CN117758089A - 一种铝钪中间合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝钪中间合金及其制备方法，涉及合金技术领域。具体而言包括如下步骤：1)将含有氟化钪和熔盐的第一混合盐与熔化的铝液混合后静置，收集熔体表面的熔盐并得到二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；2)将二次盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐，得到废渣并弃用；3)向步骤2)处理后的熔体中加入含有氟化钪和熔盐的第二混合盐，在静置后收集熔体表面的熔盐并得到新的二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；4)重复进行步骤2)～3)，将步骤3)得到的二次盐回用于步骤2)。本发明的盐渣少、钪收率高、盐渣占比低；在保证合金质量的前提下制备成本低，且适合工业化规模化生产。

Description

一种铝钪中间合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体而言，涉及一种铝钪中间合金及其制备方法。

背景技术

钪(Sc)，原子序数为21，属于第四周期IIIB族元素，电子排布为[Ar]3d¹ 4s²，与外层被4f电子围绕的稀土元素有明显的性能差别，其晶格常数、密度及某些物理或力学性能更接近于铝、钇和钛，是铝合金理想的合金化元素。就铝合金而言，钪对铝有着很好的弥散强化作用，是铝合金强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂。钪在铝及铝合金中同时具有稀土金属和过渡族金属的有益作用，但其效果却比这两类金属明显得多。因此，钪成为目前材料界倍受重视的一种新型铝合金微合金化添加元素。

现行的铝钪合金的生产工艺主要包括如下三种：

第一，对掺法；以高纯金属钪(Sc≥99.9％)和纯铝(Al≥99％)为原料，用纯氩气(Ar≥99.99％)作为保护气体，先将高纯铝熔化，然后将金属钪用纯铝箔包起来在氩气保护下加入铝水中，保温足够时间进行充分搅拌，然后铸入预热铁模或铜模中，制出的铝-钪中间合金再用冲淡法配制出任何钪含量的铝合金；该法生产成本高，规模比较小，难以实现批量化规模生产。

第二，铝热还原法；此法目前有很多种工艺方法，有真空铝热还原法、非真空铝热还原法，原料有以氧化钪为主，也有以氟化钪为主，熔盐有冰晶石、氟化钠、氯化钾、氯化钠、氟铝酸钾、氟化氢铵等，配比也有很多种，熔盐也有多次利用等工艺。此法需要加入一定量的氟化氢铵，对烟气处理有一定的困难，生产中盐类比较多，用盐量比较大，副产物盐渣比较多，造成尾渣排放量比较大，一般在占铝锭用量的25％～30％左右。

第三，熔盐电解法；目前熔盐电解法大多数在实验室研究，很少存在产业化应用；同时此法设备成本高昂，需要大规模设备化生产才能具有较高的经济价值。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铝钪中间合金的制备方法，属于铝热还原法分类；所述的制备方法在能够满足大规模批量化生产的同时解决烟气处理困难和副产物盐渣排放量大等缺陷。

本发明的第二目的在于提供一种所述的铝钪中间合金的制备方法制得的铝钪中间合金。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种铝钪中间合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将含有氟化钪和熔盐的第一混合盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐并得到二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；

(2)、将所述二次盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐，得到废渣并弃用；

(3)、向步骤(2)处理后的熔体中加入含有氟化钪和熔盐的第二混合盐，在静置后收集熔体表面的熔盐并得到新的二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；

(4)、重复进行步骤(2)～(3)，且将步骤(3)得到的所述二次盐回用于重复的步骤(2)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用氟化钪为原料，辅助氟化钠和氯化钾为熔盐体系，在非真空条件下还原熔炼，避免了真空反应环境难以大规模生产的缺陷；同时本发明使用熔盐种类少，有且仅有两个品种，且熔盐用量比较少，进而产生的尾渣相对就少，避免了大量处理尾渣所带来的环境或成本问题。

(2)本发明不使用氟化氢铵、氯化钠、氟化钾、氟铝酸钠等特殊熔盐或添加剂，也就不产生氟化铵等危废烟尘，减少了环境污染和烟气治理，从而降低了生产成本，为规模化生产创造了技术条件。

(3)本发明所制得的铝钪中间合金，用盐量种类少、盐用量少，产出盐渣少，钪实收率为91％以上，产出的盐渣占铝钪合金的质量比例为11％～13％；在保证合金质量的前提下制备成本相对较低，合金质量满足相关质量标准，适合工业化规模化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1步骤四所得到的合金金相组织微观图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

