工人操作稀土镁合金的浇铸。受访者供图
近日，内蒙古包头稀土研究院开发出了锆颗粒尺寸低于600纳米的稀土镁锆晶粒细化剂产品，填补了对应高效率、低成本镁合金晶粒细化剂的产品空白。
“这为开发面向航空飞行器座椅、汽车安全构件、高速列车轻量化等轨道交通装备的高强度铸造/变形镁合金材料提供了可能。”包头稀土研究院镁合金项目组主任、高级工程师胡文鑫说。
合金更耐用，产业化意义非凡
目前，我国工业领域普遍采用镁锆中间合金作为晶粒细化剂，市场现有产品存在锆元素细化效率低（低于40%）、锆颗粒大量沉积、细化剂成本高、杂质含量高以及细化工艺操作不稳定等诸多问题，给实际工业应用带来不小困难。
“镁合金的晶粒尺寸控制技术是对镁合金材料性能调控的最根本、最显著的技术方法之一，锆元素和稀土元素均为镁合金的有效细化元素，如何充分发挥好这些元素在合金中的作用，是我们一直研究的重点。”胡文鑫说。
基于前期针对稀土和锆元素对镁合金耦合细化机制的研究成果，包头稀土研究院辅之以全新的冶金工艺制备方法，让分布更密集、体积更小的锆粒子为镁晶核提供更多的附着机会，同时稀土元素加强了结晶过程中镁晶核在锆粒子表面的附着能力，可以实现镁合金晶粒的高效率细化。
数据显示，稀土镁锆晶粒细化剂中的细化粒子尺寸较传统降低2/3，纳米级颗粒含量占粒子总量的60%以上，颗粒之间无团聚现象。合金材料经细化后，晶粒尺寸可再降低20%，达到35微米以下，晶粒细化效果显著，更细的晶粒将为材料带来更好的力学性能。
目前该产品已经完成小规模生产工艺的研发，产品已经客户使用验证，产品细化效率大于80%，成本较传统镁锆晶粒细化剂降低20%以上。
胡文鑫表示：“这项技术对稀土镁合金铸锭产品的产业化意义非凡，它可以有效地减少产品内外金属颗粒的不均匀性，让内外合金颗粒大小基本保持一致，极大地提高合金的应力水平，让合金更耐用。”
节约成本，性能等同现有材料
伴随新能源汽车以及国内5G通讯的高速发展，更轻、散热性能更好、耐腐蚀性能优异的轻合金材料市场需求强烈，但对应性能的要求也越发苛刻。
“针对内蒙古地区特有稀土资源优势，我们对镧、铈等稀土元素对镁合金散热性能的作用机制进行研究，开发出系列低成本散热稀土镁合金工程材料，综合性能已等同于现有铝合金散热材料，散热器件的制作成本相比铝合金节约5%以上。”胡文鑫很自信地说。
基于稀土对镁合金散热性能的作用机制和对镁合金的晶粒尺寸控制技术的突破，包头稀土研究院在半连续铸造及冷室压铸的产业化方面取得了新突破。
目前，国内外对稀土镁合金压铸工艺的专项研究较少。“我们联合东北大学、上海交通大学集中自主研发了半连续铸造技术，突破熔体净化细晶技术、低频电磁铸造控制技术、自流式浇铸控制技术等技术，经过技术集成，突破性解决大尺寸稀土镁合金棒材内应力大、径向晶粒尺寸差异大、力学性能不均等技术难点。”胡文鑫介绍说，这项合成技术代表国内领先的镁合金材料半连续铸造技术，为后续大尺寸、高品质锻造轮毂以及挤压型材的低成本化奠定了技术与产品基础。
包头稀土研究院引进内蒙古地区科研院所中的最大吨位冷室压铸系统QC-830，现已实现工业常用泵机电机外壳的压铸制备，具备了300吨/年稀土镁合金薄壁器件制备能力，相比传统重力铸造、砂型铸造等方式，综合效率提升30%，仅人工成本支出一项降低幅度达60%，对稀土镁合金材料的下游终端应用起到有力推进作用，稀土镁合金压铸技术与产品终端市场未来可期。
对未来的技术研发，胡文鑫表示，研发团队将面向通讯工程及民用电子行业的高性能散热镁合金与功能性镁合金材料进行研究；对镁合金材料的低压铸造、半固态成型等加工成型技术进行研发，实现对应器件与制品的示范化应用。
