專利名稱：Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑及其生產(chǎn)方法，用于清除 Mg-Gd-Y-Zr鎂合金熔煉過(guò)程中混入合金內(nèi)的雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物，并抑制 稀土元素的損耗，屬于金屬材料及冶金類領(lǐng)域。
技術(shù)背景鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度比剛度高、 減振性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)及易于回收等性能特點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)， 各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視鎂合金的研究和開發(fā)，并已將鎂合金廣泛應(yīng)用于國(guó)防 軍工、航空航天、汽車和電子信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景。隨著航空航天、國(guó)防軍工的不斷發(fā)展，對(duì)鎂合金零部件的性能也提出越來(lái) 越高的要求。眾所周知，稀土元素(尤其是重稀土元素，如Gd、 Y等)可以有 效地提高鎂合金的強(qiáng)度與高溫性能，當(dāng)前稀土在高強(qiáng)高韌鎂合金、耐熱鎂合金 中受到越來(lái)越廣泛的重視。稀土可以增強(qiáng)鎂合金原子間結(jié)合力，減小原子擴(kuò)散 速度，而且稀土與鎂的化合物具有較高的熱穩(wěn)定性。我國(guó)是富產(chǎn)稀土的國(guó)家， 故鎂稀土類合金得到較大發(fā)展。近幾年已開發(fā)成功了 Mg-Gd-Y-Zr新型高強(qiáng)耐熱 鎂合金，其室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到了 491MPa， 250。C下高溫強(qiáng)度達(dá)到了 400MPa,比 目前使用最廣泛的AZ91鎂合金的強(qiáng)度及耐熱性提高了近一倍。該合金在汽車發(fā) 動(dòng)機(jī)缸體、飛機(jī)部件以及國(guó)防軍工上具有極大的應(yīng)用前景，其推廣應(yīng)用必將成 為鎂合金發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。但目前遇到的一個(gè)突出問(wèn)題是該合金凈 化難度大、夾雜物含量高、稀土合金元素Gd、 Y的成分難以控制，嚴(yán)重影響了 其性能的穩(wěn)定性。其核心問(wèn)題是該合金與傳統(tǒng)鎂合金不同，該合金中含有很高 的重稀土元素釓(Gd)與釔(Y)。這二種合金元素雖然能大幅度提高合金的強(qiáng)度與 耐熱性能，但它們?cè)阪V合金材料制備的合金化過(guò)程中，極易與現(xiàn)有的熔劑凈化 材料發(fā)生化學(xué)作用，不僅大大增加了昂貴稀土元素的損耗(通常釓元素?fù)p耗在 40%以上，釔元素?fù)p耗甚至高達(dá)50%)，使得合金成分難以控制，而且大幅度增加了合金中的夾雜物含量。極大地降低了該合金的力學(xué)性能與耐蝕性能。當(dāng)前該 合金的凈化問(wèn)題已成為制約其應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸之一。眾知周知，鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，鎂合金中往往含有大量氧化物、碳化物及硫 化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)顯著降低鎂合金的力學(xué)性能和抗蝕性。因此，鎂合金熔 煉過(guò)程中要使用熔劑對(duì)其進(jìn)行凈化處理，凈化處理的目的在于清除混入合金中 的雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物如氧化鎂等。目前普遍使用RJ2熔劑(《有色鑄造合 金及熔煉》，陸樹蓀等，國(guó)防工業(yè)出版社，1983年5月出版，P195-199)，該熔 劑對(duì)鎂熔體內(nèi)的夾雜物具有一定的去除能力，但該熔劑中含有38-46%MgCl2， MgCl2會(huì)與合金熔體中的稀土元素發(fā)生相互作用而增加稀土元素的損耗，以致降 低合金的性能。