Способ получения модификатора для алюминиевых сплавов

Способ получения модификатора для алюминиевых сплавов

Реферат

Изобретение относится к литейному и металлургическому производству, в частности к получению модификатора для обработки алюминиевых сплавов.

Из существующего уровня техники известен следующий способ изготовления лигатур на основе алюминия (патент №2190682 РФ, опубл. 10.10.2002). При изготовлении лигатур с алюминиевой матрицей, содержащих 40-80% тугоплавких частиц, помещают частицы в форму для пропитки и заливают жидким алюминием. При этом частицы и алюминий нагревают до разных температур. Алюминий нагревают до температуры, превышающей температуру его плавления не больше, чем на 5-10°C, а частицы, находящиеся в форме, нагревают до пороговой температуры, значительно превышающей температуру жидкого алюминия и зависящей от удельной поверхности частиц и поверхностного натяжения алюминия. Превышение температуры нагрева частиц над температурой нагрева алюминия позволяет преодолеть капиллярное противодавление, улучшить смачиваемость всех частиц и, как следствие, предотвращает получение лигатуры, содержащей значительное количество непропитанных частиц, которые всплывают на поверхность и уходят в шлак.

Данный способ предусматривает применение дополнительного энергоемкого оборудования для нагрева тугоплавких частиц карбида кремния (SiC). Невозможно получение лигатур с расчетным содержанием тугоплавких частиц за счет окисления и всплытия в шлак непропитанных частиц.

Известен «Способ получения прутковой лигатуры алюминий-титан-бор» (патент №2110597 РФ, опубл. 10.05.1998). Предлагаемый способ получения прутковой лигатуры алюминий-титан-бор предусматривает загрузку чушкового алюминия, его расплавления и нагревают до температуры 770°C, затем вводят бор из расчета получения в лигатуре содержания бора 1%. После введения и окончания реакции восстановления бора вводят губчатый титан из расчета получения в лигатуре 5%, затем расплав перемешивают для усреднения химического состава, снимают шлак и производят разливку. Из лигатурных слитков прессованием получают пруток диаметром 9-10 мм.

Недостатком известного способа является использование дополнительной операции прессования для получения прутка, неравномерность распределения боридов по сечению прутка. Данная лигатура не оказывает существенного модифицирующего эффекта при введении в литейные силумины.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Способ получения модификатора для доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов» (патент №2475334 РФ, опубл. 20.02.2013), который включает получение модификатора в виде прутка путем смешивания алюминиевого порошка с размером частиц 0,5-0,7 мм и ультрадисперсного порошка нитрида титана со средним размером частиц порядка 40 нм, полученного методом плазмохимического синтеза в планетарной мельнице в течение 5 минут при 400 об/мин и прессования полученной композиции в пруток.

Недостатками данного технического решения являются: высокая энергоемкость способа получения порошка нитрида титана; дорогое и сложное оборудование; особые условий хранения порошка в связи с его способностью к окислению на воздухе.

Технический результат заключается в разработке способа получения модификатора с наименьшими затратами с высоким содержанием ультрадисперсного порошка, повышении времени действия (живучести) модификатора и в повышении физико-механических свойств алюминиевых сплавов.

Технический результат достигается тем, что выполняют смешивание порошка носителя и ультрадисперсного модифицирующего порошка в планетарной мельнице и прессования полученной композиции, при этом в качестве ультрадисперсного модифицирующего порошка используется композиция порошков карбида кремния (SiC) - 50÷70%, нитрида кремния (Si₃N₄) - 20÷30%, гексафторалюмината натрия (Nа₃АlF₆) - 10÷20%, полученных по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза размерами частиц 70-100 нм, при этом карбид кремния имеет β-модификацию, а в качестве носителя ультрадисперсного порошка используется медь с размером частиц менее 180 мкм в соотношении Сu: ультрадисперсный порошок 9:1.

В качестве ультрадисперсного модификатора была выбрана композиция порошков карбида кремния, нитрида кремния и гексафторалюмината натрия со средним размером частиц 70-100 нм, полученные по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-А₃). Данный способ получения порошков позволяет получить карбид кремния β-модификации, который предположительно должен хорошо смачиваться расплавом алюминия.

Состав композиции порошков выбран на основе следующих данных. Карбид кремния согласно правила Данкова-Конобеевского (принцип размерно-структурного соответствия) имеет тип и параметры кристаллической решетки, близкие кристаллической решетки α-А1. Кристаллические решетки карбида кремния β-модификации и алюминия относятся к одному типу (кубическая гранецентрированная), а параметры кристаллической решетки карбида кремния β-модификации (а=4,3596 Å) и алюминия (а=4,0413 Å) достаточно близки. Расхождения в параметрах кристаллической решетки составляют ~7,9%. Входящий в состав Nа₃АlF₆ является давно известным и общепринятым афинирующее-модифицирующим реагентом для алюминиевых сплавов.

Медь, входящая в состав модификатора (псевдолигатуры), выбрана с учетом ее высокой плотности (8,2 г/см³) по отношению к алюминиевому расплаву (~2,4 г/см³) и служит носителем композиции порошков на основе карбида кремния. Кроме того, медь, входящая в состав модификатора, служит в качестве микролегирующего компонента для алюминиевого сплава.

Пример выполнения способа.

Полученная по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза композиция ультрадисперсных порошков карбида кремния, нитрида кремния и гексафторалюмината натрия размером 70-100 нм предварительно смешивали с порошком меди размером менее 180 мкм в соотношении 9:1, загружали в стакан планетарной мельницы и приводили ее в действие на 2 мин при 1500 об/мин. Полученную композицию прессовали в прутки диаметром 10 мм при усилии прессования 4,84 т (40 атм). В результате получали прутки, содержащие 8-12% ультрадисперсной модифицирующей композиции.

Эффективность модификатора оценивали при модифицировании промышленного алюминиевого сплава АК6М2 по ГОСТ 1583-2003 (таблица 1).

На рисунке 1 - Микроструктуру сплава АК6М2: а, б - без модифицирования; в, г - модифицирование лигатурой CuSiC₁₀ из расчета 0,02%(SiC+Si₃N₄+Na₃AlF₆) от массы плавки.

Таблица 1
Размеры фазовых составляющих сплава АК6М2
Вид обработки	Параметры α-А1	Параметры Siэ
Средний размер, мкм	Количество, шт/мм2	Средний размер, мкм	Количество шт/мм2
Без модифицирования	54,1	367	13,6	1240
Модифицирование псевдолигатурой CuSiC10 (0,02%(SiC+Si3N4+Na3AlF6))	22,1	1805	3,9	9360

Способ получения модификатора для алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошка носителя и ультрадисперсного модифицирующего порошка в планетарной мельнице и прессование полученной композиции, отличающийся тем, что в качестве ультрадисперсного модифицирующего порошка используется композиция порошков карбида кремния (SiC) - 50÷70%, нитрида кремния (Si₃N₄) - 20÷30%, гексафторалюмината натрия (Nа₃АlF₆) - 10÷20%, полученных по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с размерами частиц 70-100 нм, при этом карбид кремния имеет β-модификацию, а в качестве носителя ультрадисперсного порошка используется порошок меди с размером частиц менее 180 мкм в соотношении медь:ультрадисперсный порошок=9:1.