RU2365651C2

RU2365651C2 - Method of low-temperature production of fine-crystalline high-silicon aluminium-silicon alloy

Info

Publication number: RU2365651C2
Application number: RU2007127379/02A
Authority: RU
Inventors: Владимир Юрьевич Белов (RU); Владимир Юрьевич Белов; Николай Иванович Качалин (RU); Николай Иванович Качалин; Владимир Иванович Малинов (RU); Владимир Иванович Малинов; Григорий Андреевич Тихий (RU); Григорий Андреевич Тихий; Константин Владимирович Никитин (RU); Константин Владимирович Никитин
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2007127379A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to non-ferrous metallurgy, namely to a technique of production of aluminium-silicon alloy containing 25% silicon minimum. The method involves obtaining an intermediate melt with the interval of crystallisation 30°C minimum by introduction into the aluminium melt heated by 60-80°C over the liquidus temperature of the lesser part of the crystalline silicon, mixing, holding ensuring a complete dissolution of the silicon and cooling the intermediate melt, obtaining the alloy melt of the required composition by introduction of the main part of the silicon as crystalline silicon powder clad with aluminium obtained by a combined grinding of the powders of the crystalline silicon and aluminium in the ball crusher to achieve silicon pieces of 3 mcm maximum and concentration 43% by mass maximum into the intermediate melt with the temperature of 20-50°C higher than the one of solidus, mixing, raising the temperature of the resulting alloy melt after dissolution of the mixture of the powders by 50-100°C higher than the one of liquidus and crystallisation of the alloy melt with the rate of 10²-10³°C/sec minimum.

EFFECT: resulting alloy is the base for preparing eutectic and hypereutectic silumins with highly dispersed structure and improved physical-mechanical properties.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области цветной металлургии и, в частности, технологии получения лигатуры Al-Si с содержанием кремния более 25%.The invention relates to the field of non-ferrous metallurgy and, in particular, the technology for producing Al-Si alloys with a silicon content of more than 25%.

Известен способ получения таких лигатур, описанный в «Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ. руководство. - М.: Металлургия, 1970. - 416 с.» и предусматривающий растворение кускового кристаллического кремния в перегретом до 900-1100°С расплаве алюминия. Куски кремния размером не более 20-40 мм порционно замешиваются в расплав и после растворения последней порции расплав рафинируют и заливают в изложницы. Основными недостатками данного способа являются высокие температуры перегрева, длительные высокотемпературные выдержки, низкие скорости охлаждения расплава до температуры заливки. Все перечисленные недостатки приводят к существенным материальным затратам и низкому качеству получаемой лигатуры.A known method of producing such ligatures described in "Aluminum alloys. Melting and casting of aluminum alloys: Ref. leadership. - M .: Metallurgy, 1970. - 416 pp. ”And providing for the dissolution of lumpy crystalline silicon in an aluminum melt superheated to 900-1100 ° C. Pieces of silicon no larger than 20-40 mm in size are kneaded in portions into the melt and, after dissolution of the last portion, the melt is refined and poured into molds. The main disadvantages of this method are high superheat temperatures, long high-temperature exposure, low melt cooling rates to the pouring temperature. All of these shortcomings lead to significant material costs and low quality of the resulting ligature.

