一种Zn‑Sr合金的制备方法与流程

本发明涉及锌锶合金，特指一种Zn-Sr合金的制备方法，特别涉及一种作为变质剂、晶粒细化剂的锌锶合金及其制备方法。

背景技术：

在金属、非金属、橡胶、涂料等材料中，添加适量的锶及其化合物可改善其某种性能或使其具有特殊的性能，金属锶单独应用时，主要作为某些工业过程的还原剂；用于合金中时，由于锶的化学性质活泼，为了减少氧化损失，一般是以Al-Sr，Mg-Sr等含锶中间合金的形式加入，锶的添加可有效变质和细化合金的组织，减少铸造缺陷的产生，改善合金的耐热、机械和抗腐蚀性能，锶对合金的细化和变质是起决定性的因素，这个决定性因素使得合金的耐热、机械和抗腐蚀性能等得到了改善，因此，锶及锶合金已用于冶金、航空航天、电池材料等工业领域；随着应用范围的扩大，锶及锶合金的需求量日益增加，目前主要的锶合金有Al-Sr、Mg-Sr、Si-Sr等，铝锶合金是锶合金中目前生成应用最为广泛的锶合金，而锌锶合金目前研究的很少，锌锶合金在添加到锌合金、热浸镀合金方面具有明显的优点，因而具有很强的生产应用价值。

近年来，美、德、日等锶产品生产国由于矿脉枯竭、能源费用上涨、环境污染等因素，锶产量逐年下降，世界锶市场转而从我国进口，我国已成为世界锶产品的主要生产国，年产量约占世界产量的50％～60％，其中80％以上出口，然而，我国高品质锶产品研究、开发、生产起步晚，基础薄弱，深加工技术匮乏，生产成本高，产品品质差，出口价格低，市场竞争力差，因此，从锶产业可持续发展的角度出发，充分利用我国锶矿资源优势和庞大的加工基础，尽早攻克高纯度金属锶及其合金产业化关键技术，将我国的锶资源优势转化为锶经济优势，实现我国锶产业可持续发展。

金属锶的化学活性非常活泼，在常温空气中与氧气快速反应生成氧化锶，进而与水反应生成氢氧化锶，因此金属锶的生产过程十分困难；目前，金属锶的制备方法主要有真空热还原法、熔盐电解法、“熔-浸”热还原法等；为了避免锶的氧化以及生成氢氧化锶，通过直接制备Zn-Sr合金来提高生产效率，热浸镀锌是一种经济、方便、有效的应用于各行业金属结构件的防腐蚀方法，纯锌镀层具有优良的牺牲防护作用，但添加合金元素可以进一步提高镀层性能；本专利通过锌液和SrCl₂机械混合反应法制备Zn-Sr合金，利用Cl元素与Zn元素形成ZnCl₂，在熔炼时ZnCl₂以气态蒸发掉，Sr元素熔入锌液中从而获得Zn-Sr合金，Zn-Sr合金可以作为变质剂，细化锌合金镀层组织、改善锌合金的力学性能，不带入其它杂质元素，具有很强的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种锌锶合金的制备方法，所制备的锌锶合金可用于改善合金的显微组织和镀层性能。

本发明制备的锌锶合金由Zn和Sr组成，按质量百分比计，含有0.05～0.77wt.％Sr，余量为Zn。

通过锌液和SrCl₂机械混合反应法制备Zn-Sr合金，利用Cl元素与Zn元素形成ZnCl₂，在熔炼时ZnCl₂以气态蒸发掉，Sr元素熔入锌液中从而获得Zn-Sr合金；但Zn的熔点为419℃，锶的化学性质活泼，加热到熔点(769℃)时可以燃烧生成氧化锶(SrO)，在加压条件下跟氧气化合生成过氧化锶(SrO₂)，因此加热温度不能太高，要控制在合理的范围内；一方面温度太高Zn液中含氧量会增加，Sr也容易被氧化，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收和利用是有限的，合金中Sr的吸收率不会高，合金含氧量较高；另一方面温度较低，反应进行缓慢，SrCl₂浮在Zn液表面经搅拌后容易结块，对提高吸收率也是不利的；因此选择合理的温度区间和工艺步骤，提高吸收率，并降低Zn液中的含氧量是比较困难的，这需要多次实验确定，以达到较高吸收率。

