RU2599134C1

RU2599134C1 - Method of obtaining ligature of aluminium-titanium

Info

Publication number: RU2599134C1
Application number: RU2015121468/02A
Authority: RU
Inventors: Генрих Гаврилович Крушенко
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2016-10-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to metallurgy, particularly to preparation of modifying ligatures aluminum-titan, which are used in production of aluminium alloys for crushing structures of cast articles. In the method of milling of particles of titanium aluminide TiAl₃ occurs due to introduction of ligature at its melting in vacuum induction high-frequency furnace at 1,100-1,200°C and rarefaction 0.799-1.066 PA to 0.05 wt% of tantalum nitride nanopowder TaN contained in the volume of the pressed rod consisting of a composition of particles of aluminum and nitride nanopowder tantal TaN, with subsequent casting of ligature into molds without removing vacuum.

EFFECT: invention enables to use ligature for crushing of structures of cast alloys, modifying agent in which are particles of intermetallic compound of titanium aluminide TiAl₃.

1 cl, 1 ex, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии приготовления модифицирующих лигатур, которые применяются при приготовлении алюминиевых сплавов с целью измельчения структуры отливаемых из них изделий. При этом одной из широко применяющихся для этой цели лигатур, является лигатура алюминий-титан, модифицирующим компонентом которой являются частицы интерметаллического соединения алюминида титана TiAl₃, выполняющие роль центров кристаллизации и которые образуются в результате взаимодействия с жидким алюминием вводимых в него при приготовлении лигатуры либо титана, либо соединений содержащих титан [Напалков В.И., Бондарев Б.И., Тарарышкин В.И. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 160 с.].The present invention relates to the field of metallurgy, in particular to the technology for the preparation of modifying alloys, which are used in the preparation of aluminum alloys with the aim of grinding the structure of products cast from them. In this case, one of the widely used alloys for this purpose is an aluminum-titanium alloy, the modifying component of which is particles of an intermetallic compound of titanium aluminide TiAl ₃ , which act as crystallization centers and which are formed as a result of interaction with liquid aluminum introduced into it when preparing a master alloy or titanium or compounds containing titanium [Napalkov V.I., Bondarev B.I., Tararyshkin V.I. Ligatures for the production of aluminum and magnesium alloys. M .: Metallurgy, 1983. - 160 p.].

И, как показало изучение ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные», из 39-ти представленных в нем сплавов, в 23-х из них титан содержится в пределах 0,05…0,35 масс. %, а из 63 сплавов, представленных в ГОСТ 4784-97 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые», в 47-ми из них титан содержится в пределах 0,02…0,2 масс. %. Практически такие же количества титана содержатся в алюминиевых сплавах, приведенных в международной спецификации алюминиевых сплавов [International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys // The Aluminum Association. - 2009. 37 p.], в которой представлены сплавы 21 страны (от Австрии до Японии, включая Россию).And, as shown by the study of GOST 1583-93 "Cast aluminum alloys", of the 39 alloys represented in it, 23 of them contain titanium in the range 0.05 ... 0.35 mass. %, and of the 63 alloys presented in GOST 4784-97 "Aluminum and aluminum alloys deformable", 47 of them contain titanium in the range 0.02 ... 0.2 mass. % Almost the same amounts of titanium are found in aluminum alloys listed in the International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys // The Aluminum Association. - 2009. 37 p.], Which presents alloys of 21 countries (from Austria to Japan, including Russia).

Известен способ приготовления лигатуры алюминий-титан [Бондарев Б.И., Напалков В.И., Тарарышкин В.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. М.: Металлургия, 1979. - 224 с.] путем введения титановой стружки или титановой губки в жидкий алюминий при температуре расплава 1000…1200°C.There is a method of preparing an alloy of aluminum-titanium [Bondarev B.I., Napalkov V.I., Tararyshkin V.I. Modification of aluminum wrought alloys. M .: Metallurgy, 1979. - 224 pp.] By introducing titanium shavings or a titanium sponge into liquid aluminum at a melt temperature of 1000 ... 1200 ° C.

