CN114657430A - 稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺，该稀土镁合金的制备工艺包括：准备Mg锭、Zn锭、Mg‑30Zr合金、Mg‑(25～35)Gd和Mg‑(25～35)Y稀土中间合金作为原料；坩埚预热至400～500℃，加入Mg锭升温熔化，镁液升温至700～740℃时加入Zn锭并搅拌5～10分钟；熔体温度升至740～780℃时依次加入预热的Mg‑(25～35)Gd、Mg‑(25～35)Y、Mg‑30Zr；全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼10～30分钟；将熔体通过气体打压导液方式导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，熔体温度控制为720～750℃，结晶器直径选择为400～800mm，电磁频率控制为20～50Hz、冷却水水温控制为25～35℃、铸造速度控制为40～80mm/min。本发明解决了大尺寸稀土镁合金制备过程中稀土元素氧化、损耗、偏析问题，突破了成分均匀、质量稳定的大尺寸稀土镁合金的批量制备生产。

Description

稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺
技术领域
本发明属于镁合金技术领域，具体涉及一种稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺。
背景技术
近年来，镁合金在航空航天及军工领域需求大增，是实现武器装备轻量化、提高武器装备综合性能的理想结构材料，但是受限于镁合金的低强度、低耐热性的特点，目前镁合金还主要应用于非承力构件及小型零部件。
目前已知通过加入稀土元素合金化能够显著提高镁合金的强度和耐热性能，但由于现有技术中大尺寸高强耐热镁合金铸造工艺方面的欠缺，大尺寸稀土镁合金的成品率较低。然而尤其在航空航天等领域，对于例如直径400mm以上的大尺寸高强耐热稀土镁合金有着加大的需求。因此研发一种大尺寸稀土镁合金的制备工艺成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺。
在本发明的第一方面，所提供的稀土中间合金的制备工艺用于制备Mg-(25～35)Gd稀土中间合金，包括如下步骤：
(一)配料：将Mg锭和Gd块按照质量比75～65：25～35的配比进行配料后投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Gd块中Gd的质量百分比选择为>99.9％；
(二)抽真空：开启真空泵，对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，直至真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到5～10Pa时关闭真空泵；
(三)充入氩气：开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀，向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.07～0.12MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(四)熔炼：启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至70～110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启真空感应加热熔炼炉的电磁搅拌使合金熔液沸腾翻滚2～8分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至10～30KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(五)铸锭：开启真空感应加热熔炼炉的液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好并置于真空感应加热熔炼炉内的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得Mg-(25～35)Gd稀土中间合金。
进一步地，在上述稀土中间合金的制备工艺中，所述稀土中间合金为Mg-30Gd稀土中间合金，所述稀土中间合金的制备工艺包括：
(1)在所述配料步骤中，称取Mg锭13kg、Gd块5.5Kg，炉料合计18.5Kg投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖；
(2)在所述抽真空步骤中，开启真空泵对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到7Pa时关闭真空泵；
(3)在所述充入氩气步骤中，开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.1MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(4)在所述熔炼步骤中，启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至100KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌让熔体沸腾翻滚6分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至20KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(5)在所述铸锭步骤中，开启液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得Mg-30Gd稀土中间合金。
