本發明涉及優質金屬材料制造領域，具體地說是一種超低氧稀土合金和用途。

背景技術：

目前國內稀土金屬執行標準(如GB/T 4153-2008等)對稀土金屬產品的純凈度要求不高，相對寬泛，尤其是對氧含量不加控制，無法滿足裝備制造用金屬材料對稀土金屬添加劑的質量要求，從而導致性能不穩定、負面作用凸顯等問題。因此，發明一種超低氧稀土合金用作裝備制造用鋼、鎂合金、鋁合金以及磁性材料的添加劑至關重要。

具體而言，目前稀土金屬產品的國家標準中主要強調Mg、Zn、Pb、Fe、C等雜質元素的含量，而這些微量元素在鋼的危害性不大，有的甚至是鋼中主元素；反之，對金屬材料影響較大的氧元素在目前的稀土金屬標準及商業化產品中并沒有規定，從而導致，稀土金屬產品的純凈度只片面地注重Mg、Fe、C等雜質元素的控制，而忽略了氧含量控制。并且，目前商業化稀土產品完全是在開放的與空氣接觸的環境下進行電解和凝固的，因此稀土金屬中的氧含量常常高達0.1％以上甚至更高，氧一般和稀土化合形成稀土氧化物，這部分稀土氧化物在添加到鋼等金屬材料中時，就會以夾雜物的形式存在，從而惡化材料的性能。因此，從稀土金屬及合金產品的角度而言，如何更有效地降低其中的氧含量，對提升稀土金屬產品的質量至關重要。

從制備工藝角度而言，現有的高純稀土金屬制備工藝是以稀土氧化物或氧化物氟鹽作為原料，通過電解的方法制備出液態稀土金屬，進而將稀土金屬凝固成塊狀而走向商品化。稀土金屬中的氧含量控制已經很難，比如目前商業級2N或3N純度的高純稀土金屬中的氧含量常常高達數百甚至上千個ppm，而要想使稀土金屬中的氧含量控制到200ppm以下，需要核心關鍵技術方能實現。而相對于稀土金屬，稀土合金的氧含量控制難度更大，稀土合金是采用稀土金屬，與一定比例的鐵、硅、鎂、鋁等混合后經熔煉或燒結而成。稀土合金制備過程是一個稀土金屬與鐵、硅、鎂、鋁等混合熔煉或燒結的過程，由于稀土金屬和鐵、硅、鎂、鋁等母料中氧含量的控制不易，從而導致所得稀土金屬、乃至最終的稀土合金中的氧含量極高。并且，稀土合金的制備過程多采用中頻感應爐、真空感應爐或其他高溫熔煉設備進行熔煉，熔煉本身即是一個與空氣或外界環境接觸的過程，熔煉過程中又常常導致稀土合金中的氧含量較原材料而言進一步升高，因此將稀土合金中的氧含量控制在200ppm以內的難度要遠高于控制稀土金屬中的氧含量。因此，開發出超低氧含量的稀土合金，并應用與鋼鐵和有色結構材料的添加劑對于我國鋼鐵工業以及先進制造的的發展是至關重要的。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種超低氧稀土合金和用途，為裝備制造與優質鋼鐵、鋁、鎂合金、磁體等金屬材料提供添加劑，穩定提升裝備制造用金屬材料的性能，避免稀土添加劑在材料中產生夾雜物粗大、惡化性能等負面作用。

