[发明专利]Mg－Gd－Y－Zr镁合金精炼熔剂及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种Mg-Gd-Y-Zr镁合金精炼熔剂及其生产方法，用于清除Mg-Gd-Y-Zr镁合金熔炼过程中混入合金内的杂质元素及非金属夹杂物，并抑制稀土元素的损耗，属于金属材料及冶金类领域。

背景技术

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度比刚度高、减振性好、电磁屏蔽能力强及易于回收等性能特点。自20世纪90年代以来，各工业发达国家高度重视镁合金的研究和开发，并已将镁合金广泛应用于国防军工、航空航天、汽车和电子信息产业等领域，有着十分广阔的市场前景。

随着航空航天、国防军工的不断发展，对镁合金零部件的性能也提出越来越高的要求。众所周知，稀土元素(尤其是重稀土元素，如Gd、Y等)可以有效地提高镁合金的强度与高温性能，当前稀土在高强高韧镁合金、耐热镁合金中受到越来越广泛的重视。稀土可以增强镁合金原子间结合力，减小原子扩散速度，而且稀土与镁的化合物具有较高的热稳定性。我国是富产稀土的国家，故镁稀土类合金得到较大发展。近几年已开发成功了Mg-Gd-Y-Zr新型高强耐热镁合金，其室温抗拉强度达到了491MPa，250℃下高温强度达到了400MPa，比目前使用最广泛的AZ91镁合金的强度及耐热性提高了近一倍。该合金在汽车发动机缸体、飞机部件以及国防军工上具有极大的应用前景，其推广应用必将成为镁合金发展史上的一个新的里程碑。但目前遇到的一个突出问题是该合金净化难度大、夹杂物含量高、稀土合金元素Gd、Y的成分难以控制，严重影响了其性能的稳定性。其核心问题是该合金与传统镁合金不同，该合金中含有很高的重稀土元素钆(Gd)与钇(Y)。这二种合金元素虽然能大幅度提高合金的强度与耐热性能，但它们在镁合金材料制备的合金化过程中，极易与现有的熔剂净化材料发生化学作用，不仅大大增加了昂贵稀土元素的损耗(通常钆元素损耗在40％以上，钇元素损耗甚至高达50％)，使得合金成分难以控制，而且大幅度增加了合金中的夹杂物含量。极大地降低了该合金的力学性能与耐蚀性能。当前该合金的净化问题已成为制约其应用的关键瓶颈之一。

众知周知，镁化学性质活泼，镁合金中往往含有大量氧化物、碳化物及硫化物等杂质，这些杂质显著降低镁合金的力学性能和抗蚀性。因此，镁合金熔炼过程中要使用熔剂对其进行净化处理，净化处理的目的在于清除混入合金中的杂质元素及非金属夹杂物如氧化镁等。目前普遍使用RJ2熔剂(《有色铸造合金及熔炼》，陆树荪等，国防工业出版社，1983年5月出版，P195-199)，该熔剂对镁熔体内的夹杂物具有一定的去除能力，但该熔剂中含有38-46％MgCl₂，MgCl₂会与合金熔体中的稀土元素发生相互作用而增加稀土元素的损耗，以致降低合金的性能。RJ2熔剂不能用于Mg-Gd-Y-Zr镁合金的精炼处理，这是由于稀土元素活性强，易和MgCl₂反应生成稀土氯化物，2[RE]+3MgCl₂(l)＝2RECl₃(s)+3Mg(l)。试验结果表明，采用RJ2熔剂对Mg-Gd-Y-Zr镁合金进行精炼处理后，钆元素损耗在40％以上，钇元素损耗甚至高达50％，不仅大幅度地增加了合金材料的成本，而且使得合金的成分难以控制，影响到合金性能的稳定。而RJ6熔剂中虽然不含MgCl₂，但生产实践表明，该熔剂的除渣效果较差，不能满足使用要求。此外，为了细化晶粒，该合金中通常含有一定量的锆元素。但锆的化学活性很强，锆在高温下易和大气或炉气中的O₂、N₂、H₂、CO、CO₂反应，形成的化合物(ZrO₂、ZrN、ZrH₂、ZrC)不溶入镁液中，使锆的损耗增加。已有研究指出，镁熔体中的氧化镁(MgO)夹杂也会使镁合金液中锆沉淀析出，增加锆的损耗。目前，Mg-Gd-Y-Zr镁合金熔炼与净化过程中，镁合金中的锆元素的损耗往往高达80％以上。

综上所述，当前Mg-Gd-Y-Zr镁合金净化处理是一个急需解决的难题，其主要原因是缺乏相应的专用净化熔剂。因此，开发Mg-Gd-Y-Zr镁合金专用净化熔剂具有十分重要的意义。

发明内容