JPH0660431B2 - 希土類金属又は希土類合金の製造方法 - Google Patents

希土類金属又は希土類合金の製造方法

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JPH0660431B2
JPH0660431B2 JP62220893A JP22089387A JPH0660431B2 JP H0660431 B2 JPH0660431 B2 JP H0660431B2 JP 62220893 A JP62220893 A JP 62220893A JP 22089387 A JP22089387 A JP 22089387A JP H0660431 B2 JPH0660431 B2 JP H0660431B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、溶融塩電解法により希土類金属又は希土類合
金を製造する方法に係り、特に最近高性能磁石として注
目されているNd−Fe−B系磁石用原料のNd 金属又は
Nd−Fe合金の製造に適する電解方法に関するものであ
る。
(従来の技術) 溶融塩電解法でNdなどの希土類金属を製造する方法に
於ける電極形状としては、陰極、陽極ともに丸棒状電極
を用いた方法が知られており(例、モーリス他著「U.
S.Bur.Min.Rep.Invest」No.6957、1967
年)、またNd−Fe合金を製造する方法に於ける電極形
状としては、陰極に鉄の丸棒、陽極に黒鉛の丸棒を用い
た方法が知られており(例、特開昭61−87888号
公報)、また陰極の形状として中心状の丸棒を用いた方
法(例、特開昭61−127884号公報)が知られてい
る。
(発明が解決しようとする問題点) しかし、丸棒状の消耗電極を用いると、電解反応は主と
して陰極と陽極間の最短距離で進行するため、電解反応
が進行し、電極が消耗するに従い、下記のような問題が
起きることになる。
1)電流密度が電極の消耗につれて変化するため、最適電
流密度に維持することが困難である。また電流密度が変
化するため、電解電流、電解電圧が変化し、電解電流、
電解電圧等を最適値に維持することが困難である。
2)電流効率も極間距離の変化とともに変化するので、最
適電流効率を維持するのが困難である。
3)溶融塩電解に於ける析出金属量はファラデーの法則に
より電流量で決まるのであるが、溶融塩電解の場合、あ
る陽極電流密度以上に電流を流すと、陽極効果が発生
し、正常な電気分解を維持できなくなる現象があり、こ
の陽極効果が発生する限界電流密度以下で運転しなけれ
ばならない。しかし、丸棒状電極では電流密度が電極の
消耗につれて大きく変化するので、生産量に直接関係す
る電流量を低レベルで運転せざるを得ない。
以上のような問題があり、常に最適値での一定した運転
の継続が困難である問題があった。
次に、溶融塩電解法により希土類金属又は希土類合金を
製造する設備に於て、小さな電解槽で多量の金属が生産
することができると設備費の割合が減少し、安価な金属
を得ることができるが、同じ大きさの電解槽で生産量を
増すために大きな電流を流す必要がある。また、電流を
増すためには陽極を大きくしなければならず、陽極を大
きくすると当然陽極の入る電解槽を大きくしなければな
らないという設備上の問題がある。
(問題点を解決するための手段) 希土類金属の溶融塩電解における上記のような問題点を
解決するため、本発明者は種々の実験を行った結果、電
極の形状を従来の丸棒を基本とした形より、電解反応面
積が常に大きく変化しない板状を基本とした形に変更す
ることで解決したものである。
また、同一炉内に於て多量の電流を安定して流すことが
できる電極形状と電極配置を開発したものである。
更には、希土類金属の溶融塩電解における最適電極間距
離を見出したものである。
すなわち、溶融塩電解法により希土類金属又は希土類合
金を製造する方法に於いて、第1の発明は、陽極と陰極
を板状とし、かつ、この板状陽極と板状陰極とを鉛直方