Известен алюмотермический способ получения лигатур системы Al-Si, описанный в «Получение алюминиево-кремниевых сплавов и солей смеси Na₃AlF₆-AlF₃ из фторсиликата натрия. Preparation of aluminum-silicon alloys and criolite-aluminum fluoride mixtures from sodium fluosaailicfte / Abdel Hamid Ahmed A., Kassem Mohamed F // Erzmetal - 1994. - 47, №9. - p.528-535 (англ.) Место хранения ГПНТБ». Для осуществления алюмотермической реакции используется смесь порошков Al и SiO₂, которую помещают на поверхность расплава алюминия и инициируют реакцию путем локального нагрева смеси порошков до 1100-1200°С. Способ, описанный в «Пат. 2034927 Россия, МКИ 6 С22С 1/02, способ получения заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов / Лисай В.Э., Маленьких А.Н., Козинец В.И., БИ №13», включает введение в расплав алюминия кристаллического кремния, нагретого до 1350-1650°С, в количестве 84-95% от требуемой концентрации с одновременным барботированием и захолаживанием расплава инертным газом до температуры на 40-100°С выше Т_ликвид и последующее введение в струе инертного газа мелкокристаллического кремния в количестве до требуемой концентрации. Перечисленные способы также основаны на высоких температурах и не обеспечивают требуемого качества структуры лигатур Al-Si в основном за счет формирования крупных (120 мкм и более) кристаллов первичного кремния, которые наследуются в структуре отливки.Known aluminothermic method for producing alloys of the Al-Si system, described in "Obtaining aluminum-silicon alloys and salts of a mixture of Na ₃ AlF ₆ -AlF ₃ from sodium fluorosilicate. Preparation of aluminum-silicon alloys and criolite-aluminum fluoride mixtures from sodium fluosaailicfte / Abdel Hamid Ahmed A., Kassem Mohamed F // Erzmetal - 1994. - 47, No. 9. - p.528-535 (Eng.) The storage place of the State Public Scientific Technical Library ". To carry out the aluminothermic reaction, a mixture of Al and SiO ₂ powders is used, which is placed on the surface of the aluminum melt and initiates the reaction by local heating of the powder mixture to 1100-1200 ° С. The method described in "Pat. 2034927 Russia, MKI 6 C22C 1/02, a method for producing hypereutectic aluminum-silicon alloys / Lisay V.E., Malnykh AN, Kozinets V.I., BI No. 13 ", includes the introduction of crystalline silicon heated into aluminum melt to 1350-1650 ° C, in an amount of 84-95% of the required concentration with simultaneous bubbling and cooling the melt with an inert gas to a temperature 40-100 ° C higher than T _liquid and the subsequent introduction of fine crystalline silicon in an inert gas stream in an amount up to the desired concentration. The above methods are also based on high temperatures and do not provide the required quality of the structure of Al-Si ligatures mainly due to the formation of large (120 μm or more) primary silicon crystals that are inherited in the casting structure.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения заэвтектических силуминов, описанный в «Колтышев В.И. Исследование и разработка способов использования дисперсных отходов кремния для получения литейных силуминов // автореф. на соиск. степени к.т.н. ВлГУ, Владимир, 2002». Данный способ включает приготовление расплава на основе сплавов системы Al-Si, его перегрев на 20-30°С выше Т_ликвид, порционную засыпку на поверхность расплава смеси промасленной алюминиевой стружки и пылевидного кремния, замешивание порций в интервале «температура солидуса - температура ликвидуса», перегрев расплава до 780-900°С, рафинирование, дегазацию и разливку по формам. Недостатком данного способа является использование в качестве носителя пылевидного кремния промасленной алюминиевой стружки, которая не позволяет получать силумины с содержанием кремния более 20%.The closest in technical essence and the achieved effect is a method for producing hypereutectic silumins, described in "V. Koltyshev. Research and development of methods for the use of dispersed silicon wastes for casting silumins // Abstract. for a job. degree of candidate of technical sciences VlSU, Vladimir, 2002. " This method includes the preparation of a melt based on Al-Si alloys, its overheating by 20-30 ° C higher than T _liquid , portioned filling of a mixture of oiled aluminum chips and pulverized silicon onto the melt surface, kneading of portions in the interval “solidus temperature - liquidus temperature”, overheating of the melt to 780-900 ° C, refining, degassing and casting in molds. The disadvantage of this method is the use of oiled aluminum chips as a carrier of pulverized silicon, which does not allow to obtain silumins with a silicon content of more than 20%.

Задачей является получение мелкокристаллической высококремнистой лигатуры Al-Si с содержанием кремния более 25% с регламентированным размером кристаллов первичного кремния размером не более 40 мкм.The objective is to obtain a fine crystalline high-silicon Al-Si ligature with a silicon content of more than 25% with a regulated size of primary silicon crystals with a size of not more than 40 microns.

