CN101914706B

CN101914706B - 锌铝钕合金及其熔盐电解制备方法

Info

Publication number: CN101914706B
Application number: CN2010102354163A
Authority: CN
Inventors: 李梅; 张密林; 韩伟; 石晓薇; 许建峰
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: CN101914706A

Abstract

本发明提供的是一种锌铝钕合金及其熔盐电解制备方法。在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后加入质量比为1∶5的Nd₂O₃与ZnCl₂混合物，以金属钼为阴极，石墨为阳极，采取下沉阴极法，极距为5cm，电解温度450～480℃下，阴极电流密度为6.4A/cm²～12.7A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压6.4～10.2V，经120分钟的电解沉积后，于800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，得固态合金。本发明使生产流程大大缩短，且工艺简单。采用低温电解，高温保温的方法，达到更好的液态合金化，降低能耗和生产成本。

Description

锌铝钕合金及其熔盐电解制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种合金。本发明也涉及一种合金的制备方法。具体地说是一种锌铝钕合金及其制备方法。

背景技术

锌铝合金具有高的强度和硬度、良好的耐磨减摩性能、原材料与制造成本低廉等优点以及其他一些独特的性能(如碰撞时不产生火花，无磁性等)，用其替代铝合金甚至铜合金具有明显的经济性，同时，该合金熔点低，耗能少，成本低廉，成型方便，适用于多种铸造方法，因此具有很强的市场竞争力。但是，锌铝合金也存在塑韧性差、尺寸稳定性低、工作温度低、抗蠕变能力差、耐蚀性差等缺点。一般通过添加合金化元素的方法提高锌铝合金的性能，稀土金属是较好的锌铝合金添加元素。稀土对有色金属合金性能的影响，是基于它的变性作用、纯化作用、细化作用以及与一系列低熔点杂质形成难熔化合物能力的合金化作用。有色金属中加入适量稀土元素，可以提高合金在室温及高温下的机械性能和物理性能。

80年代初，由国际铅锌研究组织(ILZRO)资助开发的Ganlfan热镀合金，在Zn-Al中加入微量稀土元素，使得镀层耐蚀性比常规热镀锌层提高1～2倍。传统打字机字头的锌合金中由于加入0.02％～0.05％的稀土金属，从而使其硬度、强度、冲击韧性、脆断、抗老化等性能都得到了改善。未加稀土时合金硬度为HV120，加稀土后提高到HV150，延长了使用寿命。

锌是具有低熔化温度(419℃)，低汽化温度(906℃)及高密度(7.1g/cm3)的金属，制备合金有三种方法，即还原法、熔盐电解法、混熔法。由于锌的熔点低、蒸气压大、易挥发和烧损，还原法和混熔法都不能很好地解决这个问题。传统的锌铝合金制造方法有对掺法，例如公开号CN98124025.9的专利文件中记载的“一种锌铝合金制备工艺”，该技术方案的特征在于先将熔融状态的铝液倒入熔融状态的锌液中，或在熔融状态下的锌液中加入块状铝，升温熔化并充分搅拌即得锌铝合金；对掺法设备比较简单，但存在流程长、能耗高、金属损耗大、环境污染严重等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优良性能的锌铝钕合金。本发明的目的还在于提供一种工艺简单、能耗低的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的锌铝钕合金由重量比为铝2.2～11.4％、钕0.1～5.9％和余量的锌组成。

本发明的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法为：

在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后，再将质量比为1∶5的Nd₂O₃与ZnCl₂混合均匀添加到熔盐体系中，Nd₂O₃的加入量为熔盐重量的2％，ZnCl₂加入量为熔盐重量的10％，以金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，采取下沉阴极法，极距为5cm，电解温度450～480℃下，阴极电流密度为6.4A/cm²～12.7A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压6.4～10.2V，经120分钟的电解沉积后，于800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，得固态合金。

