CN110195242A - 一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，包括有以下步骤：（1）分别称取原料：K3AlF6（KF和AlF3）、Sc2O3和铝锭；（2）将步骤（1）中的K3AlF6投入电解槽中，加热升温，K3AlF6完全熔化后加入铝锭，待铝锭熔化后加入Sc2O3并熔化；（3）进行熔盐电解，熔盐电解的阴极为液态铝，阳极为石墨，所制备的铝钪中间合金下沉在电解槽的底部。本发明采用钾冰晶石熔盐体系（K3AlF6），不会产生有害气体，较为环保。本发明采用价廉易得的Sc2O3作为电解原料，能够大大的节约生产成本，并且制得的铝钪中间合金沉于熔盐底部，适用于工业大批量生产应用。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域技术，尤其是指一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法。
背景技术
钪（Sc）是一种轻稀土金属，与过渡元素同周期，又和稀土元素同主族，因此Sc元素具有两类元素的一些物化性质但又优于这两类元素。Sc的密度为2.99 g/cm3，与Al的密度2.70 g/cm3相差不大，其对铝有细化晶粒，提高再结晶温度，增强合金耐腐蚀性、强度和塑性等作用。Sc的熔点（1540 ℃）远高于Al（660 ℃），但二者合金化之后能形成Al3Sc共沉淀相，Al3Sc相的存在使Al-Sc合金具有时效硬化效果和高热稳定性。Sc是迄今为止发现的最有效的Al合金化金属，仅需千分之几的Sc就能使铝合金的强度和结构发生明显变化，有效提高军工产品性能，从而受到广泛关注。
目前Al-Sc合金的合成方法主要有对掺熔炼法、真空铝热还原法、熔盐电解法等。对掺熔炼法由于成本高、合金组织不均匀，应用范围较小，如申请号为CN201610862283.X的专利和专利号为CN201410850893.9的专利。真空铝热还原法是应用和研究均较广泛的Al-Sc合金制备技术，如专利号为CN201110288762.2的专利；也有通过加入助熔剂的方式改进技术，如专利号CN201610848014.8的专利，但是在连续生产等方面还存在问题。熔盐电解法制备Al-Sc合金的工艺技术具有成本低、合金组织均匀、生产效率高等优势，但在熔盐体系选择、工艺参数确定等方面尚有不足；
申请人在钾冰晶石熔盐体系中，以金属铝作为液态阴极，采用下沉阴极的熔盐电解技术，成功解决了专利号为CN201710840398.3专利电解时间过长和专利号为CN201510189441.5专利钪含量偏低的问题，实现了Al-Sc合金的电解制备，合金中Sc含量预期目标；此电解工艺操作时间短、成本低、工艺过程简单，具有实际开发应用价值和前景。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其制备过程环保，并且适用于工业大批量生产应用。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，包括有以下步骤：
（1）分别称取原料：K3AlF6（KF和AlF3）、Sc2O3和铝锭；
（2）将步骤（1）中的K3AlF6投入电解槽中，加热升温，K3AlF6完全熔化后加入铝锭，待铝锭熔化后加入Sc2O3并熔化；
（3）进行熔盐电解，熔盐电解的阴极为液态铝，阳极为石墨，所制备的铝钪中间合金下沉在电解槽的底部。
优选的，所述K3AlF6的CR比为：1.1-1.5。
优选的，所述Sc2O3的含量为钾冰晶石熔盐总量的0.2-0.5wt%。
优选的，所述步骤（3）的电解温度为750-850℃。
优选的，所述步骤（3）的电解时间为0.5-1h。
优选的，所述步骤（3）所得到的铝钪中间合金钪质量含量为3-7%。
优选的，所述步骤（1）还包括：对称取后的原料分别进行干燥预热。
优选的，所述步骤（1）的干燥预热的温度是300℃，干燥预热的时间为2-3h。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
本发明采用钾冰晶石熔盐体系（K3AlF6），不会产生有害气体，较为环保。本发明采用价廉易得的Sc2O3作为电解原料，能够大大的节约生产成本，并且制得的铝钪中间合金沉于熔盐底部，适用于工业大批量生产应用。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：
附图说明 ：图1为本发明实施例3制备的铝钪中间合金的XRD扫描照片；
图2为本发明实施例3制备的铝钪中间合金的SEM扫描照片。
具体实施方式
一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，包括以下步骤：
