一種綠色工程材料

尹一伊

[摘要]：鎂合金作為一種綠色制造的輕質工程材料，具有良好的機械加工性能，是21世紀富有潛力的環境友好型材料。介紹了鎂及鎂合金的特性、制備及回收方法，以及其相對其他有色金屬特有的綠色性質，簡要介紹了其應用現狀。

[關鍵詞]：：鎂合金；綠色材料；制備回收；應用

[Abstract]：Magnesium alloy as a green manufacturing of lightweight engineering materials， has good mechanical processing performance， is the 21st century potential for environmentally friendly materials. The characteristics， preparation and recovery methods of magnesium and its alloys were introduced. The green properties of magnesium and its alloys relative to other non - ferrous metals were introduced.

[Key words]： magnesium alloy； green material； preparation； recovery； application

[引言]：鎂及鎂合金的特點：

在自然環境惡化，能源不斷枯竭的今天，鎂作為 21 世紀的輕量化材料，由于其豐富的資源、優良的性能以及其低廉的開發成本，人們越來重視鎂及其合金的開發和應用。金屬鎂屬于 II A族堿土金屬， +2 價，密度為 1736kg/m 3（25 ℃），是最輕的一種常用金屬結構材料[1]，而鎂合金作為最輕的結構金屬材料，具有高的比強度和比剛度、抗沖擊載荷和抗震性號等特點，正是由于這些原因，鎂合金的需求與日俱增，但在制作加工過程中會產生大量的鎂合金廢料。一種重要的維持鎂合金的持續發展的方法就是回收鎂合金碎片廢棄物或者回收廢棄零部件。目前，世界上的鎂合金制造工廠都是通過回收鎂合金來進行二次制造。通常的鎂合金的回收方式都是將其碎片和廢料進行重熔，以便在生產過程中實現循環利用。在熔化和回收碎片和廢料的過程中，由于氧化和為了更有效回收中勞動力及能源的投入會失去大量鎂合金。也會增加對未來環境保護的花費投入。

然而國家的發展戰略是可持續發展而非鋪張浪費式的發展。1997年的中國共產黨第十五次全國代表大會召開時就已經把可持續發展戰略確定為我國“現代化建設中必須實施”的戰略。2002年的中共十六大也把“可持續發展能力不斷增強”作為全面建設小康社會的目標之一。因此這篇文章主要研究了不同種類再回收鎂合金廢料的方式及意義。[2]

2、鎂合金的綠色特性

隨著社會的不斷發展，人們對金屬結構材料的需求與日俱增。而鋼鐵和鋁合金是其中用量最大、應用面最廣的材料，但就世界已探明儲量的鐵礦石與鋁土礦的可采儲量保障年限來言最多也就只有約70年和50年作為底線。更糟糕的是，我國的鐵、鋁資源比起其他資源的豐富度差很多，儲量分別僅占世界比例的百分之十八點七和百分之二點三，可采儲量保障年限也分別在30年左右和10年以下，儲量已經嚴重不足。另一方面，由于鋼鐵的質量密度大，消費量也很大，所以它的制品在使用過程中很容易造成相當高的能耗以及不可避免的污染排放；而鋁雖然是輕質材料，可是卻不方便直接提取使用，其中鋁電解的一個環節的電能消耗就能占到整個有色金屬工業的百分之九十，而且也間接導致了高污染的排放。[3]在目前資源、能源和環境成為我國經濟持續發展不可避免的掣肘的大環境下，鋼鐵、鋁在我國的經濟發展中仍然占據著主要結構材料的作用，但它們面臨實現節能、降耗、減排和環保的大趨勢卻十分嚴峻。在這種情況下，無疑需要選擇推動開發一種綠色的更符合現狀或者說能緩解現狀的材料——輕質結構材料鎂。

鎂合金被譽為21世紀的綠色材料，首先是因為其豐富的資源量，畢竟綠色材料的特點是便于回收利用，也就是說起始時也要有一定的投入量。據資料統計，鎂元素是地球上最豐富的元素之一，占地殼表層金屬礦資源的百分之二點三，排在常用金屬的前四名，此外鎂元素在鹽湖及海洋中的含量也較為豐富。我國也是世界上鎂礦資源最豐富的國家。主要的含鎂資源包括菱鎂礦、白云石等，其中最少的一項也有超過三十億噸的儲量。[4]豐富的鎂礦資源為我國鎂產業方面的可持續發展提供了最可靠的資源保障，所以說鎂是當之無愧的的綠色材料。

其次鎂的基礎性質也是作為常用綠色資源的保障。鎂是最輕的金屬結構材料，其密度據測定只有一點七四克每立方厘米，相當于鋁密度的三分之二、鋼的四分之一。由于其優異的性能可以作為環境友好材料，在交通工具方面，如汽車等的輕量化是節能減耗、保護環境的重要方式。國外有研究報告指出，一旦鎂合金加工技術取得較大突破時，鎂在汽車上的應用可以達到一百千克以上，相應的油耗就能減少6%，而據保守估計，到2020年，我國的汽車總量可以達到1億輛，如果有相應一部分的汽車應用鎂合金材料，使用五十千克以上，就能總體降低油耗3%，節約錢款五十萬億元以上，也減少相應的污染排放。[5]此外，鎂合金在3C領域中的應用也能起到節能減排的功效，并且輕便環保。

3、鎂合金的制備及回收

鎂作為活潑金屬元素不會以單質形式存在于自然界中。工業上只能利用電解熔融鎂的化合物等方式使其強行得電子被還原制出單質鎂，然后再進行合金化，而這些方式耗能較多，制出的鎂合金數量反而不及投入的資源多。

