CN103215465B - 一种稀土镁合金制品的制备方法 - Google Patents
一种稀土镁合金制品的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种稀土镁合金制品的制备方法,将脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,加入脱水氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,稀土离子和镁离子在阴极共电沉积生成稀土镁中间合金;然后在熔炼设备中,将稀土镁中间合金和金属镁配料混合,稀土金属与镁的摩尔比为(0.1~1.0):100;对稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,将熔炼剂浸入熔融物内部并搅动,然后将温度升高到780℃并静置5~20min使之分成上中下三层,取中间熔融层作为稀土镁合金熔融液;经预冷却后浇注,再冷却成形,进行机械加工及热处理最后进行表面处理使稀土镁合金制品的表面包覆一层致密的保护膜。该制备方法制备效率高、过程安全可靠、环境友好,能耗低。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土镁合金制品的制备方法,属于稀土镁合金技术领域。
背景技术
航空或航天等领域中,高性能镁合金制品有着十分重要的地位和广阔的应用前景,为了使镁合金具有高强度、耐高温、耐腐蚀性和抗氧化燃烧性等性能,稀土元素应用于镁合金的研究重新受到重视,稀土镁合金可以克服传统镁合金材料存在的缺点,满足现代工业实现轻量化、节能、环保、安全、舒适、可持续发展等对材料所提出的要求。稀土作为主要的合金元素或微合金化元素在镁合金研究领域发挥着越来越重要的作用。稀土镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料,稀土镁合金具有高的比刚度和比强度,良好的阻尼性和减震性,优良的电磁屏蔽,抗电磁干扰性能,易于加工成形,被誉为“21世纪绿色工程材料”。
1.现有稀土镁合金制品的制备工艺存在的主要问题
稀土镁合金制品的制备主要包括稀土镁中间合金制备、稀土镁合金制备、稀土镁合金熔炼、浇注成形、热处理等工艺。
在制备稀土镁合金时,由于稀土元素与金属镁的熔点、密度等物性参数相差较大,直接熔炼配制合金,容易造成稀土元素分布不均匀,影响稀土镁合金的性能,因而需要先采用合适的方法先制备出稀土镁中间合金,然后才能配制成稀土元素均匀分布的稀土镁合金,才能提高稀土镁合金的各方面性能。
稀土镁中间合金,特别是中重型稀土镁中间合金是制备稀土镁合金的重要材料。通过在镁合金中添加稀土镁中间合金,可以提高镁合金强度、延伸率、耐热、耐蚀性能和高温抗蠕变性能。现有技术中制备稀土镁中间合金主要有以下三种方法:(1) 对掺法:对掺法难以避免合金成分偏析,因为镁和多数稀土金属在比重和熔点上相差悬殊,稀土不能很好地分散到镁中;(2) 镁热还原法:镁热还原法间歇式生产成本高;(3) 上浮液态阴极电解法:上浮液态阴极电解法产品分散于电解槽上中下各部分,不好收集。不论哪种方法都必须采用金属镁,有的还要先制稀土金属。
现有稀土镁合金制品的制备工艺存在以下不足之处:(1)稀土金属的制备是采用稀土氧化物或者稀土盐为原料,采用熔融电解方法或者热还原法制得,由于稀土金属反应活性很高,两种方法制备稀土金属的技术要求高、操作条件苛刻、稀土金属的制备成本昂贵。(2)因为稀土元素金属与镁的物理性质特别是熔点和密度的差别大,采用传统的合金熔融浇铸技术,由于稀土金属熔点较高、密度较小、性质活泼,在加入过程中存在稀土元素易氧化以及加入后稀土镁合金成份不均匀等问题,给实际操作造成极大困难。(3) 制备效率低、安全可靠性差。
2.现有稀土镁合金制备过程中所用熔炼剂存在的主要问题
为了制备得到满足要求的稀土镁合金,必须进行稀土镁合金的制备和熔炼。但是镁合金比较活泼,当镁合金在大气中熔炼时, 为了防止镁液表面的氧化、燃烧, 常使用熔炼剂进行保护。因此,熔炼剂保护作为一种传统的镁合金熔炼方式在现代工业中仍然有着广泛的应用,熔炼剂在熔炼过程中除了起到隔绝空气防止镁合金液的氧化燃烧之外,也作为精炼剂来使用,以除去由于氧化而生成的非金属夹杂物来净化合金熔体,提高镁合金产品性能。
现有的的镁合金大多采用氯化盐和碳酸盐组成熔炼剂,采用SF6、惰性气体等作为熔炼保护剂。采用氯化镁、氯化钾、氯化钠、氯化钡和氟化钙组成的熔炼剂中,氯化镁在熔炼过程中会和氧气、水发生反应而在镁合金的液面上形成H2和HCl保护气氛,阻缓了液面的氧化。此外,液态的氯化镁对镁合金熔体中的MgO、Mg3N2等非金属夹杂有着良好的润湿性,有着较强的去除氧化物夹杂的能力,因而是大多数镁合金熔炼剂的主要成分。但是在熔炼稀土镁合金时,由于稀土元素活泼的化学性易于和氯化镁发生反应,发应式为:2RE+3MgCl2→2RECl3+ 3Mg,从而使得稀土元素在熔炼过程中损失掉,使得合金中的稀土元素的含量大大降低。含有氯盐和氟盐的熔炼剂, 不仅在熔炼剂的配制过程中产生大量的Cl2、HCl、HF 等有害气体, 同时, 熔炼剂在镁合金熔炼的过程中也还会产生第二次气体排放, 极大地腐蚀环境、污染空气。因此 寻找氯盐和氟盐的代用材料, 或者减少氯盐和氟盐的使用量, 减少污染, 提高保护效果, 是开发镁合金液保护熔炼剂的努力目标。
自1990 年起, SF6 和类似物的高温室效应(是CO2的24900 倍, 并能在大气中长期存在3200年)迫使镁工业用户必须寻找技术上可行, 经济、环保的替代保护气体。在人类对环境质量的重新审视和全球正为减少温室效应而不懈努力的今天, SF6保护熔炼技术又受到了新的挑战。减少SF6 的使用, 或者研制更有效、无副作用的SF6 气体代用品成为先进镁合金熔炼技术的重要开发内容。使用现有的保护熔炼剂熔炼时还会带来以下问题:(1) 高温下产生某些易挥发有毒气体如HCl、Cl2等。所用熔炼剂的密度一般较大, 通常密度在2. 0 g/ cm3 以上, 大于镁合金的密度。因此, 在熔炼过程中熔炼剂会下沉, 需要不断添加熔炼剂,而且部分熔炼剂作为熔渣残留在合金液中形成夹杂物, 降低合金的力学性能。这也是使用熔炼剂熔炼后镁合金铸件的常见缺陷。(2) 挥发的气体如HCl有可能渗入合金液中, 成为材料使用过程中的腐蚀源, 加速材料腐蚀, 降低使用寿命。⑶以氯化镁、氯化钾、氯化钠、氯化锂等固体物材为原料在干燥箱中干燥,然后采用球磨机上研磨混合技术,然后用机械筛100目筛过筛,用干燥密闭的容器储存备用。生产效率低,产品颗粒大,反应堆密度大,严重影响产品的使用效率。⑷产品容易结块,首先制备粒径小的葡萄糖颗粒,使产物中杂质含量高。
3.现有稀土镁合金制品的表面处理存在的主要问题
由于镁的化学性质十分活泼,标准电极电位很负,在空气中易氧化,氧化反应放出的热不能及时散失会发生燃烧,导致镁合金的耐腐蚀性和抗氧化燃烧性很差,在腐蚀性介质中很容易发生严重的腐蚀。镁的氧化物MgO 的PBR(Pilling~Bedworth Ration,形成的氧化膜完整性的一个重要判据,定义为氧化物与形成该氧化物消耗的金属的体积比)值为0. 81,在金属镁或者镁合金形成的表面膜疏松多孔,对基体保护能力差,难以满足在腐蚀环境使用的条件。因此,迄今为止,镁合金材料的应用仍然非常有限,镁合金的腐蚀与防护问题越来越受到人们的重视。为了实现镁合金的大规模工业应用,必须研发镁合金表面处理技术,对镁合金构件进行有效保护。
镁合金的腐蚀方式通常有两种情况:一是在一般环境中的腐蚀,称“一般腐蚀”或“环境腐蚀”,也称“化学腐蚀”,二是在原电池环境下产生的“电化学腐蚀”。在腐蚀性介质中,化学活性很高的镁基体很容易与合金元素和杂质元素形成腐蚀电池,诱发电偶腐蚀。 此外,镁合金的自然腐蚀产物疏松、多孔,保护能力差,导致镁合金的腐蚀反应可以持续发展。在解决镁合金耐腐蚀性和抗氧化燃烧性问题的研究和开发工作主要集中在以下三个方面:
(1) 合金化技术:采用纯镁合金化技术提高耐腐蚀性和抗氧化燃烧性能。合金化提高镁合金的耐腐蚀性和抗氧化燃烧性和阻燃性基本思想,在镁合金中添加适量的低氧化电位和PBR值大的合金元素,改变合金液表面的氧化膜结构,将原来疏松的氧化镁膜转变为一种致密的复合氧化膜能够改善性能。代表性的解决方法是在镁合金中添加具有耐腐蚀性和抗氧化燃烧性和阻燃性的稀土元素等金属元素能够显著改善镁合金的性能。但是,采用合金化技术提高镁合金的耐腐蚀性和抗氧化燃烧性和阻燃性的方法,仍然存在镁合金易发生电化学腐蚀的缺点。通过合金化和采用高纯镁合金可提高镁合金的耐腐蚀性和抗氧化燃烧性能,对电化学腐蚀的效果很有限, 因为镁相对于几乎所有其它金属都是阳极。而且通过合金化和采用高纯合金来提高腐蚀性和阻燃性由于工艺的复杂性,增加了生产成本,影响了镁合金的推广应用。因此,如何解决镁合金铸件的腐蚀问题就成了一个决定镁合金应用前景的关键问题。
