способ получения сплавов ниобия

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ НИОБИЯ, включающий приготовление смеси хлоридов легирующих элементов и хлоридов ниобия, магниетермическое восстановление с получением реакционной массы, ее вакуумую сепарацию при нагреве до 1000^oС для отделения хлористого магния и магния от сплава с последующим охлаждением аппарата сепарации в атмосфере инертного газа и демонтажем, отличающийся тем, что перед восстановлением смесь хлоридов подвергают выдержке под давлением 0,1 - 2,0 МПа в течение 0,5 - 9,5 ч при температуре на 10 - 50^oС выше температуры плавления смеси, восстановление проводят со степенью использования магния 20 - 55%, а перед демонтажем аппарата сепарации проводят обработку в течение 0,3 - 1,0 ч и смесью инертного газа с воздухом для пассивации дисперсных возгонов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вакуумную сепарацию ведут в присутствии геттера при соотношении реакционной массы к геттеру 1 : 1 - 1 : 5 мас.ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии тугоплавких металлов, в частности к магниетермическому производству ниобиевых сплавов.

Известен способ получения сплавов тугоплавких металлов путем многократной переплавки компонентов сплава [1]. Однако способ не позволяет получить сплав высокого качества, т.к. при многократном плавлении он загрязняется кислородом, азотом и компонентами материала плавильного оборудования. При этом стоимость, например, титан-ниобиевого сплава возрастает в 3-5 раз. Известен способ получения сплава титана с тугоплавким металлом методом металлотермического восстановления [2]. Однако названный способ не нашел промышленного применения. Получаемые в промышленности титановые сплавы с тугоплавкими металлами содержали примеси, мас.%: кислорода от 0,05 до 0,20; азота 0,05; железа от 0,25 до 0,30 (Петрунько А.Н., Олесов Ю.Г., Дрозденко В. А. Титан в новой технике. М.: Металлургия, 1979, с. 24).

Прототипом изобретения является способ получения титанового сплава методом магниетермического восстановления [3]. Этот способ включает получение смеси хлоридов легирующих элементов с тетрахлоридом титана при 125-135^оС при перемешивании, восстановление смеси хлоридов тугоплавких металлов магнием при 750-850^оС, получение реакционной массы сплава, помещение ее в аппарат сепарации, установку аппарата в печь, вакуумирование до (1-2)х10^-3 мм рт.ст., нагрев до 1000^оС, разделение хлористого магния и магния от сплава в условиях высокотемпературной выдержки под вакуумом с последующим охлаждением в атмосфере инертного газа, демонтаж аппарата сепарации и переплав титанового сплава. Процесс, проведенный подобным образом, позволяет получить сплав, содержащий примеси, мас.%: кислород 0,20, азот 0,030, железо 0,15, никель 0,27.

Таким образом, изложенный известный способ не позволяет получить титановый сплав высокого качества по примесям кислорода, азота, железа, никеля. Вскрытие такого аппарата сепарации приводит к возгоранию дисперсных возгонов, что опасно для обслуживающего персонала и загрязняет сплав продуктами окисления дисперсных возгонов. Кроме того, содержание легирующего компонента в реакционной массе неодинаково, что снижает качество получаемого сплава.

Цель изобретения - повышение качества ниобиевых сплавов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения сплавов ниобия, включающего приготовление смеси хлоридов легирующих элементов и хлоридов ниобия, магниетермическое восстановление с получением реакционной массы, ее вакуумную сепарацию при нагреве до 1000^оС для отделения хлористого магния и магния от сплава с последующим охлаждением аппарата сепарации в атмосфере инертного газа и демонтажем, смесь хлоридов подвергают выдержке под давлением 0,1-0,2 МПа в течение 0,5-9,5 ч при температуре на 10-50^оС выше температуры плавления смеси, восстановление проводят со степенью использования магния 20-55%. Перед демонтажем аппарата сепарации проводят обработку в течение 0,3-1,0 ч смесью инертного газа с воздухом для пассивации дисперсных возгонов. Вакуумную сепарацию ведут в присутствии геттера при соотношении реакционной массы к геттеру как 1:1-1:5 мас.ч.

Повышение качества ниобиевых сплавов достигается путем повышения однородности исходной смеси хлоридов ниобия и легирующих компонентов в результате выдержки слоя под давлением 0,1-2,0 МПа в течение 0,5-9,5 ч при температуре на 10-50^оС выше температуры плавления смеси, а также за счет ограничений коэффициента использования магния в пределах 20-55 мас.%. В этом случае получается сплав с одинаковым содержанием легирующего компонента в реакционной массе, т.е. сплав повышенного качества.

