способ получения слитков из алюминиевых сплавов полунепрерывным литьем

Формула изобретения

Способ получения слитков из алюминиевых сплавов полунепрерывным литьем, включающий введение в расплав частиц оксида алюминия, отличающийся тем, что частицы оксида алюминия вводят в расплав в кристаллизаторе в виде прутка, изготовленного путем помещения гранул из алюминиевых сплавов того же состава в контейнер и прессования контейнера с гранулами с одновременным дроблением оксидной пленки гранул на дисперсные частицы при формировании прутка в отверстии фильеры пресса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству литых изделий из алюминиевых сплавов, а именно слитков, отливаемых полунепрерывным способом.

Известен способ упрочнения алюминиевых сплавов путем замешивания в расплав частиц оксида алюминия Аl₂О₃ в объеме флюсовой смеси, состоящей из хлористых солей калия и натрия [Карасева Т.А. Упрочнение литейных алюминиевых сплавов замешиванием частиц окислов в расплав // Литейное производство. - 1984, № 5. - С.15-16].

Недостатки способа заключаются в необходимости выполнения целого ряда операций при приготовлении оксидно-флюсовой смеси: расплавления солей, замешивания в солевой расплав частиц оксида алюминия Аl₂O₃, размалывания затвердевшей композиции в бегунах, разделения полученного порошка на фракции, соответствующие определенным номерам сит.

Кроме того, солевые расплавы взаимодействуют с материалом плавильной емкости, приводя к ее разрушению и к попаданию продуктов этого взаимодействия в солевой расплав и, в конечном счете, в алюминиевый сплав, ухудшая его качество.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления алюминиевых сплавов с дисперсным упрочнением, включающий введение в расплавленный алюминиевый сплав быстро затвердевших гранул, отлитых из вспомогательного алюминиевого сплава и содержащих частицы оксида алюминия Аl₂О₃ [Способ изготовления алюминиевых сплавов с дисперсным упрочнением, Патент RU № 2083321, МПК B22D 19/14; B22D 11/00; B22D 21/04; С22С 21/00. Опубл. 10.07.1997].

Недостатки способа заключаются, во-первых, в необходимости применения достаточно сложной технологии приготовления вспомогательного алюминиевого сплава, из которого получают гранулы и в который до литья вводят, по меньшей мере, один реагент, образующий с компонентом или компонентами расплава упрочняющие дисперсные частицы, и металл, являющийся основой упрочняемого сплава, при этом одновременно вводят вещества, препятствующие коагуляции этих частиц (хлораты или перхлораты щелочных металлов, их нитраты, графит, газообразный азот или сочетания этих веществ и др.). Второй недостаток, вытекающий из первого, заключается в возможности загрязнения сплава чужеродными компонентами, содержащимися в гранулах (указанные в первом замечании - хлораты или перхлораты щелочных металлов, их нитраты, графит, газообразный азот или сочетания этих веществ и др.), что ухудшает качество сплава.

Задачей изобретения является обеспечение дисперсионного упрочнения алюминиевых сплавов частицами оксида алюминия Аl ₂О₃ при литье слитков полунепрерывным способом, упрощение технологии изготовления гранул и предотвращение загрязнения сплава чужеродными компонентами.

Поставленная задача достигается упрочнением алюминиевых сплавов, включающим введение в расплавленный сплав частиц оксида алюминия Аl₂О ₃, для чего частицы оксида алюминия Аl₂О ₃ при литье слитков полунепрерывным способом вводятся в расплав в кристаллизаторе в объеме прутка, отпрессованного из гранул из алюминиевых сплавов того же состава, причем поверхность гранул, состоящая из хрупкого оксида алюминия Аl₂О ₃, подвергается дроблению на частицы при формировании прутка в отверстии фильеры пресса в процессе прессования контейнера, содержащего гранулы.