在本发明的第二方面，所提供的稀土中间合金的制备工艺用于制备Mg-(25～35)Y稀土中间合金，包括如下步骤：
(一)配料：将Mg锭、Y块按照质量比75～65：25～35的配比配料后投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Y块中Y的质量百分比选择为>99.9％；
(二)抽真空：开启真空泵，对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，直至真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到5～10Pa时关闭真空泵；
(三)充入氩气：开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀，向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.07～0.12MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(四)熔炼：启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至70～110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启真空感应加热熔炼炉的电磁搅拌使合金熔液沸腾翻滚2～8分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至10～30KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(五)铸锭：开启真空感应加热熔炼炉的液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好并置于真空感应加热熔炼炉内的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得稀土中间合金Mg-(25～35)Y。
进一步地，在上述稀土中间合金的制备工艺中，所述稀土中间合金为Mg-30Y稀土中间合金，所述稀土中间合金的制备工艺包括：
(1)在所述配料步骤中，称取Mg锭12.3kg、Y块5.3Kg，炉料合计17.6Kg投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖；
(2)在所述抽真空步骤中，开启真空泵对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到8Pa时关闭真空泵；
(3)在所述充入氩气步骤中，开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.1MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(4)在所述熔炼步骤中，启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌让熔体沸腾翻滚7分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至25KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(5)在所述铸锭步骤中，开启液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得Mg-30Y稀土中间合金。
进一步地，在本发明第一和第二方面所述的稀土中间合金的制备工艺中，在所述配料步骤中，烧损率大的原料的配比取上限。
进一步地，在本发明第一和第二方面所述的稀土中间合金的制备工艺中，在所述配料步骤中，将原料表面打磨干净，去除油污及氧化皮。
在本发明的第三方面，所提供的大尺寸稀土镁合金的制备工艺用于制备大尺寸Mg-(3～12)Gd-(2～5)Y-(0.5～2)Zn-(0.3～0.8)Zr稀土镁合金，包括如下步骤：
(一)备料：准备Mg锭、Zn锭、Mg-30Zr合金、Mg-(25～35)Gd稀土中间合金、Mg-(25～35)Y稀土中间合金作为原料，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Zn锭中Zn的质量百分比选择为>99.9％，并且各原料的化学成分按质量百分比控制为：3％～12％的Gd、2％～5％的Y、0.3％～0.8％的Zr、0.5％～2％的Zn、以及余量的Mg；
(二)熔炼：将坩埚预热至400～500℃，在坩埚壁及底部撒上熔剂，熔剂用量为所述各原料总重量的1％，加入所述Mg锭，升温熔化，待镁液升温至700～740℃时加入所述Zn锭并搅拌5～10分钟；
(三)合金化：待熔体温度升至740～780℃时依次加入预热的所述Mg-(25～35)Gd稀土中间合金、Mg-(25～35)Y稀土中间合金、Mg-30Zr合金；
(四)精炼：全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼10～30分钟，其中，边搅拌边加入精炼剂，直至熔体呈现镜面光泽为止；
(五)扒渣：精炼完成后，进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂；
(六)采样成分分析：熔体静置5～10分钟后采样，进行ICP-OES化学成分分析；
(七)铸造：成分合格后，将熔体通过气体打压导液方式导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，其中，熔体温度控制为720～750℃，电磁结晶器系统的结晶器直径选择为400～800mm，电磁结晶器系统的电磁频率控制为20～50Hz、电磁结晶器系统的冷却水水温控制为25～35℃、铸造速度控制为40～80mm/min，由此制得直径在500mm以上的大尺寸Mg-(3～12)Gd-(2～5)Y-(0.5～2)Zn-(0.3～0.8)Zr稀土镁合金铸棒。
