RU2788136C1 - Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний - Google Patents

Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний Download PDF

Info

Publication number
RU2788136C1
RU2788136C1 RU2021136455A RU2021136455A RU2788136C1 RU 2788136 C1 RU2788136 C1 RU 2788136C1 RU 2021136455 A RU2021136455 A RU 2021136455A RU 2021136455 A RU2021136455 A RU 2021136455A RU 2788136 C1 RU2788136 C1 RU 2788136C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
melt
ligature
scandium
hafnium
Prior art date
Application number
RU2021136455A
Other languages
English (en)
Inventor
Иван Олегович Гилёв
Original Assignee
Иван Олегович Гилёв
Filing date
Publication date
Application filed by Иван Олегович Гилёв filed Critical Иван Олегович Гилёв
Application granted granted Critical
Publication of RU2788136C1 publication Critical patent/RU2788136C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия, и может быть использовано для легирования и модифицирования сплавов на основе алюминия. Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний включает приготовление алюминиевого расплава, введение легирующих компонентов, перемешивание расплава и охлаждение, при этом в качестве легирующих компонентов в расплав вводят бинарные сплавы Al-Sc и Al-Hf при атомном соотношении Hf:Sc 0,8-1,4, полученный расплав нагревают до температуры на 240-350°С выше температуры ликвидуса, выдерживают 20-30 мин при перемешивании графитовым стержнем и разливают в бронзовую изложницу со скоростью охлаждения 103-104 град/с. Изобретение направлено на получение комплексной лигатуры, которая при легировании сплавов на основе алюминия улучшает их прочностные и пластичные свойства. 1 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия со скандием или другими легирующими металлами: марганцем, цирконием, титаном, бором, ниобием, и может быть использовано при получении лигатуры алюминий-скандий-гафний, применяемой для легирования и модифицирования сплавов на основе алюминия.
Известен способ получения алюминиевых лигатур с переходными металлами, заключающийся во введении в перегретый расплав алюминия проволоки из переходного металла, при этом между расплавом и проволокой пропускают электрический ток. На поверхности зеркала расплава наводят флюс, при прохождении через который проволока плавится за счет тепла, выделяющегося в слое флюса при прохождении через него электрического тока. Флюс содержит фторид магния, криолит, оксид алюминия. Данный подход позволяет снизить потери легирующих компонентов (RU 2467086, МПК С22С 35/00, 21/00, опубл. 11.01.2011).
Недостатком данного способа является недостаточно равномерное распределение в расплаве образующихся при протекании экзотермических реакций алюминидов переходных элементов. Малая скорость охлаждения в системе алюминий - переходный металл приведет к образованию интерметаллидов грубой формы и значительного размера, что в дальнейшем отрицательно скажется на свойствах легируемого сплава.
Отсутствие данных по условиям разливки и скорости охлаждения расплава для лигатурных сплавов алюминий - переходный металл не позволит полностью воспроизвести условия синтеза. Скорость охлаждения и условия выплавки лигатур являются основой технологического процесса.
Известен способ получения алюминиево-скандиевой лигатуры, согласно которому предварительно готовят два расплава алюминия в двух печах. Затем в один из расплавов алюминия вводят шихту в виде гранул при следующем соотношении компонентов, масс. %: фторид скандия 50,0-75,0, фторид магния 35,0-25,0, хлорид калия 15,0-0,0. Полученную лигатуру смешивают с другим расплавом алюминия и после этого при постоянном перемешивании подают инертный газ под давлением 150-200 кПа до достижения устойчивой зоны расплава с последующим охлаждением со скоростью 3-4°С в минуту до температуры окружающей среды (патент РФ 2426807, МПК С22С 1/00, 21/00, опубл. 17.09.2009 - прототип). Данный способ позволяет получать лигатуру алюминий - переходный металл за счет распада соответствующего галогенида с образованием алюминида тугоплавкого металла и экологически вредных галогенидов.
Недостатком известного способа является многостадийность процесса подготовки шихты: сначала исходные компоненты тщательно измельчают и перемешивают в заданной пропорции, затем гранулируют (крупность 0,4-3,0 мм), обрабатывают клеем ПВА и просушивают, суммарная масса вводимой шихты 90-60 кг на тонну расплава алюминия. Также низкая скорость охлаждения приводит к образованию крупных алюминидов, что в дальнейшем отрицательно скажется на свойствах получаемого сплава. Из-за большого размера алюминидов, их медленной скорости растворения в расплаве алюминия образуются в большом количестве первичные алюминиды, которые отрицательно влияют на механические свойства. Из-за низкой скорости растворения увеличится время выдержки жидкого металла, что также отрицательно скажется на растворении газа и механических свойствах расплава.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение модифицирующей и легирующей способности лигатуры за счет: образования комплексных метастабильных алюминидов, имеющих кубическую решетку; частичного замещения дорогостоящего скандия гафнием без потери в свойствах легируемого сплава, а также возможность легирования скандием алюминиево-медных сплавов без образования w-фазы.
