N. E. Kalinina, V. P. Beloyartseva, O. A. Kavac
MODIFICACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO CON COMPOSICIONES EN POLVO
Se presenta la influencia de modificadores refractarios dispersos sobre la estructura y propiedades de las aleaciones de aluminio fundido. Se ha desarrollado una tecnología para modificar aleaciones de aluminio del sistema L!-81-Md con un modificador en polvo de carburo de silicio.
Introducción
El desarrollo de nuevos componentes de la tecnología espacial y de cohetes plantea la tarea de aumentar la resistencia estructural y la resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio fundido. Los vehículos de lanzamiento ucranianos utilizan siluminas del sistema aluminio-silicio, en particular aleaciones AL2, AL4 y AL4S, cuyas composiciones químicas se indican en la Tabla 1. Las aleaciones AL2 y AL4S se utilizan para fundir piezas críticas que componen la unidad de turbobomba de un motor de cohete. Los análogos extranjeros de las siluminas domésticas son las aleaciones 354, C355 del sistema A!-B1-Si-Md, las aleaciones 359 del sistema A!-B1-Md y A357 del sistema A!-B1-Md-Be, que se utilizan. para la fundición de carcasas de unidades electrónicas y sistemas de guiado de cohetes.
Resultados de la investigacion
Se pueden mejorar las características mecánicas y de fundición de las aleaciones de aluminio introduciendo elementos modificadores. Los modificadores para aleaciones de aluminio fundido se dividen en dos grupos fundamentalmente diferentes. El primer grupo incluye sustancias que crean una suspensión altamente dispersa en la masa fundida en forma de compuestos intermetálicos, que sirven como sustrato para los cristales resultantes. El segundo grupo de modificadores incluye tensioactivos, cuyo efecto se reduce a la adsorción en las caras de los cristales en crecimiento y, por lo tanto, inhibe su crecimiento.
Los modificadores del primer tipo para las aleaciones de aluminio incluyen los elementos I, 2g, B, Bb, que forman parte de las aleaciones estudiadas en cantidades de hasta el 1% en peso. Se están realizando investigaciones sobre el uso de metales refractarios como BS, H11, Ta, V como modificadores del primer tipo. Los modificadores del segundo tipo son el sodio,
potasio y sus sales, que se utilizan ampliamente en la industria. Las direcciones prometedoras incluyen el uso de elementos como Kb, Bg, Te, Fe como modificadores del segundo tipo.
Se están buscando nuevas direcciones en la modificación de aleaciones de aluminio fundido en el campo del uso de modificadores en polvo. El uso de tales modificadores facilita el proceso tecnológico, es respetuoso con el medio ambiente y conduce a una distribución más uniforme de las partículas introducidas en la sección transversal de la pieza fundida, lo que aumenta las propiedades de resistencia y ductilidad de las aleaciones.
Cabe señalar los resultados de la investigación de G.G. Krushenko. Se introdujo el modificador en polvo de carburo de boro B4C en la composición de la aleación AL2. Como resultado, se logró un aumento de la ductilidad del 2,9 al 10,5% con un aumento de la resistencia de 220,7 a 225,6 MPa. Al mismo tiempo, el tamaño medio de los macrogranos disminuyó de 4,4 a 0,65 mm2.
Las propiedades mecánicas de las siluminas hipoeutécticas dependen principalmente de la forma del silicio eutéctico y de los eutécticos multicomponentes, que tienen la forma de “caracteres chinos”. El trabajo presenta los resultados de la modificación de aleaciones del sistema A!-B1-Cu-Md-2n con partículas de nitruros de titanio TiN de tamaño inferior a 0,5 micras. Un estudio de la microestructura mostró que el nitruro de titanio se encuentra en la matriz de aluminio, a lo largo de los límites de los granos, cerca de las obleas de silicio y dentro de las fases que contienen hierro. El mecanismo de influencia de las partículas de TiN dispersas en la formación de la estructura de las siluminas hipoeutécticas durante la cristalización es que la mayor parte de ellas es expulsada por el frente de cristalización a la fase líquida y participa en la molienda de los componentes eutécticos de la aleación. Los cálculos mostraron que al usar
Tabla 1 - Composición química
Grado de aleación Fracción de masa de elementos, %
А1 Si Mg Mn Cu Zn Sb Fe
AL2 Base 10-13 0,1 0,5 0,6 0,3 - 1,0
AL4 8,0-10,5 0,17-0,35 0,2-0,5 0,3 0,3 - 1,0
AL4S 8,0-10,5 0,17-0,35 0,2-0,5 0,3 0,3 0,10-0,25 0,9
© N. E. Kalinina, V. P. Beloyartseva, O. A. Kavac 2006
formación de partículas de nitruro de titanio con un tamaño de 0,1-0,3 micrones y cuando su contenido en el metal es aproximadamente 0,015% en peso. la distribución de partículas fue de 0,1 µm-3.
La publicación analiza la modificación de la aleación AK7 con partículas refractarias dispersas de nitruros de silicio 813^, como resultado de lo cual se logran las siguientes propiedades mecánicas: stB = 350-370 MPa; 8 = 3,2-3,4%; HB = 1180-1190 MPa. Al introducir partículas de nitruro de titanio en la aleación AK7 en una cantidad del 0,01 al 0,02% en peso. La resistencia a la tracción temporal aumenta entre un 12,5 y un 28%, el alargamiento relativo aumenta entre 1,3 y 2,4 veces en comparación con el estado no modificado. Después de modificar la aleación AL4 con partículas dispersas de nitruro de titanio, la resistencia de la aleación aumentó de 171 a 213 MPa y el alargamiento relativo aumentó de 3 a 6,1%.
La calidad de las composiciones de fundición y la posibilidad de su producción dependen de una serie de parámetros, a saber: la humectabilidad de la fase dispersa por la masa fundida, la naturaleza de las partículas dispersas, la temperatura del medio disperso y los modos de mezcla del metal. derretir al introducir partículas. Una buena humectabilidad de la fase dispersa se consigue especialmente mediante la introducción de aditivos metálicos tensioactivos. En este trabajo se estudió el efecto de aditivos de silicio, magnesio, antimonio, zinc y cobre sobre la asimilación de partículas de carburo de silicio de una fracción de hasta 1 micrón por el aluminio líquido de grado A7. Se introdujo polvo de BYU en la masa fundida mediante mezcla mecánica a una temperatura de masa fundida de 760 ± 10 °C. La cantidad de aluminio introducido fue del 0,5% en peso de aluminio líquido.
El antimonio perjudica un poco la absorción de las partículas de BYU administradas. Los elementos que producen aleaciones de composición eutéctica (B1, 2p, Cu) con aluminio mejoran la absorción. Este efecto aparentemente está asociado no tanto con la tensión superficial de la masa fundida, sino con la humectabilidad de las partículas de SC por la masa fundida.
En la empresa estatal PA "Yuzhny Mashinostroitelny Zavod" se llevó a cabo una serie de fusiones experimentales de aleaciones de aluminio AL2, AL4 y AL4S, en las que se introdujeron modificadores en polvo. La fusión se realizó en un horno de inducción SAN-0,5 con colada en moldes de acero inoxidable. La microestructura de la aleación AL4S antes de la modificación consiste en dendritas gruesas de la solución α-sólida de aluminio y el eutéctico α(D!)+B1. Modificación con carburo de silicio BS
hizo posible refinar significativamente las dendritas de la solución a-sólida y aumentar la dispersión del eutéctico (Fig. 1 y Fig. 2).
Las propiedades mecánicas de las aleaciones AL2 y AL4S antes y después de la modificación se presentan en la Tabla. 2.
Arroz. 1. Microestructura de la aleación AL4S antes de la modificación, x150
Arroz. 2. Microestructura de la aleación AL4S tras la modificación B1S, x150
Tabla 2 - Propiedades mecánicas
Grado de aleación Método de fundición Tipo de tratamiento térmico<зВ, МПа аТ, МПа 8 , % НВ
AL2 Enfriamiento T2 147 117 3,0 500
AL2, modificado 8Yu Chill 157 123 3,5 520
AL4S Enfriar T6 235 180 3.0 700
AL4S, modificado 8Yu Chill 247 194 3,4 720
En este trabajo se estudió el efecto de la temperatura sobre el grado de asimilación de las partículas refractarias T1C y B1C. Se ha demostrado que el grado de asimilación de las partículas de polvo por la masa fundida de AL4S cambia bruscamente con la temperatura. En todos los casos, la absorción máxima se observó a una temperatura específica de una aleación determinada. Así, la máxima asimilación de partículas de Tiu se logró a la temperatura de fusión.
700......720 °C, a 680 °C la absorción baja. En
Cuando la temperatura aumenta a 780...790 °C, la absorción de TI disminuye 3...5 veces y continúa disminuyendo con un aumento adicional de la temperatura. Una dependencia similar de la asimilación de la temperatura de fusión se obtuvo para BU, que tiene un máximo de 770 °C. Un rasgo característico de todas las dependencias es una fuerte caída en la absorción al ingresar a la región de dos fases del intervalo de cristalización.
La agitación garantiza una distribución uniforme de las partículas de carburo de silicio dispersas en la masa fundida. A medida que aumenta el tiempo de mezclado, empeora el grado de absorción de partículas dispersas. Esto indica que las partículas inicialmente asimiladas por la masa fundida se eliminan posteriormente parcialmente de la masa fundida. Presumiblemente, este fenómeno puede explicarse por la acción de las fuerzas centrífugas, que empujan partículas extrañas dispersas, en este caso BS, hacia las paredes del crisol y luego las llevan a la superficie de la masa fundida. Por lo tanto, durante la fundición, la agitación no se llevó a cabo de forma continua, sino que se reanudó periódicamente antes de seleccionar porciones de metal del horno.
Las propiedades mecánicas de las siluminas se ven significativamente afectadas por el tamaño de partícula del modificador introducido. La resistencia mecánica de las aleaciones de fundición AL2, AL4 y AL4S aumenta linealmente a medida que disminuye el tamaño de las partículas de los modificadores en polvo.
Como resultado de la investigación teórica y experimental.
Los estudios experimentales han desarrollado regímenes tecnológicos para producir aleaciones de aluminio fundido de alta calidad modificadas con partículas de polvo refractario.
Los estudios han demostrado que cuando se introducen partículas dispersas de carburo de silicio en las aleaciones de aluminio AL2, AL4, AL4S, la estructura de las siluminas se modifica, el silicio primario y eutéctico se tritura y adquiere una forma más compacta, el tamaño de grano del sólido a La solución de aluminio disminuye, lo que conduce a un aumento de las características de resistencia de las aleaciones modificadas en un 5-7%.
Bibliografía
1. Fridlyander I.N. Metalurgia del aluminio y sus aleaciones. - M.: Metalurgia, 1983. -522 p.
2. Krushenko G.G. Modificación de aleaciones de aluminio-silicio con aditivos en polvo // Materiales de la II Conferencia Científica de toda la Unión "Patrones de formación de la estructura de aleaciones de tipo eutéctico". - Dnepropetrovsk, 1982. - P. 137-138.
3. Mikhalenkov K.V. Formación de la estructura del aluminio que contiene partículas dispersas de nitruro de titanio // Procesos de fundición. - 2001. -№1.- Pág. 40-47.
4. Chernega D.F. La influencia de las partículas refractarias dispersas en la masa fundida sobre la cristalización del aluminio y la silumin // Producción de fundición, 2002. - No. 12. - págs. 6-8.
Recibido por el editor el 6 de mayo de 2006.
¡Se da la infusión de modificador refractario disperso1v en la estructura de ese poder-este! Livarnyh aluminio1n1evih aleación1v. La modificación tecnológica de la aleación de aluminio en el sistema Al-Si-Mg se completó con un modificador en polvo de carb1d de silicio.
Se presenta la influencia de los modificadores refractarios finos en la estructura y propiedades de las aleaciones de aluminio para fundición. Se ha desarrollado la tecnología de modificación de aleaciones de aluminio del sistema Al-Si-Mg mediante el modificador en polvo de carburo de silicio.
