CN106011506A - 一种含稀土镁硼的镍氢合金制备设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备及方法，属于熔炼合金领域，该制备设备包括熔炼‑浇注罐、升降‑搅拌机构、感应熔炼炉、坩埚、浇注模具、浇注模具驱动装置、滑道和冷却水循环系统，并且熔炼‑浇注罐分别与保护气体注入装置和抽真空装置相连通。当合金熔化后在真空下向熔炼‑浇注罐中注入保护气体加压，在高压下加入镁块，并快速搅拌，熔体制备完成后对浇注模具冷却、浇注。采用本发明的制备设备及方法生产的合金质量稳定，组织致密，成分偏析小，满足进一步加工的要求，且该装置易于推广，适合含稀土镁硼的镍基储氢合金规模化生产，材料成品率高。

Description

一种含稀土镁硼的镍氢合金制备设备及方法

技术领域

本发明涉及一种合金的制备设备及方法，具体涉及一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备及方法，属于合金熔炼领域。

背景技术

清洁、环境友好的氢能的迅速发展，将会使其成为低碳时代“新能源宠儿”。氢能储存材料之一为贮氢合金，而贮氢合金主要作为低排放混合电动车(HEV)用Ni-MH动力电池的负极材料。以贮氢合金为负极材料的Ni/MH二次电池具有耐过充过放能力强，能量密度高，循环寿命好，无公害以及无记忆效应等优点，因而获得了广泛的应用。Ni/MH电池由于其优越的电化学性能因而被认为是极具希望的混合动力车(HEV)的辅助电源。而且中国工业和信息化部在2009年颁布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》中就以镍氢电池为辅助动力的混合动力车归类为成熟产品，允许其在全国范围内销售使用，这将为Ni-MH电池的发展和应用带来新的机遇。

中国专利申请号CN200810034113.8公开了一种La-Mg-Ni系贮氢电极合金的改性方法，属于金属功能材料技术领域。该方法主要包括以下步骤：将真空悬浮熔炼制得的La-Mg-Ni系合金，放入反应釜中，然后将反应釜放入加热炉中，将反应釜连同加热炉一起放入0.5～6T范围内的稳恒强磁场中；将加热炉按照一定升温速度升温到800～900℃，保温之后随炉缓冷，合金取出后即可实现对La-Mg-Ni系合金的改性处理。经过本发明方法处理的La-Mg-Ni系合金具有电化学容量高、放电平台性能和放电稳定性好等特点。但是，该发明涉及的稳恒强磁场不容易实现，不利于成批生产。

中国专利申请号CN200810041445.9公开了一种电池电极材料领域的La-Mg-Ni系储氢合金的制备方法，首先设计La-Mg-Ni系储氢合金：(MmxMg(1-x))(NiyCozAlm)n+vTiO2，其中0.6＜x＜0.9 0.6＜y＜1；0.1＜z＜0.3；0.1＜m＜0.3；3.3＜n＜3.8；0.5＜v＜0.7；Mm是至少一种或几种稀土元素的混合；将原料按比例在高频悬浮氩气气氛中感应熔炼，然后将高频悬浮氩气气氛感应熔炼制得的合金锭进行氩气气氛退火得到所需合金锭，氩气环境下机械球磨合金锭，球磨时加少量纳米TiO2粉末。该发明制得的合金具有较高的电化学容量(达到390mAh/g以上)；具有较长的循环寿命；活化性能好；电化学催化性能好；原材料价格合适。但是，该发明涉及的机械球磨法很难成批生产，一定程度上限制了其广泛应用。

