СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-СКАНДИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК C22C1/00 C22C21/00 C22C35/00 

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства алюминий-скандиевой лигатуры, применяемой в технологии модифицирования алюминиевых сплавов.

Производство сплавов и изделий из них с высокими эксплуатационными характеристиками в значительной степени определяется видом используемых лигатур. Особое значение это имеет применительно к металлургии алюминиевых сплавов, что обусловлено высокими требованиями к качеству деформируемых полуфабрикатов в связи с ростом требований 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 сплавов определяется структурой металла.

Задача измельчения зерен в слитке решается модифицированием сплава.

В настоящее время разработаны технологии получения сплавов на алюминиевой основе различного рода.

Известен способ получения алюминиевого сплава плавкой с добавкой флюса из хлоридов щелочных металлов (RU 96111145 А, С 22 С 1/02, 09.10.1998, Байбаков Д.П.).

Однако данный способ и известный флюс не решают задачу модифицирования и соответственно повышения эксплуатационных характеристик сплавов.

Известен способ получения алюминиевого сплава, содержащего магний и литий для применения в авиакосмической технике (RU 2171308, С 22 С 21/00, С 22 С 21/06, 27.07.2000, ВИАМ).

Известный способ позволяет понизить массу изготовляемых из него изделий, но они не являются долговечными и обладающими высокими эксплуатационными характеристиками.

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 сплавов и, в частности, в производстве алюминий-скандиевой лигатуры. Благоприятный комплекс физико-химических свойств делает скандий перспективным легирующим компонентом сплавов цветных металлов. Добавки скандия вводят в алюминий и его сплавы в виде лигатур.

Известен способ получения алюминиевого сплава с введением в него скандия для применения в авиакосмической технике (WO 9526420, С 22 С 21/06, 05.10.1995, Collin Jean Pierre).

Недостатком данного способа является его невысокая эффективность, обусловленная незначительной степенью извлечения скандия в сплав.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий алюминотермическое восстановление в среде расплавленных галогенидов металлов (RU 2124574 C1, C 22 C 1/03, 10.01.1999).

Недостатком наиболее близкого аналога является невысокое качество лигатуры и заниженные в связи с этим эксплуатационные характеристики. Кроме того, промышленная установка в условиях производства - энергоемка и малоэффективна.

Скандий взаимодействует с алюминием по диаграмме эвтектического типа с переменной растворимостью. Максимальная равновесная растворимость скандия в твердом алюминии около 35%. Скандий склонен к образованию сверх пересыщенных твердых растворов в неравновесном состоянии даже при небольших скоростях кристаллизации.

Образующийся при взаимодействии скандия с алюминием интерметаллид Аl₃Sc обладает специфическим свойством: его кристаллическая решетка имеет почти полное размерное соответствие структурной решетке алюминия. Это сходство решеток лежит в основе его сильнейшего влияния на структуру и свойства алюминиевых сплавов.

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

Техническим результатом, на которое направлено настоящее изобретение, является повышение эксплуатационных характеристик сплава путем увеличения однородности его структуры при одновременном сокращении энергозатрат. Кроме того, упрощается процесс введения добавок в металлический расплав.

Технический результат достигается за счет того, что лигатуру алюминий-скандий получают путем алюминотермического восстановления скандия из его соединений в среде расплавленных галогенидов металлов, согласно изобретению осуществляют восстановление галогенида или оксида скандия в присутствии хлориды калия и фторида натрия при температуре более 850^oС и не менее 1050^oС.

Технический результат достигается также за счет того, что лигатуру алюминий-скандий получают путем алюминотермического восстановления скандия из его соединений в среде расплавленных галогенидов металлов, согласно изобретению осуществляют алюминотермическое восстановление фторскандиата щелочного или щелочноземельного металла в присутствии хлорида калия или натрия при температуре 800-1050^oС.

