程 濤,呂子劍,翟秀靜,張明杰,涂贛峰

（1.東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110004;2.中國鋁業(yè) 河南分公司,鄭州 450041）

CaC l2-LiF體系制備鋁鈧合金

程 濤1,2,呂子劍2,翟秀靜1,張明杰1,涂贛峰1

（1.東北大學 材料與冶金學院,沈陽 110004;2.中國鋁業(yè) 河南分公司,鄭州 450041）

以氧化鈧為原料、液態(tài)鋁作陰極,在 CaC l2-L iF（80%CaC l2-0%L iF）體系中通過熔鹽電解制備了鋁鈧 （A l-Sc）合金.實驗考查了在 800℃的溫度條件下,電解時間、反電動勢和槽電壓的影響.結(jié)果表明,氯化鈣 -氟化鋰體系的熔鹽電解制備可制備出鈧質(zhì)量分數(shù)為 2%～6%的鋁鈧合金.采用 XRD、SEM和電子能譜分析等方法對合金樣品進行了表征.結(jié)果表明,合金中連續(xù)相為鋁基,間斷相為 ScA l3.

CaC l2-L iF;A l-Sc合金

鋁鈧系列合金引起世界各國研究開發(fā)者的興趣,這種新型鋁合金結(jié)構(gòu)材料將在航空、航天、艦船、兵器等國防軍工尖端科技領(lǐng)域及高速列車、輕型汽車、自行車、體育運動器材等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3].

鋁鈧合金近年來更是研究應(yīng)用的熱點[4-6],不少專家學者都在致力于尋找一條成本低廉、環(huán)境效應(yīng)好、鈧回收率高的鋁鈧合金的生產(chǎn)工藝.國內(nèi)外鋁鈧中間合金的制備方法主要有金屬熱還原法、對摻法和熔鹽電解法等 3種方法[7-9].

本文研究在氯化鈣 -氟化鋰體系中,采用熔鹽電解法制備鋁鈧合金.以液態(tài)鋁為陰極,采用氧化鈧為原料.研究發(fā)現(xiàn),實際上電解和熱還原共同作用制備了 w[Sc]=2%～6%的鋁鈧合金,實現(xiàn)了既提高氧化鈧的回收率,又降低合金生產(chǎn)成本的目的.

1 實 驗

1.1 實驗原材料

實驗采用的熔鹽電解質(zhì)體系為氯化鈣 -氟化鋰 （w（CaC l2）=80%,余為 L iF）,氧化鈧 （Sc2O3）為原料,液態(tài)鋁合金為陰極.陽極為石墨棒.

1.2 實驗設(shè)備

實驗過程中所采用的設(shè)備見圖 1所示.

1.3 分析方法與設(shè)備

對所得合金產(chǎn)品分別進行成分分析、物相分析、表觀形貌分析和熔點測試,所用分析測試儀器的名稱和型號列于表 1.

1.4 實驗操作

氯化鈣 -氟化鋰混合均勻后加入套有石墨坩堝的剛玉坩堝中,在坩堝爐中融化電解質(zhì).待電解質(zhì)完全融化后,向電解質(zhì)中加入準備好的鋁合金.待合金融化下沉穩(wěn)定后,向電解液中加入氧化鈧,開始電解.

圖 1 實驗裝置簡圖Fig.1 Expe rim en tequ ipm en t

表 1 實驗分析方法與所用設(shè)備Tab le 1 Ana lysis equ ipm en t

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗溫度的確定

圖 2為 CaC l2-L iF體系差熱 -熱重分析.由差熱 -熱重分析結(jié)果得出,氯化鈣吸水能力強.剛開始時的失重是水分的流失.由于 800℃后物質(zhì)開始揮發(fā),故電解溫度應(yīng)選擇 800℃以下.本實驗溫度定為 800℃.

2.2 電解時間對反電動勢的影響

采用 2A電流,電解溫度 800℃.隨著電解時間的延長,槽電壓和反電動勢都有升高的趨勢.電解反電動勢和槽電壓隨電解時間的變化見表 2.