上述热锌锶合金的制备方法采用的技术方案和步骤：

(1)将分析纯SrCl₂·6H₂O盐放入烧杯中，并置于干燥箱中烘干脱水，并研磨得到SrCl₂粉末。

(2)按比例称量好Zn块、SrCl₂粉末，其中Zn块与SrCl₂粉的质量比为13-40：1；经多次实验发现，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收是有限的，因此SrCl₂依然可以达到过量程度。

(3)预热石墨坩埚至暗红色，将按比例称量好的SrCl₂粉末置于坩埚底部，并在SrCl₂粉末上面放入Zn块，然后升温至700℃-730℃。

(4)待Zn块完全熔化后，对Zn液进行搅拌并在Zn液表面均匀撒入SrCl₂粉末进行覆盖。

(5)对Zn液加热1小时后进行再搅拌。

(6)将除渣后的Zn-Sr合金液浇注到金属模型中，得到所需的合金。

所述步骤(1)(2)中的SrCl₂·6H₂O、Zn块均为分析纯。

本发明热锌锶合金的基体组织为Zn+ZnSr₁₃两相组织，合金的基体组织为Zn相，基体上分布着ZnSr₁₃相。

本发明的有益效果是：采用锌液与SrCl₂进行机械混合反应法制备锌锶合金，该合金组织由基体Zn相与ZnSr₁₃相组成，采用锌锶合金可用于改善热浸镀锌合金镀层的显微组织和力学性能。

附图说明

图1是Zn-0.22wt.％Sr合金的扫描电镜照片。

图2是Zn-0.77wt.％Sr合金的XRD图谱照片。

上述含量均为质量百分比含量。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

(1)将分析纯SrCl₂·6H₂O盐放入烧杯中，并置于干燥箱中烘干脱水，并研磨成粉末。

(2)按比例称量好Zn块、SrCl₂粉末，其中Zn块与SrCl₂粉的质量比为40：1，经多次实验发现，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收是有限的，因此SrCl₂依然可以达到过量程度。

(3)预热石墨坩埚至暗红色，将按比例称量好的SrCl₂粉末置于坩埚底部，并在SrCl₂粉末上面放入Zn块，然后升温至700℃-730℃。

(4)待Zn块完全熔化后，对Zn液进行搅拌并在Zn液表面均匀撒入SrCl₂粉末进行覆盖。

(5)对Zn液加热1小时后进行再搅拌。

(6)在搅拌过程中会有白烟产生，避免吸入，搅拌均匀后并进行表面除渣。

(7)将除渣后的金属液倒入模具进行浇注。

通过上述步骤可以得到Zn-0.22wt.％Sr的合金，其扫描电镜照片如图1所示，XRD分析表明，该合金的显微组织为基体Zn相中分布着少量的ZnSr₁₃相，实施例1中的Zn-0.22wt.％Sr合金的重量为120g，在熔炼时加入的Sr为3g，则此时合金含有的Sr为0.264g，则

实施例2

(1)将分析纯SrCl₂·6H₂O盐放入烧杯中，并置于干燥箱中烘干脱水，并研磨成粉末。

(2)按比例称量好Zn块、SrCl₂粉末，其中Zn块与SrCl₂粉的质量比为20：1，经多次实验发现，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收是有限的，因此SrCl₂依然可以达到过量程度；

(3)预热石墨坩埚至暗红色，将按比例称量好的SrCl₂粉末置于坩埚底部，并在SrCl₂粉末上面放入Zn块，然后升温至700℃-730℃。

(4)待Zn块完全熔化后，对Zn液进行搅拌并在Zn液表面均匀撒入SrCl₂粉末进行覆盖。

(5)对Zn液加热1小时后进行再搅拌。

(6)在搅拌过程中会有白烟产生，避免吸入，搅拌均匀后并进行表面除渣。

(7)将除渣后的金属液倒入模具进行浇注。

通过上述步骤可以得到Zn-0.51wt.％Sr的合金，其显微组织与Zn-0.22wt.％Sr合金基本相似，只是ZnSr13相数量稍多，实施例2中的Zn-0.51wt.％Sr合金的重量为120g，在熔炼时加入的Sr为6g，则此时合金含有的Sr为0.612g，则

