一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及稀土金属材料制备技术领域，具体涉及一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法。
【背景技术】
[0002]迄今为止，钪是人类所发现对铝合金最有效的合金元素，微量钪加入到铝合金中能够显著细化晶粒，提高再结晶温度抑制再结晶过程，整体提高其强度、塑性、高温、耐腐蚀及焊接性能。含钪铝合金具有高比强度、比刚度、塑韧性及优异的焊接性能、低温性能和较低的各向异性，是新一代航天、航空轻质合金结构材料。由于金属钪的恪点高达1541°C，化学性质活泼，制备含钪铝合金时，钪元素必须以中间合金的形式加入，因此铝钪中间合金成为制取含钪铝合金材料的关键原料。
[0003]目前国内外铝钪中间合金的制备方法主要有对掺法，熔盐电解法与金属热还原法。在对掺法工艺中，由于铝和钪两种物质的熔点相差较大，难以混合均匀，铝的烧损严重，且该法所生成的金属间化合物Al3Sc颗粒较大，分布不均匀，影响铝钪中间合金的使用性能。熔盐电解法主要采用“氟化物一Sc203”体系，在电解过程中Fe3+、Re3+等其它金属离子也会在阴极析出，降低中间合金纯度，且电流效率也偏低，总之存在诸多问题。
[0004]金属热还原法是目前国内外制备铝钪中间合金的主流方法，主要有“氟化钪真空铝热还原法”、“氧化钪熔盐铝热还原法”、“无水氯化钪镁热还原法”等方法。“氟化钪真空热还原法”是将氟化钪(ScF3)与铝粉混合均匀，在400?500MPa压力下压实后装入石墨坩祸中，放入真空炉内，抽真空到1.33X 10_2Pa，加热至900?920°C保温30?60分钟制备铝钪中间合金，钪的回收率约80%。此法对原料及设备的要求极高。“氧化钪熔盐铝热还原法”是在冰晶石体系中添加Sc2O3，在900°C?1100°C下施以搅拌制备铝钪中间合金的方法。由于Sc2O3化学性质稳定，故该法的转化率不高，钪的回收率也较低。“无水氯化钪镁热还原法”是在ScCl3—NaCl—KCl体系中，在800°C?900°C温度下，利用镁热还原来制备铝钪中间。由于无水ScCl3吸水性较强，其制备工艺与保存方法都有严格的要求，对装备技术水平要求较高。在金属热还原法中，普遍都采用某种熔盐体系，如前面所提到的冰晶石、NaCl-KCl混合熔盐，及其他种类混合熔盐。这些熔盐体系起到溶解原料(Sc2O3或其它钪化合物)，降低反应温度，将“固一一液”界面反应改为“液一一液”界面反应，提高反应速率以及溶解反应产物的作用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述制备铝钪中间合金方法的缺点，提供一种简单可靠，设备要求低，钪回收率高，节能环保，成本低廉，能稳定制备出钪含量2%?5%左右，性能优异，且可进行大规模推广的混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法，该制备方法以氟化钪为原料，以NaF、NaCl与KCl混合盐做为熔盐体系，以熔融铝液为还原剂与捕捉剂，该制备方法的具体步骤如下:
[0007]a.按质量比为NaF:NaCl:KCl = (I?5): (6?8): (8?10)的比例混合均匀，制成混合熔盐；
[0008]b.将纯铝锭装入石墨坩祸，石墨坩祸置于配有不锈钢搅拌桨的电阻炉或中频感应炉中加热到700°C，使纯铝锭熔化；
[0009]c.待纯铝锭熔化后，按质量比为混合熔盐:纯铝锭=(I?2):2的比例将混合熔盐放入石墨坩祸，升温至750°C?850°C ；
[0010]d.待混合盐熔化后，按质量比为氟化钪:混合熔盐:纯铝锭=(I?3): (10?20):20的比例将氟化钪放入石墨坩祸；
