Модифікатор для алюмінієвих сплавів

Модифікатор для алюмінієвих сплавів, що містить механічну суміш зміцнюючих тугоплавких ультрадисперсних частинок оксиду скандію, гексафторцирконату калію, як каталізатора, та криоліту у співвідношенні 1:2:0,33, який відрізняється тим, що зазначена механічна суміш додатково містить крупку хрому та подрібнену титанову стружку при співвідношенні вищеперерахованих компонентів як 1:1,7:0,3, при цьому одержана суміш становить 0,7-0,8 % від маси розплаву. Корисна модель відноситься до області кольорової металургії, а зокрема, до модифікування алюмінієвих сплавів, переважно ливарних алюмінієво-кремнієвих сплавів. Відомий модифікатор для алюмінієвих сплавів, описаний в авторському свідоцтві СРСР №1561533 кл. С22С1/06, С22В9/10 від 03.01.90р., включаючий в якості зміцнюючих тугоплавких ультрадисперсних частинок нітрид титану в кількості 8,0-10,0%, і як каталізатор-фтортитанат калію. Модифікатор має істотні недоліки - трудомісткий в виготовленні і низькі механічні властивості при модифікуванні алюмінієво-кремнієво-мідних сплавів. Крім того, модифікатор малоекономічний, оскільки нітрид титану є досить дорогим. Відомий спосіб виготовлення модифікатора для алюмінієвих сплавів [патент України №61013 кл. С22С1/06, опубл. 15.10.2003 р. Бюл. №10] в вигляді модифікуючих стержнів крутого або трапецевидного поперечною перерізу. Спосіб дозволяє покращити введення модифікатора у рідкий метал, усунути виділення шкідливих фтористих речовин в навколишнє середовище, скоротити тривалість процесу модифікування, а також підвищити механічні характеристики ливарних алюмінієвих сплавів. До недоліків модифікатора можна віднести наступне: трудомісткий в виготовленні, практично не підвищує твердість матриці алюмінію та зносостійкість литих заготовок. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є "Модифікатор для алюмінієвих сплавів", описаний в патенті України №34810 кл. С22С1/06 [опубл. 15.03.2001р. Бюл. №2], включаючий механічну суміш зміцнюючих тугоплавких ультрадисперсних частинок оксиду скандію, гек сафторцирконату калію, як каталізатора, та криоліт у співвідношенні 1:2:0,33. Модифікатор має недоліки - виділення шкідливих фтористих речовин у процесі модифікування та досить слабий вплив на підвищення твердості матриці алюмінію та зносостійкість литих заготовок. В основу корисної моделі поставлено задачу створити модифікатор для алюмінієвих сплавів, переважно алюмінієво-кремнієвих, для підвищення їх міцності, твердості та зносостійкості, шляхом додаткового замішування у механічну суміш крупки хрому та подрібненої титанової стружки при співвідношенні вищеперерахованих компонентів як 1,0:1,7:0,3 і введення її у розплав в кількості 0,70,8%. Використання запропонованого модифікатора дозволить не тільки підвищити механічні характеристики відливок (тимчасовий опір розриву і відносне подовження), а також покращити засвоєння подрібненої титанової стружки розплавом алюмінію і значно підвищити твердість матриці алюмінію та зносостійкість ливарних алюмінієво-кремнієвих сплавів. Поставлена задача вирішується тим, що при створенні модифікатора для алюмінієвих сплавів, котрий являє собою механічну суміш зміцнюючих тугоплавких ультрадисперсних частинок оксиду скандію, гексафторцирконату калію, як каталізатора, та криоліту у співвідношенні 1:2:0,33, новим є те, що він додатково містить крупку хрому та подрібнену титанову стружку при співвідношенні вищеперерахованих компонентів як 1,0:1,7:0,3, при цьому одержана суміш становить 0,7-0,8% від маси розплаву. (О О) 6441 Технічний результат досягається за рахунок зміцнення а-твердого розчину алюмінію в результаті розчинення в ньому хрому і титану, а надлишок цих компонентів в деякій мірі нейтралізує шкідливий вплив заліза і сприяє при дисперсному твердінні утворенню