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氟化钪熔盐-铝镁热还原反应机理及铝镁钪中间合金制备新工艺研究

作　者: 白兰
导　师: 姜锋
学　校: 中南大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 钪中间合金 铝镁钪合金 氟化钪 氧化钪 熔盐金属热还原 热力学计算 热还原机理
分类号: TG131
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


本文在对氟化钪、氧化钪金属热还原的还原反应进行了热力学计算和分析的基础上，提出了采用ScF3-MF-Mg（Al）热还原法制备Al-Mg-Sc中间合金的新思路；利用热分析技术结合相图资料方法研究了ScF3-MF-Mg热还原反应机理，采用Freeman-Carrol法和Kissinger法计算了反应级数与反应活化能，并在此基础上进行了还原反应熔盐体系优选；对ScF3-MF-Mg（Al）热还原法制备Al-Mg-Sc中间合金的新工艺实验条件进行了优化，制备出了含钪量为2％的Al-Mg-Sc中间合金，制备新工艺中钪回收率达80％；利用研制的中间合金制备了Al-5Mg-Sc系列合金，通过对加钪和不加钪的合金组织与性能的对比研究，对Al-5Mg-Sc合金的应用进行了评价。 其热力学计算结果表明，ScF3与Mg之间的还原反应在热力学上是可行的，而Sc2O3与Mg及ScF3与Al之间的反应是不可行的。制备Al-Mg-Sc中间合金时应采用ScF3为原料，Mg为还原剂，在过量Al熔体中进行。还原产生的初生态Sc与Al形成稳定的Al3Sc金属间化合物，从而使金属热还原的ΔrGm0（T）减少了138KJ／mol，由此增加了反应体系的熵变值，大大提高了金属热还原进行的趋势。在温度为1100K的Al熔体中Mg热还原制备Al-Mg-Sc中间合金，当使用ScF3为原料且在氟化物熔盐体系中进行时，还原反平衡常数计算值可达6.6×109。 研究了Sc2O3-NH4HF2固相氟化及ScF3-Mg热还原机理，利用DTA分析方法研究了ScF3-Mg热还原反应的热力学及动力学机理。研究结果表明Sc2O3与NH4HF2分解产生的HF反应生成ScF3。ScF3-Mg体系590℃发生ScF3-Mg（s）固-固还原反应；740℃发生ScF3-Mg（1）固-液还原反应；ScF3-LiF-Mg体系在496℃发生ScLiF4（s）-Mg（s）固-固还原反应；650℃发生（ScF3-LiF）-Mg（1）液-液还原反应。计算了Mg热还原的动力学参数，其反应活化能E=48.62KJ／mol，反应级数n=1.03。 研究制定了ScF3-MX熔盐在Al熔体中Mg热还原制备Al-Mg-Sc中间合金的新工艺，研究结果表明新工艺能制备Sc含量大于1.5wt％的Al-Mg-Sc中间合金，最佳的还原反应温度为1100℃，还原时间40min；二次还原后，Sc收率大于80％。 微量Sc在Al和Al-Mg合金中，除少量固溶在基体中。主要以两种析出的Al3Sc金属间化合物的形式存在。其中一种为合金凝固过程中析出的一次Al3Sc粒子，起非均质晶核的作用，可强烈细化合金的铸态晶粒组织，并由于细晶强化作用可使Al-Mg合金的强度大大提高。由于在Sc含量较低时，Sc与Mg并不形成金属间化合物，在研究的成分范围内Sc在Mg合金中多以固溶体形式存在。 利用研制的Al-Mg-Sc中间合金制成Al-5Mg-Sc合金，当Sc含量为0.2％时，合金晶粒细化效果不明显；当Sc含量大于0.4％时，铸态合金晶粒得到明显细化，当Sc含量为1.45％时，铸态合金晶粒最细小。表明研制的中间合金是Al-Mg合金的变质剂。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章 文献综述  7-21
  1.1 钪的资源  7-9
  1.2 钪及其几种化合物的性质  9-11
    1.2.1 金属钪  9
    1.2.2 氧化钪  9
    1.2.3 氟化钪  9-11
    1.2.4 氯化钪  11
  1.3 铝钪合金的研究与应用进展  11-13
  1.4 钪中间合金制备研究现状  13-19
    1.4.1 对掺法制取铝钪中间合金  14
    1.4.2 熔盐电解法制取铝钪中间合金  14-15
    1.4.3 金属热还原法制取钪中间合金  15-19
  1.5 本文选题的目的与意义  19-21
第二章 金属热还原反应热力学计算与分析  21-31
  2.1 热力学分析方法  21-23
    2.1.1 金属热还原反应的Δ_rG_m(T)的计算方法  21-22
    2.1.2 金属热还原反应标准平衡常数的计算  22
    2.1.3 熔盐体系中金属热还原反应平衡常数的计算  22-23
  2.2 计算结果  23-26
    2.2.1 Δ_rG_m~0(T)的计算  23-25
    2.2.2 Al-Mg-Sc中间合金制备工艺的经验平衡常数估算  25-26
  2.3 热力学计算结果分析  26-31
    2.3.1 反应还原体系的选择  27
    2.3.2 Al_3Sc的生成对还原反应的影响  27-28
    2.3.3 熔盐体系分析  28-29
    2.3.4 氟化钪金属热还原反应平衡转化率估算  29-31
第三章 氟化钪熔盐-镁(铝)热还原反应机理研究  31-43
  3.1 热分析方法  31-32
  3.2 热分析结果  32-36
  3.3 分析与讨论  36-43
    3.3.1 还原反应机理分析  36-39
    3.3.2 热还原反应活化能与反应级数的计算  39-43
第四章 氟化钪熔盐-镁(铝)热还原制备钪中间合金新工艺研究  43-55
  4.1 原料及实验方法  43-45
  4.2 实验结果  45-49
    4.2.1 不同还原体系下的中间合金钪的收率  45-46
    4.2.2 含Sc中间合金显微组织  46-49
  4.3 分析与讨论  49-55
    4.3.1 氧化钪固相氟化机理  49
    4.3.2 Sc在中间合金中的存在形式  49-52
    4.3.3 反应条件对中间合金中Sc含量影响  52-55
第五章 铝镁钪中间合金应用效果评价  55-60
  5.1 实验方法  56
  5.2 实验结果  56-57
    5.2.1 合金铸态硬度  56
    5.2.2 合金铸态金相组织  56-57
  5.3 分析与讨论  57-60
    5.3.1 微量Sc对Al-Mg合金的晶粒细化作用  57-58
    5.3.2 微量Sc对Al-Mg合金的强化作用  58-60
结论  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
附录  66

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 合金学与各种性质合金 > 合金学理论
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