СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ (СИЛУМИНОВ) УГЛЕРОДОМ

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при приготовлении литых доэвтектических, эвтектических и заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов), применяемых для получения отливок с целью повышения их качества.

Известен способ модифицирования алюминиевых сплавов (патент №: 2210611, C22C 1/03, 20.08.2003), включающий введение в поток расплава легирующих добавок Al-Ti-B, Al-Ti-C. Поток расплава на пути в кристаллизатор подвергают ультразвуковой обработке в режиме развитой кавитации, а легирующие добавки вводят в поток расплава в зоне ультразвуковой обработки расплава. Легирующие добавки вводят в поток расплава в виде лигатурного прутка. Расплав в зоне ультразвуковой обработки дополнительно перемешивают, в частности, наложением электромагнитного поля. Модифицирующий эффект связан с образованием в расплаве тугоплавких частиц (интерметаллидов, боридов, карбидов), служащих центрами кристаллизации, как правило, только α-твердого раствора.

Недостатками метода являются: необходимость получения лигатур, которые могут характеризоваться различной дисперсностью и формой (блочной, пластинчатой, игольчатой) структуры интерметаллидов, обусловленной разной интенсивностью затвердевания, что снижает эффект модифицирования. Модифицирующий эффект применения указанных лигатур относится только к α-твердому раствору, не оказывая значительного воздействия на первичные кристаллы Si; область применения ограничена только доэвтектическими силуминами.

Известен способ модифицирования (патент РФ №2439166, МПК C21C 1/00, 10.01.2012) металлов ультрадисперсным порошком (УДП) в виде смеси, содержащей карбидоподобную фазу FeAlC_n, оксид алюминия Al₂O₃ и гидрооксид алюминия Al(OH)₃ с размером частиц 10²-10³ нм, измельчают смесь в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс и вводят полученный порошок в расплав. Способ заключается в том, что модифицирование чугуна и силумина ультрадисперсным порошком, содержащим оксид алюминия Al₂O₃ проводят путем подготовки ультрадисперсного порошка, в виде смеси, дополнительно содержащей карбидоподобную фазу FeAlC_n и гидрооксид алюминия Al(OH)₃, с размером частиц 10²-10³ нм, при этом измельчение смеси производят в постоянном магнитном поле напряженностью 0,1-0,5 Тс, преимущественно 0,2-0,3 Тс, и вводят полученный порошок в расплав металла. Ультрадисперсный порошок, полученный из сплава в виде фаз Al₂O₃, Al₃C₄ и FeAlC_n, перед введением в расплав подвергают механическому воздействию и пропусканию через вальцы грохота с регулируемой щелью и индуктивную катушку, которая позволяла достичь напряженности магнитного поля ≈0,3 Тс, а затем смешивают со струей жидкого металла при заливке в форму.

Недостатками метода являются технологическая усложненность метода получения модификатора, требующего обязательного наложения магнитного поля; возможность загрязнения сплава оксидными включениями. Модифицирующий эффект относится только к α-твердому раствору, не оказывая значительного воздействия на первичные кристаллы Si; область применения ограничена только доэвтектическими силуминами.

Известен способ модифицирования алюминия и алюминиевых сплавов смесью, содержащей углерод в виде углекислого кальция и магния (патент №: 2136773, МПК C22C 1/06, 10.09.1999). Способ заключается в обработке расплава алюминия или Al-Si-сплавов смесью, содержащей углекислый кальций, при этом смесь дополнительно содержит углекислый магний, причем соотношение углекислого кальция и углекислого магния в смеси по массе равное, смесь вводят в расплав в количестве 1-7% по массе и обработку расплава ведут в течение 3-15 мин. Изобретение обеспечивает повышение технологических и физических свойств алюминия и его сплавов.

Недостатками метода являются проявление эффекта модифицирования только для эвтектики Al-Si-сплавов, что ограничивает область применения данного модификатора эвтектическими силуминами; увеличение загрязненности сплава оксидами.