RJ2熔劑不能用于Mg-Gd-Y-Zr鎂合金的精煉處理，這是由于稀 土元素活性強(qiáng)，易和MgCl2反應(yīng)生成稀土氯化物，2[RE] +3MgCl2(l)=2RECl3(s)+3Mg(l)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用RJ2熔劑對(duì)Mg-Gd-Y-Zr鎂 合金進(jìn)行精煉處理后，釓元素?fù)p耗在40%以上，釔元素?fù)p耗甚至高達(dá)50%，不僅 大幅度地增加了合金材料的成本，而且使得合金的成分難以控制，影響到合金 性能的穩(wěn)定。而RJ6熔劑中雖然不含MgCl2，但生產(chǎn)實(shí)踐表明，該熔劑的除渣效 果較差，不能滿足使用要求。此外，為了細(xì)化晶粒，該合金中通常含有一定量 的鋯元素。但鋯的化學(xué)活性很強(qiáng)，鋯在高溫下易和大氣或爐氣中的02、 N2、 H2、 CO、 C02反應(yīng)，形成的化合物(Zr02、 ZrN、 ZrH2、 ZrC)不溶入鎂液中，使鋯 的損耗增加。已有研究指出，鎂熔體中的氧化鎂(MgO)夾雜也會(huì)使鎂合金液 中鋯沉淀析出，增加鋯的損耗。目前，Mg-Gd-Y-Zr鎂合金熔煉與凈化過(guò)程中， 鎂合金中的鋯元素的損耗往往高達(dá)80%以上。綜上所述，當(dāng)前Mg-Gd-Y-Zr鎂合金凈化處理是一個(gè)急需解決的難題，其主 要原因是缺乏相應(yīng)的專用凈化熔劑。因此，開發(fā)Mg-Gd-Y-Zr鎂合金專用凈化熔 劑具有十分重要的意義。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有鎂合金凈化熔劑的不足，提出一種Mg-Gd-Y-Zr 鎂合金精煉熔劑及其生產(chǎn)方法，既能有效地去除該鎂合金熔體內(nèi)的非金屬夾雜物，又能減少合金中Gd、 Y與Zr元素的損耗，解決Mg-Gd-Y-Zr鎂合金的凈化難題。為實(shí)現(xiàn)這一 目的，本發(fā)明提供的Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑的化學(xué)組成與 現(xiàn)有的鎂合金熔劑有較大的不同，主要區(qū)別如下(1)熔劑中沒(méi)有加入會(huì)與稀土 元素相作用的MgCl2; (2)為提高熔劑的除渣效果，對(duì)熔劑中的氯鹽及氟鹽的比 例進(jìn)行了調(diào)整，以便熔劑具有較佳的熔點(diǎn)、粘度和潤(rùn)濕性。(3)為減少鎂合金中 的Gd、 Y元素的損耗，熔劑中加入了釓化合物與釔化合物；(4)為減少鎂合金中 的鋯元素?fù)p耗，熔劑中加入了鋯化合物；(5)加入了造渣劑冰晶石(Na3AlF6)， 使熔劑的除渣性能得到較大的提高。本發(fā)明提供的熔劑的組分質(zhì)量百分比范圍為30-50。/。氯化鉀(KCl)、 5-20% 氯化鋇(BaCl2)、 2-10。/。氯化鈉(NaCl)、 10-20。/。氯化鈣(CaCl2)、 2-8。/。氟化鈣(CaF2)、 1-5%冰晶石(Na3AlF6)、 3-8%釓化合物、3-8%釔化合物、2-8%鋯化合物。釓化合物可以為氯化釓(GdCl3)或碳酸釓[Gd2(C03)3]或氟化釓(GdF3)等；釔化 合物可以為氯化釔(YC13)或碳酸釔[Y2(C03)3]或氟化釔(YF3)等。鋯化合物可以為四氯化鋯(ZrCU)或氟鋯化鉀(K2ZrF6)等。本發(fā)明Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑的生產(chǎn)方法為將坩堝升溫到300-400 'C后，加入氯化鉀、氯化鋇、氯化鈉、氯化鈣、冰晶石，升溫到部分熔化后， 加入氟化鈣，升溫到750-79(TC，攪拌均勻，澆注成塊。破碎后裝入球磨機(jī)輾磨 成粉狀，用20-40號(hào)篩過(guò)篩。之后加入釓化合物、釔化合物與鋯化合物并用球磨 機(jī)混合。配好的熔劑裝入密閉容器中備用。使用時(shí)，當(dāng)鎂合金在電阻坩堝爐內(nèi)熔煉升溫到約740-78(TC時(shí)，將2-3%的 熔劑不斷撒于液面，同時(shí)用精煉勺上下攪動(dòng)，使鎂液循環(huán)流動(dòng)，以延長(zhǎng)溶劑液 滴的流程，增加熔劑與氧化夾雜接觸吸附機(jī)會(huì)，通常精煉處理后再靜置10分鐘 左右至液面呈光亮鏡面為止。