алюминиево-скандиевая лигатура для производства алюминиевых и магниевых сплавов

Формула изобретения

Алюминиево-скандиевая лигатура для производства алюминиевых и магниевых сплавов, полученная в результате алюминотермического восстановления, содержащая алюминий, скандий и фтор в качестве примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит в качестве примесей железо, кремний, медь, марганец, натрий и редкоземельные элементы, при этом суммарное количество примесей в лигатуре составляет не более 0,25 мас. %, и лигатура имеет следующий состав, мас. %:

Скандий - От 0,3 до не более 5

Железо - Не более 0,05

Кремний - Не более 0,05

Медь - Не более 0,01

Марганец - Не более 0,01

Натрий - Не более 0,1

Фтор - Не более 0,01

Сумма редкоземельных элементов - Не более 0,01

Алюминий - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению алюминиево-скандиевых лигатур, которые могут быть использованы в качестве легирующих и модифицирующих добавок в производстве сплавов на основе алюминия и магния.

Известна алюминиево-скандиевая лигатура, полученная в процессе алюмотермического восстановления трифторида скандия в вакууме при температурах 865-930^oС в течение 7-8 мин и при соотношении компонентов в смеси ScF₃:Аl=1: 10 (Г.Н.Звиададзе и др. Изучение кинетики взаимодействия в системе ScF₃:Аl. Всесоюзный симпозиум по химии неорганических фторидов". Тезисы докладов.- М. : Наука, 1978).

Недостатком этой лигатуры является высокое содержанием фтора и сравнительно невысокое содержание скандия. Наличие фтора в лигатуре приводит к низкой степени усвояемости скандия в процессе легирования и модифицирования металлов и сплавов. Кроме того, фтор является нежелательным элементом для ряда сплавов, работающих в агрессивных средах, поскольку он снижает их коррозионную стойкость.

Прототипом предложенного изобретения является алюминиево-скандиевая лигатура, полученная в процессе алюмотермического восстановления трифторида скандия в вакууме в три ступени при температурах от 865 до 1300^oС при соотношении компонентов в шихте ScF₃:Аl от 1:1,6 до 1:8 (SU 873692 А, опублик. 30.11.83).

В этой лигатуры также содержится фтор (от 0,05 до 8,5 мас.%), наличие которого обуславливает уже отмеченные выше недостатки, т.е. низкую степень усвояемости скандия в процессе легирования и модифицирования металлов и сплавов, а также отрицательное действие этого элемента для ряда композиций сплавов, работающих в агрессивных средах, поскольку он снижает их коррозионную стойкость. Кроме того, высокое содержание скандия в лигатуре (в примерах от 5,8 до 34%) обуславливает неоднородность структуры лигатуры.

В изобретении достигается технический результат, заключающийся в повышении качества и улучшении эксплуатационных характеристик алюминиево-скандиевой лигатуры.

Указанный технический результат достигается тем, что алюминиево-скандиевая лигатура для производства алюминиевых и магниевых сплавов, полученная в результате алюминотермического восстановления, содержит алюминий, скандий и фтор в качестве примесей.

Отличие лигатуры заключается в том, что она дополнительно содержит в качестве примесей железо, кремний, медь, марганец, натрий и редкоземельные элементы, при этом суммарное количество примесей в лигатуре составляет не более 0,25 мас.%, и лигатура имеет следующий состав, мас.%:

Sc - от 0,3 до не более 5

Fe - не более 0,05

Si - не более 0,05

Сu - не более 0,01

Mn - не более 0,01

Nа - не более 0,1

F - не более 0,01

Сумма редкоземельных элементов - не более 0,01

Аl - Остальное

Повышение качества и улучшение эксплуатационных характеристик алюминиево-скандиевой лигатуры достигается за счет значительного уменьшения содержания в ней загрязняющих примесей, в том числе фтора, и увеличения однородности структуры путем снижения содержания в ней скандия.

