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安全易用的輕量化材料:鎂

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-07-02
核心提示:鎂合金給人的印象是重量輕,但價格高、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

鎂合金給人的印象是重量輕,但價格高、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、汽車部件和相機(jī)外殼等,已經(jīng)不算稀奇的材料。但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。

在日本國內(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)(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,帶動了PC需求的增長。當(dāng)時日本國內(nèi)的鎂需求曾大幅增長。

然而,鎂合金的增長并沒有達(dá)到普及的程度。從2004年前后開始,日本國內(nèi)需求增長放緩,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4萬噸/年的水平上(如下圖)。
 

圖:日本鎂需求量的變化。來源:《日經(jīng)制造》根據(jù)日本鎂協(xié)會的資料制作

在汽車領(lǐng)域也未能象人們期待的那樣普及開來。 在歐洲,德國寶馬(BMW)對汽缸體等大部件采用了鎂合金,但在日本國內(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。

那么,既然鎂合金是輕量化的不二之選,為什么又會停滯不前呢?這是因為鎂合金存在易燃、難儲運(yùn)、難加工、成本高等難點(diǎn)。而且,制造現(xiàn)在主流的鑄件時,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,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,對于材料使用方來說,輕量化競爭愈演愈烈。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),到輕量化對易用性影響很大的拐杖、輪椅等社會福利行業(yè)都對鎂合金表現(xiàn)出了興趣。

在材料技術(shù)和加工技術(shù)不斷進(jìn)化和輕量化競爭的背景下,鎂合金沉睡的實力即將被喚醒。

接下來,我們從其產(chǎn)品自身、加工和用途三個方面,來看鎂合金的進(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。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℃以上也不會自燃,而其進(jìn)化版“KUMADAI不燃鎂合金”則完全不會燃燒。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(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個人電腦開創(chuàng)了世界量產(chǎn)品之先河,對筆記本電腦“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:鎂鋰合金是美國宇航局(NASA)在1960年代開發(fā)的。當(dāng)時的用途包括航天產(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)部底板以及汽車用部材、線材、螺絲材料等,被視為設(shè)備輕量化的王牌。因為其比重只有鋁合金的約2/3。

在不二輕金屬的銷售額中,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,該公司認(rèn)為今后用戶對設(shè)備的輕量化需求將會越來越強(qiáng),于是對鎂合金寄予厚望,希望能成為支撐該公司未來發(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”的實用化項目,于2012年設(shè)立了研發(fā)部,并在公司內(nèi)設(shè)置了量產(chǎn)驗證工廠。該公司距離挑戰(zhàn)鎂合金業(yè)務(wù)的目標(biāo)越來越近。

不二輕金屬是日本大型門窗制造企業(yè)不二SASH的子公司,從2002年開始從事鎂合金業(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,競爭企業(yè)還比較少,這也是一項利好因素。

不二輕金屬的前身是九州不二SASH,該公司從1970年開始從事鋁合金擠壓加工,1984年開始從事精密加工,因此2002年啟動的鎂合金業(yè)務(wù)在該公司的歷史并不長。不過,著手開發(fā)兩年之后的2004年,該公司開始開展鎂合金擠壓試制品的營銷活動,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。因為鎂合金為密排六方結(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,研究最佳模具設(shè)計和最佳擠壓條件,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耐熱鎂合金參見下篇)。另外,關(guān)于LaVie Z采用的鍛制鎂合金,鍵盤一側(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。可以看到相同形狀的重量值

過去,筆記本電腦的機(jī)殼使用鎂合金時,一般都是使用通過壓鑄技術(shù)制造的鑄造品。但鑄造品無法減小厚度,很難進(jìn)一步實現(xiàn)輕量化。在這樣的情況下,不二輕金屬開發(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,薄型化和輕量化是未來趨勢,因此該公司認(rèn)為中國廠商在不久的將來也會使用鍛制鎂合金。因為遲早會產(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,在全球率先實現(xiàn)了鎂鋰合金的量產(chǎn)。

 

