Способ получения лигатуры с алюминидами никеля и РЗМ для модифицирования алюминиевых сплавов
METHOD OF OBTAINING A LIGATURE WITH ALUMINIDES OF NICKEL AND RARE-EARTH METALS FOR MODIFYING ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия, содержащих алюминиды никеля и РЗМ, предназначенных для модифицирования деформируемых и литейных алюминиевых сплавов соответственно систем Al-Cu и Al-Si.
Известен способ получения лигатуры алюминий-скандий (патент RU №2507291 С22С 1/03). Данный способ получения лигатуры алюминий-скандий включает расплавление алюминия, алюминотермическое восстановление скандия из исходной шихты, содержащей фторид скандия, хлорид калия и фторид натрия под покровным флюсом и последующую выдержку полученного расплава. Перед алюминотермическим восстановлением исходную шихту помещают в тигель и предварительно нагревают до температуры 790°С, а затем вводят в расплавленный алюминий и осуществляют алюминотермическое восстановление при температуре не менее 830°С.
Однако, процесс получения лигатуры достаточно сложен, требует предварительной операции по подогреву шихты, использования фторидов натрия и хлоридов кальция для восстановления в расплаве алюминия скандия из трифторида скандия.
3
Также 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/м (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.
Однако, 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.
Также известен способ приготовления лигатуры Al-Ni-Y-Ce, включающий получение в качестве сырья для замены чистых редкоземельных элементов Y и Се используются алюминиевые сплавы промышленного производства с массовым процентным содержанием Al-25% Y и А1-25% Се (патент КНР 107829048, МПК С22С 1/03, опубл. 23.03.2018). Способ позволяет получать лигатуры Al-Ni-Y-Ce за счет совместного сплавления легкоплавких лигатур.
Однако, при получении таким способом лигатуры Al-Ni-Y-Ce образующиеся в них алюминиды никеля и РЗМ не позволяют обеспечить высокую модифицирующую способность этих лигатур, поскольку полученные интерметаллидные включения имеют стабильную фазу.
3
2
Наиболее близкий к заявленному изобретению можно отнести способ приготовления лигатуры алюминий-титан-бор для модифицирования алюминиевых сплавов типа Al-Si и Al-Cu (патент РФ 2138572, МПК С22С 21/00, 1/03, опубл. 27.09.1999), включающий смешивание предварительно высушенных и просеянных порошков, последовательное, порционное введение их в расплав алюминия, воспламенение, горение смеси и образование целевых дисперсных фаз внутри расплава алюминия, механическое перемешивание расплава и его кристаллизацию в литейной форме, в качестве порошковой композиции используются смеси порошков для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) - алюминия, титана и бора при соотношении мольных частей СВС смесей в соответствии со стехиометрическим составом синтезируемых в расплаве целевых дисперсных фаз согласно уравнениям химических реакций 3Аl+Ti=AlTi+172 кДж; Ti+2 В=TiB+279 кДж.
Недостатками полученной лигатуры Al-Ti-B являются ограниченность использования возврата, а также формирование частиц алюминида титана в форме «иголок», что негативно сказывается на модифицирующем эффекте лигатуры, поскольку наиболее благоприятной является «блочная» форма модифицирующих частиц.
Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение затрат при получении лигатуры с высоким содержанием ультрадисперсных упрочняющих фаз, повышение модифицирующей способности и времени действия (живучести) модификатора.
Поставленная задача достигается получением лигатурного сплава на основе алюминия для модифицирования алюминиевых сплавов системы Al-Si и Al-Cu, включающим приготовление из предварительно высушенных порошков шихты, состоящей из 40 мас.% алюминия и 60 мас.% гранулированного модификатора, содержащего, мас.%: 33 Al, 3,1 Ca, 3,1 Fe, 15, 5 Ce, 7,8 La, 4,8 Nd, 1,4 Pr, Ni – остальное, размещение шихты в тигле и нагрев на воздухе до температуры 900 °С, выдержку в течение 30 мин, нанесение на полученный расплав флюса и проведение через 15 мин дегазации, выдержку в течение 20 мин для получения однородного расплава и разливку в охлажденные изложницы с одновременной кристаллизацией алюминидов РЗМ и Ni.
Таким образом, чем ближе структурное и размерное соответствие решеток, тем выше эффект модифицирования. Это соответствие обеспечивается заявляемым соотношением в лигатуре никеля, лантана, церия, празеодима и неодима, 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.
Пример реализации способа. Готовят шихту следующего состава (масс. %): технический алюминий марки А7 - 40; лигатурный сплав АКЦе - 60. Лигатурный сплав, в виде гранул, просушивают при температуре 300°С для удаления диспергированной воды в течении 3 часов в сушильном шкафу. Общая масса шихты составляет 20 кг. Исходную шихту загружают в отдельный многократно используемый конический тигель из чугуна, покрытый огнеупорной краской. После этого шихту нагревают в атмосфере воздуха до 900°С, выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. На поверхность расплава наносится покровно-рафинирующий флюс «Эвтектика» (для защиты от окисления), через 15 минут проводится дегазация гексахлорэтаном. Далее реакционную ванну выдерживают при заданной температуре (900°С) в течение 20 мин, что обеспечивает полное протекание реакции растворения матрицы лигатуры. В то же время достаточно высокая температура не дает образовываться кристаллам интерметаллидов, сохраняя расплав однородным.
Далее производят разливку металлического расплава в охлаждаемые изложницы. Это обеспечивает отсутствие ликвации и однородную структуру слитка.
По результатам количественного химического анализа содержание элементов в лигатуре (мас. %: 65,84 Аl; 20,67 Ni; 11,52 ΣРЗМ, 1,79 Са; 0,343 Fe).
Таким образом, предлагаемый способ получения лигатуры с алюминидами никеля и РЗМ существенно снижает энергозатраты, материальные затраты на их производство, токсичность процесса приготовления лигатур и увеличивает производительность и модифицирующую способность лигатуры без ее деформационной обработки.