CN115354183B - 一种钆镁中间合金净化熔剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钆镁中间合金净化熔剂,所述净化熔剂包括以下组分:MgCl2、KCl、BaCl2、CaF2、GdCl3;各组分纯度需要99.99wt%以上,熔剂配比应根据钆镁中间合金密度加以调整,其配比范围为:37~44%MgCl2、25~37%KCl、10~18%BaCl2、2~5%CaF2、5~12%GdCl3。该熔剂具有显著降低Fe、Si等杂质、抑制稀土元素损耗、提高中间合金纯度效果。本发明中还可推广到其他稀土镁中间合金净化,如钇镁中间合金、钕镁中间合金、镧镁中间合金,其熔剂中的GdCl3可采用稀土氯化物替换。

Description

一种钆镁中间合金净化熔剂
技术领域
本发明涉及金属熔体净化技术领域,具体为稀土镁中间合金净化熔剂领域。
背景技术
高性能稀土镁合金已在飞机蒙皮、导弹舱体、卫星空间结构件、飞船框架、发动机引擎盖、发动机汽缸体和变速箱壳体等零部件有所应用。随着合金的力学、腐蚀、耐热性的提升,在航天航空、轨道交通、汽车等领域应用将进一步扩展。稀土镁中间合金是高性能稀土镁合金的必备原料。稀土镁合金具有较强的组织遗传性,中间合金中杂质和夹杂对终端合金产生极大的危害[Materials Science Forum,1991,180(30-30):89-104]。因此,高纯度稀土镁中间合金是获得高性能稀土镁合金的先决条件。
稀土镁中间合金纯度99~99.5wt%,常见杂质为Fe(≤0.20wt%)、Si(≤0.05wt%)、Cu(≤0.05wt%)、氮氧化物(≤0.10wt%)、碳化物(≤0.08wt%)等[Engineering Materials,2002,171-174:601-608];其中Fe、Si是主控杂质元素,前者降低耐蚀,后者形成脆性相产生热裂[Materials Science Forum,2000,350-351:199-204]。稀土镁中间合金专用净化研究较少[铸造技术,2010,31(01):104-108],净化方式多借鉴稀土镁合金,对中间合金净化效果不佳。如:熔剂净化法中,由于稀土镁中间合金与稀土镁合金相比密度大、稀土含量高,则稀土镁合金熔剂的密度差设计不适合中间合金,且净化过程中若熔剂不含稀土化合物成分其稀土损失率高达13%~28%[轻合金加工技术,2014,42(12):19-27,镁合金精炼剂及生产方法,CN01142611.X;Mg-Gd-Y-Zr镁合金精炼熔剂及其生产方法,200810036573.4]。迫切需要开发新的净化熔剂和工艺。罗岚等人采用多级多级连续净化工艺[一种稀土镁中间合金多级连续除杂方法,202110883651.X],则需要有多级净化室,配合连续温降,对净化剂和能源消耗较大。要获得良好、低耗的净化效果,必须开发相应的稀土镁中间合金专用净化熔剂。
发明内容
针对现有技术不足,本发明提供了一种适用于钆镁中间合金净化熔剂,该熔剂显著降低Fe、Si等杂质(单一杂质含量≤70ppm)、抑制钆损耗(收率≥95%),提高中间合金纯度≥99.9wt%。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
净化熔剂由以下组分构成:MgCl2、KCl、BaCl2、CaF2、GdCl3;各组分纯度需要99.99wt%以上,熔剂配比应根据钆镁中间合金密度加以调整,其配比范围为:37~44%MgCl2、25~37%KCl、10~18%BaCl2、2~5%CaF2、5~12%GdCl3
净化熔剂配方计算过程为:保持MgCl2:KCl质量比为1.15~1.45∶1(摩尔比保持1∶1);加入MgCl2和KCl总质量5~15wt%GdCl3形成基础熔剂。加入BaCl2调节与稀土中间合金密度差在10%~30%;适当加入CaF2调整粘度至2.4±0.4pa·s。配置前试剂充分烘干,配置后混合球磨均匀,并50目以上的筛子过筛备用。
按照稀土镁合金典型熔体净化工艺[一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂及其应用,202110488688.2]净化钆镁中间合金,包括如下步骤:在涂有脱模剂的坩埚中加入钆镁中间合金,氩气保护气氛下850~950℃熔融钆镁中间合金,加入4wt%净化熔剂并垂直搅拌5min,900℃静置1h,随炉冷却脱模去皮后得到净化后钆镁中间合金。净化后钆镁中间合金纯度≥99.9wt%,单一杂质含量≤70ppm,夹杂≤0.15vol%,钆收率≥95%。
与现有技术相比,本发明有益效果是:
本发明提供了一种适用于钆镁中间合金净化熔剂,该熔剂具有显著降低Fe、Si等杂质、抑制稀土元素损耗、提高中间合金纯度效果。本发明中还可推广到其他稀土镁中间合金净化,如钇镁中间合金、钕镁中间合金、镧镁中间合金,其熔剂中的GdCl3可采用稀土氯化物替换。
附图说明
