(57)【要約】本発明は、アルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造方法に関する。本方法は、（ａ）ＳｃＦ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第１の部分と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第１の部分とを含む電解質浴を用意するステップと、（ｂ）電解質浴と電気的に接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、（ｃ）電解質浴と電気的に接触するアノードを用意するステップと、（ｄ）電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第１の部分を添加するステップと、（ｅ）アルミニウムイオンをカソードと反応させるステップと、（ｆ）カソードに電流を印加し、それにより、スカンジウムイオンをカソードと反応させてＡｌ−Ｓｃ合金を製造するステップと、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造方法であって、
（ａ）ＳｃＦ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第１の部分と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第１の部分とを含む電解質浴を用意するステップと、
（ｂ）前記電解質浴と電気的に接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、
（ｃ）前記電解質浴と電気的に接触するアノードを用意するステップと、
（ｄ）前記電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第１の部分を添加するステップと、
（ｅ）アルミニウムイオンを前記カソードと反応させるステップと、
（ｆ）前記カソードに電流を印加し、それにより、スカンジウムイオンを前記カソードと反応させてＡｌ−Ｓｃ合金を製造するステップと、を含み、
前記スカンジウムイオンを前記カソードと反応させた後、
前記電解質浴は、ＳｃＦ３、ＡｌＦ３、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つを含み、
前記カソードは、アルミニウム及びスカンジウムを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記Ａｌ−Ｓｃ合金は、５〜１２重量％のスカンジウムを含有することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、
前記Ａｌ−Ｓｃ合金は、８〜１２重量％のスカンジウムを含有することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の方法であって、
前記カソードにおける前記アルミニウム及び前記スカンジウムの少なくとも一部が液体であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の方法であって、
前記カソードに印加される前記電流は、０．２〜１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度を有することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法であって、
前記カソードに印加する前記電流を制御することによって、前記スカンジウムイオンと前記アルミニウムイオンとのモル比を、０：１〜２：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の方法であって、
前記カソードに印加する前記電流を制御するか、または、前記電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第２の部分を添加することによって、酸素イオンとフッ化物イオンとのモル比を、１：２０〜１：２５０の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の方法であって、
前記電解質浴にＬｉＦの第２の部分を添加することによって、リチウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜４：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の方法であって、
前記電解質浴にＮａＦの第２の部分を添加することによって、ナトリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の方法であって、
前記電解質浴にＫＦの第２の部分を添加することによって、カリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜６のいずれかに記載の方法であって、
前記電解質浴に、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、
Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７〜３８重量％のＳｃＦ３、１５〜２８重量％のＡｌＦ３、４３〜５５重量％のＮａＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、
Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２〜４５重量％のＳｃＦ３、１８〜３３重量％のＡｌＦ３、３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の方法であって、
Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４〜３２重量％のＳｃＦ３、１２〜２４重量％のＡｌＦ３、５１〜６３重量％のＫＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１〜６のいずれか記載の方法であって、
前記電解質浴に、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７〜３８重量％のＳｃＦ３、１５〜２８重量％のＡｌＦ３、４３〜５５重量％のＮａＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２〜４５重量％のＳｃＦ３、１８〜３３重量％のＡｌＦ３、３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、
Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４〜３２重量％のＳｃＦ３、１２〜２４重量％のＡｌＦ３、５１〜６３重量％のＫＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年３月１５日出願の「アルミニウム−スカンジウム合金の製造方法」なる標題の米国特許仮出願第６２／６４３、３０１号に基づく優先権を主張するものである。上記出願の開示内容の全体は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
本明細書に引用されたすべての刊行物、特許出願、特許、及び他の文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書に引用された特許文献及び科学文献は、当業者に利用可能な知識を確立する。本明細書で引用された発行済みの特許、出願、及び他の刊行物は、それぞれが参照により組み込まれることを具体的かつ個別に示されると同じ程度で、参照により本明細書に組み込まれる。矛盾が存在する場合、本開示が優先する。
【０００３】
（技術分野）
本発明の実施形態は、アルミニウム−スカンジウム合金（Ａｌ−Ｓｃ）の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
スカンジウム（Ｓｃ）は、合金添加物１モル当たりの、アルミニウム合金のための好ましい強化剤の１つである。スカンジウム−アルミニウム（Ａｌ３Ｓｃ）コヒーレント析出物は非常に微細であり、高温で安定的であるので、これらの合金は、例えば３Ｄ印刷などにおける溶接または焼結に適している。例えば、スカルマロイ（Ｓｃａｌｍａｌｌｏｙ）（登録商標）は、ＡＰＷｏｒｋｓ社製のスカンジウム−マグネシウム−アルミニウム合金であり、代表的な粉末合金であるＡｌＳｉ１０Ｍｇ（ＡｌＳｉ１０Ｍｇ  ＥＯＳデータシート；参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）の降伏応力の２倍である約５２５ＭＰａの降伏応力を有する（ＭａｔＷｅｂ上のＲＳＰＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＲＳＡ−５０１；参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。１．９４×１０５ｍ２／ｓ２での焼結スカルマロイ（登録商標）粉末の比強度（σｙ／ρ）は、焼結Ｔｉ−６−４粉末の比強度と比べて２０％高くあり得る（Ｇｌｏｂａｌ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ  Ｉｎｃ社のＴｉ−６−４データシート；参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。スカルマロイ（登録商標）の比剛性（Ｅ／ρ）及び比曲げ剛性（Ｅ１／３／ρ）は、チタン合金と比べてそれぞれ３％及び４０％高くあり得る。
【０００５】
スカンジウム金属は、約３３００ドル／ｋｇ（２０１６年の市場価格）と高価であるが、多くの合金は、スカンジウムを約０．２重量％（ｗｔ％）添加するだけで、恩恵を受けることができる。スカンジウムはアルミニウム中への溶解度が低いので、２重量％スカンジウムを含有するＡｌ−Ｓｃ合金（Ａｌ−２ｗｔ％Ｓｃ）を、約１００〜１１５ドル／ｋｇの市場価格で市販の母合金組成として提供することができる。スカンジウムは、地殻中に鉛よりも豊富に含まれているが、地殻中に分散して存在しており、また、単離が困難であるため、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）の世界生産量は、年間約１０トンにすぎない。Ｓｃ２Ｏ３は、現在の市場で広く入手可能なスカンジウムの最も安価な形態の１つである。例えば、Ｓｃ２Ｏ３の価格は約１２００ドル／ｋｇ（２０１６年の市場価格）であり、フッ化スカンジウム（ＳｃＦ３）の価格は約２９４７ドル／ｋｇ（２０１６年の市場価格）である。とはいえ、複数の新しい鉱山が建設中または計画段階にあり、２０２７年までに最大で４５０トン／年（ＴＰＹ）のＳｃ２Ｏ３の生産が予測されている。このような予測されるＳｃ２Ｏ３生産の増加は、スカンジウムの価格を低下させ、最大で１５万トン／年（ＴＰＹ）のＡｌ−２ｗｔ％Ｓｃ合金の生産を可能にし得る。したがって、アルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金を製造するための改良された方法及び装置が求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、アルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造方法が提供される。いくつかの実施形態では、本発明によるアルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造方法は、（ａ）ＳｃＦ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第１の部分と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第１の部分とを含む電解質浴を用意するステップと、（ｂ）前記電解質浴と電気的に接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、（ｃ）前記電解質浴と電気的に接触するアノードを用意するステップと、（ｄ）前記電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第１の部分を添加するステップと、（ｅ）アルミニウムイオンを前記カソードと反応させるステップと、（ｆ）前記カソードに電流を印加し、それにより、スカンジウムイオンを前記カソードと反応させてＡｌ−Ｓｃ合金を製造するステップと、を含み、前記スカンジウムイオンを前記カソードと反応させた後、前記電解質浴は、ＳｃＦ３、ＡｌＦ３、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つを含み、前記カソードは、アルミニウム及びスカンジウムを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態では、前記Ａｌ−Ｓｃ合金は、５〜１２重量％のスカンジウムを含有する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、前記Ａｌ−Ｓｃ合金は、８〜１２重量％のスカンジウムを含有する。