中国专利申请号CN200810204031.3公开了一种磁场下烧结制备La-Mg-Ni基AB3型贮氢合金的方法，属于金属功能材料和粉末冶金技术领域。该方法主要包括以下步骤：将La、Mg金属粉或熔盐法制备的中间合金La2Mg与Ni、Co或Cu粉中的一种或两种按AB3的原子摩尔质量比例混合后采用适当工艺预球磨；球磨混合的原料粉经200～500MPa压制成Φ15mm×(3～5)mm的圆饼后放入自制高压反应釜中，反复抽真空后充入0.5MPa氩气；将高压釜置于1～8T稳恒强磁场中加热至610～850℃进行烧结，缓慢降温后可得La-Mg-Ni基AB3型贮氢合金。本发明方法制备的材料具有活性高、成分均匀且杂质含量低等优点。电化学及PCT测试发现该贮氢材料容量高。具有较好的综合性能。但是该发明涉及的粉末状的稀土价格昂贵，成本提高，再者其极易氧化，影响合金的电化学性能。而且在较高的温度烧结时，不能避免Mg的挥发，使合金偏离设计组分。

中国专利申请号CN201510011344.7公开了一种高容量镍氢二次电池的负极制备方法，其中该储氢合金负极的活性材料由以下按原子配比的合金成分组成：La(0.5-a)NdaMgbCocNi(3.3-b-c-d-e)AldNbe，其中a＝0.1-0.15，b＝0.3-0.6，c＝0.2-0.25，d＝0.1-0.15，e＝0.03-0.05，该制备方法包括如下步骤：(1)制备储氢合金粉末，(2)配制负极浆料，(3)负极制备。本发明制备的负极，在储氢合金中的配比中使用能量密度高的钴镁作为主要材料，并添加了用Nd替代部分的La，并添加了Nb，改善了合金的循环稳定性；在负极材料的配料中，配制两种具有不同粒径的储氢合金粉末的浆料，以形成能量密度更高的负极涂层，并在两种浆料中分别加入了导电炭黑和导电碳纳米管以提高负极的导电性能，从而进一步提高了负极的循环稳定性。但是该发明所用的主要材料价格昂贵，而且制备方法较复杂，成批生产很困难。

发明内容

本发明旨在提供一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备及方法，以克服在熔炼过程中镁的蒸汽压高、镁易挥发等问题。本发明的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备及方法尤其适合用于含稀土镁硼的镍基储氢合金的成批制备中。

本发明的具体技术方案中一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述制备设备包括熔炼-浇注罐、升降-搅拌机构、感应熔炼炉、坩埚、浇注模具、浇注模具驱动装置、滑道和冷却水循环系统，所述熔炼-浇注罐分别与保护气体注入装置和抽真空装置相连通，

所述升降-搅拌机构包括加料-搅拌器，所述加料-搅拌器能够伸入所述坩埚内，所述坩埚置于所述感应熔炼炉内，用于容纳并熔化镍基合金，所述感应熔炼炉和所述坩埚上设置有水口，所述感应熔炼炉上设有坩埚倾转机构用以驱动坩埚使其向所述浇注模具倾转，所述浇注模具位于所述感应熔炼炉侧部、所述水口下方并且放置于所述滑道上，所述浇注模具驱动装置与所述浇注模具相连，用于驱动所述浇注模具在所述滑道上运动，所述冷却水循环系统对所述浇注模具进行冷却。

更进一步地，所述浇注模具左右两边分型，所述浇注模具分型面设有排气槽，每一半模具内部均开有水冷通道，所述水冷通道与所述冷却水循环系统相连。

更进一步地，所述熔炼-浇注罐的上部设置有密封盖板，所述熔炼-浇注罐的上部采用所述密封盖板与外部隔离，所述密封盖板上设有所述升降-搅拌机构和观察窗。

更进一步地，所述熔炼-浇注罐和所述密封盖板内分别设有水冷通道，所述水冷通道与所述冷却水循环系统相连，对所述镍基储氢合金制备设备进行冷却，

所述升降-搅拌机构还包括长销和陶瓷杆，所述加料-搅拌器套入所述陶瓷杆，利用所述长销与所述陶瓷杆径向固定，所述陶瓷杆能够穿过所述密封盖板，带动所述加料-搅拌器进入所述坩埚内，所述陶瓷杆能够通过其上端与所述升降-搅拌机构分离，所述陶瓷杆的下端为轴肩结构，所述陶瓷杆为ZrO陶瓷。

