一種混合熔鹽體系中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及稀土金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種混合熔鹽體系中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]迄今為止，鈧是人類所發(fā)現(xiàn)對鋁合金最有效的合金元素，微量鈧加入到鋁合金中能夠顯著細(xì)化晶粒，提高再結(jié)晶溫度抑制再結(jié)晶過程，整體提高其強(qiáng)度、塑性、高溫、耐腐蝕及焊接性能。含鈧鋁合金具有高比強(qiáng)度、比剛度、塑韌性及優(yōu)異的焊接性能、低溫性能和較低的各向異性，是新一代航天、航空輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)材料。由于金屬鈧的恪點(diǎn)高達(dá)1541°C，化學(xué)性質(zhì)活潑，制備含鈧鋁合金時，鈧元素必須以中間合金的形式加入，因此鋁鈧中間合金成為制取含鈧鋁合金材料的關(guān)鍵原料。
[0003]目前國內(nèi)外鋁鈧中間合金的制備方法主要有對摻法，熔鹽電解法與金屬熱還原法。在對摻法工藝中，由于鋁和鈧兩種物質(zhì)的熔點(diǎn)相差較大，難以混合均勻，鋁的燒損嚴(yán)重，且該法所生成的金屬間化合物Al3Sc顆粒較大，分布不均勻，影響鋁鈧中間合金的使用性能。熔鹽電解法主要采用“氟化物一Sc203”體系，在電解過程中Fe3+、Re3+等其它金屬離子也會在陰極析出，降低中間合金純度，且電流效率也偏低，總之存在諸多問題。
[0004]金屬熱還原法是目前國內(nèi)外制備鋁鈧中間合金的主流方法，主要有“氟化鈧真空鋁熱還原法”、“氧化鈧?cè)埯}鋁熱還原法”、“無水氯化鈧鎂熱還原法”等方法?！胺傉婵諢徇€原法”是將氟化鈧(ScF3)與鋁粉混合均勻，在400?500MPa壓力下壓實后裝入石墨坩禍中，放入真空爐內(nèi)，抽真空到1.33X 10_2Pa，加熱至900?920°C保溫30?60分鐘制備鋁鈧中間合金，鈧的回收率約80%。此法對原料及設(shè)備的要求極高。“氧化鈧?cè)埯}鋁熱還原法”是在冰晶石體系中添加Sc2O3，在900°C?1100°C下施以攪拌制備鋁鈧中間合金的方法。由于Sc2O3化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，故該法的轉(zhuǎn)化率不高，鈧的回收率也較低?！盁o水氯化鈧鎂熱還原法”是在ScCl3—NaCl—KCl體系中，在800°C?900°C溫度下，利用鎂熱還原來制備鋁鈧中間。由于無水ScCl3吸水性較強(qiáng)，其制備工藝與保存方法都有嚴(yán)格的要求，對裝備技術(shù)水平要求較高。在金屬熱還原法中，普遍都采用某種熔鹽體系，如前面所提到的冰晶石、NaCl-KCl混合熔鹽，及其他種類混合熔鹽。這些熔鹽體系起到溶解原料(Sc2O3或其它鈧化合物)，降低反應(yīng)溫度，將“固一一液”界面反應(yīng)改為“液一一液”界面反應(yīng)，提高反應(yīng)速率以及溶解反應(yīng)產(chǎn)物的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述制備鋁鈧中間合金方法的缺點(diǎn)，提供一種簡單可靠，設(shè)備要求低，鈧回收率高，節(jié)能環(huán)保，成本低廉，能穩(wěn)定制備出鈧含量2%?5%左右，性能優(yōu)異，且可進(jìn)行大規(guī)模推廣的混合熔鹽體系中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種混合熔鹽體系中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法，該制備方法以氟化鈧為原料，以NaF、NaCl與KCl混合鹽做為熔鹽體系，以熔融鋁液為還原劑與捕捉劑，該制備方法的具體步驟如下:
[0007]a.按質(zhì)量比為NaF:NaCl:KCl = (I?5): (6?8): (8?10)的比例混合均勻，制成混合熔鹽；
[0008]b.將純鋁錠裝入石墨坩禍，石墨坩禍置于配有不銹鋼攪拌槳的電阻爐或中頻感應(yīng)爐中加熱到700°C，使純鋁錠熔化；
[0009]c.待純鋁錠熔化后，按質(zhì)量比為混合熔鹽:純鋁錠=(I?2):2的比例將混合熔鹽放入石墨坩禍，升溫至750°C?850°C ；
