С какой целью и чем модифицируют силумины

Модифицирование силуминов

Что такое модифицирование силуминов?

Под модифицированием силуминов подразумевают специальную обработку расплава, чтобы получить мелкозернистый эвтектический кремний в литой структуре. Такая структура эвтектического кремния повышает механические свойства отливки, в том числе, относительное удлинение, а также во многих случаях — литейные свойства алюминиевого расплава. Как правило, модифицирование силумина производят путем добавления малых количеств натрия или стронция.

Сущность модифицирования

Сущность модифицирования силуминов — влияние содержания натрия на возможные формы эвтектического кремния в силумине Al Si11 — представлена на рисунках 1-4.

Рисунок 1 — Пластинчатая структура эвтектического кремния.

Условия для формирования пластинчатого кремния возникают в литейных сплавах при полном отсутствии фосфора или модифицирующих добавок, например, натрия или стронция.

Рисунок 2 — Гранулярная структура эвтектического кремния.

Условия для формирования гранулярной структуры эвтектического кремния возникают при наличии фосфора, но без натрия или стронция. Кристаллы кремния существуют в виде грубых зерен или пластин.

а)
б)
Рисунок 3 — а) «Недомодифицированная» структура эвтектического кремния;
б) Модифицированная структура эвтектического кремния.

В «недомодифицированном» и в большей степени в модифицированном микроструктурном состоянии, например, с добавками натрия или стронция, гранулы значительно снижаются в размерах, получают скругленную форму и равномерно распределяются. Все это благоприятно сказывается на пластических свойствах материала, в частности, на величине относительного удлинения.

Рисунок 4 – «Перемодифицированная» структура.

В случае «перемодифицирования», например, чрезмерного содержания натрия, в структуре появляются веноподобные ленты с грубыми кристаллами кремния. Это означает ухудшение механических свойств силумина.

Модифицирование силуминов натрием

В силуминах с содержанием кремния более 7 % эвтектический кремний занимает большую часть площади металлографического образца. При содержании кремния от 7 до 13 % тип эвтектической структуры, например, зернистый или модифицированный, значительно влияет на механические свойства материала, в частности, на пластичность или на относительное удлинение. Поэтому, когда при испытании образца необходимо получить более высокое относительное удлинение, алюминиевые сплавы с содержанием кремния от 7 до 13 % подвергают модифицированию путем добавления приблизительно 0,0040-0,0100 % натрия (40-100 ррм).

Модифицирование силуминов стронцием

В силуминах с содержанием кремния около 11 %, особенно для литья при низком давлении, в качестве долговременного модификатора применяют стронций. Отличие стронция от натрия как модификатора в том, что он значительно меньше выгорает из расплава, чем натрий. Стронция добавляют в количестве 0,014-0,040 % (140-400 ррм). Модифицирование стронцием обычно проводят на стадии производства чушек из соответствующих сплавов, поэтому на литейном предприятии модифицирование уже не производят. При низких скоростях охлаждения отливок модифицирование стронцием значительно менее эффективно и поэтому оно не рекомендуется к применению, например, при литье в песчаные формы.

Особенности обработки модифицированных расплавов

Чтобы избежать выгорания стронция все обработки расплава, в том числе дегазацию, ведут без применения хлорсодержащих материалов, а с использованием, например, аргона или азота. Модификация стронцием не пропадает даже при переплаве возвратного металла, например, прибыльных частей отливок. При необходимости потери стронция восполняют добавками лигатуры, содержащей стронций, согласно инструкции поставщика исходных чушек из модифицированного сплава.

Повторное модифицирование силуминов

Поскольку натрий выгорает из расплава относительно быстро, последующее модифицирование силуминов натрием должно производиться на литейном предприятии через определенные интервалы. В расплавах, модифицированных натрием, во всех операциях над расплавом не должны применяться материалы, содержащие хлор. Хлор реагирует со стронцием и натрием, выводит их из расплава и, тем самым, препятствует его модифицированию.

Источник

Способ модифицирования силуминов

Использование: в металлургии, в частности рафинирование и модифицирование силуминов. Сущность изобретения: модифицирование силуминов путем введения их в солевой расплав на основе эвтектической смеси KCl-NaCl, содержащий NaF в количестве 6-17 мас.% или BaCl₂ в количестве 20-40 мас.%, плавку и выдержку под слоем солей при 787-1017 o C в течение 1-2 ч, после удаления сплава в солевой расплав добавляют новую порцию твердого силумина, при этом высоту солевого расплава над металлом поддерживают в пределах 2,2-30 см, а соотношение металла к расплаву солей берут 1:(0,5-2,5). Способ обеспечивает повышение степени модифицирования сплава и одновременное рафинирование его от окисных пленок и интерметаллидов. 2 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам обработки алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) перед разливкой.

