鎂合金給人的印象是重量輕，但價(jià)格高、難加工、易燃。隨著材料和加工技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在鎂合金已然發(fā)生改變，正在逐漸成為安全易用的輕量化材料。
鎂合金是實(shí)用金屬中最輕的，且強(qiáng)度較高，被用于制造筆記本電腦、汽車(chē)部件和相機(jī)外殼等，已經(jīng)不算稀奇的材料。但要稱(chēng)其為通用材料還相差很遠(yuǎn)，鎂還未能象人們期待的那樣貼近生活。
在日本國(guó)內(nèi)，1980年代隨壓鑄技術(shù)的發(fā)展，鎂合金開(kāi)始了普及。到1990年代，在采用了觸變注射成型技術(shù)（將半熔融狀態(tài)的鎂合金注射成型的技術(shù)）后，鎂合金名聲大噪，成為了家電企業(yè)和PC企業(yè)競(jìng)相采用的外殼材料。到90年代后期，有著“銀色電腦”之稱(chēng)、包裹暗銀色鎂合金外殼的筆記本電腦成為焦點(diǎn)話題，帶動(dòng)了PC需求的增長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)日本國(guó)內(nèi)的鎂需求曾大幅增長(zhǎng)。
然而，鎂合金的增長(zhǎng)并沒(méi)有達(dá)到普及的程度。從2004年前后開(kāi)始，日本國(guó)內(nèi)需求增長(zhǎng)放緩，在2007年創(chuàng)下最高需求記錄后，受到雷曼危機(jī)的影響，需求陷入低迷，徘徊在4萬(wàn)噸/年的水平上（如下圖）。
圖：日本鎂需求量的變化。來(lái)源：《日經(jīng)制造》根據(jù)日本鎂協(xié)會(huì)的資料制作
在汽車(chē)領(lǐng)域也未能象人們期待的那樣普及開(kāi)來(lái)。 在歐洲，德國(guó)寶馬（BMW）對(duì)汽缸體等大部件采用了鎂合金，但在日本國(guó)內(nèi)，還只是小范圍應(yīng)用于方向盤(pán)芯棒、ECU（Engine Control Unit）外殼、油杯帽等小部件。
那么，既然鎂合金是輕量化的不二之選，為什么又會(huì)停滯不前呢？這是因?yàn)殒V合金存在易燃、難儲(chǔ)運(yùn)、難加工、成本高等難點(diǎn)。而且，制造現(xiàn)在主流的鑄件時(shí)，還存在尺寸精度和表面性質(zhì)和形狀等難題。這些難點(diǎn)蓋過(guò)了鎂合金是實(shí)用金屬中重量最輕的最大特點(diǎn)，限制了用途和需求的擴(kuò)大。
隨著不可燃合金的登場(chǎng)，以及通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展而使鎂合金更容易利用等，過(guò)去鎂合金的難點(diǎn)正在逐一得到克服。
另一方面，對(duì)于材料使用方來(lái)說(shuō)，輕量化競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。例如，日本金屬介紹說(shuō)，在平板電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域，有些企業(yè)“不惜成本上升，也要通過(guò)置換材料實(shí)現(xiàn)輕量化。從2011年前后開(kāi)始，來(lái)自海外的鎂合金壓延材料的垂詢不斷增多”。從以追求節(jié)能的飛機(jī)、鐵路機(jī)車(chē)、汽車(chē)為代表的運(yùn)輸行業(yè)，到輕量化對(duì)易用性影響很大的拐杖、輪椅等社會(huì)福利行業(yè)都對(duì)鎂合金表現(xiàn)出了興趣。
在材料技術(shù)和加工技術(shù)不斷進(jìn)化和輕量化競(jìng)爭(zhēng)的背景下，鎂合金沉睡的實(shí)力即將被喚醒。
接下來(lái)，我們從其產(chǎn)品自身、加工和用途三個(gè)方面，來(lái)看鎂合金的進(jìn)化。
產(chǎn)品
首先，鎂合金自身的進(jìn)化大致有兩點(diǎn)。一點(diǎn)是難燃性。已有克服了易燃、難滅火等缺點(diǎn)的鎂合金登場(chǎng)。這就是熊本大學(xué)在2012年發(fā)布的“KUMADAI不燃鎂合金”。作為其基礎(chǔ)的“KUMADAI耐熱鎂合金”在900℃以上也不會(huì)自燃，而其進(jìn)化版“KUMADAI不燃鎂合金”則完全不會(huì)燃燒。并且憑借優(yōu)異的強(qiáng)度受到關(guān)注，有望用來(lái)制造注重阻燃性的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料（如下圖）。