【０００９】
いくつかの実施形態では、前記カソードにおける前記アルミニウム及び前記スカンジウムの少なくとも一部が液体である。
【００１０】
いくつかの実施形態では、前記カソードに印加される前記電流は、０．２〜１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度を有する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記カソードに印加する前記電流を制御することによって、前記スカンジウムイオンと前記アルミニウムイオンとのモル比を、０：１〜２：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００１２】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記カソードに印加する前記電流を制御するか、または、前記電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第２の部分を添加することによって、酸素イオンとフッ化物イオンとのモル比を、１：２０〜１：２５０の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴にＬｉＦの第２の部分を添加することによって、リチウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜４：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴にＮａＦの第２の部分を添加することによって、ナトリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴にＫＦの第２の部分を添加することによって、カリウムイオンと前記スカンジウムイオン及び前記アルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴に、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。
【００１７】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７〜３８重量％のＳｃＦ３、１５〜２８重量％のＡｌＦ３、４３〜５５重量％のＮａＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００１８】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２〜４５重量％のＳｃＦ３、１８〜３３重量％のＡｌＦ３、３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４〜３２重量％のＳｃＦ３、１２〜２４重量％のＡｌＦ３、５１〜６３重量％のＫＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００２０】
いくつかの実施形態では、本方法は、前記電解質浴に、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１７〜３８重量％のＳｃＦ３、１５〜２８重量％のＡｌＦ３、４３〜５５重量％のＮａＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００２２】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、２２〜４５重量％のＳｃＦ３、１８〜３３重量％のＡｌＦ３、３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００２３】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの前記第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの前記第２の部分は、前記電解質浴が、１４〜３２重量％のＳｃＦ３、１２〜２４重量％のＡｌＦ３、５１〜６３重量％のＫＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
以下の図は、単に例示的なものであり、限定を意図するものではない。
【００２５】
【図１】図１は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム相図を示す。
【図２】図２は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム合金を製造するための電解槽を示す。
【図３】図３は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム合金を製造するための別の電解槽を示す。
【図４】図４は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム合金を製造するための平衡型電解槽を示す。
【図５Ａ】図５（Ａ）は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム合金を製造するための電解槽の設計を示す。
【図５Ｂ】図５（Ａ）は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム合金を製造するための別の電解槽の設計を示す。
【図６】図６は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（重量％）のばらつきを示す。
【図７】図７は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（重量％）を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、本開示の実施形態によるＡｌ−Ｓｃ組成物を検出する分析方法を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ−Ｓｃ組成物を検出する分析方法を示す。
【図９】図９は、本開示の実施形態による電解槽内に様々な電流を印加することによって製造されたＡｌ−Ｓｃ合金の試料を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
アルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造に有用な方法及び装置が本明細書に記載される。
【００２７】
Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、フッ化スカンジウム（ＳｃＦ３）を使用して行うことができる。例えば、ＳｃＦ３をＡｌと反応させることにより、ＡｌＦ３及びＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる（「Trans. Met. Soc. AIME 218:608, 1960; Russ. J. Phys. Chem. A. 84（12):2011-2016, 2010」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。しかし、場合によっては、ＳｃＦ３は、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）よりも高価であり得（例えば、スカンジウムベースで、または単位スカンジウム当たりで）、この場合、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造コストが増加する。
【００２８】
また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、アルミニウム粉末を使用して行うことができる。例えば、アルミニウム粉末をＳｃ２Ｏ３と混合させ、ペレットにプレスする。そして、このペレットを、例えば、液体アルミニウム中に浸漬することにより、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。このようなアルミニウム粉末プロセスを用いたスカンジウム還元収率は、例えば、ペレットの形成条件に依存してばらつきがある（米国特許第６、０４５、６３１号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。
【００２９】
また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、スカンジウム金属をアルミニウムに溶解させることによって行うことができる。しかし、この場合は、時間がかかり、また、スカンジウムの融点が比較的高いことに起因して収率にばらつきが生じて、溶解界面に、溶解を妨げるバリア層として作用する一連の高融点金属間化合物が形成される恐れがある。図１は、これらの点を示すＡｌ−Ｓｃ相図である。
【００３０】
また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、電解還元によって行うことができる。例えば、電気分解を行うことにより、ナトリウム氷晶石またはカリウム氷晶石（ＡｌＦ３−ＮａＦ、またはＡｌＦ３−ＫＦ）に溶解したＡｌ２Ｏ３及びＳｃ２Ｏ３の混合物を還元することができる。このような電気分解により、約０．５〜１．５重量％（ｗｔ％）のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる（中国特許第１、１８４、３５６号、国際公開第２００６／０７９３５３号、「Chunyang Guan et al., 3rd Int'l Symp. High-Temp. Metall. Processing 2012」、「Qiaochu Liu et al., Light Metals 2012」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。また、Ａｌカソードを使用してＣａＣｌ２中のＳｃ２Ｏ３を電気分解することによって、約２重量％のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができるが、この場合、製造されるＡｌ−Ｓｃ合金は、最大で約０．６５重量％のカルシウムを含有することとなる（「J. Alloys Compounds 474:124-130, 2009」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。しかし、カルシウムを含有するアルミニウム合金を製造することは、あまり好ましくない。また、ＳｃＦ３−ＮａＦに溶解したＳｃ２Ｏ３を電気分解することによって、固体のＳｃ金属顆粒を製造することができる（米国特許第３、１１１、４６７号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。しかし、Ｓｃ金属顆粒は、固体塩から分離する必要があり、この追加の工程は、商業化目的のためにはあまり望ましくない。
