способ приготовления лигатуры алюминий-титан-бор

Формула изобретения

Способ приготовления лигатуры алюминий-титан-бор, включающий плавление алюминия, введение в расплав смеси порошков титана, алюминия и бора для образования интерметаллидной и тугоплавкой фаз, перемешивание и кристаллизацию, отличающийся тем, что порошки титана и бора смешивают в стехиометрическом соотношении с порошком алюминия для получения экзотермической смеси в вводят ее порциями, причем для приготовления экзотермической смеси используют смесь просеянных порошков губчатого титана и алюминия и порошка аморфного бора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при получении модифицирующих лигатур при приготовлении алюминиевых сплавов (англ. термины Aluminium Master Alloys, Grain Refiner и т.п.) методом введения в расплав алюминия бор- и титансодержащих веществ или составов.

Первые результаты в получении тройной лигатуры Al-Ti-B были получены специалистами голландской фирмы "Кавекки". В патентах N 802701 (Англия), 1957, 395549, 395550 (Швейцария), 1965 сообщается, что для приготовления лигатуры нагревают алюминий до его температуры плавления и добавляют фторборат и фтортитанат щелочных металлов при интенсивном перемешивании расплава. Подобный способ промышленного получения лигатуры алюминий-титан-бор был реализован российскими специалистами (В.И. Напалков, Б.И. Бондарев, B.И. Тарарышкин и др. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. М.: Металлургия, 1983, c. 106). В отличие от способа, разработанного "Кавекки", здесь титан вводился в расплав алюминия в виде стружки или губки. Такая технология приготовления лигатуры обязательно включает введение в расплав значительных количеств флюса - хлорида калия, который покрывает расплав слоем толщиной 60-70 мм.

Наиболее близким аналогом является способ приготовления лигатуры алюминий-титан-бор, включающий плавление алюминия, введение в расплав смеси порошков титана, алюминия и бора для образования интерметаллидной и тугоплавкой фаз, перемешивание и кристаллизацию лигатуры (Бондарев Б.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. М.: Металлургия, 1979, с. 147). Порошковая смесь вводится в расплав под зеркало флюса.

Целью заявляемого изобретения является повышение производительности процесса приготовления тройной лигатуры Al-Ti-B, материал которой после синтеза обладает существенно новыми качествами, а также повышение модифицирующей способности лигатуры за счет снижения размеров интерметаллидной и боридной фаз в чушке. Одновременно снижается степень токсичности процесса приготовления лигатуры за счет исключения использования фторидных бор- и титансодержащих соединений и флюсов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе приготовления тройной лигатуры Al-Ti-B, включающем 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 (CBC) - алюминия, титана и бора при соотношении мольных частей CBC смесей в соответствии со стехиометрическим составом синтезируемых в расплаве целевых дисперсных фаз согласно уравнениям химических реакций

3Al + Ti = Al₃Ti + 172 KJ;

Ti + 2B = TiB2 +279 KJ.

С целью повышения производительности процесса приготовления лигатуры CBC смесь вводится в расплав в порошковом состоянии без предварительного брикетирования. Порции порошковой смеси предварительно фасуются в пакеты из алюминиевой фольги. Момент окончания синтеза целевых фаз определяется по прекращению газовыделения из расплава.

Предварительная сушка исходных элементных порошков необходима для удаления влаги, адсорбированной на их поверхности, что повышает чистоту конечной лигатуры.

Предварительное просеивание смешиваемых порошков алюминия и титана необходимо для усреднения гранулометрического состава, что улучшает однородность материала приготавливаемой лигатуры. При этом важно выбирать размер фракции (дисперность) вводимых порошков, так, чтобы он был минимально возможным. Этим достигается минимальное время прогрева, фазовых превращений и химического реагирования одновременно всех частиц порошковой композиции, вводимой в расплав, что обеспечивает максимально быстрый процесс образования целевых фаз в реакции горения.

Для отличительного существенного признака при воздействии расплава алюминия на предлагаемые CBC-порошковые смеси, характерны следующие свойства.