表 2 電解反電動勢和槽電壓隨電解時間變化Tab le 2 E lec tro lysis tim e effec t on back EM F and ce llvo ltage

圖 2 CaC l2-L iF熔鹽差熱 -熱重曲線Fig.2 CaC l2-L iFm o lten DTA cu rve

由表 2可知,采用 2 A電流的電解過程穩(wěn)定,當電解時間到達 20m in時,槽電壓和反電動勢分別穩(wěn)定在 4.17 V和 3.38 V.

改變電流為 3 A,實驗數(shù)據(jù)見表 3.

表 3 電解反電動勢隨槽電壓電解時間變化Tab le 3 E lec tro lysis tim e effec t on back EM F and ce llvo ltage

由表 3可知,隨著電解時間的延長,槽電壓不斷增高,反電動勢也逐漸增高.

2.3 電流強度對反電動勢和槽電壓的影響

圖 3中半正弦波波谷至虛線的距離即為反電動勢的值,半正弦波的平均值為槽電壓.電流分別選擇為 0A,1A,2A和 3A,隨著電流強度的增大,電解過程的反電動勢和槽電壓隨之增大.

圖 4為電流變化對反電動勢和槽電壓的影響.

反電動勢穩(wěn)定在 3.89 V,槽電壓則隨著電流的增加一直增大.

2.4 合金樣品分析

（1）合金樣品 SEM檢測

鈧質(zhì)量分數(shù)為 2%的鋁鈧合金的 SEM照片見圖 5,圖中顯示灰和白兩部分,應(yīng)該為不同的組分,采用能譜分析確定其組成.

白色相的能譜分析結(jié)果見圖 6和表 4:白色相為鋁鈧合金.

灰色相的能譜分析結(jié)果見圖 7和表 5:灰色相為金屬鋁.

表 4 能譜分析結(jié)果Tab le 4 Ana lysis resu lt

表 5 分析結(jié)果Tab le 5 Ana lysis resu lt

實驗結(jié)果表明,氯化鈣 -氟化鋰熔鹽可以用于生產(chǎn)鋁鈧合金,所得到得合金中鈧的質(zhì)量分數(shù)在2%～6%.

3 結(jié) 論

（1）以氧化鈧為原料,以氯化鈣 -氟化鋰熔鹽為電解質(zhì)體系,純鋁作液態(tài)陰極,在 800℃電解制備了 w[Sc]為 2%～6%的鋁鈧合金.

（2）采用 XRD,SEM和電子能譜分析等方法對合金樣品進行了表征.結(jié)果表明,合金金相分為兩相,連續(xù)相為鋁基,間斷相為 ScA l3.

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Prepara tion of A l-Sc a lloys investiga ted in the system s of CaC l2-L iF

CH EN G Tao1,2,LüZ i-jian2,ZHA IX iu-jing1,ZHANG M ing-jie1,TU Gan-feng1
（1.Schoo lofM aterials&M etallu rgy,N o rtheastern U n iversity,Shenyang 110004,China;2.H enan B ranch of Ch ina A lum inum Co.L td,Zhengzhou 450041,Ch ina）

The p reparation ofA l-Sc alloysw as investigated bo th in the system s of CaC l2-L iF bym o lten saltelectro lysis.Scand ium oxide w as used as raw m aterial;and liquid m etal A l cathode w as app lied in the CaC l2-L iF system. In condition of 800℃,the electro lysis tim e,electrodynam ic fo rce and cell vo ltagew ere investigated. Itw as found that the A l-Sc alloysp roductw ith a Sc con ten tof2%～6%Scw ere obtained.The characteristics of the alloyssam p lesw ere analyzed by XRD,SEM and EEP.Them ain phases in the alloysw erem etalA l base and ScA l3.

:CaC l2-L iF;A l-Sc alloy

TF 821

A

1671-6620（2010）01-0039-04

2009-12-31.

遼寧省基金資助 （2008S086）.

程濤 （1973—）,男,山東禹城人,中國鋁業(yè)股份有限公司河南分公司高級工程師,E-m ail:chengt@china-alum.com;涂贛峰 （1964—）,男,江西贛州人,東北大學教授,博士生導師.