Способ получения слитков из алюминиевых сплавов полунепрерывным литьем
Владельцы патента RU 2430807:
Учреждение Российской академии наук Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к металлургии. Способ включает введение в расплав в кристаллизаторе частиц оксида алюминия в виде прутка. Пруток изготовляют путем помещения гранул из алюминиевого сплава в контейнер, его нагрева и прессования с дроблением оксидной пленки гранул на дисперсные частицы при формировании прутка в отверстии фильеры пресса. Обеспечивается дисперсное упрочнение алюминиевого сплава частицами оксида алюминия, повышение пластичности сплава и упрощение технологии изготовления гранул. 1 табл.
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 Аl2О3 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 Аl2О3, для чего частицы оксида алюминия Аl2О3 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 Аl2О3, 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 α-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 α-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 σв | Предел текучести, σ0,2 | Относительное удлинение, δ |
| 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 |
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.
