Результат интеллектуальной деятельности: Спеченная лигатура из порошковых материалов для легирования алюминиевых сплавов

Изобретение относится к области порошковой металлургии металлов и сплавов, а именно к производству лигатур на основе алюминия для легирования сплавов на основе алюминия, а также для получения точного содержания компонентов в отливках.

Процесс легирования предназначен для облегчения введения различных компонентов (в том числе тугоплавких) в расплав для обеспечения необходимого химического состава сплава. При легировании в качестве сырья широко применяются двойные или многокомпонентные лигатуры. Лигатура - вспомогательный сплав, который добавляется к расплавам металлов и сплавов с целью придания им определенных свойств, например, жидкотекучести, повышенной механической прочности, улучшенных антифрикционных и других свойств.

Использование лигатур для легирования обусловлено тем, что процесс усвоения легирующего элемента из лигатуры более надежен и эффективен, чем при введении его в чистом виде. Кроме того, применение лигатур позволяет ввести в расплав химические элементы, которые в чистом виде ввести в расплав практически невозможно, а так же обеспечивает более равномерное распределение легирующего элемента в объеме расплава. Химический состав и структура лигатур оказывают существенное влияние на структуру и свойства слитков и полученных из них изделий.

В производстве различных металлов и сплавов, например, титановых, магниевых, никелевых, медных, алюминиевых и других, содержащих тугоплавкие компоненты, как, например, хром, часто применяются литые лигатуры на основе алюминия для его введения в расплав. Одним из недостатков литых лигатур Аl-Сr является низкое содержание хрома в них. Несмотря на это, использование подобных литых алюминиевых лигатур оказалось настолько эффективно, что были созданы государственные и международные стандарты, регламентирующие содержание компонентов в них.

Известна алюминиевая лигатура АlСr5 (В), получаемая методом плавления, для легирования и модифицирования при производстве деформируемых и литейных алюминиевых сплавов. Данная лигатура содержит кремний, железо, медь, марганец, магний, хром, никель, цинк, титан, неизбежные примеси и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %: кремний 0,5, железо 0,7, медь 0,2, марганец 0,4, магний 0,5, хром 4,5-5,5, никель 0,2, цинк 0,2, титан 0,1, неизбежные примеси 0,1 и алюминий - остальное (ГОСТ Р 53777-2010, Лигатуры алюминиевые. Технические условия. Таблица 1, страница 3).

Недостатком данной лигатуры является невысокое содержание хрома, что приводит к ее большому расходу для достижения требуемого содержания легирующего элемента в расплаве. В свою очередь, это приводит к длительному процессу выплавки сплава и большим затратам электроэнергии. Кроме того, присутствие железа и марганца является причиной ограничения применения данной лигатуры в алюминиевых антифрикционных сплавах, так как эти элементы - вредные примеси и от них необходимо избавляться.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранная в качестве прототипа алюминиевая лигатура АlСr20 (А), получаемая методом плавления, для легирования и модифицирования при производстве деформируемых и литейных алюминиевых сплавов. Данная лигатура содержит кремний, железо, хром, неизбежные примеси и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %: кремний 0,3, железо 0,3, хром 18-20, неизбежные примеси 0,1 и алюминий - остальное (ГОСТ Р 53777-2010, Лигатуры алюминиевые. Технические условия. Таблица 1, страница 3).

Преимущество данной лигатуры заключается в том, что содержание хрома в ней можно значительно увеличить до 20 мас. %, что повышает эффективность использования лигатуры. Это позволяет сэкономить потребление электроэнергии при значительном сокращении времени плавления основного сплава по сравнению с аналогом. Кроме того, в лигатуре АlСr20 польностью исключилось присутствие вредной примеси марганца и других компонетов таких как медь, марганец, магний, никель, цинк и титан, а уровень железа был уменьшен до 0,3 мас. %.

Недостатками известного решения, в том числе техническими проблемами, являются ограниченное содержание хрома до 20 мас. % в лигатуре, сложность в ее производстве, а также ограничение ее применения в алюминиевых антифрикционных сплавах из-за присутствия железа, уровень которого не может быть сведен до нуля, так как его введение происходит непроизвольно при изготовлении расплава. Кроме того, применение данной литой лигатуры не гарантирует однородность распределения легирующих компонентов в готовом слитке и стабильность составов выплавленных сплавов в разных плавках, что создает определенные технические проблемы при легировании алюминиевых сплавов.