(2) 合理的设计和阴极保护:为了解决镁合金铸件的电化学腐蚀问题,在镁合金铸件设计、连接结构和装配方式等采用合理的方法减小或避免电化学腐蚀,同时采用阴极保护的方法进行改善。阴极保护是一种用于防止金属在电介质(海水、淡水及土壤等介质)中腐蚀的电化学保护技术,该技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流,使其产生阴极极化,当金属的电位负于某一电位值时,腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。根据提供阴极电流的方式不同,阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种,①牺牲阳极法:将一种电位更负的金属(如镁、铝、锌等)与被保护的金属结构物电性连接,通过电负性金属或合金的不断溶解消耗,向被保护物提供保护电流,使金属结构物获得保护;②外加电流法:将外部交流电转变成低压直流电,通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物,从而使腐蚀得到抑制。不论是牺牲阳极法还是外加电流法,其有效合理的设计应用都可以获得良好的保护效果。
(3) 表面处理或涂层工艺技术:采用表面处理或有效的涂层工艺技术在镁合金上施加保护性涂层。对镁合金进行表面改性和表面处理,在其上施加某种涂层,提高镁合金的表面性能,如耐磨性能、装饰性能,尤其是耐腐蚀性和抗氧化燃烧性能,是镁合金应用的重要研究领域,也是最容易推广镁合金应用的关键技术之一。镁合金表面处理技术的主要有以下三方面进行研发工作:①磷酸盐转化涂层:所制备的磷酸盐涂层的独立保护性和作为油漆基底的性能稍低于铬酸盐转化涂层;②阳极氧化涂层:主要有有火花阳极氧化涂层和无火花阳极氧化涂层,所制备的涂层均匀光滑;③金属涂层:主要采用复合镀层技术,镀层在盐雾腐蚀试验中可达小时膜基结合强度以上硬度。但是,由于镀层金属的电极电位远远大于镁,如果镀层有穿孔,反而会加速基体的腐蚀。而且这样的工艺复杂、成本较高,而且仅适合于形状简单零件的处理。
因此,研发在镁合金表面处理沉淀得到的化合物形成具有在镁合金表面保护膜的化学处理方法和技术特别重要且具有广泛的应用推广价值。
发明内容
本发明的目的在于,克服现有技术中存在的问题,提供一种稀土镁合金制品的制备方法,制备效率高、过程安全可靠、环境友好,能耗低。
为解决以上技术问题,本发明提供的稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤,⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金;⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为(0.1~1.0):100;⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为(1~5):100;⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置5~20min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液;⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到700℃~720℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料;⑺浇注及冷却成形:将模具预热至160℃~320℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后控温冷却得到稀土镁合金制品;⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在390℃~420℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6~8h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为4~8h,二级热处理温度为160℃~200℃;完成二级热处理后冷却至常温;⑼表面处理:对上一步得到的稀土镁合金制品进行化学表面处理,使稀土镁合金制品的表面包覆一层致密的保护膜。
相对于现有技术,本发明取得了以下有益效果:(1) 本发明采用熔融电解阴极还原技术,氯化镁和稀土氯化盐在阴极还原得到稀土金属和镁金属,一步法制备得到稀土镁中间合金,实现稀土金属、镁和稀土镁中间合金制备的同时进行,从根本上解决了稀土金属和金属镁因为物性差别大存在的合金制备难题;可以通过调节原料组分、控制熔融电解可以在阴极还原得到稀土组分和含量可控的稀土镁中间合金。(2) 充分利用熔融电解过程稀土金属和镁金属的共沉积特性,镁离子和稀土离子在熔融电解过程中得到稀土镁中间合金的低温液态下沉技术;充分利用了氯化镁和稀土氯化盐的共熔特性,大幅度降低了熔融电解的操作温度,制备效率高、过程安全可靠、环境友好,实现了稀土金属和稀土镁中间合金制备的关键技术突破,大幅度降低了能耗。(3)在熔融电解过程中,金属镁和金属稀土元素在阴极析出,氯气在阳极析出,在阳极析出的氯气具有高温的特性,使稀土氯化盐脱水产生水解产物REOCl2被氯化成为RECl3加入熔融物料。(4) 预冷却使熔融相中的稀土金属产生结晶颗粒析出,大幅度增加了浇铸成形过程中的晶核,使浇铸产品的组成、微观结构均匀,提高了产品的准晶球化率,弥补了传统产品因微观结构的问题而产生割裂现象,显著提高了镁合金机械性能和热稳定性。(5) 采用离心浇铸成形技术,将上一步得到的稀土镁合金熔融物中浇注到模具中进行充分混合到位,实现了定量浇注和精确充型,解决了复杂几何制品充型难的问题,大大提高成品率;采用二次热处理控制产品的微观结构,消除产品的内应力,提高稀土镁合金的强度。
作为本发明的优选方案,步骤⑷中所述的熔炼剂或覆盖剂的组分及摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=(80~90):(1~3):15;所述氯化盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙或氯化钡中的任意一种或者为任意几种的组合;所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸钠、三氟甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸镁、三氟甲基磺酸钙、三氟甲基磺酸钡、三氟甲基磺酸镧或三氟甲基磺酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合;所述碳酸盐为碳酸钾、碳酸镁、碳酸镧或碳酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合。该熔炼剂或覆盖剂可以采用同一种材料,起到各自的作用,该熔炼剂或覆盖剂环保节能,处理成本低,处理效果好,有价成分利用率高。具体表现在本发明在现有的熔炼剂的基础之上,对熔炼剂主要组分的质量百分比进行了调整,同时引入了三氟甲基磺酸盐。三氟甲基磺酸盐熔点为300℃左右,一般在400℃以下极其稳定,常温下为固体,主要作为性能优越的高温润滑剂和传热介质,也是氟碳表面活性剂合成和精细化工合成的主要原料,在作为熔炼剂组分具有以下功能:①表面活性剂功能:三氟甲基磺酸盐可以达到降低熔炼剂熔化后的粘度和表面张力的目的,熔炼剂易于在合金液的镁表面铺展使得熔炼剂有较好的保护效果,可以起到隔绝空气,防止镁合金液氧化燃烧的目的。②气体保护功能:三氟甲基磺酸盐在高温度下发生少量分解,起气体保护功能,是制备高纯度、高品质镁合金的技术关键。熔炼剂所释放出的气体可以增加熔炼剂对非金属夹杂的吸附能力,同时对合金液有物理除气的作用,加入的碳酸钠在熔炼过程中会不断分解释放出二氧化碳气体,使熔炼剂呈泡沫状不易下沉,减少了熔炼剂的使用量。③脱模剂功能:本发明的熔炼剂克服了现有熔炼剂的局限性,不仅可以用来熔炼含稀土的镁合金,由于调整了氯化盐的质量百分比,同时引入了碳酸盐使得熔炼后镁合金中的稀土收得率得到大幅度提高。同时碳酸盐的加入使得熔炼剂的精炼效果得到提高并且起到了改善熔炼环境的作用。
