Способ получения бор-алюминиевого сплава

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ОБРЕТ АНИЕ И К АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛ ЬСТ рактеризуется процесса (нечением бора в угаром металОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Иркутский филиал Всесоюзного научноисследовательского и проектного институтаалюминиевой, магниевой и электроднойпромышленности(56) Напалков В,И., Бондарев Б.И., Тарарышкин В.ИЧухров М.В. Лигатуры дляпроизводства алюминиевых и магниевымсплавов, - М.:Металлургия, 1983,Патент ПН Р М 149407, кл, 40 В 21/04 С22 С 21/04, 1975.(57) Изобретение. относится к цветной металлургии и может быть использовано прилегировании алюминиевых сплавов бором,Цель изобретения - повышение качествасплава, Это достигается предварительным Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для легирования алюминиевых сплавов бором,Известен способ получения бор-алюминиевого сплава (лигатуры А 1-В) взаимодействием борного ангидрида с расплавом алюминия при температуре выше 1000 С. Известная технология ха значительной длительностью сколько часов), низким извле сплав(до 50), значительным ла,Ж 17139 2спеканием борного ангидрида и фторсиликата натрия с дивксидом кремния, количество которого определяется по формуле: М " =:(1 + (Т)/21,4 + 0,4 мас.%, где М - количество 3 02; Т - температура отрабатываемого металла, С, при 450-520 С загрузкой спека в расплав алюминия, выдержкой до полного восстановления реагентов в интервале температур 730-880 С, определяя рабочую температуру в соответствии с выражением: тР . то+ 30, где тР - температура процесса, С; Т 0 - температура ликвидуса системы алюминий - расчетное содержание бора, С, и разделением солевой и металлической фаз, По сравнению со способом-прототипом это позволяет за счет ф прохождения через обьем металла газообразных фторсодержащих продуктов реакции существенно снизить в нем содержание основных примесей и тем самым повысить качество сплава. 1 ил 2 табл,Известен способ алюминотермического восстановления борного ангидрида, растворенного в расплавленном криолите.Способ характеризуется высокой (1000 С) температурой процесса и низким извлечением бора в сплав (до 50).Известен способ получения бор-титан- содержащего алюминиевого сплава (лигатура А 1-Т 1-В) алюминотермическим . восстановлением смеси бор-титансодержащих веществ. Смесь дополнительно содержит кремнефторид натрия в количестве 5-10 мас,ф.Кремнефторид натрия является термически нестойким веществом и при температурах выше 500 С диссоциирует с образованием высокоактивного тетрафторида кремния, который, в случае приготов ления лигатуры восстановлением смеси борного ангидрида с кремнефторидом натрия, будет фторировэть борный ангидрид. Образующийся при этом трифторид бора значительно лучше восстанавливается алю минием, чем борный ангидрид. Данный способ характеризуется значительной трудоемкостью, обусловленной необходимостью порционной загрузки реагентовв металл и периодического перемешивания 15 расплава. Происходит загрязнение сплава солевыми продуктами реакции.Цель изобретения - повышение качества сплава.В предлагаемом способе в расплав алю мииия загружают спеченную смесь борного ангидрида и Фторсиликата натрия. которую предварительно подшихтовывают диоксидом кремния в количестве, определяемом по Формуле: 25 М=(1+ 214 )й 0,4 мас, %где М - количество диоксида кремния;Т - температура обрабатываемого металлд, С.