способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий

Классы МПК:C22C1/03 с применением лигатур
C22F3/02 кристаллизацией с применением ультразвука, электрических или магнитных силовых полей 
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-07-05
публикация патента:

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 10 3-104 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

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.

Описание изобретения к патенту

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 Al 3(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 Al n(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(Zr0.40 Ti0.60) 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 ~ 10 4 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% CuAl - 4% Cu - 0,6% ZrAl - 4% Cu - 0,6% Ti Al - 4% Cu - 0,6% (Zr+Ti)
Литой сплав до отжига475 446455496
Отжиг 5 час при 530°С с закалкой в воде530 595624724
Старение при 150°С через 2 час519 568671 977
через 5 час 624624724 1250
через 14 час595977 8491069
через 19 час639 872897 1211

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2518041

patent-2518041.pdf

Класс C22C1/03 с применением лигатур

способ получения модификатора для алюминиевых сплавов -  патент 2528598 (20.09.2014)
способ получения лигатуры алюминий-скандий -  патент 2507291 (20.02.2014)
способ модифицирования сплавов на основе золота -  патент 2507284 (20.02.2014)
способ получения слитков из алюминиевых сплавов с недендритной структурой -  патент 2497966 (10.11.2013)
способ приготовления алюминиевого сплава -  патент 2497965 (10.11.2013)
способ получения серого чугуна -  патент 2489511 (10.08.2013)
способ внепечного модифицирования алюминиевых сплавов -  патент 2486269 (27.06.2013)
лигатура на основе алюминия для легирования металлов и сплавов металлов марганцем, способ получения лигатуры и ее использование -  патент 2464332 (20.10.2012)
способ получения сплава на основе алюминия системы al-pb -  патент 2454472 (27.06.2012)
высокопрочный алюминиевый сплав и способ его получения -  патент 2451097 (20.05.2012)

Класс C22F3/02 кристаллизацией с применением ультразвука, электрических или магнитных силовых полей 

способ получения сплава с нарушенной структурой для аккумуляторов водорода. -  патент 2529339 (27.09.2014)
способ регулирования долговечности изделия из алюминия, работающего в условиях ползучести -  патент 2502825 (27.12.2013)
способ изменения микротвердости изделия из технически чистого алюминия -  патент 2441941 (10.02.2012)
способ управления ползучестью алюминия марки а85 -  патент 2433444 (10.11.2011)
чушка из сплава и способ получения чушек -  патент 2421297 (20.06.2011)
способ обработки жидкой меди наносекундными электромагнитными импульсами (нэми) для повышения ее жаро- и коррозионностойкости -  патент 2355511 (20.05.2009)
способ обработки жидких алюминия и силумина наносекундными электромагнитными импульсами (нэми) для повышения их теплопроводности -  патент 2347643 (27.02.2009)
способ обработки расплавов сплавов -  патент 2344900 (27.01.2009)
способ обработки расплава меди и ее сплавов наносекундными электромагнитными импульсами нэми для повышения их теплопроводности -  патент 2287605 (20.11.2006)
устройство для ультразвуковой обработки расплава легких сплавов -  патент 2186147 (27.07.2002)
Наверх