作为本发明的优选方案,步骤⑷中所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到85~95℃;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到85~95℃;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到85~95℃;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=(80~90):(1~3):15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至120~200 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用;所述氯化盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙或氯化钡中的任意一种或者为任意几种的组合;所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸钠、三氟甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸镁、三氟甲基磺酸钙、三氟甲基磺酸钡、三氟甲基磺酸镧或三氟甲基磺酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合;所述碳酸盐为碳酸钾、碳酸镁、碳酸镧或碳酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合。本熔炼剂或覆盖剂的制备方法工艺合理,环保节能,处理成本低,处理效果好,有价成分利用率高。具体表现在本发明在现有的熔炼剂的基础之上,对熔炼剂主要组分的质量百分比进行了调整,同时引入了三氟甲基磺酸盐。三氟甲基磺酸盐熔点为300℃左右,一般在400℃以下极其稳定,常温下为固体,主要作为性能优越的高温润滑剂和传热介质,也是氟碳表面活性剂合成和精细化工合成的主要原料,在作为熔炼剂组分具有以下功能:①表面活性剂功能:三氟甲基磺酸盐可以达到降低熔炼剂熔化后的粘度和表面张力的目的,熔炼剂易于在合金液的镁表面铺展使得熔炼剂有较好的保护效果,可以起到隔绝空气,防止镁合金液氧化燃烧的目的。②气体保护功能:三氟甲基磺酸盐在高温度下发生少量分解,起气体保护功能,是制备高纯度、高品质镁合金的技术关键。熔炼剂所释放出的气体可以增加熔炼剂对非金属夹杂的吸附能力,同时对合金液有物理除气的作用,加入的碳酸钠在熔炼过程中会不断分解释放出二氧化碳气体,使熔炼剂呈泡沫状不易下沉,减少了熔炼剂的使用量。③脱模剂功能:本发明的熔炼剂克服了现有熔炼剂的局限性,不仅可以用来熔炼含稀土的镁合金,由于调整了氯化盐的质量百分比,同时引入了碳酸盐使得熔炼后镁合金中的稀土收得率得到大幅度提高。同时碳酸盐的加入使得熔炼剂的精炼效果得到提高并且起到了改善熔炼环境的作用。④采用液液混合、喷雾分散创造颗粒技术、产品组成均匀、颗粒粒度小、反应堆密度低,产品质量好,提高了产品的利用率。⑤本发明制备方法简单,制备方便快速,为过程工业化提供了条件,且生产效率高,工艺合理方便,生产成本低,制备过程安全可靠,反应彻底,制备产品质量好,收率高,有利于大规模化、产业化生产。
作为本发明的优选方案,步骤⑼中所述的表面处理依次包括如下步骤:将摩尔浓度为0.02mol/L~0.12mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将所述稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的5~20倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至8~11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为5%~20%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为(1~5):100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在20℃~60℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为19kHz~40kHz,超声作用强度为2.0 W/cm2~5.0W/cm2,操作时间为10min~120min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在120℃~240℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。本发明将稀土镁合金制品在硫酸铈水溶液中依次投入氢氧化镁调节pH值,然后添加双氧水产生氢氧化高铈沉淀结晶,应用pH调控-双氧水氧化-沉淀结晶成膜保护耦合技术在镁合金制品的表面进行表面修饰,经过进一步水洗、干燥处理后得到表面修饰处理的稀土镁合金成品。利用硫酸铈在碱性条件下发生沉淀反应生成氢氧化铈,氢氧化铈难溶于水,在双氧水氧化下铈的化合价升为+4价,更加难溶于水,经过超声处理、干燥工序得到沉淀结晶成膜的保护表面。本发明的方案还具有如下优点:①充分利用金属镁在水溶液中发生反应生成的氢氧化镁为碱性的特点,当稀土镁合金制品置于硫酸铈的水溶液中时,在稀土镁合金制品与硫酸铈水溶液界面附近生成一层碱性溶液,稀土铈金属离子在碱性条件下生成氢氧化铈沉淀,氢氧化铈沉淀被氧化后得到溶度积更小的氢氧化高铈或二氧化铈水合物,结晶到稀土镁合金制品的表面。②充分利用氢氧化高铈的沉淀结晶生成的保护膜性质稳定的特性,氢氧化高铈脱水后成为二氧化铈,二氧化铈为白色或黄白色固体,难溶于水,常温、常压下是铈最稳定的化合物,不溶于一般的酸和碱,其水合物溶度积很小沉淀平衡常数即溶度积Ksp=4×10-51,能够完全沉淀时的pH在0.7~1.0之间,其他三价镧系元素的离子要在pH为6~8时才会沉淀出。③充分利用氢氧化铈容易发生氧化反应生成氢氧化高铈,并且生成的氢氧化高铈的溶度积Ksp=4×10-51,氢氧化铈的溶度积Ksp=1.5×10-20,氢氧化镁的Ksp=1.8×10-11(25℃),氢氧化镁呈碱性,加热到350℃失去水生成氧化镁,氧化镁跟水反应可得氢氧化镁,氢氧化高铈的溶解度比氢氧化镁的小得多。④充分利用超声技术强化质量传递过程,同时改善氢氧化高铈在稀土镁合金制品表面的沉淀结晶过程,进一步改善保护膜的生成速度和保护膜与镁合金制品的结合力,使生成的保护膜致密。利用超声波在介质中传播时产生的空化效应、机械效应和热效应,在一定条件下大大改善液固界面的表面更新、液固间的物质传递,提高过程中的速率和效率。超声波是弹性介质中的一种机械波,超声作用是利用超声振动能量来改变物质的结构、状态、功能或加速这些改变的过程。超声波应用于分离过程已显示出多方面的优越性。超声对分离的强化作用来源于超声空化作用,超声强化是指液相中的微小泡核在低频高强超声波作用下被激活,它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程,空化泡崩溃的极短时间内在空化泡周围产生高温高压,并伴有强烈的冲击波和速度极快的微射流产生,超声空化在微环境内产生各种附加效应,如湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应等,其中湍动效应可以使边界层减薄,增大传质速率;微扰效应强化了微孔扩散;界面效应增大了传质表面积。因此,超声空化可以从整体上强化分离过程的传质速率和效率。⑤充分利用pH调节-化学氧化-沉淀结晶成膜-表面吸附耦合技术的表面处理方法,在Mg(OH)2介质条件下沉淀结晶成四价铈的保护膜,通过调节表面处理液的原料组分和含量控制表面处理条件,得到表面膜的组分和结构可调节、可控制。氢氧化铈和氢氧化镁都有阻燃性质,因为它们有稀释和隔绝燃烧物表面空气(氧气)的作用,氢氧化镁分解生成的活性氧化镁固体则是耐高温物质,附着于可燃物表面进一步阻止燃烧进行。⑥该方法制备的稀土转化膜厚度均匀、表面致密性好、与基体结合良好,具有优异的耐腐蚀性和抗氧化燃烧性能,可以解决镁合金在冷却液中严重腐蚀的问题。且制备转化膜的处理液成分简单,不含传统化学转化工艺中所用的六价铬化合物,为无铬环保的稀土转化膜。⑦由于稀土镁合金制品其特殊的形状和环境限制了微弧氧化、气相沉淀、激光处理、喷涂处理等表面处理技术的应用,化学转化膜处理法可以克服以上技术不足。然而,现有的镁合金转化膜工艺与本发明相比均存在一定缺陷,如对环境污染严重、复合膜膜层不致密、配方溶液成分复杂等。⑧本发明克服了稀土镁合金制品容易存在的铸件性能差、生产周期长、污染重、效率低等问题,提高了稀土镁合金材料耐腐蚀性和抗氧化燃烧性能,对促进我国轻质结构材料产业升级和提高与之配套的先进制造技术水平,满足航空、航天、武器装备及车辆、机械、电子等轻量化要求具有重要的现实和战略意义,具有明确广阔的市场前景。
作为本发明的优选方案,步骤⑴中所述的稀土氯化盐为氯化铈、氯化镧、氯化镨、氯化钇、氯化铽、氯化镝或氯化铒中的任意一种或者为任意几种的组合。
作为本发明的优选方案,步骤⑴中所述的脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
作为本发明的优选方案步骤⑵中所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为(5~20): (1~10): 1,。
作为本发明的优选方案,步骤⑵中所述熔融电解的操作温度为700~900℃之间,阴极操作电流密度为10~30A/cm2;阳极操作电流密度为1~3A/cm2。
作为本发明的优选方案,步骤⑺中所述控温冷却为以10℃~100℃/min的冷却速度降温至80~90℃。
具体实施方式
实施例一
