СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ ИЛИ СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

Изобретение относится к легированию алюминия и сплавов на его основе (как литейных, так и деформируемых), в частности к методам, которые могут быть использованы для введения в сплавы тугоплавких, рассеянных и редких металлов, с целью улучшения свойств (таких как жаростойкость, коррозионная стойкость, свариваемость, механическая прочность и др.), а конкретно легирование алюминия малыми добавками скандия, иттрия, циркония и гафния, с применением алюминотермических методов.

Известен способ введения порошков легирующих металлов в алюминий в определенной последовательности (Патент US №4832911, МПК С22С 1/02; С22С 021/00; С22С 1/026; 1989 год), с применением специального солевого флюса, используя ковш оригинальной конструкции.

Недостатками известного способа являются использование металлических порошков в качестве исходных ингредиентов, так как это усложняет технологический процесс в целом, поскольку возникает необходимость дополнительной операции по получению металлического порошка, и конструктивная сложность, обусловленная необходимостью использования специально сконструированного ковша.

Известен способ инжекционного структурирования (перемешивания) для равномерного распределения титана с одновременным рафинированием алюминиевых сплавов (заявка CN 20101615403, МПК С22С 1/02, С22С 21/00; 2010 год), где в качестве газа продувки применяется очищенный аргон или азот.

Этот способ имеет тот же недостаток, что и в предыдущем способе - применение порошка металла (титана), что усложняет весь технологический процесс, т.к. получение металлических порошков само по себе сложное производство. Для продувки расплавленного алюминия используется аргон или азот, но азот может образовывать прочные нитриды, что тоже является недостатком. И последнее - высокая температура процесса (950°С).

Известен способ легирования алюминия путем введения реакционной смеси в расплав алюминия инжекционным методом. Вводится соль легирующего компонента (например, гексафторцирконата калия - K₂ZrF₆) в виде газопорошковой смеси через сопло погруженной в алюминиевый расплав фурмы в струе высокоскоростного нейтрального газа, автономно подающегося в расплав через соосные отверстия фурмы при давлении не менее 8 атм (прототип) (Патент RU №2294976, МПК С22С 21/00; С22С 1/02; 2007 год).

Известный способ имеет следующие недостатки: во-первых, использование для легирования дорогостоящих солей (гексафторцирконат калия); во-вторых, необходимость держать повышенную температуру для расплавления K₂ZrF₆ (~900°C); в-третьих, применение высокоскоростного газа, автономно подающегося в расплав через соосные отверстия фурм; в-четвертых, необходимость подавать газ под давлением не менее 8 атм; в-пятых, использования специальных сопел.

Таким образом, перед авторами была поставлена задача - разработать простой, универсальный и надежный способ введения малых легирующих или модифицирующих добавок скандия, иттрия, циркония и гафния как индивидуально, так и комплексно в алюминий и сплавы на его основе.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе легирования алюминия или сплавов на его основе, включающем введение в расплав легирующего компонента в составе порошковой смеси путем продувки смеси в струе транспортирующего газа, в котором используют порошковую смесь, состоящую из фторида калия, хлорида калия и фторида алюминия при следующем соотношении компонентов, масс.%:

а в качестве легирующего компонента используют оксид соответствующего металла в количестве 10÷25 масс.% от общей массы порошковой смеси, при этом в качестве транспортирующего газа используют оксид углерода, который подают со скоростью 0,2-20 ндм³/мин и под давлением 0,05-3,5 атм.

При этом в качестве легирующего компонента может быть использован один или несколько оксидов из группы металлов, включающей скандий, иттрий, гафний, цирконий.

Предлагаемый способ позволяет осуществить легирование алюминия и сплавов на его основе скандием, иттрием, цирконием и гафнием с использованием солевого состава из смеси хлорида калия и фторидов калия и алюминия, содержащего оксиды соответствующих металлов путем подачи их в струе транспортирующего газа в расплавленный алюминий. В ходе проведенных исследований авторами установлено, что измельченные смеси этих солей при плавлении растворяют оксиды, образуя сложные комплексные соединения, которые легко взаимодействуют с расплавленным алюминием, легируя его скандием, иттрием, цирконием и гафнием, что позволяет получать сплавы нового поколения (например, такие как 1570, 1975 и др.). После продувки газопорошковой смесью расплава алюминия шлак легко удаляется и готовый продукт можно разливать в изложницы и формы.

