Модифікатор для магнієвих сплавів

Модифікатор для магнієвих сплавів, що включає ЗМІЦНЮЮЧІ тугоплавкі ультрадисперсні частинки та каталізатор, який відрізняється тим, що він додатково містить криоліт та хлористий барій, як ЗМІЦНЮЮЧІ тугоплавкі ультрадисперсні частинки використовують оксид скандію, а каталізатором служить гексафторцирконат калію, причому вище перераховані компоненти знаходяться ВІДПОВІДНО Винахід відноситься до області кольорової металурги, а зокрема, до модифікування магнієвих сплавів, переважно системи магній-алюміній-цинк ВІДОМІ традиційні неметалеві модифікатори магнієвих сплавів, а саме кусковий магнезит, молота крейда, гексахлоретан, аміак та вуглекислий газ (М М Галдін, Д Ф Чернега та ш // Кольорове литво Довідник - М , 1989 - С 161), котрі в деякій мірі сприяють підвищенню механічних властивостей магнієвих сплавів В роботі В І Якимова (Вплив постійного струму на якість магнієвих сплавів // Литейное производство - 1999 - № 12 - С 10-12) відмічається, що сумісна обробка магнієвого сплаву МЛ5пч постійним струмом і сумішшю газів гелію та вуглекислого газу (1 2) сприяє підвищенню механічних характеристик сплаву (ав=28-30 МПа, 5=10-12%) Однак цей спосіб потребує значних затрат, достатньо громіздкий, а ефект модифікування не такий вже і значний Відомостей про застосування зміцнюючих тугоплавких ультрадисперсних частинок як модифікаторів ливарних магнієвих сплавів в літературі практично не має Відомий модифікатор для алюмінієвих сплавів, описаний в роботі (Д Ф Чернега, К В Михаленков, Е М Кузимович // Процессы литья -1998 - № 2 -С 58-60), в котрому як частинки зміцнювальної фази виступав диборид титану (Т1В2) Модифікатор має недоліки, зв'язані з існуючими труднощами при вводі його у розплав алюмінію і дорожнечею нітриду титану, внаслідок одержання останнього плазмохімічним синтезом Найбільш близьким до запропонованого винаходу є "Модифікатор для алюмінієвих сплавів", описаний в авторському СВІДОЦТВІ СРСР № 1561533 кл С22С1/06, С22В9/10 від 3 01 90 р , який включає як зміцнювальні тугоплавкі ультрадисперсні частинки нітрид титану в КІЛЬКОСТІ 8,010,0% мас , і як каталізатор - фтортитанат калію Модифікатор має ІСТОТНІ недоліки - трудомісткий в виготовленні (при виготовленні даного модифікатора у вигляді брикетів використовують пресове обладнання, а для їх спікання - вакуумну піч) і низькі механічні властивості при модифікуванні ливарних магнієвих сплавів (оскільки модифікатор даного складу недостатньо розчиняється у рідкому магнії і слабо виконує захисну функцію, що призводить до інтенсивного окислення поверхневого шару металу з подальшим замішуванням рихлої оксидної плівки у розплав магнію) Крім того, модифікатор малоекономічний, оскільки нітрид титану достатньо дорогий (вартість 1 кг нітриду титану в 1991 році складала близько 600 крб ) у співвідношенні 0,4 0,451 2,2 в КІЛЬКОСТІ 0,2 0,3% мас від магнієвого сплаву В основу винаходу поставлено задачу удосконалити існуючий модифікатор для алюмінієвих сплавів шляхом додаткового введення криоліту та хлористого барію, використання як зміцнювальних тугоплавких ультрадисперсних частинок (УДЧ) оксиду скандію, а як каталізатора процесу модифікування - гексафторцирконату калію, що забезпечить формування більш здрібненої кристалічної структури зливка, за рахунок чого відбувається підвищення