ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛУМИНОВ СПОСОБОМ ВВОДА ПЫЛЕВИДНОГО КРЕМНИЯ В РАСПЛАВ ПУТЕМ МЕХАНИЧЕСКОГО ЗАМЕШИВАНИЯ ИМПЕЛЛЕРОМ

ВВЕДЕНИЕ

Основные компоненты сплава – алюминий и кремний – сильно различаются по своим свойствам. При плавлении плотность кремния не падает, как у алюминия, а возрастает, а его объем уменьшается. В жидком состоянии ближний порядок кремния отличается от ближнего порядка в твердом состоянии, его электросопротивление многократно падает, проводимость возрастает и приближается к металлической. Кремний плохо растворяет в себе металлы, в частности, растворимость алюминия в твердом кремнии равна нулю [1].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Метод механического замешивания порошков твердых веществ в расплавы наиболее разработан в исследованиях по суспензионной заливке стали, где преимущественно вводились хорошо смачиваемые расплавом металлические порошки. Для наших целей больше подходят методы замешивания в металлические расплавы плохо смачиваемых твердых дисперсных частиц, созданные в исследованиях по композиционному литью. Одну из первых таких установок разработал Мертон К. Флемингз.

Схема установки показана на рисунке 1. Установка состоит из выпрямителя, двигателя постоянного тока с регулируемым числом оборотов, на оси которого закреплен титановый диск. Титановый диск подвергнут специальной обработке-карбонизации − с целью повышения его стойкости в среде жидкого алюминия. Диск имеет специальную шероховатую поверхность для разбрасывания частиц порошка. Зазор между стенкой тигля и краем диска должен быть не менее 10 мм, в противном случае частицы не замешиваются в расплав, проходя сквозь его слой на стенку тигля за счет центробежных сил. Скорость вращения импеллера должна быть в пределах 100 – 400 об/мин. Температуру расплава контролировали с помощью термопары и потенциометра КСП-4.

Рисунок 1. Лабораторная установка для механического замешивания порошков в расплавы

Устройство снабжено дозатором, подающим порошок кремния в автоматическом режиме с потоком инертного газа или воздуха непосредственно на поверхность дискового импеллера. Методика получения смеси жидкого алюминия с порошкообразными отходами кремния состоит в том, что сначала рабочий орган устройства – импеллер погружают в расплав на глубину 10 – 15 мм. Затем импеллер приводят во вращение с заданной скоростью, подавая регулируемое напряжение постоянного тока с выпрямителя на двигатель, постепенно увеличивая обороты импеллера до образования вихревой воронки жидкого металла с обнажением части верхней поверхности дискового импеллера. Следует следить за тем, чтобы режим вращения обеспечивал необходимую степень турбулентности, перемешивания всей массы жидкого металла с движением расплава не только по окружности, но и снизу вверх. Такой режим перемешивания абсолютно необходим, поскольку при плоско-параллельном вращении расплава частицы твердых порошков в него замешиваются плохо, образуют конгломераты и макроскопические скопления, всплывающие вверх после окончания перемешивания.

После обеспечения нужного режима перемешивания порошок кремниевых отходов подается сверху через дозатор на открытую поверхность импеллера. Импеллер обеспечивает однородное разбрасывание порошка в сторону металла и равномерное его замешивание в расплав.

Операция ввода по длительности зависит от количества вводимого порошка. В лабораторных условиях эта операция длилась 2 – 3 минуты. По окончании ввода порошка перемешивание продолжают еще 30 – 40 секунд, уменьшая обороты импеллера для достижения максимальной турбулентности движения расплава.

Склонность полученных твердо-жидких суспензий к расслаиванию зависит от степени однородности полученной смеси. Однородные смеси не расслаиваются, в них возможно только седиментационное смещение введенных частиц вверх или вниз, в зависимости от плотности вводимых частиц. Неоднородные смеси, содержащие комки, конгломераты части, насыщенные воздухом, склонны к расслаиванию. В этом случае рекомендуется применять повторное перемешивание расплава, постепенно доводя его до состояния однородной смеси.

Полученные пробы исследовали на химический состав и микро-структуру. Результаты опытов по химическому составу (количество кремния в сплаве после опытов) приведены в таблице 1 и на рисунке 2[2].

Результаты занесены в таблицу 1 − Усвоение кремния жидким алюминием при вводе пылевидного кремния в расплав методом замешивания импеллером.

Таблица 1

Усвоение кремния жидким алюминием при вводе пылевидного кремния в расплав методом замешивания импеллером

Рисунок 2. Изменение содержания кремния в расплаве при замешивании при различных температурах

Заключение

Данные таблицы 1 и рисунка 2 указывают на то, что при данном способе ввода существует некоторая оптимальная температура ввода, примерно равная 800°С. При этой температуре коэффициент усвоения введенного кремния максимальный и достигает 75 %. Учитывая, что содержание кремния в пылевидных отходах составляет 90 % и более, и что часть кремния теряется за счет пыления при вводе, этот результат следует считать хорошим.

При температурах ввода 750 и 850°С коэффициент усвоения составил около 70 %, а при 900°С – всего 44 %. Как особенность данного способа ввода следует отметить, что во всех случаях содержание кремния в сплаве было максимальным сразу после ввода и затем оно несколько снижалось и стабилизировалось. Мы объясняем это тем, что сразу после ввода в расплаве кремний замешан неравномерно и в виде комочков − конгломератов, не пропитанных расплавом.

Вывод по применению способа механического замешивания пылевидного кремния в расплавы алюминия импеллером состоит в том, что максимальный устойчивый коэффициент усвоения кремния составляет 70 – 75 %. Оптимальная температура ввода пылевидного кремния в расплав этим способом составляет около 800°С.

Список литературы:

1. Беляев А. И. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов. / А.И. Беляев, О.С. Бочвар, Н.Н. Бунов. – М.: Металлургия, 1983. – 280 с.
2. Аксенов П. Н. Технология литейного производства / П. Н. Аксенов. – М.: Машгиз, 1977. – 667 с.