尹一伊

[摘要]：镁合金作为一种绿色制造的轻质工程材料，具有良好的机械加工性能，是21世纪富有潜力的环境友好型材料。介绍了镁及镁合金的特性、制备及回收方法，以及其相对其他有色金属特有的绿色性质，简要介绍了其应用现状。

[关键词]：：镁合金；绿色材料；制备回收；应用

[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]：镁及镁合金的特点：

在自然环境恶化，能源不断枯竭的今天，镁作为 21 世纪的轻量化材料，由于其丰富的资源、优良的性能以及其低廉的开发成本，人们越来重视镁及其合金的开发和应用。金属镁属于 II A族碱土金属， +2 价，密度为 1736kg/m 3（25 ℃），是最轻的一种常用金属结构材料[1]，而镁合金作为最轻的结构金属材料，具有高的比强度和比刚度、抗冲击载荷和抗震性号等特点，正是由于这些原因，镁合金的需求与日俱增，但在制作加工过程中会产生大量的镁合金废料。一种重要的维持镁合金的持续发展的方法就是回收镁合金碎片废弃物或者回收废弃零部件。目前，世界上的镁合金制造工厂都是通过回收镁合金来进行二次制造。通常的镁合金的回收方式都是将其碎片和废料进行重熔，以便在生产过程中实现循环利用。在熔化和回收碎片和废料的过程中，由于氧化和为了更有效回收中劳动力及能源的投入会失去大量镁合金。也会增加对未来环境保护的花费投入。

然而国家的发展战略是可持续发展而非铺张浪费式的发展。1997年的中国共产党第十五次全国代表大会召开时就已经把可持续发展战略确定为我国“现代化建设中必须实施”的战略。2002年的中共十六大也把“可持续发展能力不断增强”作为全面建设小康社会的目标之一。因此这篇文章主要研究了不同种类再回收镁合金废料的方式及意义。[2]

2、镁合金的绿色特性

随着社会的不断发展，人们对金属结构材料的需求与日俱增。而钢铁和铝合金是其中用量最大、应用面最广的材料，但就世界已探明储量的铁矿石与铝土矿的可采儲量保障年限来言最多也就只有约70年和50年作为底线。更糟糕的是，我国的铁、铝资源比起其他资源的丰富度差很多，储量分别仅占世界比例的百分之十八点七和百分之二点三，可采储量保障年限也分别在30年左右和10年以下，储量已经严重不足。另一方面，由于钢铁的质量密度大，消费量也很大，所以它的制品在使用过程中很容易造成相当高的能耗以及不可避免的污染排放；而铝虽然是轻质材料，可是却不方便直接提取使用，其中铝电解的一个环节的电能消耗就能占到整个有色金属工业的百分之九十，而且也间接导致了高污染的排放。[3]在目前资源、能源和环境成为我国经济持续发展不可避免的掣肘的大环境下，钢铁、铝在我国的经济发展中仍然占据着主要结构材料的作用，但它们面临实现节能、降耗、减排和环保的大趋势却十分严峻。在这种情况下，无疑需要选择推动开发一种绿色的更符合现状或者说能缓解现状的材料——轻质结构材料镁。

镁合金被誉为21世纪的绿色材料，首先是因为其丰富的资源量，毕竟绿色材料的特点是便于回收利用，也就是说起始时也要有一定的投入量。据资料统计，镁元素是地球上最丰富的元素之一，占地壳表层金属矿资源的百分之二点三，排在常用金属的前四名，此外镁元素在盐湖及海洋中的含量也较为丰富。我国也是世界上镁矿资源最丰富的国家。主要的含镁资源包括菱镁矿、白云石等，其中最少的一项也有超过三十亿吨的储量。[4]丰富的镁矿资源为我国镁产业方面的可持续发展提供了最可靠的资源保障，所以说镁是当之无愧的的绿色材料。

其次镁的基础性质也是作为常用绿色资源的保障。镁是最轻的金属结构材料，其密度据测定只有一点七四克每立方厘米，相当于铝密度的三分之二、钢的四分之一。由于其优异的性能可以作为环境友好材料，在交通工具方面，如汽车等的轻量化是节能减耗、保护环境的重要方式。国外有研究报告指出，一旦镁合金加工技术取得较大突破时，镁在汽车上的应用可以达到一百千克以上，相应的油耗就能减少6%，而据保守估计，到2020年，我国的汽车总量可以达到1亿辆，如果有相应一部分的汽车应用镁合金材料，使用五十千克以上，就能总体降低油耗3%，节约钱款五十万亿元以上，也减少相应的污染排放。[5]此外，镁合金在3C领域中的应用也能起到节能减排的功效，并且轻便环保。

3、镁合金的制备及回收

镁作为活泼金属元素不会以单质形式存在于自然界中。工业上只能利用电解熔融镁的化合物等方式使其强行得电子被还原制出单质镁，然后再进行合金化，而这些方式耗能较多，制出的镁合金数量反而不及投入的资源多。