спекание смеси проводят при 450-520 С,выдержку спека в металле до полного восстановления реагентов ведут в интервалетемператур 730-800 С, при этом темперэтуру выдержки определяют по формуле:+30,где Тр - температура процесса, С;То - температура ликвидуса системыалюминий - расчетное содержание бора, 40оСУкаэанная последовательность действий обеспечивает получение. компактногоспека исходных легирующих компонентов,который одним из известных способов едииовременио загружается в объем металла,При этом поверхность легирующей присадки покрывается слоем твердых Фторалюминатов натрия в результатеалюминотермического восстановления 50кремиефторидэ натрия:ЗЮа 2 УЕ 6.+ 4 А бйаЕ 4 А 1 Ез+ 351 (1)Образованию твердых фторалюминатов при температуре легируемого металлавыше 730 оС способствует растворение в 55них тугоплавкого диоксида кремния, Слоитвердых фторалемииатов натрия препятствуют проникновению алюминия во внутренние части спекэ, где по мере прогреваначинается реакция фторирования борного ангидрида тетрафторидом кремния - продуктом разложения кремнефторида натрия, с образованием газообразного трифторида бора:йаг 31 Е 6 = 2 йаЕ+ 5 Е; (2) 38 Е 4+ 2 В 203 4 ВЕЗ+ 3202 (3) который вместе с избыточным тетрафторидом кремния проходит через твердую фторалюминатную оболочку спека в объем металла и восстанавливается алюминием:ВЕз+ А= А 1 Ез+ В; (4) ЗЯЕ 4+ 4 А 1 = 4 АЕз+ 33 (5) Образующийся трифторид алюминия в виде сухого шлака всплывает на поверхность металла, При этом достигается высокая степень -очистки сплава от неметаллических включений, водорода и частично натрия за счет фторирования и флотировэния последних газами спекания (ВЕз, ВЕ 4) и продуктом восстановления газов спекания (А 1 Ез), С завершением реакции разложения кремнефторида натрия основная масса солевых продуктов реакции, которая остается в компактном виде, единовременно удаляется из металла.Предлагаемый способ получения боралюминиевого сплава позволяет повысить его качество (снижение содержания водорода, окиси алюминия, натрия) эа счет проработки всего объема металла газообразными Фторсодержащими продуктами спекаиия, повысить одйородность сплава по легирующим компонентам эа счет равномерного распределения бора по объему металла, Кроме того, снижаются трудозатраты за счет единовременной загрузки и извлечения большей части солев ых продуктов реакции иэ металла в компактном виде.Спекание смеси исходных реагентов при 450-520 С приводит к обезвоживанию и плавлению борного ангидрида, не вызываятермической диссоциации кремнефторидэ натрия и потерь фторирующего реагента в виде тетрафторида кремния.При температуре ниже 450 С не происходит образования спека, так как не достигается температура плавления кристаллического борного ангидрида. Спекание при температуре выше 520 С нецелесообразно, так как начинается термическая диссоциация кремнефторида натрия и теряется часть тетрафторида кремния, который в процессе получения сплава выполняет роль Фторирующего реагента по отношению к борному ангидриду. Потеря части тет,рафторида кремния на стадии приготовления спека приведен к уменьшению степени фторирования борного ангидрида при приготовлении сплава и,следовательно, к снижению извлечения бора в сплав.Для придания прочности спеку, погружаемому в жидкий алюминий при 730-880 С и для извлечения.солевых продуктов реакции в компактном виде, в состав исходной смеси борного ангидрида и кремнефторида натрия дополнительно вводят диоксид кремния, количество которого, в зависимости от температуры процесса, определяется по формуле:М+Т - 730) 0 6) где М - количество диоксида кремния, мас,%;Т - температура обрабатываемого металла, С,Получаемый по уравнению (6) интервал значений по содержанию диоксида кремния в исходной смеси, равный 0,8% для каждой температуры металла, представляет собой доверительный интервал значений, в котором с надежностью 95%.