способ низкотемпературного получения мелкокристаллической высококремнистой алюминиево-кремниевой лигатуры

Формула изобретения

Способ низкотемпературного получения мелкокристаллической высококремнистой алюминиево-кремниевой лигатуры, отличающийся тем, что он включает получение промежуточного расплава с интервалом кристаллизации не менее 30°С путем введения в перегретый на 60-80°С над температурой ликвидуса алюминиевый расплав меньшей части кристаллического кремния, перемешивание, выдержку, обуславливающую полное растворение кремния и охлаждение промежуточного расплава, получение лигатурного расплава требуемого состава путем введения в промежуточный расплав с температурой на 20-50°С выше температуры солидуса основной части кремния в виде порошка кристаллического кремния, плакированного алюминием, полученного совместным размолом порошков кристаллического кремния и алюминия в шаровой мельнице до размера частиц кремния не более 3 мкм и концентрации не более 43% по массе, перемешивание, подъем температуры полученного лигатурного расплава после усвоения смеси порошков на 50-100°С выше температуры ликвидуса и кристаллизацию лигатурного расплава со скоростью не менее 10²-10 ³ °С/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии и, в частности, технологии получения лигатуры Al-Si с содержанием кремния более 25%.

Известен способ получения таких лигатур, описанный в «Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ. руководство. - М.: Металлургия, 1970. - 416 с.» и предусматривающий растворение кускового кристаллического кремния в перегретом до 900-1100°С расплаве алюминия. Куски кремния размером не более 20-40 мм порционно замешиваются в расплав и после растворения последней порции расплав рафинируют и заливают в изложницы. Основными недостатками данного способа являются высокие температуры перегрева, длительные высокотемпературные выдержки, низкие скорости охлаждения расплава до температуры заливки. Все перечисленные недостатки приводят к существенным материальным затратам и низкому качеству получаемой лигатуры.

Известен алюмотермический способ получения лигатур системы Al-Si, описанный в «Получение алюминиево-кремниевых сплавов и солей смеси Na₃AlF₆-AlF₃ из фторсиликата натрия. Preparation of aluminum-silicon alloys and criolite-aluminum fluoride mixtures from sodium fluosaailicfte / Abdel Hamid Ahmed A., Kassem Mohamed F // Erzmetal - 1994. - 47, № 9. - p.528-535 (англ.) Место хранения ГПНТБ». Для осуществления алюмотермической реакции используется смесь порошков Al и SiO₂, которую помещают на поверхность расплава алюминия и инициируют реакцию путем локального нагрева смеси порошков до 1100-1200°С. Способ, описанный в «Пат. 2034927 Россия, МКИ 6 С22С 1/02, способ получения заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов / Лисай В.Э., Маленьких А.Н., Козинец В.И., БИ № 13», включает введение в расплав алюминия кристаллического кремния, нагретого до 1350-1650°С, в количестве 84-95% от требуемой концентрации с одновременным барботированием и захолаживанием расплава инертным газом до температуры на 40-100°С выше Т_ликвид и последующее введение в струе инертного газа мелкокристаллического кремния в количестве до требуемой концентрации. Перечисленные способы также основаны на высоких температурах и не обеспечивают требуемого качества структуры лигатур Al-Si в основном за счет формирования крупных (120 мкм и более) кристаллов первичного кремния, которые наследуются в структуре отливки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения заэвтектических силуминов, описанный в «Колтышев В.И. Исследование и разработка способов использования дисперсных отходов кремния для получения литейных силуминов // автореф. на соиск. степени к.т.н. ВлГУ, Владимир, 2002». Данный способ включает приготовление расплава на основе сплавов системы Al-Si, его перегрев на 20-30°С выше Т_ликвид, порционную засыпку на поверхность расплава смеси промасленной алюминиевой стружки и пылевидного кремния, замешивание порций в интервале «температура солидуса - температура ликвидуса», перегрев расплава до 780-900°С, рафинирование, дегазацию и разливку по формам. Недостатком данного способа является использование в качестве носителя пылевидного кремния промасленной алюминиевой стружки, которая не позволяет получать силумины с содержанием кремния более 20%.

Задачей является получение мелкокристаллической высококремнистой лигатуры Al-Si с содержанием кремния более 25% с регламентированным размером кристаллов первичного кремния размером не более 40 мкм.

Техническим результатом является получение мелкокристаллической высококремнистой лигатуры Al-Si с содержанием кремния более 25% с размером кристаллов первичного кремния не более 40 мкм в виде шихтовых заготовок диаметром 30 мм и длиной 180÷200 мм. Полученная лигатура является основой для приготовления эвтектических и заэвтектических силуминов с мелкодисперсной структурой и повышенными физико-механическими свойствами.

Сущностью изобретения является способ низкотемпературного получения мелкокристаллической высококремнистой алюминиево-кремниевой лигатуры, включающий получение промежуточного расплава с интервалом кристаллизации не менее 30°С путем введения в перегретый на 60-80°С над температурой ликвидуса алюминиевый расплав меньшей части кристаллического кремния, перемешивание, выдержку, обуславливающую полное растворение кремния и охлаждение промежуточного расплава, получение лигатурного расплава требуемого состава путем введения в промежуточный расплав с температурой на 20-50°С выше температуры солидуса основной части кремния в виде порошка кристаллического кремния, плакированного алюминием, полученного совместным размолом порошков кристаллического кремния и алюминия в шаровой мельнице до размера частиц кремния не более 3 мкм и концентрации не более 43% по массе, перемешивание, подъем температуры полученного лигатурного расплава после усвоения смеси порошков на 50-100°С выше температуры ликвидуса и кристаллизацию лигатурного расплава со скоростью не менее 10 ²-10³ °С/сек.