CLASIFICACIÓN DE LIGADURAS Y MÉTODOS DE SU PRODUCCIÓN
2.1. Requisitos para ligaduras
En la producción de fundición, las aleaciones ocupan una parte importante del volumen de materiales de carga: dependiendo de la composición química, hasta el 50% de las aleaciones. Una aleación maestra es una aleación intermedia que contiene una cantidad suficientemente grande de metal de aleación que se agrega a la masa fundida para obtener la composición química y las propiedades estructurales y tecnológicas requeridas de piezas fundidas y lingotes. Como regla general, las aleaciones para aluminio y magnesio contienen solo un componente de aleación, pero a veces se preparan aleaciones triples y cuádruples. La composición de las aleaciones complejas se selecciona de tal manera que garantice que se obtenga la composición química deseada de la aleación dentro de los límites especificados para cada componente de la aleación.
La necesidad de utilizar aleaciones se debe a la baja velocidad de disolución de los componentes refractarios en su forma pura en aluminio y magnesio líquidos, así como a un aumento en el grado de absorción de elementos de aleación que se oxidan fácilmente. En la mayoría de las aleaciones de aluminio y magnesio, el componente de aleación se encuentra en forma de cristales de compuestos intermetálicos, en algunas aleaciones de magnesio, en forma de pequeñas partículas en forma pura. Teniendo en cuenta la naturaleza de la distribución del componente en los materiales de aleación y la velocidad de su disolución en masas fundidas de aluminio o magnesio, es posible obtener un contenido determinado del componente de aleación en la aleación agregando una cierta cantidad de aleación a la carga sólida o directamente a la masa fundida. Una propiedad importante de la aleación es su punto de fusión significativamente más bajo que el del componente refractario. Gracias a esto, las aleaciones a base de aluminio o magnesio no necesitan sobrecalentarse a altas temperaturas, como resultado, se reduce la pérdida del metal base y de aleación. El uso de aleaciones con elementos de bajo punto de fusión permite reducir las pérdidas de estos últimos por evaporación y oxidación. Con la ayuda de aleaciones, es mucho más fácil introducir en la masa fundida elementos que tienen un punto de fusión muy diferente del de la masa fundida principal, tienen una alta elasticidad de vapor y se oxidan fácilmente a las temperaturas de preparación de la masa fundida, así como en los casos en que la La introducción de un elemento de aleación directamente en la masa fundida va acompañada de un fuerte efecto exotérmico, que conduce a un sobrecalentamiento significativo de la masa fundida, o cuando la evaporación de un elemento de aleación va acompañada de la liberación de vapores tóxicos a la atmósfera del taller.
Dado que la aleación maestra es una aleación intermedia, no existen requisitos en cuanto a propiedades mecánicas. Pero debido a su introducción en grandes cantidades en la masa fundida principal, la influencia hereditaria de los materiales de carga en la estructura de las piezas fundidas y lingotes, así como los mayores requisitos de calidad de las piezas fundidas y productos semiacabados, surgen una serie de requisitos. impuesto a los lingotes de aleación:
1. Una temperatura de fusión de la aleación suficientemente baja, que garantice la temperatura mínima del aditivo del elemento, que se encuentre entre 100 y 200 °C por encima de la temperatura del líquido. La baja temperatura del líquido de la aleación contribuye a la rápida disolución del elemento de aleación y a su distribución uniforme en todo el volumen de la masa fundida, especialmente bajo la condición de una mezcla suficientemente intensa y uniforme de esta última. Sólo las aleaciones de los sistemas Al-Cu, Al-Si tienen una temperatura de liquidus cercana o inferior a la temperatura de fusión de la base, como se muestra en la Tabla. 20.
La temperatura líquida de las aleaciones restantes aumenta continuamente al aumentar el contenido del componente de aleación refractario en ellas.
Desde un punto de vista económico, es mejor tener aleaciones con un alto contenido de componente de aleación debido al ahorro de espacio de trabajo para almacenar la aleación, vehículos, consumo de aluminio primario y sus residuos. Dado que actualmente las aleaciones se preparan principalmente en hornos de reverbero a partir de metales puros, el contenido de titanio, circonio y cromo en las masas fundidas suele ser del 2 al 5%. Con un mayor contenido de estos metales en las aleaciones, se requiere una temperatura muy alta (1200-1400 °C). Con un aumento en el contenido de componentes en la aleación madre, con la organización existente de su fundición en lingotes, se forman grandes acumulaciones de compuestos intermetálicos, cuya disolución requiere un tiempo adicional de retención de la aleación o un aumento de la temperatura de esta última. .
2. Distribución uniforme de elementos de aleación sobre la sección transversal del cerdo. Para evitar una composición química heterogénea de los cerdos, es necesario mezclar bien la masa fundida antes de la fundición, y la fundición en sí debe realizarse lo más rápido posible. La distribución heterogénea del elemento en los cerdos puede ser consecuencia de dos motivos. En primer lugar, la baja tasa de solidificación del cerdo y, en segundo lugar, la distribución no uniforme del elemento en la aleación líquida antes de la fundición. A su vez, la composición heterogénea de una aleación líquida depende de la diferencia en la densidad de los componentes de las fases de la aleación. En las aleaciones de magnesio, en las que el elemento de aleación suele estar presente en forma pura, este factor actúa constantemente; En el aluminio, la segregación de compuestos intermetálicos por densidad se desarrolla cuando la temperatura de la aleación desciende por debajo de su liquidus.
3. Baja evaporación y oxidación del elemento de aleación al introducirlo en la masa fundida de la aleación.
4. Fácil trituración de los cerdos de aleación maestra en trozos pequeños para un pesaje más preciso de la carga; al mismo tiempo, la ligadura debe estar suficientemente avanzada tecnológicamente durante el colado. Por ejemplo, un aumento del contenido de manganeso en una aleación madre doble en más del 15% provoca el agrietamiento del cerdo, lo que complica su transporte y almacenamiento.
Los métodos actualmente existentes para modificar siluminas hipereutécticas (especialmente aquellas que contienen más del 20% de Si) son muy diversos. La modificación se realiza con cobre fósforo, fósforo rojo, diversos compuestos orgánicos de fósforo, mezclas de termitas y elementos como K, Bi, Pb, Sb, etc. En el extranjero, para modificar siluminas hipereutécticas, se utilizan preparados que contienen fluorotitanato de potasio (Aiphosit) y fluorocirconato de potasio ( Se utilizan Phoral), así como otras sustancias.
La desventaja común de todos los modificadores conocidos es que muelen solo cristales de silicio primarios, engrosando el eutéctico y no permiten obtener la estructura deseada y las propiedades mecánicas de las siluminas hipereutécticas.
Además, todos los compuestos orgánicos utilizados como modificadores son muy tóxicos. El uso de los elementos enumerados para obtener un efecto de modificación determinado conduce a un cambio en las propiedades especiales de la aleación, como la conductividad térmica, el coeficiente de expansión térmica, etc., ya que se introducen en grandes cantidades, alrededor del 1% o más.
Este artículo presenta estudios sobre la posibilidad de utilizar compuestos inorgánicos de carbono y fósforo como modificadores de siluminas hipereutécticas. Según el principio de correspondencia estructural, el carbono es el más cercano al silicio (la diferencia en los parámetros de la red es inferior al 10%).
La introducción de carbono como modificador en una aleación como parte de un compuesto orgánico tiene las siguientes desventajas: alta toxicidad, trituración solo de cristales de silicio.
La falta del efecto deseado al introducir compuestos orgánicos de carbono y fósforo se explica por el hecho de que la aleación está contaminada con los productos de su descomposición y la reacción de formación de Al4C3 y AlP, que sirven como sustrato para los cristales de silicio, acompañada de saturación de gas y formación de una gran cantidad de inclusiones no metálicas.
Se llevó a cabo una investigación sobre el uso de compuestos inorgánicos de carbono y fósforo como modificadores de siluminas hipereutécticas en una aleación compleja con un 20% de silicio.
La selección de los compuestos de carbono se realizó sobre la base de un análisis de los carburos de los elementos incluidos en la aleación, cuya concentración es superior al 1%, según los siguientes parámetros: la solubilidad del metal del compuesto de carburo en una temperatura de 1023-1073 K; diferencia en los parámetros de la red con el silicio; probabilidad de descomposición del compuesto de carburo en la aleación (el valor del potencial isobárico termodinámico). En mesa La Tabla 1 muestra los parámetros analizados de los compuestos de carburo.
Como modificador se tomaron los compuestos de carburo metálico menos duraderos. Por tanto, el carburo de Cr 3 C 2 es menos duradero que el Cr 4 C (Cr 23 C 6) y el WC que el W 2 C. La probabilidad de formación de compuestos del tipo Al4C3 al introducir carburos metálicos en la masa fundida, la cantidad de que determina principalmente el efecto de la modificación del silicio, puede estimarse mediante el valor del potencial isobárico calculado por 1 átomo g de Al4C3 sin tener en cuenta la actividad termodinámica de los elementos y la influencia cruzada de los componentes entre sí.
La integridad del efecto de modificación al introducir compuestos de carburo en una aleación de aluminio y silicio dependerá de la solubilidad del metal del compuesto de carburo a la temperatura de procesamiento. En la tabla se dan datos sobre la solubilidad de los compuestos de carburo metálico a una temperatura de 1073 K. 1.
Con una solubilidad limitada del metal del compuesto de carburo, este último, que tiene pequeñas diferencias en los parámetros reticulares con el silicio, se puede utilizar como sustrato para cristalizar cristales de silicio. Se trata de conexiones WC y VC, sin embargo, debido a su elevado coste, no son económicamente viables.
Los compuestos como TiC y Cr 3 C 2 no cumplen con los requisitos para los modificadores. Así, cuando se introduce TiC, se produce la formación. No se producen compuestos Al4C3, como lo demuestra el potencial isobárico positivo (Tabla 1). Los parámetros reticulares del TiC difieren significativamente de los del silicio. Cuando se introduce Cr 3 C 2 y su solubilidad incompleta, los carburos de cromo jugarán un papel negativo como inclusiones no metálicas en la aleación, aunque el efecto de modificación está parcialmente presente. El carburo de molibdeno tiene las mismas desventajas.
Del análisis de los datos de la tabla. 1 en relación con las aleaciones de aluminio y silicio, se deduce que los carburos más adecuados son Ni 3 C y Fe 3 C. Tienen el punto de fusión más bajo, buena solubilidad de los metales en la aleación y una diferencia insignificante en los parámetros de la red con el silicio.
En la práctica, el efecto de modificación de los carburos de Ni 3 C y Fe 3 C se evaluó mediante cambios en los tamaños de los componentes estructurales de la aleación. Los carburos se introdujeron en la aleación a una temperatura de 1933-1073 K en forma de piezas de 3-4 mm de tamaño y en forma de polvo. Se cargó carburo en trozos junto con la carga y el polvo se introdujo en el metal líquido.
El grado de modificación t se determinó mediante la siguiente expresión:
M= 100·(x 0 – x)/x 0
donde x 0,x es el tamaño promedio de los componentes estructurales determinado por el método de la secante, mm.
En la microestructura de la aleación después del grabado en un reactivo que consta de 1 cm 3 HF y 1,5 cm 3 HCl, 2,5 cm 3 HNO 3 y 95 cm 3 H 2 0, se identificaron cinco componentes estructurales principales, que difieren en configuración y color: oscuro cristales de silicio gris (fase L), eutécticos (fase E), granos de solución sólida (fase D) y compuestos ithermetálicos de componentes aleantes de la aleación (fases B y C).
Paralelamente se estudió la influencia de elementos modificadores sobre las propiedades termofísicas y físico-mecánicas de la aleación; coeficiente de expansión térmica en el rango de 273-373K, resistencia a la tracción, alargamiento relativo, dureza.