基于此目的，本發明的技術方案是：

一種超低氧稀土合金，按重量百分比計，稀土合金中的稀土金屬元素含量為5％～95％，氧含量O≤0.010％。

所述的超低氧稀土合金，稀土合金中的稀土金屬為鑭、鈰、鐠、釹單一金屬或兩種以上金屬任意比例的混合物。

所述的超低氧稀土合金，稀土合金為稀土金屬與鐵、硅、鎂、鋁中一種或兩種以上金屬的混合物。

所述的稀土合金，按重量百分比計，稀土合金中的氧含量優選為O≤0.007％。

所述的稀土合金，按重量百分比計，稀土合金中的氧含量優選為O≤0.005％。

所述的稀土合金，按重量百分比計，稀土合金中的氧含量優選為O≤0.003％。

所述的稀土合金，該稀土合金采用高純電解稀土金屬和鐵、硅、鎂、鋁元素按比例混合后，通過真空感應電爐VIM熔煉提純制備，包含如下步驟：

1)以稀土氧化物或稀土氯化物為原材料，采用電解方法，制備高純度稀土金屬鑭、鈰、鐠、釹單質或兩種以上混合物；

2)將塊狀或粉狀高純度稀土金屬與鐵、硅、鎂、鋁中一種或兩種以上按比例混合，配置成不同比例的稀土合金散料；

3)將稀土合金散料放置到真空感應熔煉爐中進行熔煉，熔煉過程中對稀土金屬與鐵、硅、鎂、鋁原材料中的雜質進一步提純，澆注制備成高純低氧稀土合金。

所述的超低氧稀土合金的用途，所述的超低氧稀土合金用作連鑄或者模鑄優質的結構鋼、合金鋼、特殊鋼、鋁合金、鎂合金或磁體的添加劑。

本發明的設計思想是：

本發明設計并制備一種具備超低氧含量的稀土合金，其可作為裝備制造金屬材料添加劑，極大地提升裝備制造用金屬材料的性能。控制稀土金屬與稀土合金中的氧含量O<0.010％。制備的超低氧稀土合金用作連鑄或者模鑄優質結構鋼、合金鋼、特殊鋼(具有特殊的化學成分、采用特殊的工藝生產、具備特殊的組織和性能、能夠滿足特殊需要的鋼類)，以及鋁合金、鎂合金、磁體等金屬材料的添加劑。

本發明的優點及有益效果是：

1、本發明所制備稀土合金的產品質量，與傳統采用電解方法、熔煉或燒結方法所制備的稀土合金相比，本發明稀土合金的純凈度大幅提升，在GB/T 4153-2008標準中稀土金屬最高質量要求的基礎上，進一步控制了氧含量。該超低的氧含量的稀土合金在鋁、鎂、鋼、磁性材料等金屬材料中進行應用時，可以減少大塊非金屬夾雜物的產生，大幅提升材料性能。例如：韌塑性、強度和磁能級等。

2、本發明產品覆蓋范圍廣，不但可以制備超低氧單一稀土金屬、混合稀土金屬，而且可以制備稀土金屬與鐵、硅、鋁、鎂等金屬的合金，氧含量均小于0.010％。

總之，本發明提出了高于國標要求的高純凈稀土合金產品。這類超低氧稀土合金作為添加劑應用于金屬材料制備時，可以避免產生夾雜物粗大、材料性能波動，保證金屬材料性能的穩定提升。

附圖說明

圖1(a)為采用本發明超低氧產品制備的鋼中的夾雜物圖。

圖1(b)為市售稀土合金制備的鋼中的夾雜物圖。

具體實施方式

在具體實施過程中，本發明超低氧稀土合金，按重量百分比計，稀土合金中的稀土金屬元素含量為5％～95％，氧含量O≤0.010％。稀土金屬元素為鑭、鈰、鐠、釹單一金屬或這四種金屬任意比例的混合物，稀土合金為稀土金屬與鐵、硅、鎂、鋁中一種或幾種金屬的混合物。

按重量百分比計，稀土合金中的氧含量優選為O≤0.007％、更優選O≤0.005％、進一步更優選O≤0.003％。氧含量降低后，稀土合金中的大尺寸夾雜物大幅度減少，稀土合金自身穩定性提高，在鋼、有色金屬或磁性材料中作為添加劑使用時，更用以控制上述材料的純凈度，提升強度、韌塑性、磁能級等。

上述超低氧稀土合金的制備方法，包含如下步驟：

1)電解步驟：采用稀土氧化物或稀土氧化物氟鹽作為原材料，利用電解方法將稀土金屬還原成熔融狀態，制備超低氧稀土金屬，該稀土金屬為鑭、鈰、鐠、釹單一金屬或幾種金屬的任意比例混合物。

2)熔煉或燒結步驟：電解得到的稀土金屬與高純凈、超低氧(一般O≤0.005％，重量百分比)鐵、硅、鎂、鋁金屬按一定比例混合后經感應爐熔煉制備成合金。或將超低氧稀土金屬粉末與超低氧鐵、硅、鎂、鋁金屬粉末均勻混合后，在高溫高壓下進行燒結，制備成超低氧稀土合金。

