真空铝热还原制备Mg-Sr中间合金及渣相的分析

真空热处理 杨占寿 中国科学院青海盐湖研究所

  以氧化镁和氧化锶为原料,铝粉为还原剂,氟化钙催化剂,在混料瓶中混合均匀后,在台式粉末压片机上压片,然后在真空管式炉内还原,制备得到镁锶合金。对得到镁锶合金进行XED 射线衍射分析和扫描电镜能谱分析,产物中含有α-Mg,Mg17Sr2 和Mg2Sr 相,镁锶合金中镁含量为97.7%,锶含量为2.3%。对渣相进行XED 射线衍射分析,渣相中主要物质为SrO·Al2O3 和SrO·2Al2O3。还原温度为1250℃,还原时间4h,真空度为0.08kPa,自然冷却结晶。

  镁合金作为轻合金结构材料之一,具有密度轻、比强度、比刚度高、易回收等优点,其结构件已被广泛用于汽车制造业中,被誉为“21 世纪的绿色工程材料”。研究镁合金,特别是压铸镁合金晶粒易粗化,力学性能会大大降低。采用变质剂可细化镁合金晶粒,改善镁合金铸件的力学特性和耐蚀性等。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为Mg-Sr 中间合金具有以下几方面的优点:

  1) 阻止高温氧化和减少锶的氧化烧损;

  2) 有效避免因添加Al-Sr 合金而造成的铝含量超标和引入其它杂质;

  3)变质有效期长。

  Al-Sr 中间合金作为一种长效变质剂,在铝、镁合金的变质处理已经得到极为广泛的应用,而Mg-Sr 合金作为镁合金的一种新型变质剂,其制备技术及应用在国内外研究甚少。镁锶合金主要方法为对掺法,由于金属镁和金属锶成本较高,高温烧损严重,能耗高。国内学者研究熔盐电解法[9]和真空还原法制备得到Mg-Sr 中间合金,当前仅局限于实验室研究,没有产业化大规模应用。本文以氧化镁和氧化锶为原料,铝粉为还原剂,氟化钙催化剂,在混料瓶中混合均匀后,在台式粉末压片机上压片,然后在真空管式炉内还原,利用真空铝热还原的方法制备了镁锶中间合金,并对其产物和渣相进行了相关的分析,探讨了还原温度对渣相成分和收率的影响,探讨了还原温度对渣相成分和收率的影响。

  1、理论分析

  真空铝热还原氧化锶和氧化镁的反应式如下:

真空铝热还原制备Mg-Sr中间合金及渣相的分析

  还原反应方程(1)、(2)和(3)单独发生时,理论锶还原率分别为100%、75%和50%. 热力学分析和渣相的XRD 定性分析从理论和实践两方面揭示了一直认定的还原反应方程(1)实际并不独立发生,生成的Al2O3 很容易SrO 进行造渣反应;真空铝热还原法制备金属锶实际发生的是还原反应方程(2)和方程(3)。

  本实验中对渣相进行XRD 衍射分析,渣相中主要成分为SrO·Al2O3 和SrO·2Al2O3,证明铝热还原氧化锶和氧化镁的反应中,反应(4)实际存在的,文献报道铝热真空还原氧化锶反应生成的渣相中含有3SrO·Al2O3,渣相的XRD 衍射分析得到渣相中不含有3SrO·Al2O3。反应(5)是铝热还原氧化镁生成金属的主要反应,生成的Al2O3 与氧化锶进行造渣反应,使还原氧化镁的反应易于正方向反应,镁的收率提高,而锶的收率降低,渣相含量中SrO·Al2O3 和SrO·2Al2O3 含量增大,造成锶资源的浪费。

  3、结论

  采用铝粉为还原剂,氟化钙为催化剂,真空还原氧化镁和氧化锶的混合物,制备得到了镁锶中间合金,合金中镁的质量分数为97.7%,锶的质量分数为2.3%。镁蒸气和锶蒸气的量决定合金中镁和锶的质量分数,从渣相x 荧光光谱法分析得到,渣相中镁质量分数为1.7%,镁的转化率较高,锶的质量分数为32.1%,锶的转化率较低,通过控制还原条件有待于抑制造渣反应,进一步提高锶的转化率。镁锶中间合金中含有α-Mg,Mg17Sr2 和Mg2Sr 相,无单质金属锶,通过自然降温结晶,得到了均匀性较好的Mg-Sr 中间合金。还原时间对渣相成分和锶的收率有主要的影响,本实验中,还原时间为4 h,抑制造渣反应(3)发生,有效提高了锶的收率。