專利名稱：一種在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁-鎂合金的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種鋁-鎂合金的制備方法。
背景技術：
鋁鎂合金作為一種新型鋁合金材料，由于具有低密度、高強度、散熱性較好以及良好的抗腐蝕性能，成為航海、航空、交通運輸領域中最具潛力的新型金屬結構材料。
目前，工業(yè)生產(chǎn)鋁鎂合金的主要方法有對摻法和熔鹽電解法等。對摻法，例如，專利申請?zhí)枮?01010172444. 5，名稱為“一種鋁鎂合金”的專利文件中，公開了一種用于鑄造延伸率要求大于10%的鑄件的鋁鎂合金，各組分的重量百分比為Mg 3. 8% 4. 5%, Cu 0.3% 0.4%、Ti :0.2% O. 23%,Fe :彡 O. l%,Si :彡 O. 1%，余量為 Al?？刂?Ti 的添加量可改善合金的塑性韌性，合理調(diào)整Cu和Mg的含量，可保證鑄件延伸率在10%以上，對合金起到較好的固溶強化作用，而對Fe和Si屬于雜質的元素則嚴格控制。熔鹽電解法，例如專利公開號為CN1936085，名稱為“一種低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法”的專利文件中，涉及一種鋁及鋁合金，采用固態(tài)陰極電解的工藝，是間歇式電解，固態(tài)陰極是以Al2O3在 IOMPa-150MPa下壓塊，1000—1200 V空氣下燒結制成，或將固態(tài)鋁、碳和固態(tài)Al2O3按配比混合，在無氧條件下經(jīng)1000— 1200°C燒結制成；液態(tài)陰極是以液態(tài)鋁和固態(tài)Al2O3混合物為陰極的電解是連續(xù)式電解，需要定期從陰極取出鋁，加入氧化鋁，電解過程連續(xù)進行。過程中需要高溫制備電極，同時還要定期取出鋁加入氧化鋁，過程繁瑣。
熔鹽電解法中已有采用氯化鋁熔鹽電解法制備鋁合金，使用該方法制備鋁合金早在1854年就開始了研究。1963年H. L.施拉丁獲得了添加10%CaF2的氯化鋁電解法煉鋁的專利。1969年E.L.辛烈頓等人發(fā)表了采用石墨陽極，在NaCl-KCl-AlCl3的電解質中的熔鹽電解制鋁的報告，他們指出電解可在700°C進行。作為一種煉鋁新方法，曾經(jīng)具有極大的魅力。但氯化鋁熔點低，在ISrC時就升華，處于熔融狀態(tài)時，都以共價的二聚分子Al2Cl6形式存在。在熔鹽電解中，溶解在金屬氯化物熔體中的高熔點金屬常會形成低價氯化物。當這些低價氯化物濃度超過一定限度時，便會發(fā)生歧化反應，生成極細的金屬粉末而難以回收。 為避免歧化反應，必須降低高熔點金屬的低價離子濃度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、節(jié)省能源、提高產(chǎn)品純度的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
在電解槽中，以惰性金屬鑰為陰極并置于電解槽低部，石墨為陽極，按照質量配比為NaCl:KCl :A1F3=39% 50%11%的比例配制電解質，加熱至680-730°C，待電解質熔融后， 加入MgCl2,MgCl2的加入量為AlF3質量的40-75%，通入直流電電解，電解溫度680_730°C，陰極電流密度為5. 2 8. 7A/cm2,陽極電流密度為O. 6 I. lA/cm2，槽電壓4. 7 6. IV，經(jīng)過I. 5 4 小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出液態(tài)Al-Mg合金，冷卻后得固態(tài)Al-Mg合金。
所述NaCl和KCl分別在500°C、600°C干燥處理24小時。
本發(fā)明采用惰性電極，在熔鹽中通過電解氟氯化物的方法來共析出制備鋁-鎂合金，所用的原料全部為廉價的化合物，通過控制電解溫度、電解時間、電流密度等條件，一步直接電解制備不同組成的Al-Mg合金。 所得的合金中，金屬鋁的含量為77. Γ94. 9%，金屬鎂的含量為5· Γ22. 9%，電流效率為39. 7^71. 1%。
本發(fā)明的特色體現(xiàn)在
傳統(tǒng)招鎂合金制造方法用對摻法,但能耗高,金屬損耗大。本文提供的制備Al-Mg 合金的方法不同于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，不需要金屬鋁和金屬鎂，全部采用金屬化合物為原料， 通過控制電解溫度、電解時間、電流密度等條件，在溫度下680_730°C，直接一步電解出不同組成的Al-Mg合金。向氯化物熔鹽系加入氟化物，可使高熔點金屬的活度大為降低，減少金屬在熔鹽中的溶解而避免形成過多的低價離子。2AlF3(l)+3Cl2(g)=2AlCl3 (1)+3F2 (g)， 通過計算在6801時此反應的八6 > 0，說明此反應不能自發(fā)進行，因此加入氟化鋁電解時產(chǎn)生的氯氣，不會使氟化鋁轉化成氯化鋁。本發(fā)明采用在氟氯化物體系(NaCl-KCl-AlF3)中熔鹽電解制備合金，向氯化物熔鹽體系添加一定量的氟鹽AlF3，使熔鹽體系熔點下降、提高電解質的導電率，從而大大縮短了成產(chǎn)工藝的流程、工藝簡單、節(jié)省能源、產(chǎn)品純度高、生產(chǎn)能力提高且降低了生產(chǎn)成本。
