Получение лигатуры Al–B алюмотермическим восстановлением KBF4и B2O3 в среде расплавленных солевых флюсов

Исследован процесс получения лигатуры Al–B методом алюмотермического восстановления KBF4и B2O3с использованием фторидных флюсов KF–AlF3и КF–NaF–AlF3при температурах, соответственно, 983 и 1123 К и хлоридно-фторидных флюсов KCl–NaCl–KF при Т= 1173÷1223 К. Все эксперименты проводили при одинаковых условиях: скорость перемешивания расплавленной смеси – 400 об/мин, длительность синтеза – 30 мин. Максимальное количество бора (1,5 %) в сплаве Al–B было получено в случае применения в качестве борсодержащего сырья KBF4(3 % в расчете на В) в среде KF–AlF3с мольным (криолитовым) отношением (КО) компонентов KF/AlF3, равным 1,3, при Т= 983 К, при этом степень извлечения бора не превышала 75 %. Сравнимые результаты были получены в экспериментах с флюсом KF–NaF–AlF3(КО = 1,5) при Т= 1123 К. Однако при увеличении концентрации задаваемого бора степень его извлечения существенно снижалась, что связано с разложением при более высокой температуре не только KBF4, но и менее термически устойчивого NaBF4, который образуется в результате обменной реакции в расплаве. Поэтому не рекомендуется использование солей натрия в качестве компонента флюса. Лигатуры Al–B, полученные восстановлением KBF4в среде фторидных флюсов, представляли собой твердые растворы бора в алюминии, содержащие интерметаллид AlB2. Наименьшее количество бора в алюминии с минимальной степенью извлечения было получено в опытах с B2O3в среде расплавленного KF–AlF3с КО = 1,5. Тем не менее результаты сканирующей электронной микроскопии свидетельствуют о равномерном распре-делении B в матрице Al и отсутствии интерметаллидов, при этом найдено большое количество оксида Al2O3, который является продуктом реакций B2O3как с жидким Al, так и с флюсом KF–AlF3.

1. Попов Д.А., Огородов Д.В., Трапезников А.В. Альтернативные источники борсодержащего сырья для производства лигатуры Al—B (обзор). Тр. ВИАМ.2015. No. 10. C. 41—47.Popov D.A., Ogorodov D.V., Trapeznikov A.V. Alternative sources of boron-containing raw materials for the production of ligatures Al—B (review). Tr udy VIAM. 2015. No. 10. P. 41—47 (In Russ.).

2. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002. Napalkov V.I., Makhov S.V. Alloying and modifying aluminum and magnesium. Moscow: MISIS, 2002 (In Russ.).

3. Chen Z., Wang T., Gao L., Fu H., Li T. Grain refinement and tensile properties improvement of aluminum foundry alloys by inoculation with Al—B master alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 553. P. 32—36.

4. Birol Y. Al—Ti—B grain refiners via powder metallurgy processing of Al/K2TiF6/KBF4powder blends.J. Alloys Compd. 2009. Vol. 480. P. 311—314.

5. Birol Y.Production of Al—B alloy by heating Al/KBF4powder blends.J. Alloys Compd.2009. Vol. 481. P. 195—198.

6. Wang X. The formation of AlB2 in an Al—B master alloy. J. Alloys Compd. 2005. Vol. 403. P. 283—287.

7. Raj S.C., Skyllas-KIazacos M.Electrochemical studies of the effect of TiO2and B2O3additions on the aluminium deposition reaction in molten cryolite bath. Electrochim. Acta.1992. Vol. 37. No. 10. P. 1787—1796.

8. Sirtl E., Woerner L.M. Preparation and properties of aluminum diboride single crystals. J. Cr yst. Growth. 1972. Vol. 16. No. 3. P. 215—218.

9. Birol Y. Production of Al—Ti—B grain refining master alloys from B2O3and K2TiF6. J. Alloys Compd. 2007. Vol. 443. P. 94—98.

10. Mota J.M., Martinez M.A., Velasco F., Criado A.J. Preparation of aluminium boride by powder technology. Ceram. Int. 2004. Vol. 30. No. 2. P. 301—306.

11. Utigard, T.A., Friesen K., Roy R.R., Lim J., Silty A., Dupuis C.The properties and uses of fluxes in molten aluminum processing. JOM. 1998. Vol. 50. P. 38—43.