圖：KUMADAI耐熱鎂合金的毛坯，直徑為177mm。照片中里側(cè)為鑄造的坯料。外側(cè)為切削掉表面后的情形。是開(kāi)發(fā)不燃鎂合金的基礎(chǔ)。
第二點(diǎn)是更輕。在這點(diǎn)上，最近最吸引消費(fèi)者關(guān)注的當(dāng)屬鎂鋰合金。2012年8月，NEC個(gè)人電腦開(kāi)創(chuàng)了世界量產(chǎn)品之先河，對(duì)筆記本電腦“Lavi e Z”采用了這種合金（如下圖）。A4大小的電腦重量還不到900克，實(shí)現(xiàn)了極致“瘦身”。
圖：采用鎂鋰合金的NEC PC的筆記本電腦“Lavie Z”，底板使用鎂鋰合金。頂板等使用壓鑄鎂合金。A4尺寸僅為875g。
注：鎂鋰合金是美國(guó)宇航局（NASA）在1960年代開(kāi)發(fā)的。當(dāng)時(shí)的用途包括航天產(chǎn)業(yè)和軍需產(chǎn)業(yè)等，因前述難點(diǎn)的阻礙，在民需產(chǎn)業(yè)未能得到采用。
“LaVie Z”的鎂合金機(jī)殼是由不二輕金屬制造的鎂合金擠壓板。注：不二輕金屬負(fù)責(zé)擠壓板的制造。擠壓板由其他企業(yè)輥軋，再由另一家企業(yè)進(jìn)行沖壓加工，最后配備在筆記本電腦上。
配備到LaVie Z上只是其中一個(gè)例子，不二輕金屬的鎂合金已被多種便攜終端采用。鎂合金的特點(diǎn)是重量輕、剛性高，可用于筆記本電腦的機(jī)殼、智能手機(jī)的內(nèi)部底板以及汽車(chē)用部材、線材、螺絲材料等，被視為設(shè)備輕量化的王牌。因?yàn)槠浔戎刂挥袖X合金的約2/3。
在不二輕金屬的銷(xiāo)售額中，鋁合金擠壓型材占67％，鋁合金加工品占28％，其他產(chǎn)品占5％。鎂合金被包含在“占5％的其他產(chǎn)品”中，業(yè)務(wù)規(guī)模還很小。不過(guò)，該公司認(rèn)為今后用戶對(duì)設(shè)備的輕量化需求將會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，于是對(duì)鎂合金寄予厚望，希望能成為支撐該公司未來(lái)發(fā)展的支柱業(yè)務(wù)。
左圖為鎂合金中的LZ材料，右圖為AZ材料
不二輕金屬以提高鎂合金的性能和擴(kuò)大用途為目標(biāo)，對(duì)鎂合金的研發(fā)進(jìn)行了積極投資。該公司參與了熊本大學(xué)開(kāi)發(fā)的、以比傳統(tǒng)鎂合金重量輕、強(qiáng)度高、耐熱性高為特點(diǎn)的“KUMADAI耐熱鎂合金”的實(shí)用化項(xiàng)目，于2012年設(shè)立了研發(fā)部，并在公司內(nèi)設(shè)置了量產(chǎn)驗(yàn)證工廠。該公司距離挑戰(zhàn)鎂合金業(yè)務(wù)的目標(biāo)越來(lái)越近。
不二輕金屬是日本大型門(mén)窗制造企業(yè)不二SASH的子公司，從2002年開(kāi)始從事鎂合金業(yè)務(wù)。契機(jī)是與鎂合金研究水平很高的熊本大學(xué)開(kāi)始共同研究這種合金。
不二輕金屬在公司創(chuàng)立以后一直從事鋁合金業(yè)務(wù)，考慮到能夠運(yùn)用以前培育的技術(shù)，便涉足了鎂合金業(yè)務(wù)。鎂合金不僅是一種前景被看好的可有效減輕設(shè)備重量的新一代材料，而且還能利用鋁合金擠壓機(jī)等現(xiàn)有設(shè)備加工，這一點(diǎn)也是該公司涉足這項(xiàng)業(yè)務(wù)的一大原因。另外，該公司2002年決定涉足鎂合金業(yè)務(wù)時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)還比較少，這也是一項(xiàng)利好因素。
不二輕金屬的前身是九州不二SASH，該公司從1970年開(kāi)始從事鋁合金擠壓加工，1984年開(kāi)始從事精密加工，因此2002年啟動(dòng)的鎂合金業(yè)務(wù)在該公司的歷史并不長(zhǎng)。不過(guò)，著手開(kāi)發(fā)兩年之后的2004年，該公司開(kāi)始開(kāi)展鎂合金擠壓試制品的營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)，并以作為筆記本電腦機(jī)殼的鍛制材料被采用為契機(jī)，于2005年開(kāi)始量產(chǎn)鎂合金軋輥材料。
鎂合金擠壓加工的制造要求高，難度高于鋁合金。因?yàn)殒V合金為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，所以難以進(jìn)行擠壓加工。不二輕金屬在合作研究伙伴——熊本大學(xué)里推進(jìn)了鎂合金的研發(fā)，運(yùn)用鋁合金方面的經(jīng)驗(yàn)，研究最佳模具設(shè)計(jì)和最佳擠壓條件，確定了最佳制造條件。