鎂鋰合金之所以難加工,是因為它很柔軟。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,但正因為柔軟,也容易產(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跟模具的潤滑油混合凝固,會引起成型不良。

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,最終實現(xiàn)了鎂鋰合金的沖壓加工。

不過,只是順利實現(xiàn)沖壓加工,還不能實現(xiàn)鎂鋰合金的實用化。沖壓后,還要通過鈍化處理提高耐腐蝕性,然后再涂裝,但“如果不對條件進(jìn)行優(yōu)化使從沖壓到涂裝的一系列處理獲得平衡,就無法制造”(Kasatani開發(fā)技術(shù)統(tǒng)括部副部長玉井賢二)。因為前工序的條件和處理液一旦發(fā)生改變,就會影響到后工序的加工質(zhì)量。

因此,表面處理廠商也根據(jù)專為此次鎂鋰合金開發(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,最終實現(xiàn)了鎂鋰合金的實用化。

實際上,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,會產(chǎn)生合金的析出物(在過飽和固溶液中溶解過剩的溶質(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)。過飽和度小時為不穩(wěn)定狀態(tài),溶質(zhì)集結(jié)至臨界結(jié)晶或結(jié)晶位錯)變大的問題,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)化處理時會出現(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,會形成厚厚的樹脂層。因此,不僅需要花費(fèi)人力和成本,還會導(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),從而克服了這一問題,成功實現(xiàn)了板材的開發(fā)和生產(chǎn)。住友電工先進(jìn)材料研究所鎂合金項目負(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現(xiàn)。這兩點(diǎn)在造型設(shè)計方面起到重要作用。”

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,沖壓加工性也實現(xiàn)了和AZ31合金板材同等的效果。


 

據(jù)說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。據(jù)該公司介紹,材料、表面加工及裝飾的合計成本很可能會比原來使用鑄造材料時要低。


 

住友電工在AZ91板材的量產(chǎn)技術(shù)上初見眉目是在2010年。此后三年,經(jīng)過以穩(wěn)定量產(chǎn)為目標(biāo)的技術(shù)開發(fā)和用戶評測之后,終于達(dá)到了實用化階段。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年開始了鎂合金壓延材料成本削減的研究項目。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)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)則實現(xiàn)了其10倍以上。現(xiàn)在,主要應(yīng)用于AZ61薄板的量產(chǎn)。該公司準(zhǔn)備以這項技術(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,開發(fā)出了方便、安全的氫氣儲運(yùn)技術(shù),已經(jīng)推出了產(chǎn)品。

韓國也在發(fā)揮自身的供應(yīng)能力,加快開發(fā)鎂的活用技術(shù)。

2012年11月,韓國的鋼鐵企業(yè)浦項制鐵公司(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。韓國正準(zhǔn)備把曾經(jīng)完全依靠中國進(jìn)口的鎂錠料改為國產(chǎn)。而且,鎂還被選為韓國政府在8年內(nèi)投資250億日元的材料研究計劃的對象,舉國上下都對鎂的未來寄予了厚望。

 

向不燃及耐熱進(jìn)化:超過熔點(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,也不會像通常的鎂合金那樣著火。用燃燒器炙烤也不會迸發(fā)火苗,當(dāng)溫度超過純鎂的熔點(diǎn)(1091℃)后,這種合金雖然會熔化沸騰,但不會燃燒(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。因為不燃燒,所以熔煉和鑄造時的操作比較簡單。
 

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,添加的元素均為價格低廉的通用金屬。

為了開發(fā)不燃鎂合金和耐熱鎂合金,進(jìn)行性能測試,揭示不燃和難燃化原理,以便全面投入實用,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,還擁有能夠評價成分和機(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”。另一類是對鑄造的錠料實施擠壓加工的“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,壓實預(yù)成型后實施擠壓加工而成。制造雖然費(fèi)時費(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用化上領(lǐng)先一步,但在河村看來,未來的主流會是具有阻燃性,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)投來了熱切關(guān)注的目光。

