CN103820688B

CN103820688B - 一种稀土镁电极材料及制备方法

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Publication number: CN103820688B
Application number: CN201410076171.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋晓龙; 赵浩峰; 王玲; 郑泽昌; 柯维雄; 潘子云; 谢艳春; 龚国庆; 何晓蕾; 徐小雪; 雷霆; 陆阳平; 邱奕婷; 王易秋; 宋超; 赵佳玉
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN103820688A

Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种稀土镁电极材料及制备方法。本发明的提供一种稀土镁电极材料，该合金材料的开路电压负值较高。本发明还提供一种稀土镁电极材料制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。本发明稀土镁电极材料，各成分的重量百分含量为：Sr0.5-0.8%；Y0.03-0.06%；Sb0.4-0.7%；Fe 0.5-0.8%；Ni1-4%；Os0.07-0.09%，其余为Mg。

Description

一种稀土镁电极材料及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种稀土镁电极材料及制备方法。

背景技术

CN201010124355.3公开了一种电极材料，以铝为基体，含有0.01-1.0wt%的活化元素汞，0.05-2.0wt%的镓，0.05-2.0wt%的镁、0.01-1.0wt%的锡和0.01-1.0wt%的锌。该发明通过对铝阳极材料进行合金成分设计、电化学性能和元素活化机理的研究，优选出能降低铝阳极钝化和极化、提高铝阳极材料电化学活性和耐腐蚀性能的合金元素和成分，制备出了具有激活时间短，电流效率高，放电平稳，析氢量少，使用时间长等优点的大功率海水激活动力电池用铝阳极材料。但是开路电压负值偏低。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种稀土镁电极材料，该合金材料的开路电压负值较高。

本发明的另一目的是提供一种稀土镁电极材料制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明技术方案如下：

一种稀土镁电极材料，其特征在于，各成分的重量百分含量为：Sr 0.5-0.8%； Y 0.03-0.06%；Sb 0.4-0.7%；Fe 0.5-0.8%；Ni 1-4%；Os 0.07-0.09%，其余为Mg。

一种稀土镁电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先按照上述成分进行配料，原料Sr、Y、Sb、Fe、Ni、Os、Mg以纯物质形式加入，纯度均大于99.9%；

2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至400～500℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量2-4%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量1-2%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量3-5%的镁熔剂，再将坩埚升温至720-740℃，保温4-8min后，将熔融液态合金浇入铸型中；

3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留20-30分钟后取出，取出后在5-9分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金棒；浇注完成10-20分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至110-120℃，保温20-30分钟，即得到稀土镁电极材料。

步骤2）中镁熔剂的重量百分比含量为：KCl 24-27%，CaF₂ 3-6%，NaCl 1-3%，MgC_l2 52-55%，MgO 0.5-1.2%，PbCl₂1.3-1.5%，NaF 0.4-0.8%，其余为CaCl₂。

步骤3）中铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比耐火黏土 6-9%，水 4-6%，硼酸 1-2%，其余为刚玉砂粒进行配料；通过人工撞实方法将铸型做好后，置于120-130℃炉中硬化20-30分钟取出，冷却至室温。

所述刚玉砂粒的成分为 SiO₂ 1-3%，其余为Al₂O₃；耐火黏土的粉粒尺寸为2-5微米，刚玉砂粒的尺寸为200-250微米。

步骤3）中合金棒的直径为10-20mm，长度为50-200mm。

本发明的有益效果：

本发明加入合金元素 Sb 后，极化曲线变化平缓，表明合金元素与铝镁基合金具有良好的电化学相容性。Mg和 Fe元素可以形成共晶组织。加入合金元素Ni后，材料组织细化，开路电位有负移的趋势，且变化趋势较细化前平缓。在纯镁中加入合金元素Sr和Y，电位明显负移，而且比较稳定。Os和Sr元素结合可降低合金的氧化性。

