Труды КНЦ вып.5 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 5/2015(31))

Большая часть производимого алюминия используется в электротехнике и автомобилестроении. С быстрыми темпами развития передовых технологий (Hi-Tech), роботостроения, автомобилестроения и аэрокосмической промышленности возрос спрос на алюминиевые сплавы. Интерес к ним обусловлен тем, что уже незначительная добавка некоторых элементов в алюминий модифицирует его структуру и улучшает технологические свойства. Например, уже 0.2 мас. % скандия в алюминий приводит к улучшению прочности, свариваемости, устойчивости к рекристаллизации и коррозионной стойкости [1, 2]. Стоимость производимого в настоящее время лигатурного алюмо-скандиевого (Al-Sc) сплава путем алюмотермического восстановления фторида скандия [3] высока по причине дополнительных затрат на производство и транспортировку алюминия и фторида скандия. В настоящее время во всем мире активно ведутся исследования, направленные на разработку альтернативного способа получения Al-Sc лигатурных сплавов при электролизе традиционного криолит- глиноземного расплава [4-7] или электролита на основе системы KF-AlF 3 [ 8 ] с добавкой Sc 2 O3. Преимуществом обеих технологий является возможность использования более дешевого Sc 2 O 3 либо обогащенного по Sc 2 O 3 красного шлама [9]. Исследуемые технологии представляют интерес, однако они обладают значительными недостатками. Так, сплавы Al-Sc с равномерным содержанием скандия в алюминии в расплавах на основе KF-AlF 3 при 750°С получают с применением ультразвукового перемешивания [ 8 ]. В свою очередь, в традиционном криолит-глиноземном расплаве при температуре от 960°С сплавы Al-Sc с высоким содержанием скандия получают при повышении катодной плотности тока до 2-3 А/см 2 [4]. Таким образом, можно заключить, что поиск альтернативных расплавов для получения сплавов Al-Sc остается актуальным. В частности, таким расплавом может служить система KF-NaF-AlF 3 с высокой растворимостью Al 2 O 3 и пониженной температурой плавления, которая была рекомендована в качестве альтернативного электролита для производства алюминия [ 1 0 , 1 1 ]. Цель данной работы - исследовать влияние параметров синтеза сплавов и лигатур Al-Sc в оксидно- фторидных расплавах KF-AlF3, NaF-AlF 3 и KF-NaF-AlF 3 с добавками Sc 2 O 3 и Al 2 O 3 в широком интервале температур от 750 до 980°С на содержание, форму и распределение скандия в алюминии. Эксперимент Расплавы готовили путем плавления смеси индивидуальных солей (ОАО «Вектон»): KF (рекристализованный из KF*HF), NaF, AlF 3 (ХЧ) и оксидов (Ачинский глиноземный комбинат, ОК «РУСАЛ»): Al 2 O3, Sc 2 O3. Для удаления электроположительных по отношению к алюминию примесей, готовый расплав подвергали потенциостатическому электролизу при 1.2 В между графитовым катодом и газовым электродом сравнения CO/CO 2 [12] в течение 2 ч. Синтез сплавов Al-Sc проводили в тиглях из корунда и графита на воздухе. При электролизе использовали графитовый анод и жидкометаллический алюминиевый катод, размещенный на дне тигля. Токоподвод к катоду, выполненный из графита, одновременно являлся механической мешалкой. Электролитически сплавы Al-Sc получали в гальваностатическом режиме при катодных плотностях тока до 1 А/см2, используя источник постоянного тока PSW7 30-72 (GW Instek, Taiwan). По окончании синтеза расплав сливали в графитовую изложницу, а сплав - в чугунную. Элементный состав полученных сплавов определяли химическим методом с применением оптического эмиссионного спектрометра iCAP 6300 Duo «Thermo scientific». Структуру и распределение скандия в получаемых сплавах анализировали на сканирующем электронном микроскопе JMS-5900LV с микроанализатором INCA Energy 200 и энергодисперсионным микроанализатором INCA Wave 250 (JEOL, UK) (SEM- и EDX-анализы). Результаты и обсуждение В результате проведения серий экспериментов в разных расплавах было показано, что независимо от расплава и температуры наибольшее влияние на содержание скандия в полученных Al-Sc-сплавах оказывает заданное содержание Sc 2 O 3 в расплавах (рис. 1). При этом понижение температуры и переход от расплава NaF-AlF 3 к расплаву KF-AlF 3 приводит к повышению степени извлечения скандия в алюминий по суммарной алюмотермической реакции (рис. 2 ): 2Al + Sc 2 O 3 = 2Sc + Al 2 O 3 . (1) Введение Задано мас. % Sc 2 O 3 в расплаве катодная плотность тока А/см2 длительность синтеза, мин Рис.1. Влияние заданного содержания Sc 2 O 3 в расплаве, катодной плотности тока и длительности синтеза на содержание скандия в Al-Sc-сплавах, полученных в расплавах KF-AlF 3 (□), KF-NaF-AlF 3 (А) и NaF-AlF 3 (о) при 750, 820 и 980°С соответственно 282