СПОСОБИ ОТРИМАННЯ ЛІГАТУРИ Al-Zr (огляд)
Електронний науковий журнал "ПРАЦІ ВІАМ"
ФЕДЕРАЛЬНЕ ДЕРЖАВНЕ УНІТАРНЕ ПІДПРИЄМСТВО "ВСЕукраїнський НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ АВІАЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ" ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР Укаїни
Авторизація
Наведено огляд основних способів отримання алюмінієво-цирконієвих лігатур, відзначено їх переваги та недоліки. Представлені обладнання та матеріали, що застосовуються при виробництві цирконієвих лігатур. Показано вплив характеристик обладнання та вибору сировини на процес одержання лігатур. Зроблено висновки про найперспективніші методи отримання Al-Zr лігатур.
Запровадження
Перспективи застосування деталей із ливарних алюмінієвих сплавів полягають у використанні сучасних матеріалів та технологій отримання фасонних виливків [1–5].
Виробництво ливарних алюмінієвих сплавів та виробів з них з високими експлуатаційними характеристиками значною мірою визначається видом лігатур, що використовуються. Особливе значення це має авіабудуванні, де пред'являються високі вимоги до надійності вузлів і деталей.
Завдання подрібнення зерен у злитку вирішується шляхом модифікування металу. Найбільш сильними модифікаторами для алюмінію та його сплавів є бор і титан, ефект від запровадження яких спостерігається вже за їх низьких концентраціях у розплаві (близько десятих часток відсотка). До сильних модифікаторів в останні роки відносять цирконій, що стало можливим завдяки розробці ефективних технологій вилучення цирконію в процесі великотоннажних виробництв, а також відходів і промислових продуктів кольорової металургії з отриманням різних його сполук.
Висока вартість цирконієвої продукції визначається складним складом переробленої сировини,містить соті і навіть тисячні частки відсотка цього елемента, а також малими обсягами виробництва цирконієвих сполук і певною мірою – комерційною кон'юнктурою.
Сприятливий комплекс фізико-хімічних властивостей робить цирконій перспективним компонентом, що легує, сплавів кольорових металів. Так, додавання 0,02-0,05% (за масою) цирконію збільшує межу міцності алюмінію більш ніж у 3 рази та забезпечує високу стабільність властивостей при нагріванні до 300 ° С [6].
Цирконій вводять у сплав за допомогою лігатур, які одержують двома основними способами: сплавленням чистих компонентів та відновленням легуючого металу з його сполук.
Пряме сплавлення компонентів. Спосіб прямого сплавлення алюмінію та чистого цирконію в індукційних печах застосовують вкрай рідко. У рідкий алюміній вводять порошок цирконію разом із гранульованою алюмінієвою крупкою у вигляді спресованих брикетів [7]. Спресовані брикети готують наступним чином: попередньо просушений при температурі 120-150°С порошок цирконію зволожують спиртом (у кількості 300-350 г/см 3 ) і змішують з алюмінієвою крупкою, очищеною від часток заліза, у співвідношенні 70 Zr. Далі суміш пресують у брикети масою 250-500 г, які потім вводять у перегрітий до температури 1200-1300 ° С алюміній окремими шматками масою 50-100 г. Розплав ретельно перемішують до повного розчинення кожної порції брикету. Після повного розчинення цирконію при температурі 950-1000°С рафінують лігатуру сіллю МnСl2 і розливають у виливниці. Рекомендується проводити повторний переплав та рафінування лігатури.
Для отримання чистої за домішками (заліза та кремнію 0,2%) алюмінієво-цирконієвої лігатури застосовують йодидний цирконій, який розчиняють у розплаві алюмінію при температурі1100-1200 ° С з одночасним його перемішуванням дерев'яними або знову виготовленими і пофарбованими вогнетривкою фарбою сталевими гребками [7].
