CN101358359A - 一种电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法。将KCl、K2ZrF6在600℃的温度下进行干燥,无水MgCl2、KF在130℃温度下进行真空干燥;将KCl、K2ZrF6、无水MgCl2、KF及ZrO2按质量比为35~45%∶5.3~15%∶35~45%∶0.1~4.5%∶2~4%比例研细混合均匀后,在电解槽中加热溶化;金属钼丝为阴极,在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨棒为阳极,电解槽温在650℃-800℃之间,阴极电流密度6~13A/cm2,槽电压5~9V,经过1小时的电解,恒温保温10~40min,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金;整个过程在氩气保护下进行。本发明得到的合金成分均匀,解决了Mg-Zr中间合金成分偏析的技术难题,具有工艺流程大大缩短,操作温度低,生产成本低的特点。

Description

一种电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法,属于镁合金产品制备技术领域。
(二)背景技术
镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高,阻尼防震性能好,尺寸稳定性及机械加工性能优良等优点,而且自然界中镁的资源储量丰富,易于回收利用,被喻为21世纪的绿色环保工程材料,因而受到材料工作者的青睐,日益成为现代工业产品的理想材料。镁合金按是否含锆,可分为含锆镁合金和不含锆镁合金。
由于锆对镁合金有强烈的晶粒细化作用,一般冷铸纯镁的晶粒约在2mm以上,在纯镁中添加0.65%的Zr以后,铸件的晶粒可将至0.05~0.15mm,晶粒得到显著细化,使镁合金的性能明显改善,故含锆镁合金得到了日益广泛的应用。
但是,锆在镁中的溶解度很低,654℃下在镁中仅为0.6%,往往因加锆工艺不当,使锆含量达不到合金成分的要求。
镁合金中的Zr均以Mg-Zr中间合金的形式加入,因而对Mg-Zr中间合金的需求迅速增加。Mg-Zr中间合金的生产方法有镁还原ZrCl4法、锆粉与镁液对掺法、液态Mg阴极电解法、镁还原K2ZrF6法。利用对掺法的特点:由于锆的熔点高,在镁中的扩散系数小,很难同镁熔化成均匀的合金,制备的Mg-Zr合金产品偏析很严重,并且需要价格昂贵的金属锆作为原料,因此成本较高。利用热还原法的特点是:在900~1000℃的温度下,用镁还原锆的氟化物生产Mg-Zr合金。还原法的缺点是:温度较高,熔盐挥发严重,需要机械搅拌,能耗较大,得到的合金产品容易产生夹渣,并且生产流程长,工艺复杂,属于间歇式生产,因此生产成本较高。
已有技术中提出的对掺法和热还原法制备Mg-Zr合金,例如中国专利申请号为03804793.4的专利文件中,公开了一种向纯镁或镁合金中添加锆,并涉及包括Mg-Zr母合金的镁-锆(Mg-Zr)合金的制备。已有技术中提出的例如中国专利申请号为200410020594.9的专利“一种镁锆中间合金的生产方法”中,公开了一种用金属镁热还原四氯化锆生产Mg-Zr中间合金的方法。
由于锆在镁中的溶解度很低,目前这些方法的所制的Mg-Zr中间合金,当锆含量超过0.6%时,合金中镁和锆一般是机械混合,存在严重的偏析现象。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、能降低能耗、制备的Mg-Zr合金成分均匀的一种电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法。
本发明的Mg-Zr合金的熔盐电解直接制备方法是:
将KCl、K2ZrF6在600℃的温度下进行干燥,无水MgCl2、KF在130℃温度下进行真空干燥;将KCl、K2ZrF6、无水MgCl2、KF及ZrO2按质量比为35~45%∶5.3~15%∶35~45%∶0.1~4.5%∶2~4%比例研细混合均匀后,在电解槽中加热溶化;金属钼丝为阴极,在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨棒为阳极,电解槽温在650℃-800℃之间,阴极电流密度6~13A/cm2,槽电压5~9V,经过1小时的电解,恒温保温10~40min,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金;整个过程在氩气保护下进行。
通过本发明的技术方案,采用镁和锆的化合物为原料,在电场作用下使Mg2+、Zr4+同时在阴极同时放电析出形成Mg-Zr合金,只有两种离子共析出才能保证形成的合金成分均匀。而金属镁的析出同时又起到了还原剂的作用,使K2ZrF6中的锆离子还原为金属锆。
本发明的方法既不需要金属镁和金属锆,而是采用镁和锆的化合物为原料直接生产Mg-Zr合金,与传统方法相比,合金成分均匀,解决了Mg-Zr中间合金成分偏析的技术难题,具有工艺流程大大缩短,操作温度低,生产成本低的特点。
(四)附图说明
图1-a和图1-b是实施例5制备的合金样品的扫瞄电子显微镜(SEM)照片及面扫描(EPMA)照片。
图2-a和图2-b是实施例2制备的合金样品的扫瞄电子显微镜(SEM)照片及面扫描(EPMA)照片。
图3-a和图3-b是纯镁和实施例2制备合金样品的金相照片。其中:图3-a是Mg×100金相显微镜照片;图3-b是Mg-2.0%Zr×200金相显微镜照片。
(五)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+KCl+K2ZrF6+ZrO2+KF为电解质体系,各成分的质量百分比分别为34.6%,52%,5.3%,2.3%,5.8%,以惰性金属电极钼(Mo)为阴极,并在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨为阳极,电解温度700℃下,极距为4cm,阴极电流密度为6.37A/cm2,阳极电流密度为0.5A/cm2,槽电压8~9V,合金比重小于电解质比重,合金上浮于电解质上部,用氩气保护,经过1小时的电解,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金,镁、锆的含量分别为99.8%、0.2%。
实施例2:以MgCl2+KCl+K2ZrF6+ZrO2+KF为电解质体系,各成分的质量百分比分别为34.6%,52%,5.3%,2.3%,5.8%,以惰性金属电极钼(Mo)为阴极,并在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨为阳极,电解温度800℃下,极距为4cm,阴极电流密度为6.37A/cm2,阳极电流密度为0.5A/cm2,槽电压7~8.5V,合金比重小于电解质比重,合金上浮于电解质上部,用氩气保护,经过1小时的电解,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金,镁、锆的含量分别为98.0%、2.0%。
实施例3:以MgCl2+KCl+K2ZrF6+ZrO2+KF为电解质体系,各成分的质量百分比分别为34.6%,52%,5.3%,2.3%,5.8%,以惰性金属电极钼(Mo)为阴极,并在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨为阳极,电解温度750℃下,极距为4cm,阴极电流密度为3.18A/cm2,阳极电流密度为0.5A/cm2,槽电压5.5~6.6V,合金比重小于电解质比重,合金上浮于电解质上部,用氩气保护,经过1小时的电解,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金,镁、锆的含量分别为98.3%、1.7%。
实施例4:以MgCl2+KCl+K2ZrF6+ZrO2+KF为电解质体系,各成分的质量百分比分别为34.6%,52%,5.3%,2.3%,5.8%,以惰性金属电极钼(Mo)为阴极,并在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨为阳极,电解温度750℃下,极距为4cm,阴极电流密度为12.73A/cm2,阳极电流密度为0.5A/cm2,槽电压8~9V,合金比重小于电解质比重,合金上浮于电解质上部,用氩气保护,经过1小时的电解,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金,镁、锆的含量分别为99.7%、0.3%。
实施例5:以MgCl2+KCl+K2ZrF6+ZrO2+KF为电解质体系,各成分的质量百分比分别为34.6%,52%,5.3%,2.3%,5.8%,以惰性金属电极钼(Mo)为阴极,并在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨为阳极,电解温度750℃下,极距为4cm,阴极电流密度为6.37A/cm2,阳极电流密度为0.5A/cm2,槽电压8~9V,合金比重小于电解质比重,合金上浮于电解质上部,用氩气保护,经过1小时的电解,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金,镁、锆的含量分别为99.2%、0.8%。
附图1、附图2分别是实施例5、实施例2制备的合金样品的扫瞄电子显微镜(SEM)照片及面扫描(EPMA)照片。EPMA面扫描照片中可以清楚的看到:合金中锆的分布是均匀的,无偏析现象。
附图3是纯镁和实施例2制备合金样品的金相照片,从图3可以看出,锆加入镁后可以使纯镁几百微米的枝状晶细化至10~20微米,有明显的细化作用。

