科学研究 - 坚固且轻！利用廉价元素，室温下加工镁合金

汽车和铁路交通的轻量化可显著提高燃效，极大减少二氧化碳的排放量。镁（Mg）作为新一代轻金属结构材料而备受关注。日本长冈技术科学大学技学研究院的镰土重晴教授成功开发出了一种可与现有钢铁材料和铝合金材料相媲美的划时代镁合金材料，在室温下表现出高的强度和良好的可加工性能。

取代铝合金的新一代材料——镁

新干线是日本享誉世界的高速铁道技术。上图中镰土重晴教授右手举起的就是新干线的材料构件。如果是传统的铝合金材料，该构件的重量大概为2.5公斤。而镰土教授之所以能将其轻松举起，是因为他手里的构件是利用镁合金材料制造的。镁的比重约为铝的2/3，是最轻的金属结构材料。

除了以新干线为主的铁路车辆外，兼具高强度和轻量化的铝合金材料在汽车及飞机等运输设备上得到了大量的应用。而更轻的镁合金材料虽然备受关注，并在电脑和摄像头外框等领域的应用不断扩大，但目前在运输设备领域的应用尚未取得突破性进展。这是因为镁合金在室温下的强度低和可加工性差，所以难以制成板材和棒材。为此，镰土教授开始着手研发一种像铝合金那样容易加工的热延展镁合金。

提高强度的关键在于G.P.区
成功实现高速挤压成型

传统的镁合金主要利用压铸（Die Casting）制备成型。压铸是将高温熔化的合金溶液压入到模具中，待溶液冷却凝固后成型的一种方法。该铸造方法的缺点是制备出的合金无法获得足够高的强度。

提高强度的方法有挤压和压延两种。但现有的镁合金难以利用这两种方法加工。以挤压成型为例，与建筑用窗框和汽车车身使用的6000系中强度铝合金相比，镁合金的挤压速度还不到其一半，成型所需时间较长。

镰土教授介绍说：“镁的加工性能差的原因是其晶体结构为‘六角密排结构’的正六角柱形，其晶体内可滑移晶系有限，材料既硬又脆，所以在室温下不容易变形。”针对这一点，镰土教授除了在传统镁合金中添加微量的铝和锰（Mn）之外，还新添加了钙（Ca），从而能够获得与6000系铝合金不相上下的强度和可加工性能（图1）。

挤压条件：挤压温度为500oC，出口速度为60m/min。
传统材料（左）会出现裂纹，而新开发的合金（右）完好无损。

■图1为利用杯突试验调查镁合金室温下的可加工性。与传统材料（左）相比，新开发的合金（右）在室温下可以加工出与铝合金相近的杯突。

同时提高强度和可加工性的关键在于原子层级的薄板状原子集合体“G.P.区”。添加的铝和钙在高温下熔化后，可形成合金物。对其进行挤压成型后，在约200 oC的环境中放置一段时间后，就能大幅提高强度。因为G.P.区域是在合金中形成的（图2）。

■图2通过添加铝和钙，并在成型后进行时效处理，形成G.P.区（黄色箭头所指的1个原子层的面），从而提高了合金强度。（a）利用原子探针场离子显微镜观察到的原子分布图像。（b）利用透射电子显微镜观察到的格子图像（上）及其位置对应的原子探针图像（中央）和元素浓度分布（下）。

为了实现量产，镰土教授反复进行试验，终于在2013年成功实现了速度为60m/min的挤压成型。他回忆了当时的兴奋心情：“在我研究镁合金的40年里，这是我最开心的时刻。实验开始时，由于担心出现裂纹，挤压速度先从10m/min开始，再增加到20m/min，然后逐渐提高挤压速度，每次都觉得还还可以继续提高，最终达到了60m/min，试验结束后已经是深夜12点了，我与一同埋头苦干的学生们共同分享了成功的喜悦。”

另外，镰土教授的研究表明，在约200oC下对镁合金实施15～30min左右的时效处理后，其强度超过了新干线车体使用的铝合金材料。

通过添加锌实现了室温加工
还实施了计算机模拟

接下来，镰土教授还开发了压延加工法。从成本方面来看，可在室温下加工成型是实用化的必备条件。

镰土教授介绍说：“我们在全球范围内首次提出了：在挤压变形镁合金中添加锌（Zn），可以控制结晶生长方向，并在不出现裂纹的情况下顺利制备出圆柱形试棒。”通过添加微量的锌和锰可以形成比原合金更细小的结晶组织，实现了优异的可加工性。另外，在170oC下进行20分钟的时效处理后，可进一步提高合金强度。

研究还发现，添加稀土等昂贵元素也能提高镁合金的强度和可加工性，但要想应用于汽车和铁路车辆，必须降低其成本。镰土教授说：“我们新开发的两种镁合金添加的都只是很常见的普通元素，但制备出的新一代镁合金材料具有非常高的通用性。”目前镰土教授正在试制用于汽车的大型部件用材料（图3）。

■图3：模拟汽车保险杠部件的大型空心部件试制品。通过添加微量元素，获得了具有优异可加工性的微细结晶组织（右下角详图）。晶粒尺寸平均为10微米，为原材料晶粒尺寸的三分之一。

只需稍微调整添加元素的配比，就会有效改变镁合金的性能。这就需要对纳米组织结构的组成进行预测。镰土教授利用多种计算机模拟，再现了在G.P.区形成的化合物，同时再现了化合物的生长过程，最终取得了此次试验成果。据镰土教授介绍：“实验结果与模拟结果一致，不仅可以验证形成的化合物，还可在原子水平上明确化合物提高合金强度的机理。今后计划将继续探索添加何种元素能够提高合金性能等问题。”

镰土教授计划今后继续利用计算机模拟，进一步详细探究经挤压和压延变形后合金的组织结构。他表示：“如果能够明确变形加工的最佳温度范围以及最佳的热处理工艺，就可有望优化加工工艺过程。”