Недостатком такого способа является насыщение лигатуры газами, в результате чего при ее введении в расплав в литых изделиях образуется газовая пористость, что снижает их качество (понижаются механические свойства и герметичность).The disadvantage of this method is the saturation of the ligature with gases, as a result of which, when it is introduced into the melt in the molded products, gas porosity is formed, which reduces their quality (mechanical properties and tightness are reduced).

Известен способ приготовления лигатуры алюминий-титан в результате алюмотермического восстановления оксида титана в присутствии бифторида щелочного металла (натрия или калия) и хлорида калия в качестве флюса [Patent US 2,955,935. 7 Claims. (C1. 75-135). Filed Nov. 21, 1956, Ser. No 623,524. Manufacture of Aluminium Titanium Alloys / Robert V. Horrigan, Leviston. United States Patent Office. Patented Oct. 11, 1960.].A known method of preparing the aluminum-titanium alloys as a result of aluminothermic reduction of titanium oxide in the presence of alkali metal bifluoride (sodium or potassium) and potassium chloride as a flux [Patent US 2,955,935. 7 Claims. (C1. 75-135). Filed Nov. 21, 1956, Ser. No. 623,524. Manufacture of Aluminum Titanium Alloys / Robert V. Horrigan, Leviston. United States Patent Office. Patented Oct. 11, 1960.].

Известен также способ приготовления лигатуры алюминий-титан [Патент РФ №2477759 C1, C22C 35/00 C22C 1/02 / С.В. Махов. В.И. Москвитин, Д.А. Попов, Г.А. Козловский. Бюл. 2013. №8], включающий алюмотермическое восстановление титана из фторида титана в среде расплавленных хлорида калия и фторида натрия при температуре 850…1150°C с последующей разливкой в слитки.There is also known a method of preparing an alloy of aluminum-titanium [RF Patent No. 2477759 C1, C22C 35/00 C22C 1/02 / C.V. Machs. IN AND. Moskvitin, D.A. Popov, G.A. Kozlovsky. Bull. 2013. No. 8], including aluminothermic reduction of titanium from titanium fluoride in a medium of molten potassium chloride and sodium fluoride at a temperature of 850 ... 1150 ° C, followed by casting into ingots.

К недостатку обоих приведенных выше способов приготовления лигатуры алюминий-титан (Patent US 2,955,935 и Патент РФ №2477759) является применение хлоридов и фторидов, которые обладают высокой гигроскопичностью, что ведет к насыщению лигатуры алюминий-титан газами, и что впоследствии ведет к образованию пористости в литых изделиях при использовании такой лигатуры.The disadvantage of both of the above methods for preparing aluminum-titanium alloys (Patent US 2,955,935 and RF Patent No. 2477759) is the use of chlorides and fluorides, which are highly hygroscopic, which leads to saturation of the aluminum-titanium alloys with gases, and which subsequently leads to porosity formation in cast products when using such a ligature.

Кроме того, хлориды и фториды взаимодействуют с материалом плавильных емкостей, в которых готовится лигатура алюминий-титан, что ведет к ее загрязнению продуктами этого взаимодействия, а, следовательно, и к загрязнению ими литых изделий.In addition, chlorides and fluorides interact with the material of melting containers, in which an aluminum-titanium alloy is prepared, which leads to its contamination with the products of this interaction, and, consequently, to contamination of cast products by them.

Следует также отметить, что в описании этих способов не упоминаются размеры получаемых в лигатуре алюминий-титан зародышеобразующих частиц алюминида титана TiAl₃, что должно являться главной ее характеристикой.It should also be noted that the description of these methods does not mention the sizes obtained in the ligature aluminum-titanium nucleating particles of titanium aluminide TiAl ₃ , which should be its main characteristic.

