ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C22C16/00 

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к литейным сплавам на основе циркония, используемым в промышленности для изготовления изделий, в частности для художественного литья, в том числе сувениров, скульптуры и декоративных изделий.

Наиболее близкими по своей технической сущности являются сплавы системы Zr-Fe эвтектического состава с содержанием железа 15-20% (см. Хансен А. и др. Диаграммы состояния двойных систем. М. : Металлургия, 1964. ). Железо в большей степени, чем любой другой элемент снижает температуру плавления циркония. Они легкоплавки - температура начала плавления - 934^оС, температура конца плавления не превышает 1200^оС, что позволяет изготавливать изделия из них индукционной плавкой. Однако структура этого сплава состоит из интерметаллида Zr₃Fe. Поэтому данный сплав хрупкий и не могут использоваться для изготовления изделий. Уменьшение содержания менее 15% приводит к появлению в структуре сплава пластичной альфа-циркониевой фазы. Однако при этом температура конца плавления сплавов превышает 1200^оС, что приводит к сильному взаимодействию с формой и тиглем при литье.

Целью изобретения является снижение температуры плавления и повышение пластичности литейных циркониевых сплавов при одновременном снижении вероятности взаимодействия материала литейной формы с расплавом и снижение материальных затрат в процессе плавки.

Цель решается тем, что в сплав на основе циркония, содержащего железо, введена медь, причем ингредиенты взяты в следующих соотношениях мас. % : Железо 5-15 Медь 15-5
Цирконий
со случайными примесями Остальное.

Для разработки сплава с требуемыми свойствами требовалось получить эвтектический сплав, который удовлетворял бы следующим требованиям: температура тройной эвтектики была бы меньше 900^оС; температура ликвидуса сплавав при движении от точки тройной эвтектики к цирконию увеличивалась бы незначительно; образование наиболее хрупкого и близко лежащего к цирконию соединения Zr₃Fe должно быть исключено.

С этой целью добавляют медь и изменяют содержание железа. Во-первых, медь, имея близкий с железом атомный радиус, должна значительно растворяться в фазе Zr₂Fe, стабилизируя ее, тем самым не давая образоваться хрупкой фазе Zr₃Fe. Во-вторых, медь, имея с железом разную валентность, должна увеличивать энергию смешения. А это в свою очередь приведет к снижению температуры плавления соединения Zr₂(Fe, Cu), по сравнению с Zr₂Fe и, следовательно, к снижению температуры плавления сплава в целом.

Полученные сплавы имели температуру начала плавления 850^оС, против 934^оС у сплава - пpототипа. Причем в сплавах нет хрупкой фазы Zr₃Fe и постоянно присутствует пластичная альфа-циркониевая фаза. Температура ликвидуса сплава слабо увеличивается при движении точки тройной эвтектики в сторону циркония, что позволят еще больше увеличить содержание в сплаве пластичной альфа-циркониевой фазы.

Сопоставительный анализ с известными техническими решениями позволяет сделать вывод, что заявляемый состав сплава отличается от известного введением нового элемента - меди и изменением содержания железа. Таким образом, настоящее изобретение удовлетворяет требованиям критерия "новизна".

Известен также технический прием, заключающийся в введении в сплав на основе циркония меди для снижения температуры плавления сплава. Однако оптимальное количество меди при этом превышает 24% , а температура начала плавления свыше 990^оС, что выше, чем у сплава согласно изобретению. К тому же в структуре таких сплавов отсутствуют пластичные фазы. Таким образом, данный состав компонентов придает сплаву новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящего изобретения требованиям критерия "уровень техники".

Для изготовления сплавов применялись не только чистые компоненты, но и отходы циркониевого производства, то есть цирконий, содержащий случайные примеси, например - куски, стружку сплавов циркония марки Э-110 и Э-125 с содержанием ниобия 1 и 2,5% соответственно. Поэтому при изготовлении сплавов в качестве одного из компонентов шихты вместо циркония полностью или частично использовались сплавы Э-110 и Э-125.

Ниобий, как показали эксперименты, в данных количествах (до 2% ) не образует самостоятельной фазы, а входит в фазу Zr₂ (Fe, Cu), частично замещая в ней цирконий. Изменение температуры плавления и структуры сплава при этом не происходит. Поэтому, для изготовления данных сплавов возможно применение отходов производства атомной энергетики в виде сплавов Э-110 и Э-125, что приводит к снижению себестоимости продукции. В данном случае ниобий является пассивным элементом и не влияет на основные свойства сплава при концентрации до 3,0 мас. % , что позволяет отнести его к примесям.

Сплавы изготавливали плавкой в вакуумной индукционной печи из исходных компонентов. В качестве компонентов использовались кодидный цирконий, армко-железо, медь марки М-1 и сплав Э-125. Температура плавки не превышала 1500^оС. Сплав сливался в графитовую форму.

Температуру плавления сплава определяли методом ДТА. Количество альфа-циркониевой фазы определяли металлографическим методом. Примеры, отражающие свойства плавов, полученных при реализации настоящего изобретения сведены в таблицу.

Снижение содержания железа и меди менее 5% приводит к повышению температуры плавления выше 1100^оС и взаимодействию сплава с графитовой формой при литье. Увеличение содержания железа и меди выше 15% приводит к исчезновению пластичной альфа-циркониевой фазы и повышению хрупкости изделия. Нижний и верхний предел количества ниобия в сплаве согласно изобретению определены на основании анализа попадания его из шихтовых сплавов Э-110 и Э-125, что в предельных случаях ограничено 0 и 3% соответственно. Применение новых сплавов согласно изобретению позволяет использовать для изготовления литых изделий более производительный и дешевый метод индукционной плавки и практически полностью избежать последующей механической обработки. В совокупности с применением более дешевых исходных материалов и отходов производства себестоимость продукции по предварительным оценкам уменьшится в 1,5-3 раза. К тому же из данного сплава возможно изготовление литьем изделий сложного профиля, таких как колокола и т. д. , а также использовать его в аморфном состоянии в виде лент и пружинных элементов. (56) Хансен А. и др. Диаграммы состояния двойных систем, М. , 1964, с. 131.

Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к литейным сплавам на основе циркония, используемым в промышленности для изготовления изделий, в частности для художественного литья, в том числе сувениров, скульптуры и декоративных изделий. Сплав на основе циркония содержит железо и медь при следующих соотношениях, мас. % : железо 5 - 15; медь 15 - 5; цирконий остальное. 1 табл.

ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ, содержащий железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Железо 5 - 15
Медь 5 - 15
Цирконий Остальное