СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТИТАН-ЦИРКОНИЙ Российский патент 2014 года по МПК C22C1/03 C22F3/02 

Описание патента на изобретение RU2518041C2

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия, и может быть использовано при получении лигатуры алюминий-титан-цирконий, применяемой для модифицирования сплавов.

Известен способ приготовления лигатуры алюминий-тугоплавкий металл, включающий обработку алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла при одновременном воздействии наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1000-1500 МВт/м3. (патент РФ 2232827, МПК С22С 21/00, 1/03, опубл. 20.07.2004).

Способ позволяет получать лигатуры алюминий-тугоплавкий металл за счет распада соответствующего галогенида с образованием алюминида тугоплавкого металла и газообразного экологически вредного галогенида алюминия. Кроме того, при получении таким способом лигатур Al-Ti, Al-Zr образующиеся в них алюминиды титана и циркония не позволяют обеспечить высокую модифицирующую способность этих лигатур, поскольку тетрагональный тип их решеток, на которых зарождается матрица алюминиевых сплавов, совмещается с ее гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой только отдельными плоскостями.

Известен способ получения лигатур для производства алюминиевых сплавов, принятый за прототип, включающий плавление алюминия, смешивание порошка алюминия и переходного металла (титан, цирконий, ванадий, хром и др.) в стехиометрическом соотношении, брикетирование полученной экзотермической смеси и введение ее в расплав алюминия при температуре 800-850°С для образования интерметаллидов, перемешивание и кристаллизацию расплава в литейной форме (а.с. СССР 1759930, МПК С22С 1/03, 1/04, опубл. 07.09.1992).

Недостатками способа являются:

- недостаточно высокая модифицирующая способность лигатур, обусловленная тем, что алюминиды, образующиеся при кристаллизации лигатур Al-Ti, Al-Zr, имеют тетрагональные решетки DO22 и DO23, которые имеют соответствие с ГЦК матрицы модифицируемых этими лигатурами алюминиевых сплавов лишь отдельными кристаллографическими плоскостями;

- недостаточно равномерное распределение в расплаве образующихся при протекании экзотермических реакций алюминидов переходных элементов;

- сложность осуществления, обусловленная приготовлением и брикетированием порошковых материалов алюминия и переходного металла.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение модифицирующей способности лигатуры за счет образования комплексных метастабильных алюминидов, имеющих ГЦК решетку структурного типа L12, совпадающую с ГЦК решеткой матрицы алюминиевых сплавов, и равномерного распределения в лигатурном сплаве комплексных алюминидов, не превышающих по размеру 10-15 мкм.

Указанный результат достигается в способе получения лигатуры алюминий-титан-цирконий, включающем плавление материала, содержащего алюминий и переходный металл, перемешивание расплава и кристаллизацию, согласно изобретению в качестве материала, содержащего алюминий и переходный металл, используют лигатурные сплавы алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании в расплаве отношения по массе титана к цирконию 0,15-1,5, расплав нагревают до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса, на расплав воздействуют низкочастотными колебаниями для измельчения и равномерного распределения алюминидов и проводят кристаллизацию расплава со скоростью 103-104 град/с. При этом воздействие низкочастотными колебаниями на расплав осуществляют не менее 1 минуты.

Лигатура, используемая для модифицирования алюминиевых сплавов, должна, не меняя существенно состава сплава, измельчать его зерно и структурные составляющие, улучшать прочностные и пластичные свойства. Модифицирующая способность алюминиевой лигатуры с двумя переходными элементами (титан и цирконий) определяется сходством структурных типов ГЦК решеток комплексного алюминида (зародышеобразующей фазы) и матрицы модифицируемых этими лигатурами алюминиевых сплавов, размерным соответствием этих решеток (чем оно ближе, тем выше эффект модифицирования), количеством добавляемой лигатуры, обеспечивающим выделение комплексных алюминидов, их дисперсностью и равномерным распределением в лигатуре.

