Модификатор алюмокремниевых сплавов

 

я.-. «1™ НЫСйа

ОПИС

ИЗОБРЕТЕНИЯ (l l) 655328

Союз Советских

Социалистических

Республик

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 28.10.76 (21) 2416995/22-02 (23) Приоритет — (32) 18.06.76 (51) М. Кл.-

С 22С 1,, 06

Государственный комитет (31) 70979/76 (33) Япония (43) Опубликовано 30.03.79. Бюллетень № 12 (53) УДК 621.745.55:

: 669.715:

: 669.131.622 (088.8) по делам изобретений открытий (45) Дата опубликования описания 30.03.79 (72) Автор изобретения и (71) заявитель

Иностранец

Масатоси Цуда (Япония) (54) МОДИФИКАТОР АЛЮМОКРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к области получения алюмокремниевых сплавов при помощи особых средств для воздействия на их структуру и направлено на разработку состава модификатора, эффективного независимо от содержания кремния в сплаве и от толщины литья.

3а прошедшие годы гиперэвтектические алюмокремниевые сплавы находят все большее применение в самолетостроении для изготовления ряда ответственных деталей, так как эти сплавы обладают очень хорошими свойствами. Так называемые гиперэвтектические алюмокремниевые сплавы содержат около 12% или более кремния и, кроме всего прочего, для литья и ковки применяются материалы на базе алюминиевых сплавов, которые содержат примерно от 17 до 25% кремния — это так называемые алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния, о которых известно, что они обладают очень хорошими свойствами, включая коэффициенты теплового расширения, которые ниже, чем у каких-либо других алюминиевых сплавов, удовлетворительную стойкость к износу и значительную термостойкость. Однако практически область применения алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния ограничена, так как после укрепления первичные кристаллы кремния вырастают в крупные зерна квадратной формы, вследствие чего механические свойсfва, включая способность к переработке

5 или обработке на машинах и станках, получаемых из планов материалов, ухудшаются.

Известными путями размещения зерен кристаллического кремния в алюминиевых

10 сплавах является добавление фосфора, введение в сплавы пятихлористого фосфора, сплавов Сп — Р, Ni — P, Fe — P, элементарного фосфора пли его смесей с КС1 или

K TiFq и т. п.

15 Каждый из данных методов обладает рядом недостатков: загрязнение окружающей среды соединениями фосфора или ухудшение качества обрабатываемых сплавов.

20 Наиболее близким к предлагаемому является модификатор, содержащий окись алюминия, фосфат натрия в форме метафосфата и фосфористую медь при следующем соотношении компонентов, вес. %:

СпР 5 — 20

А1 0з 10 — 35

NaPO3 50 — 80

Модификатор приготовлен путем сплав30 ленпя указанных составляющих и последу655328 до порошкообразиого

1ОЩЕГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ состояния (1).

Модификатор обеспечивает хорошее измельчение зерен кристаллов кремния в

А1 — Siсплаве,,однако недостатком его является опасность ухудшить состав сплава введением в него меди, особенно в результате повторных переплавов. Кроме того, наличие СиР в известном модификаторе делает его тяжелее обрабатываемого сплава и для эффективной обработки сплава потребуется перемешивание его, а это также приведет к переходу меди в сплав и ухудшит его состав.

Целью изобретения явл яется непрерывное измельчение первичных зерен кристаллического кремния при одновременном сохранении состава сплава.

Модификатор должен быть хотя бы таким же эффективным, как указанные средства на основе хлора или фтора, содержащие в качестве основного компонента пятихлористый фосфор (PClq), не должен образовывать вредных для работников газов, должен быть представлен в виде не пылящих стеклообразных или остеклованных сфероидов подходящего размера, не должен быть гигроскопичен и должен оыть простым в обращении и надежным в работе.