現(xiàn)在，不二輕金屬還擴(kuò)充了產(chǎn)品線，有鍛制鎂合金（用于個(gè)人電腦、智能手機(jī)及相機(jī)等的機(jī)殼及部材）、阻燃性鎂合金（用于汽車(chē)部材、線材及螺絲材料）、純鎂（供研究機(jī)構(gòu)使用、防振材料）三種產(chǎn)品。而且，盡管只是局部實(shí)用化，但該公司終于將KUMADAI耐熱鎂合金也加入了產(chǎn)品線（KUMADAI耐熱鎂合金參見(jiàn)下篇）。另外，關(guān)于LaVie Z采用的鍛制鎂合金，鍵盤(pán)一側(cè)的底板使用了LZ材料（鎂鋰合金），顯示屏一側(cè)的頂板使用了AZ材料（在鎂中添加了鋁和鋅）。LZ材料比AZ材料輕20％左右。
圖：左起分別為鎂合金LZ91、鎂合金AZ31、鋁合金、鐵?？梢钥吹较嗤螤畹闹亓恐?br style="text-indent: 2em; text-align: left; max-width: 100%" />
過(guò)去，筆記本電腦的機(jī)殼使用鎂合金時(shí)，一般都是使用通過(guò)壓鑄技術(shù)制造的鑄造品。但鑄造品無(wú)法減小厚度，很難進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。在這樣的情況下，不二輕金屬開(kāi)發(fā)出了能用于沖壓加工等的鍛制鎂合金。
為了進(jìn)一步減輕重量，智能手機(jī)也經(jīng)常在內(nèi)部底板等處使用鎂合金。過(guò)去使用的都是鑄造品，但要在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上使智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)薄型化與輕量化，就必須進(jìn)一步減小鎂合金的厚度，這就要用到鍛制鎂合金板材了。
據(jù)不二輕金屬介紹，目前只有日本廠商的智能手機(jī)使用該公司的鍛制鎂合金。但今后中國(guó)智能手機(jī)廠商也很可能產(chǎn)生這方面的需求。不二輕金屬表示，中國(guó)智能手機(jī)廠商尚未使用鍛制鎂合金，原因好像是尚未達(dá)到追求薄型化和輕量化的階段。不過(guò)，薄型化和輕量化是未來(lái)趨勢(shì)，因此該公司認(rèn)為中國(guó)廠商在不久的將來(lái)也會(huì)使用鍛制鎂合金。因?yàn)檫t早會(huì)產(chǎn)生需求，所以該公司將做好供應(yīng)材料的準(zhǔn)備。
NEC PC以非凡的熱情挑戰(zhàn)筆記本電腦的輕量化，在以鎂合金加工能手Kasatani（笠谷精密）為首的材料企業(yè)、表面處理企業(yè)及涂裝企業(yè)的協(xié)助下，在全球率先實(shí)現(xiàn)了鎂鋰合金的量產(chǎn)。
鎂鋰合金之所以難加工，是因?yàn)樗苋彳?。與作為延展材料使用的AZ31相比，鎂鋰合金比較容易彎曲和拉伸，但正因?yàn)槿彳洠踩菀桩a(chǎn)生折痕和裂縫。
另外，鋰的表面與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)、會(huì)生成氫氧化鋰（LiOH）析出，使其表面就像撲了粉一樣，而且，析出的LiOH跟模具的潤(rùn)滑油混合凝固，會(huì)引起成型不良。
于是，Kasatani在沖壓加工之前進(jìn)行了抑制LiOH析出的特殊處理。技術(shù)詳情并未公布，只了解到是從這一預(yù)處理工序，一直到清洗、沖壓進(jìn)行連續(xù)處理，最終實(shí)現(xiàn)了鎂鋰合金的沖壓加工。
不過(guò)，只是順利實(shí)現(xiàn)沖壓加工，還不能實(shí)現(xiàn)鎂鋰合金的實(shí)用化。沖壓后，還要通過(guò)鈍化處理提高耐腐蝕性，然后再涂裝，但“如果不對(duì)條件進(jìn)行優(yōu)化使從沖壓到涂裝的一系列處理獲得平衡，就無(wú)法制造”（Kasatani開(kāi)發(fā)技術(shù)統(tǒng)括部副部長(zhǎng)玉井賢二）。因?yàn)榍肮ば虻臈l件和處理液一旦發(fā)生改變，就會(huì)影響到后工序的加工質(zhì)量。
因此，表面處理廠商也根據(jù)專(zhuān)為此次鎂鋰合金開(kāi)發(fā)的鈍化處理和涂料，優(yōu)化了沖壓條件。借助Kasatani等供應(yīng)商的通力合作，最終實(shí)現(xiàn)了鎂鋰合金的實(shí)用化。
實(shí)際上，鎂鋰合金由于含有昂貴的Li，材料成本高達(dá)普通Mg合金的數(shù)倍。但另一方面，鎂鋰合金具有能夠冷壓的特點(diǎn)（但現(xiàn)在Lavie Z使用的鎂鋰合金零部件采用的是熱壓加工）。雖然材料成本高,但在Mg合金中最輕、可通過(guò)冷壓降低加工成本，這些優(yōu)點(diǎn)使鎂鋰合金能夠與其他Mg合金一較高下。
