» » Методы получения быстрозакаленных алюминиевых сплавов
15.01.2016

Промышленные технологии получения быстрозакаленных порошков алюминиевых сплавов подразделяются на два основных типа: распыление расплава газовой струей, центробежное распыление (spray methods) и механическое измельчение быстрозакаленных лент, полученных спиннингованием расплава (chill methods).
Гранулируемые алюминиевые сплавы — особая группа быстрозакаленных порошковых сплавов. Быстрозакаленные микрослитки сферической формы (гранулы диаметром примерно сотни микрометров) сплавов на основе алюминия получают методом распыления расплава струей газа и центробежными методами.
Технология производства полуфабрикатов из гранул, главным элементом которой является быстрая кристаллизация, расширяет возможности легирования алюминиевых сплавов тугоплавкими, малорастворимыми и практически не растворимыми в твердом алюминии компонентами (Zr, Сr, V, Fe и др.). Основная задача гранульной металлургии — получить полуфабрикаты с более высокими свойствами (прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и другими служебными свойствами) по сравнению с полуфабрикатами, изготавливаемыми по традиционной технологии (из слитка), благодаря образованию особых неравновесных или метастабильных структурно-фазовых состояний, формирующихся при быстрой кристаллизации.
Эффективность и целесообразность использования гранульной технологии для производства полуфабрикатов из того или иного конкретного сплава определяется двумя условиями: возможностью получения в гранулах сплава указанных структурно-фазовых состояний; возможностью сохранения этих особенностей при переработке гранул в компактный полуфабрикат.
В отечественной практике быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы получают методом центробежного распыления с охлаждением в воде, что приводит к повышенному содержанию в металле водорода (до 1 см3/100 г и более) и оксидов (0,05—0,1 %). С этим связано наличие дефектов структуры, представляющих собой инородные включения, газовые поры, расслоения и другие, которые обусловливают нестабильность свойств и качества компактных полуфабрикатов.
При производстве алюминиевых сплавов для высоких технологий вопросы ресурсосбережения, экономии энергии, трудозатрат и т.п., не теряя своей важности и актуальности, все же отступают на второй план. Главными становятся вопросы обеспечения качества и надежности полуфабрикатов и изделий из алюминиевых сплавов. Поэтому вполне оправданным, а в ряде случаев и необходимым является применение индукционной плавки, защитных атмосфер, вакуумирования, многоступенчатых процессов внепечного рафинирования и т.п. (рис. 12.10).
Методы получения быстрозакаленных алюминиевых сплавов

Широкое распространение в производстве быстрозакаленных порошков алюминиевых сплавов получил метод распыления газом (воздухом, азотом, инертным газом).
Распыление струей газа (воздух, азот, инертный газ) или водой осуществляется с помощью эжекционных форсунок, создающих у выхода сопла область разрежения, под действием которого струя расплава попадает в зону распыления. Давление газа-энергоносителя составляет 0,4—0,6 МПа, скорость 200—300 м/с. Расход газа при дозвуковой скорости струи 0,4—0,5 м3 на 1 кг расплава. Температура расплава в печи поддерживается на уровне 750—800 °С в условиях перегрева на 100—150 °С при температуре его струи не ниже 740 ± 20 °С. Для предупреждения окисления металла в печи плавка осуществляется под слоем флюса на основе КСl—NaСl—СаF2. Полученный распыленный порошок пневмотранспортом подается на рассев. Пылевидные фракции после выноса с выходящими газами улавливаются фильтрами.
Быстрозакаленные порошки сфероидизированной формы (гранулы диаметром от нескольких десятков до трехсот микрометров) алюминиевых сплавов систем Аl—Мg, Аl—Mg—Zn, Аl—Mg—Zr, Аl—Мg—Zn—Сu, Аl—Сr—Мn, Аl—Сu—Мg, Аl—Мn—Сr—Zr и других получают диспергированием расплавов струей газа — технического азота или воздуха.