為了檢驗本發(fā)明熔鹽體系NaCl+KCl+AlF3+MgCl2的揮發(fā)損失情況，通過實驗測定 熔鹽在680°C分別在I和2小時內(nèi)揮發(fā)損失了 2. 4%和5. 9% ;在730°C下分別在I和2小時內(nèi)揮發(fā)損失了 5. 5%和12. 5%ο
本發(fā)明中，加大氯化鎂的投入量，其余條件不變可以明顯提高合金中的鎂含量，電流效率不斷增大；隨著電解溫度的升高，熔鹽的揮發(fā)損失增大，電流效率降低。因此，本發(fā)明首選溫度為680°C。


圖I是實施例5制備的Al-Mg合金的XRD圖譜，從圖中可以看出，Mg是以Al3MgjP Al12Mg17金屬間化合物的形式存在于合金相中。Al3Mg2和Al12Mg17均為強化相。其中,Al3Mg2 強化效果較弱；鎂鋁合金形成的Al12Mg17沉淀相高溫熱穩(wěn)定性較低，熔點只有437°C，長期使用時溫度不能超過120°C，否則就會發(fā)生軟化現(xiàn)象。
具體實施方式
下面舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
實施例I :在電解槽中，以惰性金屬鑰(Mo)為陰極并置于電解槽低部，石墨為陽極，體系中各電解質的質量配比為NaCl:KCl :A1F3=39% 50% : 11%，加蓋加熱至680°C待坩鍋內(nèi)電解質熔融后，將MgCl2W入到熔鹽中，MgCl2的加入量為AlF3質量的50%，通入直流電電解，電解溫度680°C下，陰極電流密度為6. 9A/cm2,陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓 5. 2^5. 6V，經(jīng)過2. 5個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和 Mg的含量分別為94. 9%和5. 1%，電流效率為55. 9%。
實施例2 =MgCl2的加入量為AlF3質量的40%，通入直流電電解，電解溫度680°C下， 陰極電流密度為6. 9A/cm2,陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓4. 8_ 5. 0V,經(jīng)過4個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和Mg的含量分別為85. 3%和14.7%,電流效率為40. 5%ο
實施例3 =MgCl2的加入量為AlF3質量的40%，通入直流電電解，電解溫度680°C 下，陰極電流密度為6. 9A/cm2,陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓4. 7 4. 9V，經(jīng)過3個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和Mg的含量分別為84. 8%、和15.2%,電流效率為49. 2%ο
實施例4 =MgCl2的加入量為AlF3質量的50%，通入直流電電解，電解溫度730°C下， 陰極電流密度為6. 9A/cm2,陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓4. 8^5. IV，經(jīng)過3個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和Mg的含量分別為80. 4%和19. 6%， 電流效率為50. 5%。
實施例5 =MgCl2的加入量為AlF3質量的60%，通入直流電電解，電解溫度730°C下， 陰極電流密度為8. I K/cm2,陽極電流密度為I. lA/cm2，槽電壓5. Γδ. 8V，經(jīng)過3個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。Mg是以Al3Mg2和Al12Mg17金屬間化合物的形式存在于合金相中。合金中Al和Mg的含量分別為77. 1%和22. 9%，電流效率為39. 7%。
實施例6 =MgCl2的加入量為AlF3質量的75%，通入直流電電解，電解溫度680°C下， 陰極電流密度為5. 2A/cm2,陽極電流密度為O. 6A/cm2，槽電壓5. 9飛.IV，經(jīng)過3個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和Mg的含量分別為94. 1%和5. 9%， 電流效率為71. 1%。
實施例7 =MgCl2的加入量為AlF3質量的70%，通入直流電電解，電解溫度680°C下， 陰極電流密度為6. 9/cm2,陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓5. 6飛.IV，經(jīng)過3個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和Mg的含量分別為93. 6%和6. 4%， 電流效率為49. 3%。
實施例8 =MgCl2的加入量為AlF3質量的60%，通入直流電電解，電解溫度680°C下， 陰極電流密度為6. 9/cm2,陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓5. 5^5. 8V，經(jīng)過3個小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出Al-Mg合金。合金中Al和Mg的含量分別為93. 3%和6. 7%， 電流效率為47. 6%。
