RU2570142C1

RU2570142C1 - Method for production of cast aluminium-silicon composite alloy

Info

Publication number: RU2570142C1
Application number: RU2014146867/02A
Authority: RU
Inventors: Рафаил Абдрахманович Апакашев; Станислав Яковлевич Давыдов; Нияз Гадым-Оглы Валиев
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method includes addition of silicon dioxide to the melted aluminium, and melt treatment by products of water steam reaction with material containing deoxidant. Water steam is produced by thermal dehydration of silica-containing charge added to the melted aluminium, and treated melted aluminium is used as material containing deoxidant. The treatment is performed at 690-700°C for 1-2 minutes.

EFFECT: production of aluminium matrix composite alloy containing silicon microparticles, having high mechanical properties in combination with low specific weight.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и сплавов, в частности к кремнийсодержащим алюмоматричным композиционным сплавам антифрикционного назначения, к которым предъявляют требования высокого уровня механических свойств в сочетании с малым удельным весом.The invention relates to the field of metallurgy of non-ferrous metals and alloys, in particular to silicon-containing aluminomatrix composite alloys of antifriction purpose, which are required to have a high level of mechanical properties in combination with a low specific gravity.

Известен способ получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающий подачу кремнезема и обработку расплава восстановителем (Патент РФ №2148670. Способ производства алюминиево-кремниевого сплава. Опубликован 10.05.2000).A known method of producing a cast aluminum-silicon alloy, including the supply of silica and melt processing with a reducing agent (RF Patent No. 2148670. Method for the production of aluminum-silicon alloy. Published on 05/10/2000).

К недостаткам данного способа можно отнести его ограниченную применимость вследствие использования специального термического оборудования, сложность и трудоемкость, а также существенные энергетические затраты, связанные с необходимостью достижения температуры 2100°С.The disadvantages of this method include its limited applicability due to the use of special thermal equipment, complexity and complexity, as well as significant energy costs associated with the need to reach a temperature of 2100 ° C.

Известен способ получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающий введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава (Патент BY №16558. Способ получения алюминиево-кремниевого сплава. Опубликован 30.08.2012).A known method of producing a cast aluminum-silicon alloy, comprising introducing silica into molten aluminum and processing the melt (Patent BY No. 16558. A method of producing an aluminum-silicon alloy. Published on 08/30/2012).

Недостатком данного способа является энергозатратность, обусловленная выдержкой расплавленной композиции при температуре выше линии ликвидус (порядка 700-900°С) в течение 20-60 мин.The disadvantage of this method is the energy consumption due to the exposure of the molten composition at a temperature above the liquidus line (about 700-900 ° C) for 20-60 minutes

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающий введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава продуктами реакции водяного пара с материалом, содержащим восстановитель (Патент РФ №2063460. Способ получения алюминиево-кремниевых сплавов. Опубликован 10.07.1996).Closest to the claimed method is a method for producing a cast aluminum-silicon alloy, comprising introducing silica into molten aluminum and treating the melt with reaction products of water vapor with a material containing a reducing agent (RF Patent No. 2063460. Method for producing aluminum-silicon alloys. Published on July 10, 1996) .

Основным недостатком способа является его ограниченная применимость, так как в качестве источника водяного пара и материала-восстановителя предлагается водная графитовая суспензия, нанесенная на асбест. Другим недостатком способа является его энергозатратность, обусловленная температурными условиями 800-850°С и длительностью обработки расплавленного алюминия в течение 15-20 мин. Кроме этого асбест относится к потенциально канцерогенным веществам, способным представлять опасность для человека.The main disadvantage of this method is its limited applicability, since an aqueous graphite suspension deposited on asbestos is proposed as a source of water vapor and a reducing material. Another disadvantage of this method is its energy consumption due to temperature conditions of 800-850 ° C and the duration of the processing of molten aluminum for 15-20 minutes In addition, asbestos refers to potentially carcinogenic substances that can be dangerous to humans.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании энергосберегающего способа получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава без использования как потенциально канцерогенного вещества, так и графита, образующего карбиды, загрязняющие металлический материал.The objective of the invention is to create an energy-saving method for producing a cast aluminum-silicon composite alloy without the use of both a potentially carcinogenic substance and graphite forming carbides polluting a metal material.