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化铈。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为5: 1: 1,熔融电解的操作温度为700℃,阴极操作电流密度为10A/cm2,阳极操作电流密度为1A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为0.1:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为1:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到85℃,所述氯化盐为氯化锂;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸锂;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述碳酸盐为碳酸钾;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=80:1:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为20kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至120℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置5min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到700℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至160℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以10℃/min的冷却速度降温至80℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在390℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为4h,二级热处理温度为160℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.02mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的5倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至8,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为5%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为1:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在20℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为19kHz,超声作用强度为2.0 W/cm2,操作时间为10min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在120℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例二
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化镧。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为12: 5: 1,熔融电解的操作温度为800℃,阴极操作电流密度为20A/cm2,阳极操作电流密度为2A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为0.6:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为3:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到90℃,所述氯化盐为氯化钠;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到90℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸钠;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到90℃,所述碳酸盐为碳酸镁;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=85:2:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为40kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至180 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置15min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到710℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至220℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以50℃/min的冷却速度降温至85℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在400℃下进行一级热处理,一级热处理时间为7h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为6h,二级热处理温度为180℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.08mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的10倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至10,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为12%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为3:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在40℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为30kHz,超声作用强度为3.5W/cm2,操作时间为60min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在180℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例三
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化镨。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为20: 10: 1,熔融电解的操作温度为900℃,阴极操作电流密度为30A/cm2,阳极操作电流密度为3A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为1.0:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为5:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到95℃,所述氯化盐为氯化钾;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸钾;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述碳酸盐为碳酸镧;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=90:3:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为60kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至200 