进一步地，在上述大尺寸稀土镁合金的制备工艺中，所述稀土镁合金为Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金，所述大尺寸稀土镁合金的制备工艺包括：
(1)在所述备料步骤中，称取Mg锭673Kg、Zn锭15Kg、Mg-30Zr合金36Kg、Mg-30Gd稀土中间合金526Kg、Mg-30Y稀土中间合金250Kg备用；
(2)在所述熔炼步骤中，将坩埚预热至450℃，在坩埚壁及底部撒上熔剂15Kg，加入Mg锭，升温熔化；待镁液升温至720℃左右时加入Zn锭并搅拌5分钟；
(3)在所述合金化步骤中，待熔体温度升至750℃时依次加入预热好的Mg-30Gd稀土中间合金、Mg-30Y稀土中间合金、Mg-30Zr合金；
(4)在所述精炼步骤中，全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼20分钟，期间边搅拌边加入精炼剂，使合金充分均匀化，直至熔体呈现镜面光泽为止；
(5)在所述扒渣步骤中，精炼完成进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂；
(6)在所述铸造中，将熔体通过气体打压导液方式导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，其中，熔体温度控制为740℃，结晶器直径选择为500mm，电磁频率控制为30Hz，冷却水温控制为30℃，铸造速度控制为50mm/min，最终得到直径500mm、长度3m的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒。
进一步地，在上述大尺寸稀土镁合金的制备工艺中，在所述熔炼、合金化和精炼步骤中，采用CO2+SF6气体保护和覆盖剂保护，防止镁液氧化燃烧。
本发明的稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺具有如下优点和有益效果：本发明通过在真空熔炼稀土中间合金过程中使熔体充分翻滚搅拌从而完全合金化，制得了成分稳定的稀土中间合金，由于稀土中间合金的遗传细化作用以及在稀土镁合金的生产过程中，所采用的水冷电磁搅拌铸造的快速凝固方式，解决了大尺寸稀土镁合金制备过程中稀土元素氧化、损耗、偏析等问题，突破了成分均匀、质量稳定的大尺寸稀土镁合金的批量制备生产工艺。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为根据本发明实施例1制备的Mg-30Gd稀土中间合金的宏观形貌图；
图1b为根据本发明实施例1制备的Mg-30Gd稀土中间合金的SEM微观组织图；
图2为根据本发明实施例3制备的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒的宏观形貌图；
图3a和图3b为根据本发明实施例3制备的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒切片的OM微观组织图，其中图3a为铸棒头部切片的OM微观组织图，图3b为铸棒尾部切片的OM微观组织图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的稀土中间合金的制备工艺适于制备Mg-(25～35)Gd稀土中间合金或者Mg-(25～35)Y稀土中间合金。
对于Mg-(25～35)Gd稀土中间合金而言，本发明的稀土中间合金的制备工艺包括：
(一)配料：将Mg锭和Gd块按照质量比75～65：25～35的配比进行配料后投入石墨坩埚中，置于提前清理干净的真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Gd块中Gd的质量百分比选择为>99.9％；
(二)抽真空：开启真空泵，对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，直至真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到5～10Pa时关闭真空泵；
(三)充入氩气：开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀，向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.07～0.12MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(四)熔炼：启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至70～110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启真空感应加热熔炼炉的电磁搅拌使合金熔液沸腾翻滚2～8分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至10～30KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(五)铸锭：开启真空感应加热熔炼炉的液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好并置于真空感应加热熔炼炉内的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，得到稀土中间合金Mg-(25～35)Gd。
对于Mg-(25～35)Y稀土中间合金而言，本发明的稀土中间合金的制备工艺包括：
(一)配料：将Mg锭、Y块按照质量比75～65：25～35的配比配料后投入石墨坩埚中，置于提前清理干净的真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Y块中Y的质量百分比选择为>99.9％；
