способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл для выплавки литейных алюминиевых сплавов

Формула изобретения

1. Способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл для выплавки литейных алюминиевых сплавов, включающий расплавление алюминия и обработку расплавленного алюминия галогенидом тугоплавкого металла при воздействии электромагнитными импульсами, отличающийся тем, что обработку расплавленного алюминия осуществляют продавливанием через слой гранул галогенида тугоплавкого металла при воздействии наносекундными электромагнитными импульсами мощностью 600-900 МВт/м³, при этом одновременно с продавливанием расплав вращают и распыляют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продавливание расплавленного алюминия через слой галогенида тугоплавкого металла осуществляют давлением инертного газа на зеркало расплава в пределах (1,5-3)·10⁵ Па.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что распыление расплава осуществляют при остаточном давлении окружающего воздуха 2-8 кПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при приготовлении лигатур алюминий - тугоплавкие металлы для выплавки литейных алюминиевых сплавов и получении из них точных отливок.

В настоящее время из алюминиевых сплавов в процессах литья широко используются силумины. Учитывая, что эти сплавы являются эвтектическими, они обладают достаточно высокими литейными свойствами (повышенная жидкотекучесть, склонность к образованию концентрированной усадочной раковины и др.). Однако для них характерны относительно низкие прочностные характеристики, в особенности при повышенных температурах эксплуатации литых деталей в современном машиностроении, развитие которого объективно повышает требования к точному литью.

Одним из эффективных направлений создания высокопрочных силуминов является их легирование тугоплавкими металлами (элементы переходных групп: молибден, вольфрам, скандий, титан, медь, цирконий и др.) /Колобнев И.О., Крымов В.В., Мельников А.В. Справочник литейщика. Цветное литье легких сплавов. - М.: Машиностроение, 1974. - С.16...17/. Указанный процесс осложняется низкой растворимостью легирующих элементов, их высокими температурами плавления. В известных высокопрочных литейных алюминиевых сплавах наибольшее распространение нашли титан, цирконий, скандий. Использование более тугоплавких металлов, например таких как молибден, вольфрам, представляется проблематичным. Поэтому идут по пути предварительного приготовления лигатур с использованием химических соединений тугоплавких металлов. Однако и в этом случае подготовка лигатуры алюминий - тугоплавкий металл характеризуется высокими температурой перегрева, низкой растворимостью и неравномерностью распределения легирующих элементов.

Известен способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл, включающий обработку алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла /Разрушение алюминиевых сплавов при растягивающих напряжениях. Коллективная монография под ред. М.Е.Дрица. - М.: Наука, 1973. - С.85...87/. Недостаток этого способа аналогичен выше указанному способу.

Наиболее близким по технической сущности выступает способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл для выплавки литейных алюминиевых сплавов, включающий расплавление алюминия и обработку расплавленного алюминия галогенидом тугоплавкого металла при воздействии электромагнитными импульсами /Патент РФ № 2232827. Способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл. Знаменский Л.Г. Бюллетень изобретений № 20, 2004 г./.

Известное техническое решение обеспечивает возможность легирования алюминия скандием, титаном, цирконием и др., при снижении температур и продолжительности приготовления соответствующих лигатур. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:

- невозможность электроимпульсной активации больших объемов металла ввиду локального характера воздействия НЭМИ;

- недостаточная эффективность «усвоения» тугоплавких металлов при их введении в расплав способом «колокольчика»;

- невозможность создания наноструктур из образующихся интерметаллидов при разливке жидких лигатур на воздухе (при невысоких скоростях охлаждения расплава;

- недостаточная равномерность распределения тугоплавких легирующих элементов в металлической матрице.

Кроме того, явления наследования структуры лигатур рабочими алюминиевыми сплавами, полученными с их использования, выражены в недостаточной степени, что существенно сдерживает достижение потенциально возможного уровня улучшения свойств сплавов и отливок.

