PL194377B1 - Sposób otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem - Google Patents

Abstract

Sposób otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem przez stapianie składników stopowych, znamienny tym, że do pieca elektrycznego indukcyjnego niskiej częstotliwości wsaduje się kolejno do 70% wagowych czystego cynku, po stopieniu którego kąpiel cynku podgrzewa się do temperatury około 800°C i wprowadza się metaliczny tytan w postaci gąbki tytanowej, którą zanurza się pod powierzchnię kąpieli cynku przy pomocy ceramicznego wtapiaka a po zanurzeniu w kąpieli cynku tytanu na powierzchnię kąpieli metalowej kładzie się pozostałą ilość metalicznego cynku, po czym nagrzewa się całość wsadu i topi się dodany składnik stopowy utrzymując temperaturę w granicach 800-850°C a po rozpuszczeniu tytanu w płynnym cynku obniża się temperaturę kąpieli do 700°C i po zdjęciu z powierzchni kąpieli metalowej fazy utlenionej odlewa się stop wstępny cynku do wlewnic.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stop wstępny cynku z tytanem, przeznaczony szczególnie do wytwarzania stopu cynku do przeróbki plastycznej zawierającego miedź i tytan.

Z układu równowagi Zn-Ti wynika że cynk z tytanem tworzy szereg związków międzymetalicznych o nieokreślonej temperaturze topnienia, przy czym rozpuszczalność tytanu w cynku w temperaturze 550°C wynosi około 1,3% wagowych Ti. W czasie chłodzenia związki międzymetaliczne Zn-Ti o mniejszej zawartości cynku wchodzą w reakcję perytektyczną z fazą ciekłą dając związki o coraz większym udziale procentowym cynku, aż do osiągnięcia przemiany eutektycznej w temperaturze 418,6°C, składającej się z kryształów cynku oraz fazy Zn15Ti. Z układu równowagi wynika, że jeżeli stop wstępny Zn-Ti zawiera zwiększone zawartości tytanu powyżej 1,3% wagowych to utworzone fazy międzymetaliczne będą rozpuszczały się w ciekłym cynku o temperaturze 550°C, ale w praktyce problemem do rozwiązania pozostaje jednak szybkość rozpuszczania tych związków międzymetalicznych w ciekłym cynku.

Z publikacji Jerzego Kaczyńskiego pt. Tytan, WNT Warszawa 1961r. str. 145 znane są od strony cynku nieokreślone strukturalnie fazy TiZn15 i TiZn10.

Z polskiego opisu patentowego nr 46493 znany jest stop cynku z eutektyczną zawartością tytanu (0,2-0,4 Ti). Sposób jego otrzymywania stwarza poważne trudności z uwagi na stosunkowo przewlekłe rozpuszczanie w kąpieli cynku wysokotopliwego tytanu w atmosferze gazu szlachetnego lub próżni.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie sposobu otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem, w którym tytan stosunkowo szybko rozpuszcza się w stopionym cynku przy niewielkich stratach tytanu i cynku w czasie wtapiania składnika stopowego.

Wytyczone zagadnienie techniczne rozwiązuje sposób otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem przez stapianie składników stopowych według wynalazku, charakteryzujący się tym, że do pieca elektrycznego indukcyjnego niskiej częstotliwości wsaduje się kolejno do 70% wagowych czystego cynku, po stopieniu którego kąpiel cynku podgrzewa się do temperatury około 800°C i wprowadza się metaliczny tytan w postaci gąbki tytanowej, którą zanurza się pod powierzchnię kąpieli cynku przy pomocy ceramicznego wtapiaka a po zanurzeniu w kąpieli cynku tytanu na powierzchnię kąpieli metalowej kładzie się pozostałą ilość metalicznego cynku, po czym nagrzewa się całość wsadu i topi się dodany składnik stopowy utrzymując temperaturę w granicach 800-850°C a po rozpuszczeniu tytanu w płynnym cynku obniża się temperaturę kąpieli do 700°C i po zdjęciu z powierzchni kąpieli metalowej fazy utlenionej odlewa się stop wstępny cynku do wlewnic. Masa zanurzonego tytanu w stopionym cynku o temperaturze do 800°C w stosunku do masy cynku wynosi do 4,5% wagowych Ti. Kąpiel metalową o temperaturze do 850°C i poniżej tej temperatury homogenizuje się przez mieszanie za pomocą indukowanych w stopionym cynku prądów wirowych.