Известен способ приготовления алюминиево-титановой лигатуры, принятый за прототип [Патент РФ №2430177 C1, МПК C22С 1/03 / Г.Г. Крушенко. Бюл. 2011, №27], согласно которому поставляемую с металлургических предприятий алюминиево-титановую лигатуру в виде слитков, предварительное изучение микроструктуры которых показало, что они поражены газовой пористостью 2…3 балла по шкале ВИАМ, переплавляют в вакуумной индукционной высокочастотной печи при 1100-1200°C и разрежении 0,799-1,066 Па с последующей ее разливкой в изложницы слоем 15-20 мм без снятия вакуума.A known method of preparing aluminum-titanium ligatures adopted for the prototype [RF Patent No. 2430177 C1, IPC C22C 1/03 / G.G. Krushenko. Bull. 2011, No. 27], according to which aluminum-titanium alloys supplied from metallurgical enterprises in the form of ingots, a preliminary study of the microstructure of which showed that they are affected by gas porosity of 2 ... 3 points on the VIAM scale, are melted in a vacuum induction high-frequency furnace at 1100-1200 ° C and a vacuum of 0.799-1.066 Pa, followed by its casting into the molds with a layer of 15-20 mm without removing the vacuum.

Недостаток указанного способа заключается в том, что при заливке переплавленной лигатуры в изложницы с высокой температуры, которая составляет 1100-1200°C, затвердевание слитка происходит достаточно долго, в связи с чем в его объеме формируются частицы интерметаллического соединения алюминида титана TiAl₃ с достаточно крупными и с отличающимися размерами, что влияет и на структуру литых изделий, отливаемых из модифицированного такой лигатурой сплава.The disadvantage of this method is that when the molten ligature is poured into molds with a high temperature, which is 1100-1200 ° C, the ingot solidifies for a sufficiently long time, and therefore particles of the intermetallic compound of titanium aluminide TiAl ₃ are formed in its volume with sufficiently large and with different sizes, which affects the structure of molded products cast from an alloy modified with such a ligature.

Другой недостаток заключается в том, что при заливке лигатуры в изложницы получаются горизонтальные слитки с неоднородной толщиной, что затрудняет соблюдение точного весового дозирования лигатуры.Another disadvantage is that when casting the ligature into the molds, horizontal ingots with inhomogeneous thickness are obtained, which makes it difficult to maintain accurate weight dosage of the ligature.

Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа приготовления алюминиево-титановой лигатуры, при реализации которого будут получены слитки с уменьшенными размерами частиц интерметаллического соединения алюминида титана TiAl₃.The objective of the invention is to develop a method for preparing aluminum-titanium alloys, the implementation of which will be obtained ingots with reduced particle sizes of the intermetallic compounds of titanium aluminide TiAl ₃ .

Поставленная цель достигается тем, что в расплавленную по описанному в Патенте РФ №2430177 способу алюминиево-титановую лигатуру вводится нанопорошок нитрида тантала TaN, размеры частиц которого не превышают 100 нанометров, с помощью прутка, отпрессованного из композиции, состоящей из частиц алюминия и нанопорошка нитрида тантала TaN, которые выполняют роль модифицирующих агентов.This goal is achieved by the fact that tantalum nitride nanopowder TaN, particle sizes of which do not exceed 100 nanometers, is introduced into the molten aluminum-titanium ligature described in the RF Patent No. 2430177, using a rod pressed from a composition consisting of aluminum particles and tantalum nitride nanopowder TaN, which act as modifying agents.

