CN100546456C - 一种镁热还原制备铝镁钪中间合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝镁钪中间合金的制备方法。本发明以非高纯氧化钪为原料，氧化钪经氯化后变为氯化钪，将上述含钪复合氯化物采用金属热还原方法制备铝镁钪中间合金。用这种方法可制得钪含量为1.5%-3%(重量百分比)的Al-Mg-Sc中间合金。这种方法制备钪中间合金工艺简单，成份均匀，钪的回收率达98%。钪中间合金成本可降低25%。以上述中间合金为原料制备的Al-Mg-Sc-Zr合金，成品板材的抗拉强度提高了35%，屈服强度提高了73%，而延伸率仍保持在13%的高水平。

Description

一种镁热还原制备铝镁钪中间合金的方法

[技术领域]

本发明涉及一种钪中间合金的制备方法，特别是一种氯化钪--碱金属氯化物熔盐采用镁--铝合金熔体还原制备铝镁钪中间合金的制备方法。

[背景技术]

含微量钪的铝合金强度高、塑性好、焊接性能、抗腐蚀性能和低温下的力学性能优越，是新一代航天、航空、舰船用轻型结构材料。钪中间合金则是生产这类含钪铝合金的关键原材料。

目前，铝钪中间合金的实用制备方法有两种：一种是氟化钪铝热还原法，这种方法以氧化钪为原料，采用HF气体对其进行氟化，之后在中频电炉石墨坩锅内进行铝热还原制得铝-钪中间合金，其缺点是所使用的HF气体腐蚀性极强并对人体极其有害，氟化过程需在耐HF腐蚀的密闭容器中进行，且还原率只有80％。另一种是熔盐电解法，电解质体系为Na₃ScF₆-冰晶石-Sc₂O₃，在氩气保护下进行电解，在800℃时Sc₂O₃在Na₃ScF₆中溶解度大约为2％，随电解的进行，Sc₂O₃浓度不断降低，需周期性地向电解质中加入氧化钪以维持作业的正常进行，这种方法制备的中间合金品位较低。

俄罗斯专利SU 1812810公开了一种“制备铝钪中间合金的方法”，该专利对在铝存在下用镁还原氯化钪得到中间合金，在610-630℃进行真空蒸镏，生产用作合金变质处理的铝钪中间合金，形成的镁升华物在以后的中间合金生产工序中用做为还原剂，通过降低杂质含量以提高中间合金质量。该专利采用氯化钪为原料，在铝存在下进行镁热还原，无水氯化钪制备、储备困难，在高温下易升华损失，及逆转变为不能被镁还原的氯化钪；还原后在610-630℃真空中对中间合金进行蒸馏处理，除去镁以制备钪分布均匀的铝-钪二元中间合金，蒸馏除工序增加了工艺设备的操作难度，中间合金中钪分布不均匀的主要原因是Al₃Sc金属间化合物密度较大，易沉积富集在锭的底部，因此造成钪分布的不均匀，显然不能通过蒸馏除镁来提高钪的分布均匀性。

[发明内容]

本发明的目的是提供一种以氧化钪为原料，采用氯化钪镁热还原制备铝镁钪中间合金的方法。

本发明以我国富产的氧化钪初级产品为原料，用氯化法将其变为氯化钪，在氯化钪中加入稳定剂使其溶解，经过滤，蒸发，熔融变成复合氯化物熔盐，再加入还原剂和捕集剂得铝镁钪中间合金，具体工艺过程和条件为：

在Sc₂O₃中加入浓HCl(25～30％)使Sc₂O₃变为ScCl₃，再将KCl，NaCl，和稳定剂NH₄Cl分别溶于稀盐酸溶液(2～5％)中，再加入至ScCl₃溶液中，所得溶液混合后过滤，其中，KCl、NaCl和NH₄Cl与氧化钪的质量比分别是：1.0～10、0.7～7.0、0.7～7.0。

经过滤，蒸发脱除结晶水，在电炉内于800～920℃制备无水复合氯化物熔盐；化学组成为ScCl₃·3K(Na)Cl·3X·6H₂O，经400℃至500℃脱水制得组成为ScCl₃·3K(Na)Cl·(1～3)X的复合氯化物，进一步加热，添加的稳定剂NH₄Cl会自动去除。

除去了吸附水的复合氯化物装入φ80mm的高纯石墨容器内并在400～880℃的电炉内熔融30分钟，除去结晶水和复合氯化物中的稳定剂制得复合氯化物熔盐。

还原在900±20℃、氩气气氛保护下在石墨反应器内进行，向中频炉中分批(每批约50g，每批加料间隔时间5分钟)加入复合氯化物熔盐块，加料完毕，保温30分钟。还原剂镁的加入量与氧化钪的质量比为0.5～5，捕集剂铝的加入量与氧化钪的质量比为5～30。

