СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТИТАН
METHOD OF OBTAINING LIGATURE OF ALUMINIUM-TITANIUM

3
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 TiAl, 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.
3
Следует также отметить, что в описании этих способов не упоминаются размеры получаемых в лигатуре алюминий-титан зародышеобразующих частиц алюминида титана TiAl, 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.
3
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 TiAl 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.
3
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 TiAl.
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.
5
Способ изготовления модифицирующих прутков, содержащих нанопорошки химических соединений, и технология их применения запатентован [А.с. СССР 831840 A1, МПК 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.
3
Полученные результаты показали (Таблица), что с увеличением количества вводимого в расплавленную лигатуру Al-4,34% Ti нанопорошка нитрида тантала TaN длина частиц интерметаллического соединения TiAl уменьшается, а при введении этой лигатуры в жидкий алюминий A99 соответственно уменьшаются размеры макрозерна отливаемых из этого алюминия проб.