DOC《钒铝合金真空精炼试验》

钒铝合金真空精炼试验 陈海军1,2,周芳3,孙朝晖1,2,王永钢3,尹丹凤1,2,李海丰1,2 (1.

攀钢集团研究院有限公司,四川攀枝花 617000;

2.钒钛资源综合利用国家重点实验室,四川攀枝花 617000;

3.攀钢集团钒业有限公司,四川攀枝花 617000) 摘要:对钒铝合金的真空精炼进行研究,并对合金的物相进行表征.结果表明,控制真空精炼时间、真空度和过热度等可使钒收率和产品质量得到较大提高,产品符合德国GfE公司宇航级标准要求. 关键词:钒铝合金;

钒收率;

真空精炼;

过热度 中图分类号:TF133;

TG146.21;

TG146.4+13 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2014)08-0000-00 Vacuum Refining Experiment of Vanadium Aluminum Alloy CHEN Hai-jun1,2, ZHOU Fang3, SUN Zhao-hui1,2, WANG Yong-gang3, YIN Dan-feng1,2, LI Hai-feng1,2 (1. Pangang Group Research Institute Co., Ltd., Panzhihua 617000, Sichuan, China;

2. State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization, Panzhihua 617000, Sichuan, China;

3. Pangang Group Vanadium Industry Co., Ltd, Panzhihua 617000, Sichuan, China) Abstract: Vacuum refining of vanadium aluminum alloy was tested and its phase was characterized. The results show that vanadium recovery and quality of alloy are greatly improved a lot by controlling vacuum refining time, degree of vacuum and superheat. The prepared alloy can meet GfE standard of aerospace grade products. Key words: vanadium aluminum alloy;

vanadium recovery;

vacuum refining;

degree of superheat 钛合金广泛应用于宇航领域[1].钒铝合金是生产用于制造飞机和火箭的Ti-6Al-4V的原料[2-4].钒铝合金加入钛合金中以后,能改善合金的耐热性能与冷加工性能. 生产钒铝合金的方法主要是 铝热法 (一步法)和 铝热法+真空精炼法 (两步法[5]).一步法工艺的生产成本低,操作简便,被国内多数企业普遍采用,但与两步法工艺相比,产品成分的均匀性稍差,杂质元素含量相对较高,通常只能用于民用合金添加剂[6].军用及宇航级钛合金对钒铝中间合金的质量要求非常高,要求其杂质含量要低、成分均匀性要好,因此,只能采用两步法生产.两步法工艺的主要特点是将含钒量高的一步法产品在真空感应炉内加铝进行真空重熔精炼,是生产宇航级钒铝合金至关重要的一步.本文对两步法制备宇航级钒铝合金的真空精炼进行研究,得到了符合德国GfE公司要求的宇航级钒铝合金.

1 试验原料、设备及方法 试验原料:AlV

85、铝粉. 设备:50 kg(钢重)真空感应炉、20 kg(钢重)浇铸锭模. 将第一步铝热得到的符合标准的含钒较高的初级钒铝合金[5]与铝粉在真空感应炉内进行精炼,其冶炼炉与浇铸模均采用刚玉渣进行捣打和烧结,以避免杂质的污染.通过精整、破碎、磁选、白光、黑光、X射线等工序和检测后得到宇航级合金产品.

2 试验结果及讨论 对初级钒铝合金进行真空精炼有三个主要目的:1)调整合金成分.2)除杂.将合金中的气体元素在抽真空环境下调低的同时将铝热步骤中合金夹杂的刚玉渣等杂质进一步分离,得到杂质含量更低的合金饼.3)均匀化.通过感应精炼使合金液成分在搅拌过程中更加均匀. 2.1 冶炼时间对合金组成的影响 熔融冶炼时间主要影响合金的组成,即合金中钒铝成分的比例,由于加入的原料为初钒铝合金和金属铝,只有在一定时间内二者才能较好地融合在一起,形成AlV50合金.结果如图1所示. 收稿日期:2014-02-26 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB724202) 作者简介:陈海军(1979-),男,山东济宁人,硕士,高级工程师. 图1 合金中铝钒比例与冶炼时间的关系 Fig.1 Relationship between ratio of aluminum and vanadium and smelting time 从图1可看出,随着真空冶炼时间的延长,合金中的铝钒比例逐渐升高直至稳定,这是由于金属铝逐渐溶入合金形成化合物,随着熔炼时间继续延长,金属铝与初钒铝合金形成了新的化合物AlV50,铝钒比例不再变化,继续延长时间会造成过多的合金液滴跑出冶炼炉,引起收率降低,因此,熔融时间为30 min较合适. 2.2 过热度对钒收率及产品表观质量的影响 合金液的过热度保持在30 ℃左右时,可以获得满意的钒收率和合金的表观质量[6]. 2.3 真空度对产品质量的影响 真空度主要影响合金产品内的气体成分含量.真空度参数试验结果表明,真空炉压强为40 Pa时,产品中的氧、氮、氢均满足标准要求,此时,设备的运行也最经济有效.试验过程中及冶炼完毕至拆炉前抽气装置一直运行,以避免空气进入引起合金氧化. 2.4 成分检测 在30 kg真空感应炉内进行真空精炼的最佳工艺条件是:过热度30 ℃、冶炼时间30 min、真空度40 Pa.得到的钒铝合金试验样品分别在德国GfE公司和攀钢进行了成分分析,结果如表1所示.从表1可见,与GfE公司钒铝合金标准及其检测结果相比,本文制备的钒铝合金试验样品的19个元素均达标,且二者检测结果基本吻合. 表1 合金成分 Table