Предложенное техническое решение ставит своей задачей устранение указанных технических проблем и позволяет получить технический результат -техническое расширение эксплуатационных возможностей лигатуры для использования в алюминиевых сплавах, в том числе и для антифрикционных алюминиевых сплавов за счет улучшения распределения и увеличения скорости растворения легирующих компонентов в расплаве, повышения стабильности составов выплавленных сплавов в разных плавках с целью получения более точного и гомогенного их содержания во всем объеме расплава и готового слитка путем повышения содержания хрома в лигатуре, полного исключения или существенного снижения количества железа в лигатуре, и применения технологии искрового плазменного спекания для консолидации порошков компонентов лигатуры с добавлением меди.

Технический результат достигается спеченной лигатурой из порошковых материалов для легирования алюминиевых сплавов, включающей хром и алюминий, дополнительно содержащей медь в следующем соотношении вышеупомянутых компонентов, мас. %: хром 40-50, медь 4,0-4,5 и алюминий - остальное.

Изобретение охарактеризовано следующим образом.

Спеченная лигатура из порошковых материалов для легирования алюминиевых сплавов включает, мас. %:

хром 40-50;

медь 4,0-4,5;

алюминий - остальное.

Использование порошков хрома, меди и алюминия в качестве исходных материалов позволяет изготавливать спеченную лигатуру с точным содержанием компонентов, а также исключить или снизить наличие значимого количества железа в ней. Поскольку для алюминиевых антифрикционных сплавов железо является вредной примесью, то его устранение из лигатуры позволяет расширить ее эксплуатационные возможности для использования в антифрикционных сплавах.

Консолидация порошкообразных компонентов лигатуры осуществляется с помощью технологии искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering). Эта технология позволяет контролировать размер зерен при спекании, сохранить структуру исходных порошков, получить однородные микроструктуры в лигатуре, применить низкие значения давления при спекании по сравнению с другими подобными методами, что значительно повышает пористость и площадь поверхности лигатуры. Таким образом, применение данной технологии спекания для консолидации исходных порошков дает возможность получать спеченную лигатуру с гомогенным распределением компонентов во всем ее объеме и с большой поверхностью контакта с расплавом, ускоряя растворение лигатуры в расплаве, что, в свою очередь, приводит к сокращению процесса выплавки сплава, повышению стабильности химических составов сплава в разных плавках и снижению затрат электроэнергии.

Добавление к основным компонентам (хром и алюминий) порошка меди в количестве 4,0-4,5 мас. % увеличивает механическую прочность спеченной лигатуры за счет улучшения адгезии между частицами меди, алюминия и хрома при сохранении повышенной пористости. Кроме того, указанная масса меди будет дополнять необходимое количество этого элемента, который присутствует в составе большинства антифрикционных алюминиевых сплавов.

Совместное применение порошковых компонентов лигатуры и технологии искрового плазменного спекания позволяет изготавливать спеченную лигатуру, не имеющую ограничения по содержанию хрома в алюминии, как это имеет место при получении литой лигатуры. Благодаря этому возможно изготавливать спеченную из порошковых материалов лигатуру, содержащую большое количество хрома (40-50 мас. %) в алюминиевой матрице, что увеличивает эффективность использования лигатуры за счет уменьшения ее расхода для достижения требуемого содержания хрома в расплаве. Кроме того, применение одной лигатуры Al-Cr-Cu позволяет заменить использование двух двойных литых лигатур Al-Cu и Аl-Сr.

Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждают следующие примеры конкретного выполнения.

Как пример рассматривается изготовление двух спеченных порошковых лигатур и применение известной коммерческой литой лигатуры АlСr20 (А) (ГОСТ Р 53777-2010) для отливки цилиндрических слитков диаметром 100 мм и высотой 500 мм из сплава Al-1Cr. Для получения данных слитков требуется расплавить в открытой высокочастотной индукционной печи 12 кг сплава, содержащего 120 г Сr.

В качестве применяемых лигатур использовались: 1 - спеченная лигатура АlСr40Сu4; 2 - спеченная лигатура АlСr50Сu4,5; 3 - литая лигатура (прототип) АlСr20 (А).

С целью выяснения стабильности легирования для каждого примера отливалось три слитка, отличающихся временем выдержки расплава после растворения лигатуры: две из них выдерживались по 10 минут, а третья - 22 минуты.

Пример 1

Для приготовления спеченной лигатуры АlСr40Сu4 использовали следующие порошковые материалы при следующем соотношении компонентов, мас. %: хром 40, медь 4,0 и алюминий - остальное.

Порошки компонентов перемешиваются в шаровой мельнице в изопропиловом спирте вместе с шариками из твердого сплава до их полной механической активации с последующей сушкой в вакуумном шкафу при температуре 90°С до получения порошкообразной массы - шихты. Далее полученная шихта просеивается через сито размером ячейки 100 мкм, затем загружают 20 г полученной массы в графитовую матрицу для искрового плазменного спекания с целью получения диска диаметром 40 мм и высотой ~ 4 мм. Процесс спекания проводится при температуре 400°С без выдержки и давлении 48 МПа.