铝钪合金即在铝合金中加入微量的钪，实现促进晶粒细化的效果，并提高再结晶温度250℃～280℃。其中，钪对合金的结构和性能产生明显的影响，使其强度、硬度、焊接性能、耐腐蚀性能等得到很大提高。钪在铝合金的热加工或退火处理状态时均保持稳定的非再结晶组织，即使是经变形很大的冷轧薄板，在退火后铝钪合金仍保持原本的结构。钪对再结晶的抑制作用，能消除焊缝热影响区的再结晶组织，使基体的亚晶组织可以直接过渡到焊缝的铸态组织，使含钪铝合金的焊接接头有高的强度和抗腐蚀性能。钪对铝合金抗腐蚀性能的改善作用，也是由于钪细化了晶粒和抑制了再结晶过程的缘故。加入钪还可使铝合金具有良好的超塑性，添加0.5％左右钪的铝合金经超塑性处理后,其延伸率可达到1100％。因此，铝钪合金可望成为新一代的航天、航空、舰船工业用轻质结构材料，俄罗斯已开发出10多个牌号的含钪铝合金，主要用于航天、航空、舰船的焊接荷重结构件以及碱性腐蚀介质环境用铝合金管材、铁路油罐、高速列车关键结构件等。

本发明通过如下具体的实施方式进行：

一种铝钪中间合金的制备方法包括如下步骤：

(1)、将含有氟化钪和熔盐的第一混合盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐并得到二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；

(2)、将所述二次盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐，得到废渣并弃用；

(3)、向步骤(2)处理后的熔体中加入含有氟化钪和熔盐的第二混合盐，在静置后收集熔体表面的熔盐并得到新的二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；

(4)、重复进行步骤(2)～(3)，且将步骤(3)得到的所述二次盐回用于重复的步骤(2)。

作为一种优选的实施方式，中间合金是以一种金属为基体，将一种或者几种单质加入其中，以解决该单质易烧损、高熔点不易熔入、密度大易偏析等问题或者用来改善合金性能的特种合金；本发明的所述铝钪中间合金是以铝为基体，钪在所述铝钪中间合金中的质量占比为1％～3％；这个比例可以基于步骤间所采用的混合盐或铝液的使用量而存在变化。

作为一种可选的实施方式，钪在所述铝钪中间合金中的质量占比包括但不限于1％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、3％中的任意一种或是任意两种构成的数值区间。

作为一种优选的实施方式，合并步骤(1)、(3)、(4)所获得的所述铝钪中间合金并作为成品产品。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述第一混合盐由氟化钪、氟化钠和氯化钾组成；在所述第一混合盐中，所述氟化钪、所述氟化钠和所述氯化钾的质量比为(1.8～2.0)：(0.9～1.2)：(1.0～1.3)。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述熔化的铝液以其熔化前的铝金属质量计，所述第一混合盐的用量与所述铝金属的质量比为1：(6～8)，优选为1：6.66。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述混合包括：在900℃～950℃内保温并搅拌30min～50min，以实现二者的充分混合。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述静置的时间为8min～15min。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，所述收集熔体表面的熔盐包括如下步骤：将熔炼设备倾倒，使表面渣自动流出并收集得到所述二次盐。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，所述熔化的铝液以其熔化前的铝金属质量计，所述二次盐的用量与所述铝金属的质量比为1：(6～8)，优选为1：6.66。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，所述第二混合盐由氟化钪、氟化钠和氯化钾组成；在所述第二混合盐中，所述氟化钪、所述氟化钠和所述氯化钾的质量比为(1.3～1.7)：(0.9～1.2)：(1.0～1.3)。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，所述混合包括：在900℃～950℃内保温并搅拌8min～15min，以实现二者的充分混合。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，所述静置的时间为3min～8min。

作为一种优选的实施方式，在步骤(2)中，所述收集熔体表面的熔盐包括如下步骤：将熔炼设备倾倒，使表面渣自动流出并收集得到所述废渣。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中的所述第二混合盐的用量，与步骤(2)中所述铝液的质量比为1：(8～12)，优选为1：9.26；其中，所述铝液以其熔化前的铝金属质量计。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中，在加入所述第二混合盐后进行混合，包括：在900℃～950℃内保温并搅拌30min～50min，以实现二者的充分混合。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中，所述静置的时间为8min～15min。

作为一种优选的实施方式，在步骤(3)中，所述收集熔体表面的熔盐包括如下步骤：将熔炼设备倾倒，使表面渣自动流出并收集得到所述新的二次盐。

作为一种优选的实施方式，在各步骤中，可以根据所期望的所述铝钪中间合金的规格设计定制模具；当进行各步骤的所述凝固时，可以将收集后的熔体倒入模具并等待凝固；在一些可选的实施方式中，所述模具采用水冷模具。

作为一种优选的实施方式，所述第一混合盐和所述第二混合盐中不含有氟化氢铵、氯化钠、氟化钾或氟铝酸钠中的任意一种。

作为一种更优选的实施方式，所述第一混合盐和所述第二混合盐有且仅含有氟化钪、氟化钠和氯化钾的三种组分，不含有其他任何的盐类或非盐类添加剂。在本发明中通过严格控制所采用的混合盐的种类和数量，实现了减少废弃盐渣以及二次盐回用的效果；当采用其他种类的熔盐时，会造成二次盐难以回用或是盐渣量增加等缺陷。