【００３１】
また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、カルシウム蒸気または合金を使用して、Ｓｃ２Ｏ３をＡｌ合金に還元することによって行うことができる（「Adv. Proc. Metals Mater. 4:155, 2006; Min. Proc. Extract. Metall. 117（2):96, 2008」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。これにより製造された合金は、一般的に、約１％以上のカルシウムを含有することとなる。しかし、場合によっては、カルシウムを含有するアルミニウム合金を製造することは、あまり望ましくない。
【００３２】
また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、マグネシウム（Ｍｇ）を還元剤として使用して行うことができる（米国特許第５、０３７、６０８号；欧州特許第２、２９８、９４４号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。例えば、Ｓｃ２Ｏ３を、１５〜１７重量％のＭｇを含有するＡｌ合金と反応させることにより、最大で２．５重量％のＳｃを含有するアルミニウム−マグネシウム−スカンジウム合金を製造することができる。しかし、この場合、Ｍｇ：Ｓｃ比があまり望ましくないものとなり、より望ましいＭｇ：Ｓｃ比を達成するためには、Ｍｇ成分を除去する必要がある（「Russian Metallurgy 2015（7):516, 2015」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。
【００３３】
また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、ＮＨ４ＨＦ２を使用して、Ｓｃ２Ｏ３をその場でフッ化物に変換し、Ａｌ２Ｏ３と反応させることによって行うことができる。しかし、この方法は、健康被害をもたらす恐れがある（中国特許第１００、４１０、４００号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、ＳｃＦ３またはＳｃ２Ｏ３を、ＡｌＦ３−ＮａＦ−ＫＣｌなどの塩化物−フッ化物塩に溶解させることによって行うことができる。しかし、この方法は、酸化物からの変換収率が低くなる恐れがある（国際公開第２００３／０４２４１８号；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。また、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、機械的合金化法を用いて行うことができる。例えば、まず、Ａｌを使用してＳｃ２Ｏ３を還元し、次いで、ボールミル粉砕し、その後、再溶解させることによって、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。しかし、この機械的合金化法は、比較的時間がかかり、また、高価であり得る（「Mater. Trans. 44（4):1049, 2003」；その全体が参照により本明細書に組み込まれる）。
【００３４】
上記の方法は、大まかに、次の４つのカテゴリに分類することができる。（１）ＳｃＦ３の使用（あるいは、その場で、Ｓｃ２Ｏ３から生成したＳｃＦ３の使用）、（２）合金中に存在するＭｇまたはＣａによる還元、（３）圧縮により形成した金属−Ｓｃ２Ｏ３粉末ペレットの使用、（４）Ａｌ２Ｏ３−Ｓｃ２Ｏ３の電気分解による、少量のＳｃを含有するＡｌ合金の製造。最後のオプションは、安価なＳｃ２Ｏ３を使用して高収率を得ることができるが、小規模製造では、これは大量のアルミニウム合金を製造するための比較的高価な方法となる。
【００３５】
本発明によれば、アルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造方法が提供される。いくつかの実施形態では、本発明によるアルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金の製造方法は、（ａ）ＳｃＦ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第１の部分と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第１の部分とを含む電解質浴を用意するステップと、（ｂ）電解質浴と電気的に接触するカソードであって、アルミニウムを含む該カソードを用意するステップと、（ｃ）電解質浴と電気的に接触するアノードを用意するステップと、（ｄ）電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第１の部分を添加するステップと、（ｅ）アルミニウムイオンをカソードと反応させるステップと、（ｆ）カソードに電流を印加し、それにより、スカンジウムイオンをカソードと反応させてＡｌ−Ｓｃ合金を製造するステップと、を含み、スカンジウムイオンをカソードと反応させた後、電解質浴は、ＳｃＦ３、ＡｌＦ３、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つを含み、カソードは、アルミニウム及びスカンジウムを含む。
【００３６】
いくつかの実施形態では、Ａｌ−Ｓｃ合金は、５〜１２重量％のスカンジウムを含有する。
【００３７】
いくつかの実施形態では、Ａｌ−Ｓｃ合金は、８〜１２重量％のスカンジウムを含有する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、カソードにおけるアルミニウム及びスカンジウムの少なくとも一部が液体である。
【００３９】
いくつかの実施形態では、カソードに印加される電流は、０．２〜１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度を有する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、本方法は、カソードに印加する電流を制御することによって、スカンジウムイオンとアルミニウムイオンとのモル比を、０：１〜２：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００４１】
いくつかの実施形態では、本方法は、カソードに印加する電流を制御するか、または、電解質浴にＳｃ２Ｏ３の第２の部分を添加することによって、酸素イオンとフッ化物イオンとのモル比を、１：２０〜１：２５０の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００４２】
いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴にＬｉＦの第２の部分を添加することによって、リチウムイオンとスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜４：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００４３】
いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴にＮａＦの第２の部分を添加することによって、ナトリウムイオンとスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００４４】
いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴にＫＦの第２の部分を添加することによって、カリウムイオンとスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンとのモル比を、０．５：１〜６：１の範囲の予め定められたモル比に維持するステップをさらに含む。
【００４５】
いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴に、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。
【００４６】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１７〜３８重量％のＳｃＦ３、１５〜２８重量％のＡｌＦ３、４３〜５５重量％のＮａＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００４７】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、２２〜４５重量％のＳｃＦ３、１８〜３３重量％のＡｌＦ３、３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００４８】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１４〜３２重量％のＳｃＦ３、１２〜２４重量％のＡｌＦ３、５１〜６３重量％のＫＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００４９】
いくつかの実施形態では、本方法は、電解質浴に、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分を添加するステップをさらに含む。
【００５０】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１７〜３８重量％のＳｃＦ３、１５〜２８重量％のＡｌＦ３、４３〜５５重量％のＮａＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００５１】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、２２〜４５重量％のＳｃＦ３、１８〜３３重量％のＡｌＦ３、３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００５２】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３、ＳｃＦ３、及びＡｌＦ３のうちの少なくとも１つの第２の部分、並びに、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つの第２の部分は、電解質浴が、１４〜３２重量％のＳｃＦ３、１２〜２４重量％のＡｌＦ３、５１〜６３重量％のＫＦ、及び１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３を含むように添加される。
【００５３】
本開示では、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造は、電解採取プロセスを用いて行うことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるＡｌ−Ｓｃ合金を製造する電解採取プロセスは、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含み、かつ、カソード及びアノードと電気的に接触している電解質浴中に溶解させたＳｃ２Ｏ３の電解還元を含む。いくつかの実施形態では、電解質浴中に溶解したＳｃ２Ｏ３の電解還元が進行すると、電解質浴は、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む。いくつかの実施形態では、電解質浴は、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つと、任意選択で、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、及びＳｒＦ２のうちの少なくとも１つとを含む。