權利要求
1.一種在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁-鎂合金的方法，其特征是在電解槽中，以惰性金屬鑰為陰極并置于電解槽低部，石墨為陽極，按照質量配比為NaCl :KC1: A1F3=39% : 50% 11%的比例配制電解質，加熱至680-730°C, #電解質熔融后，加入MgCl2, MgCl2的加入量為AlF3質量的40-75%，通入直流電電解，電解溫度為680-730°C，陰極電流密度為 5. 2 8. 7A/cm2，陽極電流密度為O. 6 I. lA/cm2，槽電壓4. 7 6. IV，經(jīng)過I. 5 4小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出液態(tài)Al-Mg合金，冷卻后得固態(tài)Al-Mg合金。
2.根據(jù)權利要求I所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是所述NaCl和KCl分別在500°C、600°C干燥處理24小時。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的50%，電解溫度為680°C，陰極電流密度為6. 9A/cm2, 陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓5. 2^5. 6V，經(jīng)過2. 5個小時的電解。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的40%，電解溫度為680°C，陰極電流密度為6. 9A/cm2, 陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓4. 8-飛.0V，經(jīng)過4個小時的電解。
5.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的40%，電解溫度為680°C，陰極電流密度為6. 9A/cm2, 陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓4. 7 4. 9V，經(jīng)過3個小時的電解。
6.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的50%，電解溫度為730°C，陰極電流 密度為6. 9A/cm2, 陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓4. 8^5. IV，經(jīng)過3個小時的電解。
7.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁-鎂合金的方法， 其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的60%，電解溫度為730°C下，陰極電流密度為8. 7A/ cm2,陽極電流密度為I. lA/cm2，槽電壓5. Γδ. 8V，經(jīng)過3個小時的電解。
8.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的75%，電解溫度為680°C，陰極電流密度為5. 2A/cm2, 陽極電流密度為O. 6A/cm2，槽電壓5. 9飛.IV，經(jīng)過3個小時的電解。
9.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的70%，電解溫度為680°C下，陰極電流密度為6. 9/cm2, 陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓5. 6飛.IV，經(jīng)過3個小時的電解。
10.根據(jù)權利要求I或2所述的在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁_鎂合金的方法，其特征是=MgCl2的加入量為AlF3質量的60%，電解溫度為680°C下，陰極電流密度為6. 9/cm2, 陽極電流密度為O. 9A/cm2，槽電壓5. 5^5. 8V，經(jīng)過3個小時的電解。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種在氟氯化物熔鹽體系中電解制備鋁-鎂合金的方法。在電解槽中，以惰性金屬鉬為陰極并置于電解槽低部，石墨為陽極，按照質量配比為NaCl:KCl:AlF3=39%50%11%的比例配制電解質，加熱至680-730℃，待電解質熔融后，加入MgCl2，MgCl2的加入量為AlF3質量的40-75%，通入直流電電解，電解溫度為680-730℃，陰極電流密度為5.2~8.7A/cm2，陽極電流密度為0.6~1.1A/cm2，槽電壓4.7~6.1V，經(jīng)過1.5~4小時的電解，在電解槽于陰極附近沉積出液態(tài)Al-Mg合金，冷卻后得固態(tài)Al-Mg合金。本發(fā)明可大大縮短成產(chǎn)工藝的流程。工藝簡單、節(jié)省能源、產(chǎn)品純度高。
文檔編號C25C3/36GK102912382SQ20121041488
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權日2012年10月26日
發(fā)明者韓偉, 張密林, 盛慶南, 姜海玲 申請人:哈爾濱工程大學