Таким образом, чем ближе структурное и размерное соответствие решеток, тем выше эффект модифицирования. Это соответствие обеспечивается заявляемым соотношением в лигатуре титана и циркония, условиями нагрева и кристаллизации расплава, при которых образуются комплексные метастабильные алюминиды, имеющие ГЦК решетку структурного тип L12, совпадающую с ГЦК решеткой структурного типа А1 алюминиевой матрицы всеми плоскостями.

При использовании в качестве материала, содержащего алюминий и переходный металл, лигатурных сплавов алюминий-титан и алюминий-цирконий, при поддержании в расплаве отношения по массе титана к цирконию 0,15-1,5 и нагреве расплава на 160-300°С выше температуры ликвидуса образуются комплексные метастабильные алюминиды Al3(ZrxTi1-x), имеющие ГЦК решетку структурного типа L12.

При нагреве расплава до температуры, превышающей температуру ликвидуса меньше чем на 160°С, комплексные метастабильные алюминиды с ГЦК решеткой не образуются. С увеличением перегрева выше температуры ликвидуса на 160-300°С в расплаве образуются метастабильные алюминиды Al3(ZrxTi1-x) с ГЦК решеткой структурного типа L12. При дальнейших перегревах алюминиды начинают растворяться, образуя твердые растворы Aln(ZixTi1-x), кроме того, при высоких перегревах расплава над ликвидусом за счет испарения возрастают потери матричного металла, увеличивается содержание газов и оксидных пленок, что ухудшает качество лигатуры, и возрастают энергозатраты.

Воздействие на расплав низкочастотными колебаниями позволяет обеспечить дисперсность алюминидов и их равномерное распределение в лигатуре. Чем мельче алюминиды и равномернее их распределение, тем быстрее будет протекать процесс растворения лигатуры в модифицируемом расплаве. Дальнейшее проведение кристаллизации полученного расплава со скоростью 103-104 град/с позволит сохранить метастабильную форму выделения алюминидов Al3(ZrxTi1-x).

Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий включает плавление бинарных лигатурных сплавов алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании отношения по массе титана к цирконию от 0,15 до 1,5, нагрев расплава до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса, перемешивание расплава, воздействие на расплав низкочастотными колебаниями для равномерного распределения алюминидов не менее 1 минуты и проведение кристаллизации расплава со скоростью 103-104 град/с.

Заявленный способ испытан в лабораторных условиях. Сплавы готовили в графитовых тиглях в печи угольного сопротивления в атмосфере аргона. Исходными материалами для приготовления лигатурных сплавов были промышленные лигатуры Al - 2% Zr (температура ликвидуса ~ 960°С) и Al - 3% Ti (температура ликвидуса ~ 970°С).

Пример 1. Получение лигатуры Al - 0,27% Ti - 1,82% Zr (температура ликвидуса ~ 950°С). Приготовили две навески: 10 г лигатуры Al - 3% Ti и 100 г лигатуры Al - 2% Zr (массовое отношение титана к цирконию 0,15). Разогрели печь до температуры 1200°С, поставили в нее графитовый тигель, включили промывку аргоном и загрузили обе навески в тигель. После расплавления навесок расплав перемешали и ввели в него графитовый поршень-излучатель, с помощью которого воздействовали на расплав низкочастотными колебаниями в течение 1 минуты в режиме интенсивного перемешивания при 1200°С, что выше температуры ликвидуса на ~ 250°С. Вывели из тигля поршень-излучатель, достали тигель и залили полученный расплав в подогретую плоскую графитовую форму, скорость кристаллизации в которых составляет 103 град/с. Металлографический и рентгеноспектральный микроанализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Al3(Zr0.85Ti0.15) с ГЦК решеткой L12, в которых титан замещает 16% циркония. По данным рентгенофазового анализа параметр решетки алюминидов равен 0,4065 (2) нм, что близко к параметру решетки чистого алюминия (0,4050 нм).

