工人操作稀土鎂合金的澆鑄。受訪者供圖

近日，內(nèi)蒙古包頭稀土研究院開發(fā)出了鋯顆粒尺寸低于600納米的稀土鎂鋯晶粒細化劑產(chǎn)品，填補了對應(yīng)高效率、低成本鎂合金晶粒細化劑的產(chǎn)品空白。

“這為開發(fā)面向航空飛行器座椅、汽車安全構(gòu)件、高速列車輕量化等軌道交通裝備的高強度鑄造/變形鎂合金材料提供了可能。”包頭稀土研究院鎂合金項目組主任、高級工程師胡文鑫說。

合金更耐用，產(chǎn)業(yè)化意義非凡

目前，我國工業(yè)領(lǐng)域普遍采用鎂鋯中間合金作為晶粒細化劑，市場現(xiàn)有產(chǎn)品存在鋯元素細化效率低(低于40%)、鋯顆粒大量沉積、細化劑成本高、雜質(zhì)含量高以及細化工藝操作不穩(wěn)定等諸多問題，給實際工業(yè)應(yīng)用帶來不小困難。

“鎂合金的晶粒尺寸控制技術(shù)是對鎂合金材料性能調(diào)控的最根本、最顯著的技術(shù)方法之一，鋯元素和稀土元素均為鎂合金的有效細化元素，如何充分發(fā)揮好這些元素在合金中的作用，是我們一直研究的重點。”胡文鑫說。

基于前期針對稀土和鋯元素對鎂合金耦合細化機制的研究成果，包頭稀土研究院輔之以全新的冶金工藝制備方法，讓分布更密集、體積更小的鋯粒子為鎂晶核提供更多的附著機會，同時稀土元素加強了結(jié)晶過程中鎂晶核在鋯粒子表面的附著能力，可以實現(xiàn)鎂合金晶粒的高效率細化。

數(shù)據(jù)顯示，稀土鎂鋯晶粒細化劑中的細化粒子尺寸較傳統(tǒng)降低2/3，納米級顆粒含量占粒子總量的60%以上，顆粒之間無團聚現(xiàn)象。合金材料經(jīng)細化后，晶粒尺寸可再降低20%，達到35微米以下，晶粒細化效果顯著，更細的晶粒將為材料帶來更好的力學(xué)性能。

目前該產(chǎn)品已經(jīng)完成小規(guī)模生產(chǎn)工藝的研發(fā)，產(chǎn)品已經(jīng)客戶使用驗證，產(chǎn)品細化效率大于80%，成本較傳統(tǒng)鎂鋯晶粒細化劑降低20%以上。

胡文鑫表示：“這項技術(shù)對稀土鎂合金鑄錠產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化意義非凡，它可以有效地減少產(chǎn)品內(nèi)外金屬顆粒的不均勻性，讓內(nèi)外合金顆粒大小基本保持一致，極大地提高合金的應(yīng)力水平，讓合金更耐用。”

節(jié)約成本，性能等同現(xiàn)有材料

伴隨新能源汽車以及國內(nèi)5G通訊的高速發(fā)展，更輕、散熱性能更好、耐腐蝕性能優(yōu)異的輕合金材料市場需求強烈，但對應(yīng)性能的要求也越發(fā)苛刻。

“針對內(nèi)蒙古地區(qū)特有稀土資源優(yōu)勢，我們對鑭、鈰等稀土元素對鎂合金散熱性能的作用機制進行研究，開發(fā)出系列低成本散熱稀土鎂合金工程材料，綜合性能已等同于現(xiàn)有鋁合金散熱材料，散熱器件的制作成本相比鋁合金節(jié)約5%以上。”胡文鑫很自信地說。

基于稀土對鎂合金散熱性能的作用機制和對鎂合金的晶粒尺寸控制技術(shù)的突破，包頭稀土研究院在半連續(xù)鑄造及冷室壓鑄的產(chǎn)業(yè)化方面取得了新突破。

目前，國內(nèi)外對稀土鎂合金壓鑄工藝的專項研究較少。“我們聯(lián)合東北大學(xué)、上海交通大學(xué)集中自主研發(fā)了半連續(xù)鑄造技術(shù)，突破熔體凈化細晶技術(shù)、低頻電磁鑄造控制技術(shù)、自流式澆鑄控制技術(shù)等技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)集成，突破性解決大尺寸稀土鎂合金棒材內(nèi)應(yīng)力大、徑向晶粒尺寸差異大、力學(xué)性能不均等技術(shù)難點。”胡文鑫介紹說，這項合成技術(shù)代表國內(nèi)領(lǐng)先的鎂合金材料半連續(xù)鑄造技術(shù)，為后續(xù)大尺寸、高品質(zhì)鍛造輪轂以及擠壓型材的低成本化奠定了技術(shù)與產(chǎn)品基礎(chǔ)。

包頭稀土研究院引進內(nèi)蒙古地區(qū)科研院所中的最大噸位冷室壓鑄系統(tǒng)QC-830，現(xiàn)已實現(xiàn)工業(yè)常用泵機電機外殼的壓鑄制備，具備了300噸/年稀土鎂合金薄壁器件制備能力，相比傳統(tǒng)重力鑄造、砂型鑄造等方式，綜合效率提升30%，僅人工成本支出一項降低幅度達60%，對稀土鎂合金材料的下游終端應(yīng)用起到有力推進作用，稀土鎂合金壓鑄技術(shù)與產(chǎn)品終端市場未來可期。

對未來的技術(shù)研發(fā)，胡文鑫表示，研發(fā)團隊將面向通訊工程及民用電子行業(yè)的高性能散熱鎂合金與功能性鎂合金材料進行研究;對鎂合金材料的低壓鑄造、半固態(tài)成型等加工成型技術(shù)進行研發(fā)，實現(xiàn)對應(yīng)器件與制品的示范化應(yīng)用。(李寶樂 記者 張景陽)