El coeficiente de expansión lineal se determinó utilizando el dispositivo IKV-3 en una muestra con un diámetro de 3X50 mm sumergida en un medio calentado, y las propiedades físicas y mecánicas se determinaron en muestras con un diámetro de 12X6X150 mm de acuerdo con GOST 1497-73. .
Para comparar el efecto de modificación cuando se introducen compuestos inorgánicos de carbono y fósforo en un metal líquido, se llevaron a cabo estudios similares utilizando métodos de modificación conocidos: ultrasonido y la introducción de Alphosita.
El tratamiento ultrasónico se realizó con una frecuencia de (18-20) 10 3 Hz a diferentes temperaturas y duraciones. En mesa 2 muestra los mejores resultados de modificación para todos los métodos de procesamiento, y la Fig. Se muestran estructuras cuyos componentes varían en tamaño.
Arroz. Estructuras de aleación compleja de Al [Х200]: A- sin modificar; b - modificado con cobre fósforo; c - modificado con carburo de hierro; g - procesado con un modificador complejo
Modificador alfositoSe introdujo según la recomendación del 0,2% en peso de la aleación. Los estudios han demostrado que el uso de tratamientos ultrasónicos, independientemente de la frecuencia de vibración, conduce a un aumento de los componentes estructurales, especialmente de la fase A (silicio). Modificadoralfosito fases de molienda A Y Dy no cambia los tamaños de otras fases. El cobre fosforado reduce los tamaños de faseA Y D,sin afectar otras fases. Se obtienen buenos resultados en cuanto al grado de trituración de todos los componentes de la fase mediante la introducción de fosfato de aluminio-piro[Al(P 2 o 2 )3], aunque las propiedades mecánicas son menores, ya que hay un aumento de inclusiones no metálicas en la aleación.
La introducción de carburos de Ni 3 C y Fe 3 C tiene un efecto positivo en todos los indicadores mediante los cuales se evaluó el efecto de la modificación de la aleación.
Cuando la concentración de uno de estos elementos en la aleación es insuficiente para obtener el efecto de modificación completo y es necesario aumentar la duración del efecto, se recomienda utilizar compuestos inorgánicos en combinación con fosfato de fósforo, cobre y aluminio con la siguiente concentración óptima de componentes: cobre fósforo - 40%, fosfato de aluminio - 15%, carburo de hierro - 45%. La cantidad de modificador es del 1 al 1,5% en peso del metal.
Cambiar la concentración de uno de los componentes modificadores no aumenta el grado promedio de molienda. Así, la introducción de más del 15% de Al 4 (P 2 07)3 conduce a un aumento notable de las inclusiones no metálicas, que reducen las propiedades mecánicas de la aleación. El carburo de hierro se puede sustituir por carburo de Ni 3 C o por un carburo metálico que cumpla con los requisitos de modificadores descritos inicialmente.
La introducción de un modificador complejo se puede realizar de dos formas y en dos etapas. Primero, se cargan carburos y cobre fosforoso con la carga, luego se introduce fosfato de aluminio en la masa fundida líquida con una campana, se carga cobre fosforoso con la carga y se introducen carburo y fosfato de aluminio en la aleación líquida.
Cambiar el orden de introducción de un modificador complejo en la aleación afecta la duración de la conservación del efecto de modificación, y el primer método difiere del segundo en duración en 30 minutos. Si se introducen modificadores en metal líquido, para igualar su concentración en todo el volumen, es necesario agitar intensamente y mantener durante 15 a 20 minutos. antes de verter. El mejor efecto de modificación se obtuvo al cargar compuestos metálicos con fósforo y carbono en forma de trozos. Su introducción en forma de polvo provoca un aumento del contenido de gas.
El tiempo de retención del efecto de modificación se determinó antes de que el tamaño de los componentes estructurales de la aleación comenzara a crecer en secciones delgadas obtenidas tomando muestras cada 15 minutos. La mayor duración de conservación del efecto modificador corresponde al uso de un modificador complejo. Cuando se vuelve a fundir, el efecto de modificación no se conserva.
En consecuencia, la introducción de compuestos inorgánicos de fósforo y carbono en aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio permite obtener una estructura finamente dispersa y mejorar las propiedades físicas y mecánicas manteniendo las propiedades especiales de rendimiento de las aleaciones.
LITERATURA
- Kolobnev IF et al. Modificador para aleaciones resistentes al calor. Auto. fecha URSS, n° 186693. Boletín de imágenes, 1966, n° 19, p. 110.
- Kosolapova T. Ya - Carburos. - M.: Metalurgia, 1968.
- Timofeev G.I. et al. Modificador para siluminas hipereutécticas. Auto. svid, URSS, núm. 718493. Imagen del boletín 1980, núm. 8. pág. 106.
- Lingotes de acero - http://steelcast.ru/
- Maltsev M.V., Barsukova T.A., Borin F.A. Metalografía de aleaciones y metales no ferrosos. Moscú: Metalurgizdat, 1960.
- Toth L. Carburos y nitruros de metales de transición. M.: Mir, 1974.
Al fundir aleaciones forjadas, se presta especial atención a la limpieza del horno de escorias y residuos de fundiciones anteriores. Al cambiar a otra marca de aleación, además de las fundiciones de transición, el horno y los mezcladores se lavan para eliminar los restos de la aleación antigua. La cantidad de metal a lavar debe ser al menos una cuarta parte de la capacidad del horno. La temperatura del metal durante el lavado se mantiene entre 40 y 50 °C por encima de la temperatura de fundición de la aleación antes del lavado. Para acelerar la limpieza, el metal se agita intensamente en el horno durante 8 a 10 minutos. Para el lavado se utiliza aluminio o refundición. En los casos en que el metal se drene completamente del horno, se puede limitar al lavado con fundentes. Las aleaciones se funden bajo arco sumergido.
Los materiales de carga se cargan en la siguiente secuencia: aluminio fundido, desechos voluminosos, refundición, aleaciones (metales puros). En el metal líquido se permite cargar virutas secas y chatarra pequeña a una temperatura que no supere los 730 °C. El cobre se introduce en la masa fundida a una temperatura de 740-750 °C, el silicio a 700-740 °C mediante una campana. El zinc se carga antes que el magnesio, que generalmente se agrega antes de drenar el metal. El sobrecalentamiento máximo permitido para aleaciones fundidas es de 800 a 830 °C, y para aleaciones deformables de 750 a 760 °C.
Cuando se funde en el aire, el aluminio se oxida. Los principales agentes oxidantes son el oxígeno y el vapor de agua. Dependiendo de la temperatura y presión de estos gases, así como de las condiciones cinéticas de interacción, como resultado de la oxidación del aluminio se forman óxido de aluminio Al2O3, así como Al2O y AlO. La probabilidad de formación aumenta al aumentar la temperatura y disminuir la presión parcial de oxígeno en el sistema. En condiciones normales de fusión, la fase termodinámicamente estable es el óxido de aluminio sólido γ-Al2O3, que no se disuelve en aluminio y no forma compuestos fusibles con él. Cuando se calienta a 1200 °C, γ-Al2O3 recristaliza en α-Al2O3. A medida que se produce la oxidación, se forma una película de óxido densa y duradera con un espesor de 0,1 a 10 micrones en la superficie del aluminio sólido y líquido, dependiendo de la temperatura y la duración de la exposición. Cuando se alcanza este espesor, la oxidación prácticamente se detiene, ya que la difusión de oxígeno a través de la película se ralentiza drásticamente.
El proceso de oxidación de aleaciones líquidas de aluminio es muy complejo y poco estudiado. Los datos de la literatura disponible muestran que la intensidad de oxidación de los componentes de la aleación es función de la presión de oxígeno, la presión de disociación de sus óxidos, la concentración de los componentes en la aleación, la velocidad de difusión de los átomos hacia los átomos de oxígeno, la interacción de óxidos entre sí, etc. La cinética de oxidación está determinada por la continuidad, densidad y resistencia de las películas de óxido. A la misma concentración, los elementos más activos se oxidan primero, en los que la formación de óxido se asocia con la mayor disminución del potencial isobárico-isotérmico.
La mayoría de los elementos de aleación (cobre, silicio, manganeso) no tienen un efecto significativo sobre el proceso de oxidación del aluminio y las propiedades protectoras de la película de óxido, ya que tienen una relación VMem0/mVMe≥1. La película de óxido de las aleaciones binarias de aluminio con estos elementos en bajas concentraciones está formada por γ-Al2O3 puro. Con contenidos significativos de estos elementos, se forman soluciones sólidas de óxidos de elementos de aleación en γ-Al2O3 y las correspondientes espinelas.
Los metales alcalinos y alcalinotérreos (potasio, sodio, bario, litio, calcio, estroncio, magnesio), así como el zinc (0,05-0,1%), aumentan considerablemente la oxidación del aluminio. La razón de esto es la estructura suelta y porosa de los óxidos de estos elementos. En este caso, la película de óxido sobre la fusión doble está enriquecida con óxidos de metales alcalinos y alcalinotérreos. Para neutralizar los efectos nocivos del zinc, se introduce entre un 0,1 y un 0,15% de magnesio en el aluminio fundido.
Las aleaciones de aluminio y magnesio forman una película de óxido de composición variable. Con un contenido bajo de magnesio del 0,005 % (en masa), la película de óxido tiene la estructura de γ-Al2O3 y es una solución sólida de MgO en γ-Al2O3; con un contenido de 0,01-1,0% de Mg, la película de óxido está formada por espinela (MgO*Al2O3) de composición variable y cristales de óxido de magnesio; Con un contenido superior al 1,5% de Mg, la película de óxido está formada casi en su totalidad por óxido de magnesio.
El berilio y el lantano ralentizan la oxidación de las aleaciones de aluminio. La adición de 0,01% de berilio o lantano reduce la tasa de oxidación de las aleaciones de Al-Mg al nivel de oxidación del aluminio. El efecto protector de estos elementos se explica por la compactación de la película de óxido llenando los poros resultantes con óxidos de berilio y lantano.
La oxidación del aluminio fundido se reduce en gran medida por el flúor y los fluoruros gaseosos (SiF4, BF3, SF6, etc.), presentes en la atmósfera del horno en cantidades de hasta el 0,1% (en peso). Adsorbidos en la superficie de la película de óxido, reducen la tasa de penetración de oxígeno a la superficie del metal.
La mezcla de la masa fundida durante el proceso de fusión va acompañada de una violación de la integridad de la película de óxido y la mezcla de sus fragmentos en la masa fundida. El enriquecimiento de la masa fundida con inclusiones de óxido también se produce como resultado de reacciones de intercambio con el revestimiento de los dispositivos de fusión. . La influencia más significativa sobre el grado de contaminación de las masas fundidas por películas la ejerce la oxidación superficial de los materiales de carga primaria y secundaria originales. El papel negativo de este factor aumenta a medida que disminuye la compacidad y aumenta la superficie específica del material.
La película de óxido de la carga también es una fuente de saturación de la masa fundida con hidrógeno, ya que está compuesta por un 30-60% de Al(OH)3. La humedad unida químicamente es difícil de eliminar de la superficie de los materiales de carga incluso a una temperatura de 900 C. El hidróxido, al entrar en la masa fundida, la satura enormemente con hidrógeno. Por este motivo, no es deseable introducir en la carga virutas, serrín, recortes, derrames y otros residuos no compactos. De particular importancia es la organización del almacenamiento y el procesamiento oportuno de los residuos y la devolución de la producción propia, evitando la oxidación y corrosión con formación de hidróxidos. La introducción de retornos propios en la carga también está asociada con la inevitable acumulación de impurezas de hierro nocivas en las aleaciones, que forman compuestos intermetálicos sólidos complejos con los componentes de la aleación, reduciendo las propiedades plásticas y perjudicando el proceso de corte de las piezas fundidas.