(二)抽真空：开启真空泵，对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，直至真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到5～10Pa时关闭真空泵；
(三)充入氩气：开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀，向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.07～0.12MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(四)熔炼：启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至70～110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌使合金熔液沸腾翻滚2～8分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至10～30KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(五)铸锭：开启真空感应加热熔炼炉的液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好并置于真空感应加热熔炼炉内的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，得到稀土中间合金Mg-(25～35)Y。
在上述稀土中间合金的制备工艺中，配料时应考虑原料的烧损率，烧损率大的原料的配比取上限。
在上述稀土中间合金的制备工艺中，配料时将原料表面打磨干净，去除油污及氧化皮。
本发明的大尺寸稀土镁合金的制备工艺适于制备大尺寸Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金，包括：
(一)备料：准备Mg锭、Zn锭、Mg-30Zr合金、Mg-(25～35)Gd稀土中间合金、Mg-(25～35)Y稀土中间合金作为原料，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Zn锭中Zn的质量百分比选择为>99.9％，并且各原料的化学成分按质量百分比控制为：3％～12％的Gd、2％～5％的Y、0.3％～0.8％的Zr、0.5％～2％的Zn、以及余量的Mg；
(二)熔炼：将坩埚预热至400～500℃，在坩埚壁及底部撒上熔剂，熔剂用量为上述各原料总重量的1％，加入上述Mg锭，升温熔化；待镁液升温至700～740℃时加入上述Zn锭并搅拌5～10分钟；
(三)合金化：待熔体温度升至740～780℃时依次加入预热的上述Mg-(25～35)Gd稀土中间合金、Mg-(25～35)Y稀土中间合金、Mg-30Zr合金；
(四)精炼：全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼10～30分钟，其中，边搅拌边加入精炼剂，以使合金充分均匀化并净化熔体，直至熔体呈现镜面光泽为止；
(五)扒渣：精炼完成后，进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂；
(六)采样成分分析：熔体静置5～10分钟后采样，进行ICP-OES(电感耦合等离子体光谱法)化学成分分析；
(七)铸造：成分合格后封闭坩埚口，将熔体通过气体打压导液方式经导液管导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，其中，熔体温度控制为720～750℃，电磁结晶器系统的结晶器直径选择为400～800mm，电磁结晶器系统的电磁频率控制为20～50Hz、电磁结晶器系统的冷却水水温控制为25～35℃、铸造速度控制为40～80mm/min，由此制得大尺寸Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金。
在上述大尺寸稀土镁合金的制备工艺中，Mg-(25～35)Gd稀土中间合金和Mg-(25～35)Y稀土中间合金根据本发明的上述稀土中间合金的制备工艺制备而成。
在上述大尺寸稀土镁合金的制备工艺中，备料时将原料表面打磨干净，去除油污及氧化皮。
在上述大尺寸稀土镁合金的制备工艺中，熔炼、合金化和精炼步骤中，均采用CO2+SF6气体保护和覆盖剂保护，以防止镁液氧化燃烧，
在上述大尺寸稀土镁合金的制备工艺中，所制得的大尺寸Mg-Gd-Y-Zn-Zr稀土镁合金为直径500mm以上的Mg-(3～12)Gd-(2～5)Y-(0.5～2)Zn-(0.3～0.8)Zr稀土镁合金铸棒。
以下结合具体实施例，详细说明本发明的稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺。
实施例1
本发明实施例1涉及Mg-30Gd稀土中间合金的制备，包括以下步骤：
(1)称取Mg锭13kg、Gd块5.5Kg，炉料合计18.5Kg投入石墨坩埚中，置于提前清理干净的真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖；
(2)开启真空泵对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到7Pa时关闭真空泵；