Идеальный модификатор и флюс для обработки расплавов алюминиевых сплавов должен адсорбировать или растворять окись алюминия, силикат и другие примеси; обладать относительно низкой реакционной температурой; иметь удельный вес меньше, чем у алюминия; быть экономичным и дешевым; не быть жидким; храниться без потерь своей эффективности; не образовывать вредных примесей при взаимодействии с расплавленным сплавом; быть безвредным; не быстро испаряться при температуре расплава. Кроме того, шлаки, образованные при применении флюса, должны легко отделяться от залитого основного металла.

Предлагаемый модификатор для измельчения зерен в алюминиевых сплавах с высоким содержанием кремния, содержащий окись алюминия, отличается тем, что он в качестве фосфата натрия включает гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, вес. :

Гексаметафосфат натрия 65 — 95

Окись алюминия 5 — 35 и имеет форму сфероидов диаметром от 5 до 40 мм.

Такой модификатор отвечает всем перечисленным выше требованиям.

На фиг. 1 показан внешний вид предлагаемого флюса в увеличенном масштабе; на фиг. 2 — отливка из 20О/о-ного кремнийалюминиевого сплава, включая первичные зерна кристаллического кремния, которые были измельчены посредством добавки

ЗО

65 предлагаемого флюса; на фиг. 3 — то же, но без добавки флюса; на фиг. 4 — графики, построенные по результатам экспериментов, на которых показано увеличение веса сырьевой массы и предлагаемого модификатора, обусловленное поглощением влаги; на фиг. 5 — графики, построенные по сравнительным опытам, проводимым с отливками из 20 /О-ного кремнийалюминиевого сплава с применением модификатора и без него; на фиг. 6 — графики, на которых показана зависимость между содержанием кремния в алюмокремниевом сплаве и величиной первичных зерен кристаллического кремния, которые образуются в отливках, получаемых с применением предлагаемого флюса и без него.

Предлагаемый модификатор получают следующим образом.

Приготавливается смесь из 95 — 65 вес. "/о гексаметафосфата натрия (ХаРОз) и 5—

35 вес. /О окиси алюминия (А1 0д) и при температуре около 1000 С или выше расплавляется. В этом состоянии расплавленная масса выдерживается соответствующее время при определенной температуре, вследствие чего пузырьки воздуха, заключенные в расплав, выходят из него наружу. После этого температура расплава понижается до тех пор, пока его вязкость не достигнет требуемой величины. Затем расплав наносят на металлическую плиту по каплям, благодаря чему модификатор приобретает желаемую форму. На фиг. 1 видно, что полученный на металлической плите модификатор имеет форму стеклообразных или остеклованных прозрачных сфероидов. Сам по себе гексаметафосфат натрия является очень гигроскопичным соединением. Было обнаружено, что при вышеописанной технологии, когда смесь фосфата с окисью алюминия расплавляется при соответствующей температуре, а затем расплав упрочняется тем, что образуются стеклообразные сфероиды подходящего размера, фосфат переходит во влажное состояние и не обладает более гигроскопичностью. Благодаря этому предлагаемый модификатор может храниться любым способом, а благодаря своей форме и размерам он легок в обращении.

Целесообразно формовать гранулы флюса диаметром примерно от 5 до 40 мм.

На фиг. 4 графически представлены результаты сравнительных опытов, проводимых с предлагаемым модификатором и сырьевой смесью. Влагопоглощение и соответствующее изменение веса измерялись в процентах к весу проб, когда они через девять суток при комнатных условиях сохраняли в среднем 60О/о влаги. Сырьевая смесь из гексаметафосфата натрия и окиси алюминия быстро упрочняется, поглощает влагу из воздуха и обнаруживает прирост веса около 8О/о в первый день и

655328

65 нс менее 26О/о за неделю (кривая 1). В противополо>кность этому поглощение влаги предлагаемым модификатором в виде стеклообразных сфсроидов меньше 0,1",6 даже по прошествии недели (кривая 2), а это значит, что модификатор при хранении изменяется незначительно по сравнению со своим первоначальным состоянием.

