[发明专利]一种铜钪中间合金的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铜钪中间合金的制备方法，在含有钪的熔盐电解质中，以金属铜电极为可消耗阴极，以石墨为阳极，通过熔盐电解制备铜钪中间合金；上述方法制备的铜钪中间合金用于制备含钪铝合金或其它含钪合金。本发明提供的制备方法，工艺简单、无污染、生产成本低，制备的铜钪中间合金钪的含量可达10～75％，可用于多种含钪合金的制备。

技术领域

本发明涉及合金制备技术领域，具体涉及一种铜钪中间合金的制备方法和应用。

背景技术

钪的原子序数为21，在周期表中与镧系稀土金属同属于Ⅲ副族，与钛、钒、铬等同属于3d型过渡金属。金属钪是铸造铝合金的优良变质剂，也是铁的优良改化剂。目前金属钪大量应用于制备铝钪合金，在铝合金中添加微量的金属钪(0.1～0.4％)，可使合金晶粒细化，显著提高铝合金的强度、塑韧性、耐高温性能、耐腐蚀性能等。含钪铝合金综合性能明显优于传统铝合金，广泛应用于航天、军事工业等尖端科技领域。

由于单质钪化学性质活泼，且熔点高(1541℃)，与铝熔点(660℃)相差较大，难以通过直接熔铸的方法制备含钪铝合金。在工业中铝钪合金的生产过程中，通常以中间合金的形式向合金中加入钪。目前，铝钪中间合金的制备方法主要有对掺法、金属热还原法和熔盐电解法。

对掺法是以高纯金属钪和纯铝为原料，在氩气保护气氛中，将特定比例的金属钪用铝箔包裹后加入铝熔体中，充分搅拌，保温足够时间后进行浇铸，即可制得铝钪中间合金。采用对掺法可以制得钪含量在2～4％的铝钪中间合金，工艺简单，但是对掺法需要采用高纯金属钪为原料，成本较高；合金损失多，回收率低；且钪、铝熔点相差大，合金中成分分布不均匀，品质较差。

金属热还原法以氟化钪真空铝热还原法为主，采用氟化钪为原料，以金属铝为还原剂，在真空下进行还原制备铝钪中间合金。该法制得的中间合金中钪含量可达30％，但氟化钪原料制备过程复杂，且该工艺无法连续生产，产率较低。

熔盐电解法主要以氧化钪或氯化钪为原料，在氯盐体系或氟盐体系中进行电解。其中以氯化钪为原料时，多采用NaCl–KCl–ScCl₃和LiCl–KCl–ScCl₃为电解质，以液态金属铝作阴极，通过采用适宜的电解参数，钪离子在液态铝阴极上沉积并与其形成合金，在阳极上Cl^-被氧化生成氯气。需要指出的是氯化钪易吸潮，难以运输和存储，并且电解过程中有氯气产生对环境有污染，故工业生产中较少采用。而以氧化钪为原料时，采用的电解质为NaF·AlF₃–Sc₂O₃–ScF₃–NaCl，NaF–Sc₂O₃–ScF₃、CaCl₂–Sc₂O₃或LiF–Sc₂O₃–ScF₃，多采用液态金属铝作阴极或在熔盐中添加Al₂O₃从而电解时在阴极生成液态铝，电解过程中钪离子在阴极沉积并与铝形成中间合金。与对掺法和金属热还原法相比，熔盐电解法制备的铝钪中间合金具有成分均匀、生产成本低、易于连续化生产、不需用还原剂等优势。在关于熔盐电解法制备钪中间合金的研究中，基本都是以铝钪合金为目标产物，用液态铝来捕收钪，但是铝、钪熔点相差很大，电解制备铝钪合金的过程中，铝熔体需要很高的过热度，并且钪在铝中的扩散较慢，很难形成成分均匀的高浓度含钪合金成分，中间合金中钪的含量较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是熔盐电解制备钪中间合金时存在钪含量低的问题，提供一种使用铜可消耗阴极进行电解制备高钪含量的铜钪中间合金的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种铜钪中间合金的制备方法，在含有钪的熔盐电解质中，以金属铜电极为可消耗阴极，以石墨为阳极，通过熔盐电解制备铜钪中间合金。