[0010]d.待混合鹽熔化后，按質(zhì)量比為氟化鈧:混合熔鹽:純鋁錠=(I?3): (10?20):20的比例將氟化鈧放入石墨坩禍；
[0011]e.待物料溶化后開始計時，在750°C?850°C溫度區(qū)間下保溫60?120分鐘，保溫期間每隔10至20分鐘對物料熔體施以攪拌，每次攪拌I?5分鐘，澆鑄前最后一次攪拌時間適當(dāng)延長；
[0012]f.保溫結(jié)束后將鋁合金液倒入鋼模中進(jìn)行澆鑄；
[0013]g.凝固冷卻后即可得到鋁鈧中間合金。
[0014]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明制備出的鋁鈧中間合金，其鈧含量能夠穩(wěn)定在2 %?5 %左右，鈧和鋁的含量大于99 %，且鈧的回收率大于90 %。與已有的相關(guān)發(fā)明專利相比，本方法制備溫度更低，更節(jié)能環(huán)保，中間合金中的金屬間化合物Al3Sc顆粒更細(xì)小，分布也更均勻。本發(fā)明制備的鋁鈧中間合金在后續(xù)的含鈧鋁合金的熔煉、鑄造、冷加工或熱加工過程中都體現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)化晶粒，提高了再結(jié)晶溫度抑制再結(jié)晶過程，提高了鋁合金綜合力學(xué)性能、焊接與耐腐蝕性能等。
【具體實施方式】
[0015]下面實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0016]實施例1
[0017]取鋁錠57克、混合熔鹽29克、氟化鈧4克備料。先將鋁錠裝入石墨坩禍中，放入配有不銹鋼攪拌槳的井式電阻爐中，關(guān)閉爐蓋，通電加熱升溫至700°C。鋁錠完全熔化后，打開爐蓋，放入混合熔鹽，關(guān)閉爐蓋，升溫至780°C。待混合熔鹽熔化后，再次打開爐蓋，將原料氟化鈧放入石墨坩禍中，關(guān)閉爐蓋，溫度再次達(dá)到780°C后開始計時，保溫60分鐘。保溫過程開啟攪拌槳施以攪拌，每20分鐘攪拌一次，每次攪拌I分鐘，澆鑄前最后一次攪拌持續(xù)2分鐘。保溫60分鐘后關(guān)閉攪拌槳，打開爐蓋，取出石墨坩禍，扒渣，將鋁合金液倒入鋼模中，鋁錠凝固冷卻后去渣稱重得58克。分別于鋁錠3個不同位置鉆取碎肩，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進(jìn)行化學(xué)成分分析，得到平均鈧含量為2.89%的中間合金，鈧回收率為95.4%。
[0018]分別在鑄錠不同部位取3塊尺寸為1mmX 1mmX5mm的試樣進(jìn)行顯微組織分析。經(jīng)過掃描電鏡(SEM)觀察與能譜分析，本實施例所制備的鋁鈧中間合金中的金屬間化合物Al3Sc顆粒細(xì)小，分布均勻，比較其他方法制得的鋁鈧中間合金中的Al3Sc顆粒，本實例獲得的Al3Sc顆粒更為細(xì)小，分布也更為均勻，中間合金的變質(zhì)性能也更佳。
[0019]實施例2
[0020]取鋁錠2000克、混合熔鹽1000克、氟化鈧150克備料。先將鋁錠裝入石墨坩禍中，放入配有不銹鋼攪拌槳的井式電阻爐中，關(guān)閉爐蓋，通電加熱升溫至700°C。鋁錠完全熔化后，打開爐蓋，放入混合熔鹽，關(guān)閉爐蓋，升溫至800°C。待混合熔鹽熔化后，再次打開爐蓋，將原料氟化鈧放入石墨坩禍中，關(guān)閉爐蓋，溫度再次達(dá)到800°C后開始計時，保溫90分鐘。保溫過程開施以攪拌，每20分鐘攪拌一次，每次攪拌2分鐘，澆鑄前最后一次攪拌持續(xù)5分鐘。保溫90分鐘后關(guān)閉攪拌槳，打開爐蓋，取出石墨坩禍，扒渣，將鋁合金液倒入鋼模中，鋁錠凝固冷卻后去渣稱重得2018克。分別于鋁錠10個不同位置鉆取碎肩，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進(jìn)行化學(xué)成分分析，得到平均鈧含量為2.98%的鋁鈧中間合金，鈧回收率91.1%。
[0021]分別在鑄錠不同部位取10塊尺寸為1mmX 1mmX 5mm的試樣進(jìn)行顯微組織分析。經(jīng)過掃描電鏡(SEM)觀察與能譜分析，本實施例所制備的鋁鈧中間合金中的金屬間化合物Al3Sc顆粒細(xì)小，分布均勻，比較其他方法制得的鋁鈧中間合金中的Al3Sc顆粒，本實例獲得的Al3Sc顆粒更為細(xì)小，分布也較為均勻，中間合金的變質(zhì)性能也更佳。
[0022]實施例3
