从物质Ｘ和金属或者半金属Ｍ１的固体化合物Ｍ１Ｘ中去除该物质的方法技术

本发明专利技术提供一种从物质Ｘ和金属或者半金属Ｍ↑［１］的固体化合物Ｍ↑［１］Ｘ中去除该物质Ｘ的方法，包括以下步骤：设置包含该固体化合物的阴极与包含熔盐的电解质Ｍ↑［２］Ｙ接触，所述固体化合物是绝缘体；设置阳极与该电解质接触；和在阴极和阳极之间施加电压，使所述物质溶解在电解质中。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及将固体金属、金属化合物和半金属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，所述方法涉及自金属氧化物或其它化合物中直接制备金属。
技术介绍
许多金属和半金属都会形成氧化物，而且某些金属或半金属中的氧的溶解度很大。许多情形下，氧是有害的，因此，在金属的机械或电性能能够加以充分开发之前，需要将氧的含量降低或去除。例如，钛、锆和铪均是反应性极高的元素，当暴露在含氧环境中时，即使在室温下，也会快速形成氧化物层。这一钝化现象的发生是这些元素在氧化性条件下具有优异耐腐蚀性的基础。然而，这种高反应性会附带产生支配这些金属的提取和处理过程的缺点。除了按通常方式在高温下氧化形成氧化皮之外，钛以及其它元素中氧及其它类金属(例如碳和氮)的溶解度很高，因此会导致韧性的严重下降。钛以及其它IVA族元素的这种高反应性使其能够在高温下与难熔材料如氧化物、碳化物等发生反应，从而再使基体金属受到污染和脆化。这一性质对于相关金属的工业提取、熔化和处理极其有害。典型地，通过在存在还原试剂(还原剂)的条件下加热氧化物来进行金属自金属氧化物中的提取。还原剂的选择通过对氧化物和还原剂进行热力学比较来确定，具体地是由还原反应中的自由能平衡决定。这种平衡必须为负值，以提供进行还原所需的驱动力。反应动力学主要受还原进行的温度以及，另外受所涉及组元的化学活性影响。后者通常是一个决定过程的效率和反应完成程度的重要因素。例如，经常发现，虽然该反应从理论上讲应完全进行，但由于有关组元的活性不断下降，而使得反应动力学显著变慢。当氧化物为原材料时，会导致氧(或者可能涉及到的其它元素)的残存，这可能对还原的金属的性能有害，例如使韧性下降等。这样，为获得高质量的金属，通常需要进一步处理，以精炼金属和去除最终的残存杂质。由于IVA族元素的反应性很高，以及残存杂质的有害作用很严重，因此，这些元素的提取不是像通常那样由氧化物进行，而是经过初步的氯化处理后，通过对氯化物进行还原来进行。镁或钠经常被用作还原剂。这样，就能够避免残存氧的有害作用。然而，这不可避免会使得处理成本更高，结果使得最终的金属更昂贵，从而使其应用以及对于潜在用户的价值受到限制。尽管使用了上述处理方法，但仍会发生氧的污染。例如，在进行高温处理过程中，会在更常规的氧化皮下面形成一个富氧材料的硬层。在钛合金中，由于氧对α-β合金中的α相有稳定作用，故该硬层通常被称作“α表层”。如果该层未被去除，则随后在室温进行的处理会导致在硬且较脆的表面层上萌生裂纹。然后，这些裂纹就扩展至位于α表层下的金属体内。如果在对金属进行进一步处理之前，或者在产品使用之前，未将所述硬α表层或开裂的表面去除，将会导致性能，特别是疲劳性能的严重下降。在还原性气氛中进行热处理作为克服这一问题的手段并不可行，原因是氢会使IVA族金属脆化，而且氧化物或“溶解氧”均不会减少或消除。解决这一问题的商业成本相当高。实际上，例如，热加工后通常金属的清洗过程为首先采用机械研磨、喷砂，或者使用熔盐将所述氧化皮去除，之后，通常在HNO3/HF的混合液中进行酸洗，以便将氧化皮下的金属富氧层去除。从金属产量的损失、各种消费上看这些处理工序代价昂贵，而且污水处理的花费也不少。为将氧化皮去除并且降低去除氧化皮所需的成本，热加工在实际可实现的低温度下进行。这实质上由于较低温度下材料的可加工性下降，造成了设备生产率的下降以及设备负荷的增加。所有这些因素都加大了处理成本。另外，从可导致严重脆性问题的金属的氢污染上看，或者从表面光洁度和尺寸控制的角度考虑，酸洗不总是容易控制的。后面的这一问题在细薄材料如薄板、细线等的生产中尤为重要。