АЛЮМИНИЕВО-СКАНДИЕВАЯ ЛИГАТУРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2003 года по МПК C22C1/00 C22C21/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению алюминиево-скандиевых лигатур, которые могут быть использованы в качестве легирующих и модифицирующих добавок в производстве сплавов на основе алюминия и магния.

Известна алюминиево-скандиевая лигатура, полученная в процессе алюмотермического восстановления трифторида скандия в вакууме при температурах 865-930^oС в течение 7-8 мин и при соотношении компонентов в смеси ScF₃:Аl=1: 10 (Г.Н.Звиададзе и др. Изучение кинетики взаимодействия в системе ScF₃:Аl. Всесоюзный симпозиум по химии неорганических фторидов". Тезисы докладов.- М. : Наука, 1978).

Недостатком этой лигатуры является высокое содержанием фтора и сравнительно невысокое содержание скандия. Наличие фтора в лигатуре приводит к низкой степени усвояемости скандия в процессе легирования и модифицирования металлов и сплавов. Кроме того, фтор является нежелательным элементом для ряда сплавов, работающих в агрессивных средах, поскольку он снижает их коррозионную стойкость.

Прототипом предложенного изобретения является алюминиево-скандиевая лигатура, полученная в процессе алюмотермического восстановления трифторида скандия в вакууме в три ступени при температурах от 865 до 1300^oС при соотношении компонентов в шихте ScF₃:Аl от 1:1,6 до 1:8 (SU 873692 А, опублик. 30.11.83).

В этой лигатуры также содержится фтор (от 0,05 до 8,5 мас.%), наличие которого обуславливает уже отмеченные выше недостатки, т.е. низкую степень усвояемости скандия в процессе легирования и модифицирования металлов и сплавов, а также отрицательное действие этого элемента для ряда композиций сплавов, работающих в агрессивных средах, поскольку он снижает их коррозионную стойкость. Кроме того, высокое содержание скандия в лигатуре (в примерах от 5,8 до 34%) обуславливает неоднородность структуры лигатуры.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в повышении качества и улучшении эксплуатационных характеристик алюминиево-скандиевой лигатуры.

Указанный технический результат достигается тем, что алюминиево-скандиевая лигатура для производства алюминиевых и магниевых сплавов, полученная в результате алюминотермического восстановления, содержит алюминий, скандий и фтор в качестве примесей.

Отличие лигатуры заключается в том, что она дополнительно содержит в качестве примесей железо, кремний, медь, марганец, натрий и редкоземельные элементы, при этом суммарное количество примесей в лигатуре составляет не более 0,25 мас.%, и лигатура имеет следующий состав, мас.%:
Sc - от 0,3 до не более 5
Fe - не более 0,05
Si - не более 0,05
Сu - не более 0,01
Mn - не более 0,01
Nа - не более 0,1
F - не более 0,01
Сумма редкоземельных элементов - не более 0,01
Аl - Остальное
Повышение качества и улучшение эксплуатационных характеристик алюминиево-скандиевой лигатуры достигается за счет значительного уменьшения содержания в ней загрязняющих примесей, в том числе фтора, и увеличения однородности структуры путем снижения содержания в ней скандия.

Производство сплавов и изделий из них с высокими эксплуатационными характеристиками в значительной степени определяется видом используемых при производстве лигатур. Особое значение это имеет применительно к металлургии алюминиевых и магниевых сплавов, что обусловлено высокими требованиями к качеству деформируемых полуфабрикатов в связи с ростом требования по надежности и долговечности конструкций, способных работать в условиях повышенных и пониженных температур, резких тепловых ударов и так далее. Качество и поведение изделий из алюминиевых и магниевых сплавов определяется однородностью структуры металла.

Задача измельчения зерен в слитке решается модифицированием сплава.

Эффективным модификатором является скандий. Благодаря разработке технологий попутного извлечения скандия, а также извлечения его из отходов и промпродуктов цветной металлургии стало возможным использование скандия в качестве модификатора при получении алюминиевых и магниевых сплавов и, в частности, в производстве алюминиево-скандиевой лигатуры. Благоприятный комплекс физико-химических свойств делает скандий перспективным легирующим компонентом сплавов цветных металлов. Добавки скандия вводят в алюминий и магний и их сплавы в виде лигатуры.

Скандий взаимодействует с алюминием и магнием по диаграмме эвтектического типа с переменной растворимостью.

