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1、冰晶石熔体中Al热还原法制备Al2Sc合金路贵民 刘学山3(东北大学材料冶金学院,3 黄金学院,沈阳110006)摘 要 在nNaFAlF32KCl2NaCl熔盐体系中,用液体Al还原Sc2O3成功制取了Al2Sc中间合金。 最佳工艺条件为: Sc2O3加入量约2 % ,温度1093 K左右,反应时间2 h。 合金中Sc含量最高为1 % ,金属收得率接近80 %。 此工艺操作简单,反应温度低,同时避免了金属的烧损,可大大降低合金生产成本。 实验结果及热力学分析表明,在冰晶石熔体中, Al还原Sc2O3的过程并非是简单的一步还原过程,而是由复杂的多步反应(如络合等)构成的。关键词 冰晶石熔体 A
2、l热还原 Al2Sc合金 中图法分类号 TF803. 131 TF845. 1铝钪合金是一种集高强、 高韧、 低密、 耐热、 耐蚀、 可焊等优异性能于一体的新型结构材料,越来越引起国际材料界的高度重视1。对铝钪合金的系统研究与开发始于本世纪70年代。 前苏联学者对此做了大量工作2 - 5。我国虽为钪的储藏与生产大国,但铝钪合金的研究与开发起步很晚,且进展缓慢。 目前,国外铝钪合金的制备方法主要有对掺法6 , 7,熔盐电解法8 , 9及真空热还原法6 ,8。 这些方法有的已在生产中得到应用,但它们都存在某些不足之处。 对掺法虽然工艺简单,但原料价格昂贵,熔炼温度高,金属烧损大,同时,由于铝钪熔点
3、相差悬殊,造成合金成分的不均匀或不稳定;而真空热还原法的问题是合金中杂质含量高,如氟6;熔盐电解法目前尚处于研究阶段。 因此对铝钪合金制备工艺进行深入的研究是完全必要的。1 实验本研究是在熔盐体系中添加Sc2O3,以液体Al作为还原剂,在常压、 非惰性气氛下制取Al2Sc合金。 实验所采用的熔盐成分为60 %nNaFAlF3+ 20 %KCl + 20 %NaCl 在此熔盐体系中,冰晶石起到熔解Sc2O3的作用,同时还熔解液Al表面的氧化膜及反 应生成的Al2O3,促进界面化学反应的进行;KCl与NaCl既可以降低体系熔点(该体系的 熔点在700 左右) ,还可降低熔盐与Al液之 间的界面张力
4、,改善熔盐对Al的润湿性,有利于反应的进行和Sc的扩散。 首先将混合盐在高纯石墨坩埚中熔化,加 入100 g工业纯铝,待Al熔化后,加入所需量 的Sc2O3,用刚玉棒搅拌。 当Sc2O3加入量较多 时,考虑到Sc2O3在熔盐中的溶解速度及溶解 度,应分批加入。 待反应一定时间后取出合金样进行分析。 为了避免熔盐的大量挥发,坩埚 上部用石墨盖封闭。Sc2O3加入后可能发生如下反应10:Sc2O3+ 含F-盐ScOFn- x(1)ScOFn- x+ AlSc + AlOFn- x(2)Sc + Al(Al2Sc)(3)此研究方法因合金在熔盐下部,受到熔盐 保护而避免了Sc的烧损及合金的氧化。 为了
5、第9卷第1期 Vol. 9 No. 1中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals 1999年3月 Mar. 1999辽宁省科技基金资助项目(No. 951018) 收稿日期: 1997 - 11 - 10 ;修回日期: 1998 - 01 - 12路贵民,男, 32岁,博士,讲师节省原料,减少实验次数,我们首先进行正交 实验,正交实验因素水平如表1。表1 因素水平表Table 1 Factor level tableNo.T/ Kt/ minw(Sc2O3)/ %1105330121093601. 531133902根据正交实验结果,选取
6、主要因素进行单因素展开实验。2 结果与分析正交实验结果如表2所示,括号内数据为Sc的百分含量。表2 正交实验表Table 2 Orthogonal experiment tableNo.T/ Kt/ minw(Sc2O3) / %/ %w(Sc) / %1105330146. 00. 3021053601. 559. 30. 583105390264. 40. 8441093301. 546. 00. 455109360262. 90. 826109390179. 80. 527113330239. 90. 528113360164. 40. 4291133901. 573. 60. 72k1
7、56. 6(0. 57)44(0. 42)63. 4(0. 41)k262. 9(0. 59) 62. 2(0. 61) 59. 6(0. 58)k359. 3(0. 55) 72. 6(0. 69) 55. 7(0. 73)k6. 3(0. 04) 28. 6(0. 27)7. 7(0. 32)各因素与Sc的收得率及合金中Sc的含 量w(Sc)之间的关系如图13。2. 1 温度的影响 从图1可以看出,当温度为1093 K时, Sc 的收得率最高。 在所研究的反应体系中,反应 过程由Sc2O3的溶解、 扩散、 化学反应及合金 化等诸多步骤组成。 当温度低时, Sc2O3的溶解度、 溶解速度以及
8、化学反应速度、 扩散速度 均比较小,因此,金属的收得率及合金中Sc含 量很难达到要求。 当温度在1 0531 093 K之间时,随着温度的升高, Sc的收得率提高;当 温度继续升高时,化学反应速度可能提高,但Sc在熔盐中的溶解速度加大,此时Sc向金属 中的扩散及合金化过程可能成为控制步骤,造 成了Sc的反向溶解,从而降低了Sc的收得 率。 由此可见,在此工艺中,反应温度在1 093K左右是适宜的,反应温度不应过高。图1 温度对Sc含量w(Sc)及收率的影响Fig. 1 Effect of temperature on Sccontent and recover rate图2 Sc2O3浓度对S
