從物質X和金屬或者半金屬M 的固體化合物M X中去除該物質的方法技術

一種通過在Ｍ↑［２］Ｙ的熔體中進行電解來將物質（Ｘ）從固體金屬或半金屬化合物（Ｍ↑［１］Ｘ）中去除的方法，包括在適當條件下進行電解，以便使在電極表面發生的是Ｘ的反應，而不是Ｍ↑［２］的沉積，以及Ｘ溶解在電解質Ｍ↑［２］Ｙ中。物質Ｘ或者從表面（即，Ｍ↑［１］Ｘ）中去除，或者借助擴散從所涉及的材料中提取出。選擇熔鹽的溫度低于金屬Ｍ↑［１］的熔點。選擇電勢低于電解質的分解電勢。（*該技術在2019年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及將固體金屬、金屬化合物和半金屬化合物以及合金中的溶解氧或其它元素含量降低的方法。此外，所述方法涉及自金屬氧化物或其它化合物中直接制備金屬。
技術介紹
許多金屬和半金屬都會形成氧化物，而且某些金屬或半金屬中的氧的溶解度很大。許多情形下，氧是有害的，因此，在金屬的機械或電性能能夠加以充分開發之前，需要將氧的含量降低或去除。例如，鈦、鋯和鉿均是反應性極高的元素，當暴露在含氧環境中時，即使在室溫下，也會快速形成氧化物層。這一鈍化現象的發生是這些元素在氧化性條件下具有優異耐腐蝕性的基礎。然而，這種高反應性會附帶產生支配這些金屬的提取和處理過程的缺點。除了按通常方式在高溫下氧化形成氧化皮之外，鈦以及其它元素中氧及其它類金屬(例如碳和氮)的溶解度很高，因此會導致韌性的嚴重下降。鈦以及其它ⅣA族元素的這種高反應性使其能夠在高溫下與難熔材料如氧化物、碳化物等發生反應，從而再使基體金屬受到污染和脆化。這一性質對于相關金屬的工業提取、熔化和處理極其有害。典型地，通過在存在還原試劑(還原劑)的條件下加熱氧化物來進行金屬自金屬氧化物中的提取。還原劑的選擇通過對氧化物和還原劑進行熱力學比較來確定，具體地是由還原反應中的自由能平衡決定。這種平衡必須為負值，以提供進行還原所需的驅動力。反應動力學主要受還原進行的溫度以及，另外受所涉及組元的化學活性影響。后者通常是一個決定過程的效率和反應完成程度的重要因素。例如，經常發現，雖然該反應從理論上講應完全進行，但由于有關組元的活性不斷下降，而使得反應動力學顯著變慢。當氧化物為原材料時，會導致氧(或者可能涉及到的其它元素)的殘存，這可能對還原的金屬的性能有害，例如使韌性下降等。這樣，為獲得高質量的金屬，通常需要進一步處理，以精煉金屬和去除最終的殘存雜質。由于ⅣA族元素的反應性很高，以及殘存雜質的有害作用很嚴重，因此，這些元素的提取不是像通常那樣由氧化物進行，而是經過初步的氯化處理后，通過對氯化物進行還原來進行。鎂或鈉經常被用作還原劑。這樣，就能夠避免殘存氧的有害作用。然而，這不可避免會使得處理成本更高，結果使得最終的金屬更昂貴，從而使其應用以及對于潛在用戶的價值受到限制。盡管使用了上述處理方法，但仍會發生氧的污染。例如，在進行高溫處理過程中，會在更常規的氧化皮下面形成一個富氧材料的硬層。在鈦合金中，由于氧對α-β合金中的α相有穩定作用，故該硬層通常被稱作“α表層”。如果該層未被去除，則隨后在室溫進行的處理會導致在硬且較脆的表面層上萌生裂紋。然后，這些裂紋就擴展至位于α表層下的金屬體內。如果在對金屬進行進一步處理之前，或者在產品使用之前，未將所述硬α表層或開裂的表面去除，將會導致性能，特別是疲勞性能的嚴重下降。在還原性氣氛中進行熱處理作為克服這一問題的手段并不可行，原因是氫會使ⅣA族金屬脆化，而且氧化物或“溶解氧”均不會減少或消除。解決這一問題的商業成本相當高。實際上，例如，熱加工后通常金屬的清洗過程為首先采用機械研磨、噴砂，或者使用熔鹽將所述氧化皮去除，之后，通常在HNO3/HF的混合液中進行酸洗，以便將氧化皮下的金屬富氧層去除。從金屬產量的損失、各種消費上看這些處理工序代價昂貴，而且污水處理的花費也不少。為將氧化皮去除并且降低去除氧化皮所需的成本，熱加工在實際可實現的低溫度下進行。這實質上由于較低溫度下材料的可加工性下降，造成了設備生產率的下降以及設備負荷的增加。所有這些因素都加大了處理成本。另外，從可導致嚴重脆性問題的金屬的氫污染上看，或者從表面光潔度和尺寸控制的角度考慮，酸洗不總是容易控制的。后面的這一問題在細薄材料如薄板、細線等的生產中尤為重要。