Способ обработки алюминиевых сплавов

 

Использование: обработка алюминиевых сплавов с помощью универсальных флюсов. Сущность изобретения: алюминиевый сплав обрабатывают плавом хлоридов титаномагниевого производства, содержащим тетрахлорид титана, хлориды железа, натрия, калия, алюминия и соединения ниобия, в который дополнительно вводят хлориды меди, циркония и соединения ванадия, при этом общее количество добавок составляет (0,1 - 0,5) : 1% массы расплава. При взаимодействии с расплавом последний модифицируется цирконием и ванадием, обеспечивая значительное повышение механических свойств сплава. Одновременно расплав рафинируется от кальция. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам обработки алюминиевых сплавов с помощью универсальных флюсов, предназначенных для модифицирования и рафинирования сплавов. Целью изобретения является повышение механических свойств сплавов и снижение затрат на их производство. Указанная цель достигается тем, что в способе обработки алюминиевых сплавов, включающем введение в расплав добавок тетрахлорида титана, хлоридов железа, оксихлорида ванадия, хлоридов натрия, калия, алюминия в составе плава хлоридов титаномагниевого производства, в расплав дополнительно вводят хлориды меди, магния, циркония и оксид ниобия, при этом общее количество добавок составляет (0,1-0,5):1% массы расплава. В качестве добавок использован состав, мас. Тетрахлорид титана 7-9 Хлорид железа 1-3 Хлорид натрия 2-8 Хлорид калия 3,4-3,7 Хлорид магния 13-23 Хлорид алюминия 1,5-2,5 Оксид ниобия 1,8-2,2 Оксихлорид ванадия 0,6-10,0 Хлорид меди 49-53 Хлорид циркония 2,7-3,0 Сущность предложенного способа обработки алюминиевых сплавов заключается в том, что расплав металла обрабатывают плавом хлоридов титаномагниевого производства, содержащим, мас. Тетрахлорид титана 7-9; Хлорид железа 1-3; Хлорид натрия 2-8; Хлорид калия 3,4-3,7; Хлорид алюминия 1,5-2,5; Оксихлорид ванадия 0,6-10,0, в который дополнительно вводят хлориды меди, циркония, магния и оксид ниобия, при этом общее количество добавок составляет (0,1-0,5): 1% массы расплава. В отличие от известного способа обработки алюминиевых сплавов, выбранного в качестве прототипа, дополнительное комплексное введение в расплав хлористого циркония и хлоридного соединения ванадия обеспечивает более полное модифицирование структуры сплава за счет измельчения эвтектики и вторых фаз. По известным данным исследование микроструктуры алюминиевых сплавов с добавками титана, циркония показало, что в этих сплавах дендриты алюминия зарождаются на частицах типа TiAl₃ и ZrAl₃. По-видимому высокая плотность устойчивых частиц, образующих микрогетерогенность внутри зерен твердого раствора, обеспечивает увеличение пластичности и прочности сплава. В отличие от известного способа плав, дополнительно содержащий хлористую медь в количестве 49,0-53,0 мас. обеспечивает снижение вязкости и плавкости солевой системы, что способствует максимальному усвоению расплавом таких модифицирующих элементов как цирконий и ванадий. Использование хлористой меди позволяет снизить затраты на производство сплава за счет уменьшения расхода меди на легирование при шихтовке путем усвоения расплавом меди из плава. Эффект легирования сплава медью (упрочняющая добавка) в предложенном способе основан на введении ее в расплав из галогенных соединений, что обеспечивает быстрое усвоение восстановленной меди и других компонентов плава алюминием. Аналогичное влияние оказывает и хлорид магния. В отличие от известного способа количество вводимого плава составляет 0,1-0,5% массы обрабатываемого расплава, что уменьшает вредные выбросы в атмосферу газов продуктов взаимодействия плава с расплавленным металлом и одновременно позволяет достичь более высокий уровень механических свойств. Как показали исследования, использование предложенного способа для обработки алюминиево-кремниевых порошковых сплавов типа АК12Д (ТУ-5-248-85) гарантирует их рафинирование от кальция, снижая его содержание в расплаве с 0,05-0,03 до требуемой величины, которая составляет не более 0,02% Полученные результаты показали, что обработка плавом, дополнительно содержащим хлористую медь, позволяет повысить содержание меди в готовом сплаве на 0,1% т.