В ходе получения расплава алюминия с температурой на 60-80°С выше температуры ликвидуса происходит подготовка расплава для оптимального введения и усвоения кристаллического кремния. Увеличение температуры приводит к необоснованно повышенным энергозатратам. Меньшая температура увеличивает время усвоения кристаллического кремния в расплаве.

В ходе первоначального введения кристаллического кремния приготавливается промежуточный расплав с интервалом кристаллизации не менее 30°С. Меньший интервал кристаллизации затрудняет поддерживать температуру промежуточного расплава в интервале температура ликвидуса - температура солидуса при введении основной смеси шихтовых компонентов.

В ходе температурной выдержки происходит полное усвоение введенного кристаллического кремния в расплаве.

В ходе охлаждения промежуточного расплава до температуры введения основной смеси шихтовых компонентов в интервале: температура ликвидуса - температура солидуса (на 20-50°С выше температуры солидуса) расплав переводится в твердожидкое состояние, при котором повышается его вязкость. В случае, когда температура промежуточного расплава равна или превышает температуру ликвидуса, введение основной смеси шихтовых компонентов существенно затрудняется из-за ее низкой насыпной плотности. При температуре промежуточного расплава, близкой к температуре солидуса, затрудняется замешивание основной смеси шихтовых компонентов из-за высокой вязкости расплава, обусловленной преобладанием твердой фазы.

В ходе подготовки основной смеси шихтовых компонентов происходит измельчение основной части кристаллического кремния в шаровой мельнице до размеров не более 3 мкм с последующим совместным размолом в шаровой мельнице полученного мелкокристаллического кремния и порошка алюминия для плакирования частиц кремния алюминием. Измельчение кремния до фракции более 3 мкм не обеспечивает получение лигатуры с регламентированным размером кристаллов первичного кремния в структуре лигатуры до 40 мкм. Плакирование микрочастиц кремния алюминием необходимо для инициации механизма контактного (эвтектического) плавления на границе «тугоплавкая частица - алюминиевый расплав», а также для увеличения плотности вводимого в расплав первоначально измельченного до пылевидного состояния кристаллического кремния. Возникновение контактного плавления способствует усвоению пылевидного кремния в расплаве алюминия при низких температурах. При этом концентрация кремния не должна превышать 43% по массе, обеспечивая максимальную степень плакирования частиц пылевидного кремния алюминием. В случае недостаточного плакирования алюминием частиц пылевидного кремния, существенно затрудняется усвоение последнего в твердо-жидком промежуточном расплаве.

В ходе введения специально подготовленной смеси основных шихтовых компонентов происходит легирование промежуточного расплава до необходимой концентрации кремния и получение лигатурного расплава требуемого состава.

В ходе перегрева лигатурного расплава на 50-100°С выше температуры ликвидуса происходит увеличение однородности химического состава за счет полного усвоения специально подготовленной смеси основных шихтовых компонентов. Перегрев лигатурного расплава на большую температуру приводит к дополнительным энергозатратам и снижению производительности. Перегрев на меньшую температуру не обеспечивает оптимальной однородности расплава.

В ходе кристаллизации лигатурного расплава со скоростью не менее 10²-10³ °С/сек происходит формирование дисперсной микроструктуры получаемой лигатуры. Меньшая скорость приводит к росту кристаллов первичного кремния в получаемой лигатуре и не позволяет получить регламентированное значение кристаллов первичного кремния не более 40 мкм.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В индукционную плавильную установку УИП-16-10-0,01 А с графитовым тиглем загружали 3060 г алюминия технической чистоты марки А5. После расплавления осуществляли перегрев расплава до температуры 730°С. Затем в полученный расплав вводили 200 г кристаллического кремния и выдерживали в течение 20 мин до полного усвоения кремния расплавом. Промежуточный расплав охлаждали до температуры 600°С и порционно с помощью «колокольчика» вводили 6750 г предварительно подготовленной смеси основных шихтовых компонентов. Затем полученный лигатурный расплав перегревали до 800°С и кристаллизовали в водоохлаждаемом кокиле со скоростью кристаллизации 10² °С/сек. Получали лигатуру в виде шихтовых заготовок диаметром 30 мм и длиной 180÷200 мм. При этом смесь основных шихтовых компонентов готовили следующим образом. В шаровую мельницу загружали 2900 г кристаллического кремния и мололи в течение 2 часов до образования фракции 2,8 мкм. Затем в измельченный кремний добавляли 3850 г порошка алюминия и совместно размалывали в течение 2 часов. На полученном материале проводили химический анализ (Фиг.1) и исследования микроструктуры (Фиг.2). Полученная лигатура явилась основой для приготовления эвтектических и заэвтектических силуминов с мелкодисперсной структурой и повышенными физико-механическими свойствами.