СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ АЛЮМИНИЙ-ТИТАН-ЦИРКОНИЙ
PRODUCTION OF FOUNDRY ALLOY ALUMINIUM-TITANIUM-ZIRCONIUM

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.
3
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. 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:
22
23
- недостаточно высокая модифицирующая способность лигатур, обусловленная тем, что алюминиды, образующиеся при кристаллизации лигатур Al-Ti, Al-Zr, имеют тетрагональные решетки DO и DO, 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.
2
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение модифицирующей способности лигатуры за счет образования комплексных метастабильных алюминидов, имеющих ГЦК решетку структурного типа L1, совпадающую с ГЦК решеткой матрицы алюминиевых сплавов, и равномерного распределения в лигатурном сплаве комплексных алюминидов, не превышающих по размеру 10-15 мкм.
3
4
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 10-10 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.
2
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 L1, совпадающую с ГЦК решеткой структурного типа А1 алюминиевой матрицы всеми плоскостями.
3
x
1-x
2
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(ZrTi), имеющие ГЦК решетку структурного типа L1.
3
x
1-x
2
n
x
1-x
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 Al(ZrTi) с ГЦК решеткой структурного типа L1. При дальнейших перегревах алюминиды начинают растворяться, образуя твердые растворы Al(ZiTi), 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.
3
4
3
x
1-x
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 10-10 град/с позволит сохранить метастабильную форму выделения алюминидов Al(ZrTi).
3
4
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 10-10 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).
3
3
0.85
0.15
2
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 10 град/с. Металлографический и рентгеноспектральный микроанализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Al(ZrTi) с ГЦК решеткой L1, 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).
4
3
0.40
0.60
2
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 ~ 10 град/с. В лигатуре образовались алюминиды Al(ZrTi) с ГЦК решеткой структурного типа L1, в которых цирконий замещает ~ 40% титана, а параметр решетки алюминидов составляет 0,4006 (2) нм.
4
3
0.35
0.65
2
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 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 Al(ZrTi) с ГЦК решеткой структурного типа L1 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.
2
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 L1. 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.
2
22
23
При легировании сплава Al - 4% Cu применение заявленной лигатуры алюминий-титан-цирконий (состава Al - 0,27% Ti - 1,82% Zr) с ГЦК решеткой L1 комплексных алюминидов обеспечивает значительное повышение показателей твердости сплавов по сравнению с традиционно используемыми лигатурами алюминий-титан (с тетрагональной решеткой DO алюминидов титана) или алюминий-цирконий (с тетрагональной решеткой DO алюминидов циркония). Показатели твердости сплавов в процессе старения при 150°С приведены в таблице.
Тип обработки
Твердость сплавов, МПа
Al - 4% Cu
Al - 4% Cu - 0,6% Zr
Al - 4% Cu - 0,6% Ti
Al - 4% Cu - 0,6% (Zr+Ti)
Литой сплав до отжига
475
446
455
496
Отжиг 5 час при 530°С с закалкой в воде
530
595
624
724
Старение при 150°С
через 2 час
519
568
671
977
через 5 час
624
624
724
1250
через 14 час
595
977
849
1069
через 19 час
639
872
897
1211