（1）分别称取原料：K3AlF6（KF和AlF3）、Sc2O3、铝锭，保证K3AlF6的CR比为：1.1-1.5，本发明电流效率与产物中Sc含量均较佳，熔盐初始为100%的K3AlF6（KF和AlF3），铝锭的含量为熔盐总量的熔盐总量5-8wt%（铝锭投入量可以任意变化，对结果一般不产生影响）；并分别将称取后的K3AlF6（KF和AlF3）、Sc2O3、铝锭在300℃下干燥预热2-3h备用，对原料进行预热，一方面能够对原料进行活化，另一方面能够有效降低步骤（2）中的加热熔化温度，从而降低电能的耗电量，降低制备成本，并且，300℃的干燥温度既能够达到较佳的干燥效果，并且还能够防止Sc2O3吸水，从而防止其他副反应发生。
（2）将步骤（1）中预热后的K3AlF6（KF和AlF3）投入电解槽中，加热升温到750-850℃，既可保持较高电流效率，又可减少熔盐挥发，K3AlF6完全熔化后，加入预热后的铝锭，待铝锭熔化后加入0.2-0.5wt%的Sc2O3并熔化，能够保证Sc2O3在K3AlF6中较佳的溶解度。
（3）进行熔盐电解：以液态铝为阴极，石墨为阳极，阴极电流为80A，电解时间为0.5-1h，能够满足充分电解和生产效率的要求，所制备的铝钪中间合金下沉在电解槽的底部。所得到的铝钪中间合金钪质量含量为3-7%，达到预期目标。
（4）电解结束后，取出铝钪中间合金液，浇铸到模具中进行剥离。
本发明所称的钪、Sc均等同。
下面以多个实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1-实施例5的电解条件(除了电解温度)为：液态铝为阴 极，石墨为阳极，阴极电流为80A，电解时间为30-40min。具体如下 表1。
结论：
（1）实施例1-3区别仅在于电解温度不同，其中实施例2的Sc含量与电流效率最佳，但是Sc含量与电流效率相近，说明750-850℃的温度范围内不会影响发明效果。温度高过850℃会导致K3AlF6的挥发加速，造成成本增加，并不利于工业大规模生产应用。
（2）同结论（1），实施例2、实施例4和实施例5的CR比不同，以实施例4的Sc含量与电流效率最佳，但Sc含量与电流效率的情况，说明1.1-1.5范围内CR比的变化不会影响发明效果。
（4）图1中Al-Sc中间合金除了Al和Sc的衍射峰外，还有其他标定的KF、AlF3和Al3Sc的衍射峰，但这些相的含量相对较少，主要是Al。熔盐电解制备的Al-Sc中间合金中还掺杂有少量熔盐。
（5）图2中灰色部分为Al相（Al摩尔分数98.50%），Al基体中还含有微量Sc和F，分布于灰色Al基体组织上的不规则黑色部分为Al3Sc相，Al3Sc相分布不均匀，形状不规则。
测得图2中1和2处的EDS能谱结果如下表2。
表2
由表2可以得出，在钾冰晶石熔盐中经过下沉阴极熔盐电解后， 可成功制备Sc含量较高的铝钪中间合金。
本发明的设计重点是：本发明采用钾冰晶石熔盐体系（K3AlF6），不会产生有害气体，较为环保。本发明采用价廉易得的Sc2O3作为电解原料，能够大大的节约生产成本，并且制得的铝钪中间合金沉于熔盐底部，适用于工业大批量生产应用。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：包括有以下步骤：
（1）分别称取原料：K3AlF6（KF和AlF3）、Sc2O3和铝锭；
（2）将步骤（1）中的K3AlF6投入电解槽中，加热升温，K3AlF6完全熔化后加入铝锭，待铝锭熔化后加入Sc2O3并熔化；
（3）进行熔盐电解，熔盐电解的阴极为液态铝，阳极为石墨，所制备的铝钪中间合金下沉在电解槽的底部。
2.如权利要求1所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述K3AlF6的CR比为：1.1-1.5。
3.如权利要求1所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述Sc2O3的含量为钾冰晶石熔盐总量的0.2-0.5wt%。
4.如权利要求1所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述步骤（3）的电解温度为750-850℃。
5.如权利要求1所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述步骤（3）的电解时间为0.5-1h。
6.如权利要求1所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述步骤（3）所得到的铝钪中间合金钪质量含量为3-7%。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述步骤（1）还包括：对称取后的原料分别进行干燥预热。
8.如权利要求7任一项所述的一种钾冰晶石熔盐下沉阴极电解制备铝钪中间合金的方法，其特征在于：所述步骤（1）的干燥预热的温度是300℃，干燥预热的时间为2-3h。
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