本發(fā)明提供的Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的RJ2 熔劑相比，本精煉熔劑不含MgCl2，不與合金中的Gd、 Y稀土元素發(fā)生作用， 在精煉過(guò)程中不會(huì)造成Gd、 Y稀土元素的反應(yīng)損耗。與傳統(tǒng)的RJ6熔劑相比， 本發(fā)明的凈化熔劑明顯提高了鎂熔體內(nèi)的非金屬夾雜物的去除率，提高了鎂熔體的純凈度。熔劑內(nèi)加入的釓化合物與釔化合物，可以增加合金內(nèi)的活性Gd與 Y稀土元素含量，有利于提高合金的夾雜物去除率及合金的力學(xué)性能與耐蝕性 能。此外，在使用過(guò)程中，熔劑中的釓化合物與釔化合物還可以起到抑制反應(yīng) RE+MgCl2—REC13+Mg向右進(jìn)行的作用，即抑制熔劑凈化過(guò)程中合金中昂貴Gd 與Y稀土元素的損耗，提高稀土元素的收得率，并控制稀土元素的成分。熔劑 中的鋯化合物以ZrCU和/或K2ZrF6的形式加入。四氯化鋯ZrCU可與鎂發(fā)生如下 作用，ZrCl4+2Mg=Zr+2MgCl2，而K2ZrF6與Mg的反應(yīng)如下，K2ZrF6+2Mg= Zr+2MgF2+2KF，生成的單質(zhì)鋯Zr可以抑制鎂合金中鋯元素的過(guò)度損耗，便于 控制鎂合金中的鋯元素成分。熔劑中加入的冰晶石有利于提高熔劑的造渣能力。 此外，本發(fā)明制成的鎂合金熔劑活性較強(qiáng)，具有合適的熔點(diǎn)、密度、粘度及表 面張力，對(duì)鎂熔體內(nèi)的夾雜物有較強(qiáng)的吸附性，造渣性強(qiáng)，能有效去除鎂熔體 內(nèi)的夾雜物，且不產(chǎn)生熔劑夾雜，提高了鎂熔體的凈化效果。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。 實(shí)施例lMg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))30。/。氯化鉀(KC1)、 20% 氯化鋇(BaCl2)、 10。/。氯化鈉(NaCl)、 10。/。氯化鈣(CaCl2)、 3。/。氟化鈣(CaF2)、 5%冰 晶石(Na3AlF6)、 8%氯化釓(GdCl3)、 8%碳酸釔[丫2(<:03)3]、 6。/。四氯化鋯(ZrCU)。本發(fā)明Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑的生產(chǎn)方法為將坩堝升溫到300'C后， 加入氯化鉀、氯化鋇、氯化鈉、氯化鈣、冰晶石，升溫到部分熔化后，加入氟 化鈣，升溫到760'C左右，攪拌均勻，澆注成塊。破碎后裝入球磨機(jī)輾磨成粉狀， 用20號(hào)篩過(guò)篩。之后加入氯化釓、碳酸釔與四氯化鋯并用球磨機(jī)混合。配好的 熔劑裝入密閉容器中備用。使用時(shí)，當(dāng)鎂合金在電阻坩堝爐內(nèi)熔煉升溫到約76(TC時(shí)，將2%的精煉熔 劑不斷撒于液面，同時(shí)用精煉勺上下攪動(dòng)，使鎂液循環(huán)流動(dòng)，以延長(zhǎng)溶劑液滴 的流程，增加熔劑與氧化夾雜接觸吸附機(jī)會(huì)，通常精煉處理后再靜置10分鐘左 右至液面呈光亮鏡面為止。用于Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金，金屬型T6態(tài)試樣 的抗拉強(qiáng)度提高到350MPa以上，延伸率達(dá)2.5%以上。實(shí)施例2Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))50y。氯化鉀(KCl)、 5%氯 化鋇(BaCb)、 3。/。氯化鈉(NaCl)、 20。/。氯化鈣(CaCb)、 8。/。氟化鈣(CaF2)、 2%冰晶 石(Na3AlF6)、 5。/。碳酸釓[Gd2(C03)3]、 5%氯化釔(YC13)、 2%氟鋯化鉀(1<:込*6)。本發(fā)明Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑的生產(chǎn)方法為將坩堝升溫到35(TC后， 加入氯化鉀、氯化鋇、氯化鈉、氯化鈣、冰晶石，升溫到部分熔化后，加入氟 化鈣，升溫到77(TC左右，攪拌均勻，澆注成塊。破碎后裝入球磨機(jī)輾磨成粉狀， 用30號(hào)篩過(guò)篩。之后加入碳酸釓、氯化釔與氟鋯化鉀并用球磨機(jī)混合。配好的 熔劑裝入密閉容器中備用。