Junto con los óxidos y los compuestos intermetálicos, la masa fundida también puede contener otras inclusiones no metálicas: carburos, nitruros y sulfuros. Sin embargo, su número es pequeño en comparación con el contenido de óxidos. La composición de fases de las inclusiones no metálicas en las aleaciones de aluminio es variada. Además de óxidos de aluminio, pueden contener óxido de magnesio (MgO), espinela de magnesio (MgAl2O4), aluminio, magnesio, nitruros de titanio (AlN, Mg3N2, TiN), carburo de aluminio (Al4C3), boruros de aluminio y titanio (AlB2, TiB2). y etc. La mayor parte de las inclusiones son óxidos.
Según su origen, las inclusiones no metálicas que se encuentran en las aleaciones se pueden dividir en dos grupos: inclusiones dispersas y películas. La mayor parte de las inclusiones dispersas tienen un tamaño de 0,03 a 0,5 micrones. Están distribuidos de manera relativamente uniforme en el volumen de la masa fundida. El espesor más probable de las películas de óxido es de 0,1 a 1,0 micrones y la longitud es de décimas de milímetro a varios milímetros. La concentración de tales inclusiones es relativamente pequeña (0,1-1,0 mm2/cm2) y la distribución es extremadamente desigual. Cuando la masa fundida se detiene, las inclusiones grandes pueden flotar o asentarse. Sin embargo, debido a la gran superficie específica de las películas y a la pequeña diferencia entre su densidad y la densidad de las masas fundidas, la flotación (deposición) es lenta; la mayoría de las películas permanecen en la masa fundida y, al llenar el molde , son llevados a la fundición. Las suspensiones finas se separan aún más lentamente. Casi todos se dedican al casting.
Durante la fundición, el aluminio se satura con hidrógeno, cuyo contenido puede alcanzar entre 1,0 y 1,5 cm3 por 100 g de metal. La principal fuente de hidrógeno es el vapor de agua, cuya presión parcial en la atmósfera de los hornos de fusión de gas puede alcanzar entre 8 y 16 kPa.
La influencia de los elementos de aleación y las impurezas sobre la solubilidad en equilibrio del hidrógeno en el aluminio ha sido poco estudiada. Se sabe que el cobre y el silicio reducen la solubilidad del hidrógeno y el magnesio la aumenta. La solubilidad del hidrógeno también aumenta con todos los elementos hidroformantes (titanio, circonio, litio, sodio, calcio, bario, estroncio, etc.), por lo que una aleación de aluminio con un 2,64% de Ti puede liberar hasta 25 cm3 de hidrógeno por 100 g. y una aleación de aluminio con 5 % Zr - 44,5 cm3 por 100 g. Los metales alcalinos y alcalinotérreos (sodio, litio, calcio, bario), que forman hidruros, aumentan más activamente la solubilidad del hidrógeno y el aluminio.
Una proporción importante del hidrógeno disuelto en las aleaciones es el gas introducido por las aleaciones y el cobre electrolítico. Por ejemplo, una aleación de aluminio y titanio, dependiendo de la tecnología de fundición, puede contener hasta 10 cm3 de hidrógeno por 100 g, y el cobre electrolítico con estructura -ups: hasta 20 cm3 por 100 g Las aleaciones fundidas contienen más impurezas e inclusiones no metálicas que las aleaciones forjadas. Por tanto, son más propensos a absorber gases.
La cinética del proceso de hidrogenación del aluminio fundido está limitada por la transferencia de masa de hidrógeno en el metal líquido, a través de la película de óxido superficial y en un ambiente gaseoso. La influencia más significativa en la transferencia de masa la ejerce la composición de la aleación y el contenido de inclusiones no metálicas, que determinan la permeabilidad de la película de óxido, la movilidad de difusión del hidrógeno y la posibilidad de su liberación de la masa fundida en la forma. de burbujas. La permeabilidad de la película también se ve influenciada significativamente por la composición del medio gaseoso. La movilidad de difusión del hidrógeno en el aluminio se ve reducida por el cobre, el silicio y especialmente el magnesio, el manganeso y el titanio. Las inclusiones no metálicas finamente dispersas, que tienen una alta capacidad de adsorción de hidrógeno, ralentizan enormemente su movilidad de difusión en el aluminio fundido.
La película de óxido de aluminio tiene una baja permeabilidad a los átomos de hidrógeno y ralentiza la reacción entre la masa fundida y la humedad atmosférica. Con un espesor de película de 1 a 10 micrones, el intercambio de gases entre el metal y la atmósfera prácticamente se detiene. La permeabilidad de la película está muy influenciada por la composición de la aleación. Todos los elementos que aumentan la oxidación del aluminio (magnesio, litio, sodio, estroncio, calcio) aumentan la permeabilidad de la película de óxido al hidrógeno. Los elementos de aleación (cobre, zinc, silicio) tienen poco efecto sobre el intercambio de gases. Aflojan un poco la película de óxido y, por tanto, contribuyen a una saturación más rápida de las aleaciones con hidrógeno.
La permeabilidad al hidrógeno de la película de óxido se ve significativamente afectada por la composición de la atmósfera sobre la masa fundida. La permeabilidad de la película aumenta significativamente si en el entorno gaseoso hay Cl2, C2Cl6, BF4, SiF4, freones y otros halógenos. Los cloruros, que tienen una alta afinidad por el aluminio, se adsorben, penetran bajo la película de óxido y la destruyen como resultado de la formación de cloruro de aluminio gaseoso. Los fluoruros interactúan menos activamente con el aluminio. Al interactuar con la película de óxido, contribuyen a la deshidratación de su superficie y a la desorción de moléculas y átomos de oxígeno. Al tener una alta capacidad de adsorción, los fluoruros ocupan los centros activos desocupados en la película y crean complejos de oxifluoruro como Al2O2F2, que detienen el acceso de oxígeno y vapor de agua a la masa fundida, haciendo que la película sea delgada y permeable al hidrógeno. Los fundentes líquidos que contienen fluoruros también destruyen la película de óxido y facilitan la desgasificación de las masas fundidas.
El hidrógeno disuelto, liberado durante la cristalización de las masas fundidas, provoca la formación de gas y porosidad por contracción del gas en las piezas fundidas. Al aumentar la concentración de hidrógeno, aumenta la porosidad del gas de las piezas fundidas. La susceptibilidad de las aleaciones de aluminio a la porosidad del gas está determinada por el grado de sobresaturación de la solución sólida con hidrógeno, que se expresa mediante la relación η - (Cl-Stm)/Stm, donde Cl y Stm son las concentraciones de hidrógeno en el líquido. y aleación sólida, cm3/100 g No se forma porosidad del gas cuando Stp=Com. El grado de sobresaturación de la solución sólida aumenta al aumentar la velocidad de enfriamiento.
Para cada aleación, existen concentraciones límite de hidrógeno por debajo de las cuales no se forman poros de gas en las piezas fundidas a velocidades de enfriamiento determinadas. Por ejemplo, para evitar la formación de poros de gas durante la solidificación de piezas fundidas de paredes gruesas hechas de aleación Al - 7% Si, el contenido de hidrógeno en la masa fundida no debe exceder los 0,15 cm3 por 100 g. El contenido límite de hidrógeno en el duraluminio Se considera que es de 0,12-0,18 cm3 por 100 g, dependiendo de la intensidad del enfriamiento durante la cristalización.
La protección del aluminio fundido contra la oxidación y la absorción de hidrógeno se logra mediante fusión por arco sumergido en una atmósfera débilmente oxidante. Como fundente de recubrimiento al fundir la mayoría de las aleaciones que contienen no más del 2% de Mg, se utiliza una mezcla de cloruros de sodio y potasio (45% NaCl y 55% KCl) en una cantidad del 1-2% en peso de la carga. La composición del fundente corresponde a una solución sólida con un punto de fusión mínimo de 660 °C. Para ello, también se recomienda un fundente con una composición más compleja (Tabla 12).
Para las aleaciones de aluminio y magnesio, se utilizan como fundente de recubrimiento carnalita (MgCl2*KCl) y mezclas de carnalita con 40-50% de cloruro de bario o 10-15% de fluoruro de calcio. Si el uso de fundente es imposible, la protección contra la oxidación se realiza mediante la introducción de berilio (0,03-0,05%). Los fundentes protectores se utilizan ampliamente para fundir aleaciones en hornos de reverbero.
Para evitar la interacción con la humedad, se toman medidas para eliminarla del revestimiento de los hornos de fusión y dispositivos de fundición, del refinado y modificación de los fundentes; Las herramientas de fundición y fundición se calcinan y pintan, y los materiales de carga se calientan, limpian y secan.
Sin embargo, por muy cuidadosamente que se proteja la masa fundida, cuando se funde en el aire siempre resulta contaminada con óxidos, nitruros, carburos, escorias e inclusiones de fundente e hidrógeno, por lo que hay que limpiarla antes de verterla en moldes.
Refinación de fusión
Para limpiar las aleaciones de aluminio de inclusiones no metálicas suspendidas e hidrógeno disuelto, se utilizan la sedimentación, la purga con gases inertes y activos, el tratamiento con sales de cloruro y fundentes, la aspiración, la filtración a través de filtros de malla y granulares y el refinado con electroflujo.
Como proceso independiente, la sedimentación puede ser aplicable en los casos en que la diferencia de densidad sea suficientemente grande y el tamaño de partícula no sea demasiado pequeño. Pero incluso en estos casos el proceso es lento, se requiere un mayor consumo de combustible y resulta ineficaz.
La purificación de masas fundidas mediante soplado con gases inertes o activos se basa en la aparición de dos procesos: la difusión del gas disuelto en burbujas, el soplado y la acción flotante de las burbujas en relación con inclusiones y pequeñas burbujas de gas. El refinado se lleva a cabo con mayor éxito cuanto menor es el tamaño de las burbujas del gas purgado y más uniforme es su distribución en todo el volumen de la masa fundida. En este sentido, merece especial atención el método de procesamiento de masas fundidas con gases inertes utilizando inserciones cerámicas porosas. Pero en comparación con otros métodos para introducir gases inertes en las masas fundidas, el más eficaz es el soplado a través de insertos porosos.
El soplado de masas fundidas con gases se utiliza ampliamente en las fundiciones para la producción de lingotes. Se realiza en cajas revestidas especiales instaladas a lo largo del camino de transferencia del metal desde el mezclador al cristalizador. Para el refinado del aluminio fundido se utiliza nitrógeno, argón, helio, cloro y su mezcla con nitrógeno (90%), purificado de humedad y oxígeno.
El soplado con nitrógeno o argón se realiza a 720-730 °C. La duración del soplado, dependiendo del volumen de la masa fundida, oscila entre 5 y 20 minutos; El consumo de gas es del 0,3 al 1% de la masa fundida. Este tratamiento permite reducir el contenido de inclusiones no metálicas a 1,0-0,5 mm2/cm2 según el ensayo tecnológico de V.I. Dobatkina y BK. Zinoviev, y el contenido de hidrógeno es de hasta 0,2-0,15 cm3 por 100 g de metal.
El tratamiento de las masas fundidas con cloro se realiza en cámaras selladas o cazos que cuentan con una tapa con salida de gases al sistema de ventilación. El cloro se introduce en la masa fundida a través de tubos con boquillas a 710-720 °C. La duración del refinado a una presión de cloro de 108-118 kPa es de 10 a 12 minutos; Consumo de cloro: 0,2-0,8% de la masa fundida. El uso de cloro proporciona un mayor nivel de purificación en comparación con el nitrógeno y el argón industriales. Sin embargo, la toxicidad del cloro, la necesidad de procesar los fundidos en cámaras especiales y las dificultades asociadas con su secado limitan significativamente el uso de la cloración de los fundidos en condiciones industriales. Reemplazar el cloro con una mezcla de éste y nitrógeno (90%) proporciona un nivel bastante alto de purificación, pero no resuelve los problemas asociados con la toxicidad y el secado.