加工方式
現(xiàn)在，鎂合金結(jié)構(gòu)材料主要使用鑄件等制造，要想用于創(chuàng)意性強(qiáng)的用途、或者高強(qiáng)度的大型結(jié)構(gòu)材料，就必須使用擠壓、沖壓、壓延等塑性加工技術(shù)和相應(yīng)的材料。壓延材料能夠滿足這種需求，有望推動(dòng)鎂合金在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的普及。
例如，東芝2013年春季推出的筆記本電腦“dynabook KIRA”采用的頂板，就是由住友電氣工業(yè)制造的鎂合金“AZ91”板材以沖壓加工方式制成的。實(shí)現(xiàn)了富有金屬光澤的效果（如下圖）。
圖：采用AZ91板材制作頂板的東芝筆記本電腦“dynabook KIRA”，對(duì)住友電工開(kāi)發(fā)的AZ91板材作沖壓加工制成。經(jīng)化學(xué)處理后施以拉絲加工，再覆上透明涂層。
AZ91是含鋁9%、含鋅1%的鎂合金，提高了作為鎂之弱點(diǎn)的耐腐蝕性。鋁含量達(dá)到9％的話雖然能夠獲得足夠的耐腐蝕性，但另一方面，會(huì)產(chǎn)生合金的析出物（在過(guò)飽和固溶液中溶解過(guò)剩的溶質(zhì)原子從母液中脫離，作為新的穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生的物質(zhì)。過(guò)飽和度小時(shí)為不穩(wěn)定狀態(tài)，溶質(zhì)集結(jié)至臨界結(jié)晶或結(jié)晶位錯(cuò)）變大的問(wèn)題，在加工（滾軋）中導(dǎo)致破裂，因此難以生產(chǎn)板材，此前只能作為鑄造材料使用。鑄造材料在進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)流痕或變白。為了掩蓋這些缺點(diǎn)，一般需要施以兩層（兩次涂裝）以上的涂層，會(huì)形成厚厚的樹(shù)脂層。因此，不僅需要花費(fèi)人力和成本，還會(huì)導(dǎo)致涂裝變厚，很難表現(xiàn)出金屬的質(zhì)感。
住友電工2009年開(kāi)發(fā)的AZ91板材，使用獨(dú)創(chuàng)的制造工藝，將結(jié)晶組織變細(xì)，從而克服了這一問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)了板材的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。住友電工先進(jìn)材料研究所鎂合金項(xiàng)目負(fù)責(zé)人河部望介紹：“板材表面很干凈，所以可以表現(xiàn)出金屬的質(zhì)感，而且，只能用沖壓才能加工出的形狀也能實(shí)現(xiàn)。這兩點(diǎn)在造型設(shè)計(jì)方面起到重要作用。”
AZ91板材和AZ91合金鑄造材料相比，強(qiáng)度、延展性大幅提高，強(qiáng)度提高到1.5倍以上，達(dá)到380MPa，延展性提高數(shù)倍達(dá)到10％以上。另外，沖壓加工性也實(shí)現(xiàn)了和AZ31合金板材同等的效果。
據(jù)說(shuō)住友電工是全球首家量產(chǎn)AZ91板材的企業(yè)。該公司打算以利用鉆石切割（Diamond Cut）工藝形成的光澤面，以及利用發(fā)絲加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的金屬質(zhì)感為宣傳點(diǎn)，不斷擴(kuò)大這種板材的使用范圍。
此外，住友電工的鎂合金板材似乎還可在成本方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。據(jù)該公司介紹，材料、表面加工及裝飾的合計(jì)成本很可能會(huì)比原來(lái)使用鑄造材料時(shí)要低。
住友電工在AZ91板材的量產(chǎn)技術(shù)上初見(jiàn)眉目是在2010年。此后三年，經(jīng)過(guò)以穩(wěn)定量產(chǎn)為目標(biāo)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和用戶評(píng)測(cè)之后，終于達(dá)到了實(shí)用化階段。因作為壓延材料使用的“AZ31”鎂合金耐腐蝕性較低，有的產(chǎn)品只好不再將其用作外裝材料，而AZ91板材剛好可應(yīng)用于這些產(chǎn)品。
