СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЛИТИЙ
METHOD TO PRODUCE INGOTS FROM ALUMINIUM ALLOYS CONTAINING LITHIUM

Изобретение относится к металлургии, а именно к вакуумной обработке при получении слитков из алюминиевых сплавов с литием ответственного назначения с повышенными требованиями к содержанию водорода.
Известен способ обработки алюминиевых сплавов, включающий вакуумирование расплава с одновременной продувкой небольшими количествами нейтрального газа (Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ изд. / Альтман М.Б. и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1983, с.38).
Недостатком данного способа является то, что бурление расплава в течение всего времени вакуумной обработки, вызываемое поднимающимся от подины инертным газом, не дает возможности более полно удалять из расплава неметаллические включения и связанный с ними водород, что отрицательно сказывается на чистоте отливаемых слитков и качестве деформированных полуфабрикатов из сплавов ответственного назначения.
Известен способ обработки алюминиевых сплавов, включающий вакуумирование расплава с введением инертного газа и отстаивание расплава (RU 1804121 C, C22B 9/04, публ. 20.05.1995).
Недостатком способа является то, что его применение для обработки алюминиево-литиевых сплавов с повышенными требованиями к содержанию водорода не дает положительного результата и такого качества металла, которое требуется, например, для сплавов авиационного назначения.
2
2
Известен способ вакуумной обработки алюминиевых сплавов, включающий заливку нагретого расплава в печь, создание в печи вакуума, выдержку расплава в вакууме при остаточном давлении 1,33×10-18,62×10 Па в течение 45-90 минут (RU 2361938 C1, C22B 21/06, C22B 9/04, публ. 20.07.2009). Данный способ недостаточно эффективен при отливке слитков из алюминиевых сплавов, содержащих литий.
Наиболее близким аналогом по назначению и совокупности существенных признаков является способ получения отливок из алюминиевых сплавов, содержащих литий, включающий приготовление расплава, перелив расплава в вакуумный миксер, вакуумирование в две стадии, отстаивание расплава и разливку в слитки (RU 93007352 A, C22B 9/04, публ. 20.09.1995).
2
2
Недостатком наиболее близкого аналога является то, что в вакуумном миксере расплав не защищен от контакта с атмосферным воздухом. Известно, что на поверхности алюминиевых сплавов с литием при контакте с атмосферным воздухом образуются следующие соединения: LiO, MgO, LiAlO, LiOH. Эти соединения образуют на поверхности расплава рыхлую пленку, которая расплав от дальнейшего окисления не защищает. Во время перелива расплава в миксер частицы пленки замешиваются в расплав. Значительная часть водорода, находящегося в расплаве, адсорбируется на поверхности этих частиц. В алюминиево-литиевых сплавах адсорбировавшийся на поверхности неметаллических частиц водород образует гидриды (такие как LiH), поэтому связь водорода с неметаллическими частицами в этих алюминиевых сплавах значительно прочнее, чем в традиционных. В результате металл отлитых слитков содержит большое количество неметаллических включений и достаточно высокое содержание водорода. Для получения слитков ответственного назначения необходима более тщательная очистка расплава.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение выхода годного за счет повышения качества отливаемого металла, увеличение производительности оборудования и снижение себестоимости процесса.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является минимизация контакта расплава металла с атмосферным воздухом, снижение содержания водорода и неметаллических включений в отливаемых слитках, благодаря чему уменьшается количество дефектов в изготовленных деформированных полуфабрикатах.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения отливок из алюминиевых сплавов, содержащих литий, включающем приготовление расплава, перелив расплава в вакуумный миксер, вакуумирование в две стадии, отстаивание расплава и разливку в слитки, первую стадию вакуумирования расплава проводят при остаточном давлении не более 20 мм рт.ст с введением инертного газа под слой расплава, после чего напускают инертный газ над поверхностью расплава до давления выше атмосферного, на второй стадии проводят откачку инертного газа до 1-20 мм рт.ст. и выдержку расплава, затем подают инертный газ и отстаивание расплава ведут при давлении инертного газа, близком к атмосферному. Длительность вакуумирования на каждой стадии не превышает 20 минут. При этом вакуумирование алюминиевых сплавов, не содержащих цинк, проводят при остаточном давлении 1-2 мм рт.ст., а алюминиевых сплавов, содержащих цинк, - при остаточном давлении 10 -20 мм рт.ст. Отстаивание расплава также может проводиться при давлении инертного газа 225-300 мм рт.ст.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что первую стадию вакуумирования расплава проводят при остаточном давлении не более 20 мм рт.ст. с введением инертного газа под слой расплава, после чего напускают инертный газ над поверхностью расплава до давления выше атмосферного, на второй стадии проводят откачку инертного газа до 1-20 мм рт.ст. и выдержку расплава, затем подают инертный газ и отстаивание расплава ведут при давлении инертного газа, близком к атмосферному.
