Способ модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов
Method for modifying aluminum-silicon alloys

Изобретение относится к области металлургии, а именно к модифицированию алюминиево-кремниевых сплавов доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов и может быть использовано в технологии приготовления алюминиево-кремниевых сплавов для получения фасонных отливок.
Известен способ модифицирования, оказывающий эффективное комплексное воздействие на структуру и механические свойства доэвтектичеких и эвтектических силуминов (Вестник МАИ, 2016, Т. 23, №3, с. 175-181). С этой целью в состав модифицирующего флюса вводят фтортитанат калия, образующий в расплаве дополнительные центры кристаллизации, углекислый барий, модифицирующий эвтектику, и углерод, образующий в расплаве ультрадисперсные карбидные частицы. Однако, фтортитанат калия, используемый в составе модификатора, применяемого в данном способе, является дефицитной и дорогой солью.
Известен способ обработки алюминиево-кремниевых сплавов модификатором (Авт.св-во СССР №383755, кл. С22С 21/04, 1970), включающим соли циркония и бора, отличающийся тем, что, с целью повышения жидкотекучести сплава, в его состав дополнительно введена двуокись титана при следующем соотношении ингредиентов (в мас. %):
Двуокись титана 23 - 27
Фторцирконат калия 23 - 27
Борфтористоводородный калий - остальное.
Перед применением модификатора ингредиенты смешивают, сушат при температуре 350°С или сплавляют и размалывают. Способ модифицирования сводится к засыпке 1,5-3% смеси при температуре 730 - 760°С на поверхность расплава, выдержке сплава в течение 10-15 мин, замешиванию модификатора под зеркало жидкого сплава, удалению шлака с поверхности и разливке сплава по формам.
Недостатком данного способа является то, что он оказывает слабый модифицирующий эффект на структуру сплава, и вследствие этого незначительное повышение механических свойств. При модифицировании названным составом эвтектическая составляющая модифицируется плохо и эффект модифицирования сохраняется недолго. К тому же фторцирконат калия также является дорогостоящим и дефицитным веществом.
Известен способ модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов (Авт. св-во СССР №579330, кл. С22С 21/06, 1975) флюсом, содержащим хлористый натрий, фтористый натрий, хлористый калий, фтористый калий, хлористый кальций, фтористый кальций, фторборат натрия, хлористый барий и/или фтористый барий, хлористый кадмий и/или фтористый кадмий, фтортитанат калия и/или фторцирконат калия. Изобретение обеспечивает повышение пластичности алюминиево-кремниевых сплавов и увеличение продолжительности эффекта модифицирования по сравнению со стандартными натрийсодержащими модификаторами. Флюс в количестве 1-3% от массы металла наносится равномерным слоем на поверхность расплава при температуре 720-760°С. Металл выдерживается под слоем флюса 10-15 минут, после чего производится разливка сплава в формы.
Недостатком этого способа модифицирования является большое количество компонентов, входящих в состав флюса, что существенно усложняет технологию, увеличивает длительность приготовления модификатора и повышает его стоимость.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого способа является способ обработки алюминиево-кремниевых сплавов (Авт. св-во СССР №608843, кл. С22 В 9/10, 1978), включающий одновременное рафинирование и модифицирование флюсом, содержащим хлористые и/или фтористые соли, отличающийся тем, что с целью повышения длительности действия модификатора при получении высоких и стабильных механических свойств отливок обработку проводят в присутствии фтористого бария или хлористого бария, взятого в количестве 0,1-0,3% от веса сплава в пересчете на барий.
Недостатком данного способа является то, что модифицирующее воздействие оказывается только на алюминиево-кремниевую эвтектику, что ограничивает область применения данного модификатора эвтектическими силуминами.
В заявленном изобретении поставлена задача разработки способа модифицирования, воздействующего на все структурные составляющие силуминов: дендриты α-твердого раствора, эвтектику (α+Si) и кристаллы первичного кремния. С этой целью в состав флюса введены модификаторы 1 и 2 рода - барий, в виде фтористого бария, и титан, в виде диоксида титана. Диоксид титана является пассивным веществом. Поэтому для активации алюмотермического восстановления титана в алюминиевом расплаве обработку сплавов проводят в присутствии фтористого.