Производство сплавов и изделий из них с высокими эксплуатационными характеристиками в значительной степени определяется видом используемых при производстве лигатур. Особое значение это имеет применительно к металлургии алюминиевых и магниевых сплавов, что обусловлено высокими требованиями к качеству деформируемых полуфабрикатов в связи с ростом требования по надежности и долговечности конструкций, способных работать в условиях повышенных и пониженных температур, резких тепловых ударов и так далее. Качество и поведение изделий из алюминиевых и магниевых сплавов определяется однородностью структуры металла.

Задача измельчения зерен в слитке решается модифицированием сплава.

Эффективным модификатором является скандий. Благодаря разработке технологий попутного извлечения скандия, а также извлечения его из отходов и промпродуктов цветной металлургии стало возможным использование скандия в качестве модификатора при получении алюминиевых и магниевых сплавов и, в частности, в производстве алюминиево-скандиевой лигатуры. Благоприятный комплекс физико-химических свойств делает скандий перспективным легирующим компонентом сплавов цветных металлов. Добавки скандия вводят в алюминий и магний и их сплавы в виде лигатуры.

Скандий взаимодействует с алюминием и магнием по диаграмме эвтектического типа с переменной растворимостью.

Максимальная равновесная растворимость скандия в твердом алюминии около 35%. Скандий склонен к образованию сверхпересыщенных твердых растворов в неравновесном состоянии даже при небольших скоростях кристаллизации.

Образующийся при взаимодействии скандия с алюминием интерметаллид Al₃Sc обладает специфическим свойством: его кристаллическая решетка имеет почти полное размерно-структурное соответствие структурной решетке алюминия. Это сходство решеток лежит в основе его сильнейшего влияния на структуру и свойства алюминиевых и магниевых сплавов.

Благодаря этим свойствам добавка скандия позволяет получать слитки или сварные швы с недендритной структурой, все виды полуфабрикатов с равномерной некристаллизованной структурой и, как следствие этого, повышенным комплексом технологических свойств.

Получение алюминиево-скандиевой лигатуры показано на следующих примерах.

Пример 1.

В миксере на 70 кг расплавленного алюминия при 845^oС наплавляется 4 кг покровного флюса, состоящего из хлорида калия 43 мас.% и хлорида натрия 57 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 4 кг скандийсодержащего флюса состава, мас.%:

Хлорид калия - 80

Фторид натрия - 8

Фторид скандия - 12

После расплавления флюса температура снижается до 790^oС. Расплав выдерживают в течение 20 мин при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают лигатуру Al-Sc следующего состава:

Sc - 0,3

Fe - 0,005

Si - 0,003

Сu - 0,001

Mn - 0,003

Nа - 0,1

F - 0,01

Cумма редкоземельных элементов - 0,001

Аl - Остальное

Пример 2.

В миксере на 1 т расплавленного алюминия при температуре 842^oС наплавляется 0,02 т покровного флюса, состоящего из хлорида калия 45 мас.% и хлорида натрия 55 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 220 кг скандийсодержащего флюса состава, мас.%:

Фторскандиат щелочного или щелочноземельного металла - 35

Хлорид калия - Остальное

После расплавления флюса температура снижается до 785^oС. Расплав выдерживают в течение 25 мин при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают лигатуру Al-Sс следующего состава:

Sc - 2

Fe - 0,02

Si - 0,03

Сu - 0,005

Mn - 0,005

Nа - 0,1

F - 0,01

Сумма редкоземельных элементов - 0,005

Аl - Остальное

Пример 3.

В миксере на 100 кг расплавленного алюминия при температуре 850^oС наплавляется 4 кг покровного флюса, состоящего из хлорида калия 44 мас.% и хлорида натрия 56 мас.%. После расплавления покровного флюса в расплав загружают 120 кг скандийсодержащего флюса состава, мас.%:

Фторскандиат щелочного или щелочноземельного металла - 30

Хлорид калия - Остальное

После расплавления флюса температура снижается до 790^oС. Расплав выдерживают в течение 20 мин при указанной температуре, после чего разогревают до начальной температуры и разливают в слитки.

При выполнении приведенного примера получают лигатуру Al-Sc следующего состава:

Sc - 5%

Fe - 0,05

Si - 0,05

Сu - 0,01

Mn - 0,01

Nа - 0,1

F - 0,01

Сумма редкоземельных элементов - 0,01

Аl - Остальноел