В основу изобретения положена задача - создать такой способ приготовления лигатур алюминий - тугоплавкие металлы, который обеспечил бы высокую степень равномерности распределения тугоплавких металлов в алюминиевой матрице и создание наноструктур из образующихся интерметаллидов, а также наследования их структуры и свойств рабочими алюминиевыми сплавами для достижения их повышенных физико-механических характеристик.

Указанная задача решается таким образом, что в способе приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл, включающем расплавление алюминия и обработку расплавленного алюминия галогенидом тугоплавкого металла при воздействии электромагнитными импульсами, согласно изобретению обработку расплавленного алюминия осуществляют продавливанием через слой гранул галогенида тугоплавкого металла при воздействии наносекундными электромагнитными импульсами мощностью 600...900 МВт/м³, при этом одновременно с продавливанием расплав вращают и распыляют. Продавливание расплавленного алюминия через слой галогенида тугоплавкого металла осуществляют давлением инертного газа на зеркало расплава в пределах (1,5...3)·10 ⁵ Па, а распыление расплава производят при остаточном давлении окружающего воздуха 2...8 кПа.

Продавливание расплавленного алюминия через слой галогенида тугоплавкого металла в поле наносекундных электромагнитных импульсов обеспечивает высокую удельную (на единицу объема) мощность воздействия последних на протекание реакций восстановления жидким алюминием тугоплавкого металла на атомарном уровне. Использование наносекундных электромагнитных импульсов мощностью 600...900 МВт/м³ создает условия для максимального усвоения этого атомарного тугоплавкого металла и его равномерного распределения в алюминиевой матрице.

Распыление расплава обеспечивает высокую скорость охлаждения легированного тугоплавкими металлами алюминия (10 ⁷...10¹⁰ °С/с). Вследствие этого формируются интерметаллиды (алюминий - тугоплавкий металл) в нанометровом масштабе, структура которых наследуется при получении с применением лигатур рабочих алюминиевых сплавов. Эти наноструктуры выступают эффективными центрами кристаллизации и обеспечивают мощный модифицирующий эффект. Распыление расплава в вакууме при остаточном давлении окружающего воздуха 2...8 кПа представляется наиболее эффективным, поскольку при этом блокируется нежелательное окисление алюминия. В результате всего этого достигается значительное упрочнение рабочих алюминиевых сплавов и повышается качество отливок.

Обработка алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла с одновременным воздействием на него наносекундными электромагнитными импульсами обеспечивает электрофизическую активацию взаимодействия указанных компонентов, что приводит к ускоренному выделению продукта реакции - атомарного тугоплавкого металла при более низких температурах перегрева алюминия. «Передача» в поле НЭМИ избыточной энергии атомам тугоплавкого металла создает условия для резкого повышения его растворимости и равномерного распределения в алюминии.

Предлагаемый способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл осуществляют следующим образом.

Расплавляют в плавильно-заливочной установке технический алюминий и перегревают его до температур 750...800°С. Алюминиевый расплав продавливают через слой галогенида тугоплавкого металла, в качестве которого могут быть использованы хлориды или фториды молибдена, вольфрама, титана, циркония, хрома (металлы переходных групп таблицы химических элементов Д.И.Менделеева). При этом галогенид тугоплавкого металла находится в токопроводящем, например графитовом, перфорированном стакане, предварительно подсоединенном к генератору НЭМИ мощностью 600...900 МВт/м³ /Патент РФ № 2030097, МКИ Н03К 3/33, 3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов. Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92/. Продавливание осуществляют, воздействуя на зеркало жидкого алюминия инертным газом, например аргоном, под давлением (1,5...3)·10 ⁵ Па. Одновременно с фильтрацией расплава через слой галогенида тугоплавкого металла производят вращение перфорированного стакана и распыление легированного алюминия при остаточном давлении воздуха 2...8 кПа. Подготовленную лигатуру алюминий - тугоплавкий металл в виде гранул используют для получения силуминов и точного литья.