Указанный результат достигается в способе получения лигатуры алюминий-скандий-гафний, включающем приготовление алюминиевого расплава, введение легирующих компонентов, содержащих переходные металлы плавлением, перемешивание расплава и охлаждение, согласно изобретения в качестве легирующих компонентов в расплав вводят бинарные сплавы Al-Sc и Al-Hf при атомном соотношении Hf:Sc 0,8-1,4, полученный расплав нагревают до температуры на 240-350°С выше температуры ликвидуса, выдерживают 20-30 мин при перемешивании графитовым стержнем и разливают в бронзовую изложницу со скоростью охлаждения 103-104 град/с. Весь процесс приготовления ведут в атмосфере аргона, кроме разливки расплава в изложницу.
Модифицирующая способность комплексной алюминиевой лигатуры с переходными металлами (скандий и гафний) определяется сходством структурных типов 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 алюминидов в лигатуре.
Таким образом, чем ближе структурное и размерное соответствие решеток алюминидов со скандием и гафнием, тем выше эффект модифицирования. Это соответствие обеспечивается заявляемым соотношением в лигатуре гафния и скандия, условиями плавки и скоростью охлаждения расплава, при которых образуются комплексные метастабильные алюминиды, имеющие кубическую решетку структурного типа L12, совпадающую с решеткой алюминиевой матрицы.
При использовании условий синтеза лигатур, указанных выше, в лигатурном сплаве Al-Sc-Hf образуются комплексные метастабильные алюминиды с кубической решеткой структурного типа L12 идентичные матрице алюминия. С увеличением перегрева выше заявленного интервала температуры ликвидуса (240÷350°С) в расплаве образуются метастабильные алюминиды Aln(ScxHf1-x) с кубической решеткой структурного типа L12, переходящие в твердый раствор, где n с увеличением степени перегрева увеличивается от трех до восьми, что является отрицательным эффектом, также увеличение степени перегрева приводит к повышенному окислению расплава, что ведет к потере расплава и к излишним энергозатратам. При недостижении заявленного интервала температуры (перегрев менее 240°С) наряду с метастабильными алюминидами образуются алюминиды с тетрагональной решеткой, что отрицательно сказывается на свойствах легируемого сплава, ухудшается степень измельчения зерна, снижается модифицирующая способность лигатуры. Чем ниже температура перегрева относительно заявленной, тем больше доля стабильных алюминидов с тетрагональной решеткой и ниже модифицирующая способность.
Заявленная скорость охлаждения 103-104 град/с позволяет сохранить при затвердевании метастабильную структуру алюминидов с кубической решеткой и обеспечить дисперсность алюминидов до 5 мкм, именно при скорости охлаждения 103-104 град/с образуется необходимая фаза. Более высокая скорость охлаждения связана с более высокими энергозатратами. При скорости охлаждения менее заявленного образуются стабильные алюминиды, содержащие гафний, с тетрагональной решеткой и размер алюминидов увеличивается, что тоже отрицательно скажется на модифицирующем эффекте.
Заявленное соотношение в лигатуре Hf:Sc 0,8-1,4 обусловлено образованием комплексных метастабильных алюминидов с кубической решеткой, при выходе за границы данного интервала будут образовываться алюминиды Al3Hf с кубической и тетрагональной решеткой, метастабильная фаза Al3Hf с кубической решеткой будет иметь низкую температурную стабильность; эксперименты показали, чем сильнее отклонение атомного соотношения Hf:Sc от (0,8-1,4), тем ниже дисперсионное упрочнение легируемого сплава данными добавками; при недостижении атомного соотношения Hf:Sc 0,8-1,4 происходит снижение модифицирующей способности лигатуры.
Результаты исследований показали, что время выдержки 20-30 минут достаточно для растворения переходных металлов в расплаве алюминия и их равномерного распределения в объеме расплава.
Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний включает плавление бинарных сплавов алюминий-скандий и алюминий-гафний при поддержании атомного соотношения Hf:Sc 0,8-1,4. Последующий нагрев расплава до температуры на 240-350°С выше температуры ликвидуса, выдержка его в течение 20-30 минут при перемешивании графитовым стержнем и разливку в бронзовую изложницу со скоростью охлаждения 103-104 град/с.Весь процесс ведут в атмосфере аргона, кроме стадии разливки расплава в изложницу.