компактних вторинних фаз у матриці алюмінію, які характеризуються досить високою твердістю, що і призводить до підвищення зносостійкості готових відливок. Крім того, за рахунок введення у розплав алюмінію зміцнюючих тугоплавких ультрадисперсних частинок (УДЧ) оксиду скандію, які поруч з компактними інтерметалідними включеннями (ZrAb, ТіАІз, та Сг2АІ7) утворюють додаткові центри кристалізації, параметри кристалічних ґраток яких досить близькі до параметрів кристалічних ґраток а-твердого розчину (що особливо важливо в період затвердівання відливок), відбувається здрібнення структури алюмінієво-кремнієвих сплавів. Отже, зміцнення а-твердого розчину, утворення компактних включень інтерметалідних фаз та здрібнення структури матриці алюмінію в цілому і призводить до підвищення як механічних, так і експлуатаційних характеристик алюмінієвокремнієвих сплавів, зокрема зносостійкості. У запропонованій корисній моделі комплексний модифікатор для алюмінієвих сплавів готували наступним чином: із просушених при температурі 200-250°С складових оксиду скандію, гексафторциконату калію та криоліту в заданому співвідношенні готували флюсову композицію. До флюсової композиції додавали крупку хрому та подрібнену титанову стружку при співвідношенні компонентів 1,0:1,7;0,3 і одержаний комплексний модифікатор в кількості 0,4-1,0% вводили у розплав АК12М2 шляхом механічного замішування, знімали з поверхні шлак і розливали рідкий метал у чавунний кокіль для одержання дослідних зразків по визначенню механічних і експлуатаційних характеристик. В табл. 1-2 наведені відповідно склади комплексних модифікаторів і результати дослідних плавок, що характеризують вплив комплексного модифікування на механічні властивості та зносостійкість сплаву АК12М2 в залежності від складу та кількості введеного у розплав модифікатора. Таблиця 1 № склаДУ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Співвідношення компонентів у комплекснім модифікаторі (флюсова композиція: крупка хро- УДЧ оксиму: подрібнена стружка да скандію титану) флюсова композиція ЗО (прототип) 1,0:0,5:0,1 18,7 1,0:0,8:0,15 15,4 1,0:1,0:0,2 13,65 1,0:1,5:0,25 11,0 1,0:1,7:0,3 9,9 1,0:1,8:0,38 9,3 1,0:2,0:0,45 8,7 1,0:2,5:0,55 7,5 1,0:3,0:0,7 6,3 Склади комплексних модифікаторів, % гексафторцирконат калію криоліт крупка хрому подрібнена стружка титану 60 10 37,4 30,8 27,3 21,8 19,8 18,6 17,4 15 12,6 6,3 5,1 4,55 3,7 3,3 3,1 2,9 2,5 2,1 31,3 41 45,5 54,5 57 57 59 62 64 6,3 7,7 9,0 9,0 10 12 12 13 15 Таблиця 2 № склаДУ 1 1 2 3 4 5 6 Механічні характеристики сплаву Кількість введеного у розплав модифікатора, % ав, МПа 5,% НВ, од. 2 0,4 0,7 1,0 0,4 0,4 0,7 1,0 0,4 0,7 1,0 3 23,0 23,5 24,0 25,0 245 255 250 265 275 270 4 0,8 0,8 0,8 1,0 0,8 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 5 90 90 100 105 112 122 Зносостійкість Втрата ІвЮ' 6 , кг/см2 маси (Am), на 1000 м шляху тертя кгЮ" 6 7 6 180 230 225 170 210 140 130 198 190 175 110 178 175 165 100 170 6441 Продовження табл.2 1 7 8 9 10 2 0,4 0,7 1,0 0,4 0,7 10 , 3 245 260 250 250 245 235 Приклад 1 (Прототип) 2,3г оксиду скандію і 1,0г криоліту старанно змішують з 4,7г гексафторцирконату калію при співвідношенні компонентів 1:0,33:2 і одержують 8г флюсової композиції оптимального складу. Приклад 2 До 8г флюсової композиції додають 4г крупки хрому та 0,8г подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:0,5:0,1 12г модифікатора. Приклад З До 8г флюсової композиції додають 6,4г крупки хрому та 1,2г подрібненої титанової стружки, старанно змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:0,8:0,15 15,6г модифікатора. Приклад 4 До 8г флюсової композиції додають 8г крупки хрому та 1,6г подрібненої титанової стружки, старанно змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:1:0,2 17,6г модифікатора. Приклад 