Техническим результатом является получение мелкокристаллической высококремнистой лигатуры Al-Si с содержанием кремния более 25% с размером кристаллов первичного кремния не более 40 мкм в виде шихтовых заготовок диаметром 30 мм и длиной 180÷200 мм. Полученная лигатура является основой для приготовления эвтектических и заэвтектических силуминов с мелкодисперсной структурой и повышенными физико-механическими свойствами.The technical result is to obtain a fine crystalline high-silicon Al-Si ligature with a silicon content of more than 25% with a primary silicon crystal size of not more than 40 μm in the form of charge blanks with a diameter of 30 mm and a length of 180 ÷ 200 mm. The resulting ligature is the basis for the preparation of eutectic and hypereutectic silumins with a finely dispersed structure and enhanced physical and mechanical properties.

Сущностью изобретения является способ низкотемпературного получения мелкокристаллической высококремнистой алюминиево-кремниевой лигатуры, включающий получение промежуточного расплава с интервалом кристаллизации не менее 30°С путем введения в перегретый на 60-80°С над температурой ликвидуса алюминиевый расплав меньшей части кристаллического кремния, перемешивание, выдержку, обуславливающую полное растворение кремния и охлаждение промежуточного расплава, получение лигатурного расплава требуемого состава путем введения в промежуточный расплав с температурой на 20-50°С выше температуры солидуса основной части кремния в виде порошка кристаллического кремния, плакированного алюминием, полученного совместным размолом порошков кристаллического кремния и алюминия в шаровой мельнице до размера частиц кремния не более 3 мкм и концентрации не более 43% по массе, перемешивание, подъем температуры полученного лигатурного расплава после усвоения смеси порошков на 50-100°С выше температуры ликвидуса и кристаллизацию лигатурного расплава со скоростью не менее 10²-10³°С/сек.The essence of the invention is a method for the low-temperature production of small-crystalline high-silicon aluminum-silicon ligatures, comprising obtaining an intermediate melt with a crystallization interval of at least 30 ° C by introducing a molten portion of crystalline silicon overheated at 60-80 ° C above the liquidus temperature, stirring, holding, conditioning complete dissolution of silicon and cooling of the intermediate melt, obtaining a ligature melt of the required composition by introducing into the intermediate A molten melt with a temperature of 20–50 ° C above the solidus temperature of the main part of silicon in the form of crystalline silicon powder clad with aluminum, obtained by joint grinding of crystalline silicon and aluminum powders in a ball mill to a particle size of silicon of not more than 3 μm and a concentration of not more than 43% by weight, stirring, raising the temperature of the resulting ligature melt after mastering the powder mixture 50-100 ° C higher than the liquidus temperature and crystallization of the ligature melt at a rate of at least 10 ² -10 ³ ° C / sec.

В ходе получения расплава алюминия с температурой на 60-80°С выше температуры ликвидуса происходит подготовка расплава для оптимального введения и усвоения кристаллического кремния. Увеличение температуры приводит к необоснованно повышенным энергозатратам. Меньшая температура увеличивает время усвоения кристаллического кремния в расплаве.In the course of obtaining an aluminum melt with a temperature of 60-80 ° C above the liquidus temperature, the melt is prepared for optimal introduction and assimilation of crystalline silicon. An increase in temperature leads to unreasonably increased energy costs. Lower temperatures increase the absorption time of crystalline silicon in the melt.

В ходе первоначального введения кристаллического кремния приготавливается промежуточный расплав с интервалом кристаллизации не менее 30°С. Меньший интервал кристаллизации затрудняет поддерживать температуру промежуточного расплава в интервале температура ликвидуса - температура солидуса при введении основной смеси шихтовых компонентов.During the initial introduction of crystalline silicon, an intermediate melt is prepared with a crystallization interval of at least 30 ° C. A shorter crystallization interval makes it difficult to maintain the temperature of the intermediate melt in the range of liquidus temperature - solidus temperature with the introduction of the main mixture of charge components.

В ходе температурной выдержки происходит полное усвоение введенного кристаллического кремния в расплаве.During the temperature exposure, complete absorption of the introduced crystalline silicon in the melt takes place.

