现在，一种新型合金的出现打消了镁自燃温度低、易燃的负面印象，引发了外界关注，这种合金就是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”。因为有望作为需要良好阻燃性的飞机、铁路车辆的构造材料，这种镁合金被寄予了厚望。
强度堪比超特硬铝合金
不燃镁合金即使从熔炉中取出、进入空气环境中，也不会像通常的镁合金那样着火。用燃烧器炙烤也不会迸发火苗，当温度超过纯镁的熔点(1091℃)后，这种合金虽然会熔化沸腾，但不会燃烧〔图1(a)〕。也就是“完全不燃烧”(河村)。这就是称之为“不燃”，而不是“难燃”、“耐热”的缘故。因为不燃烧，所以熔炼和铸造时的操作比较简单。
图1：KUMADAI不燃镁合金的特性
用燃烧器炙烤，加热到1000℃以上也不着火，只出现沸腾现象(a)。这种材料的屈服强度良好，可轻松达到市售镁合金的2倍以上(b)。摄影：日本科学频道
而且，这种合金在常温下强度大，拉伸屈服强度约为460MPa，堪比特超硬铝合金(A7075)〔图1(b)〕。总而言之，不燃镁合金不仅不会燃烧，而且拥有良好的机械强度，因而吸引了飞机和铁路车辆企业的兴趣。
具有如此出色特性的不燃镁合金不使用稀有金属。虽然开发方没有透露成分，但可以确定的是，添加的元素均为价格低廉的通用金属。
本文最后还将介绍河村先于该合金开发出的“KUMADAI耐热镁合金”，这种合金添加了稀有金属钇(Y)，有可能导致成本增加，从成分来看，不燃镁合金更便于实现低成本化。而且，因为具有不燃的性质，所以无需担心切削时的粉屑着火，容易实施切削加工。但难点在于高温强度低。
为了开发不燃镁合金和耐热镁合金，进行性能测试，揭示不燃和难燃化原理，以便全面投入实用，熊本大学于2011年在校内成立了“熊本大学先进镁国际研究中心”(MRC)，加快了开发的速度。中心除400kg的熔炉和580t的热挤压设备之外，还拥有能够评价成分和机械强度的分析装置等。
急冷性能高，铸造易制造
河村从2000年起着手开发的“KUMADAI耐热镁合金”是不燃镁合金的基础。这种合金添加了约2at%的钇(Y)和1～2at%的锌(Zn)，自燃温度最高可达940℃，比一般镁合金高出了300℃以上。而且还具有优良的耐腐蚀性和强度，与不燃镁合金一样，实用化前景都很受期待。
耐热镁合金按照制造方法分成两类。一类是利用快速凝固的方法制造的“KUMADAI急冷耐热镁合金”。另一类是对铸造的锭料实施挤压加工的“KUMADAI铸造耐热镁合金”。前者是利用薄带连铸法，使熔融金属快速凝固，制成合金薄片，压实预成型后实施挤压加工而成。制造虽然费时费力，但性能优良。而后者与急冷材料相比，特性虽然略差，但制造方法要简单。
在阻燃性镁合金中，日本产业技术综合研究所开发的材料已经是众所周知*1。这种合金的自燃温度为810℃，强度与传统的镁合金相同。而河村开发的耐热镁合金不仅自燃温度比产综研的阻燃性镁合金要高出100℃以上，而且拥有更加优良的强度和耐腐蚀性。
*1 通过添加重量比为1～2%左右的钙(Ca)，使镁合金具备阻燃性。
实际上，铸造耐热合金的比强度约是A7075的1.3倍，急冷耐热合金更是达到了A7075的2倍以上〔图2(a)〕。河村表示“高温特性特别好”也是耐热镁合金的一大特点。在200℃下，铸造耐热合金、急冷耐热合金的比强度均远大于铝合金(A2219)和高强度镁合金(WE54)*2的比强度〔图2(b)〕。但二者的成型性要好，如果采用温成型，耐热镁合金作为压延材料比主流锻造材料AZ31更容易成型。
图2：铸造耐热镁合金的特性
