СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Российский патент 1996 года по МПК C22B1/02 C22B9/14 

Изобретение относится к металлургии и предназначено для получения алюминиевых сплавов, содержащих 18 25 мас. лития, которые применяются в качестве лигатур при выплавке конструкционных алюминиевых сплавов, легированных литием в количестве 1 3 мас.

Одной из специфических особенностей лития и алюминиевых сплавов, содержащих значительные количества лития, является повышенная химическая активность к атмосферным газам и парам воды. В результате взаимодействия с водяным паром происходит образование гидрооксида лития (Li+3H₂O LiOH • 2H₂O + H) и насыщение металла водородом.

Поэтому при использовании металлического лития и алюминий-литиевых лигатур для выплавки конструкционных алюминиевых сплавов, легированных литием, происходит загрязнение сплавов водородом. В статье Семеннченкова А. А. и др. "Дегазация алюминий-литиевых сплавов". Журнал "Технология легких сплавов", N 3 1990, изд. ВИЛСа, с. 23 27 приведены следующие данные. Исходное содержание водорода, до введения лития в расплав находится в интервале 0,3 1,1 см³ на 100 г металла. Введение лития в расплав приводит к резкому увеличению газосодержания в металле (до 2,2 3 см³/100 г Ме). Причиной такого повышения является то, что в металлическом литии содержание водорода составляет от 700 до 1500 см³/100 г Me, из которого расплавом усваивается 10 35 водорода, вносимого литием.

Там же указано, что к литиево-алюминиевым сплавам типа 1420, 1450 предъявляются высокие требования по содержанию водорода: 0,3 0,4 см³/100 г Ме, что почти на порядок ниже фактического содержания в расплаве после введения лития.

Для достижения необходимой степени дегазации, расплавы подвергают вакуумированию, продувке аргоном или комбиниpуют эти приемы.

Процесс выплавки конструкционных алюминиевых сплавов с содержанием 3 лития может быть значительно упрощен при условии резкого сокращения содержания водорода в исходных литиевых материалах: металлическом литии или литиевой лигатуре.

Это достигается путем предварительной переплавки лития с алюминием в вакууме и (или) инертной атмосфере с глубокой дегазацией расплава и получением алюминий-литиевой лигатуры.

Наиболее рациональным содержанием лития в такой лигатуре является диапазон 10 25 мас. что отвечает области существования интерметаллического соединения LiAl. Она имеет удельный вес около 1,725 г/см³ (РЖ "Металлургия", N 2, 1982, сер. 119, 2И751П). Достаточно высокая плотность должна способствовать быстрому и полному усвоению лигатуры расплавом.

Однако глубокая дегазация лигатуры в процессе ее выплавки не исключает загрязнение ее водородосодержащими примесями после плавки. В период разборки изложниц, разделки слитков, комплектации и транспортировки слитки контактируют с атмосферой. При этом происходит взаимодействие с парами воды и образование поверхностных пленок гидроксида лития.

По экспериментальным данным авторов, алюминиеволитиевые лигатуры, имеющие около 20 мас. содержат общее количество водорода в пределах 150 300 см³/100 г Ме, что в пересчете на литий составляет 750 1500 см³/100 г Ме и соответствует приведенным выше литературным данным.

В известных способах получения алюминиевых сплавов, содержащих повышенные количества лития (более 10 мас.), не всегда предусматриваются меры их защиты от вторичного наводораживания.

Так, в заявке Японии N 55-110752, кл. С 22 С 21/00, G 11 B 3/50, "Алюминиевый сплав, содержащий литий" предусмотрено только вакуумирование, обработка расплава осушенным инертным газом и дегазаций тигля в процессе выплавки сплава. Поскольку этот сплав предназначен для мембран акустических устройств, а не в качестве лигатуры, защита его от последующего воздействия влаги не предусмотрена.

Наиболее близким к предлагаемому способу по цели является известный способ изготовления лигатур (патент Великобритании N 989802, кл. С 6 C 7 (римск. 19).

Согласно этому способу, лигатура представляет оболочку из более тяжелого металла (основы сплава) заполненную более легким, легирующим компонентом. Отличительная способность способа заключается в введении легирующего компонента в оболочку с последующей герметизацией оболочки.

Этот способ принят за прототип, поскольку позволяет создать эффективную защиту от воздействия паров и атмосферных газов для лития, загерметизированного в алюминиевую оболочку.