Использование именно CBC-смесей стехиометрического состава позволяет осуществлять высокотемпературный синтез целевых фаз непосредственно в зоне введения шихты. Температура в зоне экзотермической реакции (существенно превышающая температуры плавления титана и алюминия) обеспечивает высокие скорости образования интерметаллидной и боридной фаз. После завершения экзотермической реакции горения температура в зоне ввода резко снижается и происходит быстрая кристаллизация целевых фаз в виде большого количества мелких (средний размер 50 мкм) включений. Кроме того, локальные разогревы снижают вязкость расплава, повышают смачиваемость кристаллизующихся после прохождения реакции целевых фаз и как следствие увеличивают равномерность их распределения в расплаве при его перемешивании. Следовательно, полнота усвоения элементов при использовании в процессе приготовления лигатуры CBC-систем и равномерность распределения модифицирующих фаз гораздо выше, нежели в случае использования традиционных систем с комплексными галоидными солями.

Пример. Приготовление лигатуры Al-Ti-B. Порошки титана и алюминия предварительно просеивались на системе сит 0045-05 (ГОСТ 3584-73). Порошок титана размером фракции < 45 мкм смешивали механически с порошком алюминия размером фракции < 20 мкм и порошком бора аморфного со средним размером частиц 0,2 мкм в стехиометрическом соотношении до равномерного распределения. Смесь порциями, помещенными в пакеты из алюминиевой фольги, вводили в расплав алюминия при температуре 850-900^oC без использования флюсов. После воспламенения, горения смеси и окончания газовыделения внутри расплава получали фазы интерметаллида Al₃Ti и тугоплавкой фазы TiB₂. Затем расплав перемешивали и кристаллизовали в чугунной изложнице. Время от момента ввода смеси до разливки уменьшается в 2-3 раза.

Качество лигатуры оценивали по размеру и количеству интерметаллидной фазы Al₃Ti (табл. 1), модифицирующей способности лигатуры для алюминиевых сплавов (табл. 2-3). Оценивался макроизлом чушки, химический и фазовый состав. Макроизлом чушки - чистый, однородный плотный. Ликвация интерметаллидной и боридной фаз - незначительна: разница в химсоставе верхней и нижней чушки толщиной 20 мм состоит по бору - 0,16-0,28%, по титану - 0,21%. Рентгенофазовый и микрорентгеноспектральный анализы показали наличие алюминида и диборида титана, что соответствует фазовому составу лигатур, получаемых традиционными способами. Микроструктура лигатуры характеризуется равномерным распределением интерметаллидов Al₃Ti, имеющих преимущественно блочную и чешуйчатую морфологию. Боридная фаза TiB₂ находится по границам зерен альфа-твердого раствора и в объеме матрицы в виде небольших равномерно распределенных включений. Качество структуры лигатуры, полученной по предлагаемому способу, соответствует, а по некоторым параметрам превосходит известные аналоги. Видно (табл. 1), что средние размеры интерметаллида Al₃Ti в полученной по предлагаемому способу лигатуре в 1,7 раза меньше, а их удельная поверхность в 1,6 раза больше, чем в лигатуре, полученной известным способом. Следует отметить, что предлагаемую лигатуру испытывали в литом состоянии. Применение предлагаемой лигатуры при модифицировании поршневого сплава АК12ММгН позволило повысить предел прочности на 10%, относительное удлинение на 22% (табл. 2). Особенно ценным является заметное повышение твердости сплава в горячем и холодном состоянии при использовании предлагаемой лигатуры (табл. 3). Эти результаты свидетельствуют о существенных преимуществах лигатуры Al-Ti-B, полученной по предлагаемому способу.

Таким образом, предлагаемый способ получения лигатуры Al-Ti-B существенно снижает энергозатраты, материальные затраты на их производство, токсичность процесса приготовления лигатур и увеличивает производительность и модифицирующую способность лигатуры без ее деформационной обработки.