Кроме того, большинство известных модификаторов имеют вид порошка, получаемого при недостаточном расплавлении, и при его применении значительная потеря модификатора неизбежна. Подобные затруднения не возникают при использовании предлагаемого модификатора, так как он имеет внд стеклообразных или стеклянных сфероидов. Предлагаемый модификатор очень хорошо подходит также для гиперэвтектических алюмокремниевых сплавов, так как его температура плавления находится в пределах примерно от 650 до 750"С, она значительно ниже, чем точка плавления этих сплавов, которая находится в пределах примерно от 750 до 850 С.

Предлагаемый модификатор, кроме того, очень экономичен, поскольку он служит в указанных целях для измельчения первичных зерен кристаллов в гиперэвтектических алюмокремниевых сплавах, даже если используются такие незначительные количества его, как 1 — 2 вес. /о относительно веса расплавленного сплава. Способ плавки с использованием предлагаемого модификатора исключительно прост. Модификатор должен распределяться лишь по поверхности расплавленного сплава без необходимости перемешивания системы. Это существенное преимущество изобретения.

Согласно изобретению плавку можно осуществлять таким образом.

Модификатор, распределенный по поверхности расплавленной массы, поддерживаемой при температуре около 750—

850 С, сразу же расплавляется и, переходя в остеклованное состояние, покрывает поверхность расплава, вследствие чего она больше не имеет контакта с атмосферой.

Таким образом эффективно осуществляется предотвращение адсорбции расплавом какого угодно количества атмосферных газов, а потери на окисление сводятся к минимуму. При применении какого-либо известного модификатора расплавленный сплав должен быть тщательно перемешан для активирования превращения модификатора. Напротив, -предлагаемый модификатор действует в течение короткого промежутка времени около 10 — 15 мин и не требует перемешивания. Он обнаруживает эффективное действие по размельчению зерен кристаллов за счет реакции с расплавом на пограничной поверхности.

Так как реакция на поверхности расплава протекает очень спокойно, в перемешиванин нет необходимости н не возникает

55 опасности образования окислов или ввода внешних газов, что неизбежно при перемешивании. Следовательно, в процес е плавки Hp появляются запахи или вредные газы. Благодаря этому применение предлагаемого модификатора очень выгодно с точки зрения техники безопасности.

На фиг. 2 и 3 представлены результаты исследования гиперэвтектического алюмокремниевого сплава с 20 /о-ным содержанием кремния, более наглядно поясняется эффект измельчения зерен с помощью предлагаемого модификатора. На обеих фотографиях обозначены первичные кристаллы кремния А, эвтектическая матрица (а+

+51) Б, а и-кристаллы В.

Из сопоставления фиг. 2 и 3 хорошо видно, что предлагаемый модификатор является весьма эффективным средством для размельчения первичных зерен кристаллического кремния и что достигается четкое распределение эвтектической матрицы.

Благодаря этому можно получать отливки с намного улучшенной структурой.

В общем алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния относятся к та,ким сплавам, которые при упрочнении приобретают крупные первичные зерна кристаллов и которые имеют большую склонность к ликвации проэвтектического кремния. В частности, в отливках с различными секциями легко наступает ликвация проэвтектического кремния, и качество таких отливок ухудшается, т. е. алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния являются сплавами, очень чувствительными к толщине отливки и к эффекту массы. Чувствительность к толщине у сплавов такого типа может, однако, в большой степени понижаться при применении предлагаемого модификатора.

На фиг. 5 представлены графики, показывающие результаты опытов, которые проводились с 20О/о-ным кремнпевоалюминиевым сплавом для сравнения распределения размеров первичных фракций кристаллического кремния в отливках, выполненных в виде клиньев, причем в одних случаях (кривая 3) предлагаемый флюс применялся, а в других (кривая 4) — нет.