1 Components of alloy 元素 GfE标准 GfE检测 攀钢检测 V 50~54 51.55 50.97 Al 45~49 48.10 48.96 Fe ≤0.40 0.110 0.135 Si ≤0.35 0.092 0.111 N ≤0.04 0.018 0.024 H ≤0.01 0.001 0.003

2 O ≤0.10 0.007 0.070 B ≤0.003 0.001 0.002 C ≤0.10 0.009 0.029 S ≤0.02 0.003 0.005 P ≤0.03 0.002 0.001

3 Mo ≤0.15 0.004 0.005

3 Cr ≤0.10 0.002 0.003 Cu ≤0.05 0.001 0.003 W ≤0.015 0.003 0.003 Mn ≤0.05 0.005 0.009

8 Mg ≤0.25 - 0.008 Ni ≤0.05 0.002 0.001

9 Pb ≤0.10 - 0.003 Ti - 0.005 - Zn - 0.001 -

3 物相分析 钒铝合金作为钛合金的添加剂,一般需将钒铝合金破碎成0.25~6.3 mm的粒度,才能使之与海绵钛混合均匀,以便获得质量合乎要求的钛合金锭.故需要对其破碎性能进行研究,以便更好地进行工业生产. 合金的物相组成对其破碎性能有很大影响.两步法制备宇航级钒铝合金所得产品(AlV50和AlV85)的XRD图谱及其具体晶格参数如图2和表2所示. 图2 AlV50(a)和AlV85(b)的XRD谱Fig.

2 XRD pattern of AlV50 (a) and AlV85 (b) 表2 晶格参数 Table

2 Lattice parameters 名称 a/nm b/nm c/nm ρ/(g・cm-3) 结构 AlV3 3.058 3.058 3.058 5.22 立方Im-3m

229 Al8V5 9.234 9.234 9.234 3.97 立方I-43m

217 Al3V 3.775 3.775 8.32 3.68 正方I4/mmm

139 V 3.038 3.038 3.038 6.03 立方Im-3m

229 结合Factsage软件中V-Al相图和上述分析结果可以得出:AlV50主要由Al8V5和Al3V组成,其中Al8V5属立方结构,Al3V属正方结构,两种物相具有完全不同的晶体结构、晶粒尺寸及密度,所以极易在合金内部形成间隙,当外加应力达到一定强度时,在间隙处容易形成线、面缺陷,引起晶体界面处塌陷,最终形成裂纹源,随着外应力的不断增强,最终导致合金破裂.而AlV85主要由AlV3组成,两种物相均属于立方结构,而且晶格参数几乎一致,所以在合金内部很难产生间隙,当受到外加应力时,合金内部不易形成裂纹源,抗压强度很高,约有850 MPa. 根据原子或离子尺寸的影响(Hume-Rothery)经验规律[7]: (1) 式中,r

1、r2分别为钒原子和铝原子半径. 根据(1)式可以计算出Δr为25.52%,介于15%~30%之间,倾向于形成有限固溶体,所以金属钒与金属铝可形成有限固溶体.结合AlV50和AlV85的XRD谱及其具体晶格参数可知:由于AlV85合金中铝含量少,a轴和c轴呈线性变化规律,c/a不变,晶胞体积变化不大,合金均匀固溶性强,结构中层内原子之间相互作用增强,层内结合更加紧密,结构的稳定性增强,所以从固溶体角度也能说明AlV85是难于破碎的. 而随着铝含量的增加,超过钒和铝的有限固溶度,则容易形成化合物或者中间相,AlV50合金的c轴伸长,c/a增大,晶胞体积增大,晶格维向上出现各向异性的变化,晶胞内部形成不同程度的偏聚,微观应力和晶格畸变过大,使合金的结构发生微小改变,甚至过量的改变,对结构造成破坏,从而也降低了合金的抗压强度,使其较易破碎.

4 结论 1)30 kg真空感应炉真空精炼的最佳工艺条件是:过热度30 ℃、冶炼时间30 min、真空度40 Pa.采用两步法工艺可稳定地冶炼出全元素化学成分满足GfE公司企业标准的宇航级钒铝合金. 2)AlV50主要由Al8V5和Al3V相组成,属于化合物结构,AlV85主要由AlV3相组成,属于固溶体结构. 参考文献 [1] 文. 国内外钒资源与钒产品的市场前景分析[J]. 世界有色金属,2001(11):7-8. [2] Li Yajiang, Wang Juan, Wu Huiqiang. XRD and TEM analysis of Fe3Al alloy layer on the surface of the calorized steel[J]. Materials Research Bulletin,2001,36(13):2389-2394. [3] 任学佑. 金属钒的应用现状及市场前景[J]. 世界有色金属,2004(2):34-36. [4] 刘世友. 钒的应用与展望[J]. 稀有金属与硬质合金,2000,28(2):58-61. [5] 陈海军. 两步法制备钒铝合金试验研究[J]. 钢铁钒钛,2012,33(6):11-15. [6] 刘淑清. 钒铝合金生产及市场现状[J]. 信息世界,2010(10):1-14. [7] 徐恒钧. 材料科学基础[M]. 北京:北京工业大学出版社,2002:56-57. ........