5 До 8г флюсової композиції додають 12г крупки хрому та 2 і подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:1,5:9,2 5г модифікатора. Приклад 6 До 8г флюсової композиції додають 13,6г крупки хрому та 2,4г подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:1,7:0,3 24г модифікатора. Приклад 7 До 8г флюсової композиції додають 14,4г крупки хрому та 3,04г подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:1,8:0,38 25,5г модифікатора. Приклад 8 До 8г флюсової композиції додають 16г крупки хрому та 3,6г подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:2:0,45 27,6г модифікатора. Приклад 9 До 8г флюсової композиції додають 20г крупки хрому та 4,4г подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:2,5:0,55 32,4г модифікатора. Приклад 10 До 8г флюсової композиції додають 24г крупки хрому та 5,6г подрібненої титанової стружки, змішують і одержують при співвідношенні компонентів 1:3,0:0,7 37,6г модифікатора. В електричній печі опору місткістю 2,5кг розплавляли алюмінієвий сплав АК12М2 (ГОСТ 268593). При температурі розплаву 750-780°С на дзер 4 1,0 1,0 1,0 08 , 08 , 08 , 5 122 125 125 130 6 180 172 175 175 180 190 7 100 105 110 120 кало металу рівномірним шаром наносили модифікуючу суміш складів, наведених у табл.1, в кількості 0,4-1,0% від маси сплаву АК12М2 з урахуванням попередніх досліджень (прототип) та розчинності хрому і титану в алюмінії. Після розплавлення флюсової композиції, а саме гексафторцирконату калію і криоліту (знижує температуру плавлення флюса і підвищує змочування розплавом частинок оксиду скандію), утворюється рідкий поверхневий шар флюса, котрий відіграє як захисну функцію при плавленні титанової стружки в початковий період, так і сприяє рівномірному розподілу частинок оксиду скандію у розплаві АК12М2. Зразки для дослідження механічних характеристик сплаву відливали в підігрітий до 150°С металевий кокіль. Міцність і пластичність визначали відповідно ГОСТ 1497-93 на розривній машині FP 100/1 після термічної обробки та режиму Т1, твердість відповідно ГОСТ 9012-59, а зносостійкість сплаву на експериментальнім стенді з застосуванням в якості контртіла шайби з високоміцного чавуну ВЧ60-2. В табл.2 наведені результати механічних випробувань (тимчасовий опір розриву, відносне подовження, твердість та зносостійкість сплаву АК12М2) після оброки його комплексним модифікатором зазначених складів, що наведені у табл.1 в кількості 0,4-1,0% від маси металозавантаження. При дослідженні впливу комплексного модифікування на властивості сплаву АК12М2, з метою зменшення кількості дослідних плавок та раціонального використання модифікуючих добавок, застосовували метод математичного планування експерименту. Аналізуючи дані таблиці 1 і 2 можна констатувати слідуюче: а) По мірі збільшення вмісту крупки хрому і подрібненої стружки титану у флюсовій композиції механічні властивості і зносостійкість сплаву зростають, досягаючи своїх максимальних значень при використанні комплексного модифікатора складу №6, що вводився у розплав алюмінію приблизно в кількості 0,7% від маси рідкого металу. б) Подальше збільшення крупки хрому і подрібненої титанової стружки в складі модифікатора є небажаним, оскільки обробка алюмінію даними складами призводить до погіршення механічних властивостей сплаву, особливо тимчасового опору розриву та відносного подовження, хоча зностійкість практично мало змінюється, а твердість сплаву навіть зростає. Введення комплексного модифікатора в розплав алюмінію більше 1,0% є також нераціональним, про що свідчать дані табл.2. 6441 Таку зміну механічних і експлуатаційних характеристик сплаву в процесі обробки розплаву комплексним модифікатором можна пояснити слідуючим чином: 1) При обробці рідкого металу флюсовою композицією, що містить недостатню кількість крупки хрому (