Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор

Изобретение относится к получению лигатурного сплава на основе алюминия, который может быть использован для очистки алюминия, получаемого электролизом, от переходных элементов. Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор включает алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов. В качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF3, или смесь NaF-AlF3, или смесь KF-NaF-AlF3, в качестве борсодержащего компонента используют B2O3, или KBF4, или NaBF4, или Na2B4O7. Изобретение направлено на получение лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10,0 мас.% бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF3 и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза. 6 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к получению лигатурного сплава алюминия, который может быть использован для очистки алюминия, получаемого электролизом, от переходных элементов, повышая его чистоту и улучшая эксплуатационные характеристики (электропроводность и др.). Благодаря высокой электропроводности и высоким прочностным характеристикам, сплавы алюминий-бор могут использоваться в качестве относительно недорогого электропроводящего армирующего материала, например в аэрокосмической промышленности.

Известен способ получения сплава алюминий-бор-титан (RU 2466202, публ. 10.11.2012) [1]. Способ включает плавление первичного алюминия, порционное введение в расплав алюминия титансодержащего и борсодержащего компонентов, перемешивание алюминия и его разливку, охлаждение и термическую обработку, при этом в качестве борсодержащего компонента используют H3BO3, который порционно вводят в алюминий с температурой 950-1050°С, отливку лигатуры подвергают термической обработке по следующему режиму: нагрев до 460-490°С, выдержка при этой температуре в течение 11-15 ч, разогрев до 520-550°С, выдержка при этой температуре в течение 8-12 ч и последующее охлаждение на воздухе со скоростью 200-250°С/мин.

Недостатками известного способа являются относительно высокая температура синтеза, сложность управления параметрами синтеза, сложность конструкции реактора, подразумевающая наличие устройства для отвода паров воды при 950-1050°С для обеспечения безопасности процесса и, как следствие, высокие энергозатраты. Получаемый сплав содержит титан и не более 2.0 мас.% бора.

Известен также способ получения сплава алюминий-бор (Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1987, №2, с. 32-36) [2]. Способ включает плавление смеси алюминия с борсодержащим компонентом (В2О3) в криолитовом расплаве (смесь фторидов натрия и алюминия) при температуре 950-1000°С. Преимуществом способа является простота конструкции реактора, при этом способ обладает такими недостатками как относительно высокая температура процесса, низкое, до 0.3-0.4 мас.%, содержание бора в сплаве и низкая степень извлечения бора ввиду нестабильности борсодержащих соединений в криолитовом расплаве при температуре 950-1000°С.

Попытка повышения степени извлечения бора в алюминий из расплавленного криолита произведена за счет ведения электролиза данного расплава в известных способах получения сплава алюминий-бор при температуре 950-1000°С (Proc. Int. Symposium on production, refining, fabrication and recycling of light metals: Hamilton. Ontario. Aug. 26-30, 1990, p. 49-57 / Известия ВУЗов. Цветная металлургия, 1979, №14, с. 22-24) [3, 4]. Однако с использованием дополнительных энергозатрат максимальное содержание бора в получаемых сплавах алюминий-бор составило 0.12 мас.%.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения сплава алюминий-бор (Transactions Nonferrous Metal Society of China, 2013, Vol. 23, p. 294-300) [5]. Способ включает порционное введение борсодержащего компонента KBF4 в расплавленный алюминий при 800°С, который перемешивают со скоростью 700 об/мин. Содержание бора в получаемых сплавах алюминий-бор составляет 3 мас.%.

Преимуществами способа являются низкая температура синтеза и относительно высокое содержание бора в получаемом сплаве алюминий-бор. В качестве недостатков стоит отметить низкую термическую устойчивость используемого борсодержащего компонента и вызванные этим высокие потери бора. Помимо этого известный способ получения сплава алюминий-бор, как и выше описанные способы, характеризуются накоплением отходов солей.