图1为Mg-30Gd中间合金的金相图;
图2为Mg-30Gd中间合金的扫描电镜分析结果;图中:1为Mg;2为MgGd金属间化合物;3为纯Gd相;4为C/O夹杂;5为Mg-Gd片层状共晶;6为Fe、Si偏析颗粒;
图3为按照实施例1净化后Mg-30Gd中间合金的金相图;
图4为按照实施例1净化后Mg-30Gd中间合金的扫描电镜分析结果;图中:1为Mg;2为MgGd金属间化合物;3为纯Gd相;4为Mg和Gd片层状共晶;
图5为按照实施例2净化后Mg-30Gd中间合金的金相图;
图6为按照实施例2净化后Mg-30Gd中间合金的扫描电镜分析结果;图中:1为Mg;2为MgGd金属间化合物;3为纯Gd相;4为Mg和Gd片层状共晶;
图7为按照实施例3净化后Mg-30Gd中间合金的金相图;
图8为按照实施例3净化后Mg-30Gd中间合金的扫描电镜分析结果;图中:1为Mg;2为MgGd金属间化合物;3为纯Gd相;4为C/O夹杂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案,并不限于本发明。
实施例1
以熔配Mg-30Gd(wt%)稀土镁中间合金为例采用本发明的熔剂进行熔体处理。中间合金成分如表1所示,其金相分析如图1,其扫描电镜分析结果如图2所示。
Mg-30Gd中间合金密度~2.269g·cm3,保持MgCl2:KCl质量比为1.44∶1(摩尔比保持1∶1),加入MgCl2和KCl总质量15wt%GdCl3形成基础熔剂。加入17.81wt%BaCl2调节与稀土中间合金密度差在11.6%;加入4.05wt%CaF2调整粘度范围控制于2.4±0.4pa·s。得到熔剂配方为(质量百分比):40.20%MgCl2、27.75%KCl、17.81%BaCl2、4.05%CaF2、10.19%GdCl3。配置前试剂充分烘干,配置后混合球磨均匀,并50目以上的筛子过筛备用。
按照稀土镁合金典型熔体净化工艺[一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂及其应用,202110488688.2]净化钆镁中间合金,包括如下步骤:在涂有脱模剂的坩埚中加入钆镁中间合金,氩气保护气氛下950℃熔融钆镁中间合金,加入4wt%净化熔剂并垂直搅拌5min,900℃静置1h,随炉冷却脱模去皮后得到净化后中间合金。
净化后对样品进行纯度及组织分析。其中样品纯度,金属元素用ICP-MS,依据XB/T614.6-2011,非金属依据GB/T 26414-2010,夹杂依据GB/T 30834-2014。并进行金相、粒径、扫描电镜等分析。净化后样品成分和粒径分析如表1,其金相分析如图3,其扫描电镜分析如4。由分析结果可知,净化后非金属夹杂下降50%,Fe、Si等单一杂质含量≤70ppm,Gd元素收率为98.40%,且中间合金纯度由99wt%提升至99.9wt%。
实施例2
以熔配Mg-30Gd(wt%)稀土镁中间合金为例采用本发明的熔剂进行熔体处理。中间合金成分及粒径如表1所示,其金相分析如图1,其扫描电镜分析结果如图2所示。
Mg-30Gd中间合金密度~2.269g·cm3,保持MgCl2:KCl质量比为1.44∶1(摩尔比保持1∶1),加入MgCl2和KCl总质量15wt%GdCl3形成基础熔剂。加入17.81wt%BaCl2调节与稀土中间合金密度差在11.6%;加入4.05wt%CaF2调整粘度范围控制于2.4±0.4pa·s。得到熔剂配方为(质量百分比):40.20%MgCl2、27.75%KCl、17.81%BaCl2、4.05%CaF2、10.19%GdCl3。配置前试剂充分烘干,配置后混合球磨均匀,并50目以上的筛子过筛备用。
按照稀土镁合金典型熔体净化工艺[一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂及其应用,202110488688.2]净化钆镁中间合金,包括如下步骤:在涂有脱模剂的坩埚中加入钆镁中间合金,氩气保护气氛下950℃熔融钆镁中间合金,加入4wt%净化熔剂并垂直搅拌5min,850℃静置1h,随炉冷却脱模去皮后得到净化后中间合金。
净化后对样品进行纯度及组织分析。其中样品纯度,金属元素用ICP-MS依据XB/T614.6-2011,非金属依据GB/T 26414-2010,夹杂依据GB/T 30834-2014。并进行金相、粒径、扫描电镜等分析。净化后样品成分和粒径分析如表1,其金相分析如图5,其扫描电镜分析如6。由分析结果可知,净化后非金属夹杂下降25%,Fe、Si等单一杂质含量≤70ppm,Gd元素收率为97.11%,且中间合金纯度由99wt%提升至99.9wt%。
实施例3
以熔配Mg-30Gd(wt%)稀土镁中间合金为例采用本发明的熔剂进行熔体处理。其中间合金成分及粒径如表1所示,其金相分析如图1,其扫描电镜分析结果如图2所示。