Заявленный способ испытан в лабораторных условиях. Сплавы готовили в графитовых тиглях емкостью 700 см3 в печи угольного сопротивления в атмосфере аргона. Исходными материалами для приготовления лигатуры были сплавы Al-2%Sc (Al-1,2 ат. % Sc), Al-6% Hf (Al-0.91 ат. % Hf). Данные сплавы имеют алюминиевую матрицу с небольшой долей растворенного переходного металла, в сплаве Al-Sc наряду с алюминиевой матрицей наблюдаются алюминиды Al3Sc, имеющиекубическую решетку структурного типа L12, а в сплаве Al-Hf алюминиды с тетрагональной решеткой.
Пример 1. Получение лигатуры Al - 1,70% Hf - 0,47% Sc (ат. Al - 0,26 Hf - 0,29Sc). В печи сопротивления в графитовом тигле, в атмосфере аргона расплавляли алюминий марки А97 в количестве 68,75 г при 700°С, вводили в виде кусков сплавы Al - 2% Sc (37,5 г) и Al - 6% Hf. (43,75 г) в расчете на вышеуказанный состав и массу расплава 150 г (в расчете на атомное соотношение Hf:Sc, равное 1,0). После чего повышали температуру до 1100-1150°С и выдерживали расплав в течение 20 минут, периодически перемешивая графитовым стержнем для равномерного распределения гафния и скандия по объему расплава. После выдержки расплав разливали в бронзовую изложницу, скорость охлаждения в которой составляет 103-104 град/с. Полученный слиток изучали. Из нижней и верхней части слитка брали стружку на химический анализ. В нижней части слитка отрезали параллелепипед для металлографического и рентгенофазового анализа.
Металлографический, рентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Al3(Sc0,42Hf0,58) с кубической решеткой структурного типа L12, в которых гафний замещает 58% скандия.
Пример 2. Получение лигатуры Al - 3,55% Hf - 0,422% Sc (ат. Al - 0,52 Hf - 0,26 Sc). Готовили идентично примеру 1, в расчете на атомное соотношение Hf:Sc равное 2,0. На 150 г расплава было использовано: Al (26,25 г), Al - 2% Sc (33,75 г), Al - 6% Hf (90 г).
Металлографический, рентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Aln(Sc0,29Hf0,71) с кубической решеткой структурного типа L12, в которых гафний замещает 71% скандия. Несмотря на получение заданной структуры данная лигатура имеет высокое замещение скандия гафнием, что отрицательно сказывается на эффекте упрочнения и модифицирования сплава Al - 4% Cu.
Пример 3. Получение лигатуры Al - 0,748% Hf - 0,42% Sc (ат. Al - 0,11 Hf - 0,25 Sc). Готовили идентично примеру 1, в расчете на атомное соотношение Hf:Sc равное 0,5. На 150 г расплава было использовано: Al (97,5 г), Al - 2% Sc (33,75 г), Al - 6% Hf (18,75 г).
Металлографический, рентгеноспектральный, рентгеноструктурный анализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Aln(Sc0,54Hf0,46) с кубической решеткой структурного типа L12, в которых гафний замещает 46% скандия. Использование данной лигатуры при легировании Al-Cu сплавов приводит к образованию w-фазы (AlCuSc), которая выделяется в процессе кристаллизации и не дает скандию (в первую очередь) и меди перейти в твердый раствор алюминия, что отрицательно сказывается на дисперсионном упрочнении.
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-Sc-Hf в диапазоне углов 26, составляющем 18-85 град, с шагом 0,02 и временем выдержки на каждой точке 5 с показал, что на дифрактограммах, наряду с основными пиками алюминиевой матрицы, имеются характерные пики, соответствующие рефлексам метастабильной фазы комплексных алюминидов с кубической решеткой структурного типа L12.
При легировании сплава Al - 4% Cu применение заявленной лигатуры алюминий-скандий-гафний (составы: Al - 1,70% Hf - 0,47% Sc, Al - 3,55% Hf - 0,422% Sc, Al - 0,748% Hf - 0,42% Sc) наблюдается значительное повышение показателей твердости сплавов по сравнению с традиционно используемыми лигатурами (с тетрагональной решеткой D022 или D023) или Al-Sc. Показатели твердости сплавов в процессе старения при 150°С, 200°С приведены в таблице. Наибольшее упрочнения обеспечивает лигатурный сплав Al-Sc-Hf, в котором атомное соотношение Hf:Sc находится в пределах 0,8-1,4.