试样经激冷铸造并有低温均匀化处理后，阳极材料组织更加均匀，具有较负的电位，较好的阳极极化性能，表明均匀化处理后阳极材料电化学性能能够得到提高。

本发明将熔融合金浇入铸型的型腔，采用快速冷却、热处理和合金化结合的方式，既有效降低合金中的相尺寸，保证化学成分的均匀分布，保证了合金的磁性能，也通过梯度处理大大降低了快速冷却造成的内应力，也保证了合金的力学性能。

与现有技术相比，本发明的材料具有工作电位负、自腐蚀速率低。本发明制备中，没有大量使用稀贵元素，所取原料成本降低；另外合金经过较为快速冷却，保证了合金成分、组织和性能的均匀性，因此也就保证了合金的质量。该合金制备工艺简便，过程简单，生产的合金具有良好的性能，非常便于工业化生产。本发明合金材料可以应用于电极行业。

附图说明

图1为本发明实施例一制备的材料组织图。

由图1可见，本发明制备的组织均匀致密。

具体实施方式

以下各实施例中所用原料如下：

刚玉砂粒的成分为 SiO₂ 1-3%，其余为Al₂O₃，刚玉砂粒的尺寸为200-250微米。

耐火黏土的粉粒尺寸为2-5微米。

实施例一：

本发明稀土镁电极材料，各成分的重量百分含量为：Sr 0.5%；Y 0.03%；Sb 0.4%；Fe 0.5%；Ni 1%；Os 0.07%，其余为Mg。

本发明稀土镁电极材料的制备方法，包括以下步骤：

2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至400℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量2%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量1%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量3%的镁熔剂，再将坩埚升温至720℃，保温4min，目的是使合金均匀化，然后将熔融液态合金浇入铸型中；所述镁熔剂的重量百分比含量为：KCl 24%，CaF₂ 3%，NaCl 1%，MgC_l2 52%，MgO 0.5%，PbCl₂1.3%，NaF 0.4%，其余为CaCl₂；所述铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比耐火黏土 6%，水 4%，硼酸 1%，其余为刚玉砂粒进行配料，通过人工撞实方法将铸型做好后，置于120℃炉中硬化20分钟取出，冷却至室温；

3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留20分钟后取出，取出后在5分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金棒，合金棒的直径为10mm，长度为50mm；浇注时型腔内的温度为-155～-165℃，浇注完成10分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至110℃，保温20分钟，即得到稀土镁电极材料。

实施例二：

本发明稀土镁电极材料，各成分的重量百分含量为：Sr 0.8%；Y 0.06%；Sb 0.7%；Fe 0.8%；Ni 4%；Os 0.09%，其余为Mg。

本发明稀土镁电极材料的制备方法，包括以下步骤：

2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至500℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量4%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量2%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量5%的镁熔剂，再将坩埚升温至740℃，保温8min，目的是使合金均匀化，然后将熔融液态合金浇入铸型中；所述镁熔剂的重量百分比含量为：KCl 27%，CaF₂ 6%，NaCl 3%，MgC_l2 55%，MgO 1.2%，PbCl₂1.5%，NaF 0.8%，其余为CaCl₂；所述铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比耐火黏土 9%，水 6%，硼酸 2%，其余为刚玉砂粒进行配料，通过人工撞实方法将铸型做好后，置于130℃炉中硬化30分钟取出，冷却至室温；

3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留30分钟后取出，取出后在9分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金棒，合金棒的直径为20mm，长度为200mm；浇注时型腔内的温度为-155～-165℃，浇注完成20分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至120℃，保温30分钟，即得到稀土镁电极材料。

