Изобретение относится к области модифицирования сплавов цветных и черных металлов, используемых для изготовления различных узлов и деталей машин.
Модификаторы на основе алюминия – это специальные добавки, которые вводят в расплав алюминиевых сплавов для изменения структуры и улучшения свойств, целью которого является измельчение структурные составляющие сплава, например, выделения α-твёрдого раствора кремния в алюминии.
В качестве прототипа выбран модификатор следующего состава, % (по массе) [1]:
|
кальций
|
-
|
0.5-30.0
|
|
стронций
|
-
|
0.5-30.0
|
|
барий
|
-
|
0.5-30.0
|
|
железо
|
-
|
0.1-1.0
|
|
кремний
|
-
|
0.1-1.0
|
|
алюминий
|
-
|
остальное
|
Известная лигатура в основном предназначена для улучшения свойств сплавов черных и цветных металлов.
К недостаткам прототипа следует отнести относительно высокую стоимость, обусловленную содержанием в нем большого количества щелочноземельных металлов (ЩЗМ) — кальция, стронция и бария, в диапазоне от 0,5 до 30 % по массе. Это значительно увеличивает стоимость модификаторов.
Целью изобретения является снижение себестоимости модификаторов и улучшение механо-технологических свойств (прочности, жидкотекучести, формозаполняемости и др.) алюминиевых сплавов, в частности сплава АЛ9.
Поставленная цель достигается тем, что предложенный модификатор на основе алюминия содержит кальций, железо, кремний и магний в следующем соотношении компонентов, масс. %:
|
кальций
|
-
|
0.10-45.0
|
|
железо
|
-
|
0.10-1.0
|
|
кремний
|
-
|
0.10-1.0
|
|
магний
|
-
|
0.10-1.0
|
|
алюминий
|
-
|
остальное
|
О влиянии кальция
Уже в лигатуре от влияния кальция присутствуют две фазы: измельченный αAl-твердый раствор и дисперсная структурообразующая фаза СаAl4, имеющая алмазную структуру. Она является центром кристаллизации.
О влиянии железа и кремния
Обычно для увеличения жаропрочности алюминиевого сплава его легируют никелем, кремнием, железом, скандием, кобальтом и иттрием. Из этих элементов для легирования мы выбрали железо и кремний, являющиеся наиболее дешевыми и доступными среди вышеперечисленных металлов. Кроме того, при существующих требованиях к жаропрочности алюминиевого сплава, соответствующей более 1320°С, этому условию идеально отвечают кремний и железо, т.к. температура плавления кремния равна 1414°С, а железа 1539°С.
О влиянии магния
Магний, являясь химически активным металлом, действует как легирующий элемент в составе модификатора. Имея большое сродство к кислороду, сере, фосфору и водороду, усиливает рафинирующее действие кальция и увеличивает эффект модифицирования по времени.
Поэтому предложенный модификатор на основе алюминия обладает высокими прочностными, коррозионностойкими и литейными свойствами, которые, являясь структурно чувствительными характеристиками, передаются по наследству модифицируемым сплавам.
Основным преимуществом заявляемого модификатора является высокое содержание кальция (от 0,10 до 45,0 % по массе), поскольку кальций является одним из наиболее распространённых и дешевых металлов. Его использование значительно снижает себестоимость предложенного модификатора.
Модификатор, указанный выше, получают алюмотермическим методом. Исходными компонентами могут быть карбонаты и азотнокислые соли кальция, а также первичный алюминиевый порошок. Лигатуру синтезируют также методом раздельной плавки в вакууме.
Состав предложенного модификатора соответствует двум видам сплавов: Первый вид включает низкотемпературные сплавы системы Al-Ca, которые плавятся при температурах в пределах 616–635 °С. Эти сплавы состоят из двухфазных доэвтектических, эвтектических и заэвтектических структур, таких как (α-Al + CaAl₄). Второй вид представляет собой высокотемпературную фазу CaAl₂, с температурой плавления 1079 °С.
Низкотемпературные лигатуры предназначены для модифицирования алюминиевых сплавов, в то время как лигатура с фазой CaAl₂ используется для сплавов черных металлов. Таким образом, предложенная лигатура является комплексной и универсальной для различных типов сплавов.
