一种铝锆中间合金的制备方法与流程

1.本发明涉及一种铝锆中间合金的制备方法，属于合金制备技术领域。


背景技术：

2.铝锆合金具有高强度、高塑性以及良好的韧性和耐蚀性等优异性能，而被广泛应用于航空航天、电力及舰船等领域。常用的铝锆合金的制备方法有机械合金化法、对掺法、燃烧合成法和熔盐电解法。
3.机械合金化法是以锆粉和铝粉为原料，在高能球磨机中长时间球磨，通过原子间的扩散和固态化学反应等物理化学过程形成铝锆合金粉。该法以价格昂贵的金属锆作为原料，导致成本很高，且产品为粉体，需经过再次处理才能实际应用。
4.对掺法也叫熔配法，是将海绵锆和铝在电炉中熔化后，按一定比例配制成中间合金，再将中间合金与铝配制成所需成分的铝锆合金。由于锆的熔点较高，重熔会增加能耗和成本。
5.燃烧合成法：将zr粉、al粉压块，加热点燃使其发生自蔓延反应生成铝锆合金。此方法生产效率较高，但采用zr粉为原料成本高，且反应过程中zr粉易吸氧。
6.熔盐电解法：将二氧化锆、铝粉、锆氟酸钾、冰晶石电炉加热至熔融状态下反应生成铝锆合金，此方法成本较低但反应产生的盐类副产物难以彻底去除，且成品率相对较低。
7.专利文献cn1514044a公开了一种电解生产铝锆合金的方法，该方法以铝和锆的氧化物为原料，在冰晶石体系中进行电解析出后直接化形成铝锆合金。得到合金中锆的含量为0.8-3wt％，al+zr≥98.5wt％。专利文献cn105274372a公开了一种铝锆合金的制备方法，该方法以铝钙合金为复合还原剂，二氧化锆为原料，冰晶石、六氟锆酸钾和氯化钠为覆盖剂，还原后得到合金中锆的含量为4-7wt％，al+zr≥99wt％。
8.上述铝锆合金制备工艺均在炉内进行，能耗较高且所得合金中锆的含量较低。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种铝锆中间合金的制备方法，该方法为炉外铝热还原方法，能耗低，能够得到锆含量达45～55wt％的铝锆中间合金。
10.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
11.一种铝锆中间合金的制备方法，包括以下步骤：
12.(1)以氧化锆为原料，采用铝粉、铝钙合金粉或铝镁合金粉为还原剂，氯酸钾为氧化剂，氧化钙和氟化钙为造渣剂，将氧化锆、还原剂、氯酸钾、氧化钙和氟化钙按一定比例混合均匀，装入坩埚，压实；
13.(2)用镁屑或镁粉在炉料上部引燃，反应自发进行至反应结束，破碎分离即可得到铝锆中间合金。
14.在本发明中，所述氧化剂氯酸钾能够与还原剂铝粉、铝钙合金粉或铝镁合金粉反应放热，为反应产物熔化提供充足的热量。优选地，所述步骤(2)中单位炉料发热量为2800
～3800kj/kg。
15.在本发明中，还原剂一方面要完全还原氧化锆，另一方面要与氧化剂反应放热为体系提供足够的热量，氧化钙和氟化钙的加入量以al2o
3-cao相图和al2o
3-caf2相图为依据。优选地，所述步骤(1)中各原料组分质量配比为：氧化锆∶铝粉∶氧化剂∶氧化钙∶氟化钙＝80～110∶100～150∶60～80∶30～60∶10～25。
16.在本发明中，所述氧化锆为粉体，纯度≥95wt％，粒度≤1mm。所述还原剂优选为铝粉，纯度≥95wt％，粒度≤1mm。
17.本发明所述的氧化剂为工业级的氯酸钾，纯度大于95wt％；造渣剂氧化钙和氟化钙均为工业级，纯度大于95wt％。
18.在本发明中，所述坩埚的材质可以为氧化铝、刚玉或氧化镁。
19.本发明的优点在于：
20.本发明通过原料成分、配比和反应热效应控制，将氧化锆还原、铝锆合金化以及渣金分离一步完成，能够制备出杂质含量低、锆含量高的铝锆中间合金。本发明制备的铝锆中间合金主要成分为al3zr，锆含量高达45～55wt％，al+zr≥99wt％。本发明制备过程无污染，成本低，生产效率高，工艺简单易行无设备限制，且产品成分稳定。
附图说明
21.图1为本发明的方法所使用的设备结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
23.如图1所示，本发明的方法所使用的设备包括，铁桶1、设置在铁桶1内的坩埚3，在铁桶1与坩埚3之间填充有镁砂2，炉料4置于坩埚3内，用于引燃炉料的镁屑或镁粉5置于炉料4的上部。
24.实施例1
25.首先将50g氧化锆、70g铝、45g氯酸钾、20g氧化钙及8g氟化钙混合均匀，炉料单位发热量为3800kj/kg；然后将炉料置于陶瓷坩埚内并将坩埚周围用沙子压实，用镁粉加入炉料上部点燃引发反应，待反应结束后冷却至室温，破碎产物得到合金锭。合金收率为68.7％，物相为al3zr和al，zr含量达到50.8wt％，zr+al＝99.5wt％。
26.实施例2
27.首先将100g氧化锆、140g铝、80g氯酸钾、40氧化钙及15g氟化钙混合均匀，炉料单位发热量为3600kj/kg；然后将炉料置于陶瓷坩埚内并将坩埚周围用沙子压实，用镁粉加入炉料上部点燃引发反应，待反应结束后冷却至室温，破碎产物得到合金锭。合金收率为73.9％，物相为al3zr和al，zr含量达到52.5wt％，zr+al＝99.4wt％。
28.实施例3
29.首先将500g氧化锆、700g铝镁合金粉、356g氯酸钾、200g氧化钙及80g氟化钙混合均匀，炉料单位发热量为3300kj/kg；然后将炉料置于陶瓷坩埚内并将坩埚周围用沙子压实，用镁粉加入炉料上部点燃引发反应，待反应结束后冷却至室温，破碎产物得到合金锭。
合金收率为77.7％，物相为al3zr和al，zr含量达到53.3wt％，zr+al＝99.7wt％。
30.实施例4
31.首先将2kg氧化锆、2.988kg铝钙合金粉、1.214kg氯酸钾、0.8kg氧化钙及0.32kg氟化钙混合均匀，炉料单位发热量为3000kj/kg；然后将炉料置于陶瓷坩埚内并将坩埚周围用沙子压实，用镁粉加入炉料上部点燃引发反应，待反应结束后冷却至室温，破碎产物得到合金锭。合金收率为83.7％，物相为al3zr和al，zr含量达到54.1wt％，zr+al＝99.8wt％。
32.实施例5
33.首先将10kg氧化锆、14.65kg铝、6.51kg氯酸钾、4kg氧化钙及1.6kg氟化钙混合均匀，炉料单位发热量为2800kj/kg；然后将炉料置于陶瓷坩埚内并将坩埚周围用沙子压实，用镁粉加入炉料上部点燃引发反应，待反应结束后冷却至室温，破碎产物得到合金锭。合金收率为90.7％，物相为al3zr和al，zr含量达到54.6wt％，zr+al＝99.8wt％。