本發(fā)明涉及一種固液兩相金屬中間合金制備方法，特別涉及一種Mg-Hg中間合金的制備方法，屬于工業(yè)用鎂合金范疇。
背景技術(shù)：
海水電池的發(fā)展往往伴隨著戰(zhàn)爭，特別是魚雷潛艇的研發(fā)，具有非常重要的戰(zhàn)略地位。最初的海水電池材料氯化銀作為陰極的，但由于價(jià)格昂貴，發(fā)展相對緩慢，在隨后開發(fā)了不含貴金屬的電池體系材料，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。目前關(guān)于海水電池的陽極材料的體系有很多，如鋰、鈣、鎂、鋁、鋅等合金，其中鋰、鈣元素與水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)，以一般海水電池結(jié)構(gòu)來講，無法控制其反應(yīng)進(jìn)行程度，因此目前尚未實(shí)用。
從金屬活動(dòng)順序表中可知，鎂的電極電位很低，是目前可不利用外加特殊手段而相對穩(wěn)定存在于空氣中的活潑金屬。盡管鎂合金的副反應(yīng)較為嚴(yán)重，但鎂的電壓高，可以大電流放電，是目前最廣泛使用的一種海水電池陽極材料。
從電化學(xué)原理中可知，氫氣在不同金屬表面析出的難易程度可以用析氫過電位表示，許多金屬的析氫過電位均服從Tafel公式。
ηc＝a+b lgI
公式中常數(shù)a的物理意義是當(dāng)電流密度為1A·cm-2時(shí)的析氫過電位數(shù)值，其大小與金屬表面吸附氫鍵的大小有直接關(guān)系，而吸附氫鍵主要是氫原子中的電子與金屬中的不成對的d電子形成，因此，金屬中d電子越多，不成對的d電子就越少，M-H的吸附也就弱。
常見的高析氫過電位元素主要有Pb、Hg、Ga、Tl、Sn等，其a值在1.0～1.5V。在合金中加入高析氫過電位元素，不僅可以減弱表面腐蝕產(chǎn)物膜的形成，還可以減少陽極極化，增加放電電壓，因此是目前在海水電池陰極材料中常常添加的合金元素。
Mg-Hg-Ga體系是目前海水電池中的典型陰極材料體系，其最主要的特點(diǎn)是合金元素含量低，沒有嚴(yán)重的副反應(yīng)，極化輕微。但由于Hg、Ga元素的特殊性，難于加工，對熔煉及塑性加工工藝提出了很高的要求。傳統(tǒng)的Mg-Hg-Ga合金熔煉是以金屬汞的形式加入鎂熔體中，由于熔體溫度遠(yuǎn)高于汞的沸點(diǎn)357℃，高溫會(huì)造成汞的大量揮發(fā)，嚴(yán)重污染環(huán)境，損害現(xiàn)場工作人員健康，現(xiàn)場工作的人員必須配備 呼氣器，防毒工作服，降低企業(yè)生產(chǎn)效率，另外，汞元素的揮發(fā)使得合金中的汞含量不可控，合金質(zhì)量的穩(wěn)定性、成本及批產(chǎn)能力都受到了很大的影響。
基于此，有必要就上述問題提出一種解決方案，為方便Mg-Hg-Ga體系合金的制備加工提供保障。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對Hg室溫下即為液態(tài)金屬的特點(diǎn)，直接熔煉成合金較為困難，本發(fā)明提供了一種Mg-Hg中間合金的制備方法。
一種Mg-Hg中間合金的制備方法，包括如下步驟：
(1)選用耐高溫陶瓷體作為中間合金的承載體；
(2)對陶瓷體進(jìn)行預(yù)熱，除去所含的水汽，然后隨爐冷卻；
(3)將純鎂板表面打磨并保有一定的粗糙度，除去雜質(zhì)，然后均勻鉆孔；孔的大小隨著陶瓷體尺寸的變化而改變；
(4)將鎂板緊密排列在陶瓷體內(nèi)，鎂板之間均勻撒上純鎂粉，并在每一層中間加入汞，或者先將鎂粉與汞進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓笕鲈阪V板中間，同時(shí)對已鉆孔洞進(jìn)行填充；
(5)將陶瓷體密封，然后放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理，然后隨爐冷卻至室溫；
(6)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后進(jìn)行加工變形。
步驟(1)中，所述的中間合金的承載體可為MgO、ZrO2或者是SiC材質(zhì)，為厚壁容器，或者為實(shí)心材料加工成的容器。
步驟(2)中，陶瓷體的預(yù)熱溫度為200℃～300℃，時(shí)間為1h～3h。
步驟(3)中，鎂板的厚度為0.5mm～10mm，表面的粗糙度可為100-200；鉆孔的尺寸為1mm～3mm，孔與孔之間的距離為3～10mm。
步驟(4)中，所述的鎂粉的粒度為50～100目。鎂的重量符合Mg-Hg中間合金的預(yù)定值，汞的重量適當(dāng)大于預(yù)定值，汞的加入量按照收得率為80％～95％(重量％)計(jì)算。
步驟(5)中，陶瓷體的熱處理制度為100～150℃保溫10h～20h，升溫至200℃～250℃保溫10h～20h，繼續(xù)升溫至300℃～340℃，保溫2h～5h。