【００５４】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるカソードは、Ａｌを含む。また、カソードは、Ｓｃ、ＴｉＢ２、Ｃ（例えばグラファイト）などの追加の金属または導電体、またはそれらの任意の組み合わせをさらに含み得る。いくつかの実施形態では、電解採取プロセスの開始時のカソードは、Ａｌ、Ｓｃ、ＴｉＢ２、Ｃ（例えばグラファイト）などの任意の導電体、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、電解採取プロセスの開始時のカソードは、Ａｌ及び／またはＳｃをほとんどまたは全く含んでいなくてもよいが、電解採取プロセスが進行するにしたがって、Ａｌ及び／またはＳｃイオンがカソード上に還元され、これにより、Ａｌ及びＳｃを含むカソード（例えば、Ａｌ−Ｓｃ合金）を形成することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるカソードは、液体状態、固体状態、またはその中間の任意の状態を取り得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるアノードは、ニッケルフェライトなどの任意の導電体、アルミニウム−銅ブロンズなどの高融点アルミニウム金属間化合物、酸化ジルコニウム、炭素（例えばグラファイト）などの任意の導電体、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるアノードは、液体状態または固体状態、またはその中間の任意の状態を取り得る。
【００５５】
いくつかの実施形態では、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴は、様々な範囲の組成を有し得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ２Ｏ３を含む例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約１７〜３８重量％のＳｃＦ３、約１５〜２８重量％のＡｌＦ３、約４３〜５５重量％のＮａＦ、及び約１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ２Ｏ３を含む例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約２６．８重量％のＳｃＦ３、約２４．６重量％のＡｌＦ３、約４６．６重量％のＮａＦ、及び約２重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。
【００５６】
いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ２Ｏ３を含む例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＬｉＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約２２〜４５重量％のＳｃＦ３、約１８〜３３重量％のＡｌＦ３、約３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び約１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ２Ｏ３を含む例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＬｉＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約３１．８重量％のＳｃＦ３、約２９．３重量％のＡｌＦ３、約３６．３重量％のＬｉＦ、及び約２．６重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。
【００５７】
いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ２Ｏ３を含む例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＫＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約１４〜３２重量％のＳｃＦ３、約１２〜２４重量％のＡｌＦ３、約５１〜６３重量％のＫＦ、及び約１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、溶解したＳｃ２Ｏ３を有する例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＫＦ電解質浴のおおよその浴組成は、約２１．９重量％のＳｃＦ３、約２０．２重量％のＡｌＦ３、約５６．０重量％のＫＦ、及び約１．８重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。溶解したＳｃ２Ｏ３を含むＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ電解質浴、ＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＬｉＦ電解質浴、またはＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＫＦ電解質浴の使用は、例示目的のために選択されたものであり、他の実施形態及び用途では、電解質浴は、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、溶解したＳｃ２Ｏ３を含む、ＮａＦ、ＬｉＦ、及びＫＦの任意の組み合わせとを、本明細書に記載された組成範囲と同様または同等の様々な範囲の組成範囲で含むことができることを理解されたい。
【００５８】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解採取プロセスは、Ｓｃ２Ｏ３を高収率で直接使用することができ、これにより、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造するための原材料コストを最小限に抑えることができる。例えば、Ｓｃ２Ｏ３は、約８０〜１００％という高収率で使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解採取プロセスは、Ａｌ−Ｓｃ合金製造のためにアルミニウムのすべてまたは大部分の還元を伴うプロセスと比較して、より低い電流で、かつ、より少ない及び／またはより小さい電解槽で実施することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解採取プロセスは、上述の他のＡｌ−Ｓｃ合金製造プロセスと比較して、より少ない工程数で実施することができる。例えば、本明細書に記載される電解採取プロセスは、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造する電解工程と、製造されたＡｌ−Ｓｃ合金を鋳型内に鋳造する工程との２つの工程を含み得る。比較として、Ｃａ及び／またはＭｇを使用してＡｌ−Ｓｃ合金を製造する方法では、Ｃａ及び／またはＭｇ成分を含有するＡｌ−Ｓｃ合金が製造される。例えば、Ｃａ及び／またはＭｇを使用してＡｌ−Ｓｃ合金を製造する方法では、製造されたＡｌ−Ｓｃ合金からＣａ及び／またはＭｇ成分を除去する余分な工程が必要となる。別の比較として、いくつかのＡｌ−Ｓｃ合金製造方法では、高温でＳｃ２Ｏ３をＨＦなどの酸と反応させてＳｃＦ３を生成し、次いで、生成したＳｃＦ３をＡｌと反応させてＡｌ−Ｓｃ合金を製造するフッ素化工程を含む。例えば、このようなＡｌ−Ｓｃ合金製造方法では、余分なフッ素化工程が必要となる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解採取プロセスは、約０〜１２重量％、約１〜１２重量％、約２〜１２重量％、約３〜１２重量％、約４〜１２重量％、約５〜１２重量％、約６〜１２重量％、約８〜１２重量％、約０〜１０重量％、約１〜１０重量％、約２〜１０重量％、約３〜１０重量％、約４〜１０重量％、約５〜１０重量％、約６〜１０重量％、約０〜８重量％、約１〜８重量％、約２〜８重量％、約３〜８重量％、約４〜８重量％、または、好ましくは約５〜８重量％のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解採取プロセスは、下記の３つの要因の組み合わせに基づいて、約１２重量％という高いＳｃ含有量を有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、第１の要因は、電解質浴中のＳｃＦ３の濃度であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、電解質浴中のＳｃＦ３の濃度が高いことが、高いＳｃ含有量を有するＡｌ−Ｓｃ合金の製造を可能にする１つの要因であり得る。いくつかの実施形態では、第２の要因は、温度であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、高温が、高いＳｃ含有量を有するＡｌ−Ｓｃ合金の製造を可能にする１つの要因であり得る。参照として、図１は、約１重量％のＳｃでは、液相温度が約７００°Ｃであり、約２重量％のＳｃでは、液相温度が約８００°Ｃであり、約１２重量％のＳｃでは、液相温度が約１０００°Ｃであり得ることを示す、アルミニウム−スカンジウム相図である。いくつかの実施形態では、第３の要因は、電流密度であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、電解質浴中の電流密度が高いことが、高いＳｃ含有量を有するＡｌ−Ｓｃ合金の製造を可能にする１つの要因であり得る。
【００６１】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解質浴中のＡｌＦ３は、１以上の目的を果たすことができる。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＡｌＦ３は、浴密度のバランスを取るか、または浴密度を維持することができる。例えば、ＡｌＦ３をより多く有するＡｌＦ３−ＳｃＦ３電解質浴は、ＳｃＦ３をより多く有する電解質浴と比べて浴密度を低下させることができる。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＡｌＦ３は、電解還元のためのＡｌイオンを提供することによって、電解質浴中のＳｃＦ３とＡｌカソードとの間の金属熱反応のバランスを取るのを助けることができる。いくつかの実施形態では、任意選択で、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、及びＳｒＦ２のうちの少なくとも１つを本明細書に記載される電解質浴に添加することにより、例えば、浴密度のバランスを取るか、または浴密度を維持することができる。
【００６２】
いくつかの実施形態では、浴密度に応じて、Ａｌ及びＳｃを含むアノードを電解質浴中に浸漬するか、または、電解質浴上に浮かせることができる。例えば、浴密度が、カソード（例えば、液体Ａｌ−Ｓｃ合金を含むカソード）の密度よりも高い場合は、カソードは電解質浴上に浮かせることができる。別の例では、カソード（例えば、液体Ａｌ−Ｓｃ合金を含むカソード）密度が、浴密度よりも高い場合には、カソードは電解質浴中に浸漬することができる。いくつかの実施形態では、カソードを電解質浴中に浸漬させた状態に維持することが好ましくあり得る。他の実施形態では、カソードを電解質浴上に浮かせた状態に維持することが好ましくあり得る。
【００６３】
図２は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金を製造するための電解槽２００を示す。いくつかの実施形態では、電解槽２００は、ＳｃＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴２１０からプロセスを開始することによって、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、プロセス開始時には、図２のカソード２２０は、液体アルミニウムを含み、図２のアノード２３０は、カーボングラファイトを含む。いくつかの実施形態では、図２に示すように、Ｓｃ２Ｏ３を電解槽２００に添加し、金属熱還元下で還元して、Ｓｃ３＋をＡｌカソード２２０に電気泳動させることにより、最大で約１２重量％のＳｃ含有量を有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、金属熱還元を続けるにしたがって、電解質浴２１０中の総Ｓｃ含有量は、例えば、電解質浴中に最初から存在するＳｃＦ３と、カソードのＡｌ金属との間の金属熱反応に起因して、経時的に減少する。いくつかの実施形態では、電解質浴２１０中のＯ２−はアノード２３０と反応し、アノード２３０が炭素を含む場合、この反応によってＣＯ２ガスが生成される。
【００６４】
いくつかの実施形態では、年間約５００トンのＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができるＡｌ−Ｓｃ合金製造プラントでは、年間約１０トンのスカンジウムを電気分解することができ、このためには、例えば、すべての電解槽で約３０００アンペアの総電流が必要となる。電流効率及び電解利用率がより低い同様のプラントでは、すべての電解槽で約７０００アンペアの総電流が必要となる。
【００６５】
図３は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム（Ａｌ−Ｓｃ）合金を製造するための別の電解槽３００を示す。いくつかの実施形態では、電解槽３００は、ＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴３１０からプロセスを開始することによって、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、プロセス開始時には、図３のカソード３２０は、ＡｌまたはＳｃをほとんどまたは全く含まない。いくつかの実施形態では、図３のアノード３３０は、カーボングラファイトを含む。いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３を電解槽３００に添加し、電気分解によってＳｃと共にＡｌの還元を続けると、電解質浴３１０中の総Ｓｃ含有量は経時的増加する。例えば、供給酸化物はＳｃ２Ｏ３であり、電気分解によって電解質浴中のＡｌイオンを消費するので、電気分解はＳｃ２Ｏ３の供給速度よりも遅い速度でＳｃを消費する。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＯ２−はアノード３３０と反応し、アノード３３０が炭素を含む場合、この反応によってＣＯ２ガスが生成される。いくつかの実施形態では、電解槽３００における電解採取プロセスは、標準的なアルミニウム製造セルを使用して、ほとんどまたは全く変更を加えることなく実施することができる。
【００６６】
図４は、本開示の実施形態によるアルミニウム−スカンジウム合金を製造するための平衡型電解槽４００を示す。いくつかの実施形態では、図４の電解槽４００に示すように、図２及び図３に示した電解採取プロセスを組み合わせてバランスを取り、より好ましい態様でＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、アルミニウムを含むカソードに純Ｓｃを電解採取するプロセスと比較した場合、電解槽４００に示すような、組み合わされ平衡化されたプロセスは、実質的に同一のＡｌ及びＳｃ含有量（または、実質的に同一のＡｌとＳｃとの比率）を有する実質的に同一のＡｌ−Ｓｃ合金を製造するために、より多くの電流及びより多くの製造セルを必要とする。
【００６７】
いくつかの実施形態では、電解槽４００は、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴４１０から開始することによって、Ａｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、電解槽４００は、最大で約１２重量％のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、図４のカソード４２０は、液体状態のアルミニウムを含み、図４のアノード４３０は、カーボングラファイトを含む。いくつかの実施形態では、図４に示すように、Ｓｃ２Ｏ３を電解槽４００に添加し、Ｓｃ２Ｏ３を電解還元することにより、Ａｌ２Ｏ３及びＳｃ２Ｏ３を共還元することができ、これにより、約９９重量％のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を、約３重量％のＳｃを有するＡｌ−Ｓｃ合金に電解採取し、その後、Ｓｃ含有量がより少ない希釈されたＡｌ−Ｓｃ合金にすることができる。例えば、この共還元アプローチは、Ａｌカソード４２０を使用して、Ａｌ−Ｓｃ合金の製造時に、その場でＡｌ−Ｓｃ合金を２重量％まで希釈してもよいし、または、還元後に別のＡｌ希釈法を用いてもよい。いくつかの実施形態では、Ａｌ２Ｏ３を添加せずに、アルミニウム及びＳｃ２Ｏ３からＡｌ−Ｓｃ合金を製造する場合（例えば、Ａｌ２Ｏ３を添加せずにＳｃ２Ｏ３を供給する場合）、金属熱及び電解反応に起因するアルミニウムフラックスは、電解質浴と金属との間での正味のアルミニウム移動が比較的少なくなるように、バランスを取ることができる。
全体的な電気分解反応は、下記の通りである。
Ａｌ２Ｏ３（浴）＋Ｃ（アノード）→２Ａｌ（金属）＋３／２ＣＯ２（ガス）  （１）
金属熱反応は、下記の通りである。
Ａｌ（金属）＋Ｓｃ３＋（浴）→Ａｌ３＋（浴）＋Ｓｃ（金属）    （２）
【００６８】
いくつかの実施形態では、電解採取プロセスにおける電解槽中のアルミニウム及びスカンジウムは、通常、酸化物分子または単純な３＋イオンとしては存在せず、共有結合された複合アニオンまたはカチオンのメンバーとして、酸化物またはフッ化物イオンと共に存在し、各複合イオン内のアルミニウム及びスカンジウムは、通常、３＋酸化状態で存在する。したがって、いくつかの実施形態では、電解槽４００が略定常状態に達すると、アルミニウムカチオンの金属合金への電気分解の平均速度は、金属熱反応による金属から電解質浴へのアルミニウムカチオン移動の平均速度とほぼ同じか等しくなる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、例えば、図４の電解槽４００に示すように、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持されるいくつかの変数が存在し得る。いくつかの実施形態では、実質的に一定の浴組成は、Ａｌ−Ｓｃ合金の定常電解製造を容易にし、実質的に一定のＡｌ−Ｓｃ合金製品組成物を達成するのを助けることができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、Ｏ：Ｆアニオン比が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＯ：Ｆアニオンのモル比は、約１：２０〜約１：２５０、約１：４０〜約１：２５０、約１：６０〜約１：２５０、約１：６０〜約１：２００、約１：６０〜約１：１５０、好ましくは約１：６０〜約１：１００、好ましくは約１：１００であり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中のフッ化物含有量は比較的一定であり、酸素含有量は、Ｓｃ２Ｏ３の供給速度と、アノードでの酸素消費量との間のバランスにしたがって変化し得る。いくつかの実施形態では、定電圧での電流減衰及び／または定電流での電圧増加は、供給速度を変更することが望ましい時期、及び、そのときの供給速度を変更する程度を示す制御信号として機能することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、Ｓｃ：Ａｌカチオン比が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３を溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中のＳｃ：Ａｌカチオンのモル比は、約０：１〜約２：１、約０．５：１〜約１．５：１、好ましくは約１：１であり得る。いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３の供給速度、金属熱反応の相対速度、及び電解反応の相対速度により、上記のモル比を制御または維持することができる。いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３の供給速度は、固定及び／または一定であり得る。いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３の供給速度は一定でなくてもよく、Ｓｃ２Ｏ３は電解質浴に一気に添加することができる。いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３の供給速度は、電解質浴中の酸化物濃度の測定に基づいて調節／決定することができる。いくつかの実施形態では、電解質浴に、電解質浴中の酸化物濃度を示す信号を送信するように構成された酸化物濃度分析器が設けられ、これにより、Ｓｃ２Ｏ３を適宜添加することによって、Ｓｃ：Ａｌカチオン比を調節することが可能となる。いくつかの実施形態では、Ｓｃ２Ｏ３の供給速度は、電解槽のサイズなどのＡｌ−Ｓｃ合金製造規模の全体的スケールに基づいて調節／決定することができる。
【００７２】
