способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий

Формула изобретения

1. Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий для модифицирования алюминиевых сплавов, включающий плавление материала, содержащего алюминий и переходный металл, перемешивание расплава и кристаллизацию, отличающийся тем, что 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 и после перемешивания на расплав воздействуют низкочастотными колебаниями для равномерного распределения образовавшихся алюминидов, а кристаллизацию расплава проводят со скоростью 10³-10⁴ град/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на расплав низкочастотными колебаниями осуществляют не менее 1 минуты.

Описание изобретения к патенту

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.

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/м³. (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:

- недостаточно высокая модифицирующая способность лигатур, обусловленная тем, что алюминиды, образующиеся при кристаллизации лигатур Al-Ti, Al-Zr, имеют тетрагональные решетки DO₂₂ и DO₂₃, 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.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение модифицирующей способности лигатуры за счет образования комплексных метастабильных алюминидов, имеющих ГЦК решетку структурного типа L1₂, совпадающую с ГЦК решеткой матрицы алюминиевых сплавов, и равномерного распределения в лигатурном сплаве комплексных алюминидов, не превышающих по размеру 10-15 мкм.

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 10³ -10⁴ 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.

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 L1₂, совпадающую с ГЦК решеткой структурного типа А1 алюминиевой матрицы всеми плоскостями.

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 ₃(Zr_xTi_1-x), имеющие ГЦК решетку структурного типа L1₂.

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 Al₃(Zr_xTi_1-x) с ГЦК решеткой структурного типа L1₂. При дальнейших перегревах алюминиды начинают растворяться, образуя твердые растворы Al _n(Zi_xTi_1-x), 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.

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 10³-10⁴ град/с позволит сохранить метастабильную форму выделения алюминидов Al₃(Zr_xTi_1-x).

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 10³-10⁴ 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).

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 10³ град/с. Металлографический и рентгеноспектральный микроанализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Al₃(Zr_0.85Ti_0.15 ) с ГЦК решеткой L1₂, 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).

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 ~ 10⁴ град/с. В лигатуре образовались алюминиды Al₃(Zr_0.40 Ti_0.60) с ГЦК решеткой структурного типа L1₂ , в которых цирконий замещает ~ 40% титана, а параметр решетки алюминидов составляет 0,4006 (2) нм.

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 ⁴ 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 Al₃(Zr_0.35Ti_0.65 ) с ГЦК решеткой структурного типа L1₂ 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.

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 L1₂. 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.

При легировании сплава Al - 4% Cu применение заявленной лигатуры алюминий-титан-цирконий (состава Al - 0,27% Ti - 1,82% Zr) с ГЦК решеткой L1₂ комплексных алюминидов обеспечивает значительное повышение показателей твердости сплавов по сравнению с традиционно используемыми лигатурами алюминий-титан (с тетрагональной решеткой DO₂₂ алюминидов титана) или алюминий-цирконий (с тетрагональной решеткой DO₂₃ 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