Полученная лигатура при использовании для легирования сплавов на основе алюминия оказывает влияние на матрицу обрабатываемых сплавов, улучшает их свойства, в том числе прочностные и пластичные; а при использовании лигатуры для модифицирования алюминиевых сплавов, не изменяя существенно состава сплава, измельчает его зерно и структурные составляющие, тем самым улучшает данные свойства.
Figure 00000001

Claims (1)

  1. Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний, включающий приготовление алюминиевого расплава, введение легирующих компонентов, содержащих переходные металлы плавлением, перемешивание расплава и охлаждение, отличающийся тем, что в качестве легирующих компонентов в расплав вводят бинарные сплавы Al-Sc и Al-Hf при атомном соотношении Hf:Sc 0,8-1,4, полученный расплав нагревают до температуры на 240-350°С выше температуры ликвидуса, выдерживают 20-30 мин при перемешивании графитовым стержнем, разливают в бронзовую изложницу и охлаждают со скоростью 103-104 град/с.
RU2021136455A 2021-12-09 Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний RU2788136C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788136C1 true RU2788136C1 (ru) 2023-01-17

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU920075A1 (ru) * 1980-06-09 1982-04-15 Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева Способ получени лигатур дл приготовлени алюминиевых сплавов
RU2213795C1 (ru) * 2001-11-12 2003-10-10 Махов Сергей Владимирович Способ получения лигатуры алюминий-скандий (варианты)
RU2426807C2 (ru) * 2009-09-17 2011-08-20 Закрытое акционерное общество "Далур" Способ получения алюминиево-скандиевой лигатуры для сплавов на основе алюминия
RU2467086C2 (ru) * 2011-01-11 2012-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" Способ получения алюминиевых лигатур с переходными металлами
CN102952956A (zh) * 2012-11-12 2013-03-06 北方工业大学 电解铝液微合金化六元中间合金及其制备和使用方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU920075A1 (ru) * 1980-06-09 1982-04-15 Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева Способ получени лигатур дл приготовлени алюминиевых сплавов
RU2213795C1 (ru) * 2001-11-12 2003-10-10 Махов Сергей Владимирович Способ получения лигатуры алюминий-скандий (варианты)
RU2426807C2 (ru) * 2009-09-17 2011-08-20 Закрытое акционерное общество "Далур" Способ получения алюминиево-скандиевой лигатуры для сплавов на основе алюминия
RU2467086C2 (ru) * 2011-01-11 2012-11-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" Способ получения алюминиевых лигатур с переходными металлами
CN102952956A (zh) * 2012-11-12 2013-03-06 北方工业大学 电解铝液微合金化六元中间合金及其制备和使用方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Czerwinski Cerium in aluminum alloys
Shabestari The effect of iron and manganese on the formation of intermetallic compounds in aluminum–silicon alloys
JP5405115B2 (ja) 結晶粒微細化母合金の製造方法
CN110157935B (zh) 铸造铝硅合金用Al-V-B细化剂、其制备方法及应用
Dobrzański et al. The effect of cast Al-Si-Cu alloy solidification rate on alloy thermal characteristics
CN112048629A (zh) 铸造铝硅合金用Al-Ti-Nb-B细化剂的制备方法
WO2006058388A1 (en) Aluminium casting alloy
Jigajinni et al. Effect of a grain refiner cum modifier on mechanical properties of Al-7Si and Al-11Si alloys
Gu et al. Effects of boron addition on the morphology of silicon phases in Al-Si casting alloys
CN104962788B (zh) 一种铝合金用细化剂及制备方法
CN112593110B (zh) 一种纳米碳化物增强铝基复合材料焊丝的制备方法
US6395224B1 (en) Magnesium alloy and method of producing the same
US4873054A (en) Third element additions to aluminum-titanium master alloys
CN114438374B (zh) 一种Al-V-Ti-B晶粒细化剂及其制备和应用方法
JPH10204555A (ja) アルミニウム鋳造合金の結晶粒微細化剤の製造方法
CN113234948A (zh) 一种四元系合金晶粒细化剂及其制备和应用方法
RU2788136C1 (ru) Способ получения лигатуры алюминий-скандий-гафний
WO2019101316A1 (en) Al-si-mg-zr-sr alloy with particle-free grain refinement and improved heat conductivity
RU2518041C2 (ru) Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий
CN110804704A (zh) Al-Ti-B-Sr中间合金的制备方法以及Al-Ti-B-Sr中间合金
CN111378876B (zh) 一种真空泵转子用含Sc铝合金及其制备方法
US5100488A (en) Third element additions to aluminum-titanium master alloys
WO2007094265A1 (ja) 半融合金鋳造用原料りん青銅合金
JP6864704B2 (ja) Al合金の再生方法
CN111304474A (zh) Al-Ti-B-Sr-RE中间合金及其制备方法