Оптимальность значений мощности НЭМИ 600...900 МВт/м ³ диктуется возможностью эффективного влияния на скорость взаимодействия жидкого алюминия с галогенидом тугоплавкого металла и достижения при этих параметрах существенного повышения растворимости и равномерности распределения тугоплавких легирующих элементов в матрице, измельчения ее структуры до наноуровня, обеспечивающих улучшенный комплекс свойств лигатур и получаемых с их применением силуминов и точных отливок.

При мощности НЭМИ меньше, чем 600 МВт/м³ изменение свойств лигатуры алюминий - тугоплавкий металл незначительно. Поэтому положительные эффекты при ее использовании в точном литье силуминов выражаются слабо. Воздействие НЭМИ с мощностью больше, чем 900 МВт/м ³ нецелесообразно по причине возрастания энергетических затрат.

Давление инертных газов на зеркало алюминиевого расплава в пределах (1,5...3)·10⁵ Па обеспечивает необходимую скорость фильтрации и взаимодействия между расплавом алюминия и галогенидом тугоплавкого металла.

Распыление металла при остаточном давлении 2...8 кПа блокирует окисление алюминия и максимально снижает количество неметаллических включений.

Предлагаемый способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Плавку проводят в плавильно-заливочной установке, например марки «Лин электроник» (Германия) или «Модулар» (Италия) /Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. - Спб.: Политехника, 1996. - С.179...180/. Расплавляют технический алюминий марки А85 массой 15 кг и перегревают его до 750°С. Температуру контролируют по показаниям платино-платинородиевой термопары, встроенной в печь. В перфорированный графитовый стакан высотой и диаметром 50 мм, установленный в заливочную камеру установки, засыпают гранулированный порошок MoCl₅. Стопор в плавильной камере и стакан в заливочной камере установки подсоединяются к генератору НЭМИ /Патент РФ № 2030097, МКИ Н03К 3/33, 3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов. Белкин B.C., Шульженко Г.И. Заявл. 17.01.92/. Создают давление аргона на зеркало расплавленного алюминия в плавильной камере установки и осуществляют его продавливание через слой галогенида тугоплавкого металла (MoCl₅) при включенном генераторе НЭМИ мощностью 800 МВт/м³ с одновременным вращением стакана со скоростью 240 об/мин и распылением легированного алюминия в вакууме при остаточном воздушном давлении в заливочной камере установки 5 кПа. В ходе испытаний варьируют давление аргона: (1,5; 2; 3)·10⁵ Па.

Форма, средний размер и распределение интерметаллидных включений в алюминиевой матрице зафиксированы с использованием электронного растрового низковакуумного микроскопа JEOL JSM 6460LV с волновым и энергодисперсионным анализаторами.

Подготовленные таким образом лигатуры применены для выплавки рабочего алюминиевого сплава АК12ч, дополнительно легированных 0,2...0,4 мас.% Мо. Влияние способов приготовления лигатур Al-Mo (прототип и разработанный вариант при разных давлениях инертного газа) на их свойства и характеристики силуминов представлено в табл.1.

Таблица 1
Влияние способов приготовления лигатуры Al-Mo на свойства лигатуры и рабочего алюминиевого сплава
Свойства	Прототип	Давление инертного газа, ×105 Па
		1,5	2	3
1. Степень усвоения тугоплавкого металла в матрице, %	20...25	65	58	49
2. Продолжительность приготовления лигатуры, мин	20...40	15	12	10
3. Средний размер интерметаллидов в лигатуре, мкм	5...8	0,4	0,2	0,1
4. Степень усвоения лигатуры, %	30...40	68	70	75
5. Средний размер интерметаллидов в рабочем сплаве, мкм	8...20	0,5	0,3	0,2
6. Размер зерна в рабочем сплаве, мкм	70...100	12	11	10
7. Предел прочности, МПа при температурах:
а) 20°С	490	510	550	560
б) 300°С	184	240	270	280
8. Твердость, НВ	124	170	185	190
Примечание. Аналогичные результаты получены при обработке расплавленного алюминия хлоридом вольфрама

Пример 2. Приготовление лигатуры алюминий молибден осуществляют аналогично примеру 1, но в ходе подготовки варьируют. В ходе испытаний варьируют мощность НЭМИ: 600, 800, 900 МВт/м³. Влияние этого параметра обработки на свойства лигатуры Al - Мо и рабочего алюминиевого сплава представлено в табл.2. Значения показателей по разработанному способу приведены при давлении инертного газа (Ar) на зеркало расплавленного алюминия 2·10⁵ Па.