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置20min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到720℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至320℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以100℃/min的冷却速度降温至90℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在420℃下进行一级热处理,一级热处理时间为8h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为8h,二级热处理温度为200℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.12mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的20倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为20%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为5:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在60℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为40kHz,超声作用强度为5.0W/cm2,操作时间为120min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在240℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例四
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化钇。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为15: 6: 1,熔融电解的操作温度为750℃,阴极操作电流密度为25A/cm2,阳极操作电流密度为2A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为0.4:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为2:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到85℃,所述氯化盐为氯化镁;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸镁;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述碳酸盐为碳酸铈;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=85:3:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为50kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至190 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置15min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到720℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至190℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以70℃/min的冷却速度降温至85℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在410℃下进行一级热处理,一级热处理时间为7h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为7h,二级热处理温度为170℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.09mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的15倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至10,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为15%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为4:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在50℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为30kHz,超声作用强度为4.0W/cm2,操作时间为100min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在200℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例五
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化铽。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为6: 6: 1,熔融电解的操作温度为800℃,阴极操作电流密度为25A/cm2,阳极操作电流密度为3A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为0.6:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为2:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到95℃,所述氯化盐为氯化钙;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸钙;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述碳酸盐为碳酸铈;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=90:1:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为30kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至170 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置16min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到700℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至300℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以80℃/min的冷却速度降温至85℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在410℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为8h,二级热处理温度为160℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.10mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的18倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为15%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为4:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在60℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为30kHz,超声作用强度为5.0W/cm2,操作时间为90min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在200℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例六
