熔盐电解制备Mg-Zr和Mg-Zn-Zr合金工艺及阴极过程研究

锆是镁合金中的主要合金化元素之一,其在镁合金中有着强烈的品粒细化作用。传统的制备含锆镁合金的方法有对掺法和热还原法等,由于金属锆的熔点很高且在镁合金中溶解度较小,致使含锆的镁合金制备存在工艺操作比较复杂,生产成本较高等弊端。本课题以金属化合物为原料采用熔盐电解的方法在低温条件下直接制备镁锆合金和镁锌锆合金,并研究了镁锆合金和镁锌锆合金的电化学形成过程及锆离子在实验体系下的电化学还原机理。首先,采用循环伏安法和方波伏安法等电化学方法研究了在MgCl2-KCl-K2ZrF6熔盐体系中Zr(Ⅳ)离子在钼电极上的电化学还原过程。循环伏安实验结果表明Zr(Ⅳ)离子的还原过程是通过两步电子转移反应完成的。为了进一步研究Zr(Ⅳ)离子的电子转移过程,通过方波伏安法对电子转移数的计算,证明其电化学反应历程是：Zr(Ⅳ)+ 2e→Zr(Ⅱ)；Zr(Ⅱ)+2e→Zr.在上述熔盐体系中添加Zr02的循环伏安曲线表明在熔盐电解过程中添加Zr02促进Zr(Ⅳ)离子的还原过程。在MgCl2-KCl-KF-K2ZrF6-ZrO2熔盐体系中制备镁锆合金,通过对原料配比、电流密度和电解温度等电解工艺参数的研究,确定了采用熔盐电解法制备镁锆合金的较佳工艺条件。在较佳工艺条件下可得到锆的质量含量为0.8%的Mg-Zr合金。XRD分析结果表明合金中含有Mg相和Zr相。通过扫描电镜及EDS能谱分析可以看出锆元素在合金内部多以单质锆的形式存在,这与XRD的分析结果相一致,面扫描显示合金内部化学成分均匀。从合金的金相照片可以看出锆对镁合金的晶粒细化作用明显,品粒大小由100～2001μm细化到10～501μm。其次,采用循环伏安法和计时电流法研究在低温熔融MgCl2-KCl熔盐体系中Mg2+、Zr(Ⅳ)和Zn2+离子在钼电极上的电化学还原过程。循环伏安法实验结果表明Mg2+、Zr(Ⅳ)和Zn2+离子在钼电极上的析出电位分别为：1.8V、1.3V和0.7V。通过计时电流法进一步证实了上述循环伏安的实验结果。在MgCl2-KCl-KF-ZnCl2-K2ZrF6-ZrO2熔盐体系中制备镁锌锆合金,通过对电流密度和电解温度等电解工艺参数的研究,确定了熔盐电解法制备镁锌锆合金的较佳工艺条件。XRD分析结果表明合金中含有Mg相、Mg7Zn3相和Zr相。EDS分析表明Mg7Zn3合金化合物和单质锆在合金中均分布在晶界处。面扫描可以看出合金内部化学成分均匀。