Известны способы модифицирования силумина доэвтектического и эвтектического типа с помощью введения модификатора из смеси солей [1] в виде таблеток, содержащих, мас. NaF 52; NaCl 27; KCl 7; C 14. Количество модификатора 0,25% от массы расплава металла.

Известны способы, в которых наряду с солевыми модификаторами добавляют карбиды бора, крупнозернистую стружку в смеси с окислами, легко отдающими кислород, например хлоратами, нитратами, перборатами, персульфатами, хроматами и перманганатами щелочных и щелочноземельных металлов MnO₂, Cr₂O₃ и т.п.

Например, по способу модифицирования силуминов [2] предложены составы смесей, мас. 1) Na₂CO₃ 34; CaF₂ 15; крупнозернистый A1 порошок 25; NaNO₃ 10; NaCl 9; KCl 7; 2) NaF 25; Na₂CO₃ 35; крупнозернистый порошок Al-Mg сплава 25; NaNO₃ 8; NaCl 3,5; KCl 3,5; 3) Na₂CO₃ 31; Na₃AlF 41; крупная Mg стружка 13; NaNO₃ 5; NaCl 5; KCl 5; 4) Na₂CO₃ 48; AlF₃ 26; гранулированный сплав Ca-Si 10; Mg стружка 3; NaNO₃ 3; NaCl 5; KCl 5.

Недостатками указанных способов являются необходимость приготовления указанных смесей (размол, смешение, сушка, хранение), при этом многие добавки нельзя долго хранить, особенно содержащие порошки металлов или гигроскопические смеси; необходимость ввода строго дозированного количества смесей и перемешивания их с металлом, т.е. необходимы дополнительные ковши, мешалки, камеры для выдержки; все флюсы и другие модификаторы разового действия, т.е. после каждой операции модифицирования их удаляют с поверхности металла, при этом теряется часть металла, часть их остается в металле, снижая качество отливки по неметаллическим включениям; необходимо строго следить за температурой, так как длительная выдержка может привести к переохлаждению металла вследствие ввода твердого флюса при пониженной температуре сплава близкого к точке плавления.

Известны способы обработки алюминиевых сплавов с использованием модификаторов, содержащих хлориды и фториды щелочных и щелочно-земельных металлов, а также бора, титана, циркония 4 По способу [3] состав наряду KCl, NaCl, NaF содержит кремне-фтористый натрий (8-12 мас.) и соду (2-10 мас.). Кремне-фтористый натрий летуч, так при 600 o C упругость его паров столь велика, что с ним трудно работать, а сода окисляет алюминий. Поэтому при применении такого флюса возможно сильное выделение паров солей и повышенное количество окисных включений в металле.

По способу [4] содержит AlBF₆, который дорог, дефицитен и полностью теряется после каждого разового применения.

По способу [5] наряду с простыми и дешевыми компонентами используется фторцирконат калия в количестве 10-20 мас. и фтористый стронций в количестве 4-20 мас. что практически равно стоимости силумина.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является способ модифицирования эвтектических силуминов флюсами [6] Способ включает получение алюминиевого расплава, введение в расплав модификатора в количестве 3,6% (по отношению к общему количеству А1-сплава) и выдержку расплава при 900 o C в течение 9 мин. В качестве модификатора используют 2-компонентный флюс, содержащий NaF и NaCl в отношении NaF/NaCl равным 2,3.

Указанный способ имеет все отмеченные выше недостатки: необходимость приготовления смеси флюса, его строго дозированное количество с ограниченным составом, введение его в расплав алюминия в твердом виде, время выдержки не более 9 мин и полное удаление флюса после операции. В процессе удаления флюса вместе с ним удаляется часть алюминия, а расплав может быть загрязнен примесями солей. Все это нарушает структуру сплава и снижает его качество.

Задачей изобретения является повышение качества получаемого силуминового сплава за счет улучшения его структуры и повышения механических свойств.

Поставленная цель достигается тем, что в способе модифицирования силуминов с использованием флюса из галоидных солей, согласно изобретению твердый сплав силумина загружают в солевой расплав на основе эвтектической смеси KCl NaCl, содержащий NaF в количестве 6-17 мас. или BaCl₂ в количестве 20-40 мас. плавят и выдерживают под слоем солей при 787-1017 o C в течение 1-2 ч, а после удаления сплава в солевой расплав добавляют новую порцию твердого силумина, при этом высоту солевого расплава над металлом поддерживают в пределах 2,2-30,0 см, а соотношение металла к расплаву солей берут 1:(0,5-2,5).