更进一步地，所述加料-搅拌器的主体为圆形桶状结构，材料为ZrO陶瓷，所述主体周围各壁设有通孔与外部相通，所述主体包括搅拌部件和盖板，所述搅拌部件设在所述主体的外圆面，所述搅拌部件为螺旋片状结构，所述盖板盖在所述主体上部。

更进一步地，所述感应熔炼炉上端盖有ZrO陶瓷盖板，所述ZrO陶瓷盖板中心设有通孔，用于所述加料-搅拌器进入所述坩埚。

更进一步地，，所述水口内置有陶瓷过滤网。

更进一步地，所述浇注模具上设有锁紧机构，所述锁紧机构包括弹簧、推杆，所述弹簧置于所述推杆上，所述弹簧和所述推杆的组合体有2个，彼此相对放置，所述浇注模具驱动装置前端设有连接环，所述锁紧机构可套住所述浇注模具驱动装置前端的连接环，实现连接。

本发明的具体技术方案中一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备成形方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、按La4-xRExMgNiy-zBz进行配料，其中，RE为La、Ce、Pr、Nd、Gd、Sm、Y中的一种或两种元素，B为Cu、Al、Mn、Fe、Zn、Sn、Si中的一种元素，将所配料通电熔化，获得相应熔体；

步骤2、待所加入配料完全熔化后，对熔体抽真空；

步骤3、真空度达到5-10Pa时，注入保护气体，压力升至1500-1800Pa，同时将熔体的温度降到1300℃-1320℃；

步骤4、向熔体中添加镁块，并对熔体进行反向搅拌，转速为150-200转/分，间隔1-3分钟正向搅拌，循环往复10-13min；

步骤5、转速提升到300-400转/分，间隔5-10分钟进行反向搅拌，循环往复30-40min，熔体制备完成；

步骤6、将步骤5所获得的熔体保温在1300℃-1400℃，等待浇注；

步骤7、对浇注模具冷却，进行浇注。

更进一步地，在所述步骤1中x、y、z的取值范围为0≤x≤2，16≤y≤18，0≤z≤5，所述制备成形方法利用权利要求1～8中任一项所述制备设备实现。

本发明专利的优点：

一、通过对熔炼-浇注罐抽真空后注入保护气体，使压力远高于大气压，在高压下进行熔炼，并在加入镁块后进行快速搅拌，使镁液快速溶入熔体中，防止了镁块在加入熔体过程中燃烧及挥发，易于对熔体中镁成分进行控制。

二、通过浇注时对金属型进行冷却，促使熔体加速凝固，防止金属出现成分偏析，使合金组织致密。

三、本发明的设备结构巧妙，可操作性强，将镍基合金熔炼与浇注结合在一起，既保证了熔炼时镁成分可控，又防止了凝固时成分偏析，并且熔炼完成后可以方便地进行浇注，熔炼-浇注过程一气呵成，使材料的性能更加优异。

因此采用本发明的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备及方法，生产含稀土镁硼的镍基储氢合金质量稳定：内部无夹渣、气孔等缺陷，组织致密，成分偏析小，满足进一步加工的要求；该装置易于推广，适合含稀土镁硼的镍基储氢合金规模化生产，材料成品率较高。

附图说明

图1为本发明含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备的结构示意图；

图2为本发明制备设备中加料-搅拌器8的详细结构示意图；

图3为图1中浇注模具驱动装置18与锁紧机构17的详细结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例记载了一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，该合金设备包括用于制备镍基合金的熔炼-浇注罐1、升降-搅拌机构3、感应熔炼炉10、坩埚11、浇注模具16、浇注模具驱动装置18、滑道19和冷却水循环系统20。