[0011]e.待物料溶化后开始计时，在750°C?850°C温度区间下保温60?120分钟，保温期间每隔10至20分钟对物料熔体施以搅拌，每次搅拌I?5分钟，浇铸前最后一次搅拌时间适当延长；
[0012]f.保温结束后将铝合金液倒入钢模中进行浇铸；
[0013]g.凝固冷却后即可得到铝钪中间合金。
[0014]本发明采用上述技术方案的有益效果是:本发明制备出的铝钪中间合金，其钪含量能够稳定在2 %?5 %左右，钪和铝的含量大于99 %，且钪的回收率大于90 %。与已有的相关发明专利相比，本方法制备温度更低，更节能环保，中间合金中的金属间化合物Al3Sc颗粒更细小，分布也更均匀。本发明制备的铝钪中间合金在后续的含钪铝合金的熔炼、铸造、冷加工或热加工过程中都体现出优异的细化晶粒，提高了再结晶温度抑制再结晶过程，提高了铝合金综合力学性能、焊接与耐腐蚀性能等。
【具体实施方式】
[0015]下面实施例对本发明作进一步的说明，但不构成对本发明的任何限制。
[0016]实施例1
[0017]取铝锭57克、混合熔盐29克、氟化钪4克备料。先将铝锭装入石墨坩祸中，放入配有不锈钢搅拌桨的井式电阻炉中，关闭炉盖，通电加热升温至700°C。铝锭完全熔化后，打开炉盖，放入混合熔盐，关闭炉盖，升温至780°C。待混合熔盐熔化后，再次打开炉盖，将原料氟化钪放入石墨坩祸中，关闭炉盖，温度再次达到780°C后开始计时，保温60分钟。保温过程开启搅拌桨施以搅拌，每20分钟搅拌一次，每次搅拌I分钟，浇铸前最后一次搅拌持续2分钟。保温60分钟后关闭搅拌桨，打开炉盖，取出石墨坩祸，扒渣，将铝合金液倒入钢模中，铝锭凝固冷却后去渣称重得58克。分别于铝锭3个不同位置钻取碎肩，通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行化学成分分析，得到平均钪含量为2.89%的中间合金，钪回收率为95.4%。
[0018]分别在铸锭不同部位取3块尺寸为1mmX 1mmX5mm的试样进行显微组织分析。经过扫描电镜(SEM)观察与能谱分析，本实施例所制备的铝钪中间合金中的金属间化合物Al3Sc颗粒细小，分布均匀，比较其他方法制得的铝钪中间合金中的Al3Sc颗粒，本实例获得的Al3Sc颗粒更为细小，分布也更为均匀，中间合金的变质性能也更佳。
[0019]实施例2
[0020]取铝锭2000克、混合熔盐1000克、氟化钪150克备料。先将铝锭装入石墨坩祸中，放入配有不锈钢搅拌桨的井式电阻炉中，关闭炉盖，通电加热升温至700°C。铝锭完全熔化后，打开炉盖，放入混合熔盐，关闭炉盖，升温至800°C。待混合熔盐熔化后，再次打开炉盖，将原料氟化钪放入石墨坩祸中，关闭炉盖，温度再次达到800°C后开始计时，保温90分钟。保温过程开施以搅拌，每20分钟搅拌一次，每次搅拌2分钟，浇铸前最后一次搅拌持续5分钟。保温90分钟后关闭搅拌桨，打开炉盖，取出石墨坩祸，扒渣，将铝合金液倒入钢模中，铝锭凝固冷却后去渣称重得2018克。分别于铝锭10个不同位置钻取碎肩，通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行化学成分分析，得到平均钪含量为2.98%的铝钪中间合金，钪回收率91.1%。
[0021]分别在铸锭不同部位取10块尺寸为1mmX 1mmX 5mm的试样进行显微组织分析。经过扫描电镜(SEM)观察与能谱分析，本实施例所制备的铝钪中间合金中的金属间化合物Al3Sc颗粒细小，分布均匀，比较其他方法制得的铝钪中间合金中的Al3Sc颗粒，本实例获得的Al3Sc颗粒更为细小，分布也较为均匀，中间合金的变质性能也更佳。
[0022]实施例3