La desgasificación por soplado va acompañada de pérdidas de magnesio: cuando se trata con nitrógeno, se pierde el 0,01% de magnesio; cuando se trata con cloro, estas pérdidas aumentan al 0,2%.
El refinado con cloruros se utiliza ampliamente en la industria de la fundición de formas. Para ello se utilizan cloruro de zinc, cloruro de manganeso, hexacloroetano, tetracloruro de titanio y varios otros cloruros. Debido a la higroscopicidad de los cloruros, se someten a secado (MnCl2, C3Cl6) o refundición (ZnCl2). La tecnología de refinado con cloruros consiste en introducirlos en la masa fundida con agitación continua con campana hasta que cese la liberación de productos gaseosos de la reacción. Los cloruros de zinc y manganeso se introducen en una cantidad del 0,05-0,2% a una temperatura de fusión de 700-730 °C; hexacloroetano: en una cantidad del 0,3 al 0,7% a 740-750 °C en varias etapas. Al disminuir la temperatura, la eficiencia del refinado disminuye debido a un aumento en la viscosidad de las masas fundidas; El refinado a temperaturas más altas no es práctico, ya que está asociado con una intensa oxidación de la masa fundida.
Actualmente, en los talleres de fundición moldeada para refinación, se utilizan ampliamente tabletas del fármaco "Desgasificador", que consisten en hexacloroetano y 10% (en peso) de cloruro de bario, que se introducen en la masa fundida sin el uso de "campanas". Al tener una densidad mayor que la masa fundida, las tabletas se hunden hasta el fondo del recipiente, asegurando que se procese todo el volumen de la masa fundida.
Las sales de cloruro interactúan con el aluminio según la reacción: 3MnCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Mn.
Las burbujas de cloruro de aluminio, que suben a la superficie de la masa fundida, arrastran inclusiones no metálicas suspendidas; El hidrógeno disuelto en el metal se difunde hacia las burbujas y la masa fundida se purifica. Una vez completada la mezcla, se deja reposar la masa fundida durante 10 a 45 minutos a 720-730 °C para eliminar pequeñas burbujas de gas.
El refinado con cloruros se realiza en hornos o cucharas con una pequeña superficie específica de la masa fundida. En hornos con una pequeña capa de masa fundida, el refinado con cloruros es ineficaz. En cuanto al nivel de purificación de inclusiones no metálicas y gases, el tratamiento con cloruros es inferior a la purga con cloro.
La limpieza del aluminio fundido con fundentes se utiliza para fundir aleaciones fundidas y forjadas. Para la refinación, se utilizan fundentes a base de sales de cloruro de metales alcalinos y alcalinotérreos con la adición de sales de fluoruro: criolita, espato flúor, fluoruros de sodio y potasio (Tabla 13).
En la práctica de fundir la mayoría de las aleaciones forjadas de aluminio, se utiliza el fundente número 1 para refinar.
Para limpiar aleaciones de aluminio y magnesio se utilizan fundentes a base de carnalita: 80-90% MgCl2*KCl, 10-20% CaF2, MgF2 o K3AlF6. Se vierten fundentes prefundidos y secos en una cantidad de 0,5-1% en peso del metal sobre la superficie de la masa fundida a 700-750 °C. Luego se mezcla vigorosamente el fundente con la masa fundida durante 3 a 5 minutos, se elimina la escoria y se deja reposar la masa fundida durante 30 a 45 minutos. Una vez eliminada de nuevo la escoria, la masa fundida se utiliza para llenar moldes de fundición. Cuando se procesan grandes volúmenes de metal, el fundente se introduce en el fondo de la masa fundida mediante una "campana".
Para refinar aleaciones de aluminio fundido (siluminis) se utilizan ampliamente los fundentes nº 2 y 13. Se introducen en la masa fundida en forma líquida en una cantidad del 0,5 al 1,5% (en peso) y se amasan vigorosamente. Contribuyen a la destrucción de la espuma que se forma al llenar los cazos dispensadores y enriquecen la masa fundida con sodio.
Se obtiene un alto nivel de desgasificación mediante aspiración. Este método de limpieza se utiliza principalmente en fundiciones conformadas. Su esencia radica en el hecho de que el metal fundido según la tecnología estándar en hornos convencionales se vierte en una cuchara, que luego se coloca en una cámara de vacío. El metal en la cámara se mantiene a una presión residual de 1330 Pa durante 10 a 30 minutos; La temperatura de fusión se mantiene entre 720 y 740 °C. En los casos en que la evacuación se realiza sin calentamiento, la masa fundida se sobrecalienta a 760-780 °C antes del procesamiento. El diagrama de instalación para la desgasificación al vacío se muestra en la Fig. 93.
En los últimos años, para purificar el aluminio fundido de inclusiones no metálicas, se ha utilizado cada vez más a gran escala la filtración a través de filtros cerámicos de malla, granulares y porosos. Los filtros de malla se utilizan ampliamente para limpiar masas fundidas de inclusiones y películas grandes, separando aquellas inclusiones cuyo tamaño es mayor que la celda de malla. Para la fabricación de filtros de malla se utilizan varias marcas de fibra de vidrio con tamaños de celda de 0,5x0,5 a 1,5x1,5 mm y malla metálica (de titanio). Los filtros de fibra de vidrio se instalan en cajas de distribución y cristalizadores, en canales de compuerta y crisoles dosificadores (Fig. 94), su uso permite reducir el contenido de grandes inclusiones y películas no metálicas entre 1,5 y 2 veces; no afectan el contenido de inclusiones dispersas e hidrógeno.
Los filtros de grano proporcionan un efecto de limpieza significativamente mayor. Su característica distintiva es la gran superficie de contacto con el metal y la presencia de canales largos y delgados de sección transversal variable. La purificación de metales fundidos a partir de inclusiones en suspensión cuando se filtran a través de filtros granulares se debe a procesos mecánicos y de adhesión. El primero de ellos juega un papel decisivo en la separación de grandes inclusiones y películas, el segundo, en la separación de pequeñas inclusiones. Debido al efecto de malla, los filtros granulares retienen sólo aquellas inclusiones cuyo tamaño excede el diámetro efectivo de los canales intergranulares. Cuanto menor sea el diámetro de los granos del filtro y más denso sea su empaquetamiento, mayor será el nivel alcanzado de purificación de las masas fundidas a partir de grandes inclusiones y películas (Fig. 95).
A medida que aumenta el espesor de la capa filtrante, aumenta la eficiencia de limpieza. Los filtros humectables por fusión son más eficientes que los filtros no humectables.
Los filtros fabricados con una aleación de fluoruros de calcio y magnesio permiten obtener piezas fundidas de aleaciones AL4, AK6 y AMg6 que están entre 1,5 y 3 veces menos contaminadas con grandes inclusiones que los filtros fabricados con magnesita.
La velocidad y el modo de flujo del material fundido a través de los canales intergranulares del filtro tienen una influencia significativa en la integridad de la separación de grandes inclusiones y películas. Al aumentar la velocidad, la posibilidad de sedimentación de inclusiones de un flujo en movimiento bajo la influencia de la gravedad disminuye y la probabilidad de eliminar inclusiones ya sedimentadas aumenta como resultado de la acción hidrodinámica, cuyo grado es proporcional al cuadrado de la velocidad de filtración. .
La eficacia de la limpieza del aluminio fundido de inclusiones finamente dispersas utilizando filtros granulares aumenta a medida que se deteriora la humectación del filtro y las inclusiones por el fundido.
Para la fabricación de filtros se utilizan arcilla refractaria, magnesita, alundum, sílice, aleaciones de sales de cloruro y fluoruro y otros materiales. La eliminación completa de las inclusiones no metálicas en suspensión depende de la naturaleza del material filtrante. Los filtros más eficaces son los fabricados con fluoruros (materiales activos) (Fig. 95 y 96).
Los materiales activos, junto con grandes inclusiones y películas, permiten separar hasta un 30-40% de suspensiones finamente dispersas y reducir el contenido de hidrógeno en aleaciones refinadas con fundente o cloruros en un 10-20%. A medida que se eliminan las suspensiones finamente dispersas, aumenta el tamaño de grano en las piezas fundidas, disminuye el contenido de gas y aumentan las propiedades plásticas de las aleaciones (Fig. 97). Se requiere un alto nivel de purificación de las aleaciones AK6 y AL4 a partir de inclusiones e hidrógeno. Se observa cuando se utilizan filtros hechos de una aleación de fluoruros de calcio y magnesio con un tamaño de grano de 4 a 6 mm de diámetro y una altura de capa filtrante de 100 a 120 mm.
Los filtros granulares, como los filtros de malla, se instalan a lo largo del camino del movimiento del metal desde el mezclador hasta el molde. Para la colada continua de lingotes, el lugar óptimo de instalación es el molde; En el caso de fundición moldeada, el filtro se coloca en un tubo ascendente, un crisol dispensador o un bebedero.
Los diseños típicos de filtros granulares cuando se funden piezas fundidas y lingotes se muestran en la Fig. 98.
Antes de su uso, el filtro se calienta a 700-720 °C para eliminar la humedad absorbida y evitar la congelación del metal en los canales.
El llenado se realiza de tal manera que el nivel superior del filtro se cubre con una capa de metal de 10-15 mm y la salida del metal después del filtro se produce por debajo del nivel inundado. Si se cumplen estas condiciones, el contenido residual de inclusiones y películas no metálicas en la pieza fundida se puede aumentar hasta 0,02-0,08 mm2/cm2 según la prueba tecnológica V.I. Dobatkin y V.K. Zinoviev, es decir, de 2 a 4 veces menor en comparación con el filtrado a través de filtros de malla.
La forma más eficaz de limpiar el aluminio fundido de películas y grandes inclusiones no metálicas es el refinado por electroflujo. La esencia de este proceso es pasar finos chorros de masa fundida a través de una capa de fundente líquido mientras se aplica simultáneamente un campo de corriente continua o alterna al metal y al fundente, creando condiciones más favorables para la adsorción de inclusiones por parte del fundente como resultado de una Disminución de la tensión interfacial en el límite con el metal. Con un aumento en la superficie específica y la duración del contacto del metal con el fundente, aumenta la eficiencia de la limpieza. Por lo tanto, los diseños de dispositivos para el refinado de flujo y electroflujo prevén la fragmentación del chorro (Fig. 99).
El modo óptimo de refinación por electroflujo consiste en hacer pasar una corriente de metal con un diámetro de 5 a 7 mm, calentada a 700-720 °C, a través de una capa de fundente fundido de 20 a 150 mm de espesor con la imposición de un campo de corriente continua con un fuerza de 600-800 A y un voltaje de 6-12 V con la polarización catódica del metal. Con un consumo de fundente (carnalita con 10-15% CaF2, MgF2 o K3AlF6 para aleaciones Al - Mg y Al - Mg - Si y criolita para otras aleaciones de aluminio) de 4-8 kg por 1 tonelada de masa fundida y una cuidadosa eliminación de la humedad de En los dispositivos de fundente y fundición, el contenido de grandes inclusiones no metálicas en las aleaciones AK6, AMg6, V95 se puede reducir a 0,003-0,005 mm2/cm2 según una prueba tecnológica.
A diferencia de los filtros granulares, el refinado por electroflujo no afecta la macroestructura de las aleaciones, lo que indica su menor eficiencia para eliminar inclusiones no metálicas dispersas.
Las aleaciones forjadas y fundidas también se refinan para eliminar impurezas metálicas: sodio, magnesio, zinc y hierro.
La eliminación del sodio del aluminio y las aleaciones deformables de aluminio y magnesio AMg2, AMg6 se realiza soplando las masas fundidas con cloro o vapores de cloruros (C2Cl6, CCl4, TiCl4), freón (CCl2F2) y filtrando a través de filtros granulares de AlF3 con un grano. tamaño de 4-6 mm. El uso de estos métodos permite aumentar el contenido de sodio residual en la masa fundida hasta 2/3*10-4%. El efecto nocivo del sodio sobre las propiedades tecnológicas de la aleación se puede suprimir introduciendo en la masa fundida aditivos de bismuto, antimonio, teluro o selenio, que forman compuestos intermetálicos refractarios con el sodio.
