mile米乐集团 开发出一种易于成型且具有优异的散热性和耐腐蚀性的新型镁合金

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）多材料研究部轻量化金属设计组卞明哲研究员黄新帆首席研究员Isao Nakatsukawa特邀研究员Yasumasa Chino课题组组长通过添加微量的铜和钙，成功开发出具有优异的室温成型性、散热性和耐腐蚀性的新型镁合金小于01wt%。采用该技术生产的镁材料通用镁合金显着不同，其室温成形性和导热性显着优于通用镁合金，接近铝合金（图1）。它还表现出比通用镁合金更好的耐腐蚀性。此外，我们与东海国立大学机构名古屋大学（以下简称“名古屋大学”）工学研究生院材料设计工学系的小山俊之教授、冢田由纪副教授以及博士生二年级松冈佑介合作，阐明了通过微量添加即可实现优异的室温成型性的机理。所开发的镁材料有望作为需要高成型性、耐腐蚀性和散热性的部件，例如运输设备和电子设备的外壳。该技术的详细内容将于2022年9月27日（当地时间）发表在国际学术期刊《材料学报

镁金属的比重约为铝金属的2/3，使其成为最轻的实用金属之一。金属镁（以下简称纯镁）是一种优异的材料，具有高散热性、生物相容性和减振性能，但存在机械性能（强度和延展性）、成型性和耐腐蚀性较差的问题。因此，很难使用纯度为999wt%或更高的市售工业纯镁片作为结构材料，并且其使用仅限于某些应用（例如声学扬声器振膜）。为了改善上述性能，在常用的镁（以下简称通用镁合金）中添加了百分之几的铝和锌。通用镁合金板材表现出良好的机械性能和耐腐蚀性，因此在强烈要求轻量化的家用电器（笔记本电脑、手机）和交通设备（汽车零部件）中越来越多地被镁合金取代。然而，与铝合金板相比，通用镁合金板在室温下的成型性存在问题，其应用范围受到限制。此外，仅添加百分之几的元件就会大大降低散热等功能。因此，在交通设备和电子设备外壳等功能部件领域，迫切需要开发在保持纯镁优异散热性能的同时进一步提高室温成形性的技术。如果能够通过添加少量元素而不是大量添加来提高成形性和耐腐蚀性，那么它可能作为一种低成本和功能性的新型镁材料而受到欢迎。

基于上述背景，产业技术研究院一直在寻找能够以尽可能少的添加量赋予镁合金板优异的室温成形性的添加元素。其中，我们与一家公司共同发现，添加了锌和微量钙的镁合金板材（以下简称镁锌合金）表现出优异的室温成形性和机械性能。2021 年 10 月 20 日新闻稿），目前我们正在对其实际应用进行研究。上述合金需要添加01wt%以上的元素，虽然具有优异的室温成形性和强度，但目前在导热性等功能方面与纯镁相比略逊色。因此，我们寻找一种添加元素的组合，通过添加更少量（小于 01wt%）来显着改善镁合金板的性能。

此项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (JP20K15067、JP21K04716、JP21K04687) 的部分支持。

在这项研究中，我们发现在镁中添加少于 01wt% 的微量铜和钙可以显着改善材料的性能。首先，我们通过在纯度为999wt%或更高的镁金属中添加铜和钙来制造铸造材料，然后将其轧制成镁合金板材（Mg-Cu-Ca合金）。图2(a)显示了不同钙添加浓度的Mg-Cu-Ca合金的室温成形性评价结果。室温成型性 (埃里克森值)已显着改善至值(77mm)，大大超过通用镁合金(AZ31)的值(3至4mm)并接近通用铝合金(6000系列铝合金)的埃里克森值(8mm以上)。此外，通过将35wt% NaCl溶液中钙的添加浓度从0%增加到005%，腐蚀率为 414 毫克/厘米²/天至 179 毫克/厘米²/天。该值是通用镁合金（AZ31：223 mg/cm²/天相比，该值较低。这种优异的耐腐蚀性是由于添加了铜和钙，在板材表面形成致密的氧化物，抑制腐蚀的进展。图1显示了新开发的Mg-Cu-Ca合金以及上述各种镁合金和铝合金的热导率和室温成形性（埃里克森值）之间的关系。 Mg-003Cu-005Ca的导热系数为157 W/m·K，约为通用镁合金（AZ31：87 W/m·K）的两倍。该值是纯镁（160～167 W/m·K）的90%以上，接近通用铝合金（约150～200 W/m·K）。