為了使本發明的技術方案和優點更加清楚，下面將結合具體實施例和附圖進行詳細描述。

產品例1——超低氧稀土鐵合金(Ce-Fe合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鈰金屬，然后與純鐵進行混合，經真空感應爐進行熔煉，具體成分如表1所示。

表1本發明實施例制備的超低氧稀土鐵合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例2——超低氧稀土鐵合金(La-Ce-Fe合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鑭鈰混合金屬，然后與純鐵進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土鐵合金，具體成分如表2所示。

表2本發明實施例制備的超低氧稀土鐵合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例3——超低氧稀土鐵合金(Nd-Fe合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土釹金屬，然后與金屬鐵進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土釹合金，具體成分如表3所示。

表3本發明實施例制備的超低氧稀土鐵合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例4——超低氧稀土鐵合金(Nd-Fe合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土釹金屬，然后與少量金屬鐵進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土釹合金，其成分接近純Nd，具體成分如表4所示。

表4本發明實施例制備的超低氧稀土鐵合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例5——超低氧稀土硅合金(La-Ce-Si合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鑭鈰混合金屬，然后與金屬硅進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土硅合金，具體成分如表5所示。

表5本發明實施例制備的超低氧稀土硅合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例6——超低氧稀土鋁合金(La-Ce-Al合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鑭鈰混合金屬，然后與金屬鋁進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土鋁合金，具體成分如表6所示。

表6本發明實施例制備的超低氧稀土鋁合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例7——超低氧稀土鎂合金(La-Ce-Mg合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鑭鈰混合金屬，然后與金屬鎂進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土鎂合金，具體成分如表7所示。

表7本發明實施例制備的超低氧稀土鋁合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例8——超低氧稀土鐵合金(Pr-Nd-Fe合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鐠釹混合金屬，然后與金屬鐵進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土鐵合金，具體成分如表8所示。

表8本發明實施例制備的超低氧稀土鐵合金主要成分(余量為其他雜質元素)

產品例9——超低氧稀土鐵硅鋁鎂合金(La-Ce-Fe-Si-Mg-Al合金)

本實施例采用稀土氧化物氟鹽為原材料，經過電解制備生產超低氧稀土鑭鈰混合金屬，然后與金屬鐵、硅、鎂、鋁進行混合，經真空感應爐進行熔煉制備成稀土鐵硅鎂鋁合金，具體成分如表9所示。

表9本發明實施例制備的超低氧稀土鐵硅鋁鎂合金成分(余量為其他雜質元素)

對比例1——Ce-Fe合金在鋼中的應用效果

采用本發明制備的實施例例1中的超低氧Ce-Fe合金與市售Ce-Fe合金作為在Q345鋼中的添加劑，對鋼鐵材料進行純凈化和超細化處理，所采用的兩類稀土合金的成分如表10所示。

表10本發明實施例1與市售稀土合金的成分對比(余量為其他雜質元素)

將上述兩種稀土合金分別加入冶煉條件和純凈度相同的兩爐Q345鋼水中，鋼水初始氧含量O＝25ppm，硫含量S＝0.006wt％。兩類稀土合金的加入量均為0.04wt％，對最終經稀土合金處理的兩爐鋼水進行全氧含量和夾雜物對比如表11所示。

表11本發明產品例1與市售稀土合金在鋼中作用效果對比

由表11可見，本發明所制備的稀土合金加入到鋼水中，鋼水中全氧含量由25ppm降低到15ppm，而對比例購買的市售地純凈度高氧含量稀土合金加入到鋼中后，鋼中氧含量僅從25ppm降低到24ppm。可見，本發明制備的稀土合金對鋼水純凈化的作用更強。而對夾雜物的評級結果顯示，本發明制備的稀土合金在鋼中應用后，A類、B類和Ds類夾雜物都遠小于對比例中的夾雜物級別，從而可知，本發明的超低氧稀土合金對提高鋼的性能和質量大有裨益。

圖1(a)-圖1(b)為本對比例中夾雜物的對比圖，從中可以明顯可見，本發明對細化夾雜物和球化夾雜物的效果明顯，對提高鋼的性能具有較大貢獻。

實施例結果表明，本發明所述的超低氧稀土合金用作連鑄或者模鑄優質的結構鋼、合金鋼、特殊鋼、鋁合金、鎂合金或磁體的添加劑。