此外，權(quán)田金屬工業(yè)也從2013年開(kāi)始了鎂合金壓延材料成本削減的研究項(xiàng)目。目標(biāo)是使成本減半，從現(xiàn)在的4000日元/kg，減少到2000日元/kg。
該公司在大約10年前開(kāi)發(fā)出了以快速冷卻法制造微細(xì)晶粒鑄板的技術(shù)GTRC（Gonda Twin Roll Casting），原型是向雙輥之間澆注鎂合金的熔融金屬進(jìn)行鑄造的雙輥鑄造工藝。就鑄造速度而言，一般的雙輥鑄造工藝每分鐘能夠鑄造2～3米，該技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了其10倍以上?，F(xiàn)在，主要應(yīng)用于AZ61薄板的量產(chǎn)。該公司準(zhǔn)備以這項(xiàng)技術(shù)為原型，改善軋輥和熔融金屬的進(jìn)給方法，以達(dá)到降低低成本的目的。 GTRC還能制造添加鈣（Ca）的阻燃性鎂合金板。
用途
再來(lái)看用途的進(jìn)化。不只是結(jié)構(gòu)材料，將鎂合金用作燃料電池和貯氫等能源相關(guān)材料的嘗試也取得了進(jìn)展。其實(shí)以前就知道鎂合金理論上在此類(lèi)用途具有卓越的能力，但實(shí)際上卻沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，因易腐蝕，所以工業(yè)上一直難以利用。
然而在最近，情況已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)變：東京工業(yè)大學(xué)及東北大學(xué)開(kāi)發(fā)的鎂燃料電池就是一個(gè)代表。這種電池能夠提高燃料電池這種原電池的性能，并且延長(zhǎng)其壽命。
另一方面，貯氫領(lǐng)域也在使用鎂合金作為貯氫合金。Biocoke Lab著眼于此，開(kāi)發(fā)出了方便、安全的氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，已經(jīng)推出了產(chǎn)品。
韓國(guó)也在發(fā)揮自身的供應(yīng)能力，加快開(kāi)發(fā)鎂的活用技術(shù)。
2012年11月，韓國(guó)的鋼鐵企業(yè)浦項(xiàng)制鐵公司（POSCO）建成了一座鎂精煉廠。滾軋廠已經(jīng)建成了量產(chǎn)2米寬板材的體制。韓國(guó)正準(zhǔn)備把曾經(jīng)完全依靠中國(guó)進(jìn)口的鎂錠料改為國(guó)產(chǎn)。而且，鎂還被選為韓國(guó)政府在8年內(nèi)投資250億日元的材料研究計(jì)劃的對(duì)象，舉國(guó)上下都對(duì)鎂的未來(lái)寄予了厚望。
向不燃及耐熱進(jìn)化：超過(guò)熔點(diǎn)也不燃燒
最近，日本熊本大學(xué)研究生院自然科學(xué)研究科工學(xué)部教授河村能人開(kāi)發(fā)的“KUMADAI不燃鎂合金”消除了了鎂自燃溫度低、易燃的負(fù)面印象。有望作為需要良好阻燃性的飛機(jī)、鐵路車(chē)輛的構(gòu)造材料，這種鎂合金被寄予了厚望。
不燃鎂合金即使從熔爐中取出、進(jìn)入空氣環(huán)境中，也不會(huì)像通常的鎂合金那樣著火。用燃燒器炙烤也不會(huì)迸發(fā)火苗，當(dāng)溫度超過(guò)純鎂的熔點(diǎn)（1091℃）后，這種合金雖然會(huì)熔化沸騰，但不會(huì)燃燒(如下圖a)。即“完全不燃燒”，也就是“不燃”。而不是“難燃”、“耐熱”的緣故。因?yàn)椴蝗紵?，所以熔煉和鑄造時(shí)的操作比較簡(jiǎn)單。
圖：KUMADAI不燃鎂合金的特性。用燃燒器炙烤，加熱到1000℃以上也不著火，只出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象（a）。這種材料的屈服強(qiáng)度良好，可輕松達(dá)到市售鎂合金的2倍以上（b）。攝影：日本科學(xué)頻道
而且，這種合金在常溫下強(qiáng)度大，拉伸屈服強(qiáng)度約為460MPa，堪比特超硬鋁合金（A7075），如上圖b?？偠灾?，不燃鎂合金不僅不會(huì)燃燒，而且擁有良好的機(jī)械強(qiáng)度，因而吸引了飛機(jī)和鐵路車(chē)輛企業(yè)的興趣。
具有如此出色特性的不燃鎂合金不使用稀有金屬。雖然開(kāi)發(fā)方?jīng)]有透露成分，但可以確定的是，添加的元素均為價(jià)格低廉的通用金屬。
為了開(kāi)發(fā)不燃鎂合金和耐熱鎂合金，進(jìn)行性能測(cè)試，揭示不燃和難燃化原理，以便全面投入實(shí)用，熊本大學(xué)于2011年在校內(nèi)成立了“熊本大學(xué)先進(jìn)鎂國(guó)際研究中心”（MRC），加快了開(kāi)發(fā)的速度。中心除400kg的熔爐和580t的熱擠壓設(shè)備之外，還擁有能夠評(píng)價(jià)成分和機(jī)械強(qiáng)度的分析裝置等。