е. снизить расход катодной меди на 1 кг на тонну сплава. Учитывая разницу в стоимости меди и флюса достигается значительное снижение затрат на производство сплава. Дополнительное снижение затрат обеспечивается также за счет операции дополнительного рафинирования от кальция и снижения уровня брака готовой продукции. Поиск по источникам научно-технической информации и патентной документации показал, что в известных способах обработки алюминиевых сплавов с целью рафинирования и модифицирования их не встречаются признаки, являющиеся отличительными для предлагаемого способа. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия", т.к. представляет собой новую совокупность признаков, обеспечивающую достижение положительного эффекта, заключающегося в повышении механических свойств сплавов и снижении затрат на их производство. Описание примеров конкретного выполнения предложенного способа обработки сплавов. Указанный способ был опробован при проведении опытных лабораторных плавок на сложнолегированном поршневом сплаве АК12Д (ТУ-48-5-248-83). При проведении плавок испытывались плавы по химическому составу, отвечающие граничным значениям заявляемого интервала (плавы N 2, 4) среднему значению (плав N 3), а также приграничным значениям (плав N 1, 5). Химический состав плавов приведен в табл. 1 (мас.). Перед применением плав измельчили и просушили в муфельной печи при 250^оС в течение 6 ч. Шихту загружали в графитошамотные тигли емкостью 5 кг и подвергали расплавлению в электрических печах сопротивления. Температуру расплава измеряли переносной термопарой ТХА. После растворения компонентов сплава и достижения необходимой температуры расплава (780^оС) взвешенные порции плава составов 1-5 заворачивали в фольгу и вводили в расплав при помощи дырчатого короба "колокольчика" под уровень расплава. При проведении опытных плавок количество вводимого плава варьировали в пределах 0,05-0,6% от массы обрабатываемого расплава. После завершения обработки, длительность которой составляла 15-20 мин (определяется по прекращению барботажа расплава продуктами реакции плава и дымления), и отстаивания расплава для достижения установленной температуры выливки (720^оС) с поверхности металла снимали шлак и отливали в изложницы образцы для механических испытаний, а также отливали пробы для анализа химсостава сплава. П р и м е ч а н и е. Химсостав проб сплава определяли на эмиссионном квантометре ARL-34000. Механические свойства материала определяли на литых образцах, изготовленных без термообработки, используя разрывную машину Р-10. Данные по опытным лабораторным плавкам сплава АК12Д, содержащие результаты рафинирования от кальция, легирования и модифицирования (которое проявляется в изменении механических свойств материала в литом состоянии), при обработкe плавами сведены в табл. 2. При обработке сплава плавом заявляемого состава в сплав из флюса переходят медь, цирконий и ванадий, т.е. остальные компоненты плава являются химически инертными по отношению к сплаву. Исходный состав сплава АК12Д, который подвергался обработке по предложенному способу различными плавами следующий, мас. Si 12,7 Mg 1,0 Mn 0,4 Ni 0,95 Ti 0,075 Cu 1,71 Zr 0,0007 V 0,0002 Ca 0,03 Nb Следы Al Основа Обоснование интервалов предложенного способа обработки сплавов. Данные опытных лабораторных плавок (табл. 2) свидетельствует о том, что обработка сплава АК12Д плавами по предложенному способу приводит к увеличению механических свойств материала сплава за счет модифицирования структуры, легирования и рафинирования от кальция. Например, при оптимальном варианте обработки сплава плавом 3 (являющимся средним по химическому составу в заявляемом диапазоне, т.