В заостренных отливках, изготовленных без добавки модификатора, величина первичных фракций кристаллического кремния находится в пределах от 50 мкм на самом толстом конце отливки до 10 мкм на самом тонком конце. В противоположность этому величина зерен в отливках, полученных при использовании добавки предлагаемого модификатора, изменяется в пределах всего лишь от 3 до 15 мкм, а это по,казывает, что благодаря применению модификатора чувствительность алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремYèÿ к толщине сил но понижается. Благодаря этому можно изготавливать весьма

655328 однородныс отливки. Условия плавок, которые использовались в сравнительных опытах, были следующие:

Температура плавления, С 850

Время плавления, мин 10 5

Количество используемого модификатора, /о 2,0

Температура формования, С 200

Хорошо известно, что размеры зерен проэвтектического кремния в отливках из ги- 10 перэвтектических алюмокремниевых сплавов в общем растут, если в материале отливок растет содержание кремния. Это вытекает также из графиков фиг. 6. На них отображены результаты других опытов, 15 которые проводились с гиперэвтектическими алюмокремниевыми сплавами для определения эффекта измельчения зерен с помощью предлагаемого модификатора.

Нижней сплошной линией показан размер 20 зерен в отливках с различным содержанием кремния, изготовленных с использованием предлагаемого модификатора, а верхняя пунктирная кривая представляет эту же величину в отливках, полученных без применения модификатора. Буквами а, а>, пэ и а обозначены диапазоны размеров первичных фракций кристаллов в отливках из материалов, содержащих соответственно

17 5о/о 20о/о, 25о/о 30о/о и 35о/о кремния и полученных с предлагаемым модификатором; буквами 6, 6>, 6> и 64 обозначены величины, полученные без модификатора.

Видно, что изменений в размерах зерен проэвтектического кремния в отливках, полученных с применением предлагаемого модификатора, значительно меньше, чем в отливках, полученных без применения модификатора.

Таким образом первичные кристалличе- 40 ские фракции кремния в гиперэвтектических алюмокремниевых сплавах могут бьггь существенно измельчены, если использовать предлагаемый модификатор независиМо от содсржания крсмния B сплаве. Однако размеры первичных зерен кристаллического кремния, которые при применении предлагаемого модификатора измельчаются, могут возрастать, если возрастает содержание кремния в сплаве.

Кроме того, из приведенных выше результатов опытов видно, что предлагаемый модификатор может с удовлетворительными результатами использоватьсядаже в алюминиевых сплавах, обладающих очень высоким содержанием кремния, например от 25 до 30 /о. Такое содержание представляется предельно возможным в используемых для литья алюмокремниевых сплавах.

Формула изобретения

1. Модификатор алюмокремниевых сплавов, содержащий окись алюминия и фосфат натрия, отличающийся тем, что, с целью непрерывного измельчения первичных зерен кристаллов кремния при одновременном сохранении состава сплава, в качестве фосфата натрия модификатор содержит гексаметафосфат натрия при следующем соотношении компонентов, вес. "/о .

Гексаметафосфат натрия 65 — 95

Окись алюминия 5 — 35

2. Модификатор по п. 1, отличаюшийся тем, что он имеет форму сфероидов диаметром от 5 до 40 мм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии № 4927007, кл. 100

141, 1974, 655328

Риг.2

20 ь 10

%

5 о

Я. ф

10

0 1 г 5 1 S

5pe, Я, c. -..:.:

Р. г. 0

4 ю

20

-. 1 1 т, Риг. 3

8 7 Е 5 1 З г 1 С

Тюпц wn атпи5ки, nor

01ut 5

655328

115

350 500 550

Ы еряан0е крепноя,%

Ра г.b

20,0

Редактор 3. Ходакова

Заказ 319/12 Изд. № 261 Тираж 726 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113036, Москва, )K-35, Раушская наб., д, 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2."00 ( во ф 220

200. чо р то ъ !Фо к ю

s с чо

Ъ

Оо

Q. бо

4 0

Составитель Г. Титова

Техред Н, Строганова Корректор О. Данишева