一种稀土镁合金的短流程制备方法

摘要

本发明涉及一种稀土镁合金的短流程制备方法，属于镁合金熔炼冶金领域。该方法以稀土氧化物REO和MgO为原料，在电解质熔液中进行电解；然后向熔液中加入纯镁，进行熔化，搅拌，除渣，过滤及纯净化，冷却，凝固，得到高质量的稀土镁合金铸锭。稀土镁合金中添加稀土元素直接以稀土氧化物和氧化镁为原料，通过增加电解工序，应用稀土镁合金熔炼过程中必须添加的覆盖剂氟化物溶剂作为电解质，与纯镁一起熔炼，通过过滤以及深度纯净化处理，得到稀土镁合金。本发明缩短了含Gd、Y、Nd元素的稀土镁合金的生产流程，锭坯稀土元素分布均匀，波动小，收得率高，生产能耗低，提高了稀土镁合金铸锭质量，提升了生产效率，降低了原材料和生产成本。

权利要求

1.一种稀土镁合金的短流程制备方法，包括如下步骤：（1）以稀土氧化物REO和MgO为原料，在电解质熔液中进行电解；所述的REO为Gd2O3、Y2O3和Nd2O3中的两种或三种；

REO和MgO的混合比例，按重量百分比为：Gd2O3：20%~40%，Y2O3：20%~40%，MgO：60%~20%；

Gd2O3：40%~60%，Nd2O3 ：10%~20%，MgO：50%~20%；

Y2O3：40%~60%，Nd2O3：10%~20%，MgO：50%~20%；

或者Gd2O3：20%~35%，Y2O3：20%~35%，Nd2O3：10%~20%，MgO：50%~10%；

所述的电解质为熔炼稀土镁合金过程中添加的保护溶剂氟化钡和稀土氟化物，其中，BaF2含量为20wt%~40wt%，YF3含量为80wt%~60wt%；

所述的原料与电解质的质量比为1:2 1:4；

~

（2）向熔液中加入纯镁，进行熔化，搅拌，除渣，过滤及纯净化，冷却，凝固，得到稀土镁合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的稀土镁合金的短流程制备方法，其特征在于：该方法包括以下具体步骤：

（1）熔炼采用中频感应炉，炉内置入不锈钢坩埚，坩埚外包保温石棉毡，坩埚内加入电解质原材料，调整功率，将电解质熔化；

（2）添加石墨阳极板并通电，随后开始添加REO和MgO的混合原材料，随后将钨阴极插入熔液中，阴极通直流电，开始电解工序；电解过程中进行搅拌，电解后，取出阴极和阳极；

（3）直接向熔液中添加纯镁，待纯镁熔化后，多次搅拌，并向熔液中吹氩气；

（4）通过纯净化处理和深度过滤后冷却，即可得到稀土镁合金铸锭。

3.根据权利要求2所述的稀土镁合金的短流程制备方法，其特征在于：在电解过程中，熔液温度为760 900℃。

~

4.根据权利要求2所述的稀土镁合金的短流程制备方法，其特征在于：所述的钨阴极距坩埚底部的距离在10‑20cm之间。

5.根据权利要求2所述的稀土镁合金的短流程制备方法，其特征在于：所述电解的时间为30‑100分钟。

6.根据权利要求2所述的稀土镁合金的短流程制备方法，其特征在于：在添加纯镁后，还添加Mg‑Zr中间合金。

说明书

一种稀土镁合金的短流程制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种稀土镁合金的短流程制备方法，具体为一种能有效缩短含Gd、Y、Nd元素的稀土镁合金生产流程，提高铸锭质量以及降低成本的制备方法，属于镁合金熔炼
冶金领域。

背景技术

[0002] 稀土元素Gd、Y、Nd在镁合金中具有显著的时效强化效应，在此基础上通过成分优化设计研发Mg‑Gd‑Y系、Mg‑Gd‑Y‑Nd系等稀土镁合金室温高温力学性能优良，在航空航天领
域应用广泛。传统的熔铸稀土镁合金工艺为：纯镁熔化→添加稀土元素→搅拌→添加精炼
剂精炼→除渣→过滤及纯净化→冷却→凝固。稀土元素的添加主要有两种添加方式：一种
是采用纯稀土添加镁熔体中，通过合金化制备合金。另一种是通过Mg‑RE中间合金添加稀土
元素。

