CN101709394A - 一种铝钪中间合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝钪中间合金的制备方法，属于高性能铝合金原材料制备技术领域。其特征在于，所述方法的原料为：Sc2O3、纯铝、熔盐体系；其制备方法是一次性将纯铝、Sc2O3和熔盐体系混合均匀，加入坩埚，放入电阻炉加热熔化，升温至950℃±20，保温90-120分钟；保温结束后浇铸取样；所述熔盐体系为NF4HF、KCl、NaCl、NaF、nNaF·AlF3(钠冰晶石)、nKF·AlF3(钾冰晶石)，NF4HF、NaF、KCl、NaCl、钠冰晶石和钾冰晶石的混合比例为比例为10∶8∶5.4∶5.4∶3∶3；所述熔盐体系与纯铝和氧化钪按质量比为30±1.5∶100∶4±0.1加入坩埚。与现有技术相比，本方法制备的合金晶粒度更小，Al3Sc分布均匀、没有明显团聚且尺寸细小。该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备和改善铝钪中间合金的方法。属于高性能铝合金原材料制备技术领域。
背景技术
钪(Sc)是目前为止所发现的对铝合金具有最强晶粒细化作用和抑制再结晶作用的元素。往铝合金中添加钪，能够极大提高合金性能，已成为国内外的研究热点。钪的熔点是1541℃，铝的熔点660℃，两种金属熔点差别很大，往铝中添加钪必须以中间合金的形式，因此铝钪中间合金的制备是生产高性能铝钪合金的关键环节。
目前国内外含钪中间合金的制取方法主要有对掺法、金属热还原法及熔盐电解法三种。熔盐电解法采用的含钪原料主要是氟化钪、氯化钪和氧化钪，使用的熔盐体系有ScCl3-NaCl-KCl、NaF-ScF3-Sc2O3、LiF-ScF3-Sc2O3、Na3AlF6-LiF-Sc2O3。其中，氧化钪-氟盐体系电解制取钪中间合金具有非常诱人的前景，但是高温熔盐电解条件下，氟盐的腐蚀性严重，电解槽及电极材料容易腐蚀失效，另外，高温熔盐电解条件下熔融铝可能会参与电极反应，阴、阳极区不能很好地隔离，这种工艺电流效率一般仅为70～85％，这些问题尚需进一步研究解决。
金属热还原法是目前制备铝钪中间合金的主流方法，包括氟化钪真空铝热还原法、氧化钪-铝热直接还原法、氯化钪-铝镁热还原法。俄罗斯人Скороварови等发明的三段升温氟化钪铝热还原法，Sc的实收率≥96.4％，据报道此方法已用于半工业规模生产。这个方法的优点是氟化钪原料易制得，氟化钪较稳定且不吸湿。缺点是生产氟化钪时要用到剧毒的氟或氟化氢，采用含氟熔盐对反应设备防腐要求比较高，还原反应温度高。氧化钪-铝热直接还原法制备钪中间合金的工艺要点是以粉状氧化钪为原料，将其与活性铝粉混合，预制成小球之后将其浸入熔融的铝液中，铝液作为还原剂，铝粉作为分散剂，在高温下将氧化钪还原为金属钪，进入铝液中形成中间合金。该法工艺技术路线简单，不足是还原反应在大气中进行，混料时如果小球没有充分压实，其中会包藏有部分空气，形成Sc2O3、Al3O3N、Al2O3等杂质，中间合金的纯度及金属钪的实收率尚需进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述各种制备铝钪合金方法的缺点，提供一种工艺简单可靠、合金纯度和含钪量较高、合金组织优化且成本较低的制备铝钪合金的方法，推动铝钪合金的工业化应用。
本发明是通过以下技术方案实现的。
原料：Sc2O3、纯铝、NF4HF(铵盐)、KCl、NaCl、NaF、nNaF·AlF3(钠冰晶石)、nKF·AlF3(钾冰晶石)。
设备：电阻炉、石墨坩埚。
制备过程：一次性将纯铝块、Sc2O3和熔盐体系混合均匀，加入坩埚，放入电阻炉加热熔化，升温至950℃±20，保温90-120分钟。在反应的同时，阶段性地进行电磁搅拌，每15分钟搅拌一次，搅拌时间视反应物的量而定，临浇注前搅拌一次后马上浇注，该次搅拌时间稍长。搅拌频率为25Hz，电流30A。保温结束后浇铸取样。其间发生铝热还原反应，生成铝钪中间合金。电磁搅拌使得反应充分进行，并优化了中间合金组织。熔盐体系是以下物质按一定比例混合而成：NF4HF、NaF、KCl、NaCl、钠冰晶石和钾冰晶石，比例为10∶8∶5.4∶5.4∶3∶3。熔盐体系与纯铝和氧化钪按质量比约为30±1.5∶100∶4±0.1加入坩埚。
说明：用本发明的方法制备的铝钪中间合金，钪含量稳定在2％左右，钪收率超过80％，与已有的发明专利相当。但合金组织比用现有专利方法制备得到的组织更为优化，合金晶粒度更小，Al3Sc分布均匀、没有明显团聚且尺寸细小。该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。
