способ получения алюминиево-магниевого сплава

Формула изобретения

Способ получения алюминиево-магниевого сплава, упрочненного карбидом титана, включающий подачу смеси тетрахлорида титана TiCl₄ и тетрахлорэтилена C₂Cl₄ на поверхность расплава алюминиево-магниевого сплава для ее восстановления при непрерывном перемешивании, отличающийся тем, что подачу смеси осуществляют на поверхность расплава алюминиево-магниевого сплава, дополнительно содержащего скандий, при соотношении тетрахлорида титана TiCl₄ и тетрахлорэтилена C₂Cl₄ от 1:0,215 до 1:0,385.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии сплавов цветных металлов, в частности к получению алюминиево-магниевых сплавов, дисперсно упрочненных тугоплавкими соединениями.

Известно, что при введении карбида титана в литые алюминиевые сплавы значительно повышаются их прочностные характеристики (Батуринская Н.Л. Изв. АН. Металлы. 1983. №3. 166-170; патент РФ №2020042 от 19.09.1990 и патент США №5305817 от 26.04.1984). Алюминиевые сплавы, упрочненные дисперсными частицами карбида кремния или углерода, получают путем подачи исходных порошков карбидов кремния и углерода на поверхность активатора, вращающегося в расплавленной ванне алюминиевого сплава (С.Б.Канг и др. Материаловедение, пластическая и термическая обработка металлов. Политехника, СПб. 2001. с.44-48).

Известен способ получения алюминиевого сплава (Борисов В.Г., Казаков А.А. Цветные металлы. 1997. №4. С.71-73), в котором алюминиево-магниевые сплавы получают при введении порошковых компонентов оксикарбонитридов титана в расплавленные металлы методом плазменной инжекции с помощью плазматрона.

Недостатком способа является то обстоятельство, что существует необходимость предварительного получения дорогостоящих дисперсных порошковых компонентов и дополнительной операции обработки порошков в аттриторах или вибромельницах; при осуществлении данных операций происходит значительное окисление порошков и загрязнение их конструкционным материалом перемешивающего устройства. В конечном итоге синтезируются алюминиевые сплавы, содержащие относительно крупные и окисленные упрочняющие частицы, что снижает технологические характеристики изделия.

Известен принятый за прототип способ получения композиционного материала путем подачи тетрахлорида титана и тетрахлорида углерода в молярном соотношении 1:1 на поверхность расплава матрицы из алюминиевого сплава, содержащего 40-60% магния, при непрерывном перемешивании, по окончании процесса восстановления полученный продукт выдерживают в вакууме (патент РФ №2120490 C1, C 22 C 1/10).

Недостатком этого способа является получение относительно крупных частиц упрочняющих компонентов.

Задача предлагаемого изобретения состоит в получении алюминиево-магниевого сплава с высокими технологическими свойствами, упрочненного мелкими частицами за счет дополнительного содержания скандия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения алюминиево-магниевого сплава, упрочненного карбидом титана, включающего подачу смеси тетрахлорид титана TiCl₄ и тетрахлорэтилена C₂Cl₄ на поверхность расплава алюминиево-магниевого сплава для ее восстановления при непрерывном перемешивании, согласно изобретению подачу смеси осуществляют на поверхность расплава алюминиево-магниевого сплава, дополнительно содержащего скандий, при соотношении тетрахлорида титана TiCl₄ и тетрахлорэтилена C₂Cl₄ от 1:0,215 до 1:0,385.

Увеличение прочности сплава, сверхпластичных характеристик и хорошей свариваемости его обеспечивает присутствие в сплаве скандия, который способствует образованию наночастиц упрочняющих компонентов, равномерно распределенных по всему объему сплава.

При восстановлении смеси хлоридов титана и углерода магнием, присутствующим в интенсивно перемешиваемом алюминиево-магниевом сплаве, образуются частицы карбида титана в момент синтеза. При этом положительным моментом является тот факт, что при осуществлении процесса образуются свежевосстановленные армирующие частицы (тугоплавкие соединения титана - карбид титана). Сплавы алюминия и магния освобождаются от примесей; в конечном итоге поверхность раздела сплава и упрочняющей фазы не содержит примесей (“атомно-чистая”), частицы имеют повышенную активность; присутствие скандия (в виде интерметаллидов Аl₃Sс) способствует измельчению упрочняющих частиц, поэтому образующийся сплав обладает высокой прочностью и модулем упругости.

Следует отметить, что при соотношении TiCl₄:C₂Cl₄ от 1:0,215 до 1:0,385 обеспечивается синтез наноструктурных тугоплавких соединений крупностью 10-30 нм.

Прямое получение наноразмерных высокоактивных упрочняющих частиц тугоплавких соединений титана крупностью 10-30 нм непосредственно в алюминиево-магниевом сплаве снижает стоимость выпускаемого высокотехнологичного сплава за счет повышения его рабочих характеристик.

Предложенный способ осуществляется следующим способом: сплав, содержащий алюминий, магний и скандий, после расплавления интенсивно перемешивается и на его поверхность подают смесь хлоридов углерода и титана. Магний, находящийся в сплаве, реагирует с хлоридами титана и углерода, при этом образуется карбид титана, последний равномерно распределяется в объеме сплава, что способствует повышению его прочностных характеристик.

Выбор параметров процесса обусловлен следующим: при отношении TiCl₄:C₂Cl₄ менее 1:0,215, когда после восстановления образуется значительно большее количество свободного сажистого углерода, будет происходить снижение прочностных свойств алюминиевых сплавов. С другой стороны, в случае отношения TiCl₄:C₂Cl₄ более 1:0,385 содержание карбида титана в сплаве недостаточно для повышения его прочностных характеристик и размер отдельных наночастиц резко возрастает. Интенсивное перемешивание алюминиево-магниевого сплава обеспечивает синтез гомогенного продукта; наличие в исходном сплаве скандия способствует уменьшению размера упрочняющих наночастиц и дополнительно повышает прочность и другие технологические характеристики алюминиево-магниевого сплава.

Пример. Лабораторная установка состояла из шахтной электропечи с электрообогревом, герметичного реактора с крышкой и графитового тигля. На крышке было смонтировано перемешивающее устройство для агитации расплава, мерная емкость для смеси TiCl₄-C₂Cl₄ и дозатор. Исходный алюминиевый сплав, содержащий около 6% магния, 0,3% скандия, загружали в тигель. После монтажа аппарата и разогрева до ~800°С осуществляли перемешивание сплава и на его поверхность подавали смесь хлоридов титана и углерода, подачу смеси производили с медленной скоростью, количество поданной смеси составляли из расчета получения 0,1-0,3% карбида титана в сплаве по реакции

TiCl₄+0,5C₂Cl₄+2MgTiC+2MgCl₂

Температура процесса 850-1000°С. По окончании подачи хлоридов проводили выдержку при перемешивании, после чего осуществляли разливку алюминиевого сплава в изложницу. В полученных материалах исследовали микроструктурные характеристики и распределение микрочастиц, определяли прочностные характеристики. Результаты приведены в таблице.

Достигнутые результаты позволяют сделать заключение о техническом эффекте изобретения: при восстановлении смеси хлорида титана и углерода сплавом алюминий - магний - скандий получается гомогенный сплав с высокими характеристиками. Процесс получения сплавов протекает в высокопроизводительной аппаратуре, используемой при производстве магнийтермического титана, при исключении из технологического цикла сложных переделов. В конечном итоге синтезируется продукт на 10-20% дешевле.