熔盐体系中的LiCl、KCl分别在300℃、600℃干燥24小时。

Nd₂O₃粉末与ZnCl₂混合均匀压片再后添加到熔盐体系中。

Nd₂O₃与ZnCl₂混合物采用一次性直接加入添加或者每隔一段时间间隔添加的方式添加到熔盐体系中。

本发明地方法通过控制电解质配比、电解时间、温度、电流密度等条件可以得到不同组成的锌铝-钕合金，合金组分可以为铝2.2～11.4％、钕0.1～5.9％和余量的锌组成。并且通过将Nd₂O₃粉末与ZnCl₂压片，使其充分融解到融盐中，可以有效的抑制氯化锌的挥发损失。

将Nd₂O₃粉末与ZnCl₂混合均匀直接加入或者压片后添加到熔盐体系中，熔化后，取少量上部熔盐样品溶于水中，进行ICP分析，测试结果显示有钕存在，由于钕的氧化物以及氯氧化物是不溶于水的，而只有其氯化物溶于水，这说明氧化钕在熔盐中被氯化了。在熔盐中氯化锌对氧化稀土有良好的氯化作用，氧化钕在熔盐中主要以氯化钕的形式存在，这为金属钕的电解析出奠定了良好的基础。

本发明采用熔盐电解的方法直接制备锌铝-钕合金。没有使用任何的金属，而是全部采用金属化合物为原料，通过熔盐电解的方法经电解一步制备锌铝-钕合金。

本发明提供一种工艺简单，生产成本低的锌铝-钕合金制备方法。本发明的特点在于：(1)金属铝和稀土金属钕一般是采用熔盐电解法电解制备的，本发明全部采用化合物为原料，一步电解直接制备锌铝-钕合金，因此该方法使生产流程大大缩短，且工艺简单；(2)通过将Nd₂O₃粉末与ZnCl₂压片，使其充分熔解到熔盐中，抑制ZnCl₂挥发，减小了原料损失；(3)本发明采用低温电解(450～480℃)，高温保温的方法，即在较低温度下避免ZnCl₂挥发损失，在较高温度下得到合金成分均匀的液态合金。

附图说明

图1是实施例5合金样品的XRD图；

图2(a)-(b)实施例5的合金样品的SEM照片及EDS分析；

图3(a)-(c)实施例5合金样品的EDS面扫描照片，其中图3(a)合金中铝分布的面扫描(AlK)；图3(b)合金中锌分布的面扫描(Nd L)；图3(c)合金中钕分布的面扫描照片(Nd L)。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细地描述：

(1)LiCl、KCl分别在300℃、600℃干燥24小时，将质量配比为LiCi∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系混合均匀，加热到450℃熔融。

(2)将Nd₂O₃粉末与ZnCl₂混合均匀后压片，加入到上述盐体系中，Nd₂O₃加入量为熔盐重量的2％，ZnCl₂加入量为熔盐重量的10％。

(3)根据需要确定电解温度、电解时间和电流密度进行电解。电解过程中可以通氩气进行保护。

实施例1：在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后，将Nd₂O₃和ZnCl₂混合均匀后添加到熔盐体系中，Nd₂O₃和ZnCl₂加入量为熔盐总重量的2％和10％。以惰性金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，极距为5cm，电解温度450℃，阴极电流密度为6.4A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压6.6V，经120分钟的电解，800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，合金中锌、铝、钕的含量分别为：94.5％、5.4％、0.1％。

实施例2：在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后，将Nd₂O₃和ZnCl₂混合均匀后添加到熔盐体系中，Nd₂O₃和ZnCl₂加入量为熔盐总重量的2％和10％。以惰性金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，极距为5cm，电解温度480℃，阴极电流密度为6.4A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压6.4V，经120分钟的电解，800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，合金中锌、铝、钕含量分别为：97.3％、2.2％、0.5％。

实施例3：在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后，将Nd₂O₃和ZnCl₂(质量比为1∶5)混合均匀压片后，以颗粒的形式每隔0.5小时加一次，共加4次，每次Nd₂O₃、ZnCl₂混合物的加入量为熔盐总重量的3％。以惰性金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，极距为5cm，电解温度465℃，阴极电流密度为6.4A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压6.5V，经120分钟的电解，800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，合金中锌、铝、钕的含量分别为：93.5％、4.2％、1.3％。