9、c含量w(Sc)及收率的影响Fig. 2 Effect of Sc2O3on Sc content andrecover rate271中国有色金属学报 1999年3月2. 2 Sc2O3添加量的影响 从图2可以看出,随着Sc2O3加入量的增加,合金中Sc的百分含量是增加的,但Sc的 收得率却有所下降。 随着Sc2O3浓度的增加, 应有利于反应向着生成Al2Sc合金的方向进 行,导致Sc收得率的下降的原因是由于添加 总量(分母)的增大。图3 时间对Sc含量w(Sc)及收率的影响Fig. 3 Effect of time on Sc contentand recover rate2. 3 反应时
10、间的影响 由图3可以看出,随着时间的延长, Sc收 得率与合金中Sc的含量均呈升高的趋势。 因 此,延长时间将有利于收得率的提高。 从极差 分析可以看出,时间是最主要的因素,其极差 远远大于其它二因素的极差。 因此,我们选取 时间因素进行单因素展开实验,研究1 093 K 下Sc2O3加入量为2 %时,金属收得率随时间 的变化规律,实验结果如图4所示。 从图4可 以看出,反应初期,合金中的Sc含量上升较 快;随着时间延长,其上升速度逐渐下降;当 时间超过120 min以后,其上升速度极为缓慢, 几乎达到了恒值。 因为随着合金中Sc含量的 上升, Sc向Al中扩散及合金化阻力加大,最 后当合金中
11、Sc的含量及熔盐中钪离子浓度达 到一定值时,过程逐渐趋于平衡。 此时,再提 高Sc的收得率是困难的,但仍可以补加Sc2O3而提高合金中Sc的含量。 由此可见,采用此工艺制备Al2Sc中间合金时,金属的收得率并不很高,但并不是烧损 所造成的。 所加入的Sc2O3并没有损失,而是 存留在熔盐中,对于工业生产来说,熔盐是循 环使用的,这样可以大大提高金属的收得率。图4 Sc含量w(Sc)及收率随时间的变化Fig. 4 Variations of Sc content andrecover rate with time at 1 093 K2. 4 还原过程的热力学分析 一般,铝热还原氧化钪的反应为2
12、Al(l) + Sc2O3(s) = 2Sc(s) + Al2O3(s) (4) 由文献11查得 G02= 219 100 + 32. 37T Jmol- 1K (5) 从热力学角度来讲,反应(4)是根本不能进行的。 但本研究体系中,反应(4)应写为2Al(l) + Sc2O3 = 2ScinAl+ Al2O3 (6)式中 Sc2O3 , Al2O3分别表示溶解在冰晶 石熔体中的Sc2O3与Al2O3, ScinAl表示Al2Sc 合金中溶解的Sc ,对于反应(6)有G3=G03+R Tlna2ScaAl2O3a2AlaSc2O3(7)在实验条件下,可以近似认为aAl= 1 ,同 时假设冰晶石
13、熔体中的Sc2O3达到饱和,则(7)式可以写成 G3=G03+R Tlna2ScaAl2O3(8)371第9卷第1期 路贵民等:冰晶石熔体中Al热还原法制备Al2Sc合金由于热力学数据的缺乏,我们近似用反应(4)的G02代替反应(6)的G03,则G3=G02+R Tlna2ScaAl2O3(9)令 G3= 0 ,则可得反应进行的条件是a2ScaAl2O3210- 9(10)反应仍然是很难进行的。 由此说明,在此熔盐 体系中,铝还原Sc2O3的反应并不是完全按照 反应(4)或(6)进行的。 此过程存在着类似反应(1)或者更加复杂的反应步骤。 详细反应机理有待于进一步深入研究。 但无疑,降低熔盐中
14、Al2O3浓度及合金中Sc的活度是有利于反应进行的。 因此,熔盐对氧化物的熔解能力及氧化物在其中的扩散是至关重要的。 此外,钪离 子一经还原,在大量液态铝存在下形成铝钪合 金。 这种合金化作用可以大大降低体系中钪的 活度,促进还原反应的进行。3 结论采用nNaFAlF32KCl2NaCl熔盐体系添加Sc2O3,用液体铝作还原剂在大气气氛下成功地制取了Al2Sc中间合金,最佳反应温度为1 093 K。 合金中Sc的最高含量可达1 % , Sc的 收得率最高可达80 %。该工艺操作简单,反应温度低,同时避免 了金属烧损,可大大降低合金生产成本。REFERENCES1 Leevell A W. US
15、 3619181. 1971.2 . , ,1965 , (4) : 176.3 . ,1985 , (1) : 88.4 . , 1980 , (10) : 35.5 . , 1981 , (2) :353.6 . , , 1982 ,(1) : 173.8 Sun Zhichen(孙志臣) . Hunan Metallurgy(湖南冶金) , 1991 , (1) : 31.9 Lu Qingtao(陆庆桃)et al. Shanghai NonferrousMetals(上海有色金属) , 1995 , 16(3) : 160.10 Zhang Milin(张密林)et al. Journal of the ChineseRare Earth Society(中国稀土学报) , 1990 , 8(2) :18311 Liang Yingjiao(梁英教) and Che Yinchang(车荫昌) . Inorganic Thermodynamic Data Manual(无机物热力学