Наиболее близким способом к заявляемому является способ приготовления магниевого сплава для фасонного литья (патент №2184789, МПК C22C 1/02, д.п. 10.07.2002), который включает плавление металлической шихты, легирование, рафинирование сплава от примесей железа и кремния посредством введения в жидкий сплав циркония или титана в количестве 0,006-0,08% от веса шихты при температуре 740-760°C и модифицирование сплава при этих температурах углеродосодержащими веществами, магнезитом или гексахлорэтаном, вводимыми в расплав в количествах более 0,4% от веса шихты (магнезита) и более 0,1% от веса шихты (гексахлорэтана), обеспечивается повышение чистоты сплава, его коррозионной стойкости, улучшение механических свойств. При продувке сплава гексахлорэтаном, последний разлагается на свободный углерод и хлор. Углерод взаимодействует с алюминием, образуя карбид, который служит центром кристаллизации.

Недостатки способа - неэкологичность процесса модифицирования; кратковременность действия эффекта модифицирования.

Наиболее близким способом к заявленному является способ модифицирования алюминия и алюминиевых сплавов смесью, содержащей углерод в виде углекислого кальция и магния (патент РФ №2137663, МПК С22С1/06, 10.09.1999). Способ заключается в обработке расплава алюминия или Al-Si-сплавов смесью, содержащей углекислый кальций, при этом смесь дополнительно содержит углекислый магний, причем соотношение углекислого кальция и углекислого магния в смеси по массе равное, смесь вводят в расплав в количестве 1-7% по массе и обработку расплава ведут в течение 3-15 мин. Изобретение обеспечивает повышение технологических и физических свойств алюминия и его сплавов.

Недостатками метода являются проявление эффекта модифицирования только эвтектики Al-Si-сплавов, что ограничивает область применения данного модификатора эвтектическими силуминами; увеличение загрязненности сплава оксидами.

Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в создании высокоэффективного и экологичного модификатора для алюминия и всей группы алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) с целью повышения механических и эксплуатационных характеристик отливок, изготавливаемых из этих сплавов, за счет уменьшения размеров дендритов алюминия, α-твердого раствора, эвтектики и первичных кристаллов кремния.

Технический результат выражается в уменьшении размеров дендритов алюминия и всех составляющих структур алюминиево-кремниевого сплава: α-твердого раствора, эвтектики и первичных кристаллов кремния. Эффект модифицирования наблюдается для чистого алюминия, доэвтектического, эвтектического и заэвтектического составов алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов).

Технический результат достигается тем, что в способе модифицирования углеродом расплавов алюминия и сплавов на его основе, содержащих кремний расплав модифицируют при температуре 740-800°C, а углерод вводят в несвязанном виде в количестве 0,05-0,5% от массы шихты, при этом углерод вводят в несвязанном виде в наноструктурном состоянии, углерод вводят в несвязанном виде в аморфном состоянии.

Сущность способа заключается в том, что после расплавления алюминия или алюминиево-кремниевого сплавов расплав доводят до температуры модифицирования T=740-800°C. Углерод в количестве 0,05-0,5% от массы шихты заворачивают в алюминиевую фольгу в виде гильзы. При температуре модифицирования вводят углерод в алюминиевой гильзе при помощи колокольчика. Перемешивают расплав и выдерживают. После выдержки производят заливку обработанного расплава в форму.

Введение углерода в несвязанном состоянии с другими химическими элементами приводит к изменению механизмов кристаллизации расплава, сопровождающиеся изменением поверхностного натяжения и химическими реакциями образования карбидов внутри расплава. Введенный наноуглерод, устойчиво существующий до температур T=1200°C, может также служить дополнительными центрами кристаллизации. В результате введения несвязанного углерода наблюдается модифицирующий эффект как на чистом алюминии, так и на всех группах алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов).