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(xì)化劑產(chǎn)品，填補(bǔ)了對(duì)應(yīng)高效率、低成本鎂合金晶粒細(xì)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(qiáng)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(xiàng)目組主任、高級(jí)工程師胡文鑫說(shuō)。

合金更耐用，產(chǎn)業(yè)化意義非凡

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

“鎂合金的晶粒尺寸控制技術(shù)是對(duì)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(xì)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(diǎn)。”胡文鑫說(shuō)。

基于前期針對(duì)稀土和鋯元素對(duì)鎂合金耦合細(xì)化機(jī)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(jī)會(huì)，同時(shí)稀土元素加強(qiáng)了結(jié)晶過(guò)程中鎂晶核在鋯粒子表面的附著能力，可以實(shí)現(xiàn)鎂合金晶粒的高效率細(xì)化。

數(shù)據(jù)顯示，稀土鎂鋯晶粒細(xì)化劑中的細(xì)化粒子尺寸較傳統(tǒng)降低2/3，納米級(jí)顆粒含量占粒子總量的60%以上，顆粒之間無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。合金材料經(jīng)細(xì)化后，晶粒尺寸可再降低20%，達(dá)到35微米以下，晶粒細(xì)化效果顯著，更細(xì)的晶粒將為材料帶來(lái)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(yàn)證，產(chǎn)品細(xì)化效率大于80%，成本較傳統(tǒng)鎂鋯晶粒細(xì)化劑降低20%以上。

胡文鑫表示：“這項(xiàng)技術(shù)對(duì)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(guó)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(chǎng)需求強(qiáng)烈，但對(duì)應(yīng)性能的要求也越發(fā)苛刻。

“針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)特有稀土資源優(yōu)勢(shì)，我們對(duì)鑭、鈰等稀土元素對(duì)鎂合金散熱性能的作用機(jī)制進(jìn)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(shuō)。

基于稀土對(duì)鎂合金散熱性能的作用機(jī)制和對(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)稀土鎂合金壓鑄工藝的專項(xiàng)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(xì)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(guò)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(diǎn)。”胡文鑫介紹說(shuō)，這項(xiàng)合成技術(shù)代表國(guó)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(jìn)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(shí)現(xiàn)工業(yè)常用泵機(jī)電機(jī)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(xiàng)降低幅度達(dá)60%，對(duì)稀土鎂合金材料的下游終端應(yīng)用起到有力推進(jìn)作用，稀土鎂合金壓鑄技術(shù)與產(chǎn)品終端市場(chǎng)未來(lái)可期。

對(duì)未來(lái)的技術(shù)研發(fā)，胡文鑫表示，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jìn)行研究;對(duì)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(jìn)行研發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)器件與制品的示范化應(yīng)用。(李寶樂(lè) 記者 張景陽(yáng))