いくつかの実施形態では、図３に示すように、金属熱反応により、Ａｌを金属から電解質浴へ、Ｓｃを電解質浴から金属へ移動させることができる。例えば、電解反応は、Ａｌ及びＳｃの両方を、電解質浴から金属へ移動させることができる。したがって、例えば、電流を増加させると、金属熱反応に比べて電気分解反応がより多くなり、Ａｌに比べて浴中のＳｃがより少なくなる。いくつかの実施形態では、ＡｌはＳｃよりも電気陰性度が高いので、カソード電流密度を増加させると、カソードで還元されるＳｃ３＋のＡｌ３＋に対する比率がより高くなり、これにより、電解質浴中のＳｃの濃度はＡｌよりも低くなる。したがって、いくつかの実施形態では、電流を使用して、Ｓｃ：Ａｌカチオン比を調節することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも０．１アンペア／ｃｍ２（Ａ／ｃｍ２）、少なくとも０．２Ａ／ｃｍ２、少なくとも０．３Ａ／ｃｍ２、または好ましくは少なくとも０．４Ａ／ｃｍ２の電流密度を電解反応に適用することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも０．５Ａ／ｃｍ２、少なくとも０．６Ａ／ｃｍ２、少なくとも０．７Ａ／ｃｍ２、少なくとも０．８Ａ／ｃｍ２、少なくとも０．９Ａ／ｃｍ２、または少なくとも１．０Ａ／ｃｍ２の電流密度を電解反応に適用することができる。いくつかの実施形態では、約０．１〜３．０Ａ／ｃｍ２、約０．１〜２．０Ａ／ｃｍ２、約０．１〜１．０Ａ／ｃｍ２、約０．１〜０．８Ａ／ｃｍ２、約０．１〜０．６Ａ／ｃｍ２、約０．２〜３．０Ａ／ｃｍ２、約０．２〜２．０Ａ／ｃｍ２、約０．２〜１．０Ａ／ｃｍ２、約０．２〜０．６Ａ／ｃｍ２、約０．３〜３．０Ａ／ｃｍ２、約０．３〜２．０Ａ／ｃｍ２、約０．３〜１．０Ａ／ｃｍ２、約０．３〜０．８Ａ／ｃｍ２、約０．３〜０．６Ａ／ｃｍ２、または好ましくは約０．４Ａ／ｃｍ２の電流密度を電解反応に適用することができる。いくつかの実施形態では、例えば、電解槽の電流効率、または全体的なＡｌ−Ｓｃ合金製造操作が、電解電流の最適範囲を決定するための要因であり得る。いくつかの実施形態では、ＣＦ４またはスラッジ層を生成することなくＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる電流を印加することが望ましい。いくつかの実施形態では、比率の制御／バランス取りは、電解質浴及び／または金属組成の測定によって支援することができ、このことは、例えば、Ｘ線蛍光分光法（ＸＲＦ）またはレーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）を用いて行うことができる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、ナトリウムイオンのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ））が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中の氷晶石モル比Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ）は、約０．５：１〜約６：１、約１：１〜約４：１、約１．５：１〜３：１、好ましくは約２：１に維持される。いくつかの実施形態では、フッ化物のように、ナトリウムは比較的受動的なバイスタンダーであり得るが、蒸発させることによって、ＳｃＦ３またはＡｌＦ３よりも迅速に電解質浴から除去することができる。したがって、いくつかの実施形態では、氷晶石比Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の制御／バランス取りは、過剰なＮａＦを供給し、浴組成を測定することを含む。
【００７４】
いくつかの実施形態では、リチウムイオンのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ））が、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＬｉＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中の氷晶石モル比Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ）は、約０．５：１〜約４：１、約１：１〜約３：１、約１．５：１〜３：１、好ましくは約２：１に維持される。いくつかの実施形態では、氷晶石比Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の制御／バランス取りは、過剰なＬｉＦを供給し、浴組成を測定することを含む。
【００７５】
いくつかの実施形態では、カリウムイオンのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｋ：（Ｓｃ＋Ａｌ））は、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３を溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＫＦ浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。いくつかの実施形態では、電解質浴中の氷晶石モル比Ｋ：（Ｓｃ＋Ａｌ）は、約０．５：１〜約６：１、約１：１〜約４：１、約１．５：１〜３：１、好ましくは約２：１に維持される。いくつかの実施形態では、氷晶石比Ｋ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の制御／バランス取りは、過剰なＫＦを供給し、浴組成を測定することを含む。氷晶石比Ｎａ：（Ｓｃ＋Ａｌ）、Ｌｉ：（Ｓｃ＋Ａｌ）、及びＫ：（Ｓｃ＋Ａｌ）の使用は、例示目的のために選択されたものであり、他の実施形態及び用途では、Ｎａ、Ｌｉ、及び／またはＫ、またはそれらの任意の組み合わせのスカンジウムイオン及びアルミニウムイオンに対する氷晶石比（Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ、またはそれらの任意の組み合わせ）：（Ｓｃ＋Ａｌ）が、本明細書に記載された比範囲と同様または同等の比範囲で選択できることを理解されたい。
【００７６】
いくつかの実施形態では、電解槽（例えば、図４の電解槽４００）内の浴組成は、一定の浴組成（例えば、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ浴、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＬｉＦ浴、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＫＦ浴、または、Ｓｃ２Ｏ３が溶解したＳｃＦ３−ＡｌＦ３−Ｌｉ、ＮａＦ、ＫＦの任意の組み合わせの浴）を達成するためにバランスを取るかまたは維持される変数の１つであり得る。本明細書に記載されるように、いくつかの実施形態では、浴組成は、約１７〜３８重量％のＳｃＦ３、約１５〜２８重量％のＡｌＦ３、約４３〜５５重量％のＮａＦ、及び約１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３であり；好ましくは、約２６．８重量％のＳｃＦ３、約２４．６重量％のＡｌＦ３、約４６．６重量％のＮａＦ、及び約２重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、浴組成は、約２２〜４５重量％のＳｃＦ３、約１８〜３３重量％のＡｌＦ３、約３１〜４３重量％のＬｉＦ、及び約１〜６重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、浴組成は、約１４〜３２重量％のＳｃＦ３、約１２〜２４重量％のＡｌＦ３、約５１〜６３重量％のＫＦ、及び約１〜５重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、蒸発及び金属除去は、電解質浴の総含有量及び電解槽内の濃度を減少させることができる。いくつかの実施形態では、例えば、生成物を除去するときに電解槽から除去された電解質浴の一部を、汚染を防ぐことができる方法で回収して、電解槽に戻すことも可能であり得る。いくつかの実施形態では、ＡｌＦ３、Ｓｃ２Ｏ３、ＮａＦ、ＬｉＦ、及び／またはＫＦを電解質浴中に供給し、その場でＳｃＦ３を生成することにより、浴組成を維持することができる。いくつかの実施形態では、ＡｌＦ３、ＳｃＦ３、Ｓｃ２Ｏ３、ＮａＦ、ＬｉＦ、及び／またはＫＦを電解質浴中に供給して、電解質浴の量及び組成を維持し、蒸発及び金属除去に起因する損失に対するバランスを取ることができる。
【００７７】
いくつかの実施形態では、プロセス開始時に、図３のカソードは、図２のカソードにおけるアルミニウムの量と比較して、比較的少ない量のアルミニウムを含むことができ、電解槽２００及び電解槽３００の両方は、実質的に同じＡｌ及びＳｃ含有量（または実質的に同じＡｌ：Ｓｃ比）を有する実質的に同じ量のＡｌ−Ｓｃ合金を製造して終了することができる。
【００７８】
いくつかの実施形態では、図２のプロセスは、カソードに含まれるアルミニウムの量が実質的に変化することなく開始及び終了することができ、カソードに含まれるアルミニウムにＳｃを添加することができる（例えば、電解採取によって）。例えば、図２のプロセスは、カソード２２０が約９８グラムのアルミニウムを含む状態で開始することができ、（例えば、電解採取により）約２グラムのスカンジウムをカソード２２０に含まれるアルミニウム（例えば、約９８グラム）に添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、図３の電解採取プロセスは、プロセスの開始時にカソードがアルミニウムをほとんど含まない状態で開始することができ、このプロセスでは、Ａｌ及びＳｃの両方を共還元することにより、カソードでＡｌ−Ｓｃ合金を製造する。例えば、図３のプロセスは、カソード３２０がアルミニウムをほとんどまたは全く含まない状態で開始することができ、（例えば、電解採取により）約９８グラムの追加のアルミニウム及び約２グラムのスカンジウムをカソード３２０に添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、プロセスの開始時における図４のカソードに含まれるアルミニウム量は、図２の電解採取プロセスにおけるアルミニウム量と図３の電解採取プロセスにおけるアルミニウム量との間のいずれかであり得、３つの電解槽２００、電解槽３００、及び電解槽４００のすべては、実質的に同じＡｌ及びＳｃ含有量（または実質的に同じＡｌ：Ｓｃ比）を有する実質的に同じ量のＡｌ−Ｓｃ合金を製造して終了することができる。例えば、図４のプロセスは、カソード４２０が約９０グラムのアルミニウムを含む状態から開始することができ、（例えば、図３及び図４の電解採取プロセスを用いて）カソード４２０に含まれるアルミニウム（例えば、約９０グラム）に、約８グラムの追加のアルミニウム及び約２グラムのスカンジウムを添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。別の例では、図４のプロセスは、カソード４２０が約８０グラムのアルミニウムを含む状態から開始することができ、（例えば、図３及び図４の電解採取プロセスを用いて）カソード４２０に含まれるアルミニウム（例えば、約８０グラム）に、約１８グラムの追加のアルミニウム及び約２グラムのスカンジウムを添加することによって、約２重量％のスカンジウムを含有する約１００グラムのＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。
【００８１】
図５Ａ及び図５Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ−Ｓｃ合金を製造するための電解槽の設計を示す。いくつかの実施形態では、電解槽（５００Ａまたは５００Ｂ）は、ＳｃＦ３及び／またはＡｌＦ３と、ＬｉＦ、ＮａＦ、及びＫＦのうちの少なくとも１つとを含む電解質浴（５１０Ａまたは５１０Ｂ）とを有する。いくつかの実施形態では、電解槽（５００Ａまたは５００Ｂ）は、アノード（５４０Ａまたは５４０Ｂ）と、導電体（５３０Ａまたは５３０Ｂ）及びＡｌ−Ｓｃ（５２０Ａ及び５２０Ｂ）を含むカソードとを有する。導電体（５３０Ａまたは５３０Ｂ）は、ＴｉＢ２などの任意の導電体を含み得る。いくつかの実施形態では、電解槽内の電解採取プロセスが進行するにしたがって、Ｓｃ２Ｏ３を添加して、Ａｌまたは／及びＳｃをカソードに還元し、これにより、Ａｌ−Ｓｃ合金（５２０Ａまたは５２０Ｂ）を製造することができる。いくつかの実施形態では、等成形グラファイト傾斜インサート５５０Ａのような傾斜インサートを電解槽５００Ａの底部に追加することができる。例えば、小規模製造では、傾斜インサートを追加することは、電解質浴５１０Ａ及びＡｌ−Ｓｃ金属５２０Ａを片側にプールするために好ましい。いくつかの実施形態では、傾斜インサートを有していない電解槽５００Ｂは、より多量の塩を収容することができ、これにより、組成ドラフトからの誤差を低減することが可能となる。いくつかの実施形態では、傾斜インサートを有していない電解槽５００Ｂは、アノードの浸漬を増加させることができ、これにより、アノード短絡リスクを低減することが可能となる。
【００８２】
