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鎂合金告別“可燃”和“難加工”

時間:2013年12月11日瀏覽:176次轉載:盤古機械網收藏分享:

  “易燃”、“難加工”、“價格高”——這樣的印象一直伴隨著鎂合金。雖作為輕量化材料曾經備受期待,但普及程度卻難如人意。隨著材料和加工技術的發展,現在鎂合金已然發生改變,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域的新項目也已經起航。渡過了休眠期,鎂終于迎來了開花結果的豐收時節。 

  實用金屬中最輕,且比強度較高的鎂合金,被用于制造筆記本電腦、汽車部件和相機外殼等,已經不算稀奇的材料。雖說如此,要稱其為通用材料還相差很遠,鎂還未能象人們期待的那樣貼近生活。
  在日本國內,1980年代隨壓鑄技術的發展,鎂合金開始了普及。到1990年代,在采用了觸變注射成型技術*1后,鎂合金名聲大噪,成為了家電企業和PC企業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話題,帶動了PC需求的增長。當時日本國內的鎂需求曾大幅增長。 
  然而,鎂合金的增長并沒有達到普及的程度。從2004年前后開始,日本國內需求增長放緩,在2007年創下最高需求記錄后,受到雷曼危機的影響,需求陷入低迷,徘徊在4萬噸/年的水平上。
  1990年代~2000年代前期增幅巨大,從2004年開始觸頂回落。《日經制造》根據日本鎂協會的資料制作。
  那么,既然鎂合金是輕量化的不二之選,為什么又會停滯不前呢?這是因為鎂合金存在易燃、難儲運、難加工、成本高等難點。而且,制造現在主流的鑄件時,還存在尺寸精度和表面性質和形狀等難題。這些難點蓋過了鎂合金是實用金屬中重量最輕的最大特點,限制了用途和需求的擴大。
  然而,鎂合金即將“一雪前恥”。隨著不可燃合金的登場,以及通過金屬結構控制技術和加工技術的發展而使鎂合金更容易利用等,過去鎂合金的難點正在逐一得到克服。 
  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等移動產品領域,有些企業“不惜成本上升,也要通過置換材料實現輕量化。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”。從以追求節能的飛機、鐵路機車、汽車為代表的運輸行業,到輕量化對易用性影響很大的拐杖、輪椅等社會福利行業都對鎂合金表現出了興趣。 
  在材料技術和加工技術不斷進化和輕量化競爭的背景下,鎂合金沉睡的實力即將被喚醒。 

  那么,鎂合金有了哪些進化呢?讓我們從其產品自身、加工和用途三個方面,來看鎂合金的進化。  

  首先,鎂合金自身的進化大致有兩點。一點是難燃性。已有克服了易燃、難滅火等缺點的鎂合金登場。這就是熊本大學在2012年發布的“KUMADAI不燃鎂合金”。作為其基礎的“KUMADAI耐熱鎂合金”在900℃以上也不會自燃,而其進化版“KUMADAI不燃鎂合金”則完全不會燃燒。并且憑借優異的強度受到關注,有望用來制造注重阻燃性的飛機結構材料。 

  鎂鋰合金是美國宇航局(NASA)在1960年代開發的。當時的用途包括航天產業和軍需產業等,因前述難點的阻礙,在民需產業未能得到采用。 
  NECPC以非凡的熱情挑戰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、表面處理企業及涂裝企業的協助下,在全球率先實現了鎂鋰合金的量產。 
  現在,鎂合金結構材料主要使用鑄件等制造,要想用于創意性強的用途、或者高強度的大型結構材料,就必須使用擠壓、沖壓、壓延等塑性加工技術和相應的材料。壓延材料能夠滿足這種需求,有望推動鎂合金在結構材料領域的普及。

  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(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。實現了富有金屬光澤的效果。 

  對住友電工開發的AZ91板材作沖壓加工制成。經化學處理后施以拉絲加工,再覆上透明涂層。 AZ91很難進行塑性加工,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控制其金屬結構,成功制造出了壓延材料。制成了沖壓用板材。如果投入量產,就能夠以等于或者低于壓鑄的價格制造結構材料*4。 
  權田金屬工業(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目。目標是使成本減半,從現在的4000日元/kg,減少到2000日元/kg。 
  該公司在大約10年前開發出了以快速冷卻法制造微細晶粒鑄板的技術*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,該技術則實現了其10倍以上。現在,主要應用于AZ61薄板的量產*6。該公司準備以這項技術為原型,改善軋輥和熔融金屬的進給方法,以達到降低低成本的目的。 
  最后來看用途的進化。不只是結構材料,將鎂合金用作燃料電池和貯氫等能源相關材料的嘗試也取得了進展。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揮出來,因易腐蝕,所以工業上一直難以利用。 
  然而在最近,情況已經開始轉變:東京工業大學及東北大學開發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,開發出了方便、安全的氫氣儲運技術,已經推出了產品。 
  韓國和中國也不甘示弱 熱切關注克服了老毛病、積累了雄厚實力的鎂合金的,不只是日本。 
  諸如,2012年11月,韓國的鋼鐵企業浦項制鐵公司(POSCO)建成了一座鎂精煉廠。滾軋廠已經建成了量產2米寬板材的體制。韓國正準備把曾經完全依靠中國進口的鎂錠料改為國產。而且,鎂還被選為韓國政府在8年內投資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,中國也在發揮自身的供應能力,加快開發鎂的活用技術。
  反觀日本,雖說技術領先,但面臨著韓國等世界多國的快速追擊。既然鎂合金擁有強大的潛力,在實用化難度已經降低的今天,倘若不加大開發和應用的力度,日本難保不會失敗。

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