В обычных условиях алюминий, включая и гранулы из алюминиевых сплавов, покрыт тонкой окисной пленкой толщиной 10^-5 мм, которая представляет собой наиболее устойчивую форму окиси алюминия - модификацию -Аl₂О₃, температура плавления которой составляет 2050°С и которая обладает исключительно высокой твердостью - 30,2 ед. HRC или 1000 МПа по Бринеллю, твердость по Моосу - 9 единиц, что соответствует твердости вдавливания 2060 МПа. При прессовании контейнера с гранулами в фильере пресса возникают значительные усилия (по расчетам для фильеры 9,5 мм - 300 МПа), что приводит к значительному раздроблению хрупкой окисной пленки -Аl₂О₃ на дисперсные частицы, которые и обеспечивают упрочнение сплава по механизму дисперсионного упрочнения. Кроме того, они могут служить и дополнительными центрами кристаллизации. Равномерность распределения частиц по объему слитка обеспечивается турбулентностью расплава в лунке кристаллизатора.

Пример. Работа выполнена при литье полунепрерывным способом слитков 120 мм из алюминиевого деформируемого сплава Д1 (по ГОСТ 47-84-97: 3,8-4,8% Сu; 0,4-0,8% Mg; 0,4-0,8% Mn; сумма примесей 0,1%; ост.- Аl). Сплав Д1 относится к системе Аl-Cu-Mg-Mn и является типичным представителем сплавов типа дуралюмин, широко применяющихся в производстве изделий авиационной и космической техники, а также в автомобилестроении, судостроении, строительстве и в других отраслях промышленности.

Прутки диаметром 9,5 мм изготовляли путем прессования тонкостенного цилиндрического контейнера ( 165 мм, Н=235 мм, толщина стенки 2 мм), изготовленного из сплава Д1 и заполненного гранулами из сплава Д1. Предварительно контейнер нагревали до 673 693 К, помещали в контейнер гидравлического пресса и с усилием прессования 100 120 тс со скоростью 3,5 см/с производили прессование прутков.

Отпрессованные из гранул прутки 9,5 мм вводили в расплав в кристаллизаторе при литье слитков 120 мм из сплава Д1 полунепрерывным способом, согласуя расход прутка со скоростью литья слитка.

Равномерность распределения выделяющихся из плавящегося прутка дисперсных частиц оксида алюминия по объему слитка обеспечивается турбулентностью расплава в кристаллизаторе, что подтверждается структурой шлифа, выполненного на продольном сечении слитка, на котором выявляется четкая линия раздела, повторяющая контур лунки и отделяющая объем слитка, в который вводили пруток, и который характеризуется однородной мелкокристаллической структурой по всему сечению, от структуры металла до введения прутка, которая характеризуется обычным для слитков строением - прилегающая к стенке водоохлаждаемого кристаллизатора наружная зона слитка имеет мелкокристаллическую структуру, затем следует зона столбчатой структуры с направлением кристаллов к центру слитка, и в центре слитка располагается зона крупных равноосных кристаллов.

Отлитые слитки прессовали в прутки диаметром 16 мм на гидравлическом прессе по стандартной технологии. Испытания механических свойств этих прутков показали (Таблица 1), что в результате введения в расплав прутка, отпрессованного из гранул сплава Д1, прочностные свойства оказались выше, чем при введении в расплав гранул в неспрессованном состоянии, а также выше свойств прутков, отпрессованных из слитков из сплава Д1, в который не вводили ни гранулы, ни отпрессованные из гранул прутки. При этом также повышается и относительное удлинение, характеризующее пластичность сплава.

Таблица 1
Механические свойства прутков 16 мм, отпрессованных из слитков 120 мм, отлитых из сплава Д1 в зависимости от технологии литья слитков
Технология литья слитков	Временное сопротивление в	Предел текучести, 0,2	Относительное удлинение,
величина (МПа)/прирост (%)*	величина (МПа)/прирост (%)*	величина (%)/прирост (%)*
Без введения гранул и прутков, отпрессованных из гранул	420	280	12,4
Введение гранул из сплава Д1 в лунку кристаллизатора в неспрессованном состоянии	430/2,38	304/8,57	13,0/4,76
Введение в лунку кристаллизатора прутка, отпрессованного из гранул сплава Д1	465/10,71	335/19,64	13,8/11,11
*прирост свойств относительно «безгранульной» технологии литья слитков