Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения лигатуры на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для производства алюминиевых лигатур, применяемых для модифицирования сплавов. В частности, для легирования нержавеющих сталей или сплавов на основе никеля обогащенные алюминиевые лигатуры должны содержать не менее 20% редкого металла (ГОСТ 5632-2014 “Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные”; ГОСТ Р 52802-2007 “Сплавы никелевые жаропрочные гранулируемые”). Если для легирования алюминиевых сплавов широко применяется использование «бедных» по вводимому металлу алюминиевых лигатур, то для легирования других, не алюминиевых сплавов излишек алюминия не желателен (алюминий используют в качестве раскислителя сталей и сплавов), поэтому получение обогащенных металлами (Sc, Y, Zr) алюминиевых лигатур является насущной и перспективной задачей.

Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий-иттрий, включающий приготовление флюса, содержащего смесь солей, плавление флюса и сплава на основе алюминия и осуществление высокотемпературной обменной реакции фторида скандия с алюминием в среде расплавленных галогенидов металлов, в котором готовят флюс, содержащий фторид алюминия, фторид скандия, фторид калия, фторид иттрия и хлорид магния, плавление флюса осуществляют со сплавом на основе алюминия, содержащим от 15 до 30% магния, который подают через приемник на пенокерамические фильтры через расплавленные фториды во встречном потоке аргона, выдерживают в тигле и затем разделяют расплав солей на алюминиево-скандиево-иттриевую лигатуру. Содержание скандия в лигатуре 2,08-2,86 с выходом скандия в сплав 83-87%. Содержание иттрия в лигатуре 0,48-1,20 с выходом иттрия в сплав 82-83% (патент RU 2587700; МПК C22C 1/03, C22C 21/00, C22B 9/10, C22B 21/02; 2016год).

Недостатками известного способа являются, во-первых, технологическая сложность, во-вторых, низкое содержание легирующих элементов в лигатуре.

Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий, который включает приготовление и расплавление смеси, содержащей фториды алюминия, фториды натрия и калия, а также расплавленный алюминий, подачу оксида скандия, алюмотермическое восстановление скандия из его оксида при температурах 800-850 °С с получением лигатуры алюминий-скандий и ее выгрузку. При этом содержание скандия в лигатуре составляет 0,4-0,8 масс.% (патент RU, МПК C22C 1/03, 2016 год) (прототип).

Недостатками известного способа являются низкое содержания легирующего элемента в лигатуре.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения алюминиевой лигатуры с высоким содержанием легирующего элемента (≥ масс.%: 20).

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения лигатуры на основе алюминия, включающем приготовление и расплавление смеси, содержащей фторид натрия, фторид калия, соединение редкого металла, и алюминий, алюмотермическое восстановление соответствующего металла из его соединения с последующим отделением осадка, в котором фторид натрия и фторид калия берут в соотношении, равном 1:1, в качестве соединение редкого металла используют оксид или фторид или оксифторид металла, выбранного из группы: скандий, иттрий, цирконий, в количестве 4-10 масс.% от общего, при этом содержание алюминия равно 50-65 масс.% от общего, а после алюмотермического восстановления расплав выдерживают при температуре 725-775^оС в течение 30-40 минут и осуществляют отстойное центрифугирование при частоте вращения 1000-2500 об/мин в течение 10-12 мин.

В настоящее время не известен способе получения лигатуры на основе алюминия, в котором расплав для алюмотермичекого восстановления содержит компоненты в предлагаемых количествах, а после алюмотермического восстановления расплав выдерживают при температуре 725-775^оС в течение 30-40 минут и осуществляют отстойное центрифугирование при частоте вращения 1000-2500 об/мин в течение 10-12 мин.

Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что сформированные в процессе алюмотермического восстановления интерметаллические соединения (Al₃Sc, Al₃Y, Al₃Zr), имеющие повышенную относительно матричного алюминия плотность, при осуществлении отстойного центрифугирования концентрируются в донном осадке, где идет формирование и кристаллизация сплава состоящего в основном из интерметаллических соединений типа Al₃M (где М это Sc, Y или Zr), окруженных матричным алюминием. При этом существенное влияние на содержание легирующего металла в лигатуре оказывают как условия проведения центрифугирования, так и состав исходной смеси. Так, при проведении центрифугирования с частотой вращения менее 1000 об/мин в течение менее 10 мин выделение интерметаллических включений в малую область осадка происходит недостаточно быстро и жидкого состояния недостаточно для оседания крупных частиц, при этом размер мелких осаждаемых частиц составляет не менее 500-400 нм, то есть в этих условиях не возможно осаждение как крупных, так и мелких интерметаллических частиц. Проведение центрифугирования с частотой вращения более 2500 об/мин в течение более 12 мин нецелесообразно, поскольку шлаковые включения могут также в этом случае осаждаться на дно. При уменьшении соотношения фторид натрия к фториду калия менее, чем 1:1, содержания оксида или фторида или оксифторида металла, выбранного из группы: скандий, иттрий, цирконий, в количестве менее 4 масс.% от общего, и при этом содержание алюминия менее, чем 50 масс.% от общего наблюдается снижение производительности и приводит к большему объему оборотных солей и потерь редких металлов. При увеличении соотношения фторид натрия к фториду калия более, чем 1:1, содержания оксида или фторида или оксифторида металла, выбранного из группы: скандий, иттрий, цирконий, в количестве более 10 масс.% от общего, и при этом содержание алюминия более, чем 65 масс.% от общего наблюдается резкое торможение процесса восстановления редких металлов, поэтому компоненты в меньшей степени переходят в сплав.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

