[發(fā)明專利]一種鋁液-熔鹽法生產(chǎn)鋁鋯合金的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410034232.9
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103741171A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡憲偉;包莫日根高娃;王兆文;高炳亮;石忠寧;于江玉;丁晨亮
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: C25C3/36
• 分類號: C25C3/36
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁液-熔鹽法生產(chǎn)鋁鋯合金的方法。

背景技術(shù)

鋯在鋁中的熔解度低、擴(kuò)散系數(shù)小，而且在高溫下能和鋁生成高溫熔融金屬間化合物，所以Al-Zr合金有較好的耐熱性能，同時Zr對鋁合金的淬火敏感性、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能、抗再結(jié)晶性能等均有顯著的影響，而且鋁鋯合金具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、剪切強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱良好、導(dǎo)電性能良好、抗磨耐磨性能良好、耐有機(jī)液體/溶劑侵蝕等一系列優(yōu)點，因此鋁鋯合金具有重要的應(yīng)用價值。

目前制備Al-Zr合金的方法主要有對摻法、機(jī)械合金化法、熔鹽電解法和鋁熱還原法。

采用對摻法制備鋁基合金，金屬的氧化損失較大，金屬的重熔勢必增加能耗，成本加大，設(shè)備增加，生產(chǎn)周期延長。

對于機(jī)械合金化法來說，由于鋯的熔點高，在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)小，很難同鋁熔化成均勻的合金，制備的鋁鋯合金產(chǎn)品偏析很嚴(yán)重，并且需要價格昂貴的金屬鋯單質(zhì)作為合成原料；因此采用此法生產(chǎn)鋁鋯合金的成本很高。

熔鹽電解法是一種高耗能的生產(chǎn)鋁基合金的方法。

傳統(tǒng)的鋁熱還原法，是在大約1000℃的溫度下，采用過量的鋁作為還原劑，混合鋁單質(zhì)和氧化鋯，在覆蓋劑的保護(hù)下高溫下還原，還原后的鋯元素進(jìn)入鋁液形成中間合金。該方法具有生產(chǎn)成本低廉，制備的鋁鋯合金純度高等優(yōu)點；然而，在傳統(tǒng)的鋁熱還原工藝中，由于反應(yīng)生成的Al₂O₃覆蓋在生成的鋁鋯合金表面，阻礙了鋁液與ZrO₂的進(jìn)一步接觸，影響了鋁熱還原反應(yīng)速度，并使得合金中鋯元素的含量不能進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有的鋁鋯合金的制備技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提供一種鋁液-熔鹽法生產(chǎn)鋁鋯合金的方法，通過將氧化鋯溶于氟化物熔鹽體系（或氟化物-氯化物熔鹽體系）中，與處于熔鹽下方的鋁液在鋁液和熔鹽界面發(fā)生鋁熱還原反應(yīng)，得到鋁鋯合金，在降低生產(chǎn)成本的同時，提高鋁鋯合金中的鋯含量。

本發(fā)明的鋁液-熔鹽法生產(chǎn)鋁鋯合金的方法按以下步驟進(jìn)行：

1、配制熔鹽電解質(zhì)，其成分按重量百分比含AlF₃?10~50%，NaF?15~75%，CaF₂?0~20%，LiF?0~20%，KF?0~20%，MgF₂?0~20%，NaCl?0~5%，LiCl?0~5%，KCl?0~5%，CaCl₂?0~5%，MgCl₂?0~5%，BaCl₂?0~5%；

2、準(zhǔn)備氧化鋯，氧化鋯的重量為熔鹽電解質(zhì)總重量的2~6%；

3、將鋁錠表面打磨并用鹽酸清洗去除表面雜質(zhì)后備用，鋁錠的重量為氧化鋯中鋯的重量的5~10倍；

4、將準(zhǔn)備的鋁錠置于坩堝中，再將氧化鋯與熔鹽電解質(zhì)混合均勻后放入坩堝中，覆蓋在鋁錠上方；

5、將坩堝內(nèi)全部物料加熱至熔化，上方形成溶解有氧化鋯的熔鹽，下方形成鋁液，此時氧化鋯在熔鹽中形成絡(luò)合離子；在熔融狀態(tài)下保溫1.5~2.5h，絡(luò)合離子與鋁液在鋁液-熔鹽界面發(fā)生鋁熱還原反應(yīng)，生成鋁鋯合金。

上述的鋁鋯合金中鋯的重量含量為6.5~12.4%，其余為鋁。

上述的鋁錠的重量純度≥99.8%。

上述的氧化鋯的重量純度≥99%。

本發(fā)明的方法采用的熔鹽對氧化鋯和氧化鋁都具有較好的溶解性能，同時溶解了氧化鋯和氧化鋁的熔鹽與鋁液及鋁鋯合金都具有足夠的密度差，因此在反應(yīng)過程中能夠保證鋁液、鋁鋯合金和熔鹽分層；加熱含有高濃度ZrO₂的熔鹽和鋁液的容器，使鋁液和ZrO₂發(fā)生鋁液還原反應(yīng)，熔鹽和鋁液兩相分層，熔鹽在上、鋁液在下，ZrO₂在熔鹽中形成絡(luò)合離子，這種含鋯絡(luò)合離子的活性較大，其在鋁液和熔鹽的界面發(fā)生鋁熱還原反應(yīng)，生成鋁鋯合金，反應(yīng)方程式可以寫為如下形式：

?????????????????????????????[ZrO₂]?+?Al?→?Al_xZr_y?+?[Al₂O₃]

由于鋁鋯合金的比重比鋁大，所以生成的鋁鋯合金向鋁液下部擴(kuò)散，而生成的Al₂O₃可以迅速溶解到熔鹽中，這都有利于后續(xù)鋁熱還原反應(yīng)的進(jìn)行；因此鋁熱反應(yīng)的反應(yīng)速率很快，生成的鋁鋯合金中Zr元素的含量也更高。