е. между плавами N 2 и 4) и количестве вводимого плава (% от массы плавки), равном 0,05; 0,1; 0,3; 0,5; 0,6, временное сопротивление образцов разрыву (σ_в кг/мм²) и относительное удлинение ( δ,) соответственно составили 20,9; 25,1; 25,2; 25,4; 25,5 (кг/мм²) 0,8; 1,4; 1,3; 1,5; 1,5 (%) У сплава АК12Д, не обработанного плавами, σ_в 20 кг/мм²; δ= 0,5% У сплава, обработанного плавом в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа, σ_в 21,5 кг/мм², δ= 0,8% Обработка сплава по предлагаемому способу приводит (по сравнению с прототипом) к увеличению прочности материала в литом состоянии в среднем на 18% а пластичности в 2 раза, что вызвано более полным модифицированием структуры. Обработка сплава плавом в количестве менее чем 0,1% от массы расплава не приводит к увеличению механических свойств по сравнению с исходным их уровнем. Применение плава в количестве более чем 0,5% массы расплава нецелесообразно, т. к. прочность и пластичность материала сплава практически не превышают уровень свойств, достигнутыx при обработке плавки в количестве 0,5% и приведет только к перерасходу плава. Применение дополнительно вводимых модифицирующих добавок в виде хлористого циркония и хлористого соединения ванадия в составе плава 1 по хим. составу, отвечающему нижнему запредельному значению, не обеспечивает повышение прочности и пластичности материала сплава (по сравнению с исходным сплавом) вследствие отсутствия модифицирующего эффекта из-за низкого усвоения сплавом элементов-модификаторов Zr и V. Необходимо отметить, что при обработке сплава плавом, отвечающим по химическому составу прототипу, усвоение ванадия расплавом не наблюдается. Применение плава 5 по хим.составу, отвечающему верхнему запредельному значению, не приводит к дальнейшему увеличению эффекта модифицирования, т.к. усвоение модификаторов Zr, V остается на уровне, достигнутом при обработке плавом 4, который по хим.составу отвечает верхней границе заявляемого интервала. По указанной причине и уровень механических свойств сплава практически остается равным уровню свойств, достигнутых при обработке плавом 4. Но при этом значительно возрастает количество образующихся газообразных продуктов, ухудшающих санитарные условия труда, и возрастают потери ценных компонентов за счет высокой летучести составляющих плава. Таким образом, введение в расплав хлористого циркония, оксида ниобия и хлоридного соединения ванадия в составе плава в заявляемых пределах (%) 2,7-3,0, 1,8-2,2 и 0,6-10,0 соответственно обеспечивает эффект модифицирования, который подтверждается измельчением структуры, увеличением усвоения модификаторов сплавом и повышением уровня механических свойств материала сплава. Хотя примененный метод анализа не показал присутствия ниобия в сплавах, по-видимому, из-за недостаточно высокого качества эталонов, его присутствие было подтверждено дополнительными исследованиями на растровом электронном микроскопе и анализаторе системы "Самевак". Обнаруженные фазы можно классифицировать как NbAl₃ и NbSi₂, также присутствует незначительное количество тройной фазы NbZrAl₆. Все указанные соединения являются хорошими модификаторами Al-Si сплавов (Л.Ф.Мендельфо "Структура и свойства алюминиевых сплавов" М. Металлургия 1979, стр. 338-339). Однако эффективность данных компонентов обусловлена содержанием хлористой меди в солевой системе. Как известно, эффективность процесса модифицирования солевыми системами, определяется коэффициентом диффузии, который в свою очередь, определяется температурой плавления расплава и его вязкостью. Так, температура плавления смеси хлоридов калия, натрия и магния в количествах, указанных ранее, составляет 550^оС, а вязкость 1,6 cП. Содержание хлорида магния в этой системе должно быть в пределах 13-23% При уменьшении или увеличении его количества вязкость возрастает до 2 сП и более. Введение в данную систему хлоридов циркония и ванадия в количествах, достаточных для достижения