实施例1

第一步：配料24kg的铝锭，称量氟化钪、氟化钠、氯化钾7.5kg充分混合；其中三种盐的重量比为1.9：1：1.14。

第二步：在50kg级中频炉试制；将铝锭加入中频炉提温到925℃，加入第一步所配制钪混合盐，熔化5分钟。

第三步：搅拌40分钟，让钪盐与铝液充分混合反应，而后再静置10分钟。

第四步：将熔盐倒出收集，并将含钪铝液浇注到模具中凝固制成铝钪合金锭。取样分析：Sc质量含量为2.07％，组织金相第二相粒子分布均匀。本步骤所得到的金相组织见如图1，图1为倒置金相显微镜(科视威CSW-18)以50倍下观测得到。

第五步：称量与第一步相同的50kg铝锭；称量总质量为6.66kg的氟化钪、氟化钠、氯化钾充分混合；其中三种盐的重量比为1.53：1；1.14。

第六步：将第四步中收集得到的盐(5.3kg)与第五步所配铝锭一并加入中频炉，提温到925℃，搅拌10分钟，静置5分钟。

第七步：将表面渣(尾渣)倒出弃用。

第八步：加入第五步所配的混合盐，提温到925℃；搅拌40分钟，让钪盐与铝液充分混合反应，而后静置10分钟。

第九步：将熔盐倒出收集，并将含钪铝液浇注到模具中凝固制成铝钪合金锭。取样分析：Sc质量含量为2.09％，组织金相第二相粒子分布均匀(金相组织见附图1)。

实施例2

与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一步中三种盐的重量比为1.8：0.9：1；

第五步中三种盐的重量比为1.3：0.9：1。

实施例3

与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一步中三种盐的重量比为2.0：1.2：1.3；

第五步中三种盐的重量比为1.7：1.2：1.3。

实施例4

与实施例1基本相同，区别仅在于：

第二步中提温到950℃；第三步中搅拌30分钟；第六步中提温到950℃，搅拌8分钟；第八步中提温到950℃，搅拌30分钟。

实施例5

与实施例1基本相同，区别仅在于：

第二步中提温到900℃；第三步中搅拌50分钟；第六步中提温到900℃，搅拌15分钟；第八步中提温到900℃，搅拌50分钟。

对比例1

与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一步、第五步中将半量氟化钠替换为氯化钠，同时将半量氯化钾替换为氟化钾。

对比例2

与实施例1基本相同，区别仅在于：

第一步、第五步中将半量氟化钠替换为氟铝酸钠。

表1

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)、将含有氟化钪和熔盐的第一混合盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐并得到二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；

(2)、将所述二次盐与熔化的铝液混合后静置，而后收集熔体表面的熔盐，得到废渣并弃用；

(3)、向步骤(2)处理后的熔体中加入含有氟化钪和熔盐的第二混合盐，在静置后收集熔体表面的熔盐并得到新的二次盐；待收集后的熔体凝固，得到铝钪中间合金；

(4)、重复进行步骤(2)～(3)，且将步骤(3)得到的所述二次盐回用于重复的步骤(2)。

2.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，所述第一混合盐由氟化钪、氟化钠和氯化钾组成；

在所述第一混合盐中，所述氟化钪、所述氟化钠和所述氯化钾的质量比为(1.8～2.0)：(0.9～1.2)：(1.0～1.3)。

3.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，所述第二混合盐由氟化钪、氟化钠和氯化钾组成；

在所述第二混合盐中，所述氟化钪、所述氟化钠和所述氯化钾的质量比为(1.3～1.7)：(0.9～1.2)：(1.0～1.3)。

4.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，所述第一混合盐和所述第二混合盐中不含有氟化氢铵、氯化钠、氟化钾或氟铝酸钠。

5.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，所述熔化的铝液以其熔化前的铝金属质量计：

在步骤(1)中，所述第一混合盐的用量与铝金属的质量比为1：(6～8)；

在步骤(2)中，所述二次盐的用量与铝金属的质量比为1：(6～8)；

所述第二混合盐的用量与步骤(2)的铝金属的质量比为1：(8～12)。

6.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述混合包括：在900℃～950℃内保温并搅拌30min～50min，所述静置的时间为8min～15min。

7.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述混合包括：在900℃～950℃内保温并搅拌8min～15min，所述静置的时间为3min～8min。

8.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，在加入所述第二混合盐后进行混合，包括：在900℃～950℃内保温并搅拌30min～50min；

所述静置的时间为8min～15min。

9.根据权利要求1所述的铝钪中间合金的制备方法，其特征在于，收集熔体表面的熔盐包括如下步骤：将熔炼设备倾倒，使表面渣自动流出并进行收集。

10.如权利要求1～9任一项所述的铝钪中间合金的制备方法所制得的铝钪中间合金。