(3)开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.1MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(4)启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至100KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌让熔体沸腾翻滚6分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至20KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(5)开启液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，即得Mg-30Gd稀土中间合金，如图1a所示。
通过ICP-OES对实施例1所得的Mg-30Gd稀土中间合金的化学成分进行分析，Mg-30Gd稀土中间合金锭的上下面的化学成分如表1所示，可见实施例1所得的Mg-30Gd稀土中间合金整体的化学成分几乎没有偏差。此外，根据图1b所示，实施例1所得的Mg-30Gd稀土中间合金的微观组织分布均匀，质量稳定。
表1 Mg-30Gd稀土中间合金的化学成分(质量百分比)
Figure BDA0003549630120000081
实施例2
本发明实施例2涉及Mg-30Y稀土中间合金的制备，包括以下步骤：
(1)称取Mg锭12.3kg、Y块5.3Kg，炉料合计17.6Kg投入石墨坩埚中，置于提前清理干净的真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖；
(2)开启真空泵对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到8Pa时关闭真空泵；
(3)开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.1MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(4)启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌让熔体沸腾翻滚7分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至25KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(5)开启液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，即得Mg-30Y稀土中间合金。
通过ICP-OES对实施例2所得的Mg-30Y稀土中间合金的化学成分进行分析，Mg-30Y稀土中间合金锭的上下面的化学成分如表2所示，可见实施例2所得的Mg-30Y稀土中间合金整体的化学成分几乎没有偏差。此外，经检测，实施例2所得的Mg-30Y稀土中间合金的微观组织分布均匀，质量稳定。
表2 Mg-30Y稀土中间合金的化学成分(质量百分比)
Figure BDA0003549630120000091
实施例3
本发明实施例3涉及大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金的制备，包括以下步骤：
(1)称取Mg锭673Kg、Zn锭15Kg、Mg-30Zr合金36Kg、实施例1制备的Mg-30Gd稀土中间合金526Kg、实施例2制备的Mg-30Y稀土中间合金250Kg备用；
(2)将坩埚预热至450℃，在坩埚壁及底部撒上熔剂15Kg，加入Mg锭，升温熔化；待镁液升温至720℃左右时加入Zn锭并搅拌5分钟；
(3)待熔体温度升至750℃时依次加入预热好的Mg-30Gd稀土中间合金、Mg-30Y稀土中间合金、Mg-30Zr合金；
(4)全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼20分钟，期间边搅拌边加入精炼剂，使合金充分均匀化，直至熔体呈现镜面光泽为止；
(5)精炼完成进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂；
(6)熔体静置5分钟后取样，进行ICP-OES化学成分分析，经分析，主要化学成分按质量百分比为：Gd-9.85％、Y-3.92％、Zn-0.98％、Zr-0.45％，参见表3，各成分均在正常范围之内；
(7)将熔体通过气体打压导液方式经导液管导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，其中，熔体温度控制为740℃，结晶器直径选择为500mm，电磁频率控制为30Hz，冷却水温控制为30℃，铸造速度控制为50mm/min，最终得到直径500mm、长度3m的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒，如图2所示。
通过ICP-OES对实施例3所得的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒切片进行化学成分分析，分析结果参见表3，可见其化学成分几乎没有偏差。
表3 Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金的化学成分(质量百分比)
Figure BDA0003549630120000101
此外，从图2中可以看出，本发明实施例3制备的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒的表面光滑，未出现冷隔、裂纹、缩孔等缺陷。而且，此外，根据图3a和3b所示，实施例3所得的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金的晶粒分布均匀，不存在明显偏析等缺陷，同时铸棒头部和尾部的微观组织基本没有差异，质量稳定。
综上所述，与现有技术相比，本发明的稀土中间合金及其大尺寸稀土镁合金的制备工艺具有如下优点和有益效果：本发明通过在真空熔炼稀土中间合金过程中使熔体充分翻滚搅拌从而完全合金化，制得了成分稳定的稀土中间合金，由于稀土中间合金的遗传细化作用以及在稀土镁合金的生产过程中，所采用的水冷电磁搅拌铸造的快速凝固方式，解决了大尺寸稀土镁合金制备过程中稀土元素氧化、损耗、偏析等问题，突破了成分均匀、质量稳定的大尺寸稀土镁合金的批量制备生产工艺。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。