укладываются результаты всех экспериментов, и обусловлен главйым образом погрешностями опытов,Диоксид кремния не взаимодействует с тетрафторидом кремния- основным фторирующим реагентом смеси, а его роль заключается в том, что он в момент образования жидких фторалюминатов натрия по реакции (1) при температуре выше 730 С растворяется в них, повышая их вязкость и температуру. плавления так, что фторалюминаты остаются на поверхности спека в твердом состоянии.Этим предотвращается загрязнение металла солевыми продуктами реакции и они извлекаются после окончания процесса в компактном виде,Введение в исходную смесь диоксида кремния в количестве, меньшем, чем по расчетной формуле для соответствующей температуры процесса, приводит к разрушению спека после его загрузки в объем металла.Введение диоксида кремния в большем количестве, чем рассчитанное по формуле для соответствующей температуры процесса, нецелесообразно, поскольку требуемая прочность спека уже достигнута и введение избыточногодиоксида кремния увеличивает его расход, снижает извлечение бора в сплав, так как с возрастанием массовой доли диоксида кремния снижается массовое отношение кремнефторида натрия к борному ангидриду, что ведет к недостатку фторирующего реагента для борного ангидрида.Минимальное количество вводимого в смесь диоксида кремния при 730 равно 1 + 0,4 мас. от массы смеси. Макси 20 30 35 Снижение извлечения бора происходит по 40 45 50 55 51015 мальное количество вводимого в смесь диоксида кремния при 880 С равно 8 + 0,4 мас.% от массы смеси.При температуре легируемого металла ниже 730 С образуются твердые фторалюминаты натрия, в результате чего отпадает необходимость введения в состав исходной смеси диоксида кремния,Поскольку восстановление бора в предлагаемом способе идет через газовую фазу (ВГз), максимально возможное содержание бора в сплаве соответствует его полной растворимости в алюминии при данной температуре. Поэтому предлагаемый способ позволяет легировать алюминий бором только до содержания 0,24%, что соответствует полной растворимости бора при температуре алюминия 880 С (см. чертеж) и является вполне достаточным для большинства случаев легирования алюминия бором. Очевидно, что ограничение по температуре алюминия (880 С) связано с ограничением содержания диоксида кремния в исходной смеси, Чем больше содержание диоксида кремния в исходной смеси, тем при более высокой температуре алюминия можно проводить восстановление легирующей присадки, т.е. получать более богатый по бору сплав и одновременно достигать поставленную цель, Однако при содержании диоксида кремния в исходной смеси более 8%, что согласно уравнению (6) соответствует тем- пературе алюминия выше 880 С, извлечение бора в сплав резко снижается. тому, что с возрастанием массовой доли диоксида кремния в исходной смеси при поддержании оптимального массового отношения борного ангидрида к остальной части смеси (йа 2 Гб+ 5 О;) на уровне 1:(7-8), снижается массовое отношение йа 29 Г 6; В 20 з, в результате чего падает извлечение бора в сплав,Температура металла в процессе должна не менее чем на 300 С превышать температуру ликвидуса системы алюминий -расчетное содержание бора в сплаве дляравномерного распределения бора в металле и получения однородного сплава. Процесс восстановления бора иэ газообразного трифторида бора, который образуется при фторировании борного ангидрида тетрафторидом кремния, опережает диффузионное распределение растворенного бора по всему объему алюминия. Когда содержание бора в локальной области алюминия превышает его предельную растворимость при данной температуре, становится возможным образованием кристаллов диборида алюминия и их флотация газами спекания и образующимся трифторидом алюминия на поверхность сплава.