專利名稱：一種鋁鈧中間合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備和改善鋁鈧中間合金的方法。屬于高性能鋁合金原材料制備
技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈧(Sc)是目前為止所發(fā)現(xiàn)的對鋁合金具有最強(qiáng)晶粒細(xì)化作用和抑制再結(jié)晶作用 的元素。往鋁合金中添加鈧，能夠極大提高合金性能，已成為國內(nèi)外的研究熱點。鈧的熔 點是154rC，鋁的熔點66(TC，兩種金屬熔點差別很大，往鋁中添加鈧必須以中間合金的形 式，因此鋁鈧中間合金的制備是生產(chǎn)高性能鋁鈧合金的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 目前國內(nèi)外含鈧中間合金的制取方法主要有對摻法、金屬熱還原法及熔鹽電解 法三種。熔鹽電解法采用的含鈧原料主要是氟化鈧、氯化鈧和氧化鈧，使用的熔鹽體系有 ScCl3-NaCl-KCl、 NaF-ScF3-Sc203、 LiF-ScF3-Sc203、 Na3AlF6-LiF-Sc203。其中，氧化鈧_氟鹽 體系電解制取鈧中間合金具有非常誘人的前景，但是高溫熔鹽電解條件下，氟鹽的腐蝕性 嚴(yán)重，電解槽及電極材料容易腐蝕失效，另外，高溫熔鹽電解條件下熔融鋁可能會參與電極 反應(yīng)，陰、陽極區(qū)不能很好地隔離，這種工藝電流效率一般僅為70 85%，這些問題尚需進(jìn) 一步研究解決。 金屬熱還原法是目前制備鋁鈧中間合金的主流方法，包括氟化鈧真空鋁熱還原 法、氧化鈧-鋁熱直接還原法、氯化鈧-鋁鎂熱還原法。俄羅斯人C k o p o b a p o b m 等發(fā)明的三段升溫氟化鈧鋁熱還原法，Sc的實收率^ 96. 4%，據(jù)報道此方法已用于半工業(yè) 規(guī)模生產(chǎn)。這個方法的優(yōu)點是氟化鈧原料易制得，氟化鈧較穩(wěn)定且不吸濕。缺點是生產(chǎn)氟 化鈧時要用到劇毒的氟或氟化氫，采用含氟熔鹽對反應(yīng)設(shè)備防腐要求比較高，還原反應(yīng)溫 度高。氧化鈧_鋁熱直接還原法制備鈧中間合金的工藝要點是以粉狀氧化鈧為原料，將其 與活性鋁粉混合，預(yù)制成小球之后將其浸入熔融的鋁液中，鋁液作為還原劑，鋁粉作為分散 劑，在高溫下將氧化鈧還原為金屬鈧，進(jìn)入鋁液中形成中間合金。該法工藝技術(shù)路線簡單， 不足是還原反應(yīng)在大氣中進(jìn)行，混料時如果小球沒有充分壓實，其中會包藏有部分空氣，形 成Sc203、 A1303N、A1203等雜質(zhì)，中間合金的純度及金屬鈧的實收率尚需進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述各種制備鋁鈧合金方法的缺點，提供一種工藝簡單可 靠、合金純度和含鈧量較高、合金組織優(yōu)化且成本較低的制備鋁鈧合金的方法，推動鋁鈧合 金的工業(yè)化應(yīng)用。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。 原料:Sc203、純鋁、NF4HF(銨鹽)、KC1 、 NaCl、 NaF、 nNaF A1F3 (鈉冰晶石)、
nKF'AlF3(鉀冰晶石)。 設(shè)備電阻爐、石墨坩堝。 制備過程一次性將純鋁塊、ScA和熔鹽體系混合均勻，加入坩堝，放入電阻爐加熱熔化，升溫至95(TC ±20，保溫90-120分鐘。在反應(yīng)的同時，階段性地進(jìn)行電磁 攪拌，每15分鐘攪拌一次，攪拌時間視反應(yīng)物的量而定，臨澆注前攪拌一次后馬上澆 注，該次攪拌時間稍長。攪拌頻率為25Hz，電流30A。保溫結(jié)束后澆鑄取樣。其間發(fā)生 鋁熱還原反應(yīng)，生成鋁鈧中間合金。電磁攪拌使得反應(yīng)充分進(jìn)行，并優(yōu)化了中間合金組 織。熔鹽體系是以下物質(zhì)按一定比例混合而成NF4HF、 NaF、 KC1、 NaCl、鈉冰晶石和鉀冰
