鎂鎳合金的製備方法與流程
2023-07-15 15:40:06
本發明涉及合金材料製備
技術領域：
，具體而言，涉及一種鎂鎳合金的製備方法。
背景技術：
：鎂合金具有眾多優異的性質諸如密度低，機械性能及化學性質優良以及可以回收利用等特色，因而被人們稱為「綠色合金」。鎂合金被廣泛應用於各種領域如汽車工業、電子產品、航空、軍事，而且其用量有大幅度增加的趨勢。鎂基鎳合金屬於鎂合金系列中的一種。傳統生產這類合金的方法為熔煉法，即共摻法：各種合金成分元素通過各自獨立的冶金流程製得後，將其熔煉獲得合金。這種方法流程長，其中的所有金屬元素必須經過各自的冶金過程及其隨後精煉得到，此過程工藝繁雜，成本高；由於其主體成分為活性金屬，熔煉生產合金過程必須有惰性氣氛或真空環境，而且金屬損耗率高，並造成環境的汙染。長期以來，人們不斷嘗試使用熔鹽電解法生產合金。熔鹽電解法製備合金又可分為電解擴散法與電解共沉積法兩種方法。電解擴散法中，最有代表性的工作為ramsharma提出的鎂合金電解擴散法，在電解液中預先添加液態鎳作為陰極，電解氧化鎂或氯化鎂，使鎂在鎳上沉積獲得鎂鎳合金，其主要思想是以相對惰性的合金金屬為陰極，在其上沉積其它元素來獲得合金。電解擴散法是一種可以有效防止合金元素燒損並可以進行準確成分控制的方法。然而，整個電解過程合金元素含量不斷增加，這自然造成不同時刻的合金成分會有很大不同，尤其是主合金成分將從零逐漸的增加到很高的濃度，當電解沉積合金元素達到了所需要量的時候，電解過程必須停止，取出合金，然後更換陰極並重複上述過程。電解過程中不能隨時得到目標成分的合金，這樣的過程不能稱作一個連續過程。電解共沉積法是利用多種金屬離子在相同電位下在陰極同時放電從而得到合金的方法。然而，現有的電解共沉積法無法做到有效控制合金中的組成，且目前尚無鎂鎳合金共沉積及成分控制的報導。技術實現要素：本發明的主要目的在於提供一種鎂鎳合金的製備方法，以解決現有技術中電解共沉積法無法實現鎂鎳合金共沉積，且無法有效控制鎂鎳合金成分的問題。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種鎂鎳合金的製備方法，其包括以下步驟：按所欲製備的鎂鎳合金中鎂和鎳的質量比配置鎂鹽和鎳鹽的混合原料；將混合原料進行熔鹽電解共沉積，期間控制混合原料中的鎂離子和鎳離子放電所需的法拉第電量與電解混合原料的電解電量的相對誤差在±15％以內，得到鎂鎳合金。進一步地，控制混合原料中的鎂離子和鎳離子放電所需的法拉第電量與電解混合原料的電解電量的相對誤差在±15％以內的步驟中，根據公式i或公式ii確定電解混合原料的電解電流和電解時間，進而得到鎂鎳合金，其中，公式i為：公式ii為：公式i和ii中，m(mg)salt為混合原料中鎂鹽的質量，m(ni)salt為混合原料中鎳鹽的質量，mmg為鎂的相對原子質量，mni為鎳的相對原子質量，m(mg)salt為鎂鹽的相對分子質量，m(ni)salt為鎳鹽的相對分子質量，i為電解電流，t為電解時間，a為100g鎂鎳合金中鎳的質量，f為法拉第常數。進一步地，以電解時間t為間隔時間，向電解爐中周期性地加入混合原料，以連續性製備鎂鎳合金。進一步地，鎂鹽為氯化鎂，鎳鹽為氯化鎳。進一步地，熔鹽電解共沉積過程中，採用的電解質包括鹼金屬熔鹽。進一步地，鹼金屬熔鹽的成分包括氯化鋰和/或氯化鈉。進一步地，電解質中還包括質量分數為8～15％的氯化鎂。進一步地，按重量百分比計，電解質包括8～15％的氯化鎂、50～70％的氯化鋰及20～40％的氯化鈉。進一步地，熔鹽電解共沉積過程中，電解溫度為700～900℃。進一步地，熔鹽電解共沉積過程中，陰極電流密度為0.5～1.5a/cm2。