第23回 前篇 通过材料分析为制造更好的汽车
贡献力量：“材料调查匠人”高野光雄

现在，以3D打印、AI技术为代表的技术升级备受瞩目。但是，汽车行业生产一线却依旧存在着一些依靠“老手艺”而运转的部门。

ToyotaTimes将聚焦这些用其自身精湛技艺支撑起汽车行业的“匠人”们，并开启一个直指日本制造业精髓的新特辑“支撑日本汽车制造业的匠人们”。

本期将带来前篇，为您介绍“材料调查匠人”高野光雄——他通过解读从金属、树脂到陶瓷等各类材料的断面组织结构，为设计研发提供关键支持。

第23回 从材料微观组织中探寻真相的“材料调查匠人”高野光雄

丰田汽车 先进技术研发公司 移动出行材料技术部 直属部门 GX（高级专家）匠

驾驭0.02微米的精湛技艺

在位于爱知县丰田市丰田汽车总公司技术5号馆的材料分析实验室内，高野光雄正将一块金属断面轻轻贴向旋转的毛毡抛光轮。

抛光轮表面涂覆着用水调和的氧化铝微粒子液，粒子的大小仅为0.02微米（0.00002毫米）。正是借助这种微细的粒子，金属断面得以被逐渐打磨至镜面般光亮，这种工序称为“琢磨”。

正如高野所言，他缓缓转动材料，仅凭金属块自身重量接触抛光轮。因为如果手上用力，旋转的抛光轮表面纹路便会残留在材料之上。

几分钟后，高野将材料从抛光轮上移开。金属块的断面已呈现出镜面般的光泽。这种镜面处理，正是用显微镜观察材料组织结构时必需的关键步骤。

这是材料调查工作的一环。通过切割损坏的零部件，将断面打磨至如镜面般光亮，再借助显微镜观察组织结构。由此推断破损成因，并向设计部门提出改善方案。这项看似平淡的工序，实则是“制造更好的汽车”不可或缺的核心技能。

高野所属的移动出行材料技术部，隶属于先进技术研发公司。该部门规模庞大，涵盖工程师与技能职员工数百名，负责研发与应用汽车所需的各类材料，包括金属材料、高分子材料、催化剂材料以及电池材料等。而在整个部门中，高野是唯一被授予“匠”这一称号的员工。

材料调查的职责涵盖广泛：既要查明零部件损坏的根本原因，并向设计部门提出改善方案，也需确认新材料是否具备符合设计的组织结构；既要评估制造工艺变更带来的材质变化，也承担着精确测定用于数字解析的材料物性参数、建立可靠“数值品质”体系。这些，都是材料调查匠人所负责的工作内容。

让不可见化为可见：五大关键工序

材料调查的工序主要分为五道：切断、研磨、琢磨、蚀刻，以及基于光学显微技术的组织分析。

当汽车的零部件发生损坏时，仅凭“坏了”这一事实，无法推动任何改善工作。关键在于探究损坏的根源：是材料存在缺陷？是设计不合理？还是制造工艺有问题？唯有厘清损坏背后的真实原因，才能由此出发，打造出真正持久可靠的零部件。

以汽车运动为起点，制造更好的汽车——在丰田章男会长提出的这一方针指引下，丰田始终在赛事一线将零部件推向极限，并从每一个损坏的部件中持续汲取经验。若产品投放后，在实际使用阶段出现故障，便深入彻查其根源；若研发新材料，则严谨验证其组织结构是否符合设计预期。这一切，都离不开材料调查这项核心技能。

高野尤为精通的，是复合材料抛光技艺。面对由异质材料组合而成的部件——诸如铝基体中嵌有碳纤维，或铁与陶瓷相邻共构的断面——他能够将其打磨得如同镜面般平整光亮。

然而，当硬度各异的材料并存于同一断面时，较硬的部分会相对凸起，较软的部分则易凹陷下沉，这被称为“浮雕现象”。即便凹凸差仅有数微米（1微米=0.001毫米），也足以导致显微镜无法准确对焦，从而影响观察。

高野通过纯手工操作，逐步消除这类高低差。在磨削阶段，他以0.01毫米为精度单位进行控制，在琢磨阶段，则更进一步实施微米级的精细调整。

第一道工序是切割：使用旋转油石，即“磨床”，来切割出需要检查的部分。如果直接切割并产生火花，摩擦产生的热量会改变金属的性质。因此，要一边用水冷却，一边精细地调整将油石压在材料上的力度。

高野让弟子薮谷刚史SX（资深专家）在一旁进行切割演示，然后继续讲解。薮谷握住磨床的手柄，将油石对准材料。向右转动手柄，油石就会切入材料；向左转动，则会离开。他重复着这个操作，一点一点地推进切割。这种手法被称为“渐进式进给法”。

油石在使用过程中，刀刃部分会受到磨损，锋利度下降。此外，如果持续单向加压，金属粉末会固化并附着在油石上。因此，通过“渐进式进给法”对油石施加冲击，使其一点点破碎，从而在切割过程中始终保持露出新的刀刃，这被称为“油石的自生作用”。