接下来，我们研究了如上所述的室温成形性显着改善的原因。镁合金板具有垂直取向的六方柱状晶体，如图3（a）所示，这会导致室温下的成型性较差。产业技术研究院与某公司合作开发的Mg-Zn合金中，添加了锌、钙等，使晶体取向方向显着倾斜，大幅提高了成形性。因此，晶体取向为Mg-003Cu-005Ca反向极图和(0001) 极图（图3（b），（c））。是表示六方柱状晶体的垂直取向程度的指标(0001) 平面的极限密度 (mrd)发现 Mg-003Cu-005Ca 的值为 31，明显低于纯镁的 193。根据这些评价，认为添加极少量的铜和钙极大地抑制了晶体取向，从而导致室温成形性的显着改善。

12621_12739晶界附近同居然后，重结晶，难以发生晶体取向。因此，使用 Hillert 平行正切定律的晶界相模型的理论计算，当铜和钙的添加量均为01wt%以下时，镁合金晶界处的钙浓度和铜浓度分别达到4wt%以上和24wt%以上（图4（a））。通过比较其他添加元素的组合，表明铜和钙是能够以较小的添加量引起共偏析的元素组合，从而抑制晶体取向。 Mg-003Cu-005Ca晶界附近的透射电子显微镜（TEM）观察也表明，铜和钙实际上发生了共偏析（图4（b）（c）（d））。这些结果还表明，通过基于使用希勒特平行切线定律的晶界相模型的理论计算，可以寻找镁合金板中可发生共偏析的元素组合。

新开发的镁合金板材在导热性、室温成型性、耐腐蚀性等各方面都超过了通用镁合金，并且还表现出接近纯镁和通用铝合金的导热性。因此，它对于制造需要高散热的设备很有用，例如运输设备外壳和电子设备外壳。此外，新开发的镁合金添加元素含量低于01wt%，且添加元素钙和铜的价格相对低廉，有助于为市场提供新型低成本、高功能的镁材料。

我们计划与更多公司合作，以促进在各种应用中利用新开发的镁材料的研究。

已出版的杂志：材料学报
论文标题：通过百万分之一级合金化提高纯镁的机械和腐蚀性能
作者：卞明哲、Isao Nakatsukawa、Yusuke Matsuoka、新生黄、Yuhki Tsukada、Toshiyuki Koyama、Yasumasa Chino

通用镁合金

是指在镁中添加铝、锌或锰制成的合金，具有较好的强度、延展性和耐腐蚀性。[返回来源]

反向极图

金属材料具有由许多原子排列均匀的区域（晶粒）组成的结构。反极图是利用色差来显示金属组织中出现的晶粒的晶体取向的图。在图3(b)和(c)中，(0001)面(图3(a)中的淡蓝色面)平行于板面排列的晶粒以红色显示，而明显倾斜的晶粒以不同颜色显示，例如绿色或蓝色。[返回来源]

(0001)极图，(0001)表面极密度(mrd)

表示晶体的（0001）面（图3（a）和（c）中的浅蓝色面）相对于RD（轧制方向）或TD（宽度方向）倾斜的角度分布的图（图3（b）中的右下图）。先生。图中的（随机分布倍数）是表示晶体取向程度的值，该值越大，则（0001）极图上目标角处存在（0001）面的概率越大。[返回参考源]

埃里克森值

埃里克森试验是判断金属板冲压成形性的试验方法之一。将钢球冲头压入板材，将试验片产生裂纹时的冲头前端与折皱压制面之间的距离定义为埃里克森值（单位：mm），并作为指标。埃里克森值越大，拉伸成形性越好。由日本工业标准 JIS Z 2247 指定。[返回来源]

腐蚀率

在氯化钠水溶液等腐蚀性溶液中浸泡一定时间时，测量试验前后的重量，并表示单位面积和单位时间的重量损失。腐蚀速率越高，腐蚀进展越快。[返回来源]

同居

金属的结构形式之一。指多个目标元素局部同时存在的状态。[返回来源]

晶界

晶粒之间的边界称为晶界，对应于原子排列无序的区域。[返回来源]

重结晶

当金属材料受到施加力使其变形的加工（塑性加工）时，原子排列不规则的区域会在材料中积累。当原子不规则排列超过一定程度的材料受热时，金属中元素的不规则排列逐渐变得规则，并可能生成新的晶粒。这种现象称为再结晶，特别是在镁材料的轧制过程中，在再结晶过程中观察到晶粒的（0001）面沿垂直方向取向的现象。[返回来源]

使用 Hillert 平行正切定律 (CNN) 的晶界相模型

晶界相模型是将晶界视为具有化学能的一相的模型。可以计算晶界处的构成元素的浓度。在本研究中，我们采用基于希勒特平行正切定律的晶界相模型，该模型是指在材料中各相的体积分数不变且整个材料的化学能取最小值的平衡条件下，材料中各相的平衡浓度满足的关系式。[返回来源]