應用本發明的技術方案，提供了一種鎂鎳合金的製備方法，其包括以下步驟：按所欲製備的鎂鎳合金中鎂和鎳的質量比配置鎂鹽和鎳鹽的混合原料；將混合原料進行熔鹽電解共沉積，期間控制混合原料中的鎂離子和鎳離子放電所需的法拉第電量與電解混合原料的電解電量的相對誤差在±15％以內，得到鎂鎳合金。利用上述製備方法，通過熔鹽電解共沉積法，在電解期間控制鎂離子和鎳離子的放電所需的法拉第電量與電解電量匹配一致性，將二者相對誤差控制在±15％以內，能夠使鎂鎳合金製品中兩種金屬成分的含量基本與目標含量一致，從而達到有效控制合金成分的目的。且通過上述熔鹽電解共沉積法，本發明製備出了鎂鎳合金。具體實施方式需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將結合實施例來詳細說明本發明。以下結合具體實施例對本申請作進一步詳細描述，這些實施例不能理解為限制本申請所要求保護的範圍。正如
背景技術：
部分所描述的，現有技術中的電解共沉積法無法實現鎂鎳合金共沉積，且無法有效控制鎂鎳合金成分。為了解決這一問題，本發明提供了一種鎂鎳合金的製備方法，其包括以下步驟：按所欲製備的鎂鎳合金中鎂和鎳的質量比配置鎂鹽和鎳鹽的混合原料；將混合原料進行熔鹽電解共沉積，期間控制混合原料中的鎂離子和鎳離子的放電所需的法拉第電量與電解該混合原料的電解電量的相對誤差在±15％以內，得到鎂鎳合金。利用上述製備方法，通過熔鹽電解共沉積法，在電解期間控制鎂離子和鎳離子的放電所需的法拉第電量與電解混合原料的電解電量匹配一致性，將二者相對誤差控制在±15％以內，能夠使鎂鎳合金製品中兩種金屬成分的含量基本與目標含量一致，從而達到有效控制合金成分的目的。且通過上述熔鹽電解共沉積法，本發明製備出了鎂鎳合金。具體來說，相比於傳統的熔鹽電解共沉積過程，本發明中增加了控制成分的步驟。對於製備鎂鎳二元體系的合金而言，按所欲製備的鎂鎳合金中鎂和鎳的質量比配置鎂鹽和鎳鹽的混合原料，然後將混合原料投入電解爐中進行熔鹽電解共沉積。如果不控制法拉第電量與電解電量的匹配一致性，由於電解過程採用的電解質中同樣存在金屬離子，這些金屬離子極易在電解過程中一併電解析出，從而作為雜質成分破壞鎂鎳合金的二元體系。本發明正是基於這一點，提出了在熔鹽電解共沉積期間控制混合原料的鎂離子和鎳離子的放電所需的法拉第電量與電解混合原料的電解電量的相對誤差在±15％以內，這樣相當於為鎂離子和鎳離子的電解析出設置了電解電量的供應總數，從而能夠有效防止電解質中的雜質金屬離子析出，有效地控制了合金製品的鎂鎳含量，使其基本與目標含量一致。本發明提供的上述製備方法中，可以通過電解時間和電解電流來控制電解電量。在一種優選的實施方式中，控制混合原料中鎂離子和鎳離子放電所需的法拉第電量與電解上述混合原料的電解電量的相對誤差在±15％以內的步驟中，根據公式i或公式ii確定電解混合原料的電解電流和電解時間，進而得到鎂鎳合金，公式i為公式ii為公式i和ii中，m(mg)salt為混合原料中鎂鹽的質量，m(ni)salt為混合原料中鎳鹽的質量，mmg為鎂的相對原子質量，mni為鎳的相對原子質量，m(mg)salt為鎂鹽的相對分子質量，m(ni)salt為鎳鹽的相對分子質量，i為電解電流，t為電解時間(s)，a為100g鎂鎳合金中鎳的質量，f為法拉第常數(96485c/mol)。值得說明的是，上述1±0.15指的是一個範圍值，其大於等於0.85，小於等於1.15。上述a值可以通過所欲製備的目標合金中的鎳的質量比例來獲得。m(mg)salt可以通過所電解的混合原料的質量和配比獲得。這樣，通過上述式i或者式ii均可以獲知電解電流和電解時間的關係。在實際操作過程中，可以預先設定電解電流的值，就可以根據上式獲得電解時間，從而應用在實際電解共沉積過程中即可。相反，也可以預先設定電解時間，比如要求在多長時間內完成電解，就可以根據上式確定電解電流的大小。