实施例4：在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后，将Nd₂O₃和ZnCl₂(质量比为1∶5)混合均匀后压片，每隔0.5小时加一次，共加4次，每次Nd₂O₃、ZnCl₂混合物的加入量为熔盐总重量的3％。以惰性金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，极距为5cm，电解温度480℃，阴极电流密度为9.55A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压10.0V的条件下，经120分钟的电解，800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，合金中锌、铝、钕的含量分别为：85.9％、11.4％、2.7％。

实施例5：在电解炉内，以质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％为电解质体系，加热至450℃熔融后，将Nd₂O₃和ZnCl₂混合均匀后压片，每隔0.5小时加一次，共加4次，每次Nd₂O₃、ZnCl₂混合物的加入量为熔盐总重量的3％。以惰性金属钼(Mo)为阴极，石墨为阳极，极距为5cm，电解温度480℃，阴极电流密度为12.7A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压10.2V，经120分钟的电解，800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，合金中锌、铝、钕的含量分别为：88.8％、5.3％、5.9％。

从以上的实施例中可以看出：阴极电流密度从6.4A/cm²增加到12.7A/cm²时，可以明显提高合金中的钕含量，因此，可以通过改变阴极电流密度的方法在一定范围内控制合金中稀土钕的含量；但阴极电流密度过大，槽电压也升高增加能耗，因此，阴极电流密度不易过大。

图1是实施例5中制备的合金样品的X射线衍射图，从图中可以看出制备的Zn-Al-Nd合金中的Nd主要以Nd₂Zn₁₇、NdZn金属间化合物形式存在；图2和图3是实施例5的合金样品的SEM照片及EDS分析，从图3可以看出合金中金属钕分布得较均匀，无明显偏析现象。

Claims

1.一种锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：

在电解炉内，将质量配比为LiCl∶KCl∶AlF₃＝45％∶45％∶10％的熔盐体系，加热至450℃熔融后，再将质量比为1∶5的Nd₂O₃与ZnCl₂混合均匀添加到熔盐体系中，Nd₂O₃的加入量为熔盐重量的2％，ZnCl₂加入量为熔盐重量的10％，以金属钼为阴极，石墨为阳极，采取下沉阴极法，极距为5cm，电解温度450～480℃下，阴极电流密度为6.4A/cm²～12.7A/cm²，阳极电流密度0.5A/cm²，槽电压6.4～10.2V，经120分钟的电解沉积后，于800℃下保温2h，在熔盐电解槽中阴极附近得到液态Zn-Al-Nd合金，凝固后，得到由重量比为铝2.2～11.4％、钕0.1～5.9％和余量的锌组成的固态合金。

2.根据权利要求1所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：熔盐体系中的LiCl、KCl分别在300℃、600℃干燥24小时。

3.根据权利要求2所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：Nd₂O₃粉末与ZnCl₂混合均匀压片再后添加到熔盐体系中。

4.根据权利要求3所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：Nd₂O₃与ZnCl₂混合物采用一次性直接加入添加或者每隔一段时间间隔添加的方式添加到熔盐体系中。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：电解温度选择450℃，阴极电流密度选择6.4A/cm²，槽电压选择6.6V。

6.根据权利要求1-4任何一项所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：电解温度选择480℃，阴极电流密度选择6.4A/cm²，槽电压选择6.4V。

7.根据权利要求1-4任何一项所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：电解温度选择465℃，阴极电流密度选择6.4A/cm²，槽电压选择6.5V。

8.根据权利要求1-4任何一项所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：电解温度选择480℃，阴极电流密度选择9.55A/cm²，槽电压选择10.0V。

9.根据权利要求1-4任何一项所述的锌铝钕合金的熔盐电解制备方法，其特征是：电解温度选择480℃，阴极电流密度选择12.7A/cm²，槽电压选择10.2V。