СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОГО АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СПЛАВА

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и сплавов, в частности к кремнийсодержащим алюмоматричным композиционным сплавам антифрикционного назначения, к которым предъявляют требования высокого уровня механических свойств в сочетании с малым удельным весом.

Известен способ получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающий подачу кремнезема и обработку расплава восстановителем (Патент РФ №2148670. Способ производства алюминиево-кремниевого сплава. Опубликован 10.05.2000).

К недостаткам данного способа можно отнести его ограниченную применимость вследствие использования специального термического оборудования, сложность и трудоемкость, а также существенные энергетические затраты, связанные с необходимостью достижения температуры 2100°С.

Известен способ получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающий введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава (Патент BY №16558. Способ получения алюминиево-кремниевого сплава. Опубликован 30.08.2012).

Недостатком данного способа является энергозатратность, обусловленная выдержкой расплавленной композиции при температуре выше линии ликвидус (порядка 700-900°С) в течение 20-60 мин.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающий введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава продуктами реакции водяного пара с материалом, содержащим восстановитель (Патент РФ №2063460. Способ получения алюминиево-кремниевых сплавов. Опубликован 10.07.1996).

Основным недостатком способа является его ограниченная применимость, так как в качестве источника водяного пара и материала-восстановителя предлагается водная графитовая суспензия, нанесенная на асбест. Другим недостатком способа является его энергозатратность, обусловленная температурными условиями 800-850°С и длительностью обработки расплавленного алюминия в течение 15-20 мин. Кроме этого асбест относится к потенциально канцерогенным веществам, способным представлять опасность для человека.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании энергосберегающего способа получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава без использования как потенциально канцерогенного вещества, так и графита, образующего карбиды, загрязняющие металлический материал.

Задача решается следующим образом. В способе получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающем введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава продуктами реакции водяного пара с материалом, содержащим восстановитель, расплав обрабатывают при температуре 690-700°С в течение 1-2 мин, при этом водяной пар получают термической дегидратацией кремнеземсодержащей шихты, вводимой в расплавленный алюминий, а в качестве материала, содержащего восстановитель, используют обрабатываемый расплавленный алюминий.

На картинке приведена фотография структуры полученного сплава.

Способ осуществляется следующим образом.

В расплавленный алюминий при 690-700°С вводят содержащий кристаллизационную воду алюмосиликатный минерал в количестве 10-15% от массы расплава и обрабатывают расплав в течение 1-2 мин продуктами реакции водяного пара с расплавленным алюминием.

В предлагаемом способе источником кремнезема является кремнеземсодержащая шихта - алюмосиликатный минерал, имеющий в своем составе кристаллизационную воду. Получение литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава осуществляется за счет восстановления кремния из SiO₂ расплавленным алюминием по реакции:

3SiO₂+4Al=2Al₂O₃+3Si.

Алюмосиликатный минерал в расплавленном алюминии подвергается термической дегидратации. Восстановителем образующихся паров воды также служит расплавленный алюминий:

3Н₂O+2Аl=3Н₂+Аl₂O₃.

Наличие водорода способствует интенсивному восстановлению кремнезема и образованию в расплавленном металле дисперсных микрочастиц кремния:

SiO₂+2H₂=Si+2H₂O.

Предлагаемый способ получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава реализован в лабораторных условиях.

Навеску первичного алюминия (марка А0) массой 50 г расплавляли в алундовом тигле. При 690°С вводили в расплав 5 г кремнеземсодержащей шихты - алюмосиликатный минерал каолинит, содержащий кристаллизационную воду (химическая формула минерала Аl₂O₃·2SiO₂·2Н₂O). После введения шихты выдерживали расплав в течение 1 мин для его обработки продуктами реакции водяного пара, образовавшегося при термической дегидратации каолинита, с расплавленным алюминием. Затем расплавленный алюминий, содержащий микрочастицы восстановленного кремния, сливали в кристаллизатор.

Структуру и химический состав полученного литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава регистрировали с помощью растрового электронного микроскопа JSM JEOL 6390LA, интегрированного с микроренттеноспектральным энергодисперсионным анализатором. Поверхность литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава готовили для электронной микроскопии механическим полированием с последующим травлением соляной кислотой.

На приведенной фигуре стрелками отмечены микрочастицы кремния, армирующие структуру металла. Преобладающий линейный размер частиц кремния в матрице алюминия составляет 0,5-1,5 мкм. По результатам микрорентгеноспектрального анализа частицы содержат около 97% кремния и 2-3% матричного металла. При этом массовая доля кремния в сплаве достигает 10%.

Установлено, что в результате взаимодействия расплавленного алюминия с алюмосиликатным минералом, содержащим кристаллизационную воду, образуется литой алюмоматричный композиционный сплав. Структура сплава характеризуется наличием полиэдрических зерен матричного металла с включениями микрочастиц кремния (фигура). Элементный анализ свидетельствует о составе матрицы с 99,7% содержанием алюминия.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить энергосбережение, получая за небольшой промежуток времени алюмоматричный композиционный сплав, содержащий микрочастицы кремния.

Армирование металлической матрицы дисперсными частицами способствует снижению коэффициента трения трибосопряжений и увеличивает износостойкость, расширяет диапазон допустимых скоростей скольжения и нагрузок. Рассмотренный выше материал позволяет сделать вывод о промышленной применимости предложенного способа для получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава.