Обзор способов легирования алюминиевых сплавов цирконием (часть 1)   

   Введение циркония в алюминиевые сплавы может быть осуществлено несколькими способами:

   -непосредственным введением металлического циркония в расплавленный алюминий или алюминиевый сплав;

   -наведением цирконийсодержащего флюса;

   -использованием циркониевых лигатур.

   Первый способ ввиду большой разницы температур плавления циркония и алюминия не позволяет получить достаточно равномерного распределения циркония в жидкой ванне за относительно короткий промежуток времени, а при длительной плавке возрастает угар, как алюминия, так и циркония.

   Второй способ нашёл широкое распространение на отечественных заводах. В качестве исходного цирконийсодержащего флюса используется фторцирконат калия. Рассматриваемая технология предполагает наведение его на зеркало расплавленного металла. Однако при использовании этого способа не достигается полного извлечение циркония в сплав и вследствие этого имеют место значительные потери циркония со шлаком. Кроме этого, наблюдается повышенное газовыделение и, соответственно, загрязнение атмосферы плавильно – литейных переделов фтористыми соединениями.

   Третий способ введения циркония и других тугоплавких элементов в алюминиевые сплавы в виде соответствующих лигатур, которые являются промежуточными сплавами с высоким содержанием легирующей добавки. При плавке алюминиевых сплавов загрузка и расплавление шихтовых материалов производится в определённой последовательности: вначале загружают крупнокусковые отходы или чушки первичного металла и после расплавления первой порции шихты вводят лигатуры. Только указанный порядок загрузки шихтовых материалов обеспечивает необходимый химический состав сплава.

   Применение лигатур даёт возможность уменьшить угар как основного металла, так и дефицитных легирующих металлов. Весовое количество лигатур в составе шихты в отдельных случаях достигает 70%. В связи с этим производство лигатур в отраслях, выпускающих такие ответственные изделия, как, например, алюминиевое авиационное литьё, получило широкое распространение и по существу является одним из основных переделов при производстве продукции из алюминиевых сплавов.

   Качество алюминиевых сплавов во многом зависит от качества вводимых лигатур. В свою очередь на качество лигатуры оказывает влияние способ получения и применяемое плавильное оборудование. Для выплавки большинства алюминиевых лигатур обычно применяют газовые печи с графитовыми или металлическими тиглями, индукционные печи промышленной и высокой частоты с неметаллическими и набивными тиглями. Однако при плавке тугоплавких лигатур, таких как Al – Zr, Al – Ti, в плавильных агрегатах с металлическими тиглями происходит повышенное насыщение лигатур железом. Поэтому плавку тугоплавких лигатур рекомендуется вести в плавильных агрегатах с графитовыми или набивными тиглями из жароупорного бетона и пользоваться графитовым инструментом (мешалки, черпаки и т.п.).

   Для производства лигатуры алюминий-цирконий применяется цирконий металлический, а также его окисные и галлоидные соединения. При получении лигатур с использованием циркония металлического или его отходов необходима высокая температура – 1250 – 1300^ºC. С целью повышения скорости растворения цирконий вводят небольшими порциями при тщательном перемешивании. В случае применения порошкообразного циркония его вводят в алюминий вместе с гранулированной алюминиевой крупкой в виде спрессованных брикетов. Как известно, цирконий активно взаимодействует с водородом с образованием гидридов, что является источником загрязнения лигатуры водородом. Во избежание этого необходима подготовка шихтовых материалов к плавке, которая включает промывку порошков спиртом и дальнейшую сушку. После введения последней порции металла лигатуру перемешивают и рафинируют хлористым марганцем. Для получения более качественной лигатуры рекомендуется повторный переплав и рафинирование.

   В случае приготовления лигатуры Al-Zr с использованием фторцирконата калия жидкий металл при температуре 1000 — 1100^ºС выдерживают под слоем фторцирконата калия в течение 10 – 20 минут, а затем графитовой мешалкой замешивают его в расплав. Замешивание производится до прекращения появления голубых искр. После перемешивания лигатуру рафинируют хлористым марганцем.

   Известны также и другие способы получения алюминий – циркониевой лигатуры, например, с использованием в качестве цирконийсодержащего сырья тетрахлорида циркония и цирконового концентрата.