Результаты определения химического состава полученной спеченной лигатуры приведены в таблице 1, а показатели пористости и предела прочности спеченных дисков приводится в таблице 2.

Затем полученные диски из спеченной лигатуры использовали при отливке цилиндрических слитков из сплава Al-1Cr. Для отливки одного слитка потребуется 300 грамм спеченной лигатуры АlСr40Сu4 на 11,7 кг расплавленного алюминия.

Испытания показали, что растворение необходимой массы лигатуры АlСr40Сu4 происходит через 6 минут после ее ввода в расплав, таблица 3. После этого расплав заливали в изложницу.

Далее проводился химический анализ в трех местах слитка на расстоянии 50, 250 и 450 мм от его дна. Результаты по распределению хрома в сечениях слитка приводятся в таблице 4. Распределение железа по слитку было относительно равномерным и находится в интервале 0,07 - 0,1 мас. %.

Пример 2

По аналогии с примером 1 была изготовлена шихта для приготовления спеченной лигатуры АlСr50Сu4,5. Для этого использовали следующие порошковые материалы при следующем соотношении компонентов, мас. %: хром 50, медь 4,5 и алюминий - остальное.

Далее полученная шихта просеивается через сито размером 100 мкм, затем загружают 20 г полученной массы в графитовую матрицу для искрового плазменного спекания для получения диска диаметром 40 мм и высотой ~ 4 мм. Процесс спекания проводится при температуре 400°С без выдержки и давлении 48 МПа.

Результаты определения химического состава полученной спеченной лигатуры приведены в таблице 1, а показатели пористости и предела прочности спеченных дисков приводятся в таблице 2.

Затем полученные диски из спеченной лигатуры использовали при отливке цилиндрических слитков из сплава Al-1Cr. Для отливки одного слитка потребуется 240 грамм спеченной лигатуры АlСr50Сu4,5 на 11,76 кг расплавленного алюминия. Испытания показали, что растворение необходимой массы лигатуры АlСr50Сu4,5 происходит через 8 минут после ее ввода в расплав, таблица 3. После этого расплав заливали в изложницу.

После затвердевания проводился химический анализ в трех местах слитка на расстоянии 50, 250 и 450 мм от его дна. Результаты по распределению хрома в сечениях слитка приводятся в таблице 4. Распределение железа по слитку было относительно равномерным и находится в интервале 0,07 - 0,1 мас. %.

Пример 3

Для сравнения полученных спеченных лигатур было необходимо изготовить отливки цилиндрических слитков из сплава Al-1Cr с применением литой лигатуры. Для осуществления данного примера была использована коммерческая литая лигатура АlСr20 (А) (ГОСТ Р 53777-2010). Результаты определения химического состава данной лигатуры приведены в таблице 1.

Для отливки одного слитка потребуется 600 грамм лигатуры АlСr20 (А) на 11,39 кг расплавленного алюминия. Испытания показали, что растворение необходимой массы лигатуры АlСr20 (А) происходит через 28 минут после ее ввода в расплав, таблица 3. После этого расплав заливали в изложницу.

После затвердевания проводился химический анализ в трех местах слитка на расстоянии 50, 250 и 450 мм от его дна. Результаты по распределению хрома в сечениях слитка приводятся в таблице 4. Распределение железа по слитку было относительно равномерным, и находится в интервале 0,14-0,17 мас. %.

Полученные результаты исследования лигатур и слитков показали, что использование предлагаемого изобретения позволяет увеличить содержание хрома в лигатуре до 40-50 мас. %, увеличить скорость растворения легирующих компонентов в расплаве, повысить стабильность составов выплавленных сплавов в разных плавках, получить более точное и гомогенное содержание легирующего компонента во всем объеме готового слитка, полностью исключить количество железа в лигатуре и, тем самым, существенно снизить количество железа в слитках до 0,07-0,1 мас. %.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата - техническое расширение эксплуатационных возможностей лигатуры для использования в алюминиевых сплавах, в том числе и для антифрикционных алюминиевых сплавов за счет улучшения распределения и увеличения скорости растворения легирующих компонентов в расплаве, повышения стабильности составов выплавленных сплавов в разных плавках с целью получения более точного и гомогенного их содержания во всем объеме расплава и готового слитка путем повышения содержания хрома в лигатуре, полного исключения или существенного снижения количества железа в лигатуре, и применения технологии искрового плазменного спекания для консолидации порошков компонентов лигатуры с добавлением меди.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении предназначен для производства лигатур на основе алюминия для легирования сплавов на основе алюминия, а также для получения точного содержания компонентов в отливках;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательный уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.