常温下的比强度(屈服强度与密度之积)高于铝合金(a)。高温(200℃)下的强度更是胜过铝合金和其他耐热镁合金(b)。铸造耐热合金的耐腐蚀性虽然不及市售的镁合金，但急冷耐热合金的耐腐蚀性比铝合金还要好(c)。市售合金均经过了热处理。
*2 WE54 通过添加钇和稀土等元素提高了强度的镁合金。
再来看耐腐蚀性，铸造耐热合金的耐腐蚀性等于甚至低于不耐腐蚀的AZ31，但急冷耐热合金的耐腐蚀性高达特超硬铝合金的“近2倍”，传统镁合金更是不在话下〔河村，图2(c)〕。
推出铸造耐热合金制造的螺钉
推出铸造耐热合金制造的螺钉
铸造耐热、急冷耐热、铸造不燃——熊本大学现在已经拥有3种类型的镁合金，在实用化方面，制造起来比较容易的铸造耐热合金走在了前面。2000年代初，河村发现通过添加钇和锌可以大幅提高镁合金的阻燃性，之后，河村与企业联手，不断开发出制造大尺寸材料需要的熔解及铸造技术，例如通过电磁搅拌实现成分均匀化、晶粒的微细化等。经过不懈努力，实用化终于有了眉目。协助开发的不二轻金属(总部：熊本县长洲町)已于2012年建成铸造耐热合金量产验证工厂，开始供应样品。
该厂拥有800kg的熔炉，容量是熊本大学MRC的2倍，而且还拥有挤压加工机，能够铸造坯材，挤压成型直径为55mm的圆棒，以及宽100×厚5mm的板材(图3)。当然也拥有后加工和表面处理设备*3。
图3：不二轻金属的量产验证设备
(a)为800kg的熔炼铸造设备。(b)为锻造设备。除此之外，还拥有机械加工、表面处理、冲压、搅拌摩擦焊等设备。月产量可达10t。
*3 按照预定，今后还将购置分析装置等。
表面处理方面，适合耐热镁合金的化成处理技术和阳极氧化膜处理技术也在开发之中。二者都需要专用的处理液，“化学处理技术已基本完成。预计在2014年内，阳极氧化膜处理技术也将看到眉目”(该公司)。月产能力为10t。在量产验证工厂全面投入运转后，该公司希望使样品的价格降低到1万日元/kg左右*4。
*4 现在，MRC的设备制造的挤压成型样品价格为6万日元/kg。
使用铸造耐热合金的产品也将在近期登场。丸卫梦制作所(总部：大阪府大东市)即将在2014年春季上市利用该合金制造的螺钉*5。设想的用途是在制造大型结构材料时，用于镁合金构件之间的固定，螺钉由久留米工业专业学校、不二轻金属、丸卫梦制作所合作开发。通过开发专用的滚轧成型装置，成功投入了实用(图4)。
图4：铸造耐热合金的样品
(a)是丸卫梦制作所预定于2014年春季推出的铸造耐热合金螺钉。(b)是不二轻金属为飞机厨房的手柄和活塞的气缸盖制造的锻件。
*5 价格未定。
不二轻金属表示，包括大型企业在内，现在共有100多家企业表达了购买意向，该公司已向约50家企业供应了铸造耐热合金样品。还接到了共同研究的邀请。
但量产验证设备的目的，只是为了优化熔炼的方式和步骤，以及熔炼和挤压的温度管理等制造条件，以便实现量产。虽然可以少量生产、供应样品，但无法稳定大量供应，“还不到能够评估成本的阶段”(不二轻金属)。
急冷材料的连续制造进入视野
铸造耐热合金虽然在实用化上领先一步，但在河村看来，未来的主流会是具有阻燃性，而且高温强度、耐腐蚀性俱佳的急冷耐热合金。如上所述，这种材料适合作为飞机和铁路等大型运输工具的结构材料。海外飞机企业已经投来了热切关注的目光。
美国FAA(联邦航空管理局)也采取了行动。解除了过去对于镁的禁令，正在制定评价阻燃性的试验方法。合格的条件之一是暴露在火炎中一定时间内不燃烧，二是扑灭火焰后，合金在一定时间内自行熄灭。按照目前的试验方案，耐热镁合金、不燃镁合金均符合要求。
与铸造合金相比，制造急冷耐热合金费时费力，问题是成本。对此，河村正计划建设能够大规模、自动完成一系列制造工序的连续处理设备，但没有透露详细情况。如果实现的话，制造成本有望压缩到与铸造耐热镁合金相同的水平*6。