美國FAA(聯(lián)邦航空管理局)也采取了行動。解除了過去對于鎂的禁令,正在制定評價阻燃性的試驗方法。合格的條件之一是暴露在火炎中一定時間內(nèi)不燃燒,二是撲滅火焰后,合金在一定時間內(nèi)自行熄滅。按照目前的試驗方案,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)時費(fèi)力,問題是成本。對此,河村正計劃建設(shè)能夠大規(guī)模、自動完成一系列制造工序的連續(xù)處理設(shè)備,但沒有透露詳細(xì)情況。如果實現(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年前后投入開發(fā)的新型飛機(jī)的采用。

 

冷加工:壓延時使結(jié)晶方向傾斜,降低加工成本

“為了實現(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)部長山崎一正對該公司的軋制技術(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),開發(fā)其他公司所沒有的材料。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通過軋制時的組織控制,使結(jié)晶方向傾斜(b)。

通常,鎂合金之所以難以冷壓成形,是因為需要軋制的板材結(jié)晶方向是一致的。鎂合金晶格為密排六方(hcp)晶格,軋制后,會在厚度方向上形成結(jié)晶方向一致的“集合組織”〔圖b〕。實際上,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”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。實現(xiàn)冷加工之后,不僅能夠簡化加工工序,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)就無法成形。而采用壓鑄等方法成型,表面粗糙,成形后不花時間處理,就難以用于要求美觀的外部部件。有時還帶有孔,會變成殘次品。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始擴(kuò)大,就是因為壓延材料有效地能夠克服了上述問題。壓延材料不僅表面性狀好,還能做得像紙一樣薄。一般來說,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,在汽車上采用的機(jī)會就會增加”。

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揚(yáng)聲器的紙盆上,所利用的是鎂合金的振動衰減性能。

 

低溫鍛造:通過鐓粗使晶粒細(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)的開發(fā)。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(以下簡稱“產(chǎn)綜研”)的可持續(xù)材料研究部門與宮本工業(yè)公司合作開發(fā)的鎂合金低溫鍛造技術(shù)就是其中之一。該技術(shù)通過降低鍛造溫度,可獲得諸多好處。

該技術(shù)事先對鍛造材料的組織實施控制,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,并使用固體潤滑劑。

不過,如果實現(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滑劑,并延長模具的壽命。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,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

此次開發(fā)的鍛造技術(shù)的工藝流程如下:首先對鍛造用鎂合金實施“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間,使合金元素均質(zhì)分散在材料中。具體操作時,將材料加熱至410℃并保持24小時,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,坯料中就會發(fā)生應(yīng)變,發(fā)生“動態(tài)再結(jié)晶”現(xiàn)象。

動態(tài)再結(jié)晶是金屬在受熱并受到應(yīng)力變形的過程中,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)材料研究部門高級主任研究員齋藤尚文)。對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,但鐓粗加工后也實現(xiàn)了微細(xì)化。

齋藤尚文表示,“雖然還要看坯料的使用場所如何,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,便可鍛造出下圖中那種、散熱柱的長度達(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℃條件下對經(jīng)過均質(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30mm左右、厚度3.5mm,散熱柱2mm見方、高8mm。用AZ61也可順利鍛造。

 

通過分割工序來降低溫度

該技術(shù)由2006~2010年產(chǎn)綜研和日本素形材中心共同開發(fā)的鍛造技術(shù)發(fā)展而來。原來的技術(shù)也是利用鍛造加工中發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,將鍛造材料的晶粒微細(xì)化至10μm以下,從而實現(xiàn)了低溫鍛造。加工時,一開始就對加熱至300℃的坯料進(jìn)行低速下壓,引起動態(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,從動態(tài)再結(jié)晶到鍛造的過程是用一道工序來處理的。

不過,由于是在300℃下鍛造,因此仍然要使用固體潤滑劑,無法充分發(fā)揮低溫鍛造的優(yōu)勢。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),通過將意在引起動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的低速鐓粗工序與鍛造工序分開,還能將鍛造時的溫度下降100℃左右。

擴(kuò)大適用材料的范圍

目前來看,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,產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將努力實現(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,有望向汽車等廣泛領(lǐng)域推廣”

 

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