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化镝。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为18: 7: 1,熔融电解的操作温度为900℃,阴极操作电流密度为30A/cm2,阳极操作电流密度为3A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为1.0:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为5:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到85℃,所述氯化盐为氯化钡;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸钡;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述碳酸盐为碳酸镁;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=87:3:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为50kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至150 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置10min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到720℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至300℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以90℃/min的冷却速度降温至90℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在420℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为8h,二级热处理温度为160℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.09mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的16倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为17%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为4:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在60℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为35kHz,超声作用强度为4.0W/cm2,操作时间为90min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在200℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例七
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化铒。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为18: 10: 1,熔融电解的操作温度为780℃,阴极操作电流密度为25A/cm2,阳极操作电流密度为2A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为1.0:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为5:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到95℃,所述氯化盐为氯化镁;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸镧;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述碳酸盐为碳酸钾;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=90:3:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为50kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至200 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置10min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到710℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至320℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以70℃/min的冷却速度降温至80℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在390℃下进行一级热处理,一级热处理时间为7h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为4h,二级热处理温度为200℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.11mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的18倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为20%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为4:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在50℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为35kHz,超声作用强度为4.0W/cm2,操作时间为70min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在220℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例八
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化铈。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为20: 10: 1,熔融电解的操作温度为900℃,阴极操作电流密度为10A/cm2,阳极操作电流密度为1A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为0.7:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为4:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到85℃,所述氯化盐为氯化钠;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸钠;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到85℃,所述碳酸盐为碳酸铈;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=88:3:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为50kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至120℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置9min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到700℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至160℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以10℃/min的冷却速度降温至80℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在420℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为4h,二级热处理温度为200℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.09mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的18倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至10,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为18%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为4:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在50℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为25kHz,超声作用强度为4.0W/cm2,操作时间为100min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在190℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例九