В ходе охлаждения промежуточного расплава до температуры введения основной смеси шихтовых компонентов в интервале: температура ликвидуса - температура солидуса (на 20-50°С выше температуры солидуса) расплав переводится в твердожидкое состояние, при котором повышается его вязкость. В случае, когда температура промежуточного расплава равна или превышает температуру ликвидуса, введение основной смеси шихтовых компонентов существенно затрудняется из-за ее низкой насыпной плотности. При температуре промежуточного расплава, близкой к температуре солидуса, затрудняется замешивание основной смеси шихтовых компонентов из-за высокой вязкости расплава, обусловленной преобладанием твердой фазы.During cooling of the intermediate melt to the temperature of introduction of the main mixture of charge components in the range: liquidus temperature - solidus temperature (20-50 ° C higher than the solidus temperature), the melt becomes solid-liquid, at which its viscosity increases. In the case when the temperature of the intermediate melt is equal to or higher than the liquidus temperature, the introduction of the main mixture of charge components is significantly difficult due to its low bulk density. At an intermediate melt temperature close to the solidus temperature, kneading of the main mixture of charge components is difficult due to the high viscosity of the melt due to the predominance of the solid phase.

В ходе подготовки основной смеси шихтовых компонентов происходит измельчение основной части кристаллического кремния в шаровой мельнице до размеров не более 3 мкм с последующим совместным размолом в шаровой мельнице полученного мелкокристаллического кремния и порошка алюминия для плакирования частиц кремния алюминием. Измельчение кремния до фракции более 3 мкм не обеспечивает получение лигатуры с регламентированным размером кристаллов первичного кремния в структуре лигатуры до 40 мкм. Плакирование микрочастиц кремния алюминием необходимо для инициации механизма контактного (эвтектического) плавления на границе «тугоплавкая частица - алюминиевый расплав», а также для увеличения плотности вводимого в расплав первоначально измельченного до пылевидного состояния кристаллического кремния. Возникновение контактного плавления способствует усвоению пылевидного кремния в расплаве алюминия при низких температурах. При этом концентрация кремния не должна превышать 43% по массе, обеспечивая максимальную степень плакирования частиц пылевидного кремния алюминием. В случае недостаточного плакирования алюминием частиц пылевидного кремния, существенно затрудняется усвоение последнего в твердо-жидком промежуточном расплаве.During the preparation of the main mixture of charge components, the bulk of crystalline silicon in a ball mill is crushed to a size of not more than 3 μm, followed by joint grinding of the obtained fine crystalline silicon and aluminum powder in a ball mill to clad silicon particles with aluminum. Grinding silicon to a fraction of more than 3 μm does not provide ligatures with a regulated size of the primary silicon crystals in the ligature structure up to 40 μm. Cladding of silicon microparticles with aluminum is necessary to initiate the contact (eutectic) melting mechanism at the “refractory particle - aluminum melt” interface, as well as to increase the density of crystalline silicon initially ground to a dust state introduced into the melt. The occurrence of contact melting promotes the assimilation of pulverized silicon in an aluminum melt at low temperatures. In this case, the silicon concentration should not exceed 43% by weight, providing the maximum degree of cladding of particles of dusty silicon with aluminum. In the case of insufficient cladding of aluminum particles of pulverized silicon, the assimilation of the latter in the solid-liquid intermediate melt is substantially difficult.

В ходе введения специально подготовленной смеси основных шихтовых компонентов происходит легирование промежуточного расплава до необходимой концентрации кремния и получение лигатурного расплава требуемого состава.During the introduction of a specially prepared mixture of the main charge components, the intermediate melt is doped to the necessary silicon concentration and the ligature melt of the required composition is obtained.

В ходе перегрева лигатурного расплава на 50-100°С выше температуры ликвидуса происходит увеличение однородности химического состава за счет полного усвоения специально подготовленной смеси основных шихтовых компонентов. Перегрев лигатурного расплава на большую температуру приводит к дополнительным энергозатратам и снижению производительности. Перегрев на меньшую температуру не обеспечивает оптимальной однородности расплава.During the overheating of the ligature melt 50-100 ° C above the liquidus temperature, an increase in the uniformity of the chemical composition occurs due to the complete assimilation of a specially prepared mixture of the main charge components. Overheating of the ligature melt to a high temperature leads to additional energy consumption and reduced productivity. Overheating at a lower temperature does not provide optimal melt uniformity.