[0003] 上述添加方式有以下问题：1)Mg‑RE(Gd、Y、Nd)中间合金可以通过电解共析制备，纯Gd、Y、Nd稀土金属通过真空蒸馏除去镁得到，见专利200610075921.X。得到的稀土以及中
间合金都非常昂贵，导致稀土镁合金的原材料成本高；2)将纯稀土或者稀土‑镁中间合金后
再添加到纯镁中熔化，导致制备稀土镁合金，均涉及二次熔化，生产流程长，生产成本高；3)
由于稀土元素比重比镁大，在制备过程中用纯稀土和Mg‑RE中间合金添加都会导致稀土元
素沉降，造成锭坯容易元素偏析，导致大尺寸铸锭质量不易控制；4)稀土元素熔点比镁熔点
高很多，在熔炼过程中需要提高熔化温度，造成镁烧损。上述原因也是Mg‑Gd‑Y系、Mg‑Gd‑Y‑
Nd系等稀土镁合金在汽车、轨道交通等民用领域尚未得到广泛的应用的因素之一。

发明内容

[0004] 本发明目的是提供一种有效缩短含Gd、Y、Nd元素的稀土镁合金生产流程，提高铸锭质量以及降低成本的制备方法。本发明可有效缩短含Gd、Y、Nd元素的稀土镁合金生产流
程，降低原材料成本和生产成本，提高铸锭质量的制备方法，可扩大稀土镁合金的应用领
域。

[0005] 本发明采取的关键措施之一是在稀土镁合金传统生产工序中加入电解工序，添加的原材料为REO和MgO的混合材料，既缩短了生产流程，又降低了稀土镁合金原材料成本和
生产成本。

[0006] 本发明采取的关键措施之二是在电解熔液中直接加入纯镁制备稀土镁合金。有两大好处：一方面不用再像传统添加方式为了熔化稀土而提高熔液温度，反而因纯镁熔点低，
降低稀土镁合金的制备温度，减少纯镁的烧损，降低能源的消耗；另一方面电解后稀土元素
是离子形态存在，稀土元素以离子形态加入纯镁中，使稀土元素在铸锭中分布更均匀，减少
偏析，提高铸锭的质量。

[0007] 本发明稀土镁合金的短流程制备方法，用于制备含Gd、Y和Nd中两种以上元素的稀土镁合金，如Mg‑Gd‑Y系、Mg‑Gd‑Nd系、Mg‑Y‑Nd系和Mg‑Gd‑Y‑Nd系镁合金，能有效缩短含Gd、
Y、Nd元素的稀土镁合金生产流程，提高铸锭质量以及降低成本的制备方法。

[0008] 本发明的方法，在稀土镁合金传统生产工序中加入电解工序，原材料为REO和MgO的混合材料，既缩短了生产流程，又降低了稀土镁合金原材料成本和生产成本；然后在电解
熔液中直接加入纯镁制备稀土镁合金。

[0009] 一种稀土镁合金的短流程制备方法，包括如下步骤：

[0010] (1)以稀土氧化物REO和MgO为原料，在电解质熔液中进行电解；

[0011] (2)向熔液中加入纯镁，进行熔化，搅拌，除渣，过滤及纯净化，冷却，凝固，得到稀土镁合金铸锭。

[0012] 本发明在制备含Gd、Y、Nd元素稀土镁合金过程，采用的原材料为REO和MgO的混合材料，降低原材料成本。REO为Gd2O3、Y2O3和Nd2O3中的两种或三种。

[0013] 本发明中原材料REO和MgO的混合比例，按重量百分比为：

[0014] Gd2O3：20％～40％，Y2O3：20％～40％，MgO：60％～20％；

[0015] Gd2O3：40％～60％，Nd2O3：10％～20％，MgO：50％～20％；

[0016] Y2O3：40％～60％，Nd2O3：10％～20％，MgO：50％～20％；

[0017] 或者Gd2O3：20％～35％，Y2O3：20％～35％，Nd2O3：10％～20％，MgO：50％～10％。

[0018] 本发明在熔炼过程中使用的电解质为熔炼稀土镁合金过程中必须添加的保护溶剂氟化钡和稀土氟化物，其中，BaF2含量为20wt.％～40w％，REF3含量为80w％～60w％；REF3
中的富钇稀土氟化物，如YF3。