Расплав солей остается для переплавки новой порции силумина. Возможно удаление части и загрузка на оставшийся слой (болото) новой порции сплава.

Новым в данном способе является совмещение плавки твердого силуминового сплава в виде чушек, бракованных деталей, лома и стружки и его модифицирования, а также рафинирования, т.е. не твердый флюс добавляют к расплавленному силумину, а наоборот в солевой расплав вводят твердый металл. Плавка металла под слоем галоидных солей приводит к уменьшению в готовом металле окисленных включений, карбидов и других примесей, которые смачиваются солями и уходят из металла. Слой расплавленных солей предохраняет от дальнейшего окисления, создается четкая граница раздела металл соль, что позволяет полностью отделить металл от солей.

Кроме того, более высокая температура расплава в момент обработки и перед выпуском позволяет повысить модифицирующий и рафинирующий эффект за счет интенсификации физико-химических процессов, протекающих в расплаве. Повышение верхнего предела предлагаемой температуры приводит к летучести компонентов системы и нарушению санитарно-гигиенических условий обслуживания технологии.

Присутствие фторида натрия и хлорида бария приводит к более эффективному модифицированию структуры, причем в отсутствие NaF и при содержании его менее 6 мас. эффект модифицирования незначителен, а более 17 мас. расплав разъедает футеровку печи. Менее 20 мас. BaCl₂ также мало влияет на эффект модифицирования, а при его содержании более 40 мас. силумин всплывает на поверхность солевого расплава и окисляется.

Значительно большая масса расплава солей от 50 до 250% от массы металла (вместо 3,6% в прототипе) позволяет отказаться от многих дорогих и дефицитных солей, металлов и сплавов, применяемых при модифицировании структуры силумина. Соотношение металла к расплаву солей менее 1:0,5 не обеспечивает достаточного модифицирующего эффекта, а соотношение более 1:2,5 нецелесообразно, так как не повышает качества получаемого металла.

Выдержка расплава в течение 1-2 ч позволяет также улучшить процесс модифицирования, создать непрерывный процесс, упростить его, отказавшись от тонкого измельчения, перемешивания компонентов, съема модифицирующих флюсов, дополнительной очистки полученного расплава.

Выдержка металла под слоем солевого расплава менее 1 ч не обеспечивает достаточной степени рафинирования металлического расплава, и поэтому для получения наивысших результатов рафинирования и модифицирования продолжительность выдержки в течение 1-2 ч является оптимальной.

Высота солевого расплава в пределах 2,2-30,0 см также является оптимальной: при высоте менее 2,2 см происходит только частичное модифицирование структуры, что приводит к неравномерным свойствам полученных отливок, а при высоте более 30 см увеличивается расход солей, электроэнергии и т.д. при тех же показателях качества.

На фиг. 1-4 представлены результаты металлографического изучения шлифов, по которым оценивали эффективность модифицирования структуры готового сплава.

Пример 1. В шахтную селитовую печь установили алундовый тигель 50 мм, длиной 70 мм, нагрели до 787 o C, загрузили 40 г известного сплава типа АЛ 9, имеющего следующий химический состав, мас. Si 6-8; Mn 0,2-0,4; Fe 0,3-1,0; Mg 0,2-0,4; алюминий остальное, сумма примесей 1,0-1,9% Металл расплавили и изотермически выдержали в течение часа при 78720 o C в атмосфере воздуха, расплав металла вылили в изложницу из графита (фиг. 1). Металлографические исследования выполняли на микроскопе «Neophot-2» с применением компьютерного комплекса для проведения количественного фазового анализа, микротвердость измеряли на приборе ПМГ-3.

Пример 2. В шахтную селитовую печь установили алундовый тигель o 50 мм, длиной 70 мм со смесью солей (56% KCl 44% NaCl) в количестве 70 г, нагрели до 787 o C, расплавили соль и загрузили 40 г сплава АЛ 9, имеющего состав из примера 1, металл расплавили и выдерживали в течение 1 ч при указанной температуре (7872 o C) в атмосфере воздуха под расплавом солей и вылили в графитовую изложницу, охладили до комнатной температуры и произвели исследование образца металла по методике, принятой в примере 1.

Пример 3. В шахтную печь установили тигель из алунда с размерами предыдущего опыта с 90 г смеси (56% KCl 44% NaCl) и добавили 6 г NaF, расплавили при 787 o C, опустили 50 г сплава АЛ9, имеющего состав предыдущих опытов. Расплав выдержали при 7872 o C в течение 1 ч, вылили металл с расплавом солей в графитовую изложницу, охладили до комнатной температуры и отделили металл.

