CN101148772A - 一种熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种熔盐电解共沉积Mg－Li合金的工艺方法。以惰性金属材料为阴极，石墨为阳极，MgCl₂+LiCl+KCl的混合物加入到电解槽中加热熔化后为电解质进行电解，电解条件为：LiCl/MgCl₂的质量比大于2∶1，即电解质中Li⁺/Mg²⁺的摩尔比大于5∶1，温度在450～800℃范围内，阴极电流密度大于8A/cm²，槽电压为6～7.5V，整个过程在氩气保护下进行。本发明的技术方案，通过熔盐电解共沉积一步直接获得Mg－Li合金，能够很好地解决现在生产Mg－Li合金方法存在热耗大、合金金属的氧化损失大、生产成本高等缺点。

Description

一种熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种镁合金的生产方法。具体地说是一种镁锂合金的生产方法。

(二)背景技术

Mg-Li合金是迄今最轻的金属结构材料，被称为超轻合金，由于Mg-Li合金具有很高的比强度、比刚度和优良的抗振性能及抗高能粒子穿透能力，是航天、航空及兵器工业、核工业和国民经济等高技术领域最理想的结构材料之一。

目前，Mg-Li合金的制取方法主要是掺混法，即以金属镁和金属锂在熔融状态下按一定比例对掺而成。而纯镁和纯锂一般是通过熔盐电解法制备的。这种对掺法生产Mg-Li合金，不仅增加了金属二次重熔的热耗，还增加了金属的氧化损失，造成金属的极大浪费，增加了合金的生产成本。金属镁的生产方法主要有：一、电解法，以菱镁矿为原料的无水氯化镁电解法(IG法)，卤水或者盐湖水为原料经脱水制取无水氯化镁的电解法和以海水为原料经脱水后得低水氯化镁电解法(DOW法)，采用电解法占世界镁生产量的75％以上。二、热还原法，是以MgO和Si或C反应生产镁。该法的劳动强度大，生产效率低，产量只占世界镁产量的25％以下。

采用掺混法生产镁锂合金存在诸多问题，主要体现在：1、制出镁锂合金不可避免地会产生偏析；2、在对掺混熔过程中必然要造成镁、锂等活泼元素的严重烧损，导致成分难以控制；3、在对掺混熔时镁、锂等与其他合金元素形成化合物的能力差(弥散强化能力差)；4、掺混之前须经过单一镁及锂的制备以及其他金属元素的制备过程。所以，采用对掺法生产镁锂合金，不仅增加了金属二次重熔的热耗，还增加了金属的氧化损失，造成金属的极大浪费，增加了合金的生产成本。

目前也有一些关于采用熔盐电解共沉积的方法来生产合金的报道。但是这种方法一般只适用于析出电位很接近的两种离子之间的共沉积。例如专利申请号为200610046677.4的专利“一种镁合金的生产工艺”中，公开的是一种铝镁合金的共沉积方法；另外也有关于采用熔盐电解共沉积的方法来生产镁与稀土元素的合金的报道，例如专利申请号为200510017209.X，名称为“镁-镧镨铈中间合金的共电沉积制备方法”中记载的技术方案等。而Mg²⁺、Li⁺离子平衡电位相差近1伏，如此大的电位差，采用普通的熔盐电解共沉积的方法，会造成析出Mg而不析出Li，即普通的熔盐电解共沉积生产合金的方法不能直接应用于Mg-Li合金的制备。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能耗小、生产成本低、合金成分容易调整控制的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法。

本发明的目的是这样实现的：以惰性金属材料为阴极，石墨为阳极，MgCl₂+LiCl+KCl的混合物加入到电解槽中加热熔化后为电解质进行电解，电解条件为：LiCl/MgCl₂的质量比大于2∶1，即电解质中Li⁺/Mg²⁺的摩尔比大于5∶1，温度在450～800℃范围内，阴极电流密度大于8A/cm²，槽电压为6～7.5V，整个过程在氩气保护下进行。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的惰性金属阴极材料为Mo或W或Pt或Au或Fe。

2、所述的电解质中还可以添加KF、CaF₂、LiF、MgF₂或BaCl₂中一种或一种以上组合而成。

3、所用的电解质原料都进行干燥处理。

4、LiCl/MgCl₂的质量比为2.25∶1-4.5∶1。

本发明的理论依据为：两种离子共沉积要求两种离子的析出电位很接近。而Mg²⁺、Li⁺离子平衡电位相差近1伏，这个差距太大，会造成析出Mg而不析出Li。为解决此难题所采取的方法：①本工艺应用浓差极化原理，即通过提高熔盐电解时的电流密度，使镁离子处于严重极化状态，产生较大的超电压，电位负移到锂离子的附近，使Li⁺析出，就可以达到Mg-Li共沉积。②电解之初，生成的是Mg，故Li⁺在Mg上沉积，随之在Mg-Li上沉积。而Li⁺在Mg(Mg-Li合金)上析出时有很大的去极化效应，使Li⁺析出电位向正移，有利于生成Mg-Li合金。另外，通过控制原料LiCl/MgCl₂的配比，可以在电解槽于阴极共沉积出任意比例的Mg-Li合金，整个过程在氩气保护下进行。本发明的技术方案，不用金属镁，也不用金属锂，而用镁和锂的氯化物或氟化物为原料，让镁离子和锂离子在阴极上共电沉积生成Mg-Li合金。