Пример 2. Получение лигатуры Al - 1,23% Ti - 1,18% Zr (температура ликвидуса ~ 890°С). Приготовили две навески: 70 г лигатуры Al - 3% Ti и 100 г лигатуры Al - 2% Zr (отношение массы титана к цирконию 1,04). Далее по условиям примера 1 нагрев расплава осуществляли до температуры 1050°С, что выше температуры ликвидуса ~ на 160°С, кристаллизацию расплава вели со скоростью ~ 104 град/с. В лигатуре образовались алюминиды Al3(Zr0.40Ti0.60) с ГЦК решеткой структурного типа L12, в которых цирконий замещает ~ 40% титана, а параметр решетки алюминидов составляет 0,4006 (2) нм.

Пример 3. Получение лигатуры Al - 1,5% Ti - 1,0% Zr (температура ликвидуса ~ 900°С). Приготовили две навески: 100 г лигатуры Al - 3% Ti и 100 г лигатуры Al - 2% Zr (отношение массы титана к цирконию 1,5). Далее по условиям примера 1 нагрев расплава осуществляли до температуры 1200°С, что выше температуры ликвидуса на ~ 300°С, кристаллизацию расплава вели со скоростью ~ 104 град/с. При отношениях титана к цирконию от 1,0 до 1,5 количество титана замещающего цирконий в алюминидах изменяется незначительно. В лигатуре Al - 1,5% Ti - 1,0% Zr образовались алюминиды состава Al3(Zr0.35Ti0.65) с ГЦК решеткой структурного типа L12 и параметром решетки 0,4001 (6) нм.

Металлографический анализ сплавов проводили с помощью инвертированного микроскопа GX-57 (OLYMPUS) при увеличениях от 50 до 1500, а также сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EVO 40. Приставку для рентгеноспектрального микроанализа INCA X-Act фирмы «Oxford Instruments» использовали для определения химического состава матрицы и алюминидов. Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли на дифрактометре XRD-7000 фирмы Shimadzu с программным обеспечением.

Рентгенофазовый анализ лигатур Al-Ti-Zr в диапазоне углов 20, составляющем 18-85 град, с шагом 0,02 и временем выдержки на каждой точке 5 сек показал, что на дифрактограммах, наряду с основными пиками алюминиевой матрицы, имеются слабые пики, соответствующие рефлексам метастабильной фазы комплексных алюминидов с ГЦК решеткой структурного типа L12. С увеличением перегрева размеры алюминидов уменьшаются, а с применением обработки низкочастотными колебаниями не только уменьшаются размеры, но и становится однородным их распределение в объеме сплава.

При легировании сплава Al - 4% Cu применение заявленной лигатуры алюминий-титан-цирконий (состава Al - 0,27% Ti - 1,82% Zr) с ГЦК решеткой L12 комплексных алюминидов обеспечивает значительное повышение показателей твердости сплавов по сравнению с традиционно используемыми лигатурами алюминий-титан (с тетрагональной решеткой DO22 алюминидов титана) или алюминий-цирконий (с тетрагональной решеткой DO23 алюминидов циркония). Показатели твердости сплавов в процессе старения при 150°С приведены в таблице.

Тип обработки Твердость сплавов, МПа Al - 4% Cu Al - 4% Cu - 0,6% Zr Al - 4% Cu - 0,6% Ti Al - 4% Cu - 0,6% (Zr+Ti) Литой сплав до отжига 475 446 455 496 Отжиг 5 час при 530°С с закалкой в воде 530 595 624 724 Старение при 150°С через 2 час 519 568 671 977 через 5 час 624 624 724 1250 через 14 час 595 977 849 1069 через 19 час 639 872 897 1211