Экспериментальные исследования, осуществленные авторами в лабораторных условиях, позволили установить, что предлагаемым способом могут быть получены алюминиевые сплавы с нужным содержанием легирующих добавок: скандия, иттрия, циркония и гафния в различных соотношениях. При этом способе вводимые металлы равномерно распределяются по всему объему сплава, время операции можно значительно сократить относительно известного способа легирования (в два и более раза), используются доступные соли в небольших количествах, при этом часть примесей выводится в шлак. Так, экспериментально установлено снижение содержания натрия на 15%, кремния на 25%, а меди почти на 80%. Авторами экспериментально установлено, что для легирования алюминия допантами в необходимых пределах необходимо в солевой смеси выдерживать концентрации соединений вводимых металлов, с учетом выхода легирующих металлов в сплав при температуре ведения процесса. В случае отклонения концентрации солей восстанавливаемых алюминотермическим методом металлов, не удастся добиться нужных соотношений в сплаве. Так, при содержании в порошковой смеси хлорида калия менее 50 масс.%, а фторида калия более 45 масс.% и фторида алюминия более 10 масс.% наблюдается сгущение флюса, препятствующее протеканию высокотемпературной обменной реакции и отделению шлака от металла. При содержании в порошковой смеси хлорида калия более 65 масс.%, а фторида калия менее 25 масс.% и фторида алюминия менее 5 масс.% наблюдается снижение растворимости оксидов и ухудшение слияния отдельных капель алюминия, застревающих в шлаке. Также существенное влияние на конечный результат оказывает количество оксида в порошковой смеси: содержание оксида менее 10 масс.% ведет к неоправданному увеличению расхода реагентов; содержание оксида более 25 масс.% ведет к образованию вязкой пастообразной консистенции шлака. Соблюдение параметров проведения процесса также является необходимым условием легирования алюминия. При скорости транспортирующего газа более 20 ндм³/мин и его давлении более 3,5 атм наблюдается разбрызгивание металла и шлака в печи; при скорости транспортирующего газа менее 0,2 ндм³/мин и его давлении менее 0,05 атм наблюдается отсутствие барботирования при углублении сопла в расплав.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Предварительно готовят смесь солей (50÷65 масс.% KCl, 25÷45 масс.% KF, 5÷10 масс.% AlF₃): сушат при температуре 150°С, смешивают в указанных выше соотношениях, вводят расчетное количество оксидов легирующей добавки (10-25% от общей массы полученной смеси), измельчают с одновременным перемешиванием и загружают в инжекционную установку (например, такую как НТМ-01-2, выпускаемую ЗАО УРАЛТЕХМАРКЕТ, г. Екатеринбург). Необходимое количество реагентов берется из расчета избытка 5÷20%.

Легируемый алюминий (или сплав на его основе) в необходимом количестве расплавляют в печи любого типа до температуры регламентируемой технологической инструкции для конкретного сплава. Для чистого алюминия - 750÷800°С.

Продувку порошковой смеси в алюминиевый расплав осуществляют углекислым газом при скорости потока 0,2-20 ндм³/мин и давлении 0,05-3,5 атм до тех пор, пока вся порошковая смесь не будет израсходована. Продувку газом ведут еще 0,5-5 минут, после дают отстояться шлаку и преступают к его сливу или разливу металла или другим операциям, предусмотренным регламентом и технологической инструкцией. Полученный продукт аттестуется химическим и структурным анализами.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного исполнения, произведенными в лабораторной муфельной печи «Nobertherm» модели L-9/11/В180 и лабораторной инжекционной установке.

Пример 1. Легирование алюминия скандием.

100 грамм алюминиевых гранул марки А85 загружали в алундовый тигель, засыпали сверху покровным флюсом из смеси KF-KCl (1:2) 9 грамм и помещали тигель в муфельную печь. Алюминий плавили и нагревали до температуры 750°С.

Просушенные при 150°С порошки солей и оксида брали в следующем количестве, г.: 4.55 (65 масс.%) KCl, 1.75 (25 масс.%) KF, 0.7 (10 масс.%) AlF₃, 0.7 (10 масс.% от общей массы порошковой смеси) Sc₂O₃. Порошки солей и оксида смешивали, измельчали в чугунной ступке и просеивали через сито. Подготовленная смесь вдувалась в расплавленный алюминий углекислым газом при давлении 0,05 атм со скоростью 0,2 ндм³/мин. После того как смесь закончилась, около 30 секунд шла продувка расплава углекислым газом, полученный сплав и шлак сливались в чугунную изложницу.