此外，也可以預設電解時間和電解電流，從而根據上式確定混合原料中鎂鹽和鎳鹽的質量。一般情況下，優選法拉第電量與電解電量的相對誤差在+15％以內，即0≤(電解電量-法拉第電量)/電解電量＜15％。利用電解時間和電解電流來控制電解電量，從而控制合金成分，使得本發明中的製備方法可以採用連續的生產工藝。在一種優選的實施方式中，以電解時間t為間隔時間，向電解爐中周期性地加入混合原料，以連續性製備鎂鎳合金。如前文所述，本發明通過電解時間和電解電流來控制電解電量，從而達到了混合原料中鎂離子和鎳離子放電所需法拉第電量與電解該混合原料的電解電量之間的匹配一致性。因此，在上述式i或式ii所示的電解時間t內，能夠恰好將該混合原料電解共沉積。在此基礎上，以電解時間t為間隔時間，向電解爐中周期性地加入上述混合原料，能夠達到連續性製備鎂鎳合金的目的。且每一個時間間隔後取出的合金，其成分均與預設值基本一致。在一種優選的實施方式中，上述鎂鹽為氯化鎂，鎳鹽為氯化鎳。相較於其他鎂鹽和鎳鹽，氯化鎂和氯化鎳具有更高的電解性能。上述熔鹽電解共沉積過程中採用的電解質可以是本領域常用的電解質，其目的是支持電解過程中的電子運動。在一種優選的實施方式中，熔鹽電解共沉積過程中，採用的電解質包括鹼金屬熔鹽。鹼金屬的活動性強於鎂和鎳，相應地，電解過程中晚於鎂離子和鎳離子。採用鹼金屬熔鹽作為電解質，結合上述電解電量控制步驟，能夠進一步防止金屬雜質進入合金中，從而更有利於二元體系合金的成分控制。更優選地，鹼金屬熔鹽的成分包括氯化鋰和/或氯化鈉。在一種優選的實施方式中，電解質中還包括質量分數為8～15％的氯化鎂。在電解質中加入8～15％的氯化鎂，能夠進一步提高熔鹽電解共沉積過程中的穩定性。值得說明的是，基於前述的成分控制步驟，電解質體系中的氯化鎂並不影響合金製品中的成分含量。更優選地，按重量百分比計，電解質包括8～15％的氯化鎂、50～70％的氯化鋰及20～40％的氯化鈉。其他電解工藝可以進行調整。在一種優選的實施方式中，熔鹽電解共沉積過程中，電解溫度為700～900℃。陰極電流密度為0.5～1.5a/cm2。該工藝條件下，電解共沉積過程更加穩定，從而有利於進一步提高鎂鎳合金製品的質量穩定性。以下通過實施例進一步說明本發明的有益效果。實施例1合金設計為mg-2wt％ni(其中ni的含量為2wt％)，按此比例配置氯化鎂和氯化鎳的混合物。預先設定電解時間(間隔時間)為30min，電解電流為直流電源2a；按公式計算得出混合原料中氯化鎂的質量，相應稱取上述混合物中的一部分為混合原料，並按此混合原料向電解爐中周期性的加料，進行連續的熔鹽電解共沉積。具體電解參數如下：電解陰極為不鏽鋼，陽極為石墨；直流電源：2a；電解質溫度900℃；陰極電流密度1a/cm2；電解質組成：氯化鎂15wt％－氯化鋰60wt％－氯化鈉25wt％。混合原料加料周期為30min。在上述工藝參數條件下，連續電解10小時後，取出合金，使用icp分析鎳含量。具體數據如下表所示：合金設計mg-2wt％ni所得合金成分mg-1.96wt％ni實施例2合金設計為mg-2wt％ni(其中ni的含量為2wt％)，按此比例配置氯化鎂和氯化鎳的混合物。預先設定電解時間(間隔時間)為30min，電解電流為直流電源2a；按公式計算得出混合原料中氯化鎂的質量，相應稱取上述混合物中的一部分為混合原料，並按此混合原料向電解爐中周期性的加料，進行連續的熔鹽電解共沉積。具體電解參數如下：電解陰極為鉬，陽極為石墨；直流電源：2a；電解質溫度700℃；陰極電流密度0.5a/cm2；電解質組成：氯化鎂8wt％－氯化鋰70wt％－氯化鈉22wt％。混合原料加料周期為30min。在上述工藝參數條件下，連續電解10小時後，取出合金，使用icp分析鎳含量。