[0023]取铝锭100千克、混合熔盐60千克、氟化钪5千克备料。先将铝锭装入石墨坩祸中，放入配有电磁搅拌设备的井式电阻炉中，关闭炉盖，通电加热升温至700°C ο铝锭完全熔化后，打开炉盖，放入混合熔盐，关闭炉盖，升温至850°C。待混合熔盐熔化后，再次打开炉盖，将原料氟化钪放入石墨坩祸中，关闭炉盖，温度再次达到850°C后开始计时，保温120分钟。保温过程每隔20分钟进行一次电磁搅拌，每次搅拌3分钟，浇铸前最后一次搅拌持续5分钟。保温120分钟后关闭电磁搅拌，打开炉盖，取出石墨坩祸，扒渣，将铝合金液倒入钢模中，铝锭凝固冷却后去渣称重得100.7千克。分别于铝锭表面10个不同位置和内部10个不同位置共20个位置钻取碎肩，通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行化学成分分析，得到平均钪含量为2.08%的铝钪中间合金，钪回收率95.2%。
[0024]分别在铸锭表面10个和内部10个不同位置取出尺寸为1mmX 1mmX 5mm的共20块试样进行显微组织分析。经过扫描电镜(SEM)观察与能谱分析，本实例所制备的铝钪中间合金中的金属间化合物Al3Sc颗粒细小，分布均勾，比较其他方法制得的铝钪中间合金中的Al3Sc颗粒，本实施例获得的Al3Sc颗粒更为细小，分布也较为均匀，中间合金的变质性能也更佳。
[0025]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法，其特征在于:该制备方法以氟化钪为原料，以NaF、NaCl与KCl混合盐做为熔盐体系，以纯铝锭熔化后的熔融铝液做为还原剂与捕捉剂，该制备方法的具体步骤如下: a.按一定比例将NaF、NaCl、KCl混合均匀，制成混合熔盐； b.将纯铝锭装入石墨坩祸，置于电阻炉或中频炉内加热至700°C，使纯铝锭熔化； c.纯铝锭熔化后，按一定比例将混合熔盐放入石墨坩祸内，升温至750°C?850°C; d.待混合熔盐熔化后，按一定比例将氟化钪放入石墨坩祸内，在750°C?850°C温度区间保温60?120分钟，利用铝热还原反应制备铝钪中间合金； e.保温结束后进行浇铸； f.冷却后即可得到铝钪中间合金。2.根据权利要求1所述制备铝钪中间合金的方法，其特征在于:所述混合熔盐体系的质量比范围为:NaF:NaCl:KCl = (I?5): (6?8): (8?10)，所述混合熔盐与纯铝锭的质量比范围为混合熔盐:铝锭=(I?2):2，所述物料氟化钪(ScF3)、混合熔盐与纯铝锭的质量比范围为:氟化钪(ScF3):混合熔盐:纯铝锭=(I?3):(10?20):20o
【专利摘要】本发明公开了一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法，该制备方法以氟化钪为原料，以NaF、NaCl与KCl混合盐做为熔盐体系，以熔融铝液为还原剂与捕捉剂，将氟化钪、混合熔盐与纯铝锭装入石墨坩埚，在电阻炉或中频炉中加热至750℃～850℃温度区间，保温60～120分钟后，保温结束后将铝合金液倒入钢模中进行浇铸，凝固冷却后得到铝钪中间合金。本发明对设备的要求简单，工艺稳定可靠，节能环保，成本低廉，制备出的铝钪中间合金性能优异，该合金作为制备新一代高性能含钪铝合金的添加剂，可显著提高铝合金的综合力学性能、焊接和耐腐蚀性能。
【IPC分类】C22C1/02, C22C1/03, C22C21/00
【公开号】CN104928507
【申请号】CN201510378553
【发明人】黄进文, 甘培原, 何航军, 詹海鸿, 满露梅, 张建飞, 樊艳金, 李伯骥, 韦江林, 梁焕龙
【申请人】广西冶金研究院
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年7月1日