем самым обеспечивается равномерное распределение частиц карбидов в объеме расплава. Готовый сплав через летку 7 подается в кокильные изложницы или в песчаные формы 6 - технологическая крышка (для проведения регламентных работ, создания, при необходимости, низкого давления над расплавом, для ускорения процесса дегазации). Такой способ получения сплавов с частицами карбидов, которые не внедряются в расплав, а зарождаются непосредственно в объеме расплава, позволяет повысить качество отливок, полностью избавиться от расслоений, сегрегации и, как следствие, неоднородности по химическому и структурному составу.