Sposób otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem według wynalazku umożliwia uzyskiwanie stopu cynku zawierającego do 3% wagowych Ti posiadającego temperaturę topnienia do 550°C, który może być wykorzystany w charakterze korektora zawartości tytanu przy wytwarzaniu stopów cynku z miedzią i tytanem do przeróbki plastycznej. W czasie wytwarzania stopu wstępnego utworzona na powierzchni warstwa tlenku cynku chroni przed parowaniem cynku kąpiel cynkową o temperaturze do 850°C o czym świadczy brak dymów nad powierzchnią kąpieli cynkowej. Przy zawartości blisko 3% wagowych tytanu w stopie wstępnym cynku, w środkowej części wlewka najpóźniej krystalizującej, pojawiająca się ciemna faza krucha zawiera około dwukrotnie wyższą zawartość tytanu niż faza metaliczna. Ilość fazy kruchej jest mała i nie stanowi to przeszkody we wprowadzeniu i stosunkowo szybkim rozpuszczeniu stopu wstępnego cynku do kąpieli metalowej przy wytwarzaniu stopu cynku z miedzią i tytanem do przeróbki plastycznej w warunkach pieca płomiennego.

Sposób wytwarzania stopu wstępnego cynku z tytanem jest bliżej przedstawiony w przykładach wykonania.

Przykład I.Do pieca indukcyjnego średniej częstotliwości około 1kHz ładuje się 70 części wagowych cynku rektyfikowanego. Cynk ten zawiera minimum 99,995% wagowych Zn oraz maksimum do 0,003% wagowych Pb, do 0,003% wagowych Cd, do 0,002% wagowych Fe, do 0,001% wagowych Sn, do 0,001% wagowych Al. Cynk rektyfikowany stapia się w piecu indukcyjnym i podgrzewa do temperatury 800°C. Do kąpieli cynku wprowadza się 2 części wagowe tytanu w postaci gąbki tytanowej i zanurza się przy pomocy ceramicznego wtapiaka pod powierzchnię kąpieli cynku. Kierowana do kąpieli gąbka tytanowa ma granulację od 12-25mm i zawiera minimum 99,60% wagowych Ti, 0,021% wagowych Fe, 0,002% wagowych Si, 0,012% wagowych Ni, 0,005% wagowych Al, 0,009%

PL 194 377 B1 wagowych Cr, 0,002% wagowych Sn, 0,031% wagowych Mg, 0,002% wagowych Mn, 0,005% wagowych C, 0,05% wagowych O2, 0,004% wagowych N2 i 0,083% wagowych Cl. Po zanurzeniu w kąpieli cynku tytanu na powierzchnię kładzie się wlewki cynku w ilości 30 części wagowych. Zakładana zawartość w stopie wstępnym tytanu wynosi 1,96% wagowych. Wprowadzane na powierzchnię cynku wlewki cynku zapobiegają również wypływaniu gąbki tytanowej na powierzchnię kąpieli. W piecu indukcyjnym cały wsad nagrzewa się i topi się dodany składnik stopowy w tym wlewki cynku utrzymując temperaturę w granicach 800-850°C. W tym czasie indukowane w stopionym cynku prądy wirowe powodują mieszanie kąpieli, dzięki czemu następuje intensywne rozpuszczanie tytanu w płynnym cynku. Po rozpuszczeniu tytanu obniża się temperaturę kąpieli do 700°C i po zdjęciu z powierzchni kąpieli fazy utlenionej odlewa się stop wstępny do wlewnic. Sumaryczny czas wytwarzania stopu wstępnego wynosi około 1 godziny. Otrzymany stop wstępny cynku ma strukturę jednorodną wielofazową o charakterze metalicznym. Uzyskany stop wstępny cynku zawiera 1,70% wagowych Ti. Wyznaczona temperatura początku topnienia za pomocą termoanalizatora wykazuje, że początek topnienia jednej fazy wynosi około 420°C a drugiej fazy 470°C. Uzyskany stop wstępny cynku topi się w temperaturze poniżej 550°C.