向に懸架して、1.0A/cm2以上の高い陽極電流密度
で電解を行い、陰極下方に生成メルトを滴下させること
を特徴とするものである。
第2の発明は、1枚の板状陰極を中心に配置し、その両
側に一対の板状陽極を対向して配置することを特徴とす
るものである。
以下に本発明に更に詳述する。
まず、第1の発明は、前述の問題を解決するために種々
実験を行った結果、電極の形状を従来の丸棒を基本とし
た形より、電解反応面積が実質的に変化しない板状を基
本とした形に変更することで解決したものである。つま
り、丸棒状陽極及び陰極を使用すると電解反応が主に電
極間の最短距離区間で進行するため、電極の消耗につれ
て極間距離は拡大し、電極表面積は刻々減少していく。
しかし、電極の消耗は丸棒電極表面で一様に進行するの
ではなく、両極間の距離が短いほど消耗が早く、従っ
て、単位時間に減少する電極表面積の割合も電極の太さ
によって異なり、一定していないし、極間距離を正確に
把握することも困難である。このように電極消耗に従っ
て電流密度が変化することが第1の問題であり、次に電
極の消耗による単位時間当りの極間距離の変化量が時間
により変化することが第2の問題である。
このように丸棒状陽極及び陰極を用いた場合は電解の進
行に伴い電極の状態を正確に把握することが困難とな
り、運転条件が複雑に変化するので、最適電解条件に維
持することも困難となる。
従って、電極が消耗しても実質的に電解反応面積が変化
しない形状にすると第1の問題は解決でき、次に電極の
消耗により極間距離が変化するのであるが、この極間距
離の変化量が単位時間当り一定である形状にすると、こ
の変化量に従い一定割合で電極を移動することにより、
簡単に一定の極間距離に維持できる。
以上のような考えに基づいて、前述した問題を解決する
電極形状としては、電解反応面積、つまり陰極陽極の互
に向い合った部分の面積が一定でかつ電解反応面積が大
きい板状を基本とした形状の電極を採用することによ
り、問題を解決した。溶融塩電解の場合は、前述したよ
うに陽極効果の発生を抑制して電解することが重要であ
るから、陽極表面の電解反応面積を一定にして陽極電流
密度を適正に管理することが極めて重要である。従っ
て、陽極のみを板状電極としてもそれなりの効果が発揮
され、この場合の電極配置例を第1図に示す。
この場合、陰極に丸棒電極を使用するものの、電極の消
耗に起因する極間距離の変動は、電極消耗(体積)が陽極
よりも陰極の方が少ないので、陽極に丸棒を使用する場
合よりも著しく軽減されてほぼ一様であり、陽極表面の
電解面積が実質的に変化せず、したがって、陽極電流密
度が安定化する。このため、陽極効果の発生を抑制でき
るので、高い陽極電流密度で操業することができる。し
かし、板状陽極表面の電解反応面積を常に一定にし、高
い陽極電流密度でも陽極効果を完全に抑制するには、陰
極、陽極の双方共に板状電極を使用するのが最も効果的
である。この場合の電極配置例を第2図に示す。この場
合は陽極全面にわたり同じ電流密度と考えて差支えな
い。
このような電極配置をとることにより、電極表面で均一
に電解が行なわれるので、陽極電流密度が高くなって陽
極効果が生ずることはなく、1A/cm2以上の高陽極電
流密度での操業が可能となる。この値は、従来技術にお
いて、Nd−Fe合金の場合、0.05〜0.60A/cm
2(特開昭61−87888号参照)であったのに比較し
て画期的に向上した値である。
陽極には通常、炭素電極を使用する。炭素電極としては
通常、黒鉛電極が一般的であるが、黒鉛化率の低いもの
でも使用できる。陽極は電気分解により生成した浴中の
酸素又は弗素と結合して消耗していく。陰極には炭素電
極又は鉄電極を使用する。陰極に炭素電極を使用する場
合は希土類純金属が生成する。生成希土類純金属中の炭
素濃度を低下させる目的で、この炭素電極の表面にT
a、Pt等希土類金属と合金化しにくい金属でコーティン
グしても良い。また陰極に鉄を使用した場合は生成した
希土類金属と合金化し、希土類−鉄合金となって消耗し