Центробежное распыление алюминиевых сплавов может производиться следующими методами:
— распылением расплава из цилиндрического графитового тигля в виде стакана, перфорированного по боковой поверхности, вращающегося с частотой 4000—5000 мин-1; гранулы диаметром 50 мкм получают при диаметре отверстий 0,7—0,8 мм;
— распылением расплава, полученного в достаточно большом объеме в процессе предварительной плавки, с использованием для распыления быстровращающегося разливочного тигля (разливочной тарели);
— распылением оплавляемого вращающегося электрода в инертной среде или в высоком вакууме, которое позволяет получить наиболее очищенные от примесей гранулы.
Указанные методы обеспечивают скорости охлаждения в широком интервале в зависимости от конкретного метода и размеров гранул.
Общий ежегодный объем быстрозакаленных порошков сплавов на основе алюминия, полученных распылением расплава, составляет до 200 тыс. т. Наиболее широкое распространение получил метод распыления расплава газом (воздухом, азотом, инертными газами). Один из крупнейших мировых производителей порошка алюминия — фирма «Аlсоа» (США) — применяет пульверизационные установки с распылением расплава вертикально вверх сжатым газом.
Высокоскоростное затвердевание расплава (ВЗР) по методу экстракции обеспечивает скорости охлаждения 10в5 К/с при получении чешуек металла толщиной -100 мкм.
Для получения быстрозакаленных сплавов алюминия с широким интервалом кристаллизации систем Аl—Мg—Li—Zr—Ве, Аl—Мn—Zr—Сr, Аl—Zn—Мg—Сu—Со—Fе применяется высокоскоростное затвердевание расплава в валках-кристаллизаторах диаметром 300 мм. Скорости охлаждения 2*10в3 К/с позволяют избежать образования крупных первичных интерметаллидов при содержании циркония и хрома до 0,5—0,6 %.
Для изучения влияния скорости охлаждения расплава на структурно-фазовое состояние алюминиевых сплавов применяют метод выстреливания капли расплава малой массы 100 мг на внутреннюю поверхность вращающегося металлического цилиндра. Метод позволяет получать микрослитки-чешуйки толщиной 20—40 мкм, что соответствует скорости охлаждения 10в6 К/с, при этом на участках, прозрачных для электронов с энергиями, соответствующими значениям просвечивающей электронной микроскопии (~ 100 кэВ), достигаются значения более 10в8 К/с.
Промышленный метод высокоскоростного затвердевания плоской струи расплава как разновидность спиннингования был разработан для получения быстрозакаленных лент алюминиевых сплавов с целью изготовления порошков последующим механическим измельчением.
Поскольку теплопроводность меди, используемой в качестве теплоотводящей подложки при получении быстрозакаленных лент, на много порядков выше, чем газа (и газа под давлением), то при охлаждении расплава на металлической подложке достигаются более высокие скорости охлаждения.
Для высокодисперсных капель расплава диаметром порядка 10 мкм может быть достигнута скорость затвердевания 0,1—0,5 м/с, что соответствует методу высокоскоростного затвердевания плоской струн. Однако доля частиц диаметром до 10 мкм составляет при газовом распылении менее 10 %, что делает экономически неэффективным метод газового распыления сплавов таких систем, как Аl — 8+12% ПМ, для которых эффект быстрой закалки расплава заключается в подавлении образования равновесных интерметаллидных фаз.
В более крупных каплях расплава скорости затвердевания резко уменьшаются, формируются дендритные структуры, характерные для малолегированных сплавов, возникает химическая неоднородность.
В случае активных металлов, таких, как Аl, Mg, Ti, для достижения требуемых свойств сплавов на их основе используют высокодисперсные быстрозакаленные порошки, получаемые методом газового распыления, которые, как правило, взрывоопасны.
Порошки, полученные измельчением быстрозакаленной ленты, имеют однородную ячеистую структуру независимо от размера частиц порошка. Обычно измельчение позволяет получить укрупненные частицы порошка пластинчатой формы размером 100x100 мкм и толщиной 25 мкм. Размеры частиц при этом определяются требованиями к порошку по насыпной плотности для заполнения пресс-форм и капсул.