还需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种稀土中间合金的制备工艺，其特征在于，所述稀土中间合金为Mg-(25～35)Gd稀土中间合金，所述稀土中间合金的制备工艺包括如下步骤：
(一)配料：将Mg锭和Gd块按照质量比75～65：25～35的配比进行配料后投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Gd块中Gd的质量百分比选择为>99.9％；
(二)抽真空：开启真空泵，对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，直至真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到5～10Pa时关闭真空泵；
(三)充入氩气：开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀，向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.07～0.12MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(四)熔炼：启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至70～110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启真空感应加热熔炼炉的电磁搅拌使合金熔液沸腾翻滚2～8分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至10～30KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(五)铸锭：开启真空感应加热熔炼炉的液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好并置于真空感应加热熔炼炉内的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得Mg-(25～35)Gd稀土中间合金。
2.如权利要求1所述的稀土中间合金的制备工艺，其特征在于，所述稀土中间合金为Mg-30Gd稀土中间合金，所述稀土中间合金的制备工艺包括：
(1)在所述配料步骤中，称取Mg锭13kg、Gd块5.5Kg，炉料合计18.5Kg投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖；
(2)在所述抽真空步骤中，开启真空泵对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到7Pa时关闭真空泵；
(3)在所述充入氩气步骤中，开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.1MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(4)在所述熔炼步骤中，启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至100KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌让熔体沸腾翻滚6分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至20KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(5)在所述铸锭步骤中，开启液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得Mg-30Gd稀土中间合金。
3.一种稀土中间合金的制备工艺，其特征在于，所述稀土中间合金为Mg-(25～35)Y稀土中间合金，所述稀土中间合金的制备工艺包括如下步骤：
(一)配料：将Mg锭、Y块按照质量比75～65：25～35的配比配料后投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Y块中Y的质量百分比选择为>99.9％；
(二)抽真空：开启真空泵，对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，直至真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到5～10Pa时关闭真空泵；
(三)充入氩气：开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀，向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.07-0.12MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(四)熔炼：启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至70～110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启真空感应加热熔炼炉的电磁搅拌使合金熔液沸腾翻滚2～8分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至10～30KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(五)铸锭：开启真空感应加热熔炼炉的液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到提前预热好并置于真空感应加热熔炼炉内的模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得稀土中间合金Mg-(25～35)Y。