Максимальная равновесная растворимость скандия в твердом алюминии около 35%. Скандий склонен к образованию сверхпересыщенных твердых растворов в неравновесном состоянии даже при небольших скоростях кристаллизации.

Образующийся при взаимодействии скандия с алюминием интерметаллид Al₃Sc обладает специфическим свойством: его кристаллическая решетка имеет почти полное размерно-структурное соответствие структурной решетке алюминия. Это сходство решеток лежит в основе его сильнейшего влияния на структуру и свойства алюминиевых и магниевых сплавов.

Благодаря этим свойствам добавка скандия позволяет получать слитки или сварные швы с недендритной структурой, все виды полуфабрикатов с равномерной некристаллизованной структурой и, как следствие этого, повышенным комплексом технологических свойств.

Получение алюминиево-скандиевой лигатуры показано на следующих примерах.

Пример 1.

В миксере на 70 кг расплавленного алюминия при 845^oС наплавляется 4 кг покровного флюса, состоящего из хлорида калия 43 мас.% и хлорида натрия 57 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 4 кг скандийсодержащего флюса состава, мас.%:
Хлорид калия - 80
Фторид натрия - 8
Фторид скандия - 12
После расплавления флюса температура снижается до 790^oС. Расплав выдерживают в течение 20 мин при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают лигатуру Al-Sc следующего состава:
Sc - 0,3
Fe - 0,005
Si - 0,003
Сu - 0,001
Mn - 0,003
Nа - 0,1
F - 0,01
Cумма редкоземельных элементов - 0,001
Аl - Остальное
Пример 2.

В миксере на 1 т расплавленного алюминия при температуре 842^oС наплавляется 0,02 т покровного флюса, состоящего из хлорида калия 45 мас.% и хлорида натрия 55 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 220 кг скандийсодержащего флюса состава, мас.%:
Фторскандиат щелочного или щелочноземельного металла - 35
Хлорид калия - Остальное
После расплавления флюса температура снижается до 785^oС. Расплав выдерживают в течение 25 мин при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают лигатуру Al-Sс следующего состава:
Sc - 2
Fe - 0,02
Si - 0,03
Сu - 0,005
Mn - 0,005
Nа - 0,1
F - 0,01
Сумма редкоземельных элементов - 0,005
Аl - Остальное
Пример 3.

В миксере на 100 кг расплавленного алюминия при температуре 850^oС наплавляется 4 кг покровного флюса, состоящего из хлорида калия 44 мас.% и хлорида натрия 56 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 120 кг скандийсодержащего флюса состава, мас.%:
Фторскандиат щелочного или щелочноземельного металла - 30
Хлорид калия - Остальное
После расплавления флюса температура снижается до 790^oС. Расплав выдерживают в течение 20 мин при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают лигатуру Al-Sc следующего состава:
Sc - 5%
Fe - 0,05
Si - 0,05
Сu - 0,01
Mn - 0,01
Nа - 0,1
F - 0,01
Сумма редкоземельных элементов - 0,01
Аl - Остальноел

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению алюминиево-скандиевых лигатур, которые могут быть использованы в качестве легирующих и модифицирующих добавок в производстве сплавов на основе алюминия и магния. Предложенная алюминиево-скандиевая лигатура для производства алюминиевых и магниевых сплавов, полученная в результате алюминотермического восстановления, имеет следующий состав, мас.%: скандий от 0,3 до не более 5, железо не более 0,05, кремний не более 0,05, медь не более 0,01, марганец не более 0,01, натрий не более 0,1, фтор не более 0,01, сумма редкоземельных элементов - не более 0,01, алюминий - остальное. Данная алюминиево-скандиевая лигатура позволяет повысить качество и улучшить эксплуатационные характеристики лигатуры.

Алюминиево-скандиевая лигатура для производства алюминиевых и магниевых сплавов, полученная в результате алюминотермического восстановления, содержащая алюминий, скандий и фтор в качестве примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит в качестве примесей железо, кремний, медь, марганец, натрий и редкоземельные элементы, при этом суммарное количество примесей в лигатуре составляет не более 0,25 мас. %, и лигатура имеет следующий состав, мас. %:
Скандий - От 0,3 до не более 5
Железо - Не более 0,05
Кремний - Не более 0,05
Медь - Не более 0,01
Марганец - Не более 0,01
Натрий - Не более 0,1
Фтор - Не более 0,01
Сумма редкоземельных элементов - Не более 0,01
Алюминий - Остальное