因此，很显然，不需采用上述的磨削和酸洗，就能从金属上将氧化物层去除，而且，附加地，也能将所述亚表面α表层中的溶解氧去除的方法对于金属的加工，包括金属提取具有显著的技术和经济意义。这样一种方法对于纯化处理，或者加工的辅助步骤也有好处。例如，在α表层的机械去除期间或者加工成最终尺寸过程中产生的废切屑难于进行循环利用，原因在于这些切屑中的氧含量高，硬度也高，而且，会对将循环利用切屑的金属的化学组成和硬度增加有影响。如果已在高温下使用并且已经氧化或被氧污染的材料通过一种简单处理就会复原，则会产生甚至更为显著的优点。例如，由于α表层较深，并且存在表面裂纹萌生和扩展至叶盘体内，导致早期失效发生的危险，因此，由钛合金制造的航空发动机压缩机叶片或叶轮的寿命在一定程度受到限制。在这种情形下，酸洗和磨削均不可能采用，因为尺寸减小是不允许的，特别是在复杂形状条件下，例如对于叶片或压缩机叶盘而言，能降低溶解的氧含量但又不影响总体尺寸的技术具有明显且又非常重要的经济意义。由于温度对热力学效率影响显著，如果这将使得叶盘不仅能在相同温度下工作更长时间，而且也能够在使航空发动机的燃料效率更高时的更高温度下运行，则这些优点是复合性的。除钛以外，另一个具有工业价值的金属是锗，这是一种位于元素周期表中IVA族中的半导性类金属元素。它以高纯状态用于红外光学和电子学领域。氧、磷、砷、锑以及其它类金属是锗中的典型杂质元素，须仔细控制以确保其具有充分性能。硅是一种类似的半导体，其电学性能与其纯净度密切相关。母体硅或锗的可控纯度作为保证与可重现的基础相当重要，正是在此基础上，才在计算机芯片等上建立起所要求的电学性能。美国专利5,211,775公开了用于对钛进行脱氧的钙金属的使用。Okabe，Oishi和Ono(Met.Trans B.23B(1992)583)已使用一种钙-铝合金对钛铝化物进行脱氧。Okabe，Nakamura，Oishi以及Ono(Met.Trans B.24B(1993)449)曾通过由氯化钙熔体电化学制备的钙来对钛表面的钛进行脱氧处理。Okabe，Devra，Oishi，Ono以及Sadoway(Journal of Alloys and Compounds237(1996)150)曾采用类似方法对钇进行了脱氧。Ward等(Journal of the Institute of Metals(1961)906-12)介绍了一种在精炼过程中将熔融铜中的各种污染元素加以去除的电解处理方法。所述熔融铜在电解槽中处理使用氯化钡作为电解质。该试验表明采用该方法可将硫去除。然而，氧的去除却不那么确定，而且，该作者认为发生了氧的自发非电解丧失，这可能会掩盖该方法去除氧的程度。另外，所述方法要求金属处于熔化态，从而加大了精炼过程的总成本。因此，该方法不适合用于在1660℃熔化且其熔体的反应性极高的金属如钛。
技术实现思路
根据本专利技术，通过在M2Y熔体中进行电解来将物质(X)从固体金属或半金属化合物(M1X)中去除的方法，包括在特定条件下进行电解，以使在电极表面发生的是X的反应而不是M2的沉积，而且X在电解质M2Y中溶解。根据本专利技术的一个实施方案，M1X是导体并作为阴极使用。另一种方法是，M1X可以是与导体接触的绝缘体。在另外一个实施方案中，电解产物(M2X)比M1X更稳定。在一个优选的实施方案中，M2可以是Ca，Ba，Li，Cs或Sr中之任何一种，Y是Cl。优选地，M1X是M1基体上的表面覆层。在另外一个优选的实施方案中，X溶解在M1中。在又一个优选的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过在Ｍ↑［２］Ｙ的熔盐或者各种盐的混合物中进行电解来从固体金属、金属化合物或者半金属化合物（Ｍ↑［１］Ｘ）中去除物质（Ｘ）的方法，包括在适当条件下进行该电解，以便使在电极表面发生的是Ｘ的反应而不是Ｍ↑［２］的沉积，并且，Ｘ溶解在电解质Ｍ↑［２］Ｙ中。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：DJ弗雷，TW法辛，陈政，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]