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(zhì)工程材料，具有良好的機(jī)械加工性能，是21世紀(jì)富有潛力的環(huán)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(zhì)，簡要介紹了其應(yīng)用現(xiàn)狀。

[關(guān)鍵詞]：：鎂合金；綠色材料；制備回收；應(yīng)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(diǎn)：

在自然環(huán)境惡化，能源不斷枯竭的今天，鎂作為 21 世紀(jì)的輕量化材料，由于其豐富的資源、優(yōu)良的性能以及其低廉的開發(fā)成本，人們越來重視鎂及其合金的開發(fā)和應(yīng)用。金屬鎂屬于 II A族堿土金屬， +2 價(jià)，密度為 1736kg/m 3（25 ℃），是最輕的一種常用金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，而鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，具有高的比強(qiáng)度和比剛度、抗沖擊載荷和抗震性號等特點(diǎn)，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(chǎn)生大量的鎂合金廢料。一種重要的維持鎂合金的持續(xù)發(fā)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(jìn)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(jìn)行重熔，以便在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)循環(huán)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(huán)境保護(hù)的花費(fèi)投入。

然而國家的發(fā)展戰(zhàn)略是可持續(xù)發(fā)展而非鋪張浪費(fèi)式的發(fā)展。1997年的中國共產(chǎn)黨第十五次全國代表大會召開時(shí)就已經(jīng)把可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略確定為我國“現(xiàn)代化建設(shè)中必須實(shí)施”的戰(zhàn)略。2002年的中共十六大也把“可持續(xù)發(fā)展能力不斷增強(qiáng)”作為全面建設(shè)小康社會的目標(biāo)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(fā)展，人們對金屬結(jié)構(gòu)材料的需求與日俱增。而鋼鐵和鋁合金是其中用量最大、應(yīng)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(diǎn)七和百分之二點(diǎn)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(jīng)嚴(yán)重不足。另一方面，由于鋼鐵的質(zhì)量密度大，消費(fèi)量也很大，所以它的制品在使用過程中很容易造成相當(dāng)高的能耗以及不可避免的污染排放；而鋁雖然是輕質(zhì)材料，可是卻不方便直接提取使用，其中鋁電解的一個環(huán)節(jié)的電能消耗就能占到整個有色金屬工業(yè)的百分之九十，而且也間接導(dǎo)致了高污染的排放。[3]在目前資源、能源和環(huán)境成為我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展不可避免的掣肘的大環(huán)境下，鋼鐵、鋁在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中仍然占據(jù)著主要結(jié)構(gòu)材料的作用，但它們面臨實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗、減排和環(huán)保的大趨勢卻十分嚴(yán)峻。在這種情況下，無疑需要選擇推動開發(fā)一種綠色的更符合現(xiàn)狀或者說能緩解現(xiàn)狀的材料——輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料鎂。

鎂合金被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色材料，首先是因?yàn)槠湄S富的資源量，畢竟綠色材料的特點(diǎn)是便于回收利用，也就是說起始時(shí)也要有一定的投入量。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，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(diǎn)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(xiàng)也有超過三十億噸的儲量。[4]豐富的鎂礦資源為我國鎂產(chǎn)業(yè)方面的可持續(xù)發(fā)展提供了最可靠的資源保障，所以說鎂是當(dāng)之無愧的的綠色材料。