[0023]取鋁錠100千克、混合熔鹽60千克、氟化鈧5千克備料。先將鋁錠裝入石墨坩禍中，放入配有電磁攪拌設(shè)備的井式電阻爐中，關(guān)閉爐蓋，通電加熱升溫至700°C ο鋁錠完全熔化后，打開爐蓋，放入混合熔鹽，關(guān)閉爐蓋，升溫至850°C。待混合熔鹽熔化后，再次打開爐蓋，將原料氟化鈧放入石墨坩禍中，關(guān)閉爐蓋，溫度再次達(dá)到850°C后開始計時，保溫120分鐘。保溫過程每隔20分鐘進(jìn)行一次電磁攪拌，每次攪拌3分鐘，澆鑄前最后一次攪拌持續(xù)5分鐘。保溫120分鐘后關(guān)閉電磁攪拌，打開爐蓋，取出石墨坩禍，扒渣，將鋁合金液倒入鋼模中，鋁錠凝固冷卻后去渣稱重得100.7千克。分別于鋁錠表面10個不同位置和內(nèi)部10個不同位置共20個位置鉆取碎肩，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進(jìn)行化學(xué)成分分析，得到平均鈧含量為2.08%的鋁鈧中間合金，鈧回收率95.2%。
[0024]分別在鑄錠表面10個和內(nèi)部10個不同位置取出尺寸為1mmX 1mmX 5mm的共20塊試樣進(jìn)行顯微組織分析。經(jīng)過掃描電鏡(SEM)觀察與能譜分析，本實例所制備的鋁鈧中間合金中的金屬間化合物Al3Sc顆粒細(xì)小，分布均勾，比較其他方法制得的鋁鈧中間合金中的Al3Sc顆粒，本實施例獲得的Al3Sc顆粒更為細(xì)小，分布也較為均勻，中間合金的變質(zhì)性能也更佳。
[0025]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項】
1.一種混合熔鹽體系中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法，其特征在于:該制備方法以氟化鈧為原料，以NaF、NaCl與KCl混合鹽做為熔鹽體系，以純鋁錠熔化后的熔融鋁液做為還原劑與捕捉劑，該制備方法的具體步驟如下: a.按一定比例將NaF、NaCl、KCl混合均勻，制成混合熔鹽； b.將純鋁錠裝入石墨坩禍，置于電阻爐或中頻爐內(nèi)加熱至700°C，使純鋁錠熔化； c.純鋁錠熔化后，按一定比例將混合熔鹽放入石墨坩禍內(nèi)，升溫至750°C?850°C; d.待混合熔鹽熔化后，按一定比例將氟化鈧放入石墨坩禍內(nèi)，在750°C?850°C溫度區(qū)間保溫60?120分鐘，利用鋁熱還原反應(yīng)制備鋁鈧中間合金； e.保溫結(jié)束后進(jìn)行澆鑄； f.冷卻后即可得到鋁鈧中間合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備鋁鈧中間合金的方法，其特征在于:所述混合熔鹽體系的質(zhì)量比范圍為:NaF:NaCl:KCl = (I?5): (6?8): (8?10)，所述混合熔鹽與純鋁錠的質(zhì)量比范圍為混合熔鹽:鋁錠=(I?2):2，所述物料氟化鈧(ScF3)、混合熔鹽與純鋁錠的質(zhì)量比范圍為:氟化鈧(ScF3):混合熔鹽:純鋁錠=(I?3):(10?20):20o
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混合熔鹽體系中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法，該制備方法以氟化鈧為原料，以NaF、NaCl與KCl混合鹽做為熔鹽體系，以熔融鋁液為還原劑與捕捉劑，將氟化鈧、混合熔鹽與純鋁錠裝入石墨坩堝，在電阻爐或中頻爐中加熱至750℃～850℃溫度區(qū)間，保溫60～120分鐘后，保溫結(jié)束后將鋁合金液倒入鋼模中進(jìn)行澆鑄，凝固冷卻后得到鋁鈧中間合金。本發(fā)明對設(shè)備的要求簡單，工藝穩(wěn)定可靠，節(jié)能環(huán)保，成本低廉，制備出的鋁鈧中間合金性能優(yōu)異，該合金作為制備新一代高性能含鈧鋁合金的添加劑，可顯著提高鋁合金的綜合力學(xué)性能、焊接和耐腐蝕性能。
【IPC分類】C22C1/02, C22C1/03, C22C21/00
【公開號】CN104928507
【申請?zhí)枴緾N201510378553
【發(fā)明人】黃進(jìn)文, 甘培原, 何航軍, 詹海鴻, 滿露梅, 張建飛, 樊艷金, 李伯驥, 韋江林, 梁煥龍
【申請人】廣西冶金研究院
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年7月1日