实施例三：

本发明稀土镁电极材料，各成分的重量百分含量为：Sr 0.7%；Y 0.05%；Sb 0.6%；Fe 0.7%；Ni 3%；Os 0.08%，其余为Mg。

本发明稀土镁电极材料的制备方法，包括以下步骤：

2）采用坩埚电阻炉熔炼合金原料，先将坩埚加热至450℃，然后在坩埚壁及底部均匀地撒上占合金原料重量3%的镁熔剂；然后将合金原料放入坩埚中，再在合金原料上撒上占合金原料重量1.5%的镁熔剂，然后加热坩埚，待坩埚中合金原料全部熔化后，拨去液面上的炉渣，撒入占合金原料重量4%的镁熔剂，再将坩埚升温至730℃，保温6min，目的是使合金均匀化，然后将熔融液态合金浇入铸型中；所述镁熔剂的重量百分比含量为：KCl 25%，CaF₂ 5%，NaCl 2%，MgC_l2 54%，MgO 1.0%，PbCl₂1.4%，NaF 0.6%，其余为CaCl₂；所述铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比耐火黏土 8%，水 5%，硼酸 1.5%，其余为刚玉砂粒进行配料，通过人工撞实方法将铸型做好后，置于125℃炉中硬化25分钟取出，冷却至室温；

3）浇注前铸型先放入充满液氮的容器，停留25分钟后取出，取出后在7分钟内将步骤2）熔融液态合金浇入铸型的型腔，得到合金棒，合金棒的直径为15mm，长度为150mm；浇注时型腔内的温度为-155～-165℃，浇注完成15分钟后，将合金棒从铸型中取出放入箱式电阻炉中加热，加热至115℃，保温25分钟，即得到稀土镁电极材料。

实施例四：（成份配比不在本发明设计方案内）

本发明稀土镁电极材料，各成分的重量百分含量为：Sr 0.4%；Y 0.02%；Sb 0.3%；Fe 0.4%；Ni 0.5%；Os 0.05%，其余为Mg。

本发明稀土镁电极材料的制备方法步骤同实施例一。

实施例五：（成份配比不在本发明设计方案内）

本发明稀土镁电极材料，各成分的重量百分含量为：Sr 0.9%；Y 0.08%；Sb 0.8%；Fe 0.9%；Ni 5%；Os 0.11%，其余为Mg。

本发明稀土镁电极材料的制备方法步骤同实施例一。

表一：

由上表可以看出，材料中添加Sr、Y、Sb、Fe、Ni、Os元素有助于合金性能的提高，但是超出本案规定的范围，性能非但没提高，反而降低。原因是元素过多，会反应形成过多化合物，也降低了合金元素的有效作用。Y、Os元素过多，不再起作用，浪费原材料。

Claims

1.一种稀土镁电极材料，其特征是：各成分的重量百分含量为：Sr 0.5-0.8%； Y 0.03-0.06%；Sb 0.4-0.7%；Fe 0.5-0.8%；Ni 1-4%；Os 0.07-0.09%，其余为Mg。

2.权利要求1所述稀土镁电极材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述稀土镁电极材料的制备方法，其特征是：步骤2）中镁熔剂的重量百分比含量为：KCl 24-27%，CaF₂ 3-6%，NaCl 1-3%，MgC_l2 52-55%，MgO 0.5-1.2%，PbCl₂1.3-1.5%，NaF 0.4-0.8%，其余为CaCl₂。

4.根据权利要求2所述稀土镁电极材料的制备方法，其特征是：步骤3）中铸型通过以下方法制作：各成份按重量百分比耐火黏土 6-9%，水 4-6%，硼酸 1-2%，其余为刚玉砂粒进行配料；通过人工撞实方法将铸型做好后，置于120-130℃炉中硬化20-30分钟取出，冷却至室温。

5.根据权利要求4所述稀土镁电极材料的制备方法，其特征是：所述刚玉砂粒的成分为 SiO₂ 1-3%，其余为Al₂O₃；耐火黏土的粉粒尺寸为2-5微米，刚玉砂粒的尺寸为200-250微米。

6.根据权利要求2所述稀土镁电极材料的制备方法，其特征是：步骤3）中合金棒的直径为10-20mm，长度为50-200mm。