[發明專利]一種鉀冰晶石熔鹽中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法

有效

• 申請號: 201610848014.8
• 申請日: 2016-09-26
• 公開（公告）號: CN106381408B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 王兆文;張鵬舉;劉小珍;陳文婷;石忠寧;高炳亮;胡憲偉;于江玉
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C21/00;C22B5/04
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種鉀冰晶石熔鹽中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法。

背景技術

Sc是迄今為止發現的最有效的合金化元素，微量Sc元素的添加能夠顯著提高合金的力學性能、高溫性能、抗腐蝕性能、焊接性能和增強抗中子輻照損傷性能。在航天航空、核反應堆以及交通運輸等方面具有廣泛應用前景。由于金屬鈧的熔點高達1541℃，化學性質活潑，制備鋁鈧合金時，鈧必須以中間合金的形式加入，因此Al-Sc中間合金成為制備鋁鈧合金的關鍵原材料。

目前，國內外Al-Sc中間合金的制備方法有對摻法、熔鹽電解法和熱還原法。

對摻法是在高溫下將金屬鋁和鈧直接熔合制備鋁鈧中間合金；在Al-Sc中間合金制備過程中，鋁和鈧在高溫下熔化，經過充分攪拌形成均勻的鋁鈧合金，保溫足夠時間后，澆鑄入預熱的鐵?；蜚~模中；采用該方法制取Al-Sc中間合金時，由于鋁和鈧的熔點相差較大，鋁和鈧不易均勻混合，形成的合金中偏析嚴重；此外，采用對摻法制備Al-Sc中間合金時，需要使用純金屬鈧作為原料，制備過程中鈧的燒損較大，制備的合金成本較高。

熔鹽電解法通常以Sc₂O₃為原料，按電解質組成的不同大致分為三類，一類是含ScCl₃或ScF₃或 ScCl₃-ScF₃電解質體系，Sc₂O₃在電解質中的溶解度較高，采用這種電解質體系電解時，能夠電解得到Sc含量為2~6%的Al-Sc中間合金，但ScCl₃和ScF₃的制備過程都以Sc₂O₃為原料，增加生產成本，此外ScCl₃易吸水潮解，無水ScCl₃的制備和保存存在困難，不適于生產應用；第二類是nNaF-AlF₃電解質體系，Sc₂O₃在nNaF-AlF₃電解質體系中的溶解度較低，另外，由于Al³⁺的析出電位比Sc³⁺正，電解過程中熔鹽中的Al³⁺優先放電，采用該電解質體系中制備的Al-Sc中間合金含Sc量均小于1%，不能達到國標中要求的Al-Sc中間合金含Sc量2%的要求；第三類是KF-AlF₃電解質體系，在該熔鹽體系中，采用電解的方法無法得到含Sc量為2%的鋁鈧中間合金，在該電解質體系中添加NaF之后，能夠電解制備得到含Sc量為1~5%的鋁鈧中間合金。

熱還原法按照實驗條件的不同，可分為真空熱還原法和非真空熱還原法;真空熱還原法以ScF₃為原料，實驗需要額外的真空設備，實驗過程較為復雜；而非真空熱還原法以Al粉和Sc₂O₃粉為原料，混合均勻后直接熱還原制備鋁鈧中間合金，采用方法制備的合金中Sc含量小于1%，此外合金中含有反應產物Al₂O₃等其他雜質。

發明內容

針對各種制備鋁鈧合金技術存在的上述不足，本發明提供一種鉀冰晶石熔鹽中鋁熱還原制備鋁鈧中間合金的方法，以廉價易得的Sc₂O₃為原料，采用鉀冰晶石作為熔鹽，工藝流程簡單，污染較小，成本較低，適合大規模工業生產。

本發明的方法按照如下步驟進行：

1、將無水KF和無水AlF₃混合制成熔鹽，其中KF與AlF₃的摩爾比為1.5~3.0；

2、將Sc₂O₃加入到熔鹽中混合均勻，制成混合鹽，Sc₂O₃的加入量為KF和AlF₃總質量的3~9%；

3、將混合鹽升溫至720~1020℃，保溫30~60min使物料完全熔化，形成熔融混合鹽；

4、向熔融混合鹽中加入還原劑金屬鋁，在720~1020℃進行熱還原，還原時間為0.5~3h，還原結束后分離出合金部分和電解質部分，合金部分冷凝后形成鋁鈧中間合金。

上述的步驟3中，將混合鹽升溫是放置在剛玉坩堝中升溫。

上述的步驟4中，還原劑金屬鋁的用量按金屬鋁與Sc₂O₃的摩爾比為（16~40）:1。