При этом необходимо отметить, что стремление к повышению степени извлечения и содержания бора в лигатурном сплаве алюминий-бор обусловлено экономическими факторами. Поскольку лигатурные сплавы представляют собой полупродукт, который для получения сплавов алюминий-бор с необходимым содержанием бора и определенными физико-механическими свойствами разбавляют жидким алюминием, то для получения одинакового объема такого сплава потребуется меньше того лигатурного сплава алюминий-бор, в котором содержание бора выше. При этом стоимость лигатурного сплава от содержания бора мало зависит.

Задачей изобретения является получение лигатурного сплава с содержанием бора, обеспечивающим экономичность способа, возможность вести синтез в температурном диапазоне термической устойчивости используемых борсодержащих компонентов, а также исключение отходов солей с борсодержащим компонентом.

Для этого предложен способ получения лигатурного сплава алюминий-бор, включающий алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве алюминия, отличающийся тем, что алюмотермическое восстановление осуществляют в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов.

В качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF3, или смесь NaF-AlF3, или смесь KF-NaF-AlF3.

В качестве борсодержащего компонента используют B2O3, или KBF4, или NaBF4, или Na2B4O7.

В процессе алюмотермического восстановления содержание в смеси борсодержащего компонента, алюминия и смеси фторидов поддерживают постоянным.

При использовании в качестве борсодержащего компонента B2O3 или Na2B4O7 расплавленную смесь алюминия и фторидов, содержащую борсодержащий компонент, подвергают электролизу.

При использовании в качестве борсодержащего компонента KBF4 в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов NaF и AlF3.

При использовании в качестве борсодержащего компонента NaBF4 или Na2B4O7 в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов KF и AlF3.

Сущность заявленного способа заключается в следующем. При контакте алюминия с борсодержащим компонентом из числа В2О3, KBF4, NaBF4, Na2B4O7 происходит алюмотермическое восстановление перечисленных борсодержащих компонентов с образованием бора в алюминии, накоплением оксида алюминия и фторидов натрия и калия в расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия. Помимо того, что борсодержащие компоненты В2О3, KBF4, NaBF4, Na2B4O7 являются наиболее доступными, они, в отличие, например, от H3BO3, являются безопасными при использовании.

Для поддержания высокой скорости синтеза, снятия возможных диффузионных и пассивационных затруднений образующиеся побочные продукты отводят от фронта реакции алюмотермического восстановления использованием расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия в соотношении, позволяющем синтезировать сплав алюминий-бор при температуре выше температуры плавления алюминия (около 680°С) и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов в расплавленной смеси (около 850°С). Соотношения фторидов натрия, калия и алюминия в расплавленной смеси подбираются на основании известных данных по температурам ликвидуса соответствующих смесей (J. Chem. Eng. Data, 2010, V. 55, р. 4549 / Электрохимия, 2010, Т. 46, с. 672-678) [6, 7].

Постоянство состава расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия в заявляемом способе обеспечивают путем подбора соотношения добавляемых борсодержащих компонентов (добавка KBF4 - для повышения доли фторида калия; добавки NaBF4 и Na2B4O7 - для повышения доли фторида натрия) либо путем добавления фторидов натрия, калия и алюминия. При использовании в качестве борсодержащего компонента B2O3 или Na2B4O7 расплавленную смесь фторидов натрия, калия и алюминия подвергают электролизу, обеспечивая его регенерацию от накапливаемого оксида алюминия путем его электролитического разложения по суммарной реакции 2Al2O3=4Al+3O2.

Для повышения степени усвоения бора и более равномерного его распределения в алюминии последний подвергают механическому или магнитогидродинамическому перемешиванию при температуре не ниже температуры синтеза сплава алюминий-бор. По окончании готовый лигатурный сплав сливают в изложницу, а расплавленную смесь фторидов натрия, калия и алюминия используют для дальнейшего получения сплава алюминий-бор. Полученный охлажденный лигатурный сплав представляет собой твердый раствор элементарного бора и боридов алюминия в алюминиевой матрице и предназначен для приготовления сплавов алюминий-бор с необходимым содержанием бора путем его разбавления жидким алюминием.

Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10.0 мас.% бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF3 и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза.

Заявленный способ иллюстрируется изображением поперечного среза лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием компонентов в разных точках и примерами получения лигатурного сплава, осуществляемого в графитовом тигле.

Пример 1.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 50 г

- борсодержащий компонент KBF4 - 7.5 г

- смесь фторидов (мас.%) - 52KF-48AlF3 - 50 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления и выдерживали при температуре 700°С в течение 120 мин в условиях механического перемешивания. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали. По результатам химического анализа наблюдали повышение доли KF в солевом флюсе до 54 мас.%. С целью дальнейшего использования в охлажденную и измельченную смесь фторидов калия и алюминия добавляли AlF3, доводя состав смеси до исходного (мас.%: 52KF-48AlF3).

Суммарное содержание бора в алюминии по результатам химического и микрорентгеноструктурного анализов составило около 2.7 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 20-25 мас.%. (см. изображение поперечного среза сплава алюминий-бор и содержание компонентов в разных точках).

Пример 2.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 50 г

- борсодержащий компонент B2O3 - 5 г

- смесь фторидов (мас.%) - 39KF-10NaF-51AlF3 - 50 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления при температуре 820°С, после чего в реакционную смесь каждые 30 мин добавляли 5 г борсодержащего компонента - оксида бора (В2О3). Для разложения образовавшегося оксида алюминия расплавленную смесь фторидов калия, натрия и алюминия подвергали гальваностатическому электролизу (ток - 1.5 А, напряжение - 2.2-2.4 В), при этом анодом служил графитовый стержень, а катодом - алюминий на дне тигля. Токоподвод к алюминию был выполнен из графита и одновременно служил механической мешалкой. Общее время синтеза составило 120 мин. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали.

Изменения долей компонентов солевого флюса практически не изменились (в пределах погрешности измерения). Суммарное содержание бора в алюминии составило около 8.0 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 30-50 мас.%.

Пример 3.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 70 г

- борсодержащий компонент NaBF4 - 7.0 г

- смесь фторидов (мас.%) - 40KF-8NaF-52AlF3 - 100 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления и выдерживали при температуре 800°С в течение 60 мин в условиях механического перемешивания. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали. По результатам химического анализа наблюдали повышение доли NaF в расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия до 8.5 мас.%. Для корректировки состава с целью дальнейшего использования в смесь (охлажденную и измельченную) добавляли KF и AlF3.

Суммарное содержание бора в алюминии составило около 1.5 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 10-20 мас.%.

Пример 4.

Для получения лигатурного сплава алюминий-бор использовали:

- алюминий гранулированный электротехнической чистоты - 75 г

- борсодержащий компонент Na2B4O7 - 3.0 г

- смесь фторидов (мас.%) - 40NaF-60AlF3 - 75 г.

Полученную смесь из алюминия, борсодержащего компонента и смеси фторидов доводили до плавления при температуре 825°С после чего в реакционную смесь каждые 15 мин добавляли борсодержащий компонент - буру (Na2B4O7). Для разложения образовавшегося оксида алюминия расплавленную смесь подвергали гальваностатическому электролизу (ток - 2.0 А, напряжение - 2.3-2.6 В), при этом анодом служил графитовый стержень, а катодом - алюминий на дне тигля. Токоподвод к алюминию был выполнен из графита и одновременно служил механической мешалкой. Общее время синтеза составило 90 мин. По окончании синтеза полученный сплав алюминий-бор сливали в изложницу и охлаждали.

Изменения долей фторидов натрия, калия и алюминия в расплавленной смеси практически не изменились (в пределах погрешности измерения). Суммарное содержание бора в алюминии составило около 4.5 мас.%, при этом часть бора представлена в виде интерметаллидных образований с содержанием бора 20-25 мас.%.

Заявленный способ позволяет реализовать получение лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10.0 мас.% бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF3 и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза.

1. Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор, включающий алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве алюминия, отличающийся тем, что алюмотермическое восстановление осуществляют в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF3, или смесь NaF-AlF3, или смесь KF-NaF-AlF3.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве борсодержащего компонента используют B2O3, или KBF4, или NaBF4, или Na2B4O7.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе алюмотермического восстановления содержание в смеси борсодержащего компонента, алюминия и смеси фторидов поддерживают постоянным.

5. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при использовании в качестве борсодержащего компонента B2O3 или Na2B4O7 расплавленную смесь алюминия и фторидов, содержащую борсодержащий компонент, подвергают электролизу.

6. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при использовании в качестве борсодержащего компонента KBF4 в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов NaF и AlF3.

7. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что при использовании в качестве борсодержащего компонента NaBF4 или Na2B4O7 в смесь борсодержащего компонента и алюминия добавляют смесь фторидов KF и AlF3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к порошковой металлургии с использованием технологии быстрой кристаллизации, в частности к получению заготовок из алюминиевых сплавов. Предложенный способ включает приготовление алюминиевого расплава, центробежное литье гранул, их охлаждение и последующую ступенчатую вакуумную дегазацию в герметичных технологических капсулах, затем ведут компактирование гранул в герметичных технологических капсулах без дополнительного нагрева в контейнере пресса, нагретом до температуры не менее 400°C, и механическую обточку скомпактированных брикетов с получением компактных заготовок.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к получению сплава алюминия с редкоземельными металлами, и может быть использовано для получения алюминиевого сплава с 0,2-0,4 мас.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам для использования в производственной технологии ударного прессования для создания формованных контейнеров и других изделий промышленного производства.

Изобретение относится к полуфабрикатам из алюминиевого сплава, изготовленным полунепрерывной вертикальной разливкой с прямым охлаждением, которые могут быть использованы для изготовления конструкционных элементов для авиационно-космической промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению биметаллических заготовок из алюминиево-оловянных антифрикционных сплавов путем изменения их физической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения.

Изобретение относится к брикетам для легирования при выплавке алюминиевых сплавов. Брикет содержит стружку сплава алюминия с медью и частицы меди в количестве 20-40 мас.% от общей массы брикета.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформированным борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам в виде листов, к которым предъявляются специальные требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деформированных полуфабрикатов в виде прессованных профилей, прутков, труб, катаных плит и листов, предназначенных для использования в строительстве, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению травленой конденсаторной алюминиевой фольги. Способ получения травленой катодной конденсаторной алюминиевой фольги, содержащей 0,001-0,1 мас.% скандий, толщиной 20-60 мкм, включает легирование алюминия высокой чистоты скандием, горячую прокатку и холодную прокатку до толщины 20-60 мкм, при этом легирование осуществляют путем добавления к алюминию чистотой 99,99% лигатуры Al-Sc2% в соотношении по массе от 1:2000 до 1:20, а после холодной прокатки гладкую фольгу подвергают электрохимическому травлению в водном электролите, содержащем, г/л: NaCl - 150-300, Na2SO4 - 15-30, полиэтиленгликоль - 0,1-1, при температуре 85-95°С и плотности тока - 0,5-0,7 А/см2.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства лигатуры алюминий-скандий-иттрий, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов.
Изобретение относится к получению высокопористого ячеистого материала. Способ включает приготовление суспензии из смеси порошков и раствора органического вещества, нанесение суспензии на пористый полимерный материал, сушку полученной заготовки, удаление из нее нагреванием органических веществ с последующим спеканием.

Группа изобретений относится к композитному материалу для землебурильного долота. Способ изготовления композитного материала включает смешивание первой составляющей твердой фазы в виде карбида со связующим веществом, второй составляющей твердой фазы в виде пористого карбида, имеющего пористость по меньшей мере 1% и содержащего от 0,1 мас.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении литых доэвтектических, эвтектических и заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов).