Задача решается следующим образом. В способе получения литого алюминиево-кремниевого сплава, включающем введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава продуктами реакции водяного пара с материалом, содержащим восстановитель, расплав обрабатывают при температуре 690-700°С в течение 1-2 мин, при этом водяной пар получают термической дегидратацией кремнеземсодержащей шихты, вводимой в расплавленный алюминий, а в качестве материала, содержащего восстановитель, используют обрабатываемый расплавленный алюминий.The problem is solved as follows. In the method for producing a cast aluminum-silicon alloy, comprising introducing silica into molten aluminum and treating the melt with reaction products of water vapor with a material containing a reducing agent, the melt is treated at a temperature of 690-700 ° C for 1-2 minutes, while water vapor is obtained by thermal dehydration of a silica-containing charge introduced into the molten aluminum, and the processed molten aluminum is used as the material containing the reducing agent.

На картинке приведена фотография структуры полученного сплава.The picture shows a photograph of the structure of the obtained alloy.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

В расплавленный алюминий при 690-700°С вводят содержащий кристаллизационную воду алюмосиликатный минерал в количестве 10-15% от массы расплава и обрабатывают расплав в течение 1-2 мин продуктами реакции водяного пара с расплавленным алюминием.Aluminosilicate mineral containing crystallization water is introduced into molten aluminum at 690-700 ° C in an amount of 10-15% of the mass of the melt and the melt is treated for 1-2 minutes with the reaction products of water vapor with molten aluminum.

В предлагаемом способе источником кремнезема является кремнеземсодержащая шихта - алюмосиликатный минерал, имеющий в своем составе кристаллизационную воду. Получение литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава осуществляется за счет восстановления кремния из SiO₂ расплавленным алюминием по реакции:In the proposed method, the source of silica is a silica-containing mixture - aluminosilicate mineral, which contains crystallization water. Obtaining cast aluminum-silicon composite alloy is carried out by reducing silicon from SiO ₂ molten aluminum by the reaction:

3SiO₂+4Al=2Al₂O₃+3Si.3SiO ₂ + 4Al = 2Al ₂ O ₃ + 3Si.

Алюмосиликатный минерал в расплавленном алюминии подвергается термической дегидратации. Восстановителем образующихся паров воды также служит расплавленный алюминий:The aluminosilicate mineral in molten aluminum undergoes thermal dehydration. The reductant of the generated water vapor is also molten aluminum:

3Н₂O+2Аl=3Н₂+Аl₂O₃.3H ₂ O + 2Al = 3H ₂ + Al ₂ O ₃ .

Наличие водорода способствует интенсивному восстановлению кремнезема и образованию в расплавленном металле дисперсных микрочастиц кремния:The presence of hydrogen promotes intensive reduction of silica and the formation of dispersed silicon microparticles in the molten metal:

SiO₂+2H₂=Si+2H₂O.SiO ₂ + 2H ₂ = Si + 2H ₂ O.

Предлагаемый способ получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава реализован в лабораторных условиях.The proposed method for producing cast aluminum-silicon composite alloy is implemented in laboratory conditions.

Навеску первичного алюминия (марка А0) массой 50 г расплавляли в алундовом тигле. При 690°С вводили в расплав 5 г кремнеземсодержащей шихты - алюмосиликатный минерал каолинит, содержащий кристаллизационную воду (химическая формула минерала Аl₂O₃·2SiO₂·2Н₂O). После введения шихты выдерживали расплав в течение 1 мин для его обработки продуктами реакции водяного пара, образовавшегося при термической дегидратации каолинита, с расплавленным алюминием. Затем расплавленный алюминий, содержащий микрочастицы восстановленного кремния, сливали в кристаллизатор.A portion of primary aluminum (grade A0) weighing 50 g was melted in an alundum crucible. At 690 ° C, 5 g of a silica-containing mixture was introduced into the melt — the aluminosilicate mineral kaolinite containing crystallization water (chemical formula of the mineral Al ₂ O ₃ · 2SiO ₂ · 2H ₂ O). After the introduction of the charge, the melt was held for 1 min to be treated with the reaction products of water vapor formed during thermal dehydration of kaolinite with molten aluminum. Then, molten aluminum containing microparticles of reduced silicon was poured into a crystallizer.