Образец металла исследовали, как и предыдущие.

Пример 4. В шахтную селитовую печь установили тигель из алунда с 83 г смеси (56% KCl 44% NaCl) и 17 г NaF, расплавили при 900 o C, опустили 50 г сплава АЛ 9, выдерживали 1 ч при 9172 o C, вылили содержимое в графитовую изложницу, охладили до комнатной температуры, отделили металлический слиток и исследовали, как в предыдущих опытах.

Пример 5. В этой же печи, что и опыт 1-4 расплавили 40 г сплава АЛ 9 при 787 o C в расплаве солей (80 г смеси (56%KCl 44% NaCl) + 20 г BaCl₂), расплав выдержали 1 ч при 7872 o C и вылили в графитовую изложницу. Полученный слиток металла исследовали, как в примере 1-4.

Пример 6. В однофазной печи сопротивления мощностью 100 кВт, имеющей внутренние размеры 80 х 60 х 80 см, проводящую подину и подвижные верхние электроды (2 электрода диаметром 300 мм), наплавили 260 кг солей толщиной 30 см следующего состава, мас. NaCl 36,6; KCl 46,4; NaF 17, загрузили порциями по 10-15 кг отходов сплавов АЛ 9 в количестве 370 кг, нагрели до 950 o C и выдержали в течение 2 ч, из печи через летку в нижней части слили 150 кг сплава (10 чушек) и в дальнейшем через каждые 2 ч выливали по 150 кг сплава, постоянно загружая отходы в печь порциями 10-15 кг. В печи поддерживались следующие параметры: температура 930-960 o C, слой металла 20-30 см, слой расплава солей 25-30 см. Мощность 80-95 кВт, время между выпусками 2 ч.

При разливке отбирали пробы и исследовали, как в примере 1-4.

Пример 7. В той же печи, что опыт 6, наплавили 260 кг солей толщиной 30 см следующего состава, мас. NaCl 28,16; KCl 35,84; BaCl 36, загружали порциями по 10-15 кг отходов сплава АЛ 9 в количестве 370 кг, нагрели до 900 o C и выдержали в течение 2 ч. Из печи через летку слили 150 кг сплава. В дальнейшем через каждые 2 ч выпускали по 150 кг металла, постоянно загружая сплав в печь порциями 10-15 кг. В печи поддерживали параметры: температура 90010 o C, слой металла 20-30 см, слой расплава солей 25-30 см, мощность печи 80-95 кВт.

Результаты приведены в таблице.

Как видно из таблицы, переплав в расплавах солей NaCl-KCl-NaF или NaCl-KCl-BaCl₂ приводит к улучшению структуры сплава за счет модифицирования силуминовой эвтектики и уменьшения доли неметаллических включений, увеличению междендритного расстояния и повышению микротвердости фазы.

По сравнению с известным предлагаемый способ имеет следующие преимущества: повышение механических характеристик и улучшение структуры сплава, при этом происходит его одновременное рафинирование от окисных пленок и интерметаллидов; возможность переработки отходов сплава; удешевление процесса за счет уменьшения трудоемкости и снижения стоимости флюса за счет его оборачиваемости.

Источники информации 1. Способ модифицирования силуминов натрием. Заявка ФРГ N 2928794, кл. C 22 C 21/02, 5.02.81. ВИНИТИ РЖ Мет. 11Г 180 п. 1981.

2. Способ модифицирования силуминов. Заявка ФРГ N 2935017, кл. C 22 C 1/03, 19.03.81. ВИНИТИ РЖ Мет. 2Г 159 П. 1982.

3. Флюс для обработки алюминиевых сплавов. Авторское свидетельство СССР N 616314, кл. C 22 B 9/10, 9.06.78.

4. Модификатор для обработки литейных алюминиево-кремниевых сплавов. Авторское свидетельство СССР N 800223, кл. C 22 C 1/06, 30.01.81.

5. Флюс для обработки алюминиевых сплавов. Авторское свидетельство СССР N 933794, кл. C 22 C 1/06, 07.06.82.

6. Славов Рашко, Натов Натко, Бояджиев Любомир. Многофакторное исследование модифицирования эвтектических силуминов флюсами. Металлургия, 1978, N33 19-20 (Болг.) ВИНИТИ РЖ Мет. 1Г 170, 1979.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоту солевого расплава над металлом поддерживают в пределах 2,2 30,0 см.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что соотношение металла к расплаву солей берут равным 1 (0,5 2,5).

Источник