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“沉睡”的镁合金
发布时间:2014年02月18日 11:36
(一)克服“可燃”和“难加工”的弱点
“易燃”、“难加工”、“价格高”——这样的印象一直伴随着镁合金。虽作为轻量化材料曾经备受期待,但普及程度却难如人意。随着材料和加工技术的发展,现在镁合金已然发生改变,正在逐渐成为安全易用的轻量化材料。电池和贮氢等能源领域的新项目也已经起航。渡过了休眠期,镁终于迎来了开花结果的丰收时节。
实用金属中最轻且比强度较高的镁合金,被用于制造笔记本电脑、汽车部件和相机外壳等,成为不再罕见的材料。虽说如此,要称其为通用材料还相差很远,镁还未能象人们期待的那样贴近生活。
进展不及预期
在日本国内,1980年代随压铸技术的发展,镁合金开始了普及。到1990年代,在采用了触变注射成型技术后,镁合金名声大噪,成为了家电企业和个人电脑企业竞相采用的外壳材料。到1990年代后期,有着“银色电脑”之称、包裹暗银色镁合金外壳的笔记本电脑成为焦点话题,带动了个人电脑需求的增长。当时日本国内的镁需求曾大幅增长。
然而,镁合金的增长并没有达到普及的程度。从2004年前后开始,日本国内需求增长放缓,在2007年创下最高需求记录后,受到雷曼危机的影响,需求陷入低迷,徘徊在每年4万吨的水平上(图1)。在汽车领域也未能象人们期待的那样普及开来。
 
 
那么,既然镁合金是轻量化的不二之选,为什么又会停滞不前呢?这是因为镁合金存在易燃、难储运、难加工、成本高等难点。而且,制造现在主流的铸件时,还存在尺寸精度和表面性质和形状等难题。这些难点盖过了镁合金是实用金属中重量最轻的最大特点,限制了用途和需求的扩大。
然而,镁合金即将“一雪前耻”。随着不可燃合金的登场,以及通过金属结构控制技术和加工技术的发展而使镁合金更容易利用等,过去镁合金的难点正在逐一得到克服。
另一方面,对于材料使用方来说,轻量化竞争愈演愈烈。日本金属公司称,在平板电脑和智能手机等移动产品领域,有些企业“不惜成本上升,也要通过置换材料实现轻量化。从2011年前后开始,来自海外的镁合金压延材料的垂询不断增多”。从以追求节能的飞机、铁路机车、汽车为代表的运输行业,到轻量化对易用性影响很大的拐杖、轮椅等社会福利行业都对镁合金表现出了兴趣。
在材料技术和加工技术不断进化和轻量化竞争的背景下,镁合金沉睡的实力即将被唤醒。
耐热新合金接连面世
那么,镁合金有了哪些进化呢?让我们从其产品自身、加工和用途三个方面,来看镁合金的进化。
首先,镁合金自身的进化大致有两点。一点是难燃性。已有克服了易燃、难灭火等缺点的镁合金登场。这就是熊本大学在2012年发布的“KUMADAI不燃镁合金”。作为其基础的“KUMADAI耐热镁合金”在900℃以上也不会自燃,而其进化版“KUMADAI不燃镁合金”则完全不会燃烧。并且凭借优异的强度受到关注,有望用来制造注重阻燃性的飞机结构材料(图2)。
 
第二点是更轻。在这点上,最近最吸引消费者关注的当属镁锂合金。2012年8月,NEC个人电脑公司(NECPC)开创了世界量产品之先河,对笔记本电脑“Lavi e Z”采用了这种合金(图3)。A4大小的电脑重量还不到900克,实现了极致“瘦身”。
 
 
NECPC以非凡的热情挑战笔记本电脑的轻量化,在以擅长镁合金加工的Kasatani公司等材料企业、表面处理企业及涂装企业的协助下,在全球率先实现了镁锂合金的量产。
接下来是加工方式的进化。其代表是压延材料。
现在,镁合金结构材料主要使用铸件等制造,要想用于创意性强的用途、或者高强度的大型结构材料,就必须使用挤压、冲压、压延等塑性加工技术和相应的材料。压延材料能够满足这种需求,有望推动镁合金在结构材料领域的普及。#p#分页标题#e#
例如,东芝2013年春季推出的笔记本电脑“dynabook KIRA”采用的顶板,就是由住友电气工业公司制造的镁合金“AZ91”板材以冲压加工方式制成的。实现了富有金属光泽的效果(图4)。
 
 
AZ91很难进行塑性加工,此前是使用压铸和触变注射成型方式,住友电工通过在滚轧时控制其金属结构,成功制造出了压延材料。制成了冲压用板材。如果投入量产,就能够以等于或者低于压铸的价格制造结构材料。
权田金属工业公司也从2013年开始了镁合金压延材料成本削减的研究项目。目标是使成本减半,从现在的每公斤4000日元,减少到每公斤2000日元。
该公司在大约10年前开发出了以快速冷却法制造微细晶粒铸板的技术。就铸造速度而言,一般的双辊铸造工艺每分钟能够铸造2~3米,该技术则实现了其10倍以上。现在,主要应用于AZ61薄板的量产。该公司准备以这项技术为原型,改善轧辊和熔融金属的进给方法,以达到降低低成本的目的。
挑战能源问题
最后来看用途的进化。不只是结构材料,将镁合金用作燃料电池和贮氢等能源相关材料的尝试也取得了进展。其实以前就知道镁合金理论上在此类用途具有卓越的能力,但实际上却没有充分发挥出来,因易腐蚀,所以工业上一直难以利用。
然而在最近,情况已经开始转变:东京工业大学及东北大学开发的镁燃料电池就是一个代表。这种电池能够提高燃料电池这种原电池的性能,并且延长其寿命。
另一方面,贮氢领域也在使用镁合金作为贮氢合金。Biocoke Lab公司着眼于此,开发出了方便、安全的氢气储运技术,已经推出了产品。
韩国和中国也不甘示弱
热切关注克服了老毛病、积累了雄厚实力的镁合金的,不只是日本。
例如,2012年11月,韩国浦项制铁公司(POSCO)建成了一座镁精炼厂。滚轧厂已经建成了量产2米宽板材的体制。韩国正准备把曾经完全依靠中国进口的镁锭料改为国产。而且,镁还被选为韩国政府在8年内投资250亿日元的材料研究计划的对象,举国上下都对镁的未来寄予了厚望。
反观日本,虽说技术领先,但面临着韩国等世界多国的快速追击。既然镁合金拥有强大的潜力,在实用化难度已经降低的今天,倘若不加大开发和应用的力度,日本难保不会失败。
二 从“易燃”向“完全不燃”进化
现在,一种新型合金的出现打消了镁自燃温度低、易燃的负面印象,引发了外界关注。这种合金就是熊本大学研究生院自然科学研究科工学部教授河村能人开发的“KUMADAI不燃镁合金”。因为有望作为需要良好阻燃性的飞机及铁路车辆的构造材料,这种镁合金被寄予了厚望。
强度堪比超特硬铝合金
不燃镁合金即使从熔炉中取出、进入空气环境中,也不会像通常的镁合金那样着火。用燃烧器炙烤也不会迸发火苗,当温度超过纯镁的熔点(1091℃)后,这种合金虽然会熔化沸腾,但不会燃烧〔图1(a)〕。也就是“完全不燃烧”(河村)。这就是称之为“不燃”,而不是“难燃”、“耐热”的缘故。因为不燃烧,所以熔炼和铸造时的操作比较简单。
 
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