В результате падает извлечение бора, Перегрев металла не менее чем на 30 С вышетемпературы ликвидуса системы алюминий - расчетное содержание бора в сплавеобеспечивает полное растворение бора валюминии даже в тех локальных областях,где концентрация бора превышает его растворимость в системе алюминий - расчетное содержание бора в сплаве при даннойтемпературе,Приготавливают 10 смесей йз 231 Р 6 ++В 20 з с массовым отношением Ма 2 ВГбФ;+ 8102 с различным содержанием 5 02(от 0,4до 9,55 мас.) при массовом отношении(йа 29 Гв + 8102):В 20 з, равным 8:1. Массалегирующей смеси в опытах варьируется в 20зависимости от необходимого количестваВ 20 з для данной температуры металла приподдержании постоянного массового соотношения между резгентзми исходной смеси. 255 смесей состава Йа 2311-6+ В 20 з передвведением в алюминий загружают в перфорированный колокольчик. 5 смесей составайа 29 Гб + В 20 з и 90 смесей, содержащихдиоксид кремния, помещают предварительно в Фарфоровые стаканчики. На 2/3 слояпорошка заглубляют жесткие связи в форместального плоского диска с центрованноприсоединенным стальным прутком. Подготовленные таким образом смеси спекают в 35интервале температур 430-540 С. Результаты спекания смесей представлены в табл. 1,При температуре 430 С смеси, как содержащие диоксид кремния (смеси 3; 5, 12,20, 25, 30, 35), так и не содержащие его 40(смесь 2), не спекаются. При спекании смесей при 540 С наблюдаются повышенныегазовые выделения, Результаты опробования неспекшихся смесей аналогичны результатам использования известных 45смесей,При использовании смесей, спеченныхпри 540 С (смесь 3), снижается извлечениебора в сплав; так как из-эа термической диссоциации Иа 2 ВРв происходят потери 31 Р 4, 50который в процессе легирования выполняетФункцию фторирующего реагента по отношению к борному ангидриду,Таким образом, оптимальный интервалспекания 450-520 С. 55Неспеченные смеси, приготовленныепо известному способу, и спеченные смесизагружают в алюминий массой 5;0 кг приразличных температурах металла и при различных перегревах металла относительно температуры ликвидуса системы алюминий - расчетное содержание бора в сплаве.Составы, загруженные в колокольчик изапеченные на жесткой связи, выдерживают до полного прекращения образованиясухого шлака на поверхности металла. Вслучае загрузки колокольчиком расплав прилегировании дополнительно перемешивают, а при загрузке спеченных смесей с диоксидом кремния перемешивание расплаваидет за счет выделения газов спекания иА 1 Рз,По окончании процесса основную маСсусолевых продуктов восстановления удаляютиз металла в компактном виде посредствомжесткой связи единовременно (при использовании неспеченных смесей до температуры металла 730 С и спеченных смесей снеобходимым количеством диоксида кремния при температурах металла 730-880 С).При ивпользовзнии неспеченных смесей в интервале температур легируемогометалла 730-880 С весь объем солевых продуктов реакции удаляют вручную с помощью скребка и шумовки, Пробы металладля анализов по содержанию примесей берут перед загрузкой легирующей присадкии по окончании процесса легирования послесъема шлака.