P r z y k ł a d II. Do pieca indukcyjnego średniej częstotliwości około 1kHz ładuje się 70 części wagowych cynku elektrolitycznego. Cynk ten zawiera 99,995% wagowych Zn oraz maksimum do 0,003% wagowych Pb, do 0,003% wagowych Cd, do 0,002% wagowych Fe, do 0,001% wagowych Sn, do 0,001% wagowych Cu i do 0,001% wagowych Al, przy czym suma zanieczyszczeń w cynku wynosi maksimum 0,005% wagowych. Cynk elektrolityczny stapia się w piecu indukcyjnym i podgrzewa się do temperatury 800°C. Do kąpieli cynku wprowadza się 3 części wagowe tytanu w postaci gąbki tytanowej i zanurza się przy pomocy ceramicznego wtapiaka pod powierzchnię kąpieli cynku. Kierowana do kąpieli gąbka tytanowa ma granulację od 12-25mm i zawiera 99,60% wagowych Ti, 0,021% wagowych Fe, 0,002% wagowych Si, 0,012% wagowych Ni, 0,005% wagowych Al, 0,009% wagowych Cr, 0,002% Sn, 0,031% wagowych Mg, 0,002% wagowych Mn, 0,005% wagowych C, 0,05% wagowych O2, 0,004% wagowych N2 i 0,083% wagowych Cl. Po zanurzeniu w kąpieli cynku tytanu na powierzchnię metalowej kąpieli kładzie się wlewki cynku w ilości 30 części wagowych. Zakładana zawartość w stopie wstępnym tytanu wynosi 2,91% wagowych. Wprowadzane na powierzchnię kąpieli cynku wlewki cynku czystego zapobiegają wypływaniu gąbki tytanowej. W piecu indukcyjnym cały wsad nagrzewa się i topi się dodany składnik stopowy w tym wlewki cynku utrzymując temperaturę kąpieli w granicach 800-850°C. W tym czasie indukowane w stopionym cynku prądy wirowe powodują mieszanie kąpieli, dzięki czemu następuje intensywne rozpuszczanie tytanu w płynnym cynku. Po rozpuszczeniu tytanu obniża się temperaturę kąpieli do 700°C i po zdjęciu z powierzchni kąpieli fazy utlenionej odlewa się stop wstępny do wlewnic. Sumaryczny czas wytwarzania stopu wstępnego wynosi około 1 godziny. Otrzymany stop wstępny cynku ma strukturę jednorodną wielofazową z tym, że w pobliżu jamy usadowej pojawia się niekiedy ciemna krucha faza, w której zawartość tytanu może wynosić do 7,30% wagowych Ti. Uzyskany stop wstępny cynku zawiera 2,41% wagowych Ti co daje stosunek do założonej zawartości - 0,83. Wyznaczona temperatura początku topnienia za pomocą termoanalizatora wykazuje, że początek topnienia jednej fazy wynosi około 420°C a drugiej fazy 470°C. Uzyskany stop wstępny cynku topi się w całości w temperaturze poniżej 550°C.

Piec indukcyjny służący do otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem nie może mieć wyłożenia wanny piecowej z karbomudu pomimo, że materiał ten jest odporny na działanie cynku, ale z tytanem istnieje możliwość tworzenia się TiC.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania stopu wstępnego cynku z tytanem przez stapianie składników stopowych, znamienny tym, że do pieca elektrycznego indukcyjnego niskiej częstotliwości wsaduje się kolejno do 70% wagowych czystego cynku, po stopieniu którego kąpiel cynku podgrzewa się do temperatury około 800°C i wprowadza się metaliczny tytan w postaci gąbki tytanowej, którą zanurza się pod powierzchnię kąpieli cynku przy pomocy ceramicznego wtapiaka a po zanurzeniu w kąpieli cynku tytanu na powierzchnię kąpieli metalowej kładzie się pozostałą ilość metalicznego cynku, po czym nagrzewa się całość wsadu i topi się dodany składnik stopowy utrzymując temperaturę w granicach

   PL 194 377 B1

   800-850°C a po rozpuszczeniu tytanu w płynnym cynku obniża się temperaturę kąpieli do 700°C i po zdjęciu z powierzchni kąpieli metalowej fazy utlenionej odlewa się stop wstępny cynku do wlewnic.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że masa zanurzonego tytanu w stopionym cynku o temperaturze do 800°C w stosunku do masy cynku wynosi do 4,5% wagowych Ti.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kąpiel metalową o temperaturze do 850°C i poniżej tej temperatury homogenizuje się przez mieszanie za pomocą indukowanych w stopionym cynku prądów wirowych.