В предложенном модификаторе присутствует дисперсная эвтектика системы алюминий-кальций, которая состоит из твердого раствора α-Al и интерметаллического соединения CaAl₄, образующегося по перитектической реакции при температуре 700 °С. Объемная доля CaAl₄ в эвтектике составляет от 15 до 33 % объемных. Фаза CaAl₄ имеет алмазную кристаллическую решетку [2] и является структурообразующим элементом, то есть центром кристаллизации в сплавах. Благодаря этому предложенные лигатуры обладают высокими прочностными, коррозионными и литейными свойствами, которые передаются модифицируемым алюминиевым сплавам.
Для приготовления предлагаемого модификатора был оптимизирован химический состав каждой лигатуры в соответствии с температурами их плавления, которые представлены в таблице 1. Лигатуру следует вводить в расплав при непрерывном перемешивании с использованием колокольчика при температуре 700–720 °С. При этом содержание кальция в расплаве силумина должно составлять не менее 0,05% для доэвтектических сплавов, а для эвтектических и заэвтектических – не более 0,10% (по массе). После введения лигатуры расплав выдерживается не менее 15 минут, после чего его разливают в металлические формы. Результаты испытаний и сравнительная оценка характеристик модифицированного сплава АЛ9, полученного с использованием заявляемых составов и прототипа, приводятся в табл. 2 и 3.
Способ приготовления и изучения механических свойств сплавов системы алюминий-кремний марки АЛ9. Сплавы готовили в плавильной печи сопротивления типа НН-М01 в корундовых тиглях под слоем флюса из искусственного карналлита, состоящего из 35% MgCl₂, 47% KCl и 18% NaCl. В отдельных случаях плавка проводилась в атмосфере инертного газа при температуре в интервале 650–720 °С. Шихтовка сплавов выполнялась с учетом угара металлов. Химический состав полученных сплавов контролировался с помощью современного спектрального квантометра SpectroLab М, а также взвешиванием металлов до и после плавления.
Для приготовления сплавов использовался кальций металлический марки КМ1 (ГОСТ 40393-74) с суммарным содержанием примесей 0,02% (по массе) и алюминий марки А995 (ГОСТ 11069-74). После плавки из полученных сплавов отливали образцы в графитовые изложницы с круглым сечением диаметром 10 мм и длиной 15–20 мм для механических испытаний. Жидкотекучесть сплавов определялась методом спиральной пробы в соответствии с ГОСТ 16438-70 по результатам трех заливок при температуре 790 °С в металлические формы.
К преимуществам предлагаемого модификатора следует отнести:
1. Комплексность состава: Предлагаемый модификатор включает два вида лигатур, что делает его комплексным.
2. Улучшение механических и литейных свойств: после его применения улучшаются не только механические свойства (твердость, предел прочности на разрыв и относительное удлинение), но и литейные характеристики, такие как однородность, жидкотекучесть и формозаполняемость алюминиевых сплавов (см. табл. 2).
3. Устойчивость и удобство эксплуатации: Модификатор намного устойчивее на открытом воздухе, удобен в хранении и эксплуатации.
4. Долговечность эффекта модифицирования: Эффект модифицирования сохраняется более 10 часов при выдержке расплава перед заливкой в формы, а также сохраняется даже после переплава.
5. Рационализация с газами и улучшение качества сплавов: Кальций, входящий в состав модификатора (см. табл. 1), взаимодействует в алюминиевых расплавах с серой, водородом и другими газами, что способствует их рафинированию. Например, образующийся в результате взаимодействия кальция с водородом экзотермический твердый гидрид CaH₂ выводится в шлак, освобождая алюминиевый сплав от «водородной хрупкости». В результате этого снижается пористость отливок и увеличивается их плотность (см. табл. 2).
Рафинирование сплавов черных металлов: Кальций (45% по массе), входящий в состав модификатора, взаимодействуя с алюминием, образует интерметаллическое соединение CaAl₂ с температурой плавления 1079°С. Это соединение рекомендуется для раскисления, дегазации, модифицирования и рафинирования сплавов черных металлов. Соединение CaAl₂ имеет структуру типа фаз Лавеса с кристаллической решеткой алмаза [2] и используется в качестве упрочняющей фазы при производстве жаропрочных и износостойких сталей и чугунов.