使用時(shí)，當(dāng)鎂合金在電阻坩堝爐內(nèi)熔煉升溫到約77(TC時(shí)，將2.5%的精煉 熔劑不斷撒于液面，同時(shí)用精煉勺上下攪動(dòng)，使鎂液循環(huán)流動(dòng)，以延長(zhǎng)溶劑液 滴的流程，增加熔劑與氧化夾雜接觸吸附機(jī)會(huì)，通常精煉處理后再靜置10分鐘 左右至液面呈光亮鏡面為止。用于Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金，金屬型T6態(tài)試 樣的抗拉強(qiáng)度提高到360MPa以上，延伸率達(dá)2%以上。 實(shí)施例3Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))45。/Q氯化鉀(KC1)、 12% 氯化鋇(BaCl2)、 5。/。氯化鈉(NaCl)、 15。/。氯化鈣(CaCl2)、 5。/。氟化鈣(CaF2)、 4%冰 晶石(Na3AlF6)、 3%氟化釓(GdF3)、 3%氟化釔(YF3)、 8。/。四氯化鋯(ZrCL0。本發(fā)明Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑的生產(chǎn)方法為將坩堝升溫到40(TC后， 加入氯化鉀、氯化鋇、氯化鈉、氯化鈣、冰晶石，升溫到部分熔化后，加入氟 化鈣，升溫到78(TC左右，攪拌均勻，澆注成塊。破碎后裝入球磨機(jī)輾磨成粉狀， 用40號(hào)篩過(guò)篩。之后加入氟化釓、氟化釔與四氯化鋯并用球磨機(jī)混合。配好的 熔劑裝入密閉容器中備用。使用時(shí)，當(dāng)鎂合金在電阻坩堝爐內(nèi)熔煉升溫到約78(TC時(shí)，將3%的精煉熔 劑不斷撒于液面，同時(shí)用精煉勺上下攪動(dòng)，使鎂液循環(huán)流動(dòng)，以延長(zhǎng)溶劑液滴 的流程，增加熔劑與氧化夾雜接觸吸附機(jī)會(huì)，通常精煉處理后再靜置10分鐘左 右至液面呈光亮鏡面為止。用于Mg-10Gd-3Y-0.5Zr鎂合金，金屬型T6態(tài)試樣 的抗拉強(qiáng)度提高到360MPa以上，延伸率達(dá)2.5%以上。
權(quán)利要求
1. 一種Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑，其特征在于成分質(zhì)量百分比范圍為30-50％氯化鉀、5-20％氯化鋇、2-10％氯化鈉、10-20％氯化鈣、2-8％氟化鈣、1-5％冰晶石、3-8％釓化合物、3-8％釔化合物、2-8％鋯化合物；其中，所述釓化合物為化釓、碳酸釓或氟化釓，所述釔化合物為氯化釔、碳酸釔或氟化釔，所述鋯化合物為四氯化鋯或氟鋯化鉀。
2、 一種權(quán)利要求1的Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑的生產(chǎn)方法，其特征在于 將坩堝升溫到300-40(TC后，加入氯化鉀、氯化鋇、氯化鈉、氯化鈣、冰晶石，升 溫到部分熔化后，加入氟化鈣，升溫到750-79(TC，攪拌均勻，澆注成塊；破碎后 裝入球磨機(jī)輾磨成粉狀，用20-40號(hào)篩過(guò)篩，之后加入釓化合物、釔化合物與鋯化 合物并用球磨機(jī)混合，配好的熔劑裝入密閉容器中備用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Mg-Gd-Y-Zr鎂合金精煉熔劑及其生產(chǎn)方法，熔劑的化學(xué)組分質(zhì)量百分比為30-50％氯化鉀、5-20％氯化鋇、2-10％氯化鈉、10-20％氯化鈣、2-8％氟化鈣、1-5％冰晶石、3-8％釓化合物、3-8％釔化合物、2-8％鋯化合物。其中釓化合物為氯化釓、碳酸釓或氟化釓，釔化合物為氯化釔、碳酸釔或氟化釔，鋯化合物為四氯化鋯或氟鋯化鉀。本發(fā)明的熔劑具有較佳的熔點(diǎn)、粘度和潤(rùn)濕性，除渣性能得到較大的提高。由于熔劑中不含氯化鎂，不與合金中的釓、釔稀土元素發(fā)生作用，在精煉過(guò)程中不會(huì)造成稀土元素的化學(xué)反應(yīng)損耗，尤其適用于Mg-Gd-Y-Zr鎂合金熔體的精煉凈化處理，提高鎂熔體的精煉效果。
文檔編號(hào)C22C1/00GK101260482SQ20081003657
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者丁文江, 吳國(guó)華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)