镁合金之所以称为绿色工程材料，是因为其在制造过程中的经济属性，从原料方面，镁合金由于比密度大，所以单位体积的价格比铝合金低10%20%；且由于其具有良好的导电性和导热性，同等强度的制品，镁合金比铝合金的耗电量要低；从可铸造性能来说，由于镁合金的粘度低，铸造过程中，其流动较快，冲型性好，凝固速度快，镁合金的铸造周期短，且铸件表面较铝合金较为光滑，从而也能延长铸模的使用寿命；镁合金与塑料相比，都可以简单再生，但镁合金的机械性能却是塑料的若干倍，塑料虽然可以降低零件的重量，但为了达到要求的轻度，其壁厚却是镁合金的两倍多。正是由于镁合金可以近100%回收的性质，其可以利用镁合金制造过程生命周期各个环节中产生的浪费而进行二次重造，利用回收的方法生产镁比直接用原料生产镁要相对容易很多，且其能量消耗也比原镁生产少，因此，目前倡导、研究的是通过回收方法制备出满足社会需求的镁产品。[6]

通常镁合金的回收方式都是把镁合金废渣重熔，在生产过程中循环利用。在熔化和回收碎片和废料的过程中，由于氧化和为了更有效回收中劳动力及能源的投入会失去大量镁合金，也会增加对未来环境保护的难度，如：坩埚炉法、盐炉熔化法等一系列方法都是不甚适用的。

而如果用一种固体的回收过程作为一种新型的镁合金的回收方法的话，在固态回收过程中，碎片和废料通过冷或热压力的塑性变形过程后热挤压的固化来回收。而且，固体回收镁合金由于晶粒细化展现出了一种更高的强度，由于氧化物的沉积展现出更加具有均匀性。如合肥中科院胡茂良教授等人通过在挤压比25：1的热挤压过程来固态回收AZ91D镁合金废料，其AZ91D废屑可以直接制成棒材而不用熔化，回收的样品性能数据和原镁生产的基本相同，具有高的屈服强度和大的延伸率。[7]

4、镁合金的应用

镁合金的特性适用于汽车上的一些零部件。产品的质量降低可通过加入镁合金来达成，从而提高燃油效率。由上文可知镁合金重塑性较好和尺寸稳定性也不错，因此可以被用来浇铸成厚度不同的薄壁形态和形状较为复杂的零件。镁合金具有抗腐蚀性，可以作为长使用寿命的汽车零部件，而且镁合金具有较好的铸造性，可以一次充型为一个单一的整体部件，节省了其他材料要先制成零件后组装的工序，降低制作成本。镁合金的具有优良的阻尼特性，使其成为考虑汽车安全性的优选材料。目前，镁合金在欧洲汽车工业中的应用，包括方向盘，转向柱部件，仪表板，座椅，齿轮箱，进气系统，担架，变速箱外壳，油箱盖等部分，我们已经看到在汽车行业零部件如转向轮、转向柱配件、仪表板、座椅、变速箱和进气系统已经成功应用。未来的发展将也包括大型车身部件，如：缸体，门框和油箱盖等。[8]

另外，由于其具有重量轻、散热快、抗震性等优点，在3C领域中可以满足产品轻薄短小、便于携带、抗冲击等要求。如在3C领域中应用最广泛的AZ91镁合金。由于镁合金是一种极其重要的商用合金。在工业中会应用其优良的强度、塑性变形能力、耐腐蚀性等综合性能，。可以通过轧、挤、锻等变形方式来加工成型，制成各种板材、棒材、等各种形状的产品。通过后续的控制热处理工艺可以获取所需强度、塑性等力学性能及均匀细小的组织。通过以上的处理手段可以使其应用范围更加广泛。[9]

5、结语

我国是镁资源大国，也是其初步加工品的生产和出口大国，可是仍然需要进口相当一部分的精密的镁合金产品。镁合金相关产业已引起科学工作人员以及政府的重视。我国已经计划了镁合金相关的重大项目。镁合金的循环利用是镁合金生产回收体系中必不可少的环节，而且环境保护、成本降低对我国工业发展都是有利要素。因此，向国外学习更加先进技术和工艺，进而总结我国现有的镁合金方面的技术和经验，进而结合我国国情研制适合我国的镁合金再生技术是我国制造业能否绿色与高速兼备的发展下去的关键所在。

[参考文献]：

[1]潘复生 ，韩恩厚 .高性能变形镁合金及加工技术 [M]. 北京 ：科学出版社 ，2007：1.

[2] 李督文. 创新引领走绿色可持续发展之路[J]. 建筑， 2016（10）.

师昌绪. 新材料的现状与展望[J]. 电子政务， 1996（9）：249-260.

[3] 敖炳秋. 轻量化汽车材料技术的最新动态[J]. 汽车工艺与材料， 2002（8）：1-21. [4] 左铁镛. 21世纪的轻质结构材料——镁及镁合金发展[J]. 新材料产业， 2007（12）：22-26.

[5]郭玉琴， 朱新峰， 杨艳，等. 汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J]. 锻压技术， 2015， 40（3）.

[6]吕苇白， 杨湘杰， 蔡卫华，等. 镁合金新型绿色产业的发展[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] 劉静安 .镁合金加工技术的发展趋势与开应用前景 [J]. 四川有色金属 ，2005（4）： l-10.