Таблица 2
Влияние мощности НЭМИ на свойства лигатуры Al-Мо и рабочего алюминиевого сплава
Свойства	Мощность НЭМИ, МВт/м3
	600	800	900
1. Степень усвоения тугоплавкого металла в матрице, %	46	58	61
2. Продолжительность приготовления лигатуры, мин	12	12	12
3. Средний размер интерметаллидов в лигатуре, мкм	0,4	0,2	0,1
4. Степень усвоения лигатуры, %	55	70	73
5. Средний размер интерметаллидов в рабочем сплаве, мкм	0,5	0,3	0,2
6. Размер зерна в рабочем сплаве, мкм	18	11	9
7. Предел прочности, МПа при температурах:
а) 20°С	520	550	560
б) 300°С	195	270	290
8. Твердость, НВ	163	185	190

Пример 3. Способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл в этом случае аналогичен представленному в примере 1, но варьируется остаточное давление воздуха в заливочной камере установки при распылении легированного алюминия при вращении. Влияние этого показателя на свойства лигатуры и рабочего алюминиевого сплава приведено в табл.3. Значения показателей по разработанному способу приведены при давлении инертного газа (Ar) на зеркало расплавленного алюминия 2·10⁵ Па и мощности НЭМИ 800 МВт/м³.

Таблица 3
Влияние остаточного давления в заливочной камере на свойства лигатуры Al-Мо и рабочего алюминиевого сплава
Свойства	Остаточное давление воздуха, кПа
	2	5	8
1. Средний размер интерметаллидов в лигатуре, мкм	0,1	0,2	0,6
2. Степень усвоения лигатуры, %	78	70	64
3. Средний размер интерметаллидов в рабочем сплаве, мкм	0,2	0,3	0,8
4. Размер зерна в рабочем сплаве, мкм	10	11	15
5. Предел прочности, МПа при температурах:
а) 20°С	560	550	530
б) 300°С	280	270	230
6. Твердость, НВ	195	185	180

Результаты этих испытаний показывают, что по сравнению с прототипом заявленный способ обеспечивает переход от интерметаллидов размеров 5...8 мкм, пронизывающих зерна алюминиевой матрицы и «ослабляющих» ее, к сильно диспергированным компактным включениям со средним размером 0,1...0,5 мкм. Такая структура практически в нанометровом масштабе характеризуется высокой степенью равномерности распределения тугоплавких легирующих элементов в алюминиевой матрице и создает условия для эффективного наследования ее свойств в рабочем сплаве и усиления модифицирующего эффекта при выплавке силуминов с использованием приготовленных по разработанному способу лигатур. В результате обеспечивается повышение практически в 2...3 раза степени усвоения тугоплавкого легирующего элемента в матрице, самой лигатуры в рабочем алюминиевом сплаве. В целом, достигаются высокое качество приготовления модифицирующей лигатуры и увеличение на 30...40% прочностных характеристик указанных алюминиевых сплавов, в особенности при повышенных температурах.

Заявленный способ опробован при изготовлении литьем по вытяжным резиновым моделям в высокопористые формы на гипсовом связующем алюминиевых колес компрессоров двигателей внутреннего сгорания. Отмечено улучшение качества этих точных отливок ответственного назначения.

Учитывая, что заявленный способ приготовления лигатуры алюминий - тугоплавкий металл, по-сути, является основой нанотехнологии, он может быть использован в точном литье из алюминиевых сплавов для нужд машиностроения, приборостроения, аэрокосмического комплекса.