如图1所示，熔炼-浇注罐1的上部采用密封盖板2与外部隔离，密封盖板2上设有升降-搅拌机构3和观察窗4。升降-搅拌机构3包括加料-搅拌器8、长销23和陶瓷杆25(见图2)，加料-搅拌器8位于熔炼-浇注罐1内，用于对熔炼-浇注罐1内的熔体进行加料及搅拌。如图2所示，加料-搅拌器8的主体24为圆形桶状结构，材料为ZrO陶瓷，周围各壁设有通孔与外部相通，主体24的外圆面设有搅拌部件21，用以对熔体进行搅拌，搅拌部件21为螺旋片状结构。主体24上部设有盖板22，加料-搅拌器8加入用金属镍纸包裹的镁块后，盖上盖板22，从升降-搅拌机构3卸下陶瓷杆25，从上端套入加料-搅拌器8后用长销23径向固定，陶瓷杆25下端为轴肩结构，材料为ZrO陶瓷，陶瓷杆25可带动加料-搅拌器8伸入熔炼-浇注罐1中合金熔体内。

如图1所示，熔炼-浇注罐1的内部设置感应熔炼炉10、坩埚11、浇注模具16、浇注模具驱动装置18、滑道19。坩埚11置于感应熔炼炉10内，用于容纳并熔化镍基合金，坩埚11和感应熔炼炉10上设置有水口14，水口14内置有陶瓷过滤网13。熔炼炉10上设有坩埚倾转机构9，用以驱动坩埚11使其向浇注模具16倾转，其采用气缸推动实现浇注，从而实现浇注时坩埚11液面平稳，通过陶瓷过滤网13防止熔体表面覆盖着氧化物卷入液流流入浇注模具16中。镍基合金熔化后，在感应熔炼炉10上端盖上ZrO陶瓷盖板12，其中心设有可保证加料-搅拌器8进入坩埚11的通孔，其目的是隔绝感应熔炼炉10中热量辐射防止加料-搅拌器8中镁块氧化。

如图1所示，浇注模具16位于熔炼炉10侧部，水口14下方并且放置于滑道19上，浇注模具驱动装置18为推拉气缸，推拉气缸与浇注模具16相连，用于浇注模具16在滑道19上运动。浇注模具16上设有锁紧机构17(见图3)，锁紧机构17包括弹簧26、推杆27，弹簧26置于推杆27上，弹簧26和推杆27的组合体有两个，彼此相对放置，推拉气缸前端设有连接环，锁紧机构17可套住推拉气缸前端的连接环，实现连接。如图1所示，浇注模具16由两半模具扣合在一起组成，左右两边分型，在浇注模具16分型面设有排气槽，避免浇注模具16“憋气”，防止了镍基合金熔体因吸气而产生氧化夹杂等。在浇注模具16每一半模具内部均开有水冷通道15，与冷却水循环系统20相连，用以在浇注过程中对浇注模具16进行冷却。同时冷却水循环系统20也与熔炼-浇注罐1和密封盖板2中的水冷通道相连，用以对密封罐进行冷却。

熔炼-浇注罐1的侧壁分别与保护气体注入装置6和抽真空装置7连接，且其侧壁上设有便于观察的压力表5。

在使用时，按La_4-xRE_xMgNi_y-zB_z进行配料，RE为La、Ce、Pr、Nd、Gd、Sm、Y中的一种或两种元素，B为Cu、Al、Mn、Fe、Zn、Sn、Si中的一种元素，0≤x≤2，16≤y≤18，0≤z≤5。将所配干净料板切块置于坩埚11中，通电开始进行合金板料熔化。同时将镁块用金属镍纸包裹置于加料-搅拌器8中，并将加料-搅拌器8安装到升降-搅拌机构3位置上。待合金板料熔化后，在感应熔炼炉10上端盖上ZrO陶瓷盖板12，再盖上密封盖板2，并锁紧密封。启动抽真空装置7，通过熔炼-浇注罐1侧壁上的抽真空管道对熔炼-浇注罐1抽真空。抽真空是为了使后续加镁块过程中的合金熔液与空气完全隔离，可避免镁蒸发及氧化。采用本发明的方法，尤其是本实施例中所述配比所制备的含稀土镁硼的镍基储氢合金质量稳定：内部无夹渣、气孔等缺陷，组织致密，成分偏析小。本申请的发明人，对该成分配比之外也进行了类似实验，虽有一定效果，但均不如上述配比。