而河村從2000年起著手開(kāi)發(fā)的“KUMADAI耐熱鎂合金”是不燃鎂合金的基礎(chǔ)。這種合金添加了約2at％的釔（Y）和1～2at％的鋅（Zn），自燃溫度最高可達(dá)940℃，比一般鎂合金高出了300℃以上。而且還具有優(yōu)良的耐腐蝕性和強(qiáng)度，與不燃鎂合金一樣，實(shí)用化前景都很受期待。
耐熱鎂合金按照制造方法分成兩類(lèi)。一類(lèi)是利用快速凝固的方法制造的“KUMADAI急冷耐熱鎂合金”。另一類(lèi)是對(duì)鑄造的錠料實(shí)施擠壓加工的“KUMADAI鑄造耐熱鎂合金”。前者是利用薄帶連鑄法，使熔融金屬快速凝固，制成合金薄片，壓實(shí)預(yù)成型后實(shí)施擠壓加工而成。制造雖然費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但性能優(yōu)良。而后者與急冷材料相比，特性雖然略差，但制造方法要簡(jiǎn)單。
在阻燃性鎂合金中，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所通過(guò)添加重量比為1～2％左右的鈣（Ca），使鎂合金具備阻燃性。這種合金的自燃溫度為810℃，強(qiáng)度與傳統(tǒng)的鎂合金相同。而河村開(kāi)發(fā)的耐熱鎂合金不僅自燃溫度比產(chǎn)綜研的阻燃性鎂合金要高出100℃以上，而且擁有更加優(yōu)良的強(qiáng)度和耐腐蝕性。
實(shí)際上，鑄造耐熱合金的比強(qiáng)度約是A7075的1.3倍，急冷耐熱合金更是達(dá)到了A7075的2倍以上（如下圖a）。河村表示“高溫特性特別好”也是耐熱鎂合金的一大特點(diǎn)。在200℃下，鑄造耐熱合金、急冷耐熱合金的比強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于鋁合金（A2219）和高強(qiáng)度鎂合金（WE54）的比強(qiáng)度（如下圖b）。但二者的成型性要好，如果采用溫成型，耐熱鎂合金作為壓延材料比主流鍛造材料AZ31更容易成型。WE54：通過(guò)添加釔和稀土等元素提高了強(qiáng)度的鎂合金。
圖：鑄造耐熱鎂合金的特性
常溫下的比強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度與密度之積）高于鋁合金（a）。高溫（200℃）下的強(qiáng)度更是勝過(guò)鋁合金和其他耐熱鎂合金（b）。鑄造耐熱合金的耐腐蝕性雖然不及市售的鎂合金，但急冷耐熱合金的耐腐蝕性比鋁合金還要好（c）。市售合金均經(jīng)過(guò)了熱處理。
耐腐蝕性方面，鑄造耐熱合金的耐腐蝕性等于甚至低于不耐腐蝕的AZ31，但急冷耐熱合金的耐腐蝕性高達(dá)特超硬鋁合金的近2倍，傳統(tǒng)鎂合金更是不在話下（如上圖c）。
急冷材料的連續(xù)制造進(jìn)入視野
鑄造耐熱合金雖然在實(shí)用化上領(lǐng)先一步，但在河村看來(lái)，未來(lái)的主流會(huì)是具有阻燃性，而且高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性俱佳的急冷耐熱合金。如上所述，這種材料適合作為飛機(jī)和鐵路等大型運(yùn)輸工具的結(jié)構(gòu)材料。海外飛機(jī)企業(yè)已經(jīng)投來(lái)了熱切關(guān)注的目光。
美國(guó)FAA（聯(lián)邦航空管理局）也采取了行動(dòng)。解除了過(guò)去對(duì)于鎂的禁令，正在制定評(píng)價(jià)阻燃性的試驗(yàn)方法。合格的條件之一是暴露在火炎中一定時(shí)間內(nèi)不燃燒，二是撲滅火焰后，合金在一定時(shí)間內(nèi)自行熄滅。按照目前的試驗(yàn)方案，耐熱鎂合金、不燃鎂合金均符合要求。
與鑄造合金相比，制造急冷耐熱合金費(fèi)時(shí)費(fèi)力，問(wèn)題是成本。對(duì)此，河村正計(jì)劃建設(shè)能夠大規(guī)模、自動(dòng)完成一系列制造工序的連續(xù)處理設(shè)備，但沒(méi)有透露詳細(xì)情況。如果實(shí)現(xiàn)的話，制造成本有望壓縮到與鑄造耐熱鎂合金相同的水平。當(dāng)前的目標(biāo)是得到在2020年前后投入開(kāi)發(fā)的新型飛機(jī)的采用。
冷加工：壓延時(shí)使結(jié)晶方向傾斜，降低加工成本