Mg-30Gd中间合金密度~2.269g·cm3,保持MgCl2:KCl质量比为1.44∶1(摩尔比保持1∶1),加入MgCl2和KCl总质量15wt%GdCl3形成基础熔剂。加入17.81wt%BaCl2调节与稀土中间合金密度差在11.6%;加入4.05wt%CaF2调整粘度范围控制于2.4±0.4pa·s。得到熔剂配方为(质量百分比):40.20%MgCl2、27.75%KCl、17.81%BaCl2、4.05%CaF2、10.19%GdCl3。配置前试剂充分烘干,配置后混合球磨均匀,并50目以上的筛子过筛备用。
按照稀土镁合金典型熔体净化工艺[一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂及其应用,202110488688.2]净化钆镁中间合金,包括如下步骤:在涂有脱模剂的坩埚中加入钆镁中间合金,氩气保护气氛下950℃熔融钆镁中间合金,加入4wt%净化熔剂并垂直搅拌5min,800℃静置1h,随炉冷却脱模去皮后得到净化后中间合金。
净化后对样品进行纯度及组织分析。其中样品纯度,金属元素用ICP-MS依据XB/T614.6-2011,非金属依据GB/T 26414-2010,夹杂依据GB/T 30834-2014。并进行金相、粒径、扫描电镜等分析。净化后样品成分和粒径分析如表1,其金相分析如图7,其扫描电镜分析如8。由分析结果可知,净化后非金属夹杂下降45%,Fe、Si等单一杂质含量<70ppm,Gd元素收率为99.13%,且中间合金纯度由99wt%提升至99.9wt%。
实施例4
以熔配Mg-15Gd(wt%)稀土镁中间合金为例采用本发明的熔剂进行熔体处理。Mg-15Gd中间合金密度~1.95g·cm3,保持MgCl2:KCl质量比为1.17∶1(摩尔比保持1∶1);加入MgCl2和KCl总质量10wt%GdCl3形成基础熔剂。加入13.50wt%BaCl2调节与稀土中间合金密度差在22%;加入2.50wt%CaF2调整粘度范围控制于2.4±0.4pa·s。得到熔剂配方为(质量百分比):42.67%MgCl2、36.33%KCl、10.6%BaCl2、2.50%CaF2、7.9%GdCl3。配置前试剂充分烘干,配置后混合球磨均匀,并50目以上的筛子过筛备用。
按照稀土镁合金典型熔体净化工艺[一种镁稀土合金熔体净化细化复合处理熔剂及其应用,202110488688.2]净化钆镁中间合金,包括如下步骤:在涂有脱模剂的坩埚中加入钆镁中间合金,氩气保护气氛下950℃熔融钆镁中间合金,加入4wt%净化熔剂并垂直搅拌5min,900℃静置1h,随炉冷却脱模去皮后得到净化后中间合金。
净化后对样品进行纯度及组织分析。其中样品纯度,金属元素用ICP-MS依据XB/T614.6-2011,非金属依据GB/T 26414-2010,夹杂依据GB/T 30834-2014。并进行金相、粒径扫描电镜等分析。净化后样品成分分析如表1。由分析结果可知,净化后非金属夹杂下降50%,Fe、Si等单一杂质含量<70ppm,Gd元素收率为85.19%,且中间合金纯度由99wt%提升至99.9wt%。
表1镁钆中间合金净化效果对比
Figure BDA0003817940330000051
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形、改进及替代,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1. 一种钆镁中间合金净化熔剂,其特征在于,所述净化熔剂由MgCl2、KCl、BaCl2、CaF2、GdCl3组成,用于Mg-30Gd或Mg-15Gd中间合金的净化;各组分纯度需要99.99 wt%以上,熔剂配比应根据Mg-30Gd或Mg-15Gd钆镁中间合金密度加以调整,其配比范围按质量百分比为:37~44 wt % MgCl2、25~37 wt % KCl、10~18 wt % BaCl2、2~5 wt % CaF2、5~12 wt %GdCl3
所述净化熔剂配置中保持MgCl2:KCl质量比为1.15~1.45:1;加入MgCl2和KCl总质量5~15wt% GdCl3形成基础熔剂;加入BaCl2调节与Mg-30Gd或Mg-15Gd稀土中间合金密度差在10wt %~30 wt %;适当加入CaF2调整粘度至2.4±0.4 pa·s;配置前试剂充分烘干,配置后混合球磨均匀,并50目以上的筛子过筛备用。
2. 如权利要求1所述的钆镁中间合金净化熔剂的净化钆镁中间合金工艺,其特征在于,包括如下步骤:在涂有脱模剂的坩埚中加入钆镁中间合金,氩气保护气氛下850~950℃熔融钆镁中间合金,加入4 wt%净化熔剂并垂直搅拌5min,900℃静置1h,随炉冷却脱模去皮后得到净化后钆镁中间合金;净化后钆镁中间合金纯度≥99.9 wt%,单一杂质含量≤70ppm,夹杂≤0.15 vol%,钆收率≥95%。
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