具體數據如下表所示：實施例3合金設計為mg-2wt％ni(其中ni的含量為2wt％)，按此比例配置氯化鎂和氯化鎳的混合物。預先設定電解時間(間隔時間)為30min，電解電流為直流電源2a；按公式計算得出混合原料中氯化鎂的質量，相應稱取上述混合物中的一部分為混合原料，並按此混合原料向電解爐中周期性的加料，進行連續的熔鹽電解共沉積。具體電解參數如下：電解陰極為鎢，陽極為石墨；直流電源：2a；電解質溫度950℃；陰極電流密度1.5a/cm2；電解質組成：氯化鎂10wt％－氯化鋰50wt％－氯化鈉40wt％。混合原料加料周期為30min。在上述工藝參數條件下，連續電解10小時後，取出合金，使用icp分析鎳含量。具體數據如下表所示：合金設計mg-2wt％ni所得合金成分mg-1.95wt％ni實施例4合金設計為mg-2wt％ni(其中ni的含量為2wt％)，按此比例配置氯化鎂和氯化鎳的混合物。預先設定電解時間(間隔時間)為30min，電解電流為直流電源2a；按公式計算得出混合原料中氯化鎂的質量，相應稱取上述混合物中的一部分為混合原料，並按此混合原料向電解爐中周期性的加料，進行連續的熔鹽電解共沉積。具體電解參數如下：電解陰極為鎢，陽極為石墨；直流電源：2a；電解質溫度950℃；陰極電流密度1.6a/cm2；電解質組成：氯化鎂5wt％－氯化鋰75wt％－氯化鈉20wt％。混合原料加料周期為30min。在上述工藝參數條件下，連續電解10小時後，取出合金，使用icp分析鎳含量。具體數據如下表所示：合金設計mg-2wt％ni所得合金成分mg-1.92wt％ni對比例1合金設計為mg-2wt％ni(其中ni的含量為2wt％)，按此比例配置氯化鎂和氯化鎳的混合物。預先設定電解時間(間隔時間)為30min，電解電流為直流電源2a；按公式計算得出混合原料中氯化鎂的質量，相應稱取上述混合物中的一部分為混合原料，並按此混合原料向電解爐中周期性的加料，進行連續的熔鹽電解共沉積。具體電解參數如下：電解陰極為鎢，陽極為石墨；直流電源：2a；電解質溫度950℃；陰極電流密度1.6a/cm2；電解質組成：氯化鎂5wt％－氯化鋰75wt％－氯化鈉20wt％。混合原料加料周期為30min。在上述工藝參數條件下，連續電解10小時後，取出合金，使用icp分析鎳含量。具體數據如下表所示：合金設計mg-2wt％ni所得合金成分mg-1.90wt％ni-0.04wt％li-0.03wt％na對比例2合金設計為mg-2wt％ni(其中ni的含量為2wt％)，按此比例配置氯化鎂和氯化鎳的混合物。預先設定電解時間(間隔時間)為30min，電解電流為直流電源2a；按公式計算得出混合原料中氯化鎂的質量，相應稱取上述混合物中的一部分為混合原料，並按此混合原料向電解爐中周期性的加料，進行連續的熔鹽電解共沉積。具體電解參數如下：電解陰極為鎢，陽極為石墨；直流電源：2a；電解質溫度950℃；陰極電流密度1.6a/cm2；電解質組成：氯化鎂5wt％－氯化鋰75wt％－氯化鈉20wt％。混合原料加料周期為30min。在上述工藝參數條件下，連續電解10小時後，取出合金，使用icp分析鎳含量。具體數據如下表所示：合金設計mg-2wt％ni所得合金成分mg-1.82wt％ni從以上的描述中，可以看出，本發明上述的實施例實現了如下技術效果：利用上述製備方法，通過熔鹽電解共沉積法，能夠製備出鎂鎳合金。更重要地，本發明通過在電解期間控制鎂離子和鎳離子的放電所需的法拉第電量與電解電量匹配一致性，將二者相對誤差控制在±15％以內，能夠使鎂鎳合金製品中兩種金屬成分的含量基本與目標含量一致，從而達到有效控制合金成分的目的。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12