“為了實(shí)現(xiàn)有漂亮金屬光澤的鎂合金壓延材料，我們刻意追求了原料”。日本金屬公司新業(yè)務(wù)推進(jìn)部長(zhǎng)山崎一正對(duì)該公司的軋制技術(shù)充滿自信，由該公司提供的沖壓用板材采用了鎂鋰合金。
由過(guò)去的鑄件一邊，到為了滿足日益擴(kuò)大的鎂合金壓延材料需求，利用日本金屬公司的自主軋制技術(shù)，開(kāi)發(fā)其他公司所沒(méi)有的材料。能夠冷壓成形的板材“TMP”（Texturecontrolled Magnesium alloy Plate）就是其成果之一。這種材料跟必須熱壓成形的普通鎂合金不同，能夠冷壓成形（如下圖a）。其成分跟AZ31基本相同，因此在加工后科采用AZ31的表面處理和修飾方法。
圖：TMP的加工樣品和結(jié)晶構(gòu)造示意圖。采用冷加工，也可實(shí)現(xiàn)圖上的軋制加工（a）。一般Mg合金壓延材料的hcp結(jié)晶方向是一致的，而TMP通過(guò)軋制時(shí)的組織控制，使結(jié)晶方向傾斜（b）。
通常，鎂合金之所以難以冷壓成形，是因?yàn)樾枰堉频陌宀慕Y(jié)晶方向是一致的。鎂合金晶格為密排六方（hcp）晶格，軋制后，會(huì)在厚度方向上形成結(jié)晶方向一致的“集合組織”〔圖b〕。實(shí)際上，鎂合金具有溫度不達(dá)到200～300℃以上、hcp的六棱柱軸向（c軸方向）方向難以變形的性質(zhì)。因此難以進(jìn)行冷加工。鎂鋰合金的晶格是體心立方晶格（bcc），因此容易冷壓變形。
但是，鎂合金在與c軸方向相垂直的平面方向上存在“底部滑動(dòng)”現(xiàn)象，在室溫下也可容易變形。TMP就利用了這一特性。日本金屬為使結(jié)晶的c軸方向向厚度方向傾斜，調(diào)整了軋制方法，實(shí)現(xiàn)了在室溫下的塑性加工。雖然板材成本由此稍微增高，但利用能夠冷壓成形這一優(yōu)點(diǎn)，可以取代現(xiàn)在的AZ31材料。實(shí)現(xiàn)冷加工之后，不僅能夠簡(jiǎn)化加工工序，還不需要模具加熱機(jī)構(gòu)，有望降低綜合加工成本。
滿足壓延材料需求
現(xiàn)在，構(gòu)造材料使用的Mg合金主要是AZ91，AZ91不采用壓鑄和觸變注射成形（Thixomolding）就無(wú)法成形。而采用壓鑄等方法成型，表面粗糙，成形后不花時(shí)間處理，就難以用于要求美觀的外部部件。有時(shí)還帶有孔，會(huì)變成殘次品。另外，還很難做成極薄的板，最薄只能做到0.6mm左右。
壓延材料的需求之所以開(kāi)始擴(kuò)大，就是因?yàn)閴貉硬牧嫌行У啬軌蚩朔松鲜鰡?wèn)題。壓延材料不僅表面性狀好，還能做得像紙一樣薄。一般來(lái)說(shuō)，壓延材料比鑄造材料等成本要高，但山崎指出“如果成本能夠降到現(xiàn)在的1/3～1/4，達(dá)到1000日元/kg左右，在汽車(chē)上采用的機(jī)會(huì)就會(huì)增加”。
最近，鎂合金壓延材料不僅被用作智能手機(jī)和平板電腦的框架，厚幾十μm的極薄鎂箔還被用在了高級(jí)揚(yáng)聲器的紙盆上，所利用的是鎂合金的振動(dòng)衰減性能。
低溫鍛造：通過(guò)鐓粗使晶粒細(xì)化以提高生產(chǎn)效率
鎂合金鍛造材料的用途有望擴(kuò)大，但成本成為其瓶頸。因此，業(yè)界為降低成本積極推進(jìn)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“產(chǎn)綜研”）的可持續(xù)材料研究部門(mén)與宮本工業(yè)公司合作開(kāi)發(fā)的鎂合金低溫鍛造技術(shù)就是其中之一。該技術(shù)通過(guò)降低鍛造溫度，可獲得諸多好處。
該技術(shù)事先對(duì)鍛造材料的組織實(shí)施控制，使晶體粒徑減小至10μm以下，然后使用伺服沖壓工藝在低溫（200℃以下）條件下鍛造。鎂合金一般都是在400℃左右的高溫下鍛造，并使用固體潤(rùn)滑劑。
不過(guò)，如果實(shí)現(xiàn)200℃左右的低溫鍛造，便可使用容易處理、容易去除的水溶性潤(rùn)滑劑，并延長(zhǎng)模具的壽命。這樣便有望降低鍛造構(gòu)件成本，提高生產(chǎn)效率。
此外，低溫鍛造還可減少為使加熱爐及模具保持溫度而投入的成本，而且溫度膨脹也很小，有助于提高成型后的尺寸精度。宮本工業(yè)預(yù)測(cè)，憑借這些優(yōu)點(diǎn)，最終有望使目前的鍛造成本削減20～30％。
將晶體粒徑減小至10μm以下
此次開(kāi)發(fā)的鍛造技術(shù)的工藝流程如下：首先對(duì)鍛造用鎂合金實(shí)施“均質(zhì)化處理”，就是將金屬材料加熱至某一溫度并保持一定時(shí)間，使合金元素均質(zhì)分散在材料中。具體操作時(shí)，將材料加熱至410℃并保持24小時(shí)，然后在空氣中環(huán)境中自然冷卻，由此便可獲得晶體粒徑統(tǒng)一為0.1～0.2mm的金屬組織，這樣便形成了鍛造用的坯料。