晶石，比例為io : 8 : 5.4 : 5.4 : 3 : 3。熔鹽體系與純鋁和氧化鈧按質(zhì)量比約為 30±1.5 : ioo : 4±o. i加入坩堝。 說明用本發(fā)明的方法制備的鋁鈧中間合金，鈧含量穩(wěn)定在2%左右，鈧收率超過 80%，與已有的發(fā)明專利相當(dāng)。但合金組織比用現(xiàn)有專利方法制備得到的組織更為優(yōu)化，合 金晶粒度更小，Al^c分布均勻、沒有明顯團(tuán)聚且尺寸細(xì)小。該中間合金用在后續(xù)的含Sc合
金制備中，具有十分優(yōu)異的細(xì)化效果。
具體實施例方式
實施例l 取鋁100g、氧化鈧3. 9g、熔鹽體系28. 8g備料。將上述原料混合加入坩堝，放入電 阻爐，蓋好爐蓋，加熱到950°C (溫控誤差不超過20°C )，保溫90分鐘后澆注。保溫同時進(jìn) 行階段性電磁攪拌，每15分鐘攪拌一次，每次攪拌30秒，頻率為25Hz，電流30A。臨澆注前 最后一次攪拌時間為5分鐘。開爐取出坩堝，扒渣，將合金澆入鋼模，待凝固冷卻后去渣，稱 重102g，在合金錠不同部位鉆取碎屑，通過ICP-AES (等離子體發(fā)射光譜法)進(jìn)行分析，得到 含鈧量為2. 04% ，鈧的收得率為81.8%。 經(jīng)鑄態(tài)取樣分析，較其他方法得到的中間合金，本實施例得到的組織晶粒細(xì)小，而 且初生Al3Sc尺寸較小，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，分布均勻。由于中間合金晶粒細(xì)小且Al^c分布 均勻，該中間合金用在后續(xù)的含Sc合金制備中，具有十分優(yōu)異的細(xì)化效果。
實施例2 取鋁lkg、氧化鈧40g、熔鹽體系310g備料。將上述原料混合加入坩堝，放入電阻 爐，蓋好爐蓋，加熱到950°C (溫控誤差不超過20°C )，保溫100分鐘，同時進(jìn)行階段性電磁 攪拌，每15分鐘攪拌一次，每次攪拌2分鐘，頻率為25Hz，電流30A。臨澆注前最后一次攪 拌時間為10分鐘。開爐取出坩堝，扒渣，將合金澆入鋼模，待凝固冷卻后去渣，稱重1.01kg， 在合金錠不同部位鉆取碎屑，通過ICP-AES(等離子體發(fā)射光譜法)進(jìn)行分析，得到含鈧量 為2. 19%，計算出鈧的收得率為84.8%。 經(jīng)鑄態(tài)取樣分析，較其他方法得到的中間合金，本實施例得到的組織晶粒細(xì)小，而 且初生Al3Sc尺寸較小，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，分布均勻。由于中間合金晶粒細(xì)小且Al^c分布 均勻，該中間合金用在后續(xù)的含Sc合金制備中，具有十分優(yōu)異的細(xì)化效果。
實施例3 取鋁2kg、氧化鈧82g、熔鹽體系622g備料。將上述原料混合加入坩堝，放入電阻 爐，蓋好爐蓋，加熱到950°C (溫控誤差不超過20°C )，保溫110分鐘，同時進(jìn)行階段性電磁 攪拌，每15分鐘攪拌一次，每次攪拌3分鐘，頻率為25Hz，電流30A。臨澆注前最后一次攪 拌時間為15分鐘。開爐取出坩堝，扒渣，將合金澆入鋼模，待凝固冷卻后去渣，稱重2. 05kg， 在合金錠不同部位鉆取碎屑，通過ICP-AES(等離子體發(fā)射光譜法)進(jìn)行分析，得到含鈧量為2. 12%，計算出鈧的收得率為81.3%。 經(jīng)鑄態(tài)取樣分析，較其他方法得到的中間合金，本實施例得到的組織晶粒細(xì)小，而 且初生Al3Sc尺寸較小，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，分布均勻。由于中間合金晶粒細(xì)小且Al^c分布 均勻，該中間合金用在后續(xù)的含Sc合金制備中，具有十分優(yōu)異的細(xì)化效果。
