Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТИТАН

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии приготовления модифицирующих лигатур, которые применяются при приготовлении алюминиевых сплавов с целью измельчения структуры отливаемых из них изделий. При этом одной из широко применяющихся для этой цели лигатур, является лигатура алюминий-титан, модифицирующим компонентом которой являются частицы интерметаллического соединения алюминида титана TiAl₃, выполняющие роль центров кристаллизации и которые образуются в результате взаимодействия с жидким алюминием вводимых в него при приготовлении лигатуры либо титана, либо соединений содержащих титан [Напалков В.И., Бондарев Б.И., Тарарышкин В.И. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 160 с.].

И, как показало изучение ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные», из 39-ти представленных в нем сплавов, в 23-х из них титан содержится в пределах 0,05…0,35 масс. %, а из 63 сплавов, представленных в ГОСТ 4784-97 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые», в 47-ми из них титан содержится в пределах 0,02…0,2 масс. %. Практически такие же количества титана содержатся в алюминиевых сплавах, приведенных в международной спецификации алюминиевых сплавов [International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys // The Aluminum Association. - 2009. 37 p.], в которой представлены сплавы 21 страны (от Австрии до Японии, включая Россию).

Известен способ приготовления лигатуры алюминий-титан [Бондарев Б.И., Напалков В.И., Тарарышкин В.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. М.: Металлургия, 1979. - 224 с.] путем введения титановой стружки или титановой губки в жидкий алюминий при температуре расплава 1000…1200°C.

Недостатком такого способа является насыщение лигатуры газами, в результате чего при ее введении в расплав в литых изделиях образуется газовая пористость, что снижает их качество (понижаются механические свойства и герметичность).

Известен способ приготовления лигатуры алюминий-титан в результате алюмотермического восстановления оксида титана в присутствии бифторида щелочного металла (натрия или калия) и хлорида калия в качестве флюса [Patent US 2,955,935. 7 Claims. (C1. 75-135). Filed Nov. 21, 1956, Ser. No 623,524. Manufacture of Aluminium Titanium Alloys / Robert V. Horrigan, Leviston. United States Patent Office. Patented Oct. 11, 1960.].

Известен также способ приготовления лигатуры алюминий-титан [Патент РФ №2477759 C1, C22C 35/00 C22C 1/02 / С.В. Махов. В.И. Москвитин, Д.А. Попов, Г.А. Козловский. Бюл. 2013. №8], включающий алюмотермическое восстановление титана из фторида титана в среде расплавленных хлорида калия и фторида натрия при температуре 850…1150°C с последующей разливкой в слитки.

К недостатку обоих приведенных выше способов приготовления лигатуры алюминий-титан (Patent US 2,955,935 и Патент РФ №2477759) является применение хлоридов и фторидов, которые обладают высокой гигроскопичностью, что ведет к насыщению лигатуры алюминий-титан газами, и что впоследствии ведет к образованию пористости в литых изделиях при использовании такой лигатуры.

Кроме того, хлориды и фториды взаимодействуют с материалом плавильных емкостей, в которых готовится лигатура алюминий-титан, что ведет к ее загрязнению продуктами этого взаимодействия, а, следовательно, и к загрязнению ими литых изделий.

Следует также отметить, что в описании этих способов не упоминаются размеры получаемых в лигатуре алюминий-титан зародышеобразующих частиц алюминида титана TiAl₃, что должно являться главной ее характеристикой.

Известен способ приготовления алюминиево-титановой лигатуры, принятый за прототип [Патент РФ №2430177 C1, МПК C22С 1/03 / Г.Г. Крушенко. Бюл. 2011, №27], согласно которому поставляемую с металлургических предприятий алюминиево-титановую лигатуру в виде слитков, предварительное изучение микроструктуры которых показало, что они поражены газовой пористостью 2…3 балла по шкале ВИАМ, переплавляют в вакуумной индукционной высокочастотной печи при 1100-1200°C и разрежении 0,799-1,066 Па с последующей ее разливкой в изложницы слоем 15-20 мм без снятия вакуума.

Недостаток указанного способа заключается в том, что при заливке переплавленной лигатуры в изложницы с высокой температуры, которая составляет 1100-1200°C, затвердевание слитка происходит достаточно долго, в связи с чем в его объеме формируются частицы интерметаллического соединения алюминида титана TiAl₃ с достаточно крупными и с отличающимися размерами, что влияет и на структуру литых изделий, отливаемых из модифицированного такой лигатурой сплава.

Другой недостаток заключается в том, что при заливке лигатуры в изложницы получаются горизонтальные слитки с неоднородной толщиной, что затрудняет соблюдение точного весового дозирования лигатуры.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа приготовления алюминиево-титановой лигатуры, при реализации которого будут получены слитки с уменьшенными размерами частиц интерметаллического соединения алюминида титана TiAl₃.

Поставленная цель достигается тем, что в расплавленную по описанному в Патенте РФ №2430177 способу алюминиево-титановую лигатуру вводится нанопорошок нитрида тантала TaN, размеры частиц которого не превышают 100 нанометров, с помощью прутка, отпрессованного из композиции, состоящей из частиц алюминия и нанопорошка нитрида тантала TaN, которые выполняют роль модифицирующих агентов.

Способ изготовления модифицирующих прутков, содержащих нанопорошки химических соединений, и технология их применения запатентован [А.с. СССР 831840 A1, МПК⁵ C22C 1/06. Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа / Г.Г. Крушенко, Ю.М. Мусохранов, И.С. Ямских, А.А. Корнилов и др. - Бюл. 1981, №19], и его применение показало высокий эффект измельчения структуры получаемых в производственных условиях фасонных отливок и слитков из целого ряда алюминиевых сплавов.

Пример

Поставляемые с металлургического предприятия плоские слитки алюминиево-титановой лигатуры состава Al-4,34% Ti расплавляли в вакуумной индукционной высокочастотной печи при разрежении 0,799-1,066 Па, доводили температуру расплава до 1100-1200°C и вводили в него нанопорошок нитрида тантала TaN, который содержался в объеме прутка, отпрессованного из частиц алюминия и нитрида тантала TaN, с последующей разливкой лигатуры в изложницы без снятия вакуума.

Тестирование полученной лигатуры производили путем ее введения в расплавленный алюминий высокой чистоты марки A99, который вследствие малого содержания в нем примесей (не более 0,01 масс. %) кристаллизуется с образованием крупнокристаллической структуры, с последующей отливкой из него проб диаметром 60 мм и высотой 120 мм. После затвердевания проб на подготовленных на их поперечных сечениях шлифах оценивали степень измельчения (модифицирования) зерновой структуры путем деления площади сечения пробы на количество находящихся на нем кристаллов.

Полученные результаты показали (Таблица), что с увеличением количества вводимого в расплавленную лигатуру Al-4,34% Ti нанопорошка нитрида тантала TaN длина частиц интерметаллического соединения TiAl₃ уменьшается, а при введении этой лигатуры в жидкий алюминий A99 соответственно уменьшаются размеры макрозерна отливаемых из этого алюминия проб.