図６は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物におけるＳｃ濃度（重量％）のばらつきを示す。図７は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度を重量％で示す。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される電解採取プロセスにより、液体状態のＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる（例えば、図５Ａ及び５Ｂは、アルミニウム及びスカンジウムを含む、液体状態であり得るカソード５２０Ａ及びカソード５２０Ｂを示す）。いくつかの実施形態では、液体Ａｌ−Ｓｃ合金を鋳造用の鋳型に注入し、その結果成形されたＡｌ−Ｓｃ合金鋳造物を収集することができる。例えば、小さなインゴット鋳型を使用して、小さなＡｌ−Ｓｃ合金インゴット（例えば、６０２及び７０２）を鋳造することができる。別の例では、大きなインゴット鋳型を使用して、大きなＡｌ−Ｓｃ合金インゴット（例えば、６０４及び７０４）を鋳造することができる。別の例では、ワッフル型インゴット鋳型を使用して、ワッフル型Ａｌ−Ｓｃ合金インゴット（例えば、６０６及び７０６）を鋳造することができる。いくつかの実施形態では、互いに異なるインゴット鋳型での鋳造により、Ａｌ−Ｓｃ合金インゴットの厚さにわずかなばらつきが生じ、これにより、インゴット全体のＳｃ分布のばらつきが生じる。いくつかの実施形態では、ワッフル型鋳造は、Ａｌ−Ｓｃ合金の全体にわたってより一貫したＳｃ分布を有するＡｌ−Ｓｃ合金インゴットを製造することができ、これにより、より一貫した再現性を有する鋳造が可能となる。
【００８３】
図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ−Ｓｃ合金を検出する分析方法を示す。いくつかの実施形態では、Ｓｃの重量％は、ＳＥＭ−ＥＤＳ（走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法）スキャナを使用して分析することができる。例えば、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、円８０２Ａ、円８０２Ｂは、１回のスキャンでＳＥＭ−ＥＤＳによって分析された領域を示す。ワッフル型ナゲット８００Ａのスカンジウム含有量を分析及び測定するために、３回の別々のスキャン８０２Ａを実施した。いくつかの実施形態では、正確な組成分析のために、製造されたＡｌ−Ｓｃ合金鋳造物の全体の厚さを分析することが望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、厚いワッフル型インゴット８００Ａのような厚いＡｌ−Ｓｃ合金鋳造物は、若干の誤差を伴う組成分析結果が得られる。いくつかの実施形態では、図８Ａに示すように、Ｓｃの重量％は、鋳型の底面でより高くなる。例えば、液体Ａｌ−Ｓｃが鋳型内で凝固すると、より重く、より高密度のＳｃ金属が鋳造物の底部に沈降し、これにより、鋳造物の底部側ではＳｃ重量％がより高くなり、鋳造物の頂部側ではＳｃ重量％がより低くなる。例えば、ワッフル型ナゲットの頂部側のＳＥＭ−ＥＤＳスキャン結果は、ワッフル型ナゲットの底部側のＳＥＭ−ＥＤＳスキャン結果と比較して、Ｓｃ重量％が比較的低いことを示した。いくつかの実施形態では、Ａｌ−Ｓｃ合金インゴット中において、Ｓｃの他の一貫性のない分布が存在し得る。いくつかの実施形態では、液体Ａｌ−Ｓｃ合金の少量の試料を収集し、急速に凝固させて、「スプラット」鋳造物８００Ｂを成形することができる。いくつかの実施形態では、スプラット鋳造物８００Ｂは薄く成形することができ、これにより、１回のスキャンで全体の厚さを分析して、誤差を低減することが可能となる。例えば、スプラット鋳造物をＳＥＭ−ＥＤＳスキャンすることによって、Ａｌ−Ｓｃ合金のＳｃ重量％をより正確に検出することができる。
【００８４】
いくつかの実施形態では、約２重量％以上のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造するために商業運転を実施することができる。いくつかの実施形態では、商業運転では、液体アルミニウムを含むカソードを使用することができ、Ｓｃ２Ｏ３を電気分解して例示的なＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ浴に溶解させることができる。参考として、図１に示すアルミニウム−スカンジウム相図では、約２重量％スカンジウムでは液相温度が約８００°Ｃとなることを示している。
【００８５】
いくつかの実施形態では、商業運転は２５０〜８００アンペアの電解槽を使用することができ、この場合、電流効率に応じて約１００〜２５０ｇ／時でＳｃを還元することができ、約５〜１２ｋｇ／時でＡｌ−２重量％Ｓｃ合金を製造することができる。いくつかの実施形態では、約５〜１２ｋｇのバッチを１時間毎にタップするか、または、約１００ｋｇのバッチを１日１回または１日２回タップすることができる。例えば、約１２０ｋｇの金属（例えば、密度２．２で約５５リットル）を有する内径４０ｃｍのるつぼは、４４ｃｍの金属深さを有し得る。追加の２０ｋｇ溶融塩浴（密度２．１）は、約７．６ｃｍの深さを有し得る。いくつかの実施形態では、上述したように、略最適な浴組成は、約２６．８重量％のＳｃＦ３、約２４．６重量％のＡｌＦ３、約４６．６重量％のＮａＦ、及び約２重量％のＳｃ２Ｏ３であり得る。いくつかの実施形態では、商用運転の各ステップは、下記の通りであり得る。
【００８６】
いくつかの実施形態では、最初のステップでは、９８ｋｇのＡｌを溶融させ、約１０００°Ｃに加熱し、るつぼに充填し、金属が浴に混合するのを最小限に抑えるように注意しながら、既に存在する２０ｋｇのＡｌ−２重量％Ｓｃに添加する。
【００８７】
いくつかの実施形態では、次のステップでは、約２５０〜８００アンペア（浴−金属界面で０．２〜０．６５Ａ／ｃｍ２）での電気分解を８〜２０時間行い、これにより、約４５〜９０％の電流効率で約２ｋｇのＳｃが生成する。いくつかの実施形態では、観察された電流効率は、例えば、このバッチサイズ及びタッピング周波数に必要な電解電流及び持続時間を決定することができる。例えば、２０ｋｇの電解質浴は、４００ｇのＳｃ２Ｏ３を含有することができ、３ｋｇのＳｃ２Ｏ３を連続的に添加することによって、この商業運転でＡｌ−Ｓｃ合金を製造することができる。
【００８８】
いくつかの実施形態では、次のステップでは、電解槽内に約２０ｋｇのＡｌ−２重量％Ｓｃを残して、約１００ｋｇのＡｌ−２重量％Ｓｃを除去（例えば、サイフォン）する（例えば、２０ｋｇＡｌ−２重量％Ｓｃを使用して、次の商業運転を開始することができる）。
【００８９】
いくつかの実施形態では、約２５０日／年にわたる約１００〜２００ｋｇ／日の製造速度は、単一の電解槽での約２５〜５０トン／年の製造速度に相当する。いくつかの実施形態では、年間５００トン製造するプラントは、これらの電解槽を約１０個備え、例えば、約５０００〜８０００Ａ総電流で、すなわち２００ｋＡで、上述のようにＡｌ及びＳｃを共還元することができる。
【００９０】
実施例
【００９１】
実験１〜３：液体アルミニウムに２重量％（ｗｔ％）のＳｃを電解採取して、２ｗｔ％のＳｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金（Ａｌ−２ｗｔ％Ｓｃ合金）を製造した。
【００９２】
ＳｃＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ−Ｓｃ２Ｏ３浴を使用して、３つの小規模電解実験を行った。実験１及び実験２では、２．０ｗｔ％Ｓｃ及び２．３ｗｔ％Ｓｃを含有するＡｌ−Ｓｃ合金を製造した。実験３では、３．４２ｗｔ％Ｓｃ及び３．４４ｗｔ％Ｓｃを含有する２つのバッチＡｌ−Ｓｃ合金を製造した。
【００９３】
実験１〜３の実験パラメータ：
【００９４】
浴組成：ＮａＦ−ＡｌＦ３−ＳｃＦ３−Ｓｃ２Ｏ３
【００９５】
基準電極：Ａｌ−２０ｗｔ％のＳｃを含む小さなＢＮカップに挿入したＷワイヤ。
【００９６】
るつぼ温度：１０００°Ｃ。
【００９７】
実験１〜３の実験手順（注記：実験１及び実験２は、ステップ８で終了した）：
【００９８】
１．傾斜インサートを備えたるつぼの底部にＡｌ金属を配置し、誘導溶融装置を使用してグローブボックス内のＡｌ金属を融解させる。
【００９９】
２．化学ドラフトチャンバ内で、３００ｇのフラックス成分を予混合する。
【０１００】
３．ＴｉＢ２カソード、外径０．３７５インチのグラファイトアノードを用意する。
【０１０１】
４．るつぼをケージに入れる。
【０１０２】
５．るつぼに、予混合した浴粉末を添加する。
【０１０３】
６．るつぼを入れたケージを電解槽内に配置し、１０００°Ｃに加熱する。
【０１０４】
７．分析のために、浴と金属の両方から少量（約１〜３ｇ）の試料を取り出す：浴についてはＬＥＣＯ酸素分析を行い、金属についてはＩＣＰ−ＯＥＳ分析を行う。
【０１０５】
８．最大８Ｖ、最大１０Ａで電気分解を行い、約１５Ａ／時の総電荷、例えば、約６０％の電流収率で６ｇのＳｃ２Ｏ３を還元するのに十分な電荷を得る。
【０１０６】
９．鋼鉄製のおたまを使用して、約８０ｇのＡｌ−Ｓｃ合金を取り出す。
【０１０７】
１０．ＬＥＣＯ酸素分析のために、少量（１〜３ｇ）の試料を浴から取り出す。
【０１０８】
１１．６ｇのＳｃ２Ｏ３を供給し、それが溶解するまで浴を攪拌する。
【０１０９】
１２．Ａｌ金属を添加する。
【０１１０】
１３．ステップ１９から約２〜４回繰り返す。
【０１１１】
１４．室温に冷却し、分解する。
【０１１２】
実験１〜３の結果と考察
【０１１３】
実験１及び実験２では、内部に段差を有する特注のるつぼを使用し、ＴｉＢ２カソード接続に巻き付けられたＡｌ金属が配置される深い部分と、アノード及び基準電極が配置される浅い部分とを形成した。これらの実験は、１５ｇのＡｌ金属と１００ｇの浴から開始した。
【０１１４】
実験１では、金属は、２．０ｗｔ％Ｓｃで、２１ｇまで成長した。これは、Ｓｃの電解採取と共に、浴から金属へのかなりのＡｌ電解採取を示しているように思われる（図２の電解槽２００に示したように）。しかしながら、アノードを浸漬するのに十分な浴がもともと存在していないことにより、浴を追加した結果、ＴｉＢ２カソードに取り付けられた鋼製リードに浴が接触してしまい、金属も、５ｗｔ％のＦｅを含有することとなった。
【０１１５】
実験２では、るつぼの形状を変更することにより、浴と鋼鉄製リードとの間の接触を排除した。この場合、金属は、２．３１ｗｔ％Ｓｃで、１７．５ｇまで成長した。
【０１１６】
実験３では、底部に金属をプールするために、平らな底部を有する外径５インチ、深さ４インチの等成形グラファイト、２０°等成形グラファイト傾斜インサート５５０Ａを使用した（図５Ａ参照）。これは、３００ｇの浴を保持し、１００ｇのＡｌを最初に電解槽に配置した。それらの間に酸化スカンジウムを供給して、電解を２回行った。
【０１１７】
観察及び測定結果は次の通りであった：
【０１１８】
１回目のステップ７（浴及び金属の試料の取り出し）の実施：金属はＡｌ−３．１４ｗｔ％Ｓｃであり、いくらかの金属熱反応を示した。浴は、５．３７重量％のＳｃ２Ｏ３に相当する１．８７％の酸素、または、フッ化物の不純物として添加された２．５０重量％のＡｌ２Ｏ３が添加された２重量％のＳｃ２Ｏ３を含む。
【０１１９】
１回目のステップ８（電気分解）の実施：１７．５Ａ／時で電流を印加すると、ＣＯ２の発生に起因すると考えられる少量のバブリングがアノードで観察された。
【０１２０】
１回目のステップ９（Ａｌ−Ｓｃ合金の取り出し）の実施：電気分解によって添加された約０．３ｇのＳｃに相当する、初期濃度に対してＳｃが０．３０ｗｔ％増加したＡｌ−３．４４ｗｔ％Ｓｃ合金を８０ｇ取り出すことに成功した。これは、電解後のＳｃ量がより小さい実験１及び実験２の両方と異なっていた。
【０１２１】