К недостаткам этого способа следует отнести высокую трудоемкость изготовления и обработки оболочек, проведения операций заполнения и герметизации. Кроме того, такая комбинированная лигатура не достаточно удобна при ее использовании в процессе шихтовки при подготовке к плавке конструкционных сплавов. При этом потребуется информация о весах каждой оболочки и, заключенного в ней, легирующего компонента, а также усложняется операция набора необходимого веса лигатуры для конкретной плавки.

Указанные недостатки исключаются при использовании лигатуры в виде однородного сплава с определенным содержанием компонентов в форме слитков и кусков различного размера и веса.

Для защиты такой лигатуры от насыщения водородом на всех промежуточных стадиях от выплавки до использования (загрузки на переплавку), она подвергается защитной обработке, которая и является предметом данного изобретения.

Сущность изобретения заключается в том, что лигатура, выплавленная и дегазированная в вакууме и (или) контролируемой атмосфере инертных газов, в виде слитков или разделанная на куски обрабатывается газообразным диоксидом углерода (CO₂ при 250 350^oС в течение 2 3 ч.

При этом поверхностные слои слитков (кусков), содержащие оксиды и гидрооксиды лития карбонизируются по реакциям
Li₂O + CO₂ Li₂CO₃
2LiOH +CO₂ Li₂CO₃ + H₂O^газ
В результате этих реакций, гидроокись лития, являющаяся главным носителем водорода разрушается и заменяется безводным, безводородным соединением - углекислым литием.

Углекислый литий образует на поверхности литиевой лигатуры плотную пленку, непроницаемую для паров воды, которая предохраняет поверхность лигатуры от взаимодействия с влагой воздуха на протяжении последующего хранения и переработки лигатуры.

При введении лигатуры в расплав, на стадии получения сплавов, легированных литием, углекислый литий переходит в шлак в виде карбоната или продукта его разложения оксида лития. Процесс диссоциации карбоната лития в вакууме начинается при 600 град.С и заканчивается при 850^oС (Остроушко Ю. И. Литий, его химия и технология. М. Атомиздат, 1960, с. 53 54). Выделение при этом углекислого газа не представляет проблемы, поскольку последний не растворяется в сплаве и не вступает во взаимодействие с его составляющими.

Температурный диапазон термохимической обработки лигатуры 250 - 350^oС выбран из следующих условий. До температуры 250^oС скорость взаимодействия лития с углекислым газом мала и для достижения необходимого эффекта требуется длительное время. Выше 250^oC скорость процесса достигает достаточной величины и процесс заканчивается в течение 2 3 ч. Выше 350^oС скорость карбонизации становится весьма высокой и не обеспечивает нужное качество защитной пленки, так как она становится рыхлой.

Обработка лигатуры в предлагаемом режиме гарантирует глубокое удаление водорода с ее поверхности, что подтверждают следующие экспериментальные данные.

После выплавки алюминий-литиевой лигатуры с 20 мас. лития в инертной атмосфере аргона, содержание водорода в отобранных образцах на воздухе составило 150 250 см³/100 г Ме.

В параллельных образцах той же плавки, подвергнутых обработке углекислым газом в установленном температурно-временном режиме, не превышало 1 см³/100 г Mе, следовательно, содержание водорода в лигатуре в результате обработки углекислым газом снижается минимум в 150 250 раз и сохраняется на низком уровне при хранении лигатуры на воздухе в течение 3 5 дн, после чего наблюдаются изменения в состоянии поверхности.

Хранение лигатуры в условиях упаковки металлического лития, в герметичных контейнерах, заполненных аргоном, гарантирует длительную сохранность достигнутого качества лигатуры по содержанию водорода.

Использование: изготовление алюминиевого сплава, содержащего литий 18 - 25 %. Сущность изобретения: после выплавки сплава проводят термохимическую обработку при 250 - 350^oС в атмосфере диоксида углерода в течение 2 - 3 ч. Протекает взаимодействие поверхностных окислов и гидроксида лития с углекислым газом и образуется защитная пленка углекислого лития. Результат - снижение содержания водорода в сплаве и превращение процессов вторичного взаимодействия лития с водяными парами атмосферы.

Способ изготовления алюминиевого сплава, содержащего 18 25 мас. лития, включающий плавление в вакуумной печи в атмосфере сухого инертного газа, разливку и кристаллизацию, отличающийся тем, что после кристаллизации слитки или куски сплава обрабатывают в газовом потоке диоксида углерода при 250 - 350°С в течение 2-3 ч.