[0019] 本发明方法中，原料(稀土氧化物REO和MgO)与电解质的质量比范围1:2～1:4。

[0020] 本发明方法包括以下具体步骤：

[0021] (1)熔炼采用中频感应炉，炉内置入不锈钢坩埚，坩埚外包保温石棉毡，坩埚内加入电解质原材料，调整功率，将电解质熔化；

[0022] (2)添加石墨阳极板并通电，随后开始添加REO和MgO的混合原材料，随后将钨阴极插入熔液中，阴极通直流电，开始电解工序；电解过程中进行搅拌，电解后，取出阴极和阳
极；

[0023] (3)直接向熔液中添加纯镁，待纯镁熔化后，多次搅拌，并向熔液中吹氩气；

[0024] (4)通过纯净化处理和深度过滤后冷却，即可得到高质量的稀土镁合金铸锭。

[0025] 优选的，在电解过程中，熔液温度为760～900℃。

[0026] 优选的，钨阴极插入熔液中，钨阴极距坩埚底部的距离在10～20cm之间。

[0027] 优选的，电解时间为30‑100分钟。

[0028] 优选的，步骤(3)在添加纯镁后，还可以添加Mg‑Zr中间合金，得到Mg‑Gd‑Y‑Zr系、Mg‑Nd‑Y‑Zr系、Mg‑Gd‑Nd‑Zr系和Mg‑Gd‑Y‑Nd‑Zr系稀土镁合金。

[0029] 本发明是一种能有效缩短含Gd、Y、Nd元素的稀土镁合金生产流程，提高铸锭质量以及降低成本的方法。稀土镁合金中添加稀土元素直接以稀土氧化物和氧化镁为原料，通
过增加电解工序，应用稀土镁合金熔炼过程中必须添加的覆盖剂氟化物溶剂作为电解质，
与纯镁一起熔炼，通过过滤以及深度纯净化处理，得到Mg‑Gd‑Y系、Mg‑Nd‑Y系、Mg‑Gd‑Nd系
和Mg‑Gd‑Y‑Nd系稀土镁合金。

[0030] 本发明的方法为低温熔炼稀土镁合金，能够减少纯镁的烧损，降低能源的消耗。稀土元素以离子形态加入纯镁中，使稀土元素在铸锭中分布更均匀，减少偏析，提高铸锭的质
量。

[0031] 本发明中剩余氟化物可以作为稀土镁合金中，可以起到除掉熔液夹杂的作用，在纯净化处理及深度过滤步骤前可以少添加或不添加溶剂。

[0032] 本发明提出的在制备稀土镁合金工序中加入电解工序，缩短了稀土镁合金的制备流程，降低了稀土镁合金的原材料成本以及生产成本，稀土元素以离子形态加入镁合金中，
经过搅拌，使其在铸锭中分布更均匀，减少偏析，提高铸锭的质量。铸锭偏析少，质量高，成
本低，适用于工业化生产，可以打破稀土镁合金的高价壁垒，对推广稀土镁合金的应用范围
起到很好的效果。

具体实施方式

[0033] 本发明首先是在稀土镁合金传统生产工序中加入电解工序，添加的原材料为REO和MgO的混合材料，既缩短了生产流程，又降低了稀土镁合金原材料成本和生产成本；其次
是在电解熔液中直接加入纯镁制备稀土镁合金。本发明能有效缩短含Gd、Y、Nd元素的稀土
镁合金生产流程，提高铸锭质量以及降低成本。

[0034] 本发明制备方法包括下述步骤：

[0035] (1)熔炼使用中频感应炉，炉内置入不锈钢坩埚，坩埚外包保温石棉毡，坩埚内加入电解质原材料，调整功率，将电解质熔化，熔体温度上升至760～900℃并保持至电解工序
结束；在熔炼过程中使用的电解质为熔炼稀土镁合金过程中必须添加的保护溶剂氟化钡和
稀土氟化物，BaF2:REF3重量比＝(20～40):(80～60)。