Полученный сплав отмывали в виброванне, просушивали и отбирали усредненную пробу на анализ.

Полученный сплав имел состав: 0.43 масс.% скандия, остальное алюминий.

Пример 2. Легирование алюминия иттрием.

500 грамм алюминиевых гранул марки А85 загружали в алундовый тигель, засыпали сверху покровным флюсом из смеси KF-KCl (1:2) 15 грамм и помещали тигель в муфельную печь. Алюминий плавили и нагревали до температуры 750°С.

Просушенные при 150°С порошки солей и оксида брали в следующем количестве, г.: 20,0 (60,6 масс.%) KCl, 10,0 (30,3 масс.%) KF, 3,0 (9,1 масс.%) AlF₃, 5,0 (15 масс.% от общей массы порошковой смеси) Y₂O₃. Порошки солей и оксида смешивали, измельчали в чугунной ступке и просеивали через сито. Подготовленная смесь вдувалась в расплавленный алюминий углекислым газом при давлении 0,05 атм со скоростью 0,5 ндм³/мин. После того как смесь закончилась, около 30 секунд шла продувка расплава углекислым газом, полученный сплав и шлак сливались в чугунную изложницу.

Полученный сплав отмывали в виброванне, просушивали и отбирали усредненную пробу на анализ.

Полученный сплав имел состав: 0.52 масс.% иттрия, остальное алюминий.

Пример 3. Легирование алюминия скандием и цирконием.

150 грамм алюминиевых гранул марки А85 загружали в алундовый тигель, засыпали сверху покровным флюсом из смеси KF-KCl (1:2) 9 грамм и помещали тигель в муфельную печь. Алюминий плавили и нагревали до температуры 750°С.

Просушенные при 150°С порошки солей и оксида брали в следующем количестве, г.: 5.5 (52,4 масс.%) KCl, 4.0 (38,1 масс.%) KF, 1,0 (9,5 масс.%) AlF₃, 1.5 Sc₂O₃, 0,75 ZrO₂ (Sc₂O₃+ZrO₂ составляют 21 масс.% от общей массы порошковой смеси). Порошки солей и оксида смешивали, измельчали в чугунной ступке и просеивали через сито. Подготовленная смесь вдувалась в расплавленный алюминий углекислым газом при давлении 0,05 атм со скоростью 0,2 ндм³/мин. После того как смесь закончилась, около 30 секунд шла продувка расплава углекислым газом, полученный сплав и шлак сливались в чугунную изложницу.

Полученный сплав отмывали в виброванне, просушивали и отбирали усредненную пробу на анализ.

Полученный сплав имел состав: 0.61 масс.% скандия, 0.35 масс.% циркония, остальное алюминий.

Пример 4. Легирование алюминия скандием, цирконием и гафнием.

200 грамм алюминиевых гранул марки А85 загружали в алундовый тигель, засыпали сверху покровным флюсом из смеси KF-KCl (1:2) 12 грамм и помещали тигель в муфельную печь. Алюминий плавили и нагревали до температуры 750°С.

Просушенные при 150°С порошки солей и оксида брали в следующем количестве, г.: 6,5 (50 масс.%) KCl, 5,85 (45 масс.%) KF, 0,65 (5 масс.%) AlF₃, 1.25 Sc₂O₃, 1,0 ZrO₂, 1,0 HfO₂ (Sc₂O₃+ZrO₂+HfO₂ составляют 25 масс.% от общей массы порошковой смеси). Порошки солей и оксида смешивали, измельчали в чугунной ступке и просеивали через сито. Подготовленная смесь вдувалась в расплавленный алюминий углекислым газом при давлении 0,05 атм со скоростью 0,2 ндм³/мин. После того как смесь закончилась, около 30 секунд шла продувка расплава углекислым газом, полученный сплав и шлак сливались в чугунную изложницу.

Полученный сплав отмывали в виброванне, просушивали и отбирали усредненную пробу на анализ.

Полученный сплав имел состав: 0.37 масс.% скандия, 0.33 масс.% циркония, 0.37 масс.% гафния, остальное алюминий.

Итак, предлагаемый способ легирования алюминия или сплавов на его основе по сравнению с известным способом имеет следующие преимущества:

1. Используются дешевые, легко доступные соединения (оксиды) легирующих металлов.

2. Сокращение времени операции по растворению легирующих компонентов.

3. Невысокие температуры ведения процесса (750°С).

4. Не нужно создавать избыточно высокое давление транспортирующего газа.

5. Использование легкодоступного углекислого газа.