不燃镁合金,从“螺丝”起步的轻金属结硕果

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2015年4月，一种材料的实用化悄悄拉开了序幕。量产的第1件产品，是看上去普普通通的“螺丝”。而且是结构物使用的螺丝，本身与汽车没有任何关系。然而这颗螺丝，却有可能为汽车的轻量化作出巨大的贡献。

设在大阪府的丸笑制作所开始生产的这种螺丝，最大的特点是材料使用了不燃镁（Mg）合金（图1）。镁的比重为1.7，不到钢（7.9）的1/4，仅为铝（Al）合金（2.7）的2/3左右，强度除以比重得出的比强度则优秀出众。

图1：2015年4月启动实用化

丸笑制作所开始量产使用KUMADAI不燃镁合金的螺丝。

重量轻且比强度高的镁合金，已经得到了笔记本电脑和汽车部件等的采用。但却没有成为通用材料，走近人们的身边。在汽车部件领域，虽然有德国宝马为缸体采用镁合金等事例，但在日本国内，镁合金还只是小规模地应用于方向盘的芯棒、发动机ECU（电子控制单元）的外壳、油杯帽等小型部件。

为什么适合轻量化的镁合金得不到广泛运用？原因在于镁合金存在的难点。其中最大的课题，当属自燃温度低，容易燃烧。镁合金的着火温度一般为550～600℃左右。镁块虽然不会轻易着火，但粉末、切屑等细碎的金属片在遇到火源时容易着火。因此在机械加工中需要多加小心，操作起来非常麻烦。

超过1000℃也不燃烧

丸笑制作所投入实用的螺丝，解决了镁合金的这个课题。通过使用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”，攻克了易燃的难关。熊本大学2011年在校内设立了“熊本大学先进镁国际研究中心”。该中心实施不燃镁合金和耐热镁合金的开发与特性评价、推导不燃/难燃化的原理，并以全面投入实用为目标进行了研发。

不燃镁合金的自燃温度最高为1105℃。比一般的镁合金高500℃以上，比过去的难燃镁合金高250℃以上〔图2（a）〕。不燃镁合金即使从熔炼炉中取出到空气中，也不会像通常的镁合金那样燃烧。使用燃烧器烘烤也不着火，在超过纯镁的熔点（1091℃）后会沸腾而不是燃烧。也就是实现了不燃。因为不会燃烧，所以在熔化和铸造时比较容易操作。

图2：KUMADAI不燃镁合金的特性

（a）自燃温度为1105℃，但不会燃烧，只会沸腾。（b）拉伸屈服强度超过市售镁合金的2倍。（c）比屈服强度（屈服强度除以比重）高于耐热铝合金。

常温下的强度也比较高，拉伸屈服强度约为460MPa，相当于高强度铝合金“超高强度硬铝（7075）”〔图2（b）〕。综上所述，不燃镁合金不仅不会燃烧，而且机械强度优良。

不燃镁合金是以一种合金为原型开发而成。那就是河村从大约2000年开始进行开发的“KUMADAI耐热镁合金”。这种合金添加了大约2％的钇（Y）和1～2％的锌（Zn），自燃温度最高为940℃。不仅具有耐热性，而且耐腐蚀性和强度优良。

在常温下，比屈服强度高达超高强度硬铝的1.3～2倍左右。高温特性出色也是一大特点，比如说，200℃下的比屈服强度远远高于市售的耐热铝合金（铝合金）和市售的耐热镁合金〔图2（c）〕。

KUMADAI耐热镁合金按照制造方法可以分成两类。一类是通过快速凝固制造的“淬火耐热合金”。另一类是对铸锭材料进行挤压加工的“铸造耐热合金”。前者利用薄带连铸法，使熔融金属快速凝固制造合金薄片，在压实进行预成型后，再通过挤压加工制造。制造过程虽然麻烦，但就像后面介绍的一样，这种合金具有很多的优良特性。另一方面，后者与淬火材料相比，特性虽然略差，但拥有制造方法简单的特点。

丸笑制作所目前通过订货生产的方式，供应使用不燃镁合金的螺丝。面向的用途是结构物，产量还比较小。但以此为契机，这种材料也有可能推广到其他用途。

应用于活塞和涡轮等

熊本县的不二轻金属也在开展KUMADAI不燃/耐热镁合金业务。用途广泛涉及医疗、飞机、铁路、航空航天、休闲度假等各个领域，汽车当然也有希望采用。在车用部件方面，该公司认为这种材料可以应用于活塞和涡轮增压器的压缩机轮等，已经试制出了锻件（图3）。