Claims (3)

1、一种电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法,其特征是:将KCl、K2ZrF6在600℃的温度下进行干燥,无水MgCl2、KF在130℃温度下进行真空干燥;将KCl、K2ZrF6、无水MgCl2、KF及ZrO2按质量比为35~45%∶5.3~15%∶35~45%∶0.1~4.5%∶2~4%比例研细混合均匀后,在电解槽中加热溶化;金属钼丝为阴极,在阴极上套上阴极产物汇集套筒,石墨棒为阳极,电解槽温在650℃-800℃之间,阴极电流密度6~13A/cm2,槽电压5~9V,经过1小时的电解,恒温保温10~40min,在熔盐电解槽于阴极附近沉积出Mg-Zr合金;整个过程在氩气保护下进行。
2、根据权利要求1所述的电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法,其特征是:KCl、K2ZrF6、无水MgCl2、KF及ZrO2的质量比为34.6%,52%,5.3%,2.3%,5.8%,电解槽温在800℃,极距为4cm,阴极电流密度为6.37A/cm2,阳极电流密度为0.5A/cm2,槽电压7~8.5V。
3、根据权利要求2所述的电解MgCl2和K2ZrF6、ZrO2直接制备Mg-Zr合金的方法,其特征是:电解槽温在750℃,槽电压8~9V。
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