[0036] (2)添加石墨阳极板并通电，随后开始添加REO和MgO的混合原材料，随后将钨阴极插入熔液中距坩埚底部保持一定距离之内，钨阴极距坩埚底部的距离在10‑20cm之间，阴极
通直流电，开始电解工序。电解过程中进行搅拌，电解一定时间后，取出阴极和阳极；原材料
为REO和MgO的混合材料，降低了原材料成本。REO分别为Gd2O3、Y2O3、Nd2O3，按添加元素需要，
可以两两与MgO混合，也可以三者与MgO混合。稀土元素原材料的混合比例为：重量百分比
Gd2O3:Y2O3:MgO＝(20～40):(20～40):(60～20)；重量百分比Gd2O3:Nd2O3:MgO＝(40～60):
(10～20):(50～20)；重量百分比Y2O3:Nd2O3:MgO＝(40～60):(10～20):(50～20)；重量百
分比Gd2O3:Y2O3:Nd2O3:MgO＝(20～35):(20～35):(10～20):(50～10)。

[0037] (3)直接向熔液中添加纯镁，待纯镁熔化后，多次搅拌，并向熔液中吹氩气；

[0038] (4)开始熔炼稀土镁合金常规步骤，通过纯净化处理和深度过滤后冷却，即可得到高质量的稀土镁合金铸锭。

[0039] 实施例1：

[0040] 制备200kg的Mg‑7Gd‑5Y‑1Nd‑0.5Zr(wt.％)稀土镁合金，稀土原材料比例混合为Gd2O3:Y2O3:Nd2O3:MgO＝35:25:10:30，电解质为BaF2:YF3＝40:60。坩埚尺寸为：Φ340×
1500mm。坩埚中加入80kg电解质并加热至熔化，并升温至860℃，添加混合原材料，并放置石
墨阳极并通电，置入阴极，开始电解。每隔十分钟搅拌一次，80分钟后去开阳极和阴极，温度
下降至800℃，开始添加纯镁，Mg‑Zr中间合金，搅拌、过滤和纯净化处理，并冷却得到稀土镁
合金铸锭。

[0041] 铸锭稀土元素分布均匀：实测铸锭上/下部分的实际成分为(wt.％)：Gd：6.92/6.90；Y：5.04/5.09；Nd：1/1；Zr：0.48/0.49；经计算，铸锭实际收得率为85％，相比传统稀土
镁合金制备工艺，其收得率高，生产流程短，温度低，时间短。

[0042] 实施例2：

[0043] 制备200kg的Mg‑7Gd‑1Nd‑0.5Zr(wt.％)稀土镁合金，稀土原材料比例混合为Gd2O3:Nd2O3:MgO＝60:10:30，电解质为BaF2:YF3＝30:70。坩埚尺寸为：Φ340×1500mm。坩埚
中加入80kg电解质并加热至熔化，并升温至860℃，添加混合原材料，并放置石墨阳极并通
电，置入阴极，开始电解。每隔十分钟搅拌一次，60分钟后去开阳极和阴极，开始添加纯镁，
Mg‑Zr中间合金，搅拌、过滤和纯净化处理，并冷却得到稀土镁合金铸锭。

[0044] 铸锭稀土元素分布均匀：实测铸锭上/下部分的实际成分为(wt.％)：Gd：7.08/7.1；Nd：0.94/0.96；Zr：0.43/0.46；经计算，铸锭实际收得率为88％，相比传统稀土镁合金
制备工艺，其收得率高，生产流程短，温度低，时间短。

[0045] 实施例3：

[0046] 制备200kg的Mg‑8Y‑1Nd‑0.5Zr(wt.％)稀土镁合金，稀土原材料比例混合为Y2O3：Nd2O3：MgO＝55:10:35，电解质为BaF2:YF3＝40:60。坩埚尺寸为：Φ340×1500mm。坩埚中加
入80kg电解质并加热至熔化，并升温至860℃，添加混合原材料，并放置石墨阳极并通电，置
入阴极，开始电解。每隔十分钟搅拌一次，50分钟后去开阳极和阴极，开始添加纯镁，Mg‑Zr
中间合金，搅拌、过滤和纯净化处理，并冷却得到稀土镁合金铸锭。

[0047] 铸锭稀土元素分布均匀：实测铸锭上/下部分的实际成分为(wt.％)：Y：8.13/8.11；Nd：0.98/1；Zr：0.45/0.43；经计算，铸锭实际收得率为83％，相比传统稀土镁合金制
备工艺，其收得率高，生产流程短，温度低，时间短。

[0048] 本发明缩短了含Gd、Y、Nd元素的稀土镁合金的生产流程，锭坯稀土元素分布均匀，波动小，收得率高，生产能耗低，提高了稀土镁合金铸锭质量，提升了生产效率，降低了原材
料成本和生产成本。

[0049] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但
不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。