熔盐电解制备Mg--Sm中间合金的研究

摘要

镁合金具有减轻结构质量、提高器件机动性、降低燃料消耗量等特点，在汽车、国防、航空航天等领域具有更广阔的应用前景。稀土元素在镁基中固溶度高，能形成有效强化相，可以提高镁合金的强度，增强合金的耐蚀性和抗蠕变性，与La、Ce、Pr、Nd等稀土元素相比，Sm元素在相对含量较低时即具有更好的强化效果。与镁稀土合金的传统制备工艺对掺法相比，熔盐电解法具有工艺简单、能耗低、合金成分均匀、氧化物夹杂少等优点，为此本文开展了熔盐电解法制备Mg-Sm合金的研究。 采用循环伏安法、方波伏安法等电化学测试技术，研究了NaCl-KCl-SmCl3熔体在钼电极及液态镁电极上的电化学行为;探究了电解温度、电解时间与SmCl3的含量对金属钐在NaCl-KCl-SmCl3熔体中溶解损失的影响规律;以石墨作阳极、液态镁作阴极、刚玉坩埚作电解槽，采用恒流电解制备了Mg-Sm合金，研究了电流密度、电解时间、电解温度和SmCl3含量对NaCl-KCl-SmCl3熔体中电解制备Mg-Sm合金电流效率的影响，并采用ICP、XRD、SEM等检测方法，对合金成分、物相、形貌进行了分析。 研究结果表明，在730℃的NaCl-KCl-SmCl3熔体中，采用钼作为研究电极时，电极表面只发生一个电子转移的反应Sm(Ⅲ)+e→Sm(Ⅱ)，即Sm(Ⅲ)/Sm(Ⅱ)可逆的氧化还原反应，无金属钐生成;当采用活性液态镁阴极时，Sm(Ⅲ)在电极表面发生了分布电离，xMg+Sm(Ⅱ)+2e→MgxSm欠电位还原反应，生成了Mg-Sm合金，ⅪRD结果表明电解产物是Mg41Sm5合金相。 金属钐在NaCl-KCl-SmCl3熔体中的溶解损失既有物理溶解也有化学溶解，90min后达到溶解平衡。溶解损失量随着温度升高、溶解的时间延长及SmCl3浓度的增加都呈现增大的趋势。影响溶解损失的主次因素依次为时间、SmCl3的含量、溶解温度。 在NaCl-KCl-SmCl3熔体中恒流电解制备Mg-Sm合金，电流密度、电解时间、电解温度和SmCl3浓度对电流效率的影响都是随着各因素的增加呈现先升高后降低的趋势。而合金中金属钐的含量随着电流密度、SmCl3浓度和电解温度增加呈现先升高后降低的趋势，而随电解时间的延长呈现一直增加的趋势。 在NaCl-KCl-SmCl3熔体中恒流电解制备Mg-Sm合金的适宜条件为:电解温度750℃、电流密度1A/cm2、SmCl3含量25wt％、电解时间1h。此条件制备得到的Mg-Sm合金电流效率达到44.3％，其中Sm的含量为28.6wt％。XRD和SEM结果表明，钐元素主要以Mg41Sm5合金相的形式存在，呈现网状分布;在富镁区域，钐元素以固溶体形式存在于镁基中。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1熔盐和熔盐电解

1．1．1熔盐简介

1．1．2熔盐电解法

1．2金属镁及镁合金概述

1．2．1镁资源

1．2．2镁的性质及应用

1．2．3镁合金的性质

1．2．4稀土元素在镁合金中的作用

1．2．5镁稀土合金的应用

1．3金属钐及镁钐合金

1．3．1金属钐的性质

1．3．2金属钐的制备

1．3．3镁钐合金的研究现状

1．3．4镁钐合金的制备方法

1．4熔盐电解制备镁稀土合金

1．4．1氯化物体系中稀土金属溶解损失的研究

1．4．2熔盐电化学的研究

1．4．3熔盐电解法制备镁稀土合金

1．5研究内容及意义

1．5．1研究内容

1．5．2研究意义

2．1试剂及仪器

2．2电解质及实验装置

2．2．1电解质选择

2．2．2无水氯化钐的制备

2．2．3电解槽结构

2．2．4电极准备

2．2．5热电偶校正

2．2．6 Mg-Sm合金研究路线图

2．3电化学实验测试方法

2．3．1循环伏安分析法

2．3．2方波伏安分析法

2．3．3电化学工作站

2．4电解样品分析

2．4．1电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)

2．5本章小结

第3章NaCl-KCl-SmCl3熔体中阴极行为的研究

3．1．2 NaCl-KCl-SmCl3熔体中在钼电极上的循环伏安测试

3．1．3方波伏安测试

3．1．4 Sm(Ⅲ)／Sm(Ⅱ)的电化学反应可逆性研究

3．2 NaCl-KCl-SmCl3熔体中Sm(Ⅲ)在镁电极上的阴极行为

3．2．1在镁电极上的循环伏安测试

3．2．2在镁电极上SmCl3不同含量的循环伏安测试

3．2．3 NaCl-KCl-SmCl3熔体中在镁电极上方波伏安测试

3．3本章小结

第4章金属钐在熔体中溶解损失的研究

4．1熔融电解质中金属溶解度测定方法

4．2金属钐的溶解损失

4．2．1实验装置图

4．2．2实验过程

4．3溶解损失影响因素的探究

4．3．1时间对金属钐的溶解损失的影响

4．3．2温度对金属钐溶解损失的影响

4．3．3 SmCl3浓度对金属钐溶解损失的影响

4．4溶解损失正交实验

4．5本章小结

第5章恒流电解制备Mg-Sm中间合金

5．1电流效率的计算

5．1．1电化学当量

5．1．2电解电流效率

5．2电解参数的探究

5．2．1电流密度对电解过程的影响

5．2．2电解时间对电解过程的影响

5．2．3电解温度对电解过程的影响

5．2．4 SmCl3含量对电解过程的影响

5．3熔盐电解制备镁钐合金综合实验

5．4本章小结

第6章结论

参考文献

致谢