механічних властивостей магнієвих сплавів Поставлена задача досягається тим, що в модифікаторі для магнієвих сплавів, котрий включає зміцнювальні тугоплавкі ультрадисперсні частинки та каталізатор, новим є те, що він додатково містить криоліт та хлористий барій, як зміцнювальні тугоплавкі ультрадисперсні частинки використо со 42397 вують оксид скандію, а каталізатором служить гексафторцирконат калію, причому вище перераховані компоненти знаходяться, ВІДПОВІДНО, у співвідношенні 0,4 0,45 1 2,2 в КІЛЬКОСТІ 0,2-0,3% мас від магнієвого сплаву Технічний результат досягається за рахунок введення у розплав магнію зміцнювальних тугоплавких ультрадисперсних частинок (УДЧ) оксиду скандію, котрі утворюють додаткові центри кристалізації, параметри кристалічних ґраток яких мало відрізняються від параметрів кристалічних граток основних зміцнювальних фаз магній-алюмінійцинкових сплавів Це дозволяє одержати модифікатор, який при взаємодії з розплавом забезпечить формування більш здрібненої кристалічної структури зливка і, отже, підвищення механічних властивостей сплавів У запропонованому винаході частинки оксиду скандію, рівномірно розміщуючись в магнієвій матриці, перешкоджають укрупненню первинних кристалів фази FeAb і подвійної фази Y(Mg-i7Ali2), котра розчиняє деяку КІЛЬКІСТЬ цинку, що призводить до перерозподілення елементів між структурними складовими і обмеженню росту складових евтектики і, як наслідок, здрібненню зерна зливка Гексафторцирконат калію, як каталізатор, забезпечує введення у розплав оксиду скандію, збуджуючи його частинки, а ультрадисперсні частинки оксиду скандію, введеного у розплав, забезпечують одержання високих механічних характеристик магнієвих сплавів і збереження ефекту модифікування під час витримки розплаву у печі Криоліт забезпечує рівномірне розподілення ультрадисперсних тугоплавких частинок оксиду скандію в об'ємі розплаву за рахунок підвищення їх змочування рідким металом і завдяки цьому покращує засвоєння модифікатора Хлористий барій понижує температуру плавлення флюсової композиції і забезпечує захист дзеркала металу від взаємодії з атмосферою печі, тим самим запобігає інтенсивному окисленню поверхневих шарів магнієвого сплаву і значному шлакоутворенню В табл 1-3 наведені, ВІДПОВІДНО, склади модифікуючих сумішей, їх вплив на засвоєння модифікатора і механічні характеристики сплаву МЛ5пч, вплив витримки розплаву на ефект модифікування сплаву МЛ5пч Модифікатор для магнієвих сплавів одержують таким чином просушують складові модифікатора при температурі 200-250°С протягом не менше 5 годин, із просушених криоліту, хлористого барію, оксиду скандію і гексафторцирконату калію готують механічну суміш в заданих співвідношеннях, яку потім в КІЛЬКОСТІ 0,2-0,3% мас від магнієвого сплаву вводять у рідкий метал Прикладі (прототип) 2,5 г нітриду титану старанно змішують з 22,5 г гексафторцирконату калію в співвідношенні 1 9 і одержують 25 г модифікатора Приклад 2 2,5 г криоліту, 2,5 г хлористого барію і 2,5 г оксиду скандію старанно змішують з 17,5 г гексафторцирконату калію і одержують, при співвідношенні компонентів 1 1 1 7, 25 г модифікатора Приклад 3 2,5 г криоліту, 2,5 г хлористого барію і 5,0 г оксиду скандію старанно змішують з 15 г гексафторцирконату калію і одержують, при співвідношенні компонентів 0,5 0,5 1 3, 25 г модифікатора Приклад 