Багато дослідників пропонують технологію, в якій цирконій вводять в алюміній з розплаву солей, аналогічно відомому способу введення його в магній. Так, у роботі [9] показано, що введення цирконію в алюмінієві сплави шляхом його відновлення з фторцирконату калію, як і у разі введення в магнієві сплави, вимагає високої температури, що викликає великий чад цирконію та алюмінію. Запропоновано вводити цирконій з розплаву солей складу 66K2ZrF6+26LiCl2+8CaF2 при температурі 750-760°С, при цьому сплав переходить 85-95% цирконію, що міститься в шихті.
Для приготування лігатури первинний алюміній нагрівають до температури 1000-1200°З вводять фторцирконат калію в два прийоми. Сіль насипають на поверхню розплаву алюмінію порціями не більше 20 кг і ретельно перемішують. Перед другою присадкою солі розплав підігрівається до 1000°С. При введенні фторцирконату калію в розплав алюмінію відбувається реакція його відновлення, внаслідок якої утворюються калієвий кріоліт (3KF–AlF3) та інтерметалідна сполука – алюміній цирконію. Калієвий кріоліт розчиняє оксидні сполуки алюмінію і перешкоджає випаровування ZrF4, що сприяє підвищенню процентного вмісту цирконію в розплаві [10].
В результаті досліджень [11-13] встановлено, що в інтервалі температур 700-760 ° С засвоюваність розплавом цирконію з фторидної солі не залежить від температури, а визначається способом введення та інтенсивністю перемішування розплаву.
Мал. 1. Залежність засвоєння цирконію в алюмінії від кількості солей, що вводяться K2ZrF6
У роботі [14] показано, що крімзазначеного вище розплаву солей можна брати на 100 мас. ч. алюмінію 20 мас. ч. солі K2ZrF6 та 20 мас. ч. кріоліту. Сольову суміш замішують порціями по 1,5-2 кг. Після введення останньої порції сольової суміші розплав перегрівають до температури 1100°З розливають у чушки.
Алюмінієво-цирконієва лігатура може бути отримана алюмінотермічним відновленням цирконію з його галогенідів, що знаходяться в суміші з хлоридами лужних металів, зазвичай суміш містить 35-50% ZrCl4 і 65-50% KCl і NaCl. Лігатура може бути одержана добавкою до рідкого алюмінію безводних солей, наприклад, карбонатів, що не містять лужних металів [16].
Нижче наведені дані експериментів свідчать про доцільність введення фторцирконату калію при низькій температурі.
Після введення солі розплав перемішували: у лабораторних умовах – у тиглі титановим прутком, а у промислових умовах – у печі ІАТ-1 на середній потужності. Рідкий сплав розливали у виливниці: у лабораторних умовах отримано злиток діаметром 95 мм, у промислових умовах (ІАТ-1) – великі чушки масою 200–300 кг. У процесі виготовлення сплаву газоподібних складових не виявлено. Залежність вмісту цирконію в металі від тривалості плавки показано на рис. 2 [12, 13, 15]. Зниження вмісту цирконію у сплаві можна пояснити осадженням інтерметалідів на поверхні футерування печі. Підтвердженням цього може бути факт осадження неметалічних домішок на поверхню футерування печі ІАТ-2,5. На стінках тигля по висоті можна виділити три зони: у верхній та нижній – рух розплаву відбувається паралельно стінкам, але у різних напрямках; у середній – ці два зустрічні потоки утворюють область «застійної» течії [18]. У пристіночному дифузійному підшарі перенесення компонентів розплавуздійснюється за рахунок дифузії, внаслідок цього до стін прилипають дрібні частинки.
Мал. 2. Залежність вмісту цирконію в розплаві алюмінію від тривалості замішування солі
Мал. 3. Інтерметаліди ZrAl3 у вигляді платівок у концентраті ЦАГД (натуральна величина, фрагмент)
Середній хімічний склад деяких партій концентрату