机器虽然也有自动控制油石的功能，但高野并不使用。

当然，员工中也有使用自动控制的人，但高野坚信的是自己双手的感觉。

切割完成后，为了方便接下来的磨削和琢磨作业，会使用专用的机器将材料嵌入树脂中。由于要检查的材料极其微小，实际上是用手按住树脂块来进行磨削和琢磨的。

在研磨工序中，会依次使用180号、500号、1000号等磨粒逐渐变细的砂纸进行打磨。这时，高野说出了他经常向部下们反复强调的话。

研磨结束后，就进入开头提到的琢磨工序：先将氧化铝微粉与水配制成抛光液，再用毛毡抛光轮蘸取并涂于工件表面。微粒的大小从0.5微米开始，最终要细化到0.02微米。

将断面这样加工成镜面后，用显微镜观察。但是，还看不到组织。金属的晶体结构仅仅经过打磨是看不到的。这时所需要的，就是蚀刻技能。

由原创的蚀刻液所呈现的世界

蚀刻是一种将材料浸入酸或碱的溶液中，通过化学反应腐蚀其表面的技术。金属晶体之间存在边界。晶粒与晶粒之间的边界称为“晶界”。这个晶界容易积聚杂质，也容易被酸溶解。

如果选择性地只溶解晶界，在显微镜下观察时就会呈现为线状。凹陷的部分会产生阴影，看起来发黑。这样，金属组织才首次显现出来。

高野以变速器齿轮的断面为例进行了说明。齿轮经过了使其表面硬化的热处理，这是一种被称为“渗碳淬火”的工艺。通过让碳渗入表层后进行淬火，表层会形成一种名为“高碳马氏体”的非常坚硬的组织。

要确认这种高碳马氏体组织的结构，需要使用一种叫作硝酸酒精溶液的蚀刻液，它是将3%的硝酸溶于酒精制成的。将齿轮断面浸入这种液体，高碳马氏体组织就会呈现出叶子般的花纹。

然而，仅此还不够。要评估高碳马氏体组织的质量，需要测量形成它的原始晶粒的大小（晶粒尺寸），这被称为原奥氏体晶界。这个晶粒的大小至关重要，晶粒越细小，强度越高，越不易损坏。

但是，如果只使用常规的蚀刻液，这个晶界无法清晰地显现。为此，高野拿出了自己原创的蚀刻液。这是不断改变酸的种类、浓度、混合比例，反复试错取得的成果。

高野展示的显微镜照片上，黑白对比分明的晶界清晰可见。晶体的边界如同地图上的等高线般浮现出来。由此，可以精确测量晶粒的大小。

这项独创的蚀刻技术，也应用于其他材料。例如合金化镀锌钢板。这是一种用于汽车车身的钢板，为防锈而进行了镀锌处理。在丰田，不仅是镀上锌层，还要让锌层与铁层形成合金。

铁与锌混合，形成被称为“γ相层”的合金层。这一层的存在，使得镀锌层能牢固地附着于钢板。然而，如果这层合金太厚，因其本身是硬质层，在冲压成形弯曲时就可能开裂。因此需要将其厚度控制在合适范围内。

高野还研发了能选择性地、仅显现这一层的蚀刻液。将钢板断面浸入该溶液，锌层与铁层之间便会出现清晰的合金层。正是这些不断积累的评价技术，确保了丰田的品质。

“理所当然”激起的反骨

高野光雄于1962年出生在茨城县。他自幼喜爱汽车，高三一拿到驾照，就立刻入手了一辆二手丰田 CELICA Liftback运动车型。

顺带一提，他的高中并非丰田工业学园，而是当地的茨城县水户工业高中。该校当时设有名为“金属工业科”的少见学科。据说当时全国仅有大约5所学校设有此科。

制造金属、切割、研磨、用显微镜观察组织。实际上，我就是在这里学会了材料调查的基础。只是当时并不明白学这些的意义。是在进入丰田之后，才意识到这些就是自己的工作内容。

1981年，高野进入丰田汽车公司，被分配到第5技术部试验科。据说当时那是个不足百人的小部门。

材料技术部迎来水户工业高中金属工业科的毕业生尚属首次，前辈们对他寄予了厚望。

期望变成了压力，压力又转化为了逆反心。

高野开始沉醉于打磨技能。20世纪90年代前半，高野参与了CVT（无级变速器）钢带的研发。那正是丰田试图研发自有CVT的时期。

高野与工程师轮班，投身于利用气态氨对名为“钢环”的金属钢带进行特殊热处理的研发试验。

1997年，高野迎来了新的挑战：锂离子电池的研发。作为金属材料专家，他被派往电池研发团队。

该研发始于手工制作纽扣电池尺寸的小型电池。当时的成果，被称为“版本0”的电池，现作为怠速启停用辅助蓄电池，搭载于VITZ（现YARiS）。

这段经历极大地拓宽了高野的技能领域。他逐渐掌握了处理各种材料——不仅是金属，还包括树脂、陶瓷、催化剂等——所必需的知识。

下篇将为您讲述高野获得“匠人”称号的历程、作为“解析专家”支撑设计的一线实际工作，以及面向下一代的技能传承。