实施例3

(1)将分析纯SrCl₂·6H₂O盐放入烧杯中，并置于干燥箱中烘干脱水，并研磨成粉末。

(2)按比例称量好Zn块、SrCl₂粉末，其中Zn块与SrCl₂粉的质量比为13：1，经多次实验发现，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收是有限的，因此SrCl₂依然可以达到过量程度。

(3)预热石墨坩埚至暗红色，将按比例称量好的SrCl₂粉末置于坩埚底部，并在SrCl₂粉末上面放入Zn块，然后升温至700℃-730℃。

(4)待Zn块完全熔化后，对Zn液进行搅拌并在Zn液表面均匀撒入SrCl₂粉末进行覆盖。

(5)对Zn液加热1小时后进行再搅拌。

(6)在搅拌过程中会有白烟产生，避免吸入，搅拌均匀后并进行表面除渣。

(7)将除渣后的金属液倒入模具进行浇注。

通过上述步骤可以得到Zn-0.77wt.％Sr的合金，其显微组织与Zn-0.51wt.％Sr合金相似，只是基体Zn相中分布着更多的ZnSr₁₃相。该合金的XRD图谱如图2所示，从XRD图谱中可以明确合金中富Zn相和ZnSr₁₃相的存在，实施例3中的Zn-0.77wt.％Sr合金的重量为120g，在熔炼时加入的Sr为9g，则此时合金含有的Sr为0.924g，则

失败实施例1

(1)将分析纯SrCl₂·6H₂O盐放入烧杯中，并置于干燥箱中烘干脱水，并研磨成粉末。

(2)按比例称量好Zn块、SrCl₂粉末，其中Zn块与SrCl₂粉的质量比为20：1，经多次实验发现，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收是有限的，因此SrCl₂依然可以达到过量程度。

(3)预热石墨坩埚至暗红色，将按比例称量好的SrCl₂粉末置于坩埚底部，并在SrCl₂粉末上面放入Zn块，然后升温至650℃-680℃。

(4)待Zn块完全熔化后，对Zn液进行搅拌并在Zn液表面均匀撒入SrCl₂粉末进行覆盖。

(5)对Zn液加热1小时后进行再搅拌；

(6)在搅拌过程中会有白烟产生，避免吸入，搅拌均匀后并进行表面除渣。

(7)将除渣后的金属液倒入模具进行浇注。

通过上述步骤可以得到Zn-0.05wt.％Sr的合金，Sr的吸收率较700℃-730℃低，因而需要提高温度，提高吸收率，失败实施例1中的Zn-0.05wt.％Sr合金的重量为120g，在熔炼时加入的Sr为6g，则此时合金含有的Sr为0.06g，则

失败实施例2

(1)将分析纯SrCl₂·6H₂O盐放入烧杯中，并置于干燥箱中烘干脱水，并研磨成粉末。

(2)按比例称量好Zn块、SrCl₂粉末，其中Zn块与SrCl₂粉的质量比为20：1，经多次实验发现，对Zn液进行搅拌后，SrCl₂会浮在Zn液表面，此时对SrCl₂的吸收是有限的，因此SrCl₂依然可以达到过量程度。

(3)预热石墨坩埚至暗红色，将按比例称量好的SrCl₂粉末置于坩埚底部，并在SrCl₂粉末上面放入Zn块，然后升温至750℃-780℃。

(4)待Zn块完全熔化后，对Zn液进行搅拌并在Zn液表面均匀撒入SrCl₂粉末进行覆盖。

(5)对Zn液加热1小时后进行再搅拌。

(6)在搅拌过程中会有白烟产生，避免吸入，搅拌均匀后并进行表面除渣。

(7)将除渣后的金属液倒入模具进行浇注。

通过上述步骤可以得到Zn-0.16wt.％Sr的合金，Sr的吸收率较700℃-730℃低，因温度较高，Sr比较容易氧化，Zn液中含氧量也会增加很多，因此对制备Zn-Sr合金不利，失败实施例2中的Zn-0.16wt.％Sr合金的重量为120g，在熔炼时加入的Sr为6g，则此时合金含有的Sr为0.192g，则