12. Wang, Q., Zhao H., Li Zh., Shen L., Zhao J. Production of Al—B master alloys by mixing KBF4salt into molten aluminum. Trans. Nonferr. Met. Soc. China.2013. Vol. 23. P. 2 9 4 —3 0 0.

13. 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.

14. Крымов А.П., Нерубащенко В.В., Волейник В.В., Напал-ков В.И., Бурдин С.Г. Разработка технологии получения лигатуры Al—Ti—B. Цвет. металлы. 1979. No. 9. C. 81—82.Krymov A.P., Nerubashchenk o V.V., Voleinik V.V., Napalkov V.I., Burdin S.G. Development of Al—Ti—B ligature technology. Tsvetnye metally. 1979. No. 9. P. 81—82 (In Russ.).

15. Savas Ö., Kayikci R. A Taguchi optimisation for production of Al—B master alloys using boron. J. Alloys Compd. 2013. Vol. 580. P. 232—238.

16. Moldovan P., Butu M., Popescu G., Buzatu M., Usurelu E., Soare V., Mitrica D. Thermodynamics of interactions in Al—K2TiF6—KBF4system. Revista de Chimie. 2010. Vol. 61. P. 82 8 —832 .

17. Аписаров А.П., Дедюхин А.Е., Редькин А.А., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П. Физико-химические свойства расплавленных электролитов KF—NaF—AlF3. Электрохимия. 2010. T. 46. No. 6. C. 672—678.Apisarov A.P., Dedyukhin A.E., Redkin A.A., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P. Physicochemical properties of KF—NaF—AlF3molten electrolytes. Russ. J. Electrochem. 2010. Vol. 46. No. 6. P. 633—639.

18. Tkacheva O., Redkin A., Rudenko A., Dedyukhin A., Zaikov Yu., Kataev A. physical-chemical properties of potassium cryolite-based melts containing KBF4. ECS Trans.2014. Vol. 64 (4). P. 129—133.

19. Руденко А.В., Ткачева О.Ю., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Дедюхин А.Е., Катаев А.А. Флюсы для получения сплавов алюминий—бор. Расплавы. 2016. No. 5. С. 387—396.Rudenko A.V., Tkacheva O.Yu., Redkin A.A., Zaikov Yu.P., Dedyukhin A.E., Kataev A.A. Fluxes for producing aluminum — boron alloys. Rasplavy.2016. No. 5. P. 387—396 (In Russ.).

20. Tkacheva O., Zakiryanova I., Apisarov A., Dedyukhin A., Zaikov Y., Kataev A. Interaction of B2O3with molten KF—AlF3and KF—NaF—AlF3. J. Mol. Liq. 2017. Vol. 231. P. 149 —153.

21. Суздальцев А.В., Ткачева О.Ю., Зайков Ю.П., Катаев А.А. Получение сплавов Al—B в расплавленных солях. Тр. Кольского науч. центра РАН. 2015. Вып. 5 (31). C. 139—143.Suzdal’tsev A.V., Tkacheva O.Yu., Zaikov Yu.P., Kataev A.A. Production of Al—B alloys in molten salts. Tr udy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN. 2015. Vol. 5 (31). P. 139—143 (In Russ.).

22. Duschanek H., Rogl P. The Al—B (aluminum—boron) system. J. Phase Equilib.1994. Vol. 15. P. 543—552.

23. Дедюхин А.Е., Аписаров А.П., Ткачева О.Ю., Редькин А.А., Зайков Ю.П., Фролов А.В., Гусев А.О. Растворимость Al2O3 в расплавленной системе KF—NaF—AlF3. Расплавы.2009. No. 2. C. 23—28.Dedyukhin A.E., Apisarov A.P., Tkacheva O.Yu., Redkin A.A., Zaikov Yu.P., Frolov A.V., Gusev A.O.Solubility of Al2O3in the molten KF—NaF—AlF3system. Rasplavy. 2009. No. 2. P. 23—28 (In Russ.).

24. Chrenkova M., Danek V., Vasiljev R., Silny A., Kremenetsky V., Polyakov E. Density and viscosity of the (LiF—NaF—KF)eut—KBF4—B2O3melts. J. Mol. Liq.2003. Vol. 102 (1—3). P. 213—226.25. Barton C.J., Gilpatrick L.O., Bornmann J.A., Stone H.H., McVay T.N., Insley H.Phase relations in f luoroborate systems. I. Material preparation and the systems NaF—NaBF4and KF—KBF4. J. Inorg. Nucl. Chem. 1971. Vol. 33. Iss. 2. P. 337—343.