其次鎂的基礎(chǔ)性質(zhì)也是作為常用綠色資源的保障。鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度據(jù)測定只有一點(diǎn)七四克每立方厘米，相當(dāng)于鋁密度的三分之二、鋼的四分之一。由于其優(yōu)異的性能可以作為環(huán)境友好材料，在交通工具方面，如汽車等的輕量化是節(jié)能減耗、保護(hù)環(huán)境的重要方式。國外有研究報(bào)告指出，一旦鎂合金加工技術(shù)取得較大突破時(shí)，鎂在汽車上的應(yīng)用可以達(dá)到一百千克以上，相應(yīng)的油耗就能減少6%，而據(jù)保守估計(jì)，到2020年，我國的汽車總量可以達(dá)到1億輛，如果有相應(yīng)一部分的汽車應(yīng)用鎂合金材料，使用五十千克以上，就能總體降低油耗3%，節(jié)約錢款五十萬億元以上，也減少相應(yīng)的污染排放。[5]此外，鎂合金在3C領(lǐng)域中的應(yīng)用也能起到節(jié)能減排的功效，并且輕便環(huán)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(zhì)形式存在于自然界中。工業(yè)上只能利用電解熔融鎂的化合物等方式使其強(qiáng)行得電子被還原制出單質(zhì)鎂，然后再進(jìn)行合金化，而這些方式耗能較多，制出的鎂合金數(shù)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?yàn)槠湓谥圃爝^程中的經(jīng)濟(jì)屬性，從原料方面，鎂合金由于比密度大，所以單位體積的價(jià)格比鋁合金低10%20%；且由于其具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，同等強(qiáng)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(jī)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(dá)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(zhì)，其可以利用鎂合金制造過程生命周期各個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的浪費(fèi)而進(jìn)行二次重造，利用回收的方法生產(chǎn)鎂比直接用原料生產(chǎn)鎂要相對容易很多，且其能量消耗也比原鎂生產(chǎn)少，因此，目前倡導(dǎo)、研究的是通過回收方法制備出滿足社會需求的鎂產(chǎn)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(chǎn)過程中循環(huán)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(huán)境保護(hù)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(tài)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(xì)化展現(xiàn)出了一種更高的強(qiáng)度，由于氧化物的沉積展現(xiàn)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(tài)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(shù)據(jù)和原鎂生產(chǎn)的基本相同，具有高的屈服強(qiáng)度和大的延伸率。[7]

4、鎂合金的應(yīng)用

鎂合金的特性適用于汽車上的一些零部件。產(chǎn)品的質(zhì)量降低可通過加入鎂合金來達(dá)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(wěn)定性也不錯，因此可以被用來澆鑄成厚度不同的薄壁形態(tài)和形狀較為復(fù)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(jié)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(yōu)良的阻尼特性，使其成為考慮汽車安全性的優(yōu)選材料。目前，鎂合金在歐洲汽車工業(yè)中的應(yīng)用，包括方向盤，轉(zhuǎn)向柱部件，儀表板，座椅，齒輪箱，進(jìn)氣系統(tǒng)，擔(dān)架，變速箱外殼，油箱蓋等部分，我們已經(jīng)看到在汽車行業(yè)零部件如轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向柱配件、儀表板、座椅、變速箱和進(jìn)氣系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用。未來的發(fā)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(yōu)點(diǎn)，在3C領(lǐng)域中可以滿足產(chǎn)品輕薄短小、便于攜帶、抗沖擊等要求。如在3C領(lǐng)域中應(yīng)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(yè)中會應(yīng)用其優(yōu)良的強(qiáng)度、塑性變形能力、耐腐蝕性等綜合性能，?？梢酝ㄟ^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(chǎn)品。通過后續(xù)的控制熱處理工藝可以獲取所需強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能及均勻細(xì)小的組織。通過以上的處理手段可以使其應(yīng)用范圍更加廣泛。[9]

5、結(jié)語

我國是鎂資源大國，也是其初步加工品的生產(chǎn)和出口大國，可是仍然需要進(jìn)口相當(dāng)一部分的精密的鎂合金產(chǎn)品。鎂合金相關(guān)產(chǎn)業(yè)已引起科學(xué)工作人員以及政府的重視。我國已經(jīng)計(jì)劃了鎂合金相關(guān)的重大項(xiàng)目。鎂合金的循環(huán)利用是鎂合金生產(chǎn)回收體系中必不可少的環(huán)節(jié)，而且環(huán)境保護(hù)、成本降低對我國工業(yè)發(fā)展都是有利要素。因此，向國外學(xué)習(xí)更加先進(jìn)技術(shù)和工藝，進(jìn)而總結(jié)我國現(xiàn)有的鎂合金方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而結(jié)合我國國情研制適合我國的鎂合金再生技術(shù)是我國制造業(yè)能否綠色與高速兼?zhèn)涞陌l(fā)展下去的關(guān)鍵所在。

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