因此，很顯然，不需采用上述的磨削和酸洗，就能從金屬上將氧化物層去除，而且，附加地，也能將所述亞表面α表層中的溶解氧去除的方法對于金屬的加工，包括金屬提取具有顯著的技術和經濟意義。這樣一種方法對于純化處理，或者加工的輔助步驟也有好處。例如，在α表層的機械去除期間或者加工成最終尺寸過程中產生的廢切屑難于進行循環利用，原因在于這些切屑中的氧含量高，硬度也高，而且，會對將循環利用切屑的金屬的化學組成和硬度增加有影響。如果已在高溫下使用并且已經氧化或被氧污染的材料通過一種簡單處理就會復原，則會產生甚至更為顯著的優點。例如，由于α表層較深，并且存在表面裂紋萌生和擴展至葉盤體內，導致早期失效發生的危險，因此，由鈦合金制造的航空發動機壓縮機葉片或葉輪的壽命在一定程度受到限制。在這種情形下，酸洗和磨削均不可能采用，因為尺寸減小是不允許的，特別是在復雜形狀條件下，例如對于葉片或壓縮機葉盤而言，能降低溶解的氧含量但又不影響總體尺寸的技術具有明顯且又非常重要的經濟意義。由于溫度對熱力學效率影響顯著，如果這將使得葉盤不僅能在相同溫度下工作更長時間，而且也能夠在使航空發動機的燃料效率更高時的更高溫度下運行，則這些優點是復合性的。除鈦以外，另一個具有工業價值的金屬是鍺，這是一種位于元素周期表中ⅣA族中的半導性類金屬元素。它以高純狀態用于紅外光學和電子學領域。氧、磷、砷、銻以及其它類金屬是鍺中的典型雜質元素，須仔細控制以確保其具有充分性能。硅是一種類似的半導體，其電學性能與其純凈度密切相關。母體硅或鍺的可控純度作為保證與可重現的基礎相當重要，正是在此基礎上，才在計算機芯片等上建立起所要求的電學性能。美國專利5,211,775公開了用于對鈦進行脫氧的鈣金屬的使用。Okabe,Oishi和Ono(Met.Trans B.23B(1992):583)已使用一種鈣-鋁合金對鈦鋁化物進行脫氧。Okabe,Nakamura,Oishi以及Ono(Met.Trans B.24B(1993):449)曾通過由氯化鈣熔體電化學制備的鈣來對鈦表面的鈦進行脫氧處理。Okabe,Devra,Oishi,Ono以及Sadoway(Journal of Alloys and Compounds 237(1996):150)曾采用類似方法對釔進行了脫氧。Ward等(Journal of the Institute of Metals(1961)90:6-12)介紹了一種在精煉過程中將熔融銅中的各種污染元素加以去除的電解處理方法。所述熔融銅在電解槽中處理使用氯化鋇作為電解質。該試驗表明采用該方法可將硫去除。然而，氧的去除卻不那么確定，而且，該作者認為發生了氧的自發非電解喪失，這可能會掩蓋該方法去除氧的程度。另外，所述方法要求金屬處于熔化態，從而加大了精煉過程的總成本。因此，該方法不適合用于在1660℃熔化且其熔體的反應性極高的金屬如鈦。專利技術簡述根據本專利技術，通過在M2Y熔體中進行電解來將物質(X)從固體金屬或半金屬化合物(M1X)中去除的方法，包括在特定條件下進行電解，以使在電極表面發生的是X的反應而不是M2的沉積，而且X在電解質M2Y中溶解。根據本專利技術的一個實施方案，M1X是導體并作為陰極使用。另一種方法是，M1X可以是與導體接觸的絕緣體。在另外一個實施方案中，電解產物(M2X)比M1X更穩定。在一個優選的實施方案中，M2可以是Ca,Ba,Li,Cs或Sr中之任何一種，Y是Cl。優選地，M1X是M1基體上的表面覆層。在另外一個優選的實施方案中，X溶解在M1中。在又一個優選的實施本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種通過在Ｍ↑［２］Ｙ的熔鹽或者各種鹽的混合物中進行電解來從固體金屬、金屬化合物或者半金屬化合物（Ｍ↑［１］Ｘ）中去除物質（Ｘ）的方法，包括在適當條件下進行該電解，以便使在電極表面發生的是Ｘ的反應而不是Ｍ↑［２］的沉積，并且，Ｘ溶解在電解質Ｍ↑［２］Ｙ中。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：DJ弗雷，TW法辛，陳政，
申請(專利權)人：劍橋大學技術服務有限公司，
類型：發明
國別省市：GB[英國]