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化镧。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为20: 10: 1,熔融电解的操作温度为900℃,阴极操作电流密度为20A/cm2,阳极操作电流密度为3A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为1.0):100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为5:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到95℃,所述氯化盐为氯化钾;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸镧;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到95℃,所述碳酸盐为碳酸镧;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=80:3:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为30kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至190 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置20min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到700℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至300℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以10℃/min的冷却速度降温至90℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在390℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为4h,二级热处理温度为200℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.08mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的16倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为18%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为5:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在50℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为40kHz,超声作用强度为2.0 W/cm2,操作时间为50min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在210℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
实施例十
本发明稀土镁合金制品的制备方法,依次包括如下步骤:
⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;所述稀土氯化盐为氯化镨。所述脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为10: 6: 1,熔融电解的操作温度为900℃,阴极操作电流密度为30A/cm2,阳极操作电流密度为3A/cm2。稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金。
⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为1.0:100。
⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为4:100。
所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到90℃,所述氯化盐为氯化锂;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到90℃,所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸锂;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到90℃,所述碳酸盐为碳酸钾;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=90:2:15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,在绝对压力为20kPa下进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至150 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用。
⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置18min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液。
⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到720℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料。
⑺浇注及冷却成形:将模具预热至160℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后以90℃/min的冷却速度降温至80℃得到稀土镁合金制品。
⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在390℃下进行一级热处理,一级热处理时间为8h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为8h,二级热处理温度为160℃;完成二级热处理后冷却至常温。