Во время первой стадии вакуумирования с одновременной продувкой расплава инертным газом имеет место бурление расплава, расплав освобождается от водорода, не связанного с неметаллическими частицами. На второй стадии вакуумирования расплав находится в состоянии покоя, что позволяет неметаллическим частицам подниматься на поверхность и выносить из расплава связанный с ними водород. При атмосферном давлении всплывание неметаллических частиц и связанного с ними водорода происходит чрезвычайно медленно, поэтому наличие над поверхностью расплава разряжения меньше 10 мм рт.ст. ускоряет этот процесс в десятки раз, и, следовательно, эффект рафинирования от использования предлагаемого способа в алюминиевых сплавах с литием значительно больше.
Кроме того, известно, что наиболее эффективной является продувка расплава через газоввод с отверстиями для подачи газа малого диаметра (0,2-0,5 мм). Устройства с такими отверстиями, находясь в расплаве, быстро зашлаковываются, если через них не подается газ. Срок службы газовводов в этом случае составляет 1-2 плавки. Выведение газоввода из миксера перед второй стадией вакуумирования позволяет увеличить его срок службы до 40-60 плавок. Напуск инертного газа над поверхностью расплава перед второй стадией вакуумирования до давления, несколько превышающего атмосферное, позволяет защитить расплав от окисления воздухом при выведении газоввода из миксера. Длительность вакуумирования на обеих стадиях в сумме не превышает 40 минут, что позволяет сохранить температуру расплава оптимальной для проведения процесса рафинирования и дегазации алюминиево-литиевого сплава.
Отстаивание расплава после двух стадий вакуумирования в атмосфере инертного газа при давлении, близком к атмосферному, позволяет дополнительно удалить неметаллические включения и получить металл более высокого качества.
Для большинства алюминиевых сплавов целесообразно проводить вакуумирование, выдерживая расплав в миксере при давлении не более 2 мм рт.ст. (267 Па). Однако для сплавов, содержащих легколетучие легирующие металлы (например, цинк), остаточное давление в миксере при вакуумировании должно быть не более 20 мм рт.ст. (2670 Па).
Способ осуществляется следующим образом.
После приготовления сплава в печи расплав при помощи сифона переливается в вакуумный миксер. После извлечения сифона с поверхности расплава снимается шлак и вводится газоввод для подачи инертного газа. Миксер герметизируется. Начинается первая стадия вакуумирования посредством откачки газов из миксера до остаточного давления в интервале 1-20 мм рт.ст. для разных типов сплавов. Одновременно с вакуумированием в миксер через газоввод под поверхность расплава под давлением подается инертный газ в течение 20 минут. После завершения первой стадии вакуумирования над поверхностью расплава напускается инертный газ до давления выше атмосферного, газоввод выводится из миксера, который сразу закрывается герметичной крышкой. Затем осуществляется повторная откачка газа из миксера и выдержка при остаточном давлении 1-20 мм рт.ст. в течение 20 мин. После окончания вакуумирования в миксер подается инертный газ до атмосферного давления, производится отстой расплава при этом давлении в течение 40 минут, после чего начинается отливка слитков.
Пример 1
Предлагаемый способ был реализован при получении отливок из сплавов марок 1420 и 1421 системы Al-Li-Mg на литейно-плавильном агрегате с вакуумным миксером вместимостью 16 т. Были отлиты круглые слитки диаметрами 305 и 400 мм. Первое вакуумирование проводилось при остаточном давлении 1-2 мм рт.ст. в течение 20 минут с одновременной подачей аргона под слой расплава под давлением 0,5 ат. Затем произвели откачку газа из миксера и выдержали расплав при давлении 2 мм рт.ст. в течение 20 минут. Время отстоя металла в миксере начинается с момента впуска газа при условии достижения металлом температуры литья. Отливка слитков осуществлялась по технологии, принятой для алюминиево-литиевых сплавов. Длительность вакуумирования по известной технологии была 60 минут.
2
2
Пораженность металла неметаллическими включениями, мм/см, определяли методом технологической пробы с локальной пластической зоной.
Результаты опробования предлагаемого способа в сравнении с известными способами обработки приведены в Таблице 1.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет значительно снизить содержание водорода и уменьшить количество неметаллических включений в расплаве, что приводит к улучшению качества отливаемых слитков и деформируемых полуфабрикатов и, следовательно, к повышению выхода годной продукции из алюминиево-литиевых сплавов ответственного назначения.
Также при использовании предлагаемого способа сокращается время вакуумирования, что позволяет уменьшить энергопотребление и, следовательно, снизить себестоимость процесса.
Вместе с тем, предлагаемое решение позволило увеличить срок службы устройства для подачи инертного газа за счет уменьшения времени нахождения газоввода в расплаве, что, в свою очередь, снизило количество ремонтов и повысило производительность литейного агрегата.
Таблица 1
Способ обработки
Содержание водорода,см<sup>3</sup>/100 г Ме
Пораженность металла неметаллическими включениями, мм<sup>2</sup>/см<sup>2</sup>
Срок службы газовводов, плавок
Длительность вакуумирования, мин
1
Вакуумирование с продувкой инертным газом в одну стадию
0,42
0,003
1-2
45-90
2
Вакуумирование в две стадии без продувки
0,48
0,006
-
60
3
Предлагаемое решение
0,30
0,001
40-60
40