本发明与氟化钪铝热还原相比，反应在900℃以下就能完成，普通电炉设备就能达到要求，具有设备简易、还原温度低、回收率更高，中间合金成份均匀、成本低等一系列优点，用这种方法可制得钪含量为1.5％～3％的Al-Mg-Sc中间合金。本发明通过添加KCl、NaCl和稳定剂NH₄Cl，制备出含钪复合氯化物代替单一氯化钪，可以解决氯化钪的吸水和逆转变生成氧化钪的问题，既提高了还原产品的质量，又提高了钪本身的回收率，可达98％；不存在杂质污染和增加除杂工序；采用高纯石墨做反应器，既可用作氯化物复合物的最终脱水和熔盐制备容器，又可用作高温热还原的反应器，可显著降低钪中间合金生产成本。

本发明采用氯化钪--碱金属氯化物复合熔盐铝镁合金熔体热还原制备铝镁钪中间合金，在水解抑制剂保护下按特定的升温制度分段升温脱水熔融，制备成不含钪氯化物的无水氯化钪--碱金属氯化物复合熔盐，再高温还原，这就避免了制备单一的氯化钪；氯化钪--碱金属氯化物复合熔盐不升华，不易逆转变为氯化钪，而且采用熔盐还原有利于提高钪收率；本发明通过控制镁量，钪与镁无限互溶，再通过适当的浇铸工艺，从而提高钪的分布均匀性.铝-镁-钪三元中间合金的应用比铝-钪二元中间合金更方便，更广泛。

[附图说明]

图1：本发明工艺流程示意图。

[具体实施方式]

实施例1  取100gSc₂O₃，在加热情况下溶于浓盐酸(25～30％)中，使Sc₂O₃氯化成ScCl₃溶液；再将216gNaCl，108gKCl和184g的稳定剂NH₄Cl分别溶于稀盐酸溶液(2～5％)中，加入至ScCl₃溶液中，所得溶液混合后过滤，滤液蒸发至干后在负压下继续蒸发。除去了吸附水的复合氯化物装入φ80mm的高纯石墨容器内并在800～850℃的电炉内熔融30分钟，除去结晶水和复合氯化物中的稳定剂制得复合氯化物熔盐。将装有2.5KgAl和0.4 5KgMg的石墨坩埚放入真空中频炉内，在氩气气氛保护下升温至900℃，分批(每批约50g，每批加料间隔时间5分钟)加入复合氯化物熔盐块。加料完毕，保温30分钟。从中频炉取出坩埚直接浇铸成锭。得2.85KgAl-Mg-Sc中间合金，钪的平均含量为1.92％，镁的平均含量为14.4％。

实施例2  取纯铝锭2580g，纯镁锭105g，Al-3.8％Zr中间合金80g，用上述方法制得的Al-14.1Mg-1.89Sc中间合金320g，在电阻坩锅炉石墨坩锅中熔剂保护下熔化精炼，之后浇铸成厚60mm的板锭，铸锭均匀化后在470℃热轧成3mm厚的板材，部份热轧板材经冷轧到2mm厚，之后经130℃/3h稳定化处理，之后测试和检验不同处理态合金力学性能和显微组织结构，表1为所制得的Al-Mg-Sc中间合金不同处理态力学性能和显微组织结构。

表1钪中间合金效果试验

注：σ_b：抗拉强度，σ_0.2：屈服强度，δ：延伸率

结果表明，用微量钪和锆合金化的合金，强度显著增加，塑性仍保持在13％的高水平。说明制备的中间合金可用于生产工业含钪铝合金。

Claims (2)

1.一种镁热还原制备铝镁钪中间合金的方法，将氧化钪氯化溶解、过滤、蒸发、熔融，所得复合氯化物熔盐在氩气气氛中采用镁作还原剂，铝作捕集剂在电炉中还原，其特征在于：

①氧化钪用25～30％的HCl充分溶解成氯化钪后，在氯化钪溶液中加入KCl、NaCl和稳定剂NH₄Cl，KCl、NaCl和NH₄Cl与氧化钪的质量比分别是：1.0～10、0.7～7.0、0.7～7.0；

②熔融温度为400～880℃，时间为30分钟；

③还原温度为900±20℃，时间为30分钟，还原剂镁的加入量与氧化钪的质量比为0.5～5，捕集剂铝的加入量与氧化钪的质量比为5～30。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：可在中频电炉中，也可以在普通电炉中进行还原。