Способ изготовления модифицирующих прутков, содержащих нанопорошки химических соединений, и технология их применения запатентован [А.с. СССР 831840 A1, МПК⁵ C22C 1/06. Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа / Г.Г. Крушенко, Ю.М. Мусохранов, И.С. Ямских, А.А. Корнилов и др. - Бюл. 1981, №19], и его применение показало высокий эффект измельчения структуры получаемых в производственных условиях фасонных отливок и слитков из целого ряда алюминиевых сплавов.A method of manufacturing modifying rods containing nanopowders of chemical compounds, and the technology for their use is patented [A.S. USSR 831840 A1, IPC ⁵ C22C 1/06. The method of modifying cast aluminum alloys of the eutectic type / G.G. Krushenko, Yu.M. Musokhranov, I.S. Yamskikh, A.A. Kornilov et al. - Bull. 1981, No. 19], and its application showed a high effect of grinding the structure of shaped castings and ingots from a number of aluminum alloys obtained under industrial conditions.

ПримерExample

Поставляемые с металлургического предприятия плоские слитки алюминиево-титановой лигатуры состава Al-4,34% Ti расплавляли в вакуумной индукционной высокочастотной печи при разрежении 0,799-1,066 Па, доводили температуру расплава до 1100-1200°C и вводили в него нанопорошок нитрида тантала TaN, который содержался в объеме прутка, отпрессованного из частиц алюминия и нитрида тантала TaN, с последующей разливкой лигатуры в изложницы без снятия вакуума.Al-4.34% Ti alloy ingots supplied from a metallurgical enterprise were melted in a vacuum induction high-frequency furnace at a vacuum of 0.799-1.066 Pa, the melt temperature was adjusted to 1100-1200 ° C, and tantalum nitride nanopowder TaN was introduced into it, which contained in the volume of the rod pressed from particles of aluminum and tantalum nitride TaN, followed by casting the ligature into the molds without removing the vacuum.

Тестирование полученной лигатуры производили путем ее введения в расплавленный алюминий высокой чистоты марки A99, который вследствие малого содержания в нем примесей (не более 0,01 масс. %) кристаллизуется с образованием крупнокристаллической структуры, с последующей отливкой из него проб диаметром 60 мм и высотой 120 мм. После затвердевания проб на подготовленных на их поперечных сечениях шлифах оценивали степень измельчения (модифицирования) зерновой структуры путем деления площади сечения пробы на количество находящихся на нем кристаллов.Testing of the obtained ligature was carried out by introducing it into molten aluminum of high purity grade A99, which, due to its low content of impurities (not more than 0.01 wt.%) Crystallizes with the formation of a coarse-grained structure, followed by casting of samples with a diameter of 60 mm and a height of 120 mm After hardening of the samples on thin sections prepared on their cross sections, the degree of grinding (modification) of the grain structure was estimated by dividing the cross-sectional area of the sample by the number of crystals on it.

Полученные результаты показали (Таблица), что с увеличением количества вводимого в расплавленную лигатуру Al-4,34% Ti нанопорошка нитрида тантала TaN длина частиц интерметаллического соединения TiAl₃ уменьшается, а при введении этой лигатуры в жидкий алюминий A99 соответственно уменьшаются размеры макрозерна отливаемых из этого алюминия проб.The obtained results showed (Table) that, with an increase in the amount of tantalum nitride nanopowder TaN introduced into the molten Al-4.34% Ti alloy, the particle length of the TiAl ₃ intermetallic compound decreases, and when this ligature is introduced into A99 liquid aluminum, the sizes of the macrograins aluminum samples.

Claims

1. The method of preparation of Al-4.34% Ti alloys, including the melting of alloy ingots in a vacuum induction high-frequency furnace at 1100-1200 ° C and a vacuum of 0.799-1.066 Pa, followed by casting into molds without removing the vacuum, characterized in that after melting up to 0.05 wt.% tantalum nitride (TaN) nanopowder contained in the volume of the pressed rod, consisting of a composition of aluminum particles and TaN nanopowder, is introduced into the melt of the ligature.

2. The method according to p. 1, characterized in that after the introduction of TaN nanopowder into the melt of the ligature in the volume of the pressed rod, it is poured into a vertical cylindrical mold, after which the obtained ingot is pressed into the ligature bar.