ていく。したがって、他の金属と希土類金属との合金を
製造する場合には希土類金属と合金化しやすい金属を陰
極として使用するとよい。
次に、本発明者は電解炉を大きくしないで、つまり陽極
の実質的反応面積を大きくすることにより多量の電流を
流し、安定して電気分解を続けることができる方法を種
々検討した。この結果、電極の浴中電極表面積を同じく
して丸棒状電極を配置した第5図と板状電極を用いた第
2図の実線部分を比較すると、明らかに第2図の方が電
極を大きくする余地があることが判る。そこで第2図の
破線の大きさまで電極を大きくすると浴中電極表面積を
大幅に増加でき、多量の電流を流すことができた。した
がって、本発明を採用すると従来法の第5図の配置に比
較して、つまり後述の如く第1表の従来例と第2表の本
発明(陽極及び陰極とも板状)とを比較すると約7倍の生
産量の増加を図ることができるのである。
次に、本発明者は、陽極の形状と大きさを改良し多量の
電流を流すことは、第2図の破線の位置まで拡大するま
でが限度であるので、他の方法により多量の電流を流す
ことはできないか、種々検討した結果、板状の陰陽極を
一対にして電流を流すのではなく、電気分解を行う電流
量は陰極電流密度よりも陽極電流密度によって決まるの
であるから、陰極の両側に2個の板状陽極を配置するこ
とにより、同じ大きさの電解炉で陽極反応面積を2倍に
し、生産量を約2倍にする方法を発明したものである。
これは、第1表の従来例と第3表の本発明(Nd−Fe合
金の製造の例)とを比較すると、実に14倍の生産量の
増加が達成されていることからも実証された。
本発明は陰極電流密度の制限が少なく、陽極電流密度の
制限が大きい希土類金属及びその合金の溶融塩電解に於
て有効であり、同一面積の陰極陽極を使用した場合、陰
極の電流密度は陽極の2倍となり、電流は整流器より出
た電流を1/2ずつ2個の陽極に分流し、中央の陰極で
合流して整流器に入るように配線すればよい。配線の一
例を示せば第4図のとおりである。
本発明は、前述のとおり、板状陽極を陰極を中心に対向
させて配置すればよく、陰極の形状は陰極電流密度が大
きくてよいので特に問題はないが、陰極の形状も板状に
することにより一段の効果を得ることができる。電極配
置例は第3図のとおりである。
次に、溶融塩電解においては、これまで述べてきたごと
く極間距離を適正値に保つことは極めて重要である。し
かしながら、これまでの公知文献においても最適極間距
離について開示したものは見当らない。そこで、本発明
者は適正な極間距離を見出すべく実験を重ねた結果、極
間距離が電流効率に大きく寄与し、この距離を電解の進
行に伴って10〜50mmに維持することにより、高電流
効率を維持できることを見出したものである。
例えば、溶融塩としてLiF−NdF3系と、これにNd2
3を加えたLiF−NdF3−Nd23系を用い、電極と
して陽極に黒鉛、陰極に鉄を使用し、両極ともに消耗電
極としてNd−Fe合金を製造する場合を例にとり説明す
る。
陰極では Fe+Nd3++3e-→Nd−Fe合金↓ 一方、陽極では酸化物電解の場合と弗化物電解の場合で
は異なるが、いずれにしても下記反応により黒鉛が消耗
する。
酸化物電解の場合は C+2O2-→CO2+4e- C+O2→CO+2e- 弗化物電解の場合は nC+mF-→CnFm+me- 2F-→F2+2e- 雰囲気ガス中に水分がある場合には上記弗素が再度水分
と反応しHFとなることもある。
2+H2O→2HF+1/2O2 この反応は主に電極間で生ずるため、この電極間の距
離、つまり極間距離を常に適切に調整するのが望ましい
のである。
電流効率に及ぼす極間距離の影響を調べるため、陽極に
黒鉛、陰極に鉄の板状電極を使用し、電解浴としてLi
F−NdF3浴を使用して電解実験を行った結果を第6図
に示す。
第6図の結果より、この極間距離は10〜50mmとする
のが好ましく、20〜40mmとするのがより好ましいこ
とが判明した。極間距離が10mmよりも近づきすぎると
陽極に発生するO2-、F-等の陰イオンと陰極に生成す