鎂合金之所以稱為綠色工程材料，是因為其在制造過程中的經濟屬性，從原料方面，鎂合金由于比密度大，所以單位體積的價格比鋁合金低10%20%；且由于其具有良好的導電性和導熱性，同等強度的制品，鎂合金比鋁合金的耗電量要低；從可鑄造性能來說，由于鎂合金的粘度低，鑄造過程中，其流動較快，沖型性好，凝固速度快，鎂合金的鑄造周期短，且鑄件表面較鋁合金較為光滑，從而也能延長鑄模的使用壽命；鎂合金與塑料相比，都可以簡單再生，但鎂合金的機械性能卻是塑料的若干倍，塑料雖然可以降低零件的重量，但為了達到要求的輕度，其壁厚卻是鎂合金的兩倍多。正是由于鎂合金可以近100%回收的性質，其可以利用鎂合金制造過程生命周期各個環節中產生的浪費而進行二次重造，利用回收的方法生產鎂比直接用原料生產鎂要相對容易很多，且其能量消耗也比原鎂生產少，因此，目前倡導、研究的是通過回收方法制備出滿足社會需求的鎂產品。[6]

通常鎂合金的回收方式都是把鎂合金廢渣重熔，在生產過程中循環利用。在熔化和回收碎片和廢料的過程中，由于氧化和為了更有效回收中勞動力及能源的投入會失去大量鎂合金，也會增加對未來環境保護的難度，如：坩堝爐法、鹽爐熔化法等一系列方法都是不甚適用的。

而如果用一種固體的回收過程作為一種新型的鎂合金的回收方法的話，在固態回收過程中，碎片和廢料通過冷或熱壓力的塑性變形過程后熱擠壓的固化來回收。而且，固體回收鎂合金由于晶粒細化展現出了一種更高的強度，由于氧化物的沉積展現出更加具有均勻性。如合肥中科院胡茂良教授等人通過在擠壓比25：1的熱擠壓過程來固態回收AZ91D鎂合金廢料，其AZ91D廢屑可以直接制成棒材而不用熔化，回收的樣品性能數據和原鎂生產的基本相同，具有高的屈服強度和大的延伸率。[7]

4、鎂合金的應用

鎂合金的特性適用于汽車上的一些零部件。產品的質量降低可通過加入鎂合金來達成，從而提高燃油效率。由上文可知鎂合金重塑性較好和尺寸穩定性也不錯，因此可以被用來澆鑄成厚度不同的薄壁形態和形狀較為復雜的零件。鎂合金具有抗腐蝕性，可以作為長使用壽命的汽車零部件，而且鎂合金具有較好的鑄造性，可以一次充型為一個單一的整體部件，節省了其他材料要先制成零件后組裝的工序，降低制作成本。鎂合金的具有優良的阻尼特性，使其成為考慮汽車安全性的優選材料。目前，鎂合金在歐洲汽車工業中的應用，包括方向盤，轉向柱部件，儀表板，座椅，齒輪箱，進氣系統，擔架，變速箱外殼，油箱蓋等部分，我們已經看到在汽車行業零部件如轉向輪、轉向柱配件、儀表板、座椅、變速箱和進氣系統已經成功應用。未來的發展將也包括大型車身部件，如：缸體，門框和油箱蓋等。[8]

另外，由于其具有重量輕、散熱快、抗震性等優點，在3C領域中可以滿足產品輕薄短小、便于攜帶、抗沖擊等要求。如在3C領域中應用最廣泛的AZ91鎂合金。由于鎂合金是一種極其重要的商用合金。在工業中會應用其優良的強度、塑性變形能力、耐腐蝕性等綜合性能，。可以通過軋、擠、鍛等變形方式來加工成型，制成各種板材、棒材、等各種形狀的產品。通過后續的控制熱處理工藝可以獲取所需強度、塑性等力學性能及均勻細小的組織。通過以上的處理手段可以使其應用范圍更加廣泛。[9]

5、結語

我國是鎂資源大國，也是其初步加工品的生產和出口大國，可是仍然需要進口相當一部分的精密的鎂合金產品。鎂合金相關產業已引起科學工作人員以及政府的重視。我國已經計劃了鎂合金相關的重大項目。鎂合金的循環利用是鎂合金生產回收體系中必不可少的環節，而且環境保護、成本降低對我國工業發展都是有利要素。因此，向國外學習更加先進技術和工藝，進而總結我國現有的鎂合金方面的技術和經驗，進而結合我國國情研制適合我國的鎂合金再生技術是我國制造業能否綠色與高速兼備的發展下去的關鍵所在。

[參考文獻]：

[1]潘復生 ，韓恩厚 .高性能變形鎂合金及加工技術 [M]. 北京 ：科學出版社 ，2007：1.

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[3] 敖炳秋. 輕量化汽車材料技術的最新動態[J]. 汽車工藝與材料， 2002（8）：1-21. [4] 左鐵鏞. 21世紀的輕質結構材料——鎂及鎂合金發展[J]. 新材料產業， 2007（12）：22-26.

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[6]呂葦白， 楊湘杰， 蔡衛華，等. 鎂合金新型綠色產業的發展[J]. 江西冶金， 2002， 22（4）：23-27.

[7] Hu M， Ji Z， Chen X， et al. Effect of chip size on mechanical property and microstructure of AZ91D magnesium alloy prepared by solid state recycling[J]. Materials Characterization， 2008， 59（4）：385-389.

[8] MORDIKE B. L， EBERT T. Magnesium： Properties applications - potential[J]. Materials Science & Engineering：a， Structural Materials.

[9] 劉靜安 .鎂合金加工技術的發展趨勢與開應用前景 [J]. 四川有色金屬 ，2005（4）： l-10.