具体实施方式
实施例1
取铝100g、氧化钪3.9g、熔盐体系28.8g备料。将上述原料混合加入坩埚，放入电阻炉，盖好炉盖，加热到950℃(温控误差不超过20℃)，保温90分钟后浇注。保温同时进行阶段性电磁搅拌，每15分钟搅拌一次，每次搅拌30秒，频率为25Hz，电流30A。临浇注前最后一次搅拌时间为5分钟。开炉取出坩埚，扒渣，将合金浇入钢模，待凝固冷却后去渣，称重102g，在合金锭不同部位钻取碎屑，通过ICP-AES(等离子体发射光谱法)进行分析，得到含钪量为2.04％，钪的收得率为81.8％。
经铸态取样分析，较其他方法得到的中间合金，本实施例得到的组织晶粒细小，而且初生Al3Sc尺寸较小，团聚现象不明显，分布均匀。由于中间合金晶粒细小且Al3Sc分布均匀，该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。
实施例2
取铝1kg、氧化钪40g、熔盐体系310g备料。将上述原料混合加入坩埚，放入电阻炉，盖好炉盖，加热到950℃(温控误差不超过20℃)，保温100分钟，同时进行阶段性电磁搅拌，每15分钟搅拌一次，每次搅拌2分钟，频率为25Hz，电流30A。临浇注前最后一次搅拌时间为10分钟。开炉取出坩埚，扒渣，将合金浇入钢模，待凝固冷却后去渣，称重1.01kg，在合金锭不同部位钻取碎屑，通过ICP-AES(等离子体发射光谱法)进行分析，得到含钪量为2.19％，计算出钪的收得率为84.8％。
经铸态取样分析，较其他方法得到的中间合金，本实施例得到的组织晶粒细小，而且初生Al3Sc尺寸较小，团聚现象不明显，分布均匀。由于中间合金晶粒细小且Al3Sc分布均匀，该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。
实施例3
取铝2kg、氧化钪82g、熔盐体系622g备料。将上述原料混合加入坩埚，放入电阻炉，盖好炉盖，加热到950℃(温控误差不超过20℃)，保温110分钟，同时进行阶段性电磁搅拌，每15分钟搅拌一次，每次搅拌3分钟，频率为25Hz，电流30A。临浇注前最后一次搅拌时间为15分钟。开炉取出坩埚，扒渣，将合金浇入钢模，待凝固冷却后去渣，称重2.05kg，在合金锭不同部位钻取碎屑，通过ICP-AES(等离子体发射光谱法)进行分析，得到含钪量为2.12％，计算出钪的收得率为81.3％。
经铸态取样分析，较其他方法得到的中间合金，本实施例得到的组织晶粒细小，而且初生Al3Sc尺寸较小，团聚现象不明显，分布均匀。由于中间合金晶粒细小且Al3Sc分布均匀，该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。
实施例4
取铝5kg、氧化钪198g、熔盐体系1.44kg备料。将上述原料混合加入坩埚，放入电阻炉，盖好炉盖，加热到950℃(温控误差不超过20℃)，保温120分钟，同时进行阶段性电磁搅拌，每15分钟搅拌一次，每次搅拌4分钟，频率为25Hz，电流30A。临浇注前最后一次搅拌时间为20分钟。开炉取出坩埚，扒渣，将合金浇入钢模，待凝固冷却后去渣，称重4.99kg，在合金锭不同部位钻取碎屑，通过ICP-AES(等离子体发射光谱法)进行分析，得到含钪量为2.21％，计算出钪的收得率为85.4％。
经铸态取样分析，较其他方法得到的中间合金，本实施例得到的组织晶粒细小，而且初生Al3Sc尺寸较小，团聚现象不明显，分布均匀。由于中间合金晶粒细小且Al3Sc分布均匀，该中间合金用在后续的含Sc合金制备中，具有十分优异的细化效果。
Claims (2)
1.一种铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，所述方法的原料为：Sc2O3、纯铝、熔盐体系；其制备方法是一次性将纯铝、Sc2O3和熔盐体系混合均匀，加入坩埚，放入电阻炉加热熔化，升温至950℃±20，保温90-120分钟；保温结束后浇铸取样；在反应的同时，阶段性地进行电磁搅拌，搅拌频率为25Hz，电流30A。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔盐体系为NF4HF(铵盐)、KCl、NaCl、NaF、nNaF·AlF3(钠冰晶石)、nKF·AlF3(钾冰晶石)，NF4HF、NaF、KCl、NaCl、钠冰晶石和钾冰晶石的混合比例为比例为10∶8∶5.4∶5.4∶3∶3；所述熔盐体系与纯铝和氧化钪按质量比为30±2∶100∶4±0.1加入坩埚。
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