En algunos casos, las aleaciones secundarias de aluminio se purifican de impurezas de magnesio, zinc y hierro mediante fundente, destilación al vacío y sedimentación, seguido de filtración. La eliminación de magnesio mediante fundente se basa en la reacción 2Na3AlF6 + 3Mg → 6NaF + 3MgF2 + 2A1. La superficie de la masa fundida se recubre con un fundente compuesto por un 50% de criolita y un 50% de cloruro de sodio. Luego la aleación se calienta a 780-800 °C y se mezcla intensamente con el fundente durante 10-15 minutos. Se eliminan los productos de reacción que flotan hacia la superficie de la masa fundida; con un alto contenido en magnesio (1-2,5%), el proceso de refinado se repite varias veces. Con criolita se puede reducir el contenido de magnesio en la masa fundida al 0,1%. El refinado de aleaciones secundarias de aluminio a partir de magnesio se puede llevar a cabo con éxito con un fundente compuesto por 50% Na2SiF6, 25% NaCl y 25% KCl. Para estos fines, se pueden utilizar fundentes que contengan oxígeno, como el clorato de potasio (KClO3).
La purificación del magnesio y el zinc se realiza en hornos de destilación al vacío a 950-1000°C. Como resultado de este procesamiento, se obtienen aleaciones que contienen entre 0,1 y 0,2% de Mr y entre 0,02 y 0,05% de Zn. La purificación del magnesio fundido se realiza mediante destilación en los casos en que su contenido en la aleación es alto y el uso de la purificación mediante fundente deja de ser rentable.
Mediante sedimentación es posible reducir el contenido de hierro en una aleación de aluminio al 1,7%, es decir, casi al contenido eutéctico, según el diagrama de estado de equilibrio aluminio-hierro. Se logra una mayor reducción combinando el proceso de sedimentación con la introducción de cromo, manganeso o magnesio en la aleación. La adición de estos elementos desplaza el punto eutéctico hacia el aluminio y favorece la separación del exceso de hierro. Al introducir entre un 1 y un 1,5% de Mn en la masa fundida, el contenido de hierro se puede reducir al 0,7%. Agregar magnesio en una cantidad del 25-30% le permite aumentar el contenido de hierro al 0,1-0,2%. El proceso de separación de compuestos intermetálicos de hierro se acelera combinando la sedimentación con la filtración. La filtración se realiza a través de un filtro de basalto calentado a 700 °C mediante vacío. El refinado del hierro con magnesio es aplicable para aleaciones que contienen no más del 1,0% de Si. Con un mayor contenido de silicio, se forman siliciuros, que complican enormemente la filtración y eliminan una cantidad significativa de magnesio del ciclo. Además, la aleación está empobrecida en silicio.
Modificación de aleaciones
El refinamiento de los macrogranos en las piezas fundidas se logra introduciendo pequeñas cantidades (0,05-0,15% de la masa de la masa fundida) de aditivos modificadores (Ti, Zr, B, V, etc.) en la masa fundida. Este método se utiliza para modificar aleaciones forjadas (V95, D16, AK6, etc.); No ha encontrado una amplia aplicación en la fundición de piezas moldeadas. Los modificadores se introducen en forma de aleaciones con aluminio o cobre a 720-750 °C.
En cuanto a las aleaciones deformables, el titanio es el más utilizado para refinar la macroestructura. Cuando se introduce en la masa fundida en una cantidad del 0,05 al 0,15%, el macrograno de la aleación se tritura con un diámetro de hasta 0,5 mm. En este caso, los centros de cristalización son partículas del compuesto intermetálico TiAl3. Para introducir titanio se utiliza una aleación de Al-Ti que contiene entre un 2 y un 5% de Ti.
Se puede obtener un grado aún mayor de refinamiento de los macrogranos de aleaciones deformables introduciendo conjuntamente titanio y boro en la proporción Ti: B = 5: 1. Los centros de cristalización en este caso son compuestos intermetálicos complejos, incluidos los compuestos TiAl3, TiB2, AlB2. con tamaños de grano de 2-6 μm. Esta modificación permite obtener una macroestructura homogénea con un tamaño de grano de 0,2-0,3 mm en lingotes con un diámetro superior a 500 mm. Para introducir titanio y boro se utiliza una ligadura de aluminio-titanio-boro, una preparación "zernolit" o un fundente que contiene fluoroborato y fluorotitanato de potasio. Las composiciones de estos modificadores y modos de modificación se dan en la tabla. 14. El mayor grado de asimilación de titanio y boro se observa cuando se utiliza un fundente que, además del efecto modificador, también tiene un efecto refinador.
La modificación de la macroestructura de las aleaciones forjadas de aluminio aumenta la plasticidad tecnológica de los lingotes y la uniformidad de las propiedades mecánicas en forjados y estampados.
Las aleaciones hipoeutécticas y eutécticas de fundición (AL2, AL4, AL9, AK7, AK9, AL30, AL34) se modifican con sodio o estroncio para moler precipitados de silicio eutéctico (ver Tabla 14). Se introduce sodio metálico a 780-800 °C en el fondo de la masa fundida mediante una campana. Debido al bajo punto de ebullición (880 °C) y a la alta actividad química del sodio, su introducción conlleva algunas dificultades: gran desperdicio del modificador y saturación de gas de la masa fundida, ya que el sodio se almacena en queroseno. Por lo tanto, en las condiciones de producción, las masas fundidas se modifican con sales de sodio.
La modificación con un doble modificador (una mezcla de 67% NaF y 33% NaCl) se lleva a cabo a 780-810 °C. El uso de un triple modificador (62,5% NaCl, 25% NaF y 12,5% KCl) permite realizar la modificación a 730-750 °C.
Para modificar, la aleación se vierte desde el horno de fusión en una cuchara, que se coloca sobre un soporte calentado, se calienta el metal a la temperatura requerida, se elimina la escoria y se muele y deshidrata el modificador (1-2% en peso de el metal) se vierte sobre la superficie de la masa fundida en una capa uniforme. La masa fundida con las sales aplicadas se mantiene a la temperatura de modificación durante 12-15 minutos cuando se usa un modificador doble y 6-7 minutos cuando se usa uno triple. En este caso, la interacción se produce según la reacción 6NaF + Al → Na3AlF6 + 3Na. El sodio liberado tiene un efecto modificador. Para acelerar la reacción y asegurar la difusión del sodio en la masa fundida, la corteza de sales se tritura y se amasa hasta una profundidad de 50-100 mm. La escoria resultante se espesa añadiendo fluoruro o cloruro de sodio y se retira de la superficie de la masa fundida. La calidad de la modificación está controlada por las fracturas y la microestructura de la muestra (Fig. 100). La aleación modificada se debe verter en moldes en un plazo de 25 a 30 minutos, ya que una exposición más prolongada va acompañada de la eliminación del efecto de modificación.
Es recomendable modificar las siluminas con fundente universal (50% NaCl; 30% NaF; 10% KCl; 10% Na3AlF6). Se vierte fundente en polvo seco en una cantidad de 0,5-1,0% en peso de la masa fundida bajo la corriente de metal durante el vertido desde el horno de fusión a la cuchara. El chorro mezcla vigorosamente el fundente con la masa fundida. El proceso tiene éxito si la temperatura de fusión no es inferior a 720 °C. Cuando se utiliza un fundente universal, no se requieren altas temperaturas, se reduce el tiempo de procesamiento de la fusión, se reduce el consumo de fundente y la aleación se modifica y se limpia de inclusiones metálicas.
La modificación con sodio no proporciona la duración requerida para conservar el efecto de modificación y va acompañada de un aumento en la susceptibilidad de las aleaciones a la oxidación, la absorción de hidrógeno y la formación de porosidad del gas.
El estroncio tiene buenas propiedades modificadoras. A diferencia del sodio, este elemento se quema más lentamente en el aluminio fundido, lo que permite mantener el efecto de modificación hasta por 2-3 horas y no aumenta la oxidación de las aleaciones y su tendencia a la absorción de gases en la misma medida que el sodio. Para introducir el estroncio se utiliza una aleación de aluminio-estroncio con un 10% de Sr. También se utilizan itrio y antimonio como modificadores a largo plazo.
Las siluminas hipereutécticas (13% Si) cristalizan con la liberación de grandes partículas de silicio, lo que reduce las propiedades mecánicas de las aleaciones (especialmente la ductilidad) y complica el procesamiento mecánico debido al aumento de dureza. La trituración de cristales de silicio primarios se lleva a cabo introduciendo fósforo (0,05-0,1%) en la masa fundida, un material tensoactivo frente al silicio (Fig. 101). Para la modificación, se utilizan los modificadores que figuran en la tabla. 14.
En la etapa inicial de desarrollo de las aleaciones de aluminio, se observó que pequeñas impurezas o aditivos especiales de titanio (centésimas o décimas de porcentaje) refinan marcadamente el grano del aluminio fundido. En 1914, K. Schirmeister publicó un artículo en el que demostraba el efecto beneficioso de pequeñas adiciones de titanio sobre la estructura de fractura de pequeños lingotes de aluminio. El efecto del refinamiento del grano del aluminio fundido mediante la introducción de aditivos especiales se denominó modificación.
En otros trabajos ampliamente difundidos sobre la modificación de aleaciones de aluminio se demostró que, además del titanio, durante la cristalización el grano de aluminio se tritura mediante pequeñas adiciones de zinc, tungsteno, molibdeno, boro, renio, tantalio, hafnio, vanadio, escandio, estroncio y, en mucha menor medida, hierro, níquel, cromo, manganeso.
Debido a la gran importancia de los fenómenos superficiales en los procesos de modificación, los investigadores han intentado determinar criterios de actividad superficial que permitirían seleccionar los modificadores necesarios para un determinado cambio de estructura.
Basado en experimentos de A.M. Korolkov propuso como criterio la proporción de volúmenes atómicos del aditivo. U d y solvente vp. Si U d > U r, entonces el aditivo es tensioactivo. Con base en este criterio, obtuvo datos sobre la evaluación de la actividad de ciertos aditivos del aluminio en concentraciones que van desde milésimas y centésimas de porcentaje hasta el 10-20%. Se ha demostrado que el litio, el calcio, el magnesio, el estaño, el plomo, el antimonio y el bismuto son tensioactivos frente al aluminio. La aleación de aluminio con cobre, cromo, germanio y plata no produjo un cambio notable en la tensión superficial.
V.N. Elagin demostró que el refinamiento de los granos de aluminio durante la cristalización es el resultado de una interacción especial de los metales de transición con el aluminio.
En mesa La Tabla 1.3 muestra los resultados que ilustran la influencia de los modificadores más potentes (titanio, tantalio, boro, zinc) al fundir aluminio A99 en un molde frigorífico.
Tabla 1.3
Resultados de la influencia de los modificadores más poderosos.
Según V. I. Napalkova y S.V. Makhov, la estructura del aluminio puro y sus aleaciones depende de muchos parámetros, que se pueden dividir en dos grupos. El primer grupo de parámetros está determinado por las propiedades fisicoquímicas de las partículas modificadoras refractarias. En conjunto, estas propiedades se expresan por la naturaleza química, factores estructurales, dimensionales y de adsorción. El segundo grupo debe incluir el régimen de temperatura y tiempo de fusión y fundición de aleaciones, la concentración del modificador, la velocidad de enfriamiento del lingote y el tamaño de partícula del intermetal y dov.
Según el mecanismo de influencia sobre la cristalización de la masa fundida, todos los modificadores se dividen en dos clases: nucleación y acción tensioactiva, y los modificadores de primera clase son los más importantes para el refinamiento del grano.
