0   前言

钪对合金具有良好的合金化作用，在铝中只要加入千分之几的钪就会生成Al₃Sc新相，使铝合金的结构和性能发生明显的变化^[1]。所以，铝钪合金比铝更轻更坚硬，它是目前世界上质轻，高强度而又高回弹性的技术材料。

在中间合金中，钪含量过高，会造成合金熔点太高，同时，钪还将以Al3Sc、AlSc、AlSc2形式出现，影响铝钪合金的生产^[2]。而Sc含量2%左右的铝钪合金，钪在其中是以Al₃Sc金属间化合物形式存在，其熔点约为800℃(接近铝的熔点)便于合金的生产。

目前，钪中间合金的生产方法主要有对掺法，熔盐电解法及金属热还原法三种^[3]。

在对掺法中，由于铝和钪熔点相差太大，他们很难混合均匀，且熔制温度高，生成的Al₃Sc金属间化合物颗粒较大，分布也不均匀，从而影响铝钪合金铸锭的质量。它所用原材料为昂贵的高纯金属钪，熔制过程中会部分烧损，使生产成本増高^[4]。而金属钪是以氟化钪、氯化钪或氧化钪为原料，用金属钠或钙热还原一蒸馏制得，因而以氟化钪、氯化钪和氧化钪为原料直接生产铝钪合金才比较合理。

熔盐电解法生产铝钪合金多采用Sc₂O₃—氟化物体系。它对原料的纯度要求较高。因为常见的Fe³⁺、RE³⁺等其他金属离子在电解过程中也可能在阴极上还原析出，影响合金的纯度。同时常见的SO₄^2-，, N0₃^-, Cl^-等可能会参与阳极反应，降低电解效率^[2]。

目前，俄罗斯工业生产铝钪合金采用的是氟化钪金属热还原法，这种方法是以ScF₃为原料，以活性铝粉为还原剂，在真空下进行，钪进入中间合金的回收率仅为70%。后来又提出了分三段升温的工艺，提高了铝的回收率。但这一工艺加热速度慢，保温时间长不利于批量生产。

Sc₂O₃原料比ScF₃更易获得，且价格较低廉，所以以氧化钪直接制备铝钪合金的方法属最有吸引力的一种。但传统的方法是以活性铝粉和氧化钪粉为原料，必须在较高的压力下压成小球，铝粉和Sc₂O₃粉末的相对粒度对还原反应效率影响很大，反应条件难于控制，成本也较高。

我们以氧化钪为原料，金属铝为还原剂，在非真空状态下进行还原反应，直接生产出含Sc2%的铝钪合金，简化了工艺流程，降低了生产成本。

1   实验原料、设备和工艺

原料:氧化钪、金属铝锭、氯化钾、氟化钠、添加剂。

主要设备:非真空中频感应电炉、石墨坩埚、刚玉坩埚等。

工艺流程见图 1，这种方法的要点是以粉状氧化钪为原料，熔融的铝液为还原剂，氯化钾等无机盐为造渣剂，在高温下将氧化钪还原为金属钪，进入铝液中形成中间合金。

图  1  工艺流程简图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

实验方法：

(1) 在常温下将氧化钪粉末与氯化钾、氟盐、按一定比例混合。

(2) 金属铝锭与混合粉末同时加入中频感应电炉中，进行铝热还原。

(3) 升至一定温度并反应一段时间后浇铸出合金，取样进行合金分析。

2   实验结果与讨论

2.1   熔盐体系的选择

在金属铝直接还原Sc₂O₃的实验中，须选择一种熔盐体系，在该体系中，反应生成的A1₃O₃能很好地熔入熔盐中，并能降低A1₃O₃熔融体的比重，有利于铝钪合金沉入炉子底部，从而与空气隔绝，避免合金烧损。为此，我们拟定了以下5种熔盐体系：

对5种熔盐体系分别进行试验，结果如表 1所示。

表  1  不同熔盐体系的试验情况

下载: 导出CSV 

| 显示表格

从表 1看出，e号熔盐体系有利于Sc₂O₃的还原和Sc在铝熔体中的扩散且e组熔盐体系不粘稠，合金与盐分界清楚便于浇注。所以我们选用e组熔盐。

2.2   添加剂的选取

我们在采用e组熔盐体系的基础上，选取了一种添加剂，显著提高了Sc的收率其结果如表 2所示。

表  2  添加剂对Sc收率的影响

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.3   反应条件的确定

为节省原料，减少试验次数我们首先进行正交试验，正交试验水平如表 3所示。

表  3  因素水平表

下载: 导出CSV 

| 显示表格

根据正交试验结果，选取主要因素进行单因素展开试验，结果如表 4所列。

表  4  正交试验表

下载: 导出CSV 

| 显示表格

各因素与Sc的收率之间的关系如图 2~图 4。

图  2  Sc₂O₃浓度对Sc收率η的影响

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  3  时间对Sc收率η的影响

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  4  温度对Sc收率η的影响

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图 2可见，随着Sc₂O₃加入量的增加，Sc的收率增加，但当Sc₂O₃浓度增加到一定程度时，收率却有所下降。从极差分析可以看出在该熔盐体系中Sc₂O₃浓度是主要因素，其极差远远大于其他两因素。

从图 3可见，反应初期，随着时间的延长，铰收率呈升高的趋势，但当时间超过90min后钪收率有所下降，这是因为随着合金中含量的上升，Sc向A1中扩散及合金化阻力加大，最后当合金中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，此时再延长时间，合金中钪离子又将缓慢地向熔盐中扩散，故合金中Sc的含量又有所降低。

在该熔盐体系中，反应过程由Sc₂O₃的溶解、扩散、化学反应及合金形成等诸多步骤组成。从图 4中可以看出，当温度低时。SC₂O₃的溶解度、溶解速度以及化学反应速度、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950K时钪的收率最高，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，因此反应温度宜控制在950K左右。

综上所述，最佳还原条件为950K、时间为90min、Sc₂O₃的质量分数为3.79。

铝钪合金杂质分析结果如表 5所示。

表  5  铝铣合金的杂质分析 %

下载: 导出CSV 

| 显示表格

可见用该方法对影响铝钪合金质量的杂质Fe³⁺有净化作用。

2.4   还原过程的可能机理

一般铝热还原氧化钪的反应为：

但在该熔盐体系中加入Sc₂O₃后可能发生如下反应：

无疑，降低熔盐中A1₂O₃浓度及合金中Sc的活度是有利于反应进行的。因此，熔盐对氧化物的溶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。

2.5   具体实例

采用下列还原物料组成：铝15.45 kg，添加剂1.42 kg，NaF 0.46 kg，KCl 1.21 kg，Sc₂O₃ 0.573 kg，可得含Sc2.2%的A1-Sc合金，其收率达92%。

用该方法我们生产了一吨含铝钪(2%)合金，合金中So含量稳定在2.1%~2.2%。

3   结论

(1) 该工艺能显著提高钪的收率，Sc直收率达到90%以上，降低了铝钪合金的成本，开拓了铝钪

(2) 该工艺产品质量稳定，合金中Sc含量可稳定控制在2%左右经分析检测合金偏析少。

(3) 该工艺设备简单，投资少，工艺流程短，适于批量生产。