Разработка технологии получения титансодержащей прутковой лигатуры для модифицирования алюминиевых сплавов

Приведены результаты экспериментальных исследований по разработке метода получения титансодержащей прутковой лигатуры, изучению ее структуры и модифицирующей способности. Отличительные особенности новой технологии заключаются в использовании в качестве титанового сырья титановой губки и/или титановой стружки, первоочередном легировании алюминия титаном, а затем бором, введении титана в два этапа: первоначально в расплаве алюминия растворяют 2/3 металлического титанового сырья, а оставшееся количество вводят после восстановления тетрафторбората калия. Также предусматрены предварительная пропитка титановой губки галогенидсодержащим флюсом и использование брикетированной смеси KBF4 + Al-порошок. Приводится описание экспериментальной технологии приготовления расплава лигатуры Al–Ti–B, рассчитано извлечение титана и бора в лигатуру, исследована ее микроструктура, определены химический и молекулярный составы образовавшихся шлаков. Деформационная обработка для получения прутковой лигатуры осуществлялась методом бесслитковой прокатки–прессования (БПП), что позволило нивелировать дефекты литой структуры. Установлено, что применение высокоскоростной кристаллизации–деформации при реализации совмещенного процесса БПП позволяет получать лигатурные прутки заданного диаметра при минимальных энергозатратах с требуемым комплексом механических и эксплуатационных свойств. Проведена количественная оценка модифицирующей способности опытной лигатуры в литом состоянии и лигатурного прутка, полученного методом БПП, в деформированном состоянии в сравнении с серийно выпускаемой прутковой лигатурой производства «KBM Affilips» (Нидерланды/Бельгия). На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны состав и технология получения модифицирующей лигатуры Al–Ti–B с использованием в качестве легирующих добавок титановой губки и/или стружки и тетрафторбората калия с содержанием 3,0±0,3 % титана и 1,0±0,2 % бора, что соответствует требованиям, предъявляемым к составу лигатур для алюминия.

1. Rosenhain W., Grogan J., Schofield T. Gas removal and grain refinement of aluminum alloys. Foundry Trade J. 1930. Vol. 43. Р. 177—180.

2. Sigworth G.K. The grain refining of aluminum and phase relationships in the Al—Ti—B system. Metal. Trans. A. 1984. Vol. 15(2). P. 277—282.

3. Sigworth G.K., Kuhn T.A. Grain refinement of aluminum casting alloys. Int. J. Metalcasting. 2007. Vol. 1(1). P. 31—40.

4. Напалков В.И., Бондарев Б.И., Тарарышкин В.Ч., Чухров М.В. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. М.: Металлургия, 1983. Napalkov V. I., Bondarev B. I., Tararyshkin V. Ch., Chukhrov M. V. Ligatures for the production of aluminum and magnesium alloys. Moscow: Metallurgiya, 1983 (In Russ.).

5. Amulya B., Satyabrat D., Bharat B., Nedumbilly P. Effect of Al—5Ti—1B grain refiner on the microstructure, mechanical properties and acoustic emission characteristics of Al5052 aluminium alloy. J. Mater. Res. Technol. 2015. Vol. 4. P. 171—179.

6. Birol Y. An improved practice to manufacture Al—Ti— B master alloys by reacting halide salts with molten aluminium. J. Alloys Compd. 2006. Vol. 420. P. 71—76.

7. Quested T.E., Greer A.L., Cooper P.S. The variable potency of TiB2 nucleates particles in the grain refinement of aluminum by Al—Ti—B additions. Mater. Sci. Forum. 2002. Vol 396-402. P. 53—58.

8. Venkateswarlu K., Murty B.S., Chakraborty M. Effect of hot rolling and heat treatment of Al—5Ti—1B master alloy on the grain refining efficiency of aluminum. Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 301. P.180—186.

9. Quested T.E. Understanding the mechanisms of grain refinement by inoculation. Mater. Sci. Technol. 2004. Vol. 20. P. 1357—1369.

10. Wang X., Han Q. Grain refinement mechanism of aluminum by Ai—Ti—B. Master. Alloys. Light Metals. 2016. No. 1. P. 187—193.

11. Birol Y. Production of Al—Ti—B grain refining master alloys from Na2B4O7 and K2TiF6. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 458(1-2). P. 271—276.

12. Shu D., Sun B.D., Mi J.W., Grant P.S. Refinement of TiB2 in Al—Ti—B grain refiner alloys by ultrasound and the effect on Al grain size. Mater. Sci. Forum. 2010. Vol. 654-656. P. 958—961.

13. Чеглаков В.В., Шпаков В.И., Мамина Л.И. Влияние условий приготовления лигатуры Al—Ti—B на степень перехода бора из его солей. Литейное производство. 2001. No. 1. С. 20—22. Cheglakov V.V., Shpakov V.I., Mamina L.I. Influence of Al—Ti—B ligature preparation conditions on the degree of boron transition from its salts. Litejnoe proizvodstvo. 2001. No. 1. P. 20—22 (In Russ.).

14. Костин И.В., Безруких А.И., Беляев С.В., Фролов В.Ф., Губанов И.Ю., Лесив Е.М., Степаненко Н.А. Исследование технологии модифицирования при литье плоских слитков 5ХХХ серии. Журн. СФУ. Химия. 2017. No. 1. С. 90—98. Kostin I.V., Bezrukikh A.I., Belyaev S.V., Frolov V.F., Gubanov I.Y., Lesiv E.M., Stepanenko N.A. Research of modification technology in the casting of flat ingots of the 5XX series. Zhurnal SibFU. Khimiya. 2017. No. 1. P. 90—98 (In Russ.).

15. Nikitin V.I., Wanqi J.I.E., Kandalova E.G., Makarenko A.G., Yonk L. Preparation of Al—Ti—B grain refiner by SHS technology. Scripta. Mater. 2000. Vol. 42. P. 561—566.

16. Dai W., Wang X., Zhao W., Han Q. A сomparison of the effects of Al—Ti—B type grain refiners from different makers on pure aluminum. Light Metals. 2014. No.1. P. 945—949.

17. Casari Daniele, Merlin Mattia, Garagnani G. A comparative study on the effects of three commercial Ti—Bbased grain refiners on the impact properties of A356 cast aluminium alloy. J. Mater. Sci. 2013. Vol. 48. P. 4365—4377.

18. Сидельников С.Б., Лопатина Е.С., Довженко Н.Н., Дроздова Т.Н., Беляев С.В., Баранов В.Н., Константинов И.Л., Сидельников А.С., Беспалов В.М. Особенности структурообразования и свойства металла при высокоскоростной кристаллизации—деформации и модифицировании алюминиевых сплавов. Красноярск: СФУ, 2015. Sidelnikov S.B., Lopatina E.S., Dovzhenko N.N., Drozdova T.N., Belyaev S.V., Baranov V.N., Konstantinov I.L., Sidelnikov A.S., Berspalov V.M. Features of structure formation and properties of metal during high-speed crystallization-deformation and modification of aluminum alloys. Krasnoyarsk: SibFU, 2015 (In Russ.).

19. Сидельников С.Б., Ворошилов Д.С., Старцев А.А., Ковалева А.А., Лопатина Е.С., Галиев Р.И., Зудин Н.А. Исследование параметров совмещенной обработки для получения лигатурных прутков из сплавов системы Al—Ti—B. Журн. СФУ. Техника и технологии. 2015. No. 5 С. 646—654. Sidelnikov S. B., Voroshilov D. S., Startsev A. A., Kovaleva A.A., Lopatina E.S., Galiev R.I., Zudin N.A. Investigation of parameters of combined processing for obtaining ligature rods from alloys of the Al—Ti—B system. J. SibFU. Technika i technologii. 2015. No. 5. P. 646—654 (In Russ.).

20. Dovzhenko I.N., Dovzhenko N.N., Sidelnikov S.B., Galiev R.I. 3D modelling of combined rolling-extrusion of alloying rods of Al—Ti—B. Non-Ferr. Metals. 2017. Vol. 43. No. 2. P. 50—55.

21. Баранов В.Н., Зенкин Е.Ю., Сидельников С.Б., Крохин А.Ю., Довженко И.Н., Ворошилов Д.С., Самчук А.П., Якивьюк О.В., Белоконова И.Н., Фролов В.А. Установка для непрерывного литья, прокатки, прессования и волочения сварочной проволоки и лигатурных прутков из цветных металлов и сплавов: Пат. 2689460 (РФ). 2019. Baranov V.N., Zenkin E.Yu., Sidelnikov S.B., Krohin A.Y., Dovzhenko I.N., Voroshilov D.S., Samchuk A.P., Yakivyuk O.V., Belokonova I.N., Frolov V.A. Installation for continuous casting, rolling, pressing and drawing of welding wire and ligature rods from non-ferrous metals and alloys: Pat. 2689460 (RF). 2019 (In Russ.).

22. Климко А.П., Загиров Н.Н., Биронт В.С., Сидельников С.Б., Лопатина Е.С. Способ получения модифицирующих материалов для алюминия и его сплавов: Пат. 2257419 (РФ). 2005. Klimko A.P., Zagirov N.N., Biront V.S., Sidelnikov S.B., Lopatina E.S. Method for obtaining modifying materials for aluminum and its alloys: Pat. 2257419 (RF). 2005 (In Russ.).

23. Кириллин В.А., Шейндлин А.Е., Чеховской В.Я., Тюкаев В.И. Энтальпия и теплоемкость диборида титана в интервале температур 273,15—2600 K. Теплофизика высоких температур. 1964. No. 5. C. 710— 715. Kirillin V.A., Sheindlin A.E., Chekhov V.Ya., Tyukaev V.I. Enthalpy and heat capacity of titanium diboride in the temperature range 273.15—2600 K. Teplofizika vysokikh temperatur. 1964. No. 5. P. 710—715 (In Russ.).

24. Application. Grain refiner for aluminium alloys [Эл. ресурс]: The official website of the company KВM with basic alloys based on aluminum /KBM Affilips B.V. Netherlands. Режим доступа: https://www.kbmaffilips.com/aluminium-based.