る希土類金属とが反応し、希土類化合物に戻ってしま
い、50mmより遠すぎると炉内の電解浴の拡散効果等に
より希土類金属の析出が妨げられるからである。
極間距離は、操業の間、上記の所定の範囲(10〜50m
m)にあればよい。そのためには、電極の消耗量(陽極電
流密度の大きさ、操業時間等)に応じ、操業当初に所定
の範囲内の距離に初期設定したままで極間距離を固定す
る方法、或いは操業中に電極の一方又は双方を間歇的に
又は一定の速度で連続的に移動させる方法のいずれかを
適宜選択する。
(作用) 本発明により陽極及び陰極ともに板状電極を採用するこ
とにより、 1)電極の消耗があっても陽極の面積は実質的に一定であ
り、常に一定の電流密度に維持することができる。
2)電極をセットした時に陰極と陽極の主たる反応面であ
る極間距離を電極面全体にわたって一定距離にすること
ができるので、反応面全体で均一な電解反応を維持する
ことができる。
3)電極の消耗による極間距離の変化が単位時間当り常に
一定になるので、この変化量に合った距離を移動するこ
とにより常に最適値である極間距離に維持することがで
きる。
4)一般に電極消耗(体積)は陰極よりも陽極の方が大きい
ので、極間距離の変動を主として陽極消耗に左右される
が、板状陽極の厚さ方向の消耗は丸棒状陽極の径方向の
消耗よりも遥かに一様であることから、板状陽極の場合
は、丸棒状陽極の場合に比べ、陽極消耗に起因する極間
距離の変動が著しく軽減され、また陽極表面の消耗も反
応面全体で一様となる。このため、陽極に板状電極を使
用すると、極間距離の変動が緩やかになり、かつ陽極表
面の電解反応面積も殆ど変化しないので、陽極効果が有
効に抑制され、その結果、電解反応時の電解条件、特に
陽極電流密度が安定化し、陽極電流密度を限界電流密度
に近い高いレベルで運転することができる。
上記反応に於て電解反応に及ぼす限界電流密度の効果は
陰極より陽極の方が極めて大きいので、陽極形状を本発
明の方法にした効果が陰極のそれよりも大きいことにな
る。従って、陽極のみを板状にしても大きな効果があ
り、陰極、陽極とも板状にすると、より効果は大きいこ
とになる。
また、板状電極にした方が同一容積での反応電極面積を
大きくできるので大容量の電流が流すことができ、生産
性も向上することができる。
また、平板状陰極の両側に平板状陽極を相対して配置す
ることにより、電解槽容積を大幅に増大しなくても陽極
面積、すなわち、有効通電量を増大することができる。
更に、板状電極の極間距離を電解反応の進行に伴い、常
に最適範囲に維持することにより、高い電流効率を得る
ことができる。
(実施例) 次に本発明の実施例を示す。
実施例1 LiF80mol%−NdF320mol%の混合物に2wt%の
Nd23を加えた溶融塩を用いて、陰極に鉄、陽極に黒
鉛を用いて、Nd−Fe合金を製造した例を示した。
使用した装置は、第2図に示した両極に板状電極を用い
たもの(本発明(1))、及び第1図に示した陽極に板状電
極、陰極に丸棒状の電極を用いたもの(比較例(1))であ
る。なお、比較のため、第5図に示す陰・陽極共に棒状
電極を用いた従来の方法でも行った。
図において(a)は平面図、(b)はそれぞれA−A′面の
断面図である。また図において実線で示す大きさの板状
電極を使用した。
いずれの装置も、図中、2は電解浴槽1に収容された溶
融塩で、これに黒鉛陽極3と鉄製陰極4を浸漬した配置
になっており、生成した合金は液滴5となつて溶融塩2
の下方に生成合金6となって堆積される。これらの装置
に於て電極間距離は、電流密度及び電解時間から電極消
耗が比較的少ないことを考慮して、運転当初に30mmに
設定した。浴温は880℃で電気分解した結果を第1表
に示した。
なお、第1表では、溶融塩中に入っている電極表面積を
同じになるようにして形状のみを変更して電極形状の効
果を比較したものである。また、「平均陽極電流密度」は
本発明法(1)では1.71A/cm2と極めて大きいこと
が判る。この電流密度は、本発明者の考えより、反応は