真空度达到5-10Pa时，启动保护气体注入装置6对熔炼-浇注罐1注入保护气体，压力升至1500-1800Pa，同时将熔体温度降到1300℃-1320℃。启动升降-搅拌机构3，降下加料-搅拌器8到熔体中，同时加料-搅拌器8进行反向搅拌，转速在150-200转/分，间隔1-3分钟正向搅拌，循环往复10-13min。转速提升到300-400转/分，间隔5-10分钟反向搅拌，循环往复30-40min。目的使瞬间熔化的镁液快速溶入熔体中，同时使各种合金元素在熔体中均匀分布。熔体制备完成，将熔体温度保温在1300℃-1400℃等待浇注。

熔体制备完成后，对置于滑道19上浇注模具16通水冷却。推拉气缸碰触到浇注模具16上的锁紧机构17时，依靠瞬间推力将两边推杆27顶开，并依靠两侧推杆27上的弹簧26的弹力将推拉气缸前端连接环套住，实现与浇注模具16连接。调整浇注模具16位置，以保证镍基合金熔液以平稳速度在浇注模具16型腔内流动。启动坩埚倾转机构9将坩埚11倾斜进行浇注，同时左右移动浇注模具16。

通过镍氢合金熔体制备过程中镁块的加压熔化及搅拌，阻止了镁块在加入过程中燃烧及挥发，实现了对熔体中镁成分的精确控制。在镍氢合金熔体制备后，对浇注模具16通水冷却浇注，加速了熔体凝固速度，使晶粒细化，避免了各合金成分的晶内偏析。

实施例2

在本实施例中，采用与实施例1相同的设备进行镍氢合金的制备。只是在本实施例中，按La_4-xRE_xMgNi_y-zB_z进行配料，RE为Ce、Pr，B为Zn，x＝1.7，y＝17.1，z＝3.5，将所配料通电熔化，获得相应熔体；待所加入配料完全熔化后，对熔体抽真空；在真空度达到7.8Pa时，注入保护气体，压力升至1670Pa，同时将熔体的温度降到1305℃；向熔体中添加镁块，并对熔体进行反向搅拌，转速为170转/分，间隔3分钟正向搅拌，循环往复13min；转速提升到350转/分，间隔5分钟进行反向搅拌，循环往复30min，熔体制备完成；将获得的熔体保温在1370℃，等待浇注；对浇注模具冷却，进行浇注。浇注后制备出的合金组织致密，成分偏析小，满足进一步加工的要求。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述制备设备包括熔炼-浇注罐(1)、升降-搅拌机构(3)、感应熔炼炉(10)、坩埚(11)、浇注模具(16)、浇注模具驱动装置(18)、滑道(19)和冷却水循环系统(20)，所述熔炼-浇注罐(1)分别与保护气体注入装置(6)和抽真空装置(7)相连通，

所述升降-搅拌机构(3)包括加料-搅拌器(8)，所述加料-搅拌器(8)能够伸入所述坩埚(11)内，所述坩埚(11)置于所述感应熔炼炉(10)内，用于容纳并熔化镍基合金，所述感应熔炼炉(10)和所述坩埚(11)上设置有水口(14)，所述感应熔炼炉(10)上设有坩埚倾转机构(9)用以驱动坩埚(11)使其向所述浇注模具(16)倾转，所述浇注模具(16)位于所述感应熔炼炉(10)侧部、所述水口(14)下方并且放置于所述滑道(19)上，所述浇注模具驱动装置(18)与所述浇注模具(16)相连，用于驱动所述浇注模具(16)在所述滑道(19)上运动，所述冷却水循环系统(20)对所述浇注模具(16)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述浇注模具(16)左右两边分型，所述浇注模具(16)分型面设有排气槽，每一半模具内部均开有水冷通道(15)，所述水冷通道(15)与所述冷却水循环系统(20)相连。