實施例4 取鋁5kg、氧化鈧198g、熔鹽體系1. 44kg備料。將上述原料混合加入坩堝，放入電 阻爐，蓋好爐蓋，加熱到95(TC (溫控誤差不超過2(TC )，保溫120分鐘，同時進(jìn)行階段性電 磁攪拌，每15分鐘攪拌一次，每次攪拌4分鐘，頻率為25Hz，電流30A。臨澆注前最后一次攪 拌時間為20分鐘。開爐取出坩堝，扒渣，將合金澆入鋼模，待凝固冷卻后去渣，稱重4. 99kg， 在合金錠不同部位鉆取碎屑，通過ICP-AES(等離子體發(fā)射光譜法)進(jìn)行分析，得到含鈧量 為2. 21%，計算出鈧的收得率為85. 4% 。 經(jīng)鑄態(tài)取樣分析，較其他方法得到的中間合金，本實施例得到的組織晶粒細(xì)小，而 且初生Al3Sc尺寸較小，團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，分布均勻。由于中間合金晶粒細(xì)小且Al^c分布 均勻，該中間合金用在后續(xù)的含Sc合金制備中，具有十分優(yōu)異的細(xì)化效果。
權(quán)利要求
一種鋁鈧中間合金的制備方法，其特征在于，所述方法的原料為Sc2O3、純鋁、熔鹽體系；其制備方法是一次性將純鋁、Sc2O3和熔鹽體系混合均勻，加入坩堝，放入電阻爐加熱熔化，升溫至950℃±20，保溫90-120分鐘；保溫結(jié)束后澆鑄取樣；在反應(yīng)的同時，階段性地進(jìn)行電磁攪拌，攪拌頻率為25Hz，電流30A。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述熔鹽體系為NF4HF(銨鹽)、KC1、NaCl、 NaF、 nNaF A1F3 (鈉冰晶石)、nKF A1F3 (鉀冰晶石)，NF4HF、 NaF、 KC1 、 NaCl、鈉冰晶石和鉀冰晶石的混合比例為比例為io : 8 : 5.4 : 5.4 : 3 : 3 ;所述熔鹽體系與純鋁和氧化鈧按質(zhì)量比為30士2 : ioo : 4±o. i加入坩堝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁鈧中間合金的制備方法，屬于高性能鋁合金原材料制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，所述方法的原料為Sc2O3、純鋁、熔鹽體系；其制備方法是一次性將純鋁、Sc2O3和熔鹽體系混合均勻，加入坩堝，放入電阻爐加熱熔化，升溫至950℃±20，保溫90-120分鐘；保溫結(jié)束后澆鑄取樣；所述熔鹽體系為NF4HF、KCl、NaCl、NaF、nNaF·AlF3(鈉冰晶石)、nKF·AlF3(鉀冰晶石)，NF4HF、NaF、KCl、NaCl、鈉冰晶石和鉀冰晶石的混合比例為比例為10∶8∶5.4∶5.4∶3∶3；所述熔鹽體系與純鋁和氧化鈧按質(zhì)量比為30±1.5∶100∶4±0.1加入坩堝。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本方法制備的合金晶粒度更小，Al3Sc分布均勻、沒有明顯團(tuán)聚且尺寸細(xì)小。該中間合金用在后續(xù)的含Sc合金制備中，具有十分優(yōu)異的細(xì)化效果。
文檔編號C22C1/02GK101709394SQ20091024263
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者何良菊, 葉益聰, 李培杰 申請人:清華大學(xué)