4 2,25 г криоліту, 4,0 г хлористого барію і 6,25 г оксиду скандію старанно змішують з 12,5 г гексафторцирконату калію при співвідношенні компонентів 0,36 0,64 1 2 і одержують 25 г модифікатора Приклад 5 2,5 г криоліту, 2,75 г хлористого барію і 6,25 г оксиду скандію старанно змішують з 13,75 г гексафторцирконату калію при співвідношенні компонентів 0,4 0,45 1 2,2 і одержують 25 г модифікатора Приклад 6 3,75 г криоліту, 3,75 г хлористого барію і 7,5 г оксиду скандію старанно змішують з 10 г гексафторцирконату калію при співвідношенні компонентів 0,50,51 1,33 і одержують 25 г модифікатора Приклад 7 1,25 г криоліту, 4,5 г хлористого барію і 8,0 г оксиду скандію старанно змішують з 11,25 г гексафторцирконату калію і одержують, при співвідношенні компонентів 0,16 0,561 1,4, 25 г модифікатора Приклад 8 0,25 г криоліту, 0,25 г хлористого барію і 8,5 г оксиду скандію старанно змішують з 16,0 г гексафторцирконату калію і одержують, при співвідношенні компонентів 0,015 0,015 1 1,91, 25 г модифікатора В електричній печі опору МІСТКІСТЮ 5 кг розплавляли 3,4 кг магнієвого сплаву МЛ5пч (Держстандарт 2856-93) При температурі розплаву 720730°С на дзеркало металу рівномірним шаром наносили модифікуючу суміш складів, наведених у табл 1, в КІЛЬКОСТІ 0,2-0,3% від маси магнієвого сплаву Після нанесення суміші на розплав тугоплавкі частинки оксиду скандію рівномірно розподілялись у розплаві гексафторцирконату калію, криоліту (понижує температуру плавлення суміші і підвищує змочування сплавом частинок оксиду скандію) та хлористого барію (понижує температуру плавлення флюсової композиції та захищає дзеркало магнієвого сплаву від інтенсивного окислення), утворюючи флюс, котрий замішувався у рідкий метал Зразки для визначення механічних характеристик сплаву відливали у підігрітий до 150°С металевий кокіль МІЦНІСТЬ І пластичність сплаву визначали ВІДПОВІДНО до Держстандарту 1497-93 на розривній машині типу FP 100/1 в литому вигляді і після термічної обробки - за режимом Т6 По кожній модифікуючій суміші проводили три ДОСЛІДНІ плавки, і одержані дані механічних випробувань брали як середнє арифметичне отриманих результатів по трьох плавках В табл 2 наведені результати засвоєння модифікатора, тимчасовий опір розриву і відносне подовження сплаву МЛ5пч після обробки його наведеними складами модифікуючих сумішей в КІЛЬКОСТІ 0,25% від маси металозавалки Введення у розплав модифікатора в КІЛЬКОСТІ більше 0,3% призводить до появи у сплаві сегрегацій з підвищеною концентрацією скандійвмісних сполук, тобто спостерігається "ефект перемодифікування" і, як наслідок, зниження механічних характеристик сплаву, а в КІЛЬКОСТІ менше ніж 0,2% мас "ефект модифікування" виявляється слабо із-за недостатньої КІЛЬКОСТІ введених у розплав зміцнювальних 42397 ниження засвоєння модифікатора внаслідок недостатнього змочування зміцнювальних частинок оксиду скандію рідким металом, а підвищення - до 15,0% мас не викликає значного впливу на засвоєння модифікатора Таблиця 1 тугоплавких ультрадисперсних частинок оксиду скандію і громіздких утворень подвійної фази Т(Мді7АІі2) і фази FeAI3 Зниження в складі модифікатора КІЛЬКОСТІ криоліту до 0,5% мас і менше призводить до по № складу модифікатора 1 прототип 2 3 4 5 6 7 8 Співвідношення компонентів у суміші (Na3AIF6 BaCI2 Sc 2 O 3 K2ZrF6) УДЧ оксиду скандію 19 