科學研究 - 堅固且輕！利用廉價元素，室溫下加工鎂合金

汽車和鐵路交通的輕量化可顯著提高燃效，極大減量二氧化碳的排放量。鎂（Mg）作爲新一代輕金屬結構材料而備受關注。日本長岡技術科學大學技學研究院的鐮土重晴教授成功開發出了一種可與現有鋼鐵材料和鋁合金材料相媲美的劃時代鎂合金材料，在室溫下表現出高的強度和良好的可加工性能。

取代鋁合金的新一代材料——鎂

新幹線是日本享譽世界的高速鐵道技術。上圖中鐮土重晴教授右手舉起的就是新幹線的材料構件。如果是傳統的鋁合金材料，該構件的重量大概爲2.5公斤。而鐮土教授之所以能將其輕鬆舉起，是因爲他手裏的構件是利用鎂合金材料製造的。鎂的比重約爲鋁的2/3，是最輕的金屬結構材料。

除了以新幹線爲主的鐵路車輛外，兼具高強度和輕量化的鋁合金材料在汽車及飛機等運輸設備上得到了大量的應用。而更輕的鎂合金材料雖然備受關注，並在電腦和攝影頭外框等領域的應用不斷擴大，但目前在運輸設備領域的應用尚未取得突破性進展。這是因爲鎂合金在室溫下的強度低和可加工性差，所以難以製成板材和棒材。爲此，鐮土教授開始着手研發一種像鋁合金那樣容易加工的熱延展鎂合金。

提高強度的關鍵在於G.P.區
成功實施高速擠製成形

傳統的鎂合金主要利用壓鑄（Die Casting）製備模製。壓鑄是將高溫熔化的合金溶液壓入到模具中，待溶液冷卻凝固後模製的一種方法。該鑄造方法的缺點是製備出的合金無法獲得足夠高的強度。

提高強度的方法有擠製和壓延兩種。但現有的鎂合金難以利用這兩種方法加工。以擠製成形爲例，與建築用窗框和汽車車身使用的6000系中強度鋁合金相比，鎂合金的擠製速度還不到其一半，模製所需時間較長。

鐮土教授介紹說：「鎂的加工性能差的終極因數是其晶體結構爲‘六角密排結構’的正六角柱形，其晶活體內可滑移晶系有限，材料既硬又脆，所以在室溫下不容易變形。」針對這一點，鐮土教授除了在傳統鎂合金中添加微量的鋁和錳（Mn）之外，還新添加了鈣（Ca），從而能夠獲得與6000系鋁合金不相上下的強度和可加工性能（圖1）。

擠製條件：擠製溫度爲500oC，出口速度爲60m/min。
傳統材料（左）會出現裂紋，而新開發的合金（右）完好無損。

■圖1爲利用杯突試驗調查鎂合金室溫下的可加工性。與傳統材料（左）相比，新開發的合金（右）在室溫下可以加工出與鋁合金相近的杯突。

同時提高強度和可加工性的關鍵在於原子層級的薄板狀原子集合體「G.P.區」。添加的鋁和鈣在高溫下熔化後，可形成合金物。對其進行擠製成形後，在約200 oC的環境中放置一段時間後，就能大幅提高強度。因爲G.P.區域是在合金中形成的（圖2）。

■圖2透過添加鋁和鈣，並在模製後進行時效處理，形成G.P.區（黃色箭頭所指的1個原子層的面），從而提高了合金強度。（a）利用原子探針場離子顯微鏡觀察到的原子分佈影像。（b）利用穿透電子顯微術觀察到的格子組織影像（上）及其位置對應的原子探針影像（中央）和元素濃度分佈（下）。

爲了實施量產，鐮土教授反復進行試驗，終於在2013年成功實施了速度爲60m/min的擠製成形。他回憶了當時的興奮心情：「在我研究鎂合金的40年裏，這是我最開心的時刻。實驗開始時，由於擔心出現裂紋，擠製速度先從10m/min開始，再增加到20m/min，然後逐漸提高擠製速度，每次都覺得還還可以繼續操作提高，最終達到了60m/min，試驗結束後已經是深夜12點了，我與一同埋頭苦幹的學生們共同分享了成功的喜悅。」

另外，鐮土教授的研究表明，在約200oC下對鎂合金實施15～30min左右的時效處理後，其強度超過了新幹線車體使用的鋁合金材料。

透過添加鋅實施了室溫加工
還實施了電腦模擬

接下來，鐮土教授還開發了壓延加工法。從成本方面來看，可在室溫下加工模製是實用化的必備條件。

鐮土教授介紹說：「我們在全球範圍内首次提出了：在擠製鍛軋鎂合金中添加鋅（Zn），可以控制結晶成長方向，並在不出現裂紋的情況下順利製備出圓柱形試棒。」透過添加微量的鋅和錳可以形成比原合金更細小的結晶組織，實施了優異的可加工性。另外，在170oC下進行20分鐘的時效處理後，可進一步提高合金強度。

研究還發現，添加稀土等昂貴元素也能提高鎂合金的強度和可加工性，但要想應用於汽車和鐵路車輛，必須降低其成本。鐮土教授說：「我們新開發的兩種鎂合金添加的都只是很常見的普通元素，但製備出的新一代鎂合金材料具有非常高的通用的性。」目前鐮土教授正在試製用於汽車的大型部件用材料（圖3）。

■圖3：類比汽車保險槓部件的大型空心部件試製品。透過添加微量元素，獲得了具有優異可加工性的微細結晶組織（右下角詳圖）。晶粒尺寸平均爲10微米，爲原料晶粒尺寸的三分之一。

只需稍微調整添加元素的配比，就會有效改變鎂合金的性能。這就需要對奈米組織結構的組成進行預測。鐮土教授利用多種電腦模擬，再現了在G.P.區形成的化合物，同時再現了化合物的成長程序，最終取得了此次試驗成果。據鐮土教授介紹：「實驗結果與類比結果一致，不僅可以驗證形成的化合物，還可在原子水平上明確化合物提高合金強度的機制。今後計劃將繼續操作探索添加何種元素能夠提高合金性能等問題。」

鐮土教授計劃今後繼續操作利用電腦模擬，進一步詳細探究經擠製和壓延變形後合金的組織結構。他表示：「如果能夠明確變形加工的最佳溫度範圍以及最佳的熱處理工藝，就可有望最適化加工製程。」