現(xiàn)在，一種新型合金的出現(xiàn)打消了鎂自燃溫度低、易燃的負(fù)面印象，引發(fā)了外界關(guān)注，這種合金就是熊本大學(xué)研究生院自然科學(xué)研究科工學(xué)部教授河村能人開發(fā)的“KUMADAI不燃鎂合金”。因?yàn)橛型鳛樾枰己米枞夹缘娘w機(jī)、鐵路車輛的構(gòu)造材料，這種鎂合金被寄予了厚望。
強(qiáng)度堪比超特硬鋁合金
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〔圖1(a)〕。也就是“完全不燃燒”(河村)。這就是稱之為“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1：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)〔圖1(b)〕。總而言之，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。
本文最后還將介紹河村先于該合金開發(fā)出的“KUMADAI耐熱鎂合金”，這種合金添加了稀有金屬釔(Y)，有可能導(dǎo)致成本增加，從成分來(lái)看，不燃鎂合金更便于實(shí)現(xiàn)低成本化。而且，因?yàn)榫哂胁蝗嫉男再|(zhì)，所以無(wú)需擔(dān)心切削時(shí)的粉屑著火，容易實(shí)施切削加工。但難點(diǎn)在于高溫強(qiáng)度低。
為了開發(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。
急冷性能高，鑄造易制造
河村從2000年起著手開發(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。一類是利用快速凝固的方法制造的“KUMADAI急冷耐熱鎂合金”。另一類是對(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)綜合研究所開發(fā)的材料已經(jīng)是眾所周知*1。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。
*1 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。
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〔圖2(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)*2的比強(qiáng)度〔圖2(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。
圖2：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。
*2 WE54 通過(guò)添加釔和稀土等元素提高了強(qiáng)度的鎂合金。
再來(lái)看耐腐蝕性，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〔河村，圖2(c)〕。
推出鑄造耐熱合金制造的螺釘
推出鑄造耐熱合金制造的螺釘
鑄造耐熱、急冷耐熱、鑄造不燃——熊本大學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)擁有3種類型的鎂合金，在實(shí)用化方面，制造起來(lái)比較容易的鑄造耐熱合金走在了前面。2000年代初，河村發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加釔和鋅可以大幅提高鎂合金的阻燃性，之后，河村與企業(yè)聯(lián)手，不斷開發(fā)出制造大尺寸材料需要的熔解及鑄造技術(shù)，例如通過(guò)電磁攪拌實(shí)現(xiàn)成分均勻化、晶粒的微細(xì)化等。經(jīng)過(guò)不懈努力，實(shí)用化終于有了眉目。協(xié)助開發(fā)的不二輕金屬(總部：熊本縣長(zhǎng)洲町)已于2012年建成鑄造耐熱合金量產(chǎn)驗(yàn)證工廠，開始供應(yīng)樣品。
該廠擁有800kg的熔爐，容量是熊本大學(xué)MRC的2倍，而且還擁有擠壓加工機(jī)，能夠鑄造坯材，擠壓成型直徑為55mm的圓棒，以及寬100×厚5mm的板材(圖3)。當(dāng)然也擁有后加工和表面處理設(shè)備*3。
圖3：不二輕金屬的量產(chǎn)驗(yàn)證設(shè)備
(a)為800kg的熔煉鑄造設(shè)備。(b)為鍛造設(shè)備。除此之外，還擁有機(jī)械加工、表面處理、沖壓、攪拌摩擦焊等設(shè)備。月產(chǎn)量可達(dá)10t。
*3 按照預(yù)定，今后還將購(gòu)置分析裝置等。
表面處理方面，適合耐熱鎂合金的化成處理技術(shù)和陽(yáng)極氧化膜處理技術(shù)也在開發(fā)之中。二者都需要專用的處理液，“化學(xué)處理技術(shù)已基本完成。預(yù)計(jì)在2014年內(nèi)，陽(yáng)極氧化膜處理技術(shù)也將看到眉目”(該公司)。月產(chǎn)能力為10t。在量產(chǎn)驗(yàn)證工廠全面投入運(yùn)轉(zhuǎn)后，該公司希望使樣品的價(jià)格降低到1萬(wàn)日元/kg左右*4。
*4 現(xiàn)在，MRC的設(shè)備制造的擠壓成型樣品價(jià)格為6萬(wàn)日元/kg。
使用鑄造耐熱合金的產(chǎn)品也將在近期登場(chǎng)。丸衛(wèi)夢(mèng)制作所(總部：大阪府大東市)即將在2014年春季上市利用該合金制造的螺釘*5。設(shè)想的用途是在制造大型結(jié)構(gòu)材料時(shí)，用于鎂合金構(gòu)件之間的固定，螺釘由久留米工業(yè)專業(yè)學(xué)校、不二輕金屬、丸衛(wèi)夢(mèng)制作所合作開發(fā)。通過(guò)開發(fā)專用的滾軋成型裝置，成功投入了實(shí)用(圖4)。
圖4：鑄造耐熱合金的樣品
(a)是丸衛(wèi)夢(mèng)制作所預(yù)定于2014年春季推出的鑄造耐熱合金螺釘。(b)是不二輕金屬為飛機(jī)廚房的手柄和活塞的氣缸蓋制造的鍛件。
*5 價(jià)格未定。
不二輕金屬表示，包括大型企業(yè)在內(nèi)，現(xiàn)在共有100多家企業(yè)表達(dá)了購(gòu)買意向，該公司已向約50家企業(yè)供應(yīng)了鑄造耐熱合金樣品。還接到了共同研究的邀請(qǐng)。
但量產(chǎn)驗(yàn)證設(shè)備的目的，只是為了優(yōu)化熔煉的方式和步驟，以及熔煉和擠壓的溫度管理等制造條件，以便實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。雖然可以少量生產(chǎn)、供應(yīng)樣品，但無(wú)法穩(wěn)定大量供應(yīng)，“還不到能夠評(píng)估成本的階段”(不二輕金屬)。
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*6。