El modificador ideal es una partícula que satisface los siguientes requisitos: debe moler eficazmente el grano en una concentración mínima; en la masa fundida estar en un estado térmicamente estable y disperso; tener una diferencia estructural mínima con la red de la aleación modificadora; no pierda sus propiedades modificadoras durante la refundición. Ninguno de los modificadores actualmente conocidos tiene toda la gama de estas propiedades.
El trabajo presenta el siguiente mecanismo de modificación del aluminio y sus aleaciones. Cuando se introduce un elemento modificador en la masa fundida de aluminio se producen fenómenos de fluctuación, dando como resultado la formación de un prenúcleo, cuya formación se debe a la presencia de partículas en suspensión como óxido de aluminio, carburo de titanio y otras con un tamaño de menos de 1-2 micras. Los fenómenos de fluctuación surgen como resultado del sobreenfriamiento térmico de la masa fundida, cuya magnitud está determinada por el tipo de elemento modificador. Cuanto mayor es el valor de sobreenfriamiento térmico, mayor es el número de fluctuaciones y mayor es el número de impurezas presentes en la masa fundida que se activan. La capacidad de modificación de los elementos está determinada por la interacción de sus electrones de valencia con los electrones de valencia del aluminio. Esta interacción se debe a la capacidad de los electrones de valencia de dos átomos de colectivizarse para formar un gas de electrones determinado por el potencial de ionización.
La mayoría de los autores señalan que con la adición de 0,10-0,15% de Ti al aluminio de alta pureza y 0,07% de Ti al aluminio de pureza técnica fundido a temperaturas de 690-710 ° C, se logra una modificación notable. Se observa un refinamiento de grano particularmente fuerte con la introducción de 0,20% de Ti o más.
El trabajo examina el efecto del boro en el refinamiento del grano, pero la adición de boro se utiliza principalmente para el aluminio utilizado en la industria eléctrica. R. Kissling y J. Wallas señalan que a una temperatura de fusión de 690-710 ° C, la adición más eficaz es 0,04% B inmediatamente antes de la fundición.
En las aleaciones forjadas de los sistemas Al-Mg y Al-Mn, la adición de 0,07% de Ti asegura la producción de una estructura de grano fino en lingotes colados por el método continuo y una estructura recristalizada de grano fino en láminas.
MV Maltsev y sus colegas descubrieron el mayor refinamiento de grano en lingotes de aleaciones forjadas de aluminio con una concentración de titanio del 0,05 al 0,10%. La dependencia obtenida del refinamiento del grano de aluminio con la concentración de titanio fue explicada por la naturaleza del diagrama de fases aluminio-titanio. El análisis de esta dependencia mostró que aparece una inflexión característica en la curva "número de granos - aditivo", cuya posición está asociada con la formación de cristales de TiAl 3 a una concentración de titanio superior al 0,15%. El efecto más fuerte sobre la estructura del aluminio se observa con concentraciones de titanio del 0,15 al 0,30%. Cuando el contenido de titanio es inferior al 0,15%, el refinamiento del grano de aluminio es prácticamente muy pequeño. Esto se debe a la distribución desigual de los aditivos en los macrovolúmenes de la aleación líquida. A una concentración de titanio superior al 0,30%, se produce una ligera trituración y a una concentración del 0,70% o más, los granos de aluminio se vuelven más grandes. En los productos semiacabados hechos de aleaciones de aluminio modificadas, debido a la eliminación de la zonificación en la estructura, las propiedades mecánicas se suavizan y sus valores aumentan en un 10-20% en comparación con los productos semiacabados de aleaciones modificadas. Según lo establecido por M.V. Maltsev y sus colaboradores, se obtiene una estructura de grano fino de fundición de aluminio con la introducción de 0,05-0,10% B. El refinamiento más fuerte del grano de aluminio se observa con la adición de 0,20% B, y con un aumento adicional de Debido a la concentración de boro, el grano se vuelve más grueso.
Agregue boro en una cantidad de 0.05-0.10 % en la aleación B95 se reduce significativamente el tamaño de grano de los lingotes, mientras que la resistencia a la tracción de los productos semiacabados con la adición de boro es entre 15 y 20 MPa mayor en comparación con los productos semiacabados de lingotes modificados. La introducción de boro en cantidades mayores a las indicadas conduce a una fuerte disminución de la ductilidad de los productos semiacabados de la aleación B95.
Los primeros experimentos sobre el refinamiento del grano de aleaciones de aluminio con adiciones combinadas de titanio y boro fueron realizados por A. Kibula y sus colegas de la Asociación Británica para la Investigación de Metales No Ferrosos. En este trabajo, para obtener el efecto de modificación óptimo, se recomiendan las siguientes concentraciones: 0,01-0,03% Ti y 0,003-0,010% B. Dado que el aluminio puro no contiene impurezas, es el más difícil de modificar. La empresa Cavecchi recomienda añadir al aluminio puro 0,0025-0,0075% Ti y 0,0005-0,0015% B, y a las aleaciones forjadas de aluminio 0,003-0,015% Ti y 0,0006-0,0003% B. A medida que aumenta el tamaño del lingote, se debe aumentar la adición de aleación. La aleación debe introducirse únicamente en aluminio primario y agregarse a la masa fundida entre 15 y 20 minutos antes del inicio de la fundición.
El proceso de modificación se basó en A. Kibula y posteriormente M.V. Maltsev, al estudiar el refinamiento del grano en lingotes de aleaciones de aluminio con la adición de titanio y conjuntamente titanio y boro, estableció la teoría de la nucleación. Como se ha establecido, durante la cristalización de aleaciones sin aditivos de titanio se produce un sobreenfriamiento, cuyo valor alcanza 1-2 °C, mientras que con la introducción de 0,002-0,100% de Ti no se observa sobreenfriamiento. En este caso se obtiene una estructura de grano fino a lo largo de la sección transversal del lingote. Todo esto dio motivos para creer que el grano se tritura debido a la presencia de núcleos sobre los cuales comienza la cristalización de la masa fundida. Tales partículas pueden ser carburos, boruros y aluminuros de metales de transición, que tienen parámetros de red correspondientes al parámetro de red de la solución sólida de aluminio (4.04 A).
Según A. Kibula, el aditivo introducido como modificador debe cumplir los siguientes requisitos:
- estabilidad suficiente en aluminio fundido a altas temperaturas sin cambiar la composición química;
- el punto de fusión del aditivo es superior al punto de fusión del aluminio;
- correspondencia estructural y dimensional entre el aditivo y las celosías de aluminio;
- formación de enlaces de adsorción suficientemente fuertes con átomos de la masa fundida modificadora.
El criterio para determinar la fuerza de estos enlaces, aparentemente, puede ser la tensión superficial en la interfaz entre partículas sólidas y fundidas. Cuanto mayor es la tensión superficial, peor es la partícula humedecida por la fase líquida y menos probable es que la utilice como centro de cristalización. El trabajo en una gran cantidad de sistemas ha demostrado que la actividad catalítica del sustrato con respecto a la nucleación no está determinada por el valor de la coincidencia de la red, sino por la naturaleza química del sustrato.
Al estudiar la aleación industrial A1-5TMV producida por la empresa "Kavekki", los autores del trabajo llegaron a la conclusión de que el refinamiento del grano de las aleaciones de aluminio está asociado con la formación de partículas de TiAl 3 debido a la correspondencia estructural y dimensional de su red. a la red de la solución sólida de aluminio. Los cristales de diboruro de titanio y aluminuro de boro no participan en el proceso de modificación, como lo demuestran los resultados del análisis con microscopía electrónica. La adición de boro a la aleación de aluminio y titanio promueve la formación de aluminuro en concentraciones
Los experimentos han demostrado que el grado máximo de modificación se observa con una relación de concentración de titanio a boro de 5:1; con proporciones mayores o menores, el efecto de modificación disminuye. Evidentemente, la modificación se produce cuando predomina el aluminuro de titanio, aunque los boruros también pueden ser núcleos durante la solidificación del aluminio. La principal diferencia entre estos dos tipos de núcleos es que la solidificación del aluminio sobre aluminuro de titanio se produce sin sobreenfriamiento, mientras que para los boruros se requiere algo de sobreenfriamiento.
La mayoría de los investigadores sostienen que el efecto de modificación está determinado por la proporción de titanio y boro. Así, en el trabajo esto se explica por el hecho de que la introducción de una aleación maestra que contiene 2,2% de Ti y 1% de B en la masa fundida de aluminio proporciona el mismo efecto de modificación que la adición de una aleación maestra que contiene 5% de Ti y 1% de B. Pero en la aleación Al-2,2Ti-1B el aluminuro de titanio está presente en pequeñas cantidades o ausente y el constituyente principal es el diboruro de titanio, que sirve como núcleo para la solidificación del aluminio. En la aleación A1-5Ti-LB, el principal modificador es el aluminuro de titanio, cuyo núcleo es el diboruro de titanio. Puede acumularse a lo largo del frente de cristalización y disolver una cantidad limitada de aluminio. Según D. Collins, el aluminuro de titanio y otros intermetálidos formados como resultado de la reacción peritéctica son modificadores muy eficaces y refinan el grano incluso a bajas velocidades de enfriamiento.
Como señala J. Morisot, el proceso de modificación está muy influenciado por la velocidad de cristalización, la presencia de componentes de aleación que amplían el rango de cristalización de la aleación y crean un sobreenfriamiento de concentración, así como un sobreenfriamiento térmico en la masa fundida cerca de la interfaz.
El trabajo describe el siguiente mecanismo de molienda de granos. Antes del frente de cristalización, la masa fundida contiene una cantidad suficiente de partículas primarias de TiB 2, ZrB 2, etc. En la aleación Al-Ti-B, el principal modificador es la partícula de TiB 2, cuya red es similar en estructura y tamaño a la celosía de aluminio. La solidificación del aluminio sobre partículas de diboruro de titanio sólo es posible con un sobreenfriamiento igual a 4,8 °C. Cerca del boruro de titanio se forma una capa con una mayor concentración de titanio debido a su difusión desde el boruro. La formación de una capa con una mayor concentración de titanio permite explicar por qué la proporción de titanio a boro en la aleación madre excede la proporción estequiométrica correspondiente en el compuesto de TiB 2. El factor de tamaño entre el núcleo y la base de la aleación no es decisivo, al menos en el caso de los boruros.
Cabe señalar que los datos experimentales sobre el sobreenfriamiento de la masa fundida en presencia de aditivos modificadores son inconsistentes. El trabajo muestra que el sobreenfriamiento en aleaciones de aluminio con 0,3-0,8% de Ti es una fracción de grado. En este caso, las aleaciones con titanio que cruza la horizontal peritectica se caracterizan por un mayor sobreenfriamiento que las extraperitecticas.
En el trabajo se estudió el efecto de los aditivos de titanio sobre el sobreenfriamiento del aluminio en un volumen de 10 μm 3 con una velocidad de eliminación de calor de 5-10 °C/min. La adición de 0,025% de Ti redujo el sobreenfriamiento del aluminio de 47 a 16 °C. El grado de sobreenfriamiento también se ve afectado significativamente por el volumen de la masa fundida. Mida directamente la temperatura de la masa fundida sobreenfriada y ajuste la tasa de eliminación de calor para obtener resultados reproducibles V.I. Danilov recomienda en volúmenes de 0,25-0,50 cm 3.
Según el investigador japonés A. Ono, el motivo de la molienda de los granos primarios es el factor que determina la aparición de cristales equiaxiales. Utilizando el ejemplo de la aleación Al-Ti, se demuestra que el enfriamiento rápido por sí solo no conduce a la formación de cristales equiaxiales en la zona de enfriamiento rápido. Para formarlos es necesario remover la masa fundida. En este caso se detiene el crecimiento de los cristales depositados en las paredes del cristalizador durante el proceso de solidificación. Debido al sobreenfriamiento y a los cambios en la concentración de la solución, el crecimiento de los cristales en la pared del cristalizador es limitado y en su base actúan tensiones de tracción. Como resultado, los cristales se separan de las paredes del cristalizador y se forma una estructura equiaxial. R. Se cree que en la molienda de granos el papel principal lo juega el efecto de envolver las bases de los cristales que crecen en las paredes del cristalizador con elementos modificadores; Esto también se observa cuando se introducen modificadores. El titanio envuelve las bases de los cristales, lo que acelera su separación de las paredes del cristalizador, y es una impureza del aluminio que es capturada selectivamente por los cristales en crecimiento. Como resultado, se observa segregación de titanio en las bases de los cristales, lo que hace que los cristales se envuelvan e inhiban su crecimiento. Así, en los estudios, la desaceleración del crecimiento de los cristales se explica por la segregación de elementos disueltos durante el proceso de solidificación y la mezcla de la masa fundida durante la solidificación.