步驟(6)中，所述的加工變形包括鍛造、軋制等，加工后得到塊體或板體；所述的加工變形還可為先經(jīng)過鍛造或軋制，然后進(jìn)行擠壓變形，得到棒材。所述的加工變形的溫度為室溫(25℃)至350℃，然后空冷。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
由于液態(tài)汞溶液的熔沸點(diǎn)較低，很難與固態(tài)金屬直接進(jìn)行熔煉，通過擴(kuò)散法制備的中間合金可以大大減小對環(huán)境的污染，提高Hg的利用率，降低后續(xù)Mg-Hg合金制備的操作難度，是一種行之有效的方法。
具體實(shí)施例
本發(fā)明的Mg-Hg中間合金的制備方法，包括：(1)選用耐高溫實(shí)體陶瓷作為中間合金的承載體；該陶瓷承載體可為MgO、ZrO2或者是SiC材質(zhì)，為厚壁容器狀；或者為實(shí)心材料，可加工成容器。(2)在放料之前對陶瓷體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在200℃～300℃之間，時(shí)間為1h～3h之間，除去所含的水汽，并將預(yù)熱好的陶瓷體材料隨爐冷卻，去除表面雜質(zhì)，以備使用。(3)將厚度為0.5mm～10mm的純鎂板表面打磨，除去雜質(zhì)，并要有一定的粗糙度，然后均勻鉆孔，孔的大小將隨著陶瓷體尺寸的變化而改變，一般在1mm～3mm之間。(4)將準(zhǔn)備好的鎂板緊密排列在陶瓷體內(nèi)，鎂板之間均勻撒上一定粒度的純鎂粉。并在每一層中間加入汞液；或者可以事先將鎂粉與汞進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓笕鲈阪V板中間，并對已鉆孔洞進(jìn)行填充，同時(shí)適當(dāng)補(bǔ)充汞液。Mg總重量與Hg制備符合預(yù)定值，Hg的收得率按照80％～95％計(jì)算。(5)將陶瓷體的口封住，避免泄露，然后整體放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，最后連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理。(6)根據(jù)Mg-Hg相圖，同時(shí)，為避免Hg的快速揮發(fā)，陶瓷體的熱處理制度為100～150℃保溫10h～20h，升溫至200℃～250℃保溫10h～20h，繼續(xù)升溫至300℃～340℃，保溫2h～5h。最終隨爐冷卻至室溫。(7)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后進(jìn)行加工變形，包括鍛造、軋制等，加工成塊體或板體。亦或是經(jīng)過初次變形后，滾圓，進(jìn)而進(jìn)行擠壓變形，成為棒材。變形溫度范圍可在室溫至350℃之間，然后空冷。
實(shí)施例1：Mg-10Hg中間合金的制備方法
(1)選用MgO厚壁容器作為中間合金的承載體。
(2)對陶瓷體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為250℃，時(shí)間為1h之間，除去所含的水汽，并將預(yù)熱好的陶瓷體材料隨爐冷卻，去除表面雜質(zhì)，以備使用。
(3)將厚度為1mm的純鎂板表面打磨，除去雜質(zhì)，并要有一定的粗糙度，粗糙度為100，然后均勻鉆直徑2mm孔，孔與孔之間的距離為5mm。
(4)將準(zhǔn)備好的鎂板緊密排列在陶瓷體內(nèi)，鎂板之間均勻撒上一定粒度(100目)的純鎂粉。并在每一層中間加入汞液，Mg總重量與Hg制備符合預(yù)定值，Hg的收得率按照95％計(jì)算。
(5)將陶瓷體的口封住，避免泄露，然后整體放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，最后連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理。
(6)陶瓷體的熱處理制度為100℃保溫10h，升溫至200℃保溫10h，繼續(xù)升溫至300℃，保溫5h。最終隨爐冷卻至室溫。
(7)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后進(jìn)行加熱鍛造加工變形，鍛造溫度為200℃，輕壓成塊體，然后空冷。
實(shí)施例2：Mg-15Hg中間合金的制備方法
(1)選用實(shí)心MgO材料作為中間合金的承載體，中間挖成容器狀。
(2)在放料之前對陶瓷體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在300℃，時(shí)間為1.5h，除去所含的水汽，并將預(yù)熱好的陶瓷體材料隨爐冷卻，去除表面雜質(zhì)，以備使用。
(3)將厚度為3mm的純鎂板表面打磨，除去雜質(zhì)，并要有一定的粗糙度，粗糙度為200，然后均勻鉆直徑2mm孔，孔與孔之間的距離為3mm。
(4)將事先充分?jǐn)嚢璧逆V粉(約50目)與汞撒在鎂板中間，并填滿孔隙。Mg總重量與Hg制備符合預(yù)定值，Hg的收得率按照85％計(jì)算。
