利用石墨“放大招” 让材料从骨子里“强身健体” 西安市高校科研团队破解铝产业链行业瓶颈
铝合金是轻量化制造的主要耗材。但铝产业的利润空间受到铝价、能耗、人工成本，和终端售价的限制，如何能够降低铝产业链的成本从而提升利润空间呢？
记者在采访中了解到，西安理工大学材料科学与工程学院二级教授、博士生导师蒋百灵教授团队，通过探索研发出的自润滑挤压模具有效地解决了这一问题。通过自润滑抗熔蚀共晶石墨钢型材制备技术，让材料从骨子里“强身健体”，破解了铝产业链行业瓶颈问题。
用石墨“放大招”降低铝合金制品制造成本
近日，走进位于西咸新区沣东新城的西安共晶金属科技有限公司生产车间，记者看到，伴随着机器轰鸣声，一种镶嵌式自润滑铝型材挤压模具正不断产出……制造该模具的材料，正是西安理工大学蒋百灵教授团队研发的、可满足500C°以上使用环境的共晶石墨钢。自润滑挤压模具是目前国内同领域技术最先进的产品。
生产车间
记者了解到，蒋百灵教授团队通过不断探索，以延长铝制品制成过程中的切削工具、挤压与压铸模具的使用寿命、降低材料消耗为突破口，实现降低铝合金产品制造成本、提高铝产业利润水平的目标。
对于高端装备制造业来说，高速关键运动件相对滑动速度达到一定程度后，即使能够通过介质润滑，也会局部滑擦而产生乏润滑加剧磨损。同时，由于高速运转的摩擦副之间会因摩擦生热而致润滑介质失效、使设备无法正常运行。自润滑材料的出现，将会有效解决这一问题。
“因为在凝固过程组织中均布着细小的石墨球，满足了结合面自润滑的边界条件，摩擦系数小了，磨损量就小了，使用时间就延长了。”蒋百灵说。
作为致力于材料制备技术的行业专家，近年来，蒋百灵带领团队通过不断探索，针对铝合金压铸模具熔蚀和挤压模具粘黏导致的高值短寿痛点，在传承西安理工大学曾获国家科技进步二等奖的铸铁型材水平连铸成果的基础上，以增加石墨球密度数、提升基体高温强韧性为创新点，研发出可满足500C°以上使用的自润滑抗熔蚀共晶石墨钢型材制备技术。
用该型材生产铝合金压铸、挤压模具，可为提升铝产业利润水平创造出新的空间，将来可为汽车工业、轨道交通、消费电子及航空航天领域发展做出新贡献。
以模具延寿降耗为材料制备突破口 破解行业难题
铝合金以其轻质高强等优势特点在很多领域得到广泛的应用，但铝产业的利润空间受到铝价、能耗、人工成本和终端售价限制。如何能够降低铝产业链的制成成本从而提升利润空间呢？
“只有从消减挤压模具粘黏、抑制压铸模具熔蚀上下功夫，做文章！”找准了方向和目标，蒋百灵带领团队说干就干。2018年开始，以两类模具的延寿降耗为材料制备的突破口，研发出自润滑挤压模具和抗熔蚀压铸模具，通过延长模具的使用寿命，而达到降低铝合金产品制造成本的目标，为提升铝产业利润水平创造出新的空间。
蒋百灵介绍说：“铝产业的两类模具分别涉及到铝液腐蚀和铝铁粘黏难题，均布于高温热强铁基体中的球状石墨，可同时解决此两类难题。我们的工作就是围绕如何让含有铬钼钒等反石墨化元素的高碳铁水中的碳，在凝固时不受铬钼钒干扰的凝出球状石墨，以发挥自润滑、抗熔蚀功能；而在固态热处理时碳又部分的与铬钼钒元素形成弥散碳化物，以满足500C°以上使用时的高强韧要求。”
指导团队研发工作
据介绍，对于机械制造业来说，高速关键运动件运行速度达到一定程度后，即使能够通过介质润滑，也会因滑擦产生的热力耦合而加剧局部磨损。自润滑材料的出现，将有效解决这一问题，使高速运行的“关键运动基础件”的使用寿命更长，将来还将运用到电动汽车的高速减速机等更广泛的领域中去。
经过3年多的反复试验和探索，满足自润滑边界条件和可于500C°以上使用的共晶石墨钢型材的制备难点被一一突破、并已迈入小批量试产阶段。
有望彻底解决特高压输电金具维护问题
“最让我感到欣喜的是，此技术还能够在特高压电能传输方面得到应用。”蒋百灵说。特高压电网的连接金具，是用于固定电线与绝缘子或电塔的关键结构件。在西部，特别是新疆、青海等强风地区，输电线会随着大风强力舞动，而此时连接金具承受着巨大的往复摩擦力。强烈摩擦会让高压金具产生快速磨损直至磨断。如何提高金具的摩擦寿命，从而来降低金具的维护更换频率，是电力部门一直想去改变的技术难题。
“我们的这个技术刚好符合他们的要求。”今年以来，蒋百灵团队正式与国家电网签署了合作协议，开展自润滑金具的项目研发工作。“希望能够通过小批量的试验，实现特高压金具从现阶段不到半年更换，延长到两年以上的维护周期。”蒋百灵说，“小批量试验成功后，我们还将投入生产线，以达大批量生产，彻底解决特高压输电金具维护问题。”
面向未来，蒋百灵说：“我们下一步计划就是完成试验以后，以我们这样一个小型制造公司为示范平台，联合陕西的加工制造业，分工序、分工段完成我们开发的铝产业两类模具和特高压金具的产品制造。”
轻量化制造在西安市及陕西省已形成较为完善的产业链结构
记者了解到，以铝合金为主要耗材的轻量化制造在西安市及陕西省已形成较为完善的产业链结构。除已被国家布局为航空产业基地的飞机制造业需要大量的高端铝合金结构件外，电动汽车产销量最大的比亚迪集团、车用减速机主要制造商法斯特等，都在自产或委托省内配套企业压铸完成大量的铝合金压铸件。
另外，为了配合陕西省乃至西北地区轻量化制造的迅猛发展，铜川市已于十多年前开始布局从原材料到铝型材和压铸件的全产业链制造基地，年产10万吨的铭帝铝型材、和年产300万只轮毂的达美压铸等，已引起国内同行的高度关注。
“自润滑挤压和抗熔蚀压铸两类专用材料的应用推广，必将为陕西省轻量化制造的利润水平提升和产品竞争力增强作出贡献。”蒋百灵信心满满地说。
文/图：西安报业全媒体记者 任娜 通讯员 李博
