“易燃”、“難加工”、“價(jià)格高”——這樣的印象一直伴隨著鎂合金。雖作為輕量化材料曾經(jīng)備受期待，但普及程度卻難如人意。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。電池和貯氫等能源領(lǐng)域的新項(xiàng)目也已經(jīng)起航。渡過了休眠期，鎂終于迎來了開花結(jié)果的豐收時(shí)節(jié)。
實(shí)用金屬中最輕，且比強(qiáng)度較高的鎂合金，被用于制造筆記本電腦、汽車部件和相機(jī)外殼等，已經(jīng)不算稀奇的材料。雖說如此，要稱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。
進(jìn)展不及預(yù)期
在日本國(guó)內(nèi)，1980年代隨壓鑄技術(shù)的發(fā)展，鎂合金開始了普及。到1990年代，在采用了觸變注射成型技術(shù)*1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、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)。
*1 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)。
然而，鎂合金的增長(zhǎng)并沒有達(dá)到普及的程度。從2004年前后開始，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(圖1)。在汽車領(lǐng)域也未能象人們期待的那樣普及開來*2。
*2 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)用于方向盤芯棒、ECU(Engine Control Unit)外殼、油杯帽等小部件。
圖1：日本鎂需求量的變化
1990年代～2000年代前期增幅巨大，從2004年開始觸頂回落?！度战?jīng)制造》根據(jù)日本鎂協(xié)會(huì)的資料制作。
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)?a href=http://www.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂合金存在易燃、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。
然而，鎂合金即將“一雪前恥”。隨著不可燃合金的登場(chǎng)，以及通過金屬結(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)于材料使用方來說，輕量化競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。例如，日本金屬介紹說，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，也要通過置換材料實(shí)現(xiàn)輕量化。從2011年前后開始，來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、汽車為代表的運(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。
耐熱新合金接連面世
耐熱新合金接連面世
那么，鎂合金有了哪些進(jìn)化呢?讓我們從其產(chǎn)品自身、加工和用途三個(gè)方面，來看鎂合金的進(jìn)化。
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，有望用來制造注重阻燃性的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料(圖2)。
圖2：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*3。2012年8月，NEC個(gè)人電腦(NECPC，總部：東京)開創(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(圖3)。A4大小的電腦重量還不到900克，實(shí)現(xiàn)了極致“瘦身”。
*3 鎂鋰合金是美國(guó)宇航局(NASA)在1960年代開發(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。
圖3：采用鎂鋰合金的NECPC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。
NECPC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(總部：大阪市)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)。
擴(kuò)展沖壓加工之路
接下來是加工方式的進(jìn)化。其代表是壓延材料。
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)(以下，住友電工)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(圖4)。
圖4：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很難進(jìn)行塑性加工，此前是使用壓鑄和觸變注射成型方式，住友電工通過在滾軋時(shí)控制其金屬結(jié)構(gòu)，成功制造出了壓延材料。制成了沖壓用板材。如果投入量產(chǎn)，就能夠以等于或者低于壓鑄的價(jià)格制造結(jié)構(gòu)材料*4。
*4 住友電工2013年12月在中國(guó)成立了用AZ91板材，制造、銷售電子產(chǎn)品外殼的公司。
權(quán)田金屬工業(yè)(總部：相模原市)也從2013年開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年前開發(fā)出了以快速冷卻法制造微細(xì)晶粒鑄板的技術(shù)*5。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)*6。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。
*5 該技術(shù)稱為“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。
*6 GTRC還能制造添加鈣(Ca)的阻燃性鎂合金板。
挑戰(zhàn)能源問題
最后來看用途的進(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用途具有卓越的能力，但實(shí)際上卻沒有充分發(fā)揮出來，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)開始轉(zhuǎn)變：東京工業(yè)大學(xué)及東北大學(xué)開發(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(總部：東京)著眼于此，開發(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)和中國(guó)也不甘示弱
熱切關(guān)注克服了老毛病、積累了雄厚實(shí)力的鎂合金的，不只是日本。
諸如，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)鎂的未來寄予了厚望*7。
*7 中國(guó)也在發(fā)揮自身的供應(yīng)能力，加快開發(fā)鎂的活用技術(shù)。
反觀日本，雖說技術(shù)領(lǐng)先，但面臨著韓國(guó)等世界多國(guó)的快速追擊。既然鎂合金擁有強(qiáng)大的潛力，在實(shí)用化難度已經(jīng)降低的今天，倘若不加大開發(fā)和應(yīng)用的力度，日本難保不會(huì)失敗。