陽極反応面でおきると考えて算出したものであるが、従
来の丸棒電極の場合、反応面が特定することが困難なの
で電極の浸漬面の陰極に面した半分のみであると仮定し
た値を参考値として( )を付けて記述した。
第1表より、明らかに、本発明の電極形状を用いると陽
極効果が発生する直前の限界電流値が大きくできること
が判る。
また連続運転を安定して維持するためには、限界電流値
より若干少ない電流で運転すべきであり、従って、若干
電流を低下させて5時間連続運転を行った時の電解成績
を示した。
第1表より本発明を用いることにより平均電流を大幅に
増加させ、かつ高電流効率で生産できることが判る。
比較例(1)では、従来法に比較し、約2.6倍の生産増
となり、本発明(1)では約3.6倍の生産増になってい
ることが判る。
なお、Nd23を含まないLiF−NdF3の2元系の溶融
塩を使用した場合にも同様の結果が得られた。
実施例2 実施例1の図で判るとおり板状電極を使用することによ
り大幅な生産増ができるが、第1図、第2図と第5図と
を比較すると、本発明の電極は炉体に比較して有効面積
が少なく、電極の反応面積をもって大きくすることがで
きる。
そこで、炉体の大きさを同じにして電極を第1図、第2
図の破線の位置まで大きくして比較したのが第2表であ
る。第2表において、本発明(2)では陰極陽極ともに幅
だけを2倍とし、比較例(2)では陰極はそのままで、陽
極のみを本発明(2)と同じく幅だけを2倍とし、実施例
1と他の条件は同じくして電流量を変化させたものであ
る。
第2表より、陽極反応面積を大きくすることにより、本
発明(1)、比較例(1)に比較して本発明(2)、比較例(2)と
も2倍の電流を流すことができ、生産量も2倍に増加し
た。
従来例に比較すると、本発明(2)は約7.2倍、比較例
(2)は約5.3倍の増産が可能であることが判る。
実施例3 陽極に黒鉛、陰極に鉄を用いてNd−Fe合金を製造し
た。
溶融塩はLiF80mol%−NdF320mol%のLiF−N
dF3の混合物に2wt%のNd23を添加したLiF−Nd
3−Nd23系で行った。
使用した装置は第3図に示すように中央に陰極、両側に
陽極を配置したものである。
電極の大きさは14L×7W×2D(単位cm)で、各電極と
も同じ大きさで、かつ同じ形状のものを使用した。極間
距離は、電流密度及び電解時間から電極消耗が比較的多
いことを考慮して、運転中に30mmに維持するように両
側の陽極を移動させた。なお、溶融塩は上記のほかLi
F80mol%−NdF320mol%の2元系溶融塩も用いた
が、同じ傾向の電流−電圧曲線を示した。
第7図は同一の大きさの電解槽に第5図に示す従来の電
極配置と第1図、第2図及び第3図で示した本発明の電
極配置で電気分解した時の電流−電圧曲線を示した。図
中、曲線(1)は第5図で示す従来の電極配置の場合、曲
線(2)は第1図の実線で示す比較例による電極配置、
(3)、(4)はそれぞれ第2図の破線、第3図の実線で示す
本発明による電極配置の場合を示す。
第7図より、第3図に示す電極配置法を用いることによ
り限界電流が第2図の破線に示す電極配置法の約2倍に
なり、同一電流値では本発明法の方が電圧も低いことが
判る。
第3表の本発明例(3)は本装置を用いて電気分解を行い
Nd−Fe合金を製造した結果を示している。
実施例2の本発明(2)(第2図の破線で示す電極配置)で
電気分解を行った場合に比較し、本発明法は約2倍の電
流を安定して流すことができた。本発明によれば、同じ
大きさの電解炉でLiF−NdF3系、LiF−NdF3−N
d23系とも第2図の破線で示すような1対の対向板状
電極配置に比較して約2倍の生産をあげることができ
た。
本実施例によれば、第5図に示す従来の丸棒電極使用
(第1表の従来例)の場合に比較して、同じ大きさの電解
槽を使用して実に約14倍の生産量増加が実現できると
いう顕著な効果を示している。
実施例4 陽極に黒鉛、陰極に黒鉛を用いてNd金属を製造した。
溶融塩は、実施例3と同じく、LiF80mol%−NdF3