⑼表面处理:将摩尔浓度为0.02mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将上一步得到的稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的20倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至10,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为5%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为5:100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在30℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为19kHz,超声作用强度为5.0W/cm2,操作时间为120min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在240℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已,非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式,例如步骤⑴中的稀土氯化盐可以为氯化铈、氯化镧、氯化镨、氯化钇、氯化铽、氯化镝或氯化铒中任意几种的组合;步骤⑷中所述氯化盐可以为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙或氯化钡中任意几种的组合;所述三氟甲基磺酸盐可以为三氟甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸钠、三氟甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸镁、三氟甲基磺酸钙、三氟甲基磺酸钡、三氟甲基磺酸镧或三氟甲基磺酸铈中任意几种的组合;所述碳酸盐可以为碳酸钾、碳酸镁、碳酸镧或碳酸铈中任意几种的组合。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于,依次包括如下步骤,⑴稀土氯化盐前处理:将稀土氯化盐进行脱水分离前处理后,作为下一步熔融电解的原料;⑵熔融电解:将步骤(1)得到的脱水稀土氯化盐置于熔融电解设备中,以石墨坩锅为阳极,钼棒为阴极,加入经脱水的氯化镁、氯化钾和氯化钛进行分散混合并熔融电解,稀土离子和镁离子在所述阴极上共电沉积生成熔点接近稀土镁共晶温度的稀土镁中间合金;⑶配料混合:在熔炼设备中,将上一步得到的稀土镁中间合金和金属镁进行配料混合得到稀土镁合金混合物,所述稀土镁合金混合物中稀土金属与镁的摩尔比为(0.1~1.0):100;⑷升温熔炼:对所述稀土镁合金混合物进行加热使其熔融,加热至550 ℃时,在稀土镁合金熔融物的表面均匀撒上覆盖剂;继续加热至720 ℃并保持,用低碳钢勺盛装熔炼剂迅速浸入所述稀土镁合金熔融物的内部并上下搅动,使稀土镁合金熔融物循环流动且持续5min以上使非金属充分被所述熔炼剂吸附,脱除稀土镁合金熔融物中的杂质,所述熔炼剂与稀土镁合金熔融物的摩尔比为(1~5):100;⑸分离精制:对上一步稀土镁合金熔融物进行充分搅拌并将温度升高到780℃,然后静置5~20min使稀土镁合金熔融物分离形成上、中和下三层熔融液,撇去密度相对较小且浮渣较多的上层,密度相对较大的下层通过下排放口除去,中间熔融层作为分离精制的稀土镁合金熔融液;⑹预冷却:将上一步得到的稀土镁合金熔融液冷却到700℃~720℃,熔融相中的稀土金属为结晶中心产生结晶颗粒析出,形成稀土镁合金固液混合物作为下一步浇注的原料;⑺浇注及冷却成形:将模具预热至160℃~320℃,采用离心浇铸成形工艺,将上一步得到的稀土镁合金固液混合物浇注到所述模具中,然后控温冷却得到稀土镁合金制品;⑻机械加工及热处理:将上一步得到的稀土镁合金制品进行机械加工后,放入热处理炉中在390℃~420℃下进行一级热处理,一级热处理时间为6~8h;然后在热处理炉中进行二级热处理,二级热处理时间为4~8h,二级热处理温度为160℃~200℃;完成二级热处理后冷却至常温;⑼表面处理:对上一步得到的稀土镁合金制品进行化学表面处理,使稀土镁合金制品的表面包覆一层致密的保护膜;步骤⑷中所述的熔炼剂或覆盖剂的组分及摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=(80~90):(1~3):15;所述氯化盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙或氯化钡中的任意一种或者为任意几种的组合;所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸钠、三氟甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸镁、三氟甲基磺酸钙、三氟甲基磺酸钡、三氟甲基磺酸镧或三氟甲基磺酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合;所述碳酸盐为碳酸钾、碳酸镁、碳酸镧或碳酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合。
2.根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑷中所述熔炼剂或覆盖剂的制备依次包括如下步骤:①在配料混合设备中,配制80℃下的氯化盐饱和水溶液,然后将氯化盐饱和水溶液预热到85~95℃;在配料混合设备中,配制80℃下的三氟甲基磺酸盐饱和水溶液,然后将三氟甲基磺酸盐饱和水溶液预热到85~95℃;在配料混合设备中,配制80℃下的碳酸盐饱和水溶液,然后将碳酸盐饱和水溶液预热到85~95℃;②液液混合:将步骤①配制好的氯化盐饱和水溶液、三氟甲基磺酸盐饱和水溶液和碳酸盐饱和水溶液分别采用流体输送设备送入液液混合设备中进行液液混合,通过调节各自的流量使得液液混合后的混合溶液中的摩尔比如下,氯化盐:三氟甲基磺酸盐:碳酸盐=(80~90):(1~3):15;③喷雾分散:将步骤⑵中的混合溶液经过喷雾装置喷雾为溶液滴;④减压闪蒸: 上一步得到的溶液滴直接进入减压闪蒸设备中,进行蒸发脱水;⑤第一次气固分离: 将上一步蒸发脱水后的物料采用气固分离设备进行第一次气固分离,固相物料进入下一步,气相物料经过处理后排放;⑥流态化干燥:将上一步得到的固相物料送入流态化干燥设备中,由预热至120~200 ℃的空气对固相物料进行流态化干燥;⑦第二次气固分离: 将上一步经过流态化干燥的物料采用气固分离设备进行第二次气固分离,控制固相物料的含水率在0.2%以内,气相经过进一步除尘处理后排放;⑧将上一步得到的固体物料装入密闭的容器中储存,作为稀土镁合金熔炼剂备用;所述氯化盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙或氯化钡中的任意一种或者为任意几种的组合;所述三氟甲基磺酸盐为三氟甲基磺酸锂、三氟甲基磺酸钠、三氟甲基磺酸钾、三氟甲基磺酸镁、三氟甲基磺酸钙、三氟甲基磺酸钡、三氟甲基磺酸镧或三氟甲基磺酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合;所述碳酸盐为碳酸钾、碳酸镁、碳酸镧或碳酸铈中的任意一种或者为任意几种的组合。
3.根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑼中所述的表面处理依次包括如下步骤:将摩尔浓度为0.02mol/L~0.12mol/L的硫酸铈水溶液注入超声沉淀结晶设备,再将所述稀土镁合金制品置于所述超声沉淀结晶设备的硫酸铈水溶液中,所述硫酸铈水溶液的质量为所述稀土镁合金制品质量的5~20倍;然后向硫酸铈水溶液中添加氢氧化镁水溶液将pH值调至8~11,接着后向硫酸铈水溶液中添加双氧水产生氢氧化高铈,所述双氧水的质量百分浓度为5%~20%,双氧水使用量与所述硫酸铈水溶液的质量比为(1~5):100;以上过程中所述硫酸铈水溶液的温度控制在20℃~60℃,所述超声沉淀结晶设备的超声频率为19kHz~40kHz,超声作用强度为2.0 W/cm2~5.0W/cm2,操作时间为10min~120min;所述氢氧化高铈在超声作用下在稀土镁合金制品表面产生沉淀结晶形成致密的四价铈的保护膜;然后对稀土镁合金制品水洗并在120℃~240℃下干燥,得到表面包覆有二氧化铈的稀土镁合金制品。
4. 根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑴中所述的稀土氯化盐为氯化铈、氯化镧、氯化镨、氯化钇、氯化铽、氯化镝或氯化铒中的任意一种或者为任意几种的组合。
5.根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑴中所述的脱水分离前处理采用氯化盐熔融-脱水耦合工艺,利用稀土氯化盐电解时阳极产生的氯气与熔融的稀土氯化盐进行气液接触实现脱水分离,使脱水时产生的水解产物被氯化成为RECl3加入稀土氯化盐熔融物中。
6.根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑵中所述氯化镁、氯化钾和氯化钛的摩尔比为(5~20): (1~10): 1。
7.根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑵中所述熔融电解的操作温度为700~900℃之间,阴极操作电流密度为10~30A/cm2;阳极操作电流密度为1~3A/cm2。
8.根据权利要求1所述的稀土镁合金制品的制备方法,其特征在于:步骤⑺中所述控温冷却为以10℃~100℃/min的冷却速度降温至80~90℃。
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