Mg-30Gd中间合金熔剂净化及机理

作     者：查栋 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗岚;金华兰

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：稀土镁中间合金 熔剂 多级净化 夹杂 沉降分离 

摘      要：稀土镁中间合金是稀土镁合金产业最重要原料之一,其商业产品纯度多为95 wt.%～99 wt.%(1N5～2N)。中间合金携带的Fe、O、Si等杂质极易随后续生产进入稀土镁合金中,严重损害终端合金强度、韧性以及耐腐蚀性能。由于中间合金相比终端合金熔点更高、密度更大、稀土含量更多,故现有稀土镁合金净化熔剂与中间合金物性不匹配,直接采用稀土镁合金熔剂净化存在熔剂残留多、稀土损耗高等问题。本研究以Mg-30Gd中间合金为代表,探究中间合金熔体物性特征(熔点、密度、表面张力系数、动力粘度等)及杂质种类及赋存状态;开发专用净化熔剂,阐明熔剂吸附/反应除杂机制,厘清熔剂设计准则;设计净化温度制度,探索杂质分级富集分离机理,形成中间合金多级净化技术,为稀土镁中间合金高纯化提供新思路。主要研究结果如下: (1)商业Mg-30Gd中间合金纯度95wt.%～99 wt.%,主要杂质元素为O、Si、C、Fe、Ca、Cu、Ni、Al;杂质元素多以析出团簇态存在于合金中,如:MgO、SiO2、Fe/SiOX等,部分以固溶形态存在于合金中,如:Fe、Ca、Cu、Ni、Al、C等;析出杂质是中间合金夹杂的主要来源,夹杂总量～0.32 Vol.%,其中1级夹杂(～10 μm)约占66%,沉降动力学计算分析表明1级夹杂难以分离。 (2)开发了以MgCl2、KCl、BaCl2、CaF2、GdCl3为主要成分的NDJ-1净化熔剂,与Mg-30Gd中间合金熔体物性适配。其熔剂与中间合金密度差处于10%～27.5%兼顾与熔体接触时间及自身可分离性;低表面张力以保证熔剂与熔体不润湿;熔点低于中间合金以确保净化时熔融。应用于中间合金单级净化处理(NDJ-1配合800℃/40 min净化),中间合金纯度可提升至～3N,夹杂体积分数由～0.32 Vol.%降至～0.14 Vol.%,且Gd元素损耗4%。 (3)熔剂存在净化及抑制稀土损耗双重效果。其净化机制在于:熔剂与杂质发生化学/物理络合反应(如:5MgCl2+MgO→MgCl2·5MgO),杂质转变为密度差更大、粒径更大产物,此时杂质产物沉降分离时间小于熔剂分离时间。其稀土损耗抑制机制为:熔剂中的GdCl3,增大了 2Gd+3MgCl2→2GdCl3+3Mg的正向反应ΔG值(按中间合金4 wt.%量加入NDJ-1,化学反应ΔG～0),从反应动力学角度有效降低稀土损耗。 (4)实施专用熔剂配合高温+低温多级净化后(如:Mg-30Gd采用NDJ-1配合900℃/40 min+800℃/40 min净化),中间合金纯度提升至～3N5,稀土损耗8%,夹杂体积分数0.1 Vol.%。净化中,高温阶段有利于熔剂和杂质络合反应生成大密度大粒径的产物、同时有利于降低合金熔体动力粘度,即为熔体内析出杂质及过剩熔剂提供良好的沉降分离动力学条件;低温有利于熔体中固溶杂质元素过饱和析出(如:Fe),利用其自身密度差自行沉降分离。