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工人操作稀土鎂合金的澆鑄。受訪者供圖

近日，內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品，填補了對應高效率、低成本鎂合金晶粒細化劑的產品空白。

“這為開發(fā)面向航空飛行器座椅、汽車安全構件、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，產業(yè)化意義非凡

目前，我國工業(yè)領域普遍采用鎂鋯中間合金作為晶粒細化劑，市場現(xiàn)有產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)應用帶來不小困難。

“鎂合金的晶粒尺寸控制技術是對鎂合金材料性能調控的最根本、最顯著的技術方法之一，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性能。

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

胡文鑫表示：“這項技術對稀土鎂合金鑄錠產品的產業(yè)化意義非凡，它可以有效地減少產品內外金屬顆粒的不均勻性，讓內外合金顆粒大小基本保持一致，極大地提高合金的應力水平，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，但對應性能的要求也越發(fā)苛刻。

“針對內蒙古地區(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的突破，包頭稀土研究院在半連續(xù)鑄造及冷室壓鑄的產業(yè)化方面取得了新突破。

目前，國內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、上海交通大學集中自主研發(fā)了半連續(xù)鑄造技術，突破熔體凈化細晶技術、低頻電磁鑄造控制技術、自流式澆鑄控制技術等技術，經過技術集成，突破性解決大尺寸稀土鎂合金棒材內應力大、徑向晶粒尺寸差異大、力學性能不均等技術難點。”胡文鑫介紹說，這項合成技術代表國內領先的鎂合金材料半連續(xù)鑄造技術，為后續(xù)大尺寸、高品質鍛造輪轂以及擠壓型材的低成本化奠定了技術與產品基礎。

包頭稀土研究院引進內蒙古地區(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用起到有力推進作用，稀土鎂合金壓鑄技術與產品終端市場未來可期。

對未來的技術研發(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進行研發(fā)，實現(xiàn)對應器件與制品的示范化應用。(李寶樂 記者 張景陽)