Способ алюминотермического получения углеродсодержащих лигатур для легирования титановых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству лигатур, содержащих углерод, используемых для легирования титановых сплавов. Способ включает загрузку в плавильный агрегат шихты, состоящей из алюминия, флюсовых добавок, материалов, содержащих карбидообразующие элементы, материалов, содержащих углерод, и проведение плавки. В качестве материалов, содержащих углерод, используют соединения карбида алюминия, а плавку проводят при температуре, выше температуры диссоциации карбида алюминия. Изобретение позволяет увеличить содержание углерода в лигатуре и повысить ее качество.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к производству лигатур, содержащих углерод, используемых для легирования титановых сплавов.

Легирование титана в процессе выплавки слитков методом вакуумной дуговой плавки представляет достаточно сложную техническую проблему, поскольку при производстве легированных титановых сплавов в их состав вводятся элементы, существенно отличающиеся от основного металла по ряду физических свойств, таких как температура плавления, плотность, растворимость в титане и т.д. Использование в шихту чистых металлов может приводить к появлению включений в самих полуфабрикатах из них. Поэтому для легирования, как правило, применяют лигатуры, содержащие несколько компонентов в своем составе, которые обязательно входят в качестве легирующих элементов в состав выплавляемого сплава.

Наиболее широко в настоящее время применяют лигатуры, полученные методом алюминотермического восстановления металлов из их окислов. Протекание восстановительного процесса возможно в том случае, когда сродство восстанавливаемого металла к кислороду значительно меньше, чем у алюминия, при этом количество выделяющегося тепла должно быть достаточно для расплавления продуктов реакции и их перегрева до температур, на 100-200°С превышающих температуру наиболее тугоплавкой составляющей шихты. Благодаря этому будет обеспечиваться разделение расплава на шлак и металл вследствие их различной плотности.

В последние годы при производстве титановых сплавов получил достаточно широкое распространение в качестве легирующего элемента углерод, который обычно рассматривался в титановых сплавах только как примесь.

Известен способ алюминотермического изготовления комплексной лигатуры, содержащей углерод, в котором в составе шихтовых материалов используются свободный углерод или свободный углерод и легирующие металлические добавки, образующие карбидные соединения (Береславский А.Л.и др. Производство лигатур для выплавки судостроительных титановых сплавов, легированных углеродом. Журнал «Титан», №3-4, 1995 г., стр.16) - прототип.

Недостатком данного способа является то, что расчетное отношение карбидообразующих элементов и, прежде всего к углероду, накладывает ограничения на химический состав комплексной лигатуры, поскольку от него зависит их предельно допустимое соотношение, свыше которого комплексная лигатура становится непригодной для выплавки сплава данной композиции.

Кинетические и термодинамические особенности процесса взаимодействия чистого углерода с расплавом в условиях алюминотермической плавки накладывают ограничения на предельное насыщение лигатуры углеродом. Это связано с неконтролируемым выгоранием части углерода и неоднородностью его распределения в лигатуре. Для лигатуры A-V-C (алюминий-ванадий-углерод) отношение V/C>20.

Использование титана в качестве карбидообразующей добавки позволяет увеличить содержание углерода в лигатуре приблизительно в 1,5 раза (V/C≤15). Но в то же время введение титана, не участвующего в процессе восстановления окислов металлов и хорошо растворяющего кислород, оказывает очень существенное влияние на содержание последнего в лигатуре: с увеличением содержания титана растет содержание кислорода в лигатуре.

Целью данного изобретения является увеличение содержания углерода в лигатуре и повышение качества лигатуры.

Техническим результатом является расширение диапазона баланса карбидообразующих элементов и углерода в комплексной лигатуре, а также повышение однородности лигатуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе алюминотермического получения углеродосодержащих лигатур для легирования титановых сплавов, включающем загрузку в плавильный агрегат шихты, состоящей из алюминия, материалов, содержащих карбидообразующие элементы, материалов, содержащих углерод, флюсовых добавок, и проведение плавки, в качестве материалов, содержащих углерод, используют карбид алюминия, а плавку проводят при температуре, выше температуры диссоциации карбида алюминия.

Диссоциация карбида алюминия происходит при температуре порядка 2000°С, благодаря этому не происходит выгорания углерода. Углерод выделяется непосредственно в расплав и равномерно распределяется по всему объему, находится как в свободном состоянии, так и образует с металлами карбидные соединения. Добавленный при необходимости в шихту титан выполняет стабилизирующую роль в процессе алюминотермического восстановления окислов, особенно слабо карбидообразующих элементов

Пример осуществления изобретения

Для приготовления шихты использовали следующие компоненты, %:

- порошок алюминия ПФ-4 (АПЖ) - 42;

- карбид алюминия - 5,6;

- пятиокись ванадия - 44;

- оксид кальция - 3,5;

- фторид кальция - 1,6;

- титан губчатый - 1,6;

- оборотные отходы - 2,2.

После взвешивания взятые компоненты смешивали в биконическом смесителе в течение 20-25 мин. Приготовленную смесь засыпали в медный реакционный тигель, уплотняли, засыпали сверху инициирующую смесь (KMnO₄+Al), устанавливали электрозапал и поджигали. Продукт плавки извлекали через 40 мин из реакционного тигля. Из данной шихты выплавили 500 кг лигатуры.

Состав полученной лигатуры, %:

Углерод - 4,0-4,6;

Ванадий - 57-60;

Алюминий - 36-38;

Титан - остальное.

Данное изобретение (по сравнению с прототипом) позволяет повысить содержание углерода в лигатуре до 1,5 раз, повысить ее однородность и снизить содержание кислорода, что особенно ценно при вакуумной дуговой выплавке титановых сплавов.

Способ алюминотермического получения углеродсодержащих лигатур для легирования титановых сплавов, включающий загрузку в плавильный агрегат шихты, состоящей из алюминия, флюсовых добавок, материалов, содержащих карбидообразующие элементы, и материалов, содержащих углерод, и проведение плавки, отличающийся тем, что в качестве материалов, содержащих углерод, используют соединения карбида алюминия, а плавку проводят при температуре выше температуры диссоциации карбида алюминия.