Для достижения указанного технического результата оптимальными являются следующие условия:
- восстановление осуществляют под слоем хлоридного покровного флюса;
- после восстановления в любом варианте проводят выдержку в течение 15-30 минут;
- восстановление галогенида скандия проводят в присутствии фторида скандия, хлорида калия и фторида натрия при следующем соотношении ингредиентов в смеси, мас.%:
Фторид скандия - 10 - 23
Хлорид калия - 49 - 76
Фторид натрия - 13 - 28
в качестве покровного хлоридного флюса в любом варианте используют флюс, содержащий хлориды калия и натрия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Хлорид калия - 42 - 45
Хлорид натрия - Остальное
- алюминотермическое восстановление оксида скандия осуществляют в присутствии фторида алюминия, оксида скандия, фторида натрия, хлорида калия при следующем соотношении ингредиентов в смеси, мас.%:
Оксид скандия - 7,0 - 8,6
Фторид алюминия - 8,5 - 10,5
Фторид натрия - 7,0 - 8,5
Хлорид калия - 72,5 - 77,5
- алюмотермическое восстановление фторскандиата щелочного или щелочноземельного металла проводят в присутствии фторскандиата щелочного или щелочноземельного металла и хлорида калия или натрия при следующем соотношении ингредиентов в смеси, мас.%:
Фторскандиат щелочного или щелочно-земельного металла - 10 - 50
Хлорид калия или натрия - Остальное
В настоящем изобретении разработана технология производства алюминиево-скандиевых лигатур процессом алюминотермического восстановления скандия из галогенидов и оксидов. При этом предпочтение отдается лигатуре с содержанием скандия около 2%, т.к. она эффективнее для использования, при этом содержание железа, кремния и натрия должно быть минимальным и находиться на уровне их содержания в высших марках технического алюминия. Заметное взаимодействие фторида скандия с алюминием протекает при температуре выше 800^oС в соответствии с уравнением реакции:
SсF₃+3Аl=3AlF
В настоящем изобретении восстановление проводят в присутствии галогенидов калия и натрия под слоем хлоридного покровного флюса при температуре 800-1050^oС, причем оптимально осуществлять в последующем выдержку при 790-780^oС.

Скандийсодержащая смесь содержит, мас.%:
Фторид скандия - 10 - 23
Хлорид калия - 49 - 76
Фторид натрия - 13 - 28
Покровный флюс содержит, в мас.%:
Хлорид калия - 42 - 45
Хлорид натрия - Остальное
Выбранные условия лимитируются следующими факторами. Уменьшение содержания хлорида калия ниже 49% равно как и снижение содержания фторида натрия менее 13% приводит к снижению извлечения скандия за счет роста температуры плавления и увеличения вязкости флюса. Увеличение содержания фторида натрия более 28% приводит к загрязнению алюминия натрием. Увеличение содержания хлорида калия более 76% равно как и уменьшение содержания фторида скандия ниже 10% приводит к повышенному расходу за счет снижения температуры плавления флюса и значительному росту летучести. Увеличение содержания фторида скандия более 23% приводит к снижению степени извлечения скандия за счет увеличения вязкости флюса.

Загрузка скандийсодержащего флюса на расплавленный алюминий без использования покровного флюса нежелательна, т.к. приводит к снижению степени извлечения скандия, обусловленной возгонкой соединений скандия. Снижение содержания хлорида калия менее 42% в составе покровного флюса, равно как и увеличение более 45% приводит к частичной кристаллизации флюса и снижению степени извлечения скандия, связанной с пассивацией поверхности алюминия.

Снижение температуры ниже 800^oС может привести к снижению степени извлечения скандия вследствие уменьшения активности алюминия при загрузке флюса, кроме того, лигатура получается с неравномерно распределенным скандием. Увеличение температуры более 1050^oС приводит к повышенному расходу солей за счет роста летучести компонентов.

Снижение температуры ниже 780^oС при выдержке приводит к возможной ликвидации Аl₃Sc и получению лигатуры с неравномерно распределенным скандием. Кроме того, недостаточное снижение температуры при выдержке расплава приводит к уменьшению степени извлечения скандия, что связано с пассивацией поверхности сплава интерметаллидами Аl₃Sc и диффузионными затруднениями.

Снижение времени выдержки менее 15 минут приводит к получению лигатуры с возможным неравномерным распределенным скандия за счет того, что Al₃Sc, образовавшийся на границе раздела алюминий - флюс, не успевает продиффундировать в объем расплава. Увеличение времени выдержки более 30 минут приводит к возможному снижению степени извлечения скандия за счет увеличения угара получаемой лигатуры.

Разогрев до начальной температуры требуется для гомогенизации расплава перед разливкой.

Пример 1.

В миксере на 1 т расплавленного алюминия при 855^oС наплавляется 0,02 т покровного флюса, состоящего из хлорида калия 43 мас.% и хлорида натрия 57 мас. %. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 220 кг скандийсодержащая смесь, мас.%:
Хлорид калия - 65
Фторид натрия - 15
Фторид скандия - 20
После расплавления смеси температура снижается до 790^oС. Расплав выдерживают в течение 20 минут при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают 2%-ную лигатуру Al-Sc с извлечением последнего 92%.

Пример 2.

В миксере на 1 т расплавленного алюминия при температуре 848^oС наплавляется 0,02 т покровного флюса, состоящего из хлорида калия 44 мас.% и хлорида натрия 56 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 220 кг скандийсодержащую смесь состава, мас.%:
Фторскандиат щелочного или щелочно-земельного металла - 25
Хлорид калия - Остальное
После расплавления смеси температура снижается до 790^oС. Расплав выдерживают в течение 20 минут при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают 2%-ную лигатуру Al-Sc с извлечением последнего 92%.

Пример 3.

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 скандийсодержащую смесь состава, мас.%:
Фторскандиат щелочного или щелочно-земельного металла - 35
Хлорид натрия - Остальное
После расплавления смеси температура снижается до 785^oС. Расплав выдерживают в течение 25 минут при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают 2%-ную лигатуру Al-Sc с извлечением последнего 91%.

Другие примеры осуществления изобретения приведены в таблице 1.

В таблице 2 представлены технологические параметры и показатели процесса алюминотермического получения алюминиево-скандиевой лигатуры из оксида скандия.

Изобретение промышленно применимо в производстве сплавов на алюминиевой основе. При использовании настоящей технологии получают качественную алюминий-скандиевую лигатуру с высокой степенью извлечения скандия при одновременном сокращении энергозатрат и упрощении аппаратурно-технологической схемы.

Суммарное содержание примесей в полученной лигатуре не более 0,005%, распределение интерметаллида в объеме слитка равномерное.

Полученная лигатура имеет повышенные потребительские и эксплуатационные характеристики.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства алюминий-скандиевой лигатуры, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов. Способ включает алюминотермическое восстановление галогенида или оксида скандия в присутствии хлорида калия и фторида натрия при температуре более 850^oС и не менее 1050^oС. Способ включает алюминотермическое восстановление фторскандиата щелочного или щелочно-земельного металла в присутствии хлорида калия или натрия при 800-1050^oС. Изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики сплава путем увеличения однородности его структуры при сокращении энергозатрат, а также упрощает процесс введения добавок в металлический расплав. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий алюминотермическое восстановление скандия из его соединений в среде расплавленных галогенидов металлов, отличающийся тем, что осуществляют алюминотермическое восстановление галогенида или оксида скандия в присутствии хлорида калия и фторида натрия при температуре более 850^oС и не менее 1050^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление осуществляют под слоем хлоридного покровного флюса. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что после восстановления проводят выдержку в течение 15-30 мин. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что восстановление галогенида скандия проводят в присутствии фторида скандия, хлорида калия и фторида натрия при следующем соотношении ингредиентов в смеси, мас.%:
Фторид скандия - 10 - 23
Хлорид калия - 49 - 76
Фторид натрия - 13 - 28
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве покровного хлоридного флюса используют флюс, содержащий хлориды калия и натрия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Хлорид калия - 42 - 45
Хлорид натрия - Остальное
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминотермическое восстановление оксида скандия проводят в присутствии оксида скандия, фторида алюминия, фторида натрия, хлорида калия при следующем соотношении ингредиентов в смеси, мас.%:
Оксид скандия - 7,0 - 8,6
Фторид алюминия - 8,5 - 10,5
Фторид натрия - 7,0 - 8,5
Хлорид калия - 72,5 - 77,5
7. Способ получения лигатуры алюминий-скандий, включающий алюминотермическое восстановление скандия из его соединений в среде расплавленных галогенидов металлов, отличающийся тем, что осуществляют алюминотермическое восстановление фторскандиата щелочного или щелочно-земельного металла в присутствии хлорида калия или натрия при 800-1050^oС. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что восстановление осуществляют под слоем покровного хлоридного флюса. 9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что после восстановления проводят выдержку в течение 15-30 мин. 10. Способ по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что восстановление проводят в присутствии фторскандиата щелочного или щелочно-земельного металла и хлорида калия или натрия при следующем соотношении ингредиентов в смеси, мас.%:
Фторскандиат щелочного или щелочно-земельного металла - 10 - 50
Хлорид калия или натрия - Остальное
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве покровного хлоридного флюса используют флюс, содержащий хлориды калия и натрия при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Хлорид калия - 42 - 45
Хлорид натрия - Остальноев