3.根据权利要求1所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述熔炼-浇注罐(1)的上部设置有密封盖板(2)，所述熔炼-浇注罐(1)的上部采用所述密封盖板(2)与外部隔离，所述密封盖板(2)上设有所述升降-搅拌机构(3)和观察窗(4)。

4.根据权利要求3所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述熔炼-浇注罐(1)和所述密封盖板(2)内分别设有水冷通道，所述水冷通道与所述冷却水循环系统(20)相连，对所述镍基储氢合金制备设备进行冷却，

所述升降-搅拌机构(3)还包括长销(23)和陶瓷杆(25)，所述加料-搅拌器(8)套入所述陶瓷杆(25)，利用所述长销(23)与所述陶瓷杆(25)径向固定，所述陶瓷杆(25)能够穿过所述密封盖板(2)，带动所述加料-搅拌器(8)进入所述坩埚(11)内，所述陶瓷杆(25)能够通过其上端与所述升降-搅拌机构(3)分离，所述陶瓷杆(25)的下端为轴肩结构，所述陶瓷杆(25)为ZrO陶瓷。

5.根据权利要求1所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述加料-搅拌器(8)的主体(24)为圆形桶状结构，材料为ZrO陶瓷，所述主体(24)周围各壁设有通孔与外部相通，所述主体(24)包括搅拌部件(21)和盖板(22)，所述搅拌部件(21)设在所述主体(24)的外圆面，所述搅拌部件(21)为螺旋片状结构，所述盖板(22)盖在所述主体(24)上部。

6.根据权利要求1所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述感应熔炼炉(10)上端盖有ZrO陶瓷盖板(12)，所述ZrO陶瓷盖板(12)中心设有通孔，用于所述加料-搅拌器(8)进入所述坩埚(11)。

7.根据权利要求1所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述水口(14)内置有陶瓷过滤网(13)。

8.根据权利要求1所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备设备，其特征在于，所述浇注模具(16)上设有锁紧机构(17)，所述锁紧机构(17)包括弹簧(26)、推杆(27)，所述弹簧(26)置于所述推杆(27)上，所述弹簧(26)和所述推杆(27)的组合体有2个，彼此相对放置，所述浇注模具驱动装置(18)前端设有连接环，所述锁紧机构(17)可套住所述浇注模具驱动装置(18)前端的连接环，实现连接。

9.一种含稀土镁硼的镍基储氢合金制备成形方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

步骤1、按La_4-xRE_xMgNi_y-zB_z进行配料，其中，RE为La、Ce、Pr、Nd、Gd、Sm、Y中的一种或两种元素，B为Cu、Al、Mn、Fe、Zn、Sn、Si中的一种元素，将所配料通电熔化，获得相应熔体；

步骤2、待所加入配料完全熔化后，对熔体抽真空；

步骤3、真空度达到5-10Pa时，注入保护气体，压力升至1500-1800Pa，同时将熔体的温度降到1300℃-1320℃；

步骤4、向熔体中添加镁块，并对熔体进行反向搅拌，转速为150-200转/分，间隔1-3分钟正向搅拌，循环往复10-13min；

步骤5、转速提升到300-400转/分，间隔5-10分钟进行反向搅拌，循环往复30-40min，熔体制备完成；

步骤6、将步骤5所获得的熔体保温在1300℃-1400℃，等待浇注；

步骤7、对浇注模具冷却，进行浇注。

10.根据权利要求9所述的含稀土镁硼的镍基储氢合金制备成形方法，其特征在于，在所述步骤1中x、y、z的取值范围为0≤x≤2，16≤y≤18，0≤z≤5，所述制备成形方法利用权利要求1～8中任一项所述制备设备实现。