Роль геттера (например губчатого титана) заключается в том, что он защищает реакционную массу от вредных примесей, поступающих в ходе процесса с воздухом через неплотности аппарата сепарации, а также из материала реактора. За счет применения геттера снижается содержание вредных примесей кислорода, азота, железа, никеля в сплаве, т.е. повышается качество сплава.

Предотвращение возгорания возгонов магния и низких хлоридов компонентов сплава за счет использования защитной газовой среды в виде смеси аргона с воздухом также способствует снижению примесей кислорода, азота в сплаве ниобия, т.е. способствует повышению его качества.

Способ получения сплавов ниобия реализуется следующим образом.

15 кг пентахлорида ниобия и 15 кг тетрахлорида титана загружают в емкость, в которую подают инертный газ с давлением 0,1 МПа. Смесь разогревают до 180^оС и выдерживают 5 ч в емкости, после чего ее подают в реактор восстановления с расплавленным магнием. Процесс ведут до 20% использования магния при 800^оС. Полученную реакционную массу в количестве 45 кг, содержащую ниобиевы сплав, хлористый магний и магний вместе с геттером (титановая губка - 45 кг) загружают в аппарат вакуумной сепарации, состоящий из реторты с реакционной массой и геттером, и конденсатора. Аппарат сепарации герметизируют и вакуумируют его до (1-2)х10^-3 мм рт.ст., нагревают до 1000^оС и отделяют от ниобиевого сплава магний и хлорид магния, которые оседают в конденсаторе. По окончании процесса вакуумной сепарации в аппарат подают инертный газ и охлаждают его до 50^оС. Затем аппарат вакуумируют до 0,075 МПа и подают воздух. После чего выдерживают сплав в атмосфере инертного газа с воздухом в течение 0,3 ч и демонтируют аппарат. В результате был получен сплав высокого качества, однородный по составу, мас.%: ниобий 45, титан 55, содержащий примеси, мас.%: кислород 0,05, азот 0,015, железо 0,05, никель 0,04. Количество сплава после переплавления 6 кг.

26,19 кг пентахлорида ниобия и 1,98 кг пентахлорида тантала загружают в емкость, создают давление инертного газа 1,0 МПа, смесь разогревают до 227^оС и выдерживают при этой температуре 1 ч. После чего смесь подают в реактор восстановления, заполненный расплавленным магнием. Процесс ведут при 800^оС до 30% использования магния. Полученную реакционную массу в количестве 46 кг охлаждают и вместе с геттером 92 кг помещают в аппарат вакуумной сепарации, который устанавливают в печь. Аппарат вакуумной сепарации вакуумируют, нагревают до 1000^оС и от сплава ниобия отделяют магний и хлорид магния, которые оседают в конденсаторе. Аппарат заполняют инертным газом, охлаждают до 50^оС, вакуумируют до 0,075 МПа остаточного давления, подают воздух, делают 0,2 ч выдержку и демонтируют аппарат. В результате получают 9,0 кг ниобиевого сплава, содержащего 10 мас.% тантала. Содержание примесей составляет, мас. %: кислород 0,04; азот 0,15; железо 0,05; кремний 0,005; углерод 0,008.

27,78 кг пентахлорида ниобия и 0,49 кг тетрахлорида циркония загружают в сосуд, нагревают под давлением 1,5 МПа до 215^оС и выдерживают в течение 2 ч. После чего смесь хлоридов загружают в реактор восстановления с жидким магнием. Проводят процесс восстановления при 800^оС до 40% использования магния. Полученную охлажденную реакционную массу 47 кг загружают в аппарат вакуумной сепарации с 47 кг геттера. Аппарат герметизируют, устанавливают в печь, вакуумируют и нагревают до 1000^оС и от сплава ниобия отделяют магний и хлорид магния, которые оседают в конденсаторе. Аппарат заполняют инертным газом, охлаждают до 50^оС, вакуумируют до 0,075 МПа остаточного давления, задают воздух, делают выдержку 0,2 ч и демонтируют аппарат. В результате получают ниобиевый сплав 9,1 кг с содержанием циркония 2 мас.%. Примеси в сплаве, мас. % : кислород 0,04; азот 0,01; железо 0,04; кремний 0,002; углерод 0,007.