1117 0,5 0,5 1 3 0,36 0,64 1 2 0,4 0,45 1 2,2 0,5 0,5 1 1,33 0,16 0,56 1 1,4 0,015 0,015 1 1,91 10 20 25 24 ЗО 32 34 Склади модифікуючих сумішей, % мас гексаУДЧ фторфтор- цинітриду титанат криоліт ркон ат катитану калію лію 10 90 70 10 60 10 50 9 55 10 40 15 45 5 64 1 хлористий барій 10 10 16 11 15 18 1 Таблиця 2 4 5 6 7 8 ю ю "о "со 3 Механічні характеристики сплаву МЛ5пч Засвоєння модифікатора, % мас 5, % (Тв, МПа 175 1,8 79 220 1,65 200 2,0 81 230 1,9 215 82 240 230 3,2 87 275 2,8 236 88 289 222 82 253 215 2,4 80 242 2,0 205 78 232 ю со со со "ел "о "о "ел 2 Режим термічної обробки (ТО) Литий Т6 Литий Т6 Литий Т6 Литий Т6 Литий Т6 Литий Т6 Литий Т6 Литий Т6 ю ю "о"ю № складу модифікатора 1 (прототип) Добавка в склад модифікатора 10-15% мас хлористого барію забезпечує оптимальну температуру плавлення флюсової композиції і мінімальне шлакоутворення, що сприяє максимальному засвоєнню модифікатора і підвищенню механічних характеристик сплаву Аналіз даних, наведених у табл 2, показує, що максимальними механічними властивостями характеризується сплав, оброблений запропонованим модифікатором, котрий одночасно має і краще засвоєння зміцнювальних тугоплавких ультрадис персних частинок оксиду скандію МІЦНІСТЬ сплаву після термічної обробки за режимом Т6, в порівнянні з вихідним і обробленим за прототипом, збільшилась, ВІДПОВІДНО, на 31 і 34%, відносне подовження - в 1,8-1,9 рази, а засвоєння модифікатора підвищилось до 87-88% В табл 3 наведені механічні характеристики сплаву МЛ5пч, обробленого запропонованим модифікатором (склад 5) і модифікатором-прототипом (склад 1), після тригодинної витримки розплаву в печі і термообробки за режимом Т6 Таблиця З Тривалість витримки розплаву в печі, год Без витримки 1 2 3 Механічні характеристики сплаву, обробленого запропонованим модифікатором (після Т6) 5, % (Тв, МПа 289 285 280 278 3,0 3,0 2,9 2,8 Механічні характеристики сплаву, обробленого модифікаторомпрототипом (після Т6) 5, % (їв, МПа 220 210 200 190 1,6 1,5 1,4 1,4 42397 Аналіз даних, наведених у табл 3, показує, що у сплава, обробленого запропонованим модифікатором, після тригодинної витримки тенденція до пониження механічних характеристик значно менша, ніж у сплава, обробленого модифікаторомпрототипом МІЦНІСТЬ І відносне подовження сплава, обробленого запропонованим модифікатором, зменшилась тільки на 3,8 і 6,5%, ВІДПОВІДНО Таким чином, запропонований модифікатор характеризується добрим засвоєнням і дозволяє значно підвищити механічні характеристики ливарних магнієвих сплавів Крім того, застосування запропонованого модифікатора дозволить виключити дорогоцінне легування магнієвих сплавів подвійними лігатурами (алюміній-скандій чи магнійскандій), що сприятиме раціональному використанню матеріальних ресурсів за рахунок залучення в технологічний цикл скандійвмісних сполук, як проміжних продуктів переробки поліметалевих руд Стабільність механічних характеристик при витримці в печі розплаву відкриває можливість застосування запропонованого модифікатора для обробки магнієвих сплавів у великих плавильних ємностях ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Киів-133, бульв Лесі Українки, 26 (044)295-81-42, 295-61-97 Підписано до друку Обсяг обл -вид арк 2002 р Формат 60x84 1/8 Тираж 50 прим Зам УкрІНТЕІ, 03680, Киів-39 МСП, вул Горького, 180 (044) 268-25-22