Структуру и химический состав полученного литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава регистрировали с помощью растрового электронного микроскопа JSM JEOL 6390LA, интегрированного с микроренттеноспектральным энергодисперсионным анализатором. Поверхность литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава готовили для электронной микроскопии механическим полированием с последующим травлением соляной кислотой.The structure and chemical composition of the obtained cast aluminum-silicon composite alloy were recorded using a JSM JEOL 6390LA scanning electron microscope integrated with a micro-X-ray spectral energy dispersive analyzer. The surface of the cast aluminum-silicon composite alloy was prepared for electron microscopy by mechanical polishing, followed by etching with hydrochloric acid.

На приведенной фигуре стрелками отмечены микрочастицы кремния, армирующие структуру металла. Преобладающий линейный размер частиц кремния в матрице алюминия составляет 0,5-1,5 мкм. По результатам микрорентгеноспектрального анализа частицы содержат около 97% кремния и 2-3% матричного металла. При этом массовая доля кремния в сплаве достигает 10%.In the figure, arrows indicate silicon microparticles that reinforce the metal structure. The predominant linear particle size of the silicon particles in the aluminum matrix is 0.5-1.5 microns. According to the results of X-ray microspectral analysis, the particles contain about 97% silicon and 2-3% of the matrix metal. In this case, the mass fraction of silicon in the alloy reaches 10%.

Установлено, что в результате взаимодействия расплавленного алюминия с алюмосиликатным минералом, содержащим кристаллизационную воду, образуется литой алюмоматричный композиционный сплав. Структура сплава характеризуется наличием полиэдрических зерен матричного металла с включениями микрочастиц кремния (фигура). Элементный анализ свидетельствует о составе матрицы с 99,7% содержанием алюминия.It is established that as a result of the interaction of molten aluminum with an aluminosilicate mineral containing crystallization water, a cast aluminomatric composite alloy is formed. The alloy structure is characterized by the presence of polyhedral grains of the matrix metal with inclusions of silicon microparticles (figure). Elemental analysis indicates the composition of the matrix with 99.7% aluminum content.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить энергосбережение, получая за небольшой промежуток времени алюмоматричный композиционный сплав, содержащий микрочастицы кремния.The proposed method allows for energy saving, obtaining for a short period of time aluminomatically composite alloy containing microparticles of silicon.

Армирование металлической матрицы дисперсными частицами способствует снижению коэффициента трения трибосопряжений и увеличивает износостойкость, расширяет диапазон допустимых скоростей скольжения и нагрузок. Рассмотренный выше материал позволяет сделать вывод о промышленной применимости предложенного способа для получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава.Reinforcing the metal matrix with dispersed particles helps to reduce the friction coefficient of tribological conjugations and increases wear resistance, extends the range of permissible sliding speeds and loads. The above material allows us to conclude about the industrial applicability of the proposed method for producing cast aluminum-silicon composite alloy.

Claims

Способ получения литого алюминиево-кремниевого композиционного сплава, включающий введение кремнезема в расплавленный алюминий и обработку расплава продуктами реакции водяного пара с материалом, содержащим восстановитель, отличающийся тем, что расплав обрабатывают при температуре 690-700°C в течение 1-2 мин, при этом водяной пар получают термической дегидратацией кремнеземсодержащей шихты, вводимой в расплавленный алюминий, а в качестве материала, содержащего восстановитель, используют обрабатываемый расплавленный алюминий. A method of producing a cast aluminum-silicon composite alloy, comprising introducing silica into molten aluminum and treating the melt with reaction products of water vapor with a material containing a reducing agent, characterized in that the melt is treated at a temperature of 690-700 ° C for 1-2 minutes, wherein water vapor is obtained by thermal dehydration of a silica-containing mixture introduced into molten aluminum, and processed molten aluminum is used as a material containing a reducing agent.