В солевой расплав, имеющий соотношение компонентов фторид натрия : фторид калия = 1:1. Вводят оксид или фторид или оксифторид металла, выбранного из группы: скандий, иттрий, цирконий, в количестве 4-10 масс.% от общего, после полного расплавления смеси при температуре 720-780^оС вводят металлический алюминий в количестве 50-65 масс.%, после расплавления алюминия и перемешивания расплав выдерживают в течение 30 минут с последующим удалением солевого расплава (оборотного флюса), полученный продукт после дополнительной выдержки при температуре 725-775^оС в течение 15-20 минут осуществляют отстойное центрифугирование при частоте вращения 1000-2500 об/мин в течение 10-12 мин. Затем после охлаждения и кристаллизации следует отделения донного осадка.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут расплав, содержащий 48,3 г фторида калия и 48,3 г фторида натрия (соотношение 1:1). Вводят 3,4 г оксида скандия (Sc₂O₃), что составляет 4 масс.% от общего, загружают в конический алундовый тигель и помещают в муфельную печь, по достижении температуры 780° С солевой расплав перемешивают и в полученный расплав загружают 100 г гранулированного алюминия, что составляет 50 масс.% от общего. После расплавления алюминия и перемешивания выдерживают расплав в течение 30 минут, после чего расплав солей сливают. Оставшийся продукт выдерживают в печи 15 минут при температуре 725 °С, затем конический алундовый тигель с расплавом помещают в отстойную центрифугу (ОС-6М) и центрифугируют при частоте вращения ротора ω=2500 об/мин в течение 10 минут. После кристаллизации, охлаждения и удаления алюминиевого сплава из тигля по внешней границе (осадок темнее) отделяют донный осадок. Полученный осадок массой 9,8 г содержит 20,3 масс.% скандия.

Пример 2. Берут расплав, содержащий 40,5 г фторида калия и 40,5 г фторида натрия (соотношение 1:1). Вводят 4,3 г фторида иттрия(YF₃), что составляет 5 масс.% от общего, загружают в конический алундовый тигель и помещают в муфельную печь, по достижении температуры 720° С солевой расплав перемешивают и в полученный расплав загружают 100 г гранулированного алюминия, что составляет 54 масс.% от общего. После расплавления алюминия и перемешивания выдерживают расплав в течение 30 минут, после чего расплав солей сливают. Оставшийся продукт выдерживают в печи 20 минут при температуре 775 °С, затем конический алундовый тигель с расплавом помещают в отстойную центрифугу (ОС-6М) и центрифугируют при частоте вращения ротора ω=2000 об/мин в течение 10 минут. После кристаллизации, охлаждения и удаления алюминиевого сплава из тигля по внешней границе (осадок темнее) отделяют донный осадок. Полученный осадок массой5,9 г содержит 30,5 масс.% иттрия.

Пример 3. Берут расплав, содержащий 25 г фторида калия и 25 г фторида натрия (соотношение 1:1). Вводят 9,1 г оксифторида циркония (ZrOF₂), что составляет 10 масс.% от общего, загружают в конический алундовый тигель и помещают в муфельную печь, по достижении температуры 780° С солевой расплав перемешивают и в полученный расплав загружают 100 г гранулированного алюминия, что составляет 65масс.% от общего. После расплавления алюминия и перемешивания выдерживают расплав в течение 30 минут, после чего расплав солей сливают. Оставшийся продукт выдерживают в печи 15 минут при температуре 775 °С, затем конический алундовый тигель с расплавом помещают в отстойную центрифугу (ОС-6М) и центрифугируют при частоте вращения ротора ω=1000 об/мин в течение 10 минут. После кристаллизации, охлаждения и удаления алюминиевого сплава из тигля по внешней границе (осадок темнее) отделяют донный осадок. Полученный осадок массой 11,2 г содержит 43,5 масс.% циркония.

Таким образом, авторами предлагается способ получения лигатуры на основе алюминия с высоким обогащением по легирующему металлу, выбранному из группы: скандий, иттрий, цирконий.