эффекта модифицирования 3-5% каждого, приводит к повышению температуры плавления плава до 700-750^оС, а вязкости до 5,0-5,5 сП. Аналогичное влияние оказывает оксид ниобия. С целью снижения температуры и вязкости в систему дополнительно вводится хлористая медь в количестве 49,0-53,0% что позволяет достичь температуры 600-650^оС, а вязкости 2,5-3,5 сП. Введение хлорида меди менее 49,0% как это видно из табл. 2 (опыты с плавом 1), не обеспечивает усвоения модифицирующих компонентов и, как следствие, не обеспечивает роста свойств сплава. Введение хлорида меди более 53,0% нецелесообразно из-за отсутствия дальнейшего повышения свойств сплава, которое обусловлено превышением потерь ценных компонентов плава, находящихся в летучих формах, над их усвоением в расплаве металла. Используемый в заявляемом способе плав является отходом переработки тетрахлорида титана. Конечный плав реагент для модифицирования и рафинирования получают введением смеси солей циркония и ванадия в расплавленные отходы переработки тетрахлорида титана, в зависимости от требований к конечному продукту. На данной стадии вводят и медь в виде хлоридов меди или пульпы медного порошка в тетрахлориде титана. В рассматриваемом оптимальном варианте осуществления способа обработки сплава АК12Д плавом N 3 при 780^оС и количестве плава, равном 0,05; 0,1; 3,0, 0,5; 0,6% от массы плавки, достигнуто соответствующее снижение кальция в расплаве (%): 0,024; 0,018; 0,014; 0,009; 0,008. Для достижения требуемой величины рафинирования сплава от кальция (содержание Са 0,02%) количество плава должно быть по отношению к массе плавки ≥ 0,1% Введение плава хлоридов металлов в количестве более 0,5% нерационально, т. к. сопровождается интенсивным дымлением (выбросами в окружающую среду), что потребует дополнительных мер по газоочистке в литейных отделениях. Кроме этого, необходимый уровень рафинирования сплава от кальция достигается при меньшем количестве плава. Таким образом, использование предложенного способа обработки сплавов плавами с указанными диапазонами по их химическому составу, в количестве 0,1-0,5% от массы плавки позволяет повысить механические свойства, а также снизить затраты на их производство путем уменьшения расхода чистой меди на легирование сплава. Предложенный способ испытан в процессе промышленных исследований при приготовлении сплава АК112Д на Новокузнецком алюминиевом заводе. Данные по промежуточным и заключительным исследованиям качества штамповок поршней шифра ДРЦ-23, изготовленных из опытных партий слитков сплава АК12Д, обработанного плавом. Прочностные свойства материала штамповок поршней из сплава АК12Д, обработанного по предложенному способу, выше требований ТУ-1-801-351-84 в 1,2 раза, а пластичность материала в днище и юбке поршня выше требований в 3 раза и
1,5 раза соответственно. Экономический эффект достигается за счет повышения свойств материала и соответственно увеличения моторесурса двигателей внутреннего сгорания, а также за счет использования недорогих легирующих компонентов, усваивающихся сплавом из плава.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий введение в расплав добавок тетрахлорида титана, хлоридов железа, натрия, калия, алюминия и оксихлорида ванадия в составе плава хлоридов титаномагниевого производства, отличающийся тем, что, с целью повышения механических свойств и снижения себестоимости сплавов, в расплав дополнительно вводят оксид ниобия и хлориды меди, циркония и магния, при этом общее количество добавок составляет (0,1 - 0,5) : 1,0 мас.% расплава. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве добавок используют состав, мас.%:
Тетрахлорид титана - 7 - 9
Хлорид железа - 1 - 3
Хлорид натрия - 2 - 8
Хлорид магния - 13 - 23
Хлорид калия - 3,4 - 3,7
Хлорид алюминия - 1,5 - 2,5
Оксихлорид ванадия - 0,5 - 10,0
Оксид ниобия - 1,8 - 2,2
Хлорид меди - 49 - 53
Хлорид циркония - 2,7 - 3,0

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2