Результаты исследования спеченныхсмесей и известных смесей приведены втабл, 2,Формула изобретенияСпособ получения бор-злюминиевогосплава, включающий спекание смеси борного ангидрида и фторсиликата натрия, загрузку спека и расплав алюминия, выдержкудо полного восстановления реагентов и разделение солевой и металлической Фзз, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества сплава, в спекаемую смесь до- .полнительно вводят диоксид кремния,количество которого определяют по формулеМ=О+ 214)-04 - %4где М - количество диоксида кремния;Т - температура обрабатываемого металла, С,спекание проводят при температуре 450520 С, а выдержку- в интервале температур730-8806, при этом температуру выдержки. определяют по Формуле,Тт,+30. где Тр - температура процесса, С; То - температура ликвидуса системы алюминий - расчетное содержание бора.10 1713963Ф1Х ОЭ О.Зэ аЯх этйх1 1 1 О(Ф э аэЗ Э УХо з э от а.с к с3-ЭОООСОо о- О ах8- ОтоОХХ Д ЭЭ сиЪМХ ВССЗ О Х О - Х СС1 СО- Ойтйэййэтеойеайе( ХС. Х С О 03 9(3зой (Чо иъйе йасС.ОВР КС йиЪ ХН Э1- сФХ аазС: й е Х в Ф ОС Х Фц 1Э ХЯ й 1 34 Э О.Е ССц йСС 4 Х й И О М (СЭССО Ф й О - е -Г " э 1 ОЭЕ й О СС 3 хоай Е Х Ф 1 1 а.о Х 1 О Е Э Хиъ иъ иъ иъ иъ иъл иъл с о иъМЪ иъиь .сО ъ иъ Оъ м а с с с аффффф ОЪ оо -С Олл 1а О а4. 11ОСа 1 ОЪОЪ4 Ффа1 Ф СОФ 1 й 1 Еиъиъо иъ иъиь иъиъиъиъиЪиъиьОО С(Ч ООЧОМ ЛЮЪЯ В 1 Эиъ 1м 1 1с 3ОЪ Х1а;1С:(ЪооиъмОъиъмоф сс а Вф СОЛ ОО Л ЛСОФСОффСОфф оо СО ВО о ООО ъО иЪ иъиЪ СО ф СО СО СО Ф СО О ОЪОЪ Флл СО1 ЮО ЛСО1 1 1 1 11 111иъ иъ с иъ иъ (ъ иъсО (ч иъ О сО (ч ъО в а я а (Ч гЪМММ С С сч(ч(ч Оъоо СО СО СО Ф СО СО СО СО 1 1 1 1 1 1 1 1О9Р 3 Э 1 СО О1 63 е 1 а О СО1 111 а О131713963 Продолжение табл.2 е Содержание примесей при оптииальных условиях легироеание , мас,ФСмесь Ф еВ исходном металле В сплаве А 1 зочЮан,А 1 аозНа нв 1 0,0098 0,0030 0,19 2 Ов 0100 Ог 0031 Ов 9 34 в 0,170,15 0,19 0,15 0,0120 0,0065 0,0059 0,0035 0,00310,003050,00220,0018 5 0,0075 0,00220,21 0,0037 0,0018 0,16 6 7 В 9 0,0038 0,0038 0,0060 0,0032 0,16 0,16 0,18 0,15 0,0017 0,0017 О,ООЗО 0,0026 10 От 0033 . Ов 20 0,0080 0,0035 0,0024 0,15 11 12 13 14 0,0035 0,0025 0,0037 ф 0,0023 Ов 0037 Ов 0025 О,ОО 8, О,ОО 1 0,16 0,16 0,2 0,17 0,0055 0,0026 0,265 0,17 0,0030 0,0020 16 17 18 19 о,ооза0,00320,00310,0024 0,0021 0,0020 0,0022 0,0020 0,18 0,19 0,26 0,14 20 Овд 040 От 0024 Ов 31 0,14 0,15 0,16 0,26 0,17 0,0025 О, 0020 211222324 0,0025 0,0027 0,0053 Ов 0030 О,ОО 1 0,0020 От 0020 0,0017 25 О,ООВО О,ОО 2 а,ЗЗ О 0016 0 1 У 0,0032 0,18 0,18 0,29 0,22 26 27 28 29 0,0033 0,0035 0,0071 0,0040 0,0016 0,0015 0,0028 0,0024 30 О 0110 Овоозо Ов 44.в 0,0040 0,00250,25 0,0042 0,0023 0,2632 Ов 0045 0,00230,270,0044 0,0030 0,32о,ооЗВ о,оо 5 о,2735 ОвООУУ Ов 0032 Ов 47 Ово 037 Ов 0024 0,29"36 0,0040 0,0024 0,3037 0,0039 0,0023 0,28 .Ае Фее е течетеПерегрев металла виже температуры ликвидуса системц алюминий - расчетное содержание бора.олич тво примесей а исходнои металле и сплавах дано в следующих единицах измерение: А 1 О с Ф Н ЛОО А 1ф Количествоав. ф Использ етсф К Фиаси гу тС НЕСПЕЧЕННа СМЕСЬ ИЕЗАГВ + ВЗОЗт ЗаГружавиа а Мвтапп С ПОМОЩЬ ПЕРФОрнрюеаННОГО КОЛОКОЛЬЧИКа.1713963 Ю 7 Ю ада а дХ /в ОИ У 50 р Н,62ИПИ Государств11 аказВН тиям при ГКНТ СС во/Ф в Ю В 90 8 И ВР В Щ БУО Составитель 8. Нечаевола Техред М.Моргентал Корректор М, Шарощи Тираж Подпис ного комитета по изобретениям и от 35, Москва, ЖРаушская наб., 4/ твенно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарин