СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СЛИТКОВ ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано при получении слитков и отливок из алюминиевых и магниевых сплавов для изделий авиакосмической, автомобильной и другой техники. Использование данного изобретения относится к технологии внепечного модифицирования.

Известен способ получения лигатуры алюминий-цирконий для модифицирования алюминиевых сплавов, выбранный в качестве аналога, включающий прямое сплавление компонентов или сплавление солей, содержащих цирконий, и алюминия, с последующей разливкой в чушки.

(Напалков В.И., Бондарев Б.И., Тарарышкин В.И., Чухров М.В. - Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов, М.: Металлургия, 1983 г., 160 с.).

Недостатком этого способа является наличие в структуре очень крупных частиц стабильного интерметаллида Al₃Zr (до 100 мкм), а при высоких содержаниях циркония (более 1-2% Zr) такие сплавы обладают низкой жидкотекучестью.

Также известен способ получения сплавов алюминия с переходными металлами методом быстрой кристаллизации, в том числе гранулирование со скоростью охлаждения более 10³ град/с (размер гранул <3 мм). (Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М. - Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы, Москва, ВИЛС, 1995 г., 341 с.).

Недостатком этого способа для внепечного модифицирования является высокая удельная поверхность мелких гранул, состоящая из очень тонких пленок оксидов, наследуемая изготовленным из гранул лигатурным прутком, и в конечном итоге, слитком. А также то, что переходные металлы, в том числе цирконий, при таких скоростях охлаждения находятся преимущественно в твердом растворе, и при введении в поток расплава не являются массовыми активными иннокуляторами.

Известен также способ, который можно рассматривать как прототип, получения лигатуры через водоохлаждаемый лоток с последующей разливкой в чушки или слиток. Сущность такого метода заключается в высокой скорости охлаждения. При этом происходит измельчение первичных интерметаллидов, и растворимость их в алюминии увеличивается в связи с увеличением поверхности контакта дисперсных частиц. Это усиливает эффект измельчения структуры твердого раствора.

(Напалков В.И., Черепок Г.В., Махов С.В., Черновол Ю.М. - Непрерывное литье алюминиевых сплавов, Москва, Интермет Инжиниринг, Справочник, 2005 г., 512 с.).

Недостатком этого способа является образование крупных интерметаллидов Al₃Zr размером 30-40 мкм с более грубой формой, что не позволяет достичь предельного измельчения зеренной структуры при добавления в алюминиевые сплавы небольшого количества лигатуры (0,01-0,03%).

Предлагаемый способ получения лигатурного материала направлен на получение технического результата, заключающегося в повышении свойств изделий за счет предельного измельчения размера зерна при внепечном модифицировании алюминиевых и магниевых сплавов, содержащих в своем составе добавки переходных металлов без образования крупных первичных интерметаллидов.

Предлагаемый способ получения лигатурного материала включает затвердевание расплава двойного сплава алюминия с переходными металлами в виде крупных гранул (≥5 мм) со скоростью кристаллизации (5×10¹-5×10² град/с) методом гранулирования и наложение кавитационной обработки на поток расплава. Содержание второго компонента поддерживают на уровне до 5,0%. Если в качестве добавок к алюминию используют более одного легирующего элемента, то общее содержание переходных металлов (из ряда Zr, Sc, Ti и т.п.) также составляет не более 5,0%.

Предлагаемый способ получения лигатурного материала отличается от прототипа тем, что за счет высокой скорости охлаждения в структуре гранул даже при высоком содержании циркония образуются мелкие интерметаллиды Al₃Zr (меньше 20 мкм) как стабильного, так и метастабильного типа. Кавитационная обработка расплава перед гранулированием повышает его жидкотекучесть за счет очистки расплава от твердых неметаллических включений и преодоления капиллярных ограничений, а также способствует равномерности распределения интерметаллидов. Дальнейшее использование такой лигатуры при комплексном внепечном модифицировании позволяет предельно измельчить зеренную структуру сплавов для каждой скорости кристаллизации слитка.

Пример:

При производстве гранул системы Al-Zr, в жидкий алюминий вводят соль фторцирконата в определенном количестве так, чтобы содержание циркония составляло необходимый процент (например, от 1 до 3%). После перемешивания полученного расплава с него сливают образовавшийся флюс и производят разливку в литейное устройство-гранулятор. Полученные гранулы имеют размер в диаметре 5-15 мм. Размер первичных интерметаллидов не превышал 15-20 мкм.

Если перед процессом гранулирования поток жидкого металла обработать полями кавитации высокой интенсивности, то повышается равномерность распределения интерметаллидов по сечению гранул, а при содержании циркония более 2,0% за счет повышения жидкотекучести возможно снизить температуру литья на 100-150°C.

Для комплексного модифицирования (с применением ультразвуковой обработки) структуры слитков легких, преимущественно алюминиевых сплавов модифицирующий материал вводят в расплав либо в виде расходуемой навески отдельных гранул, либо в виде расходуемого лигатурного прутка, изготовленного из гранул.

Так, например, при литье высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr (сплав 1960 и др), лигатурный пруток состава Al-2,0%Zr, введенный в количестве 0,02 весовых процента, при внепечном модифицировании (при исходном содержании циркония в сплаве 0,12 весовых процента), позволяет измельчить зерно отливок диаметром 40 мм в 3-5 раз (с 350-500 мкм до 70-100 мкм).