Технический результат выражается в измельчении всех структурных составляющих алюминиево-кремниевого сплава: α-твердого раствора, эвтектики (α+Si) и первичных кристаллов кремния. Эффект модифицирования наблюдается для алюминиево-кремниевых сплавов доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов и сохраняется в течение 5 часов при разливке сплава. Модифицирование обеспечивает повышение механических свойств алюминиево-кремниевых сплавов.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов, включающем введение в расплав флюса, содержащего диоксид титана и фтористый барий, согласно заявляемому изобретению, для активации алюмотермического восстановления титана в алюминиевом расплаве обработку сплавов проводят в присутствии фтористого калия при следующем соотношении компонентов модифицирующего флюса, мас. %:
Диоксид титана - 19-29
Фтористый барий - 32-40
Фтористый калий - 34-42.
При этом, на поверхность алюминиево-кремниевого расплава при температуре 780-820°С в количестве 1,5-2,5% от массы плавки равномерным слоем насыпают флюс, выдерживают 8-10 минут, а затем замешивают в расплав на глубину 10-20 см с образованием на поверхности рассыпчатого шлака, после этого образовавшийся шлак удаляется с поверхности расплава, а сплав выдерживают еще в течение 8-10 минут перед заливкой.
3
При введении фтористого калия происходит понижение поверхностного натяжения на границе расплава и частиц диоксида титана, активация алюмотермического восстановления титана и синтез дисперсных интерметаллидов TiAl, являющихся центрами кристаллизации. Алюмотермическая реакция вызывает повышение температуры расплава, активное разложение фтористого бария и его переход в расплав. В результате синтеза дополнительных центров кристаллизации, а также адсорбции бария на поверхности растущих кристаллов изменяется механизм кристаллизации расплава и происходит модифицирование структуры сплава.
Модифицирование алюминиево-кремниевых сплавов предложенным способом проводят следующим образом.
В
В муфельной печи марки СНОЛ в шамотно-графитовом тигле по стандартной технологии готовили алюминиево-кремниевый сплав АК12 (в соответствии с ГОСТ 1583-93 сплав содержит 11,5% Si; 0,3% Fe; Al - остальное). Механические свойства сплава АК12 должны быть равны, не менее: временное сопротивление разрыву, σ - 147 МПа, относительное удлинение, 8 - 4%. При температуре 780-820°С в расплав вводится флюс в количестве 1,5-2,5% от массы плавки. Флюс насыпается равномерным слоем на поверхность расплава и выдерживается в течение 8-10 минут. Затем, для активации алюмотермического восстановления титана, производится замешивание флюса в расплав на глубину 10-20 см до образования на поверхности расплава рассыпчатого шлака. После этого образовавшийся шлак удаляется с поверхности расплава. Сплав выдерживается еще в течение 8-10 минут, его температура при этом доводится до температуры заливки, равной 710-730°С. С поверхности расплава снимается образовавшийся шлак и производится заливка стандартных образцов для механических испытаний литьем в землю.
В таблице №1 приведены сравнительные характеристики сплава АК12, обработанного способом, известным из прототипа и способом, заявленным настоящим изобретением, в зависимости от времени выдержки расплава.
В
Использование заявляемого настоящим изобретением способа модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов, по сравнению со способом-прототипом, позволяет повысить механические свойства сплава АК12: - предел прочности σ - на 8-12%; относительное удлинение δ - на 45-55%.
В заявленном изобретении разработан способ модифицирования, воздействующий на все структурные составляющие силуминов: дендриты α-твердого раствора, эвтектику (α+Si) и кристаллы первичного кремния.
Разработанный способ модифицирования осуществляется флюсом, который не содержит в своем составе легкоиспаряющихся соединений, что снижает количество вредных выбросов в атмосферу и повышает экологичность технологического процесса модифицирования силуминов. При модифицировании расплава хлористыми солями, используемыми в способе - прототипе, происходит их активное испарение в атмосферу при температурах плавки.
Все компоненты, входящие в состав флюса, используемого в разработанном способе, не являются дефицитными и дорогими.