通过本发明技术方案的实施，能够很好地解决现在生产Mg-Li合金方法存在热耗大、合金金属的氧化损失大、生产成本高等缺点。与对掺法相比，本发明技术有以下优点：

直接获得Mg-Li合金，避免了二次重熔金属(镁、锂)的热耗和氧化损失；

合金组分具有可控性；

可以简化整个合金生产流程，大幅度降低合金的生产成本。

(四)具体实施方式

下面举例对本发明做更详细地描述：

实施例1：

以MgCl₂+LiCl+KCl+BaCl₂为电解质体系，各成分的质量百比分别为8.3％，37.5％，37.5％，16.7％，以金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，电解温度450℃下，极距为4cm，阴极电流密度为10A/cm²，阳极电流密度为0.5A/cm²，槽电压6～7V，在氩气保护下经过2小时的电解，在熔盐电解槽于阴极附近共沉积出Mg-Li合金，镁、锂含量分别为58.9％、41.1％。

实施例2：

以MgCl₂+LiCl+KCl+BaCl₂为电解质体系，各成分的质量百分比分别为15.4％，34.6％，34.6％，15.4％，以金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，电解温度620℃下，极距为4cm，阴极电流密度为10 A/cm²，阳极电流密度为0.5A/cm²，槽电压6～7V，在氩气保护下经过2小时的电解，在熔盐电解槽于阴极附近共沉积出Mg-Li合金，镁、锂含量分别为99.7％、0.3％。

实施例3：

以MgCl₂+LiCl+KCl+BaCl₂为电解质体系，各成分的质量百分比分别为12.8％，32.9％，32.9％，21.3％，以金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，电解温度620℃下，极距为4cm，阴极电流密度为10A/cm²，阳极电流密度为0.5A/cm²，槽电压6～7V，在氩气保护下经过2小时的电解，在熔盐电解槽于阴极附近共沉积出Mg-Li合金，镁、锂含量分别为86.4％、13.6％。

实施例4：

以MgCl₂+LiCl+KCl+BaCl₂为电解质体系，各成分的质量百分比分别为12.8％，32.9％，32.9％，21.3％，以金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，电解温度800℃下，极距为4cm，阴极电流密度为10A/cm²，阳极电流密度为0.5A/cm²，槽电压6～7V，在氩气保护下经过2小时的电解，在熔盐电解槽于阴极附近共沉积出Mg-Li合金，镁、锂含量分别为88.0％、12.0％。

实施例5：

以MgCl₂+LiCl+KCl+BaCl₂+KF为电解质体系，各成分的质量百分比分别为12.5％，32％，32％，20.8％，2.5％，以金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，电解温度620℃下，极距为4cm，阴极电流密度为10A/cm²，阳极电流密度为0.5A/cm²，槽电压6～7V，在氩气保护下经过1小时的电解，在熔盐电解槽于阴极附近共沉积出Mg-Li合金，镁、锂含量分别为92.0％、8.0％。

Claims (9)

1.一种熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，以惰性金属材料为阴极，石墨为阳极，MgCl₂+LiCl+KCl的混合物加入到电解槽中加热熔化后为电解质进行电解，其特征是：电解条件为：LiCl/MgCl₂的质量比大于2∶1，即电解质中Li⁺/Mg²⁺的摩尔比大于5∶1，温度在450～800℃范围内，阴极电流密度大于8A/cm²，槽电压为6～7.5V，整个过程在氩气保护下进行。

2.根据权利要求1所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：所述的惰性金属阴极材料为Mo或W或Pt或Au或Fe。

3.根据权利要求1或2所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：所述的电解质中还可以添加KF、CaF₂、LiF、MgF₂或BaCl₂中一种或一种以上组合而成。

4.根据权利要求1或2所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：所用的电解质原料都进行干燥处理。

5.根据权利要求3所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：所用的电解质原料都进行干燥处理。

6.根据权利要求1或2所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：LiCl/MgCl₂的质量比为2.25∶1-4.5∶1。

7.根据权利要求3所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：LiCl/MgCl₂的质量比为2.25∶1-4.5∶1。

8.根据权利要求4所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：LiCl/MgCl₂的质量比为2.25∶1-4.5∶1。

9.根据权利要求5所述的熔盐电解共沉积Mg-Li合金的工艺方法，其特征是：LiCl/MgCl₂的质量比为2.25∶1-4.5∶1。