Изобретение может быть использовано в составе порошковых проволок, покрытых электродов и флюсов для сварки и наплавки. Модификатор содержит нанопорошок тугоплавкого соединения, выбранного из группы, включающей карбид, нитрид, оксид, карбонитрид, оксикарбонитрид металла, в качестве инокулятора и протектор.

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению литых шихтовых заготовок электродов из высоколегированных сплавов на основе алюминидов никеля, и может быть использовано для центробежной атомизации материала электродов и получения гранул для применения в аддитивных 3D-технологиях с целью получения сложнопрофильных изделий из жаропрочных металлических материалов.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения композиционных литых материалов для деталей транспортных средств, машин и оборудования.

Изобретение относится к порошковой металлургии с использованием технологии быстрой кристаллизации, в частности к получению заготовок из алюминиевых сплавов. Предложенный способ включает приготовление алюминиевого расплава, центробежное литье гранул, их охлаждение и последующую ступенчатую вакуумную дегазацию в герметичных технологических капсулах, затем ведут компактирование гранул в герметичных технологических капсулах без дополнительного нагрева в контейнере пресса, нагретом до температуры не менее 400°C, и механическую обточку скомпактированных брикетов с получением компактных заготовок.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к получению сплава алюминия с редкоземельными металлами, и может быть использовано для получения алюминиевого сплава с 0,2-0,4 мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии приготовления модифицирующих лигатур алюминий-титан, которые применяются при приготовлении алюминиевых сплавов для измельчения структуры отливаемых из них изделий.

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена для разрушаемого скважинного инструмента. Разрушающаяся трубная заанкеривающая система содержит элемент в форме конической призмы; втулку по меньшей мере с одной первой поверхностью, радиально изменяющейся в ответ на продольное перемещение элемента в форме конической призмы относительно втулки, причем первая поверхность может взаимодействовать со стенкой конструкции; уплотнение по меньшей мере с одной второй радиально изменяющейся поверхностью и гнездо, имеющее контактную площадку, взаимодействующую с уплотнением со съемной пробкой, спускаемой на нее враспор.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения полуфабриката, состоящего из волокон тугоплавких соединений и напыленного на них матричного материала из титана и его сплавов, предназначенного для изготовления волокнистого композиционного материала, применяемого в качестве конструкционного материала при изготовлении тяг привода реверса, лопаток КНД и КВД, вала вентилятора, и может быть использовано в авиационной технике, а также транспорте, робототехнике, судостроении. Способ включает покрытие непрерывных волокон, выбранных из группы, содержащей бор, карбид кремния и оксид алюминия, титан или титановый сплав, методом физического осаждения из газовой фазы, при этом перед осаждением проводят плазменную очистку волокон с подачей инертного газа, осаждение осуществляют при мощности от 3 до 7 кВт в течение 2-8 часов без реакционноспособной атмосферы, после чего осуществляют термическую обработку напыленных волокон при температуре 600-850°C. Способ позволяет получить на волокнах равномерное однородное по составу покрытие, что повышает их прочность на растяжение. 4 пр., 1 табл.

Изобретение относится к получению лигатурного сплава на основе алюминия, который может быть использован для очистки алюминия, получаемого электролизом, от переходных элементов. Способ получения лигатурного сплава алюминий-бор включает алюмотермическое восстановление борсодержащего компонента в расплаве, содержащем алюминий и смесь фторидов натрия, калия и алюминия, при температуре расплава выше температуры плавления алюминия и температуры плавления смеси фторидов и ниже температуры разложения борсодержащих компонентов. В качестве смеси фторидов используют смесь KF-AlF3, или смесь NaF-AlF3, или смесь KF-NaF-AlF3, в качестве борсодержащего компонента используют B2O3, или KBF4, или NaBF4, или Na2B4O7. Изобретение направлено на получение лигатурного сплава алюминий-бор с содержанием до 10,0 мас. бора с высокой степенью усвоения бора алюминием, низкими потерями бора в виде летучего BF3 и возможностью корректировки и регенерации расплавленной смеси фторидов натрия, калия и алюминия для поддержания параметров синтеза. 6 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 ил.

Наверх