１回目のステップ１０（浴試料の取り出し）の実施：浴酸素は、０．４０重量％、例えば、４．０Ａ／時に対応する１．２ｇ酸化物イオンによって低下し、１７．５Ａ／時の電流印加に対して２３％の電流収率を示した。電解によって金属に添加された０．３ｇのＳｃは、浴酸素の０．０５重量％の還元に対応して、浴から０．４６ｇのＳｃ２Ｏ３を消費することができる。したがって、酸素の還元量の０．３５ｗｔ％は、Ａｌ２Ｏ３の還元量２．２３ｇに相当し、１．１８ｇのアルミニウムが生成される。
【０１２２】
１回目のステップ１１（６ｇのＳｃ２Ｏ３の供給）の実施：よく溶けたように見えた。
【０１２３】
１回目のステップ１２の実施：８０ｇのＡｌ金属を添加し、グラファイトロッドで攪拌し、電解槽内に存在する約２０ｇの金属と凝集させる。
【０１２４】
２回目のステップ８（電気分解）の実施：１４．７Ａ／時で電流を印加した。
【０１２５】
２回目のステップ９（Ａｌ−Ｓｃ合金の取り出し）の実施：１回目のステップ９の結果と非常に近い６０ｇのＡｌ−３．４２ｗｔ％Ｓｃ合金を取り出すことに成功した。金属熱反応と電解反応との組み合わせによって、約２．７ｇのＳｃが、新たに追加されたＡｌ金属に添加された。
【０１２６】
２回目のステップ１０（浴試料の取り出し）の実施：浴は１．２３ｗｔ％酸素を含んでおり、これは供給よりも酸化物還元が多いことを示している。１回目のステップ１０に対する０．２４ｗｔ％酸素の還元は、浴から消費された０．７２ｇの酸素に、１回目のステップ１１で添加された６ｇのＳｃ２Ｏ３から消費された２．０９ｇの酸素を加えたものに相当し、これにより、電気分解で消費された酸素は２．８１ｇとなる。
これは９．４３Ａ／時の電流印加に相当し、１４．７Ａ／時で電流を印加した場合の電流効率が６４％であることを示している。
【０１２７】
全体として、実験３は、３．４２〜３．４４％Ｓｃで、２回の実験で約１４０ｇの金属を製造した。供給量及び浴酸素濃度の低下に基づいて、元の浴から１．９ｇの酸素が消費され、これは酸化スカンジウム５．４ｇまたはスカンジウム３．５ｇに相当する。４．８ｇのスカンジウムが合金に添加され、スカンジウムの約７３％は酸化物還元に由来した。酸素消費量は浴からの酸化物の減少を示し、２回の実験間の類似性はある程度の再現性を示した。
【０１２８】
他の例
【０１２９】
図６は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（ｗｔ％）のばらつきを示す。小型インゴットＡｌ−Ｓｃ合金鋳造物６０２の４つの試料はそれぞれ、Ｓｃ濃度において、約０．１、０．４、１、及び１．９という比較的大きいばらつきを示した（例えば、ワッフル型鋳造物と比較した場合）。大型インゴットＡｌ−Ｓｃ合金鋳造物６０４の３つの試料もそれぞれ、Ｓｃ濃度において、約０．２、０．５、及び０．８という比較的高いばらつきを示した（例えば、ワッフル型の鋳造物と比較した場合）。ワッフル型Ａｌ−Ｓｃ合金鋳造物の４つの試料６０６はそれぞれ、Ｓｃ濃度において、約０．６、０．６、０．７、及び０．５という比較的低いばらつきを示した（例えば、小型鋳造物及び大型鋳造物と比較した場合）。
【０１３０】
図７は、本開示の実施形態による例示的な鋳造物中のＳｃ濃度（ｗｔ％）を示す。小型金型Ａｌ−Ｓｃ合金鋳造物の３つの試料７０２は、すべての合金にわたるＳｃ分布は、一貫性のないばらつきを示した（例えば、ワッフル型鋳造物と比較した場合）。第１の小型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約０．９重量％〜約４．８重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．８重量％であった。第２の小型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布のばらつきはほとんどまたは全くなく、平均Ｓｃ分布は約２．５重量％であり、第３の小型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２．９重量％〜約３．８重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約３．４重量％であった。
【０１３１】
図７を引き続き参照して、大型金型Ａｌ−Ｓｃ合金鋳造物の４つの試料７０４も、合金中のＳｃ分布は、一貫性のないばらつきを示した（例えば、ワッフル型鋳造物と比較した場合）。第１の大型金型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％〜約２．９重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．５重量％であった。第２の大型金型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２．１重量％〜約３．９重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約３重量％であった。第３の大型鋳型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布のばらつきはほとんどまたは全くなく、平均Ｓｃ分布は約３．１重量％であった。第４の大型金型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約１．２重量％〜約３．２重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．２重量％であった。
【０１３２】
図７を引き続き参照して、ワッフル型Ａｌ−Ｓｃ合金鋳造物の４つの試料７０６は、すべてのインゴットにわたるＳｃ分布は一貫性のあるばらつきを示した（例えば、小型鋳造物及び大型鋳造物と比較した場合）。第１のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％〜約３．６重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．８重量％であった。第２のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％〜約３．３重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．７重量％であった。第３のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約２重量％〜約３．２重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約２．６重量％であった。第４のワッフル型試料は、すべての合金にわたるＳｃ分布は約３．９重量％〜約４．９重量％の範囲であり、平均Ｓｃ分布は約４．４重量％であった。
【０１３３】
図７を引き続き参照して、すべての鋳造物の試料（７０２、７０４及び７０６）は、２重量％よりも高い平均Ｓｃ重量％を示した。試料７０２では、第１の小型金型試料のＳｃ分布のばらつきが比較的大きく、試料の少なくとも一部は２重量％未満のＳｃ含有量を示した。試料７０４では、第４の大型金型試料のＳｃ分布のばらつきが比較的大きく、試料の少なくとも一部は２重量％未満のＳｃ含有量を示した。試料７０６では、４つのワッフル型鋳型試料のすべてが、すべての合金にわたるＳｃ分布が一貫性のあるばらつきを示し、ワッフル型試料の分析部分のすべては、２重量％以上のＳｃ含有量を示した。
【０１３４】
図８Ａ及び図８Ｂは、本開示の実施形態によるＡｌ−Ｓｃ組成物を検出する分析方法を示す。いくつかの実施形態では、Ｓｃの重量％は、ＳＥＭ−ＥＤＳ（走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法）スキャナを使用して分析することができる。例えば、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、円８０２Ａ、８０２Ｂは、１回のスキャンでＳＥＭ−ＥＤＳによって分析された領域を示す。ワッフル型ナゲット８００Ａのスカンジウム含有量を分析及び測定するために、３回の別々のスキャン８０２Ａを実施した。いくつかの実施形態では、Ｓｃの重量％は、鋳型の底面でより高くなる。液体Ａｌ−Ｓｃが鋳型内で凝固すると、より重く、より高密度のＳｃ金属が鋳造物の底部に沈降し、これにより、鋳造物の底部側ではＳｃ重量％がより高くなり、鋳造物の頂部側ではＳｃ重量％がより低くなる。例えば、ワッフル型ナゲットの頂部側のＳＥＭ−ＥＤＳスキャン結果は、ワッフル型ナゲットの底部側のＳＥＭ−ＥＤＳスキャン結果と比較して、Ｓｃ重量％が比較的低いことを示した。いくつかの実施形態では、液体Ａｌ−Ｓｃ合金の少量の試料を収集し、急速に凝固させて、「スプラット」型鋳造物８００Ｂを成形することができる。そして、スプラット型鋳造物のＳＥＭ−ＥＤＳスキャンでは、Ａｌ−Ｓｃ合金のＳｃ重量％をより正確に検出することができる。
【０１３５】
図９は、本開示の実施形態による電解槽内に異なる電流を印加することによって製造されたＡｌ−Ｓｃ合金試料を示す。実験中、ＣＦ４やスラッジ層を生成することなくＡｌ−Ｓｃ合金を製造するための２つの運転ポイントを特定した。この２つの運転ポイントは、約３０〜４０アンペアの範囲で動作する電解槽、及び約１４〜１８アンペアの範囲で動作する電解槽である。電解槽をこれらの運転ポイントで運転し、例えば、Ａｌ−Ｓｃ合金中の電流収率及びＳｃ濃度を決定した。電解槽（例えば、約４インチの内径を有する）に３０Ａの電流を印加することにより、Ａｌ−Ｓｃ合金試料（９０２、９０４、９１２、９１４、９１８及び９２０）を製造した。製造されたＡｌ−Ｓｃ合金は、約２．７〜３．３重量％のＳｃ含有量を有し、電流収率は約４５〜５５％であった。電解槽（例えば、約４インチの内径を有する）に１６Ａの電流を印加することにより、Ａｌ−Ｓｃ合金試料（９０８及び９１０）を製造した。製造されたＡｌ−Ｓｃ合金試料は、約２．１〜２．５重量％のＳｃ含有量を有し、電流収率は約１８〜２９％であった。１６Ａでの運転中、アノードでのガス発生はほとんどまたは全く観察されず、これは、電気分解反応が最小限に抑えられたことを示す。電解槽（例えば、約４インチの内径を有する）に印加される３０Ａの電流は、約０．４Ａ／ｃｍ２の電流密度に換算することができ、電解槽（例えば、約４インチの内径を有する）に印加される１６Ａの電流は、約０．２Ａ／ｃｍ２の電流密度に換算することができる。試料９０６及び試料９１６については、プロセス中に塩成分を添加した。
【０１３６】
本開示を読むことにより当業者には明らかなように、本発明のさらなる実施形態は、上記に具体的に開示された形態以外の形態で提示することができる。したがって、上記の特定の実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと見なされるべきである。当業者であれば、通常の実験のみを用いて、本明細書に記載された特定の実施形態に対する多数の等価物を認識するか、または確認することができるであろう。上記の例示的な実施形態により本発明を説明及び図示したが、本開示は、単なる例示であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の実施形態の詳細に様々な変更を行うことができることを理解されたい。本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。開示された実施形態の特徴は、本発明の範囲及び精神の範囲内で、様々な方法で組み合わせたり、再構成したりすることができる。本発明の範囲は、上記の説明に含まれる実施例に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲及びその等価物に記載されている通りである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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