Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДОПОГЛОТИТЕЛЬНЫХ СПЛАВОВ СЛОЖНОГО СОСТАВА

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к получению сплавов, состав которых обеспечивает возможность поглощения и выделения водорода.

Известные сплавы - поглотители водорода изготавливают на основе соединений типа АВ₅, в сосав которых вводят легирующие компоненты. Они находят свое применение в химических источниках тока, электрохимических генераторах, аккумуляторах водорода, тепловых насосах.

Основной технической характеристикой, определяющей качество сплавов, является их рабочая водородоемкость, выражаемая в процентах по массе, которая показывает, какое количество водорода сможет десорбировать сплав в заданном диапазоне давлений при данной температуре. Использование того или иного состава сплава определяет возможность расширения рабочих диапазонов давлений и температуры.

Процесс получения сплавов поглотителей водорода состоит из двух основных операций: сплавления исходных компонентов шихты и кристаллизации слитка. Сплавление проводят, как правило, в индукционных или дуговых печах (Б.В.Линчевский, "Техника металлургического эксперимента", Москва, "Металлургия", 1979 г., с.16).

Индукционные печи для нагрева и плавки могут быть открытыми или закрытыми. При работе с водородопоглотительными сплавами типа АВ₅ плавку ведут в закрытых индукционных печах в атмосфере аргона вследствие высокой окислительной способности входящих в их состав редкоземельных металлов (РЗМ). Источником питания печей служат ламповые или машинные генераторы различной мощности. Шихту сплава помещают в тигель-контейнер, располагаемый внутри индуктора. Количество РЗМ, входящих в шихту, берут с избытком в расчете на угар. Далее печь вакуумируют, заполняют аргоном и проводят сплавление компонентов шихты. В конце плавки выключают ток, сплав сливают в изложницу, где происходит его кристаллизация.

К недостаткам индукционной плавки следует отнести химическое взаимодействие расплава с материалом тигля, что приводит к нарушению химического состава сплава и, как следствие, к понижению рабочей водородоемкости.

Известен способ получения водородопоглотительных сплавов сложного состава в дуговых печах с нерасходуемым электродом. В качестве электрода используют вольфрам. Печи работают в атмосфере нейтрального газа (аргон). Расплавляемый металл (шихту) располагают в охлаждаемой изложнице под электродом. При включении дуги материал плавят, при выключении расплав кристаллизуется, образуя слиток металла (сплава). Операции переплава и кристаллизации проводят несколько раз. В качестве материала изложницы применяют медь (Б.В.Линчевский, "Техника металлургического эксперимента", Москва, "Металлургия", 1979 г., с.21).

При плавке в печах такого типа получают металл однородного химического состава. При этом химическое взаимодействие между материалом изложницы и сплавом отсутствует. Поэтому с точки зрения постоянства чистоты сплавов дуговая плавка обладает преимуществом перед индукционной.

Недостатком традиционного способа является плохая воспроизводимость результатов по водородоемкости сплавов и реализация способа исключительно на малых загрузках исходной шихты.

Техническим результатом заявленного способа получения водородопоглотительных сплавов сложного состава в дуговой печи с нерасходуемым электродом является повышение цикловой производительности за счет увеличения массы выплавляемых слитков и стабильное получение повышенной водородоемкости сплавов.

Это достигается тем, что в способе получения водородопоглотительных сплавов сложного состава, включающем многократное плавление исходных компонентов и кристаллизацию слитка в дуговых печах с охлаждаемой изложницей в атмосфере нейтрального газа, согласно изобретению не менее четырех переплавов проводят с последующей скоростью кристаллизации слитка менее 0,6 мм/сек, а заключительный переплав осуществляют с последующей скоростью кристаллизации более 0,6 мм/сек.

Сущность способа заключается в том, что заявленные режимы кристаллизации при прочих равных условиях (материл, конструкция изложницы и т.д.) на первых переплавах обеспечивают полное сплавление компонентов шихты и химическую однородность сплава, а на заключительном переплаве последующая скорость кристаллизации слитка приводит к получению оптимального фазового состава, необходимой микроструктуры и связанной с ней рабочей водородоемкости.

В настоящее время в литературе отсутствуют данные о влиянии условий кристаллизации слитка на его технические характеристики и, в частности, водородоемкость. Между тем, на стадии кристаллизации слитка формируется необходимая микроструктура и фазовый состав сплава, обеспечивающие его рабочую водородоемкость.

За основную характеристику процесса кристаллизации, которая определяет все остальные параметры процесса получения сплава и в то же время хорошо поддается технологическому контролю и математическому описанию, выбрана скорость кристаллизации слитка, выраженная в мм/сек. Отсутствие информации о подобных исследованиях сопровождается на практике нестабильными, плохо воспроизводимыми результатами или вовсе низкими значениями водородоемкости сплавов.

Обоснование параметров
Заявленные параметры способа получения водородопоглотительных сплавов сложного состава являются оптимальными, поскольку проведение плавки в условиях, при которых последующая скорость кристаллизации свыше 0,6 мм/сек на стадии 1-4 переплавов, будет сопровождаться непроплавами и приведет к химической неоднородности слитка. Таким образом, основная задача 1-4 переплавов - обеспечение химической однородности слитка по его объему.

Кристаллизация слитка после пятого переплава со скоростью менее 0,6 мм/сек приводит к нарушению микроструктуры и фазового состава сплава, а следовательно, к снижению рабочей водородоемкости (см. таблицу). Основная задача этой стадии - получение максимально возможной рабочей водородоемкости сплава.

Необходимо отметить, что слиток, полученный по традиционной технологии с теми же параметрами процесса (материал и конструкция изложницы, параметры дуги и т.д.), имеет меньшую массу и рабочую водородоемкость. Это связано с тем, что неизменная скорость кристаллизации на стадии 1,5 переплавов создает необходимость уменьшить массу выплавляемого слитка, чтобы обеспечить одновременно и химическую однородность, и максимальную водородоемкость сплава.

Применение данного способа плавки, как видно из таблицы, позволяет поднять цикловую производительность в 2,5 раза, то есть обеспечить возможность увеличить в 2,5 раза массу выплавляемого слитка при сохранении его качественных и количественных характеристик. Заявленное изобретение может с тем же техническим результатом быть применим ко всем известным составам сплавов поглотителей водорода.

Пример осуществления способа получения водородопоглотительных сплавов сложного состава
В медную водоохлаждаемую изложницу загружали шихту сплава Mm_0,9La_0,1Ni₄Со. Массу мишметалла и лантана брали с 3%-ным избытком в расчете на угар. Для получения слитка массой 2 кг состав компонентов шихты следующий: мишметалл 600 г, лантан 66 г, никель 1082 г, кобальт 272 г. Далее, печь вакуумировали до давления остаточных газов 0,006 мм рт.ст. и заполняли очищенным аргоном. Первые 4 переплава проводили при условиях, обеспечивающих последующую скорость кристаллизации 0,44 мм/сек (см. таблицу). Средний ток плавки 350 А при U=60 В. После каждого переплава слиток переворачивали. После пятого переплава осуществляли кристаллизацию слитка со скоростью 0,76 мм/сек. После охлаждения сплава печь открывали и выгружали слиток. Рабочая водородоемкость полученного слитка в диапазоне давлений 35-5 ати составила 1,52% по массе.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет на стандартном оборудовании повысить производительность процесса получения водородопоглотительных сплавов типа АВ₅, на основе РЗМ в 2,5 раза и обеспечить получение сплавов с высокими техническими характеристиками, стабильными свойствами для использования в качестве компонентов тепловых насосов, аккумуляторов водорода, химических источников тока.