Existe otra forma original de controlar el proceso de cristalización, especialmente en piezas fundidas de paredes gruesas, desarrollada en detalle en relación con la fundición de acero. En este caso, se consigue un enfriamiento brusco de la masa fundida en todo su volumen introduciendo polvos metálicos en la corriente de metal durante la fundición en un molde u otro molde. Durante la solidificación en suspensión, debido al fuerte enfriamiento de la masa fundida en todo el volumen, se desarrollan altas tasas de crecimiento de cristales a partir de muchos centros de cristalización formados simultáneamente. En este caso se observa una cristalización volumétrica del lingote.
Recientemente, la fundición en suspensión se ha utilizado para eliminar la estructura columnar, la porosidad axial, la segregación y las grietas en caliente en las piezas fundidas de acero. También se probará como medio para mejorar la estructura de piezas fundidas de aleaciones de aluminio. Al elegir microrefrigeradores, se recomienda observar el principio de correspondencia cristalográfica, es decir, el material de los microrefrigeradores debe ser idéntico o cercano en sus características cristalográficas a la aleación que se está procesando. Para obtener el mayor efecto, es necesario que la temperatura de fusión de los microrefrigeradores sea cercana a la temperatura de fusión de la aleación que se está procesando.
También es posible introducir en la cabeza del lingote cuerpos sólidos de la misma composición que la aleación que se vierte, que al fundirse quitan parte del calor del pozo líquido del lingote. E. Sheil logró un refinamiento eficaz del grano de las aleaciones de aluminio añadiendo alambre o cinta de cierto espesor al chorro de la aleación vertida. En ese momento en nuestro país V.I. Danilov estudió en detalle el mecanismo de refinamiento del grano en lingotes de diversas aleaciones mediante la introducción de material de semilla.
V.E. En 1940, Neumark propuso utilizar una semilla hecha del mismo metal que la masa fundida para refinar la estructura del lingote. La semilla se introdujo en forma de trozos o astillas en una cantidad del 1-2% en una masa fundida ligeramente sobrecalentada antes de verterla en el molde. La influencia de la semilla en la estructura del lingote depende de la temperatura de sobrecalentamiento de la masa fundida, de la minuciosidad de la mezcla de la semilla con la masa fundida y del método de fundición. Los metales puros son más difíciles de refinar en granos utilizando semillas que las aleaciones. Una circunstancia importante es el valor de la tensión superficial en la interfaz cristal-fusión, por lo tanto, cuanto menor es la tensión superficial, menor es el trabajo de formación de un núcleo cristalino y mayor es la probabilidad de obtener un lingote finamente cristalino. La posibilidad de utilizar una semilla para ciertos metales y aleaciones está determinada por el grado de desactivación de las impurezas cuando la masa fundida se sobrecalienta. Cuanto mayor sea la temperatura de desactivación, más eficaz será el efecto de la semilla sobre la estructura del lingote. Para aumentar la temperatura se utilizó una semilla que contenía una pequeña cantidad de un elemento que modifica la estructura del lingote: la semilla estaba hecha de aluminio con 0,5% de Ti. El uso de una semilla de este tipo condujo a un refinamiento más significativo de la estructura de aluminio que cuando se utilizó una semilla de titanio.
Los estudios sobre el refinamiento de la estructura de la aleación D16 con una varilla de la misma composición han demostrado que con la introducción de una cantidad constante de material de aporte, el efecto del refinamiento del grano disminuye al aumentar la temperatura en el rango de 670-720 ° C. A temperaturas de fundición más altas se produce muy poco desgaste. Aumentar la cantidad de material añadido mejora el refinamiento del grano en la medida en que disminuye la temperatura de fundición. Estos resultados están totalmente de acuerdo con los desarrollados por G.F. Ideas de Balandin sobre el efecto modificador y de siembra de fragmentos de la fase sólida en una aleación cristalizada.
Los estudios presentados en los trabajos muestran de manera convincente la influencia hereditaria de la estructura granular de los lingotes de aleación de aluminio sobre la estructura y las propiedades de los productos semiacabados fabricados con ellos. Dado que los requisitos de calidad para los productos fabricados con aleaciones forjadas de aluminio son estrictos, es muy importante evaluar correctamente la viabilidad de utilizar un método de modificación particular y encontrar formas de superar sus aspectos negativos. Una amplia variedad de aleaciones forjadas de aluminio y las características del proceso tecnológico para producir lingotes, así como una amplia gama de productos semiacabados a partir de estas aleaciones, requieren un enfoque diferenciado a la hora de elegir el método de modificación, teniendo en cuenta las restricciones en el contenido de impurezas, la diferente susceptibilidad de las aleaciones a la formación de una estructura columnar y la precipitación de compuestos intermetálicos de cristalización primaria. A menudo, en la práctica de fábrica es necesario encontrar formas de eliminar la estructura equiaxial no homogénea o rugosa de los lingotes. La cuestión de la concentración óptima y la viabilidad de utilizar uno u otro modificador al fundir lingotes de diferentes tamaños no puede considerarse resuelta. Además, los científicos están buscando nuevos materiales que tengan una alta capacidad de modificación y una composición química cercana a la aleación que se está modificando. Estos materiales pueden obtenerse mediante métodos combinados de fundición y conformado de metales. En particular, se ha propuesto una tecnología para producir una cinta de ligadura utilizada para modificar lingotes de aluminio con el fin de formar en ellos una estructura de grano fino. Esta tecnología consiste en utilizar un proceso combinado de cristalización a alta velocidad y deformación plástica en caliente de la pieza resultante, lo que da como resultado una trituración adicional de las partículas intermetálicas formadas durante la cristalización. Además, se crean condiciones para la formación de estructuras subgranulares finamente diferenciadas de la base de la tira de ligadura (barra, cinta), lo que representa un efecto modificador adicional.
Según datos conocidos, el grano más fino del aluminio es de 0,13-0,20 mm (respectivamente, el número de granos en un área de 1 cm 2 de una sección transversal es 6000 y 2300) se logra cuando se utiliza el mejor Al-Ti-B. Ligadura de varillas de la empresa " Cavecchi". Una ventaja significativa de la microestructura de la aleación maestra experimental hecha de aleaciones del sistema Al-Ti-B, en comparación con la aleación maestra de varillas de Cavecchi, fue el predominio de la morfología globular de las partículas de TiAl 3 con tamaños más pequeños y mucho más distribución uniforme de estas partículas en todo el volumen de la matriz de aluminio. Las partículas individuales en forma de placa presentes en la estructura se fragmentan en bloques cuyo tamaño no supera las 10 micras. Esta ventaja se confirma mediante el análisis de la estructura fina de la cinta de aleación experimental (el tamaño de los subgranos en la sección transversal osciló entre 0,17 y 0,33 µm, y el tamaño de partícula de los diboruros de titanio fue de 0,036-0,100 µm). Los estudios de la estructura fina de la tira de aleación han demostrado que la combinación de la cristalización a alta velocidad de la masa fundida y la deformación continua de la parte solidificada del metal forma una estructura subgranular fina. El tamaño medio de la sección transversal de los subgranos es de ~0,25 µm.
Así, los lingotes de aluminio modificados con una aleación madre obtenida mediante el método propuesto se caracterizan por un marcado refinamiento de la estructura del grano. Como material para la cinta de aleación se pueden utilizar aleaciones del sistema Al-Ti-B o aluminio técnico o de alta pureza. En estos últimos casos, al modificar un lingote de aluminio, se garantiza el refinamiento del grano y se elimina la contaminación con impurezas, incluidos los compuestos intermetálicos que provocan la rotura de una fina tira (lámina) durante el laminado.
El uso de la tecnología desarrollada, que incluye la fusión de la aleación maestra, el sobrecalentamiento, el mantenimiento a una temperatura de sobrecalentamiento y la cristalización acelerada en la superficie de los rodillos cristalizadores enfriados por agua, que se utilizaban como rodillos del laminador, hizo posible combinar alta velocidad continua. Acelerar la cristalización de la tira con su deformación plástica en caliente en un solo proceso. Los resultados de los estudios sobre la modificación del aluminio con materiales de aleación obtenidos mediante la tecnología propuesta se dan en la Tabla. 1.4. Al analizarlos, se puede observar que el uso de materiales de aleación obtenidos mediante la tecnología de fundición combinada y tratamiento a presión produce un efecto modificador no menor que el uso de aleaciones conocidas, por ejemplo, varillas de la empresa Cavecchi. Sin embargo, el uso de la aleación maestra Al-Ti-B no siempre conduce a la solución de los problemas de producción, ya que la presencia de inclusiones intermetálicas en el modificador suele ir acompañada de su retención en el producto semiacabado terminado, lo que reduce su calidad. .
El uso de lingotes de grano fino reducirá la cantidad de pérdidas por defectos (roturas, grietas, falta de homogeneidad en la superficie de la lámina) y mejorará la calidad del producto. En este sentido, también se intentó obtener una cinta de ligadura a partir de aluminio técnicamente puro de los grados A5 y AVCh (Tabla 1.5).
Tabla 1.4
Cambio en el tamaño de grano y el número de granos por 1 cm 2 en muestras de prueba de alcanos después de la modificación del aluminio, dependiendo de la cantidad de ligadura de aleación Al-Ti-B introducida
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ligadura ligadura |
Original aluminio, |
Cantidad de titanio, % en peso. |
Tamaño medio de grano en muestra de prueba Alkan, µm |
Número de granos por 1 cm 2, uds. |
El grado de refinamiento del grano después de mantener la masa fundida durante 5 minutos, multiplicado por |
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después de mantener el derretimiento durante |
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método conocido |
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Varilla de 8 mm de diámetro de Cavecchi (Al-3Ti-0.2B) |
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Método sugerido |
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Ligadura |
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Tabla 1.5
La influencia de la cinta de aleación de aluminio en el tamaño de grano de un lingote de aluminio después de su modificación.
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Cantidad de cinta de aluminio, % peso. (grado de aluminio) |
Original Lingote de aluminio grado A7, micras. |
Tamaño medio de grano de aluminio modificado, micras |
Número de granos por 1 cm 2 en aluminio modificado, uds. |
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1 minuto después de insertar la cinta |
7,5 minutos después de la inserción de la cinta |
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Los resultados de la investigación mostraron que el número de granos en el aluminio modificado es comparable a los mismos indicadores de la aleación maestra hecha de aleación Al-Ti-B. Esto da motivos para afirmar que utilizando métodos de cristalización-deformación de alta velocidad es posible obtener nuevos materiales modificadores, incluso a partir del aluminio.
El uso de cinta como material modificador no es tecnológicamente rentable, ya que casi todas las instalaciones de fundición están equipadas con dispositivos para alimentar la aleación maestra en forma de varilla, por lo que es urgente desarrollar métodos para producir modificadores que tengan una forma tecnológicamente ventajosa y tamaño, y tampoco realizaría cambios en la composición química de los lingotes de aleación sometidos a modificación.
Por lo tanto, para introducir en la producción tecnologías para la producción de productos semiacabados deformados con un alto nivel de propiedades mecánicas, es necesario producir nuevos materiales modificadores utilizando la cristalización a alta velocidad de la aleación de aluminio en rodillos enfriados por agua, combinada con la deformación en caliente del metal.