20mol%の混合物にNd23を2wt%添加した溶融塩を
用いた。使用した装置、電解条件等は実施例3と同一と
した。
第8図は純Nd金属を製造する場合における電流−電圧
曲線を示したものである。図中の曲線(1)〜(4)は実施例
3と同様の電極配置に対応している。
第8図より、本発明法を用いることにより、限界電流が
大幅に増加し、同一電流値では本発明法の方が電圧も低
いことが判る。
本装置を用いて電気分解を行い、Nd金属を製造した結
果を第3表の本発明(4)に併せて示している。
溶融塩を用いて従来法で電気分解を行った場合に比較し
て、本発明法は大幅に多量の電流を安定して流すことが
でき、同じ大きさの電解炉で、LiF−NdF3−Nd23
系電解浴を使用して従来例と比較して10倍以上の生産
をあげることができる。またLiF−NdF3系でも同様
の効果が得られた。
(発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば、溶融塩電解法に
より希土類金属又は希土類合金を製造するに際して、電
極形状を陽極及び陰極ともに板状にすることにより、以
下のような優れた効果が得られるものである。
1)電極の消耗があっても常に一定の電流密度に維持する
ことができるので、電解反応時の電流電圧が安定すると
ともに電流効果が大幅に向上する。
2)陽極電流密度が安定化するため、限界電流密度に近い
高い陽極電流密度を安定して流すことができるので、生
産量が大幅に向上する。
3)同一炉体での電解槽に於て、反応面積を大きくするこ
とができるので、生産量が大幅に向上する。
4)上記の効果により、本発明を実施した結果、同一炉体
の電解槽に於て生産量が約10倍に向上した。
【図面の簡単な説明】
第1図は比較例の電極配置を説明するための図で、(a)
は平面図、(b)は断面図である。 第2図〜第3図はそれぞれ本発明の電極配置を説明する
ための図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。 第4図は本発明の第3図に対応する実施態様における電
力配線図である。 第5図は従来のモーリス他の提案による電極配置を説明
するための図であって、(a)は平面図、(b)は断面図で
ある。 第6図は極間距離と電流効率の関係を示す図である。 第7図、第8図は電解電圧と電解電流との関係を示す図
である。 1……電解浴槽、2……電解浴、3……陽極、4……陰
極、5……生成メタル液滴、6……生成メタル層、7…
…整流器。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融塩電解法により希土類金属又は希土類
    合金を製造する方法に於て、電極形状として、陽極と陰
    極を板状とし、かつ、この板状陽極と板状陰極とを鉛直
    方向に懸架して、1.0A/cm2以上の高い陽極電流密
    度で電解を行い、陰極下方に生成メルトを滴下させるこ
    とを特徴とする希土類金属又は希土類合金の製造方法。
  2. 【請求項2】電解の進行に伴って陽極及び陰極のいずれ
    かを一方又は双方に移動して、陽極と陰極の間隔を制御
    しつつ電解する特許請求の範囲(1)に記載の方法。
  3. 【請求項3】溶融塩電解法により希土類金属又は希土類
    合金を製造する方法に於て、1枚の板状陰極を鉛直方向
    に懸架し、この板状陰極を中心とし、その両側に一対の
    板状陽極を対向して鉛直方向に懸架して、1.0A/cm
    2以上の高い陽極電流密度で電解を行い、陰極下方に生
    成メルトを滴下させることを特徴とする希土類金属又は
    希土類合金の製造方法。
  4. 【請求項4】電解の進行に伴って陽極及び陰極のいずれ
    かを一方又は双方に移動して、陽極と陰極の間隔を制御
    しつつ電解する特許請求の範囲(3)に記載の方法。
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