4.如权利要求3所述的稀土中间合金的制备工艺，其特征在于，所述稀土中间合金为Mg-30Y稀土中间合金，所述稀土中间合金的制备工艺包括：
(1)在所述配料步骤中，称取Mg锭12.3kg、Y块5.3Kg，炉料合计17.6Kg投入石墨坩埚中，置于真空感应加热熔炼炉内，关闭炉盖；
(2)在所述抽真空步骤中，开启真空泵对真空感应加热熔炼炉进行抽真空，真空感应加热熔炼炉上的真空表表压显示达到8Pa时关闭真空泵；
(3)在所述充入氩气步骤中，开启连通于氩气瓶的高真空隔膜阀向真空感应加热熔炼炉充入氩气，充至0.1MPa为止，关闭高真空隔膜阀；
(4)在所述熔炼步骤中，启动真空感应加热熔炼炉，调节真空感应加热熔炼炉的功率至110KW对石墨坩埚中的原料进行熔炼，石墨坩埚中的原料完全熔化后，开启电磁搅拌让熔体沸腾翻滚7分钟，然后调节真空感应加热熔炼炉的功率至25KW进行静置保温5～10分钟后关闭真空感应加热熔炼炉的加热系统；
(5)在所述铸锭步骤中，开启液压站将石墨坩埚中的合金熔液倾翻浇铸到模具中，等待30分钟后将真空感应加热熔炼炉放真空，打开炉盖，从模具中取出合金锭，制得Mg-30Y稀土中间合金。
5.一种大尺寸稀土镁合金的制备工艺，其特征在于，所述稀土镁合金为Mg-(3～12)Gd-(2～5)Y-(0.5～2)Zn-(0.3～0.8)Zr稀土镁合金，所述大尺寸稀土镁合金的制备工艺包括如下步骤：
(一)备料：准备Mg锭、Zn锭、Mg-30Zr合金、Mg-(25～35)Gd稀土中间合金、Mg-(25～35)Y稀土中间合金作为原料，其中Mg锭中Mg的质量百分比选择为>99.7％，Zn锭中Zn的质量百分比选择为>99.9％，并且各原料的化学成分按质量百分比控制为：3％～12％的Gd、2％～5％的Y、0.3％～0.8％的Zr、0.5％～2％的Zn、以及余量的Mg；
(二)熔炼：将坩埚预热至400～500℃，在坩埚壁及底部撒上熔剂，熔剂用量为所述各原料总重量的1％，加入所述Mg锭，升温熔化，待镁液升温至700～740℃时加入所述Zn锭并搅拌5～10分钟；
(三)合金化：待熔体温度升至740～780℃时依次加入预热的所述Mg-(25～35)Gd稀土中间合金、Mg-(25～35)Y稀土中间合金、Mg-30Zr合金；
(四)精炼：全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼10～30分钟，其中，边搅拌边加入精炼剂，直至熔体呈现镜面光泽为止；
(五)扒渣：精炼完成后，进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂；
(六)采样成分分析：熔体静置5～10分钟后采样，进行ICP-OES化学成分分析；
(七)铸造：成分合格后，将熔体通过气体打压导液方式导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，其中，熔体温度控制为720～750℃，电磁结晶器系统的结晶器直径选择为400～800mm，电磁结晶器系统的电磁频率控制为20～50Hz、电磁结晶器系统的冷却水水温控制为25～35℃、铸造速度控制为40～80mm/min，由此制得直径在500mm以上的大尺寸Mg-(3～12)Gd-(2～5)Y-(0.5～2)Zn-(0.3～0.8)Zr稀土镁合金铸棒。
6.如权利要求5所述的大尺寸稀土镁合金的制备工艺，其特征在于，所述Mg-(25～35)Gd稀土中间合金根据权利要求1所述的稀土中间合金的制备工艺制备而成，所述Mg-(25～35)Y稀土中间合金根据权利要求3所述的稀土中间合金的制备工艺制备而成。
7.如权利要求5所述的大尺寸稀土镁合金的制备工艺，其特征在于，所述稀土镁合金为Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金，所述大尺寸稀土镁合金的制备工艺包括：
(1)在所述备料步骤中，称取Mg锭673Kg、Zn锭15Kg、Mg-30Zr合金36Kg、Mg-30Gd稀土中间合金526Kg、Mg-30Y稀土中间合金250Kg备用；
(2)在所述熔炼步骤中，将坩埚预热至450℃，在坩埚壁及底部撒上熔剂15Kg，加入Mg锭，升温熔化；待镁液升温至720℃左右时加入Zn锭并搅拌5分钟；
(3)在所述合金化步骤中，待熔体温度升至750℃时依次加入预热好的Mg-30Gd稀土中间合金、Mg-30Y稀土中间合金、Mg-30Zr合金；
(4)在所述精炼步骤中，全部原料熔化后，加入精炼剂进行气体搅拌精炼20分钟，期间边搅拌边加入精炼剂，使合金充分均匀化，直至熔体呈现镜面光泽为止；
(5)在所述扒渣步骤中，精炼完成进行扒渣处理，然后在熔体上撒一层覆盖剂；
(6)在所述铸造中，将熔体通过气体打压导液方式导入到电磁结晶器系统中进行电磁搅拌半连续铸造，其中，熔体温度控制为740℃，结晶器直径选择为500mm，电磁频率控制为30Hz，冷却水温控制为30℃，铸造速度控制为50mm/min，最终得到直径500mm、长度3m的大尺寸Mg-10Gd-4Y-1.0Zn-0.4Zr稀土镁合金铸棒。
8.如权利要求7所述的大尺寸稀土镁合金的制备工艺，其特征在于，所述Mg-30Gd稀土中间合金根据权利要求2所述的稀土中间合金的制备工艺制备而成，所述Mg-30Y稀土中间合金根据权利要求4所述的稀土中间合金的制备工艺制备而成。
9.如权利要求5至8中任一项所述的大尺寸稀土镁合金的制备工艺，其特征在于，在所述熔炼、合金化和精炼步骤中，采用CO2+SF6气体保护和覆盖剂保护，防止镁液氧化燃烧。
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