(5)將陶瓷體的口封住，避免泄露，然后整體放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，最后連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理。
(6)熱處理制度為150℃保溫15h，升溫至250℃保溫15h，繼續(xù)升溫至330℃，保溫4h。最終隨爐冷卻至室溫。
(7)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后在250℃下進(jìn)行軋制變形，最終成為板體。
實(shí)施例3：Mg-20Hg中間合金的制備方法
(1)選用ZrO2厚壁容器作為中間合金的承載體。
(2)在放料之前進(jìn)行預(yù)熱，溫度在200℃，時(shí)間3h，除去所含的水汽，并將預(yù)熱好的陶瓷體材料隨爐冷卻，去除表面雜質(zhì)，以備使用。
(3)將厚度為10mm的純鎂板表面打磨，除去雜質(zhì)，并要有一定的粗糙度，粗糙度為150，然后均勻鉆直徑3mm孔，孔與孔之間的距離為10mm。
(4)將準(zhǔn)備好的鎂板緊密排列在陶瓷體內(nèi)，將事先混合好的鎂粉(約100目)與汞撒在鎂板中間，并填充好孔隙，并在之間適當(dāng)補(bǔ)充汞液。Mg總重量與Hg制備符合預(yù)定值，Hg的收得率按照80％計(jì)算。
(5)將陶瓷體的口封住，避免泄露，然后整體放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，最后連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理。
(6)陶瓷體的熱處理制度為150℃保溫20h，升溫至200℃保溫20h，繼續(xù)升溫至300℃，保溫5h。最終隨爐冷卻至室溫。
(7)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后進(jìn)行鍛造，加工成塊體，接 著滾圓，最后進(jìn)行擠壓變形，成為棒材。變形溫度范圍在300℃～350℃之間。
實(shí)施例4：Mg-15Hg中間合金的制備方法
(1)選用實(shí)心SiC材料作為中間合金的承載體，中間挖成容器狀。
(2)陶瓷體預(yù)熱溫度為270℃，時(shí)間為2.5h，除去所含的水汽，并將預(yù)熱好的陶瓷體材料隨爐冷卻，去除表面雜質(zhì)，以備使用。
(3)將厚度為5mm的純鎂板表面打磨，除去雜質(zhì)，并要有一定的粗糙度，粗糙度為180，然后均勻鉆直徑2.5mm孔，孔與孔之間的距離為7mm。
(4)將準(zhǔn)備好的鎂板緊密排列在陶瓷體內(nèi)，鎂板之間均勻撒上一定粒度(約60目)的純鎂粉，并在每一層中間加入汞液。Mg總重量與Hg制備符合預(yù)定值，Hg的收得率按照95％計(jì)算。
(5)將陶瓷體的口封住，避免泄露，然后整體放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，最后連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理。
(6)陶瓷體的熱處理制度為125℃保溫18h，升溫至225℃保溫20h，繼續(xù)升溫至340℃，保溫2h。最終隨爐冷卻至室溫。
(7)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后進(jìn)行軋制，變形溫度范圍在320℃左右。
實(shí)施例5：Mg-15Hg中間合金的制備方法
(1)選用MgO厚壁容器作為中間合金的承載體。
(2)對陶瓷體進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度在275℃之間，時(shí)間為1.5h，除去所含的水汽，并將預(yù)熱好的陶瓷體材料隨爐冷卻，去除表面雜質(zhì)，以備使用。
(3)將厚度為8mm的純鎂板表面打磨，除去雜質(zhì)，并要有一定的粗糙度，粗糙度為180，然后均勻鉆直徑3mm孔，孔與孔之間的距離為9mm。
(4)將準(zhǔn)備好的鎂板緊密排列在陶瓷體內(nèi)，將事先充分?jǐn)嚢桄V粉(約90目)與汞灑在鎂板之間，填充好孔隙，并適當(dāng)補(bǔ)充汞液。Mg總重量與Hg制備符合預(yù)定值，Hg的收得率按照90％計(jì)算。
(5)將陶瓷體的口封住，避免泄露，然后整體放入灑滿硫磺的耐高溫容器中，最后連同容器一起放入馬弗爐中進(jìn)行熱處理。
(6)陶瓷體的熱處理制度為100℃保溫20h，升溫至235℃保溫18h，繼續(xù)升溫至340℃，保溫2h。最終隨爐冷卻至室溫。
(7)取出陶瓷體中的鎂板，去除表面雜質(zhì)，然后進(jìn)行鍛造成塊體，然后將經(jīng)過初次變形后的塊體進(jìn)行擠壓變形，成為棒材。變形溫度范圍在330℃左右。
經(jīng)過上述方法的實(shí)施，Hg元素的收得率在80％～90％，是目前所有中間合金制 備中效率較高的一種。