Похожие патенты RU2518041C2

название год авторы номер документа
Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний 2021
  • Гилёв Иван Олегович
RU2788136C1
Способ получения лигатуры с алюминидами никеля и РЗМ для модифицирования алюминиевых сплавов 2020
  • Ри Эрнст Хосенович
  • Ри Хосен
  • Ким Евгений Давидович
  • Гончаров Алексей Васильевич
  • Славинская Надежда Александровна
RU2732809C1
МОДИФИЦИРУЮЩИЙ ЛИГАТУРНЫЙ ПРУТОК Ai-Sc-Zr 2012
  • Савинов Виталий Иванович
  • Милашенко Валентина Александровна
RU2497971C1
ТЕРМОСТОЙКИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО ПОЛУФАБРИКАТА ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2013
  • Гречников Федор Васильевич
  • Попов Игорь Петрович
  • Гольдбухт Галина Ефимовна
  • Бибиков Алексей Михайлович
  • Журавель Леонид Васильевич
  • Живодеров Виктор Макарьевич
RU2556179C2
ТЕПЛОПРОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2014
  • Гречников Федор Васильевич
  • Попов Игорь Петрович
  • Гольдбухт Галина Ефимовна
  • Демьяненко Елена Геннадьевна
  • Бибиков Алексей Михайлович
RU2573463C1
Способ модифицирования алюминия и его сплавов 2017
  • Куликов Борис Петрович
  • Баранов Владимир Николаевич
  • Поляков Петр Васильевич
  • Железняк Виктор Евгеньевич
  • Фролов Виктор Федорович
  • Мотков Михаил Михайлович
RU2674553C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ НЕГО ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ 2015
  • Белов Николай Александрович
  • Цыденов Андрей Геннадьевич
  • Алабин Александр Николаевич
RU2590403C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СЛИТКОВ ИЗ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ 2011
  • Эскин Георгий Иосифович
  • Бочвар Сергей Георгиевич
  • Конкевич Валентин Юрьевич
  • Лебедева Татьяна Ивановна
  • Ялфимов Владимир Игнатьевич
RU2455380C1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2017
  • Манн Виктор Христьянович
  • Крохин Александр Юрьевич
  • Алабин Александр Николаевич
  • Хромов Александр Петрович
RU2683399C1
Способ получения слитков из алюмоматричного композиционного сплава 2018
  • Белов Николай Александрович
  • Акопян Торгом Кароевич
  • Мишуров Сергей Сергеевич
RU2697683C1

Реферат патента 2014 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТИТАН-ЦИРКОНИЙ

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия, и может быть использовано при получении лигатуры алюминий-титан-цирконий, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов. Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий включает плавление бинарных лигатурных сплавов алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании отношения по массе титана к цирконию от 0,15 до 1,5, нагрев расплава до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса, перемешивание расплава, воздействие на расплав низкочастотными колебаниями для равномерного распределения алюминидов не менее 1 минуты и проведение кристаллизации расплава со скоростью 103-104 град/с. Техническим результатом изобретения является повышение модифицирующей способности лигатуры за счет образования комплексных метастабильных алюминидов с решеткой, совпадающей с решеткой матрицы модифицируемых алюминиевых сплавов, и их равномерного распределения в сплаве лигатуры. 1 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 518 041 C2

1. Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий для модифицирования алюминиевых сплавов, включающий плавление материала, содержащего алюминий и переходный металл, перемешивание расплава и кристаллизацию, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего алюминий и переходный металл, используют лигатурные сплавы алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании в расплаве отношения по массе титана к цирконию 0,15-1,5, расплав нагревают до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса и после перемешивания на расплав воздействуют низкочастотными колебаниями для равномерного распределения образовавшихся алюминидов, а кристаллизацию расплава проводят со скоростью 103-104 град/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на расплав низкочастотными колебаниями осуществляют не менее 1 минуты.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2518041C2

Способ получения лигатур для производства алюминиевых сплавов 1990
  • Никитин Владимир Иванович
  • Хмелевских Александр Иванович
  • Амосов Александр Петрович
  • Мержанов Александр Григорьевич
  • Скиба Людмила Борисовна
SU1759930A1
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТУГОПЛАВКИЙ МЕТАЛЛ 2003
  • Знаменский Л.Г.
RU2232827C1
WO 1994017217 A1, 04.08.1994
CN 102312112 A, 11.01.2012
CN 102031404 B, 04.07.2012

RU 2 518 041 C2

Авторы

Попова Эльвира Алексеевна

Котенков Павел Валерьевич

Пастухов Эдуард Андреевич

Бодрова Людмила Ефимовна

Даты

2014-06-10Публикация

2012-07-05Подача