В ходе кристаллизации лигатурного расплава со скоростью не менее 10²-10³°С/сек происходит формирование дисперсной микроструктуры получаемой лигатуры. Меньшая скорость приводит к росту кристаллов первичного кремния в получаемой лигатуре и не позволяет получить регламентированное значение кристаллов первичного кремния не более 40 мкм.During crystallization of the ligature melt at a rate of at least 10 ² -10 ³ ° C / sec, the formation of a dispersed microstructure of the resulting ligature occurs. A lower speed leads to the growth of primary silicon crystals in the resulting ligature and does not allow to obtain a regulated value of primary silicon crystals of not more than 40 microns.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В индукционную плавильную установку УИП-16-10-0,01 А с графитовым тиглем загружали 3060 г алюминия технической чистоты марки А5. После расплавления осуществляли перегрев расплава до температуры 730°С. Затем в полученный расплав вводили 200 г кристаллического кремния и выдерживали в течение 20 мин до полного усвоения кремния расплавом. Промежуточный расплав охлаждали до температуры 600°С и порционно с помощью «колокольчика» вводили 6750 г предварительно подготовленной смеси основных шихтовых компонентов. Затем полученный лигатурный расплав перегревали до 800°С и кристаллизовали в водоохлаждаемом кокиле со скоростью кристаллизации 10²°С/сек. Получали лигатуру в виде шихтовых заготовок диаметром 30 мм и длиной 180÷200 мм. При этом смесь основных шихтовых компонентов готовили следующим образом. В шаровую мельницу загружали 2900 г кристаллического кремния и мололи в течение 2 часов до образования фракции 2,8 мкм. Затем в измельченный кремний добавляли 3850 г порошка алюминия и совместно размалывали в течение 2 часов. На полученном материале проводили химический анализ (Фиг.1) и исследования микроструктуры (Фиг.2). Полученная лигатура явилась основой для приготовления эвтектических и заэвтектических силуминов с мелкодисперсной структурой и повышенными физико-механическими свойствами.The proposed method is as follows. 3060 g of technical grade grade aluminum A5 were loaded into an induction melting plant UIP-16-10-0-0.01 A with a graphite crucible. After melting, the melt was overheated to a temperature of 730 ° C. Then, 200 g of crystalline silicon was introduced into the obtained melt and held for 20 minutes until the silicon was completely assimilated by the melt. The intermediate melt was cooled to a temperature of 600 ° C and 6750 g of a pre-prepared mixture of basic charge components was introduced portionwise using a “bell”. Then, the obtained ligature melt was overheated to 800 ° C and crystallized in a water-cooled chill mold with a crystallization rate of 10 ² ° C / sec. Received a ligature in the form of charge blanks with a diameter of 30 mm and a length of 180 ÷ 200 mm The mixture of the main charge components was prepared as follows. 2900 g of crystalline silicon were charged into a ball mill and ground for 2 hours until a 2.8 micron fraction was formed. Then, 3850 g of aluminum powder was added to the crushed silicon and co-milled for 2 hours. On the resulting material, chemical analysis was performed (Figure 1) and microstructure studies (Figure 2). The resulting ligature was the basis for the preparation of eutectic and hypereutectic silumins with a finely dispersed structure and enhanced physical and mechanical properties.

Claims

The low-temperature method for producing fine crystalline high-silicon aluminum-silicon alloys, characterized in that it involves the preparation of an intermediate melt with a crystallization interval of at least 30 ° C by introducing a smaller part of crystalline silicon into the molten aluminum superheated at 60-80 ° C above liquidus temperature, mixing, holding causing complete dissolution of silicon and cooling of the intermediate melt, obtaining a ligature melt of the desired composition by introducing into the intermediate melt AB with a temperature of 20-50 ° C above the solidus temperature of the main part of silicon in the form of crystalline silicon powder clad with aluminum, obtained by joint grinding of crystalline silicon and aluminum powders in a ball mill to a particle size of silicon of not more than 3 microns and a concentration of not more than 43% mass, stirring, raising the temperature of the obtained ligature melt after mastering the powder mixture 50-100 ° C higher than the liquidus temperature and crystallization of the ligature melt at a rate of at least 10 ² -10 ³ ° C / s.