接下來(lái)是使用伺服沖壓機(jī)，以5～10mm/s的低速鐓粗加工，將加熱至300℃的坯料加工到壓下率達(dá)到10％的程度。這樣，坯料中就會(huì)發(fā)生應(yīng)變，發(fā)生“動(dòng)態(tài)再結(jié)晶”現(xiàn)象。
動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是金屬在受熱并受到應(yīng)力變形的過(guò)程中，為消除應(yīng)變能量而重新生成結(jié)晶粒的現(xiàn)象，在上述條件下，坯料的晶體粒徑可變?yōu)榧s5～10μm（如下圖）。晶體粒徑為10μm以下的區(qū)域占整體的95％左右。要想使鍛造實(shí)現(xiàn)低溫化，“這樣的組織控制是非常重要的”（產(chǎn)綜研可持續(xù)材料研究部門(mén)高級(jí)主任研究員齋藤尚文）。對(duì)于這種晶體粒徑微細(xì)化后的材料，便可在200℃以下的低溫下鍛造。
圖：300℃的鐓粗加工引起的鎂合金晶粒的變化。利用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象使晶粒微細(xì)化。AZ31雖然局部殘留有較大的晶粒，但絕大部分變成了5μm左右的晶粒。AZ61的晶粒雖然比AZ31稍大，但鐓粗加工后也實(shí)現(xiàn)了微細(xì)化。
齋藤尚文表示，“雖然還要看坯料的使用場(chǎng)所如何，但顯示出了與鋁合金相同程度的強(qiáng)度和拉伸性”。這樣一來(lái)，便可鍛造出下圖中那種、散熱柱的長(zhǎng)度達(dá)到8mm左右的散熱器。
圖：試制的散熱片鍛造品。照片中的產(chǎn)品是在150℃下鍛造AZ31鑄造材料制成的。在300℃條件下對(duì)經(jīng)過(guò)均質(zhì)化處理的坯料進(jìn)行鐓粗加工后，切割材料并鍛造。散熱片的尺寸為，底部邊長(zhǎng)30mm左右、厚度3.5mm，散熱柱2mm見(jiàn)方、高8mm。用AZ61也可順利鍛造。
通過(guò)分割工序來(lái)降低溫度
該技術(shù)由2006～2010年產(chǎn)綜研和日本素形材中心共同開(kāi)發(fā)的鍛造技術(shù)發(fā)展而來(lái)。原來(lái)的技術(shù)也是利用鍛造加工中發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，將鍛造材料的晶粒微細(xì)化至10μm以下，從而實(shí)現(xiàn)了低溫鍛造。加工時(shí)，一開(kāi)始就對(duì)加熱至300℃的坯料進(jìn)行低速下壓，引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，然后直接進(jìn)入鍛造工序?qū)嵤┏尚?。也就是說(shuō)，從動(dòng)態(tài)再結(jié)晶到鍛造的過(guò)程是用一道工序來(lái)處理的。
不過(guò)，由于是在300℃下鍛造，因此仍然要使用固體潤(rùn)滑劑，無(wú)法充分發(fā)揮低溫鍛造的優(yōu)勢(shì)。此外，鐓粗與鍛造使用同一模具，因此能夠鍛造成型的形狀也很有限。
而產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將意在引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的低速鐓粗工序與鍛造工序分開(kāi)，還能將鍛造時(shí)的溫度下降100℃左右。
擴(kuò)大適用材料的范圍
目前來(lái)看，已確認(rèn)能夠在200℃以下的溫度鍛造的鎂合金只有AZ31及AZ61。今后，產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將研究如何使鍛造性差的AZ91以及添加有鈣的阻燃性鎂合金實(shí)現(xiàn)低溫鍛造。尤其是后者，由于鈣含量多的話加工效率就會(huì)下降，因此將尋找能夠在保持阻燃性的情況下減少鈣的含量，從而提高加工效率的方法。
同時(shí)，產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將努力實(shí)現(xiàn)溫度進(jìn)一步降低的100℃以下的鍛造。這樣便有望進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低成本。如果能夠達(dá)到冷鍛水平，“還可替換目前使用鋁合金及鋼制造的鍛造品，有望向汽車(chē)等廣泛領(lǐng)域推廣”
