面向绿色制造的材料选择研究

制造业是国民经济持续发展的基础产业。在过去的20世纪，高度发达的制造业给美国、日本和欧洲带来了巨大的经济发展和市场繁荣。制造业过去是、现在是、在可以预见的将来仍然是经济增长的主要动力。但是。现代制造业在给人类带来空前丰富的物质文明的同时，也导致了以资源枯竭和环境恶化为代价的生态危机。据统计，造成环境污染的排放物的70％以上来自制造业，他们每年约产生55亿t无害废弃物和7亿t有害废弃物。传统的环境末端治理方法不能从根本上实现对环境的保护，要想解决该问题，必须从源头上进行治理。具体到制造业，就是要综合考虑环境影响和资源效率，使产品在整个生命周期中对环境的负面影响最小，资源效率最高，减少有害废弃物和固体、液体、气体的排放物，选用绿色材料，实施以绿色设计、绿色工艺、绿色包装、绿色使用和绿色回收为主要内容的绿色制造。材料选择是实施绿色设计和绿色制造的第一步，因此，绿色材料的选择作为绿色制造的关键技术之一，对其进行深入研究具有重要意义。本文着重研究了材料对外部环境的影响、面向绿色制造的材料选择原则、面向绿色制造的材料选择多目标决策等关键技术以及绿色材料数据库和知识库、绿色材料生命周期环境影响评估系统等支撑技术。

1 材料对外部环境的影响

产品全生命周期过程实际上是一个以工件材料物流为主线的过程，伴随着材料性能、形状和结构的改变。在原材料制备、产品加工制造、使用到回收、废弃处理的每一个过程中，材料都在直接影响着外部环境。

1.1 材料制备过程对外部环境的影响

工程材料(如金属材料、无机非金属材料、高分子材料等)制备行业主要包括冶金、化学、化工等。这些都是造成环境污染的行业。因此，要尽可能少选乃至不选制备过程对环境污染大的材料，减少其工程需求量。

1.2 材料加工过程对外部环境的影响

材料在制造加工过程中，铸造、锻造、切削、焊接、热处理、电镀和油漆等工艺都会对外部环境造成比较大的负面影响。

在产品制造加工过程中采用绿色工艺是实现绿色制造的重要环节。绿色工艺是指物料和能源消耗最小化、废弃物最小化、环境污染最小化的加工工艺。

在金属切削加工中，切削液是机械加工工业对生态环境造成污染的根源，采用干切削技术势在必行。干切削即在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺，相对于湿切削而言，它是一种从源头上控制污染的绿色切削工艺，消除了切削液对外部系统造成的负面影响。采用干切削加工技术，既可节约资源、保护环境又可降低成本。据统计，在欧洲工业界，有大约10%～15%的加工已经采用了干切削工艺。

干切削具有显著的优点但应用范围有限．准干切削技术还需使用少量切削液，在很长一段时期内，大多数切削加工还离不开切削液，无法实现完全的绿色切削。因此，研发和推广绿色切削液(低毒、低污染乃至无毒、无污染)仍然具有重要意义。

1.3 材料使用过程对外部环境的影响

许多产品在使用过程中不断对外部环境产生污染．主要是因材料引起的。例如，以氟利昂作为制冷剂和发泡剂的含氟冰箱在使用过程中会导致臭氧层的损耗，使大量太阳紫外线进入地球，严重地危害生物及人类的生存，对生态系统造成极大破坏。因此，研发和使用彻底替代氟利昂(CFC)的环保制冷剂和发泡剂的绿色无氟冰箱是未来冰箱技术的发展方向。含铅的材料在使用过程中会对人体和生态环境造成严重的危害和污染，以铅盐作稳定剂的PVC塑料给水管在使用过程中，重金属铅会从管道中析出直接造成饮用水的污染。含铅的焊料也应该被取代，积极推广无铅焊接和印刷电路板的无铅化生产。

1.4 材料报废处理对外部环境的影响

产品报废后的处理方式要么是回收利用，要么是废弃，因此，不能回收利用和废弃后难以降解的材料都将对环境造成污染。从2008年6月1日起，我国在全国范围内禁止生产、销售和使用厚度小于0．025mm的塑料购物袋；在所有超市、商场、集贸市场等商品零售场所实行塑料购物袋有偿使用制度，一律不得免费提供塑料购物袋。这将大大减少因使用塑料制品而造成的“白色污染”。绿色回收是一项贯穿于产品整个生命周期的多层次、多方位的系统工程。它不但涉及制造业，还牵涉到经济、立法、公众意识和社会管理等方面，在绿色制造中扮演着重要角色。面向回收的设计正引起人们的高度重视，美、德、日等发达国家在汽车、家电等行业应用面向回收的设计理念。德国奔驰汽车公司在汽车的整个生命周期都体现了回收利用的思想。从设计开始，就注重汽车的可回收性．在生产、使用过程中产生的废弃物、废能、废气、废液等做到全部回收，到报废时，汽车本身再被拆解、回收、利用。

2 面向绿色制造的材料选择原则

传统的材料选择主要考虑材料的技术性和经济性原则，很少考虑材料对外部环境的影响问题。面向绿色制造的材料选择是一种全新的理念和思路，它是将产品全生命周期过程和外部环境作为一个巨系统来看待，以材料流为对象，对于基于并行工程的产品全生命周期的每一过程进行环境评价，追求的是产品与环境的和谐，它是技术性原则、经济性原则和环境性原则的综合和集成。

2.1 材料选择的技术性原则

材料的技术性主要包括材料的物理性能(密度、电热传导性等)、力学性能(硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性等)和化学性能(抗氧化性、耐腐蚀性)。机械零件材料选择的技术性原则主要考虑机械性能和工艺性能。

2.1.2 机械零件选择的机械性能要求

由于机械性能是保证零件工作安全可靠、长期稳定和经久耐用的先决条件。故成为零件设计和选材的首要考虑。零件工作时主要考虑硬度、抗弯强度、疲劳强度、塑性、断裂韧性、冲击韧性等机械性能指标。机械零件材料选择的程序如下：

(1)分析零件的工作条件

零件的失效形式与工作条件密切相关，工作条件包括工作环境和荷载情况。工作环境包括：环境温度、工作介质、润滑条件等；荷载情况包括：静载荷、冲击载荷、循环载荷及载荷的分布等。

(2)分析零件的失效形式

机械零件常见的失效形式有：断裂、过量变形和表面失效，进行零件的失效形式分析，优化设计和工艺。

(3)分析零件受力并计算强度、刚度和稳定性条件依据零件的工作条件，用材料力学、弹性力学和应力分析方法计算材料的强度、刚度和稳定性条件。

(4)材料选择

依据上述分析计算。确定材料的种类和成分。

2.1.2 机械零件选择的工艺性能要求

在零件选材时，除了要首先满足零件机械性能外，还应兼顾材料的工艺性能。材料的工艺性表示了材料的加工难易程度，主要与材料的工程性质和材料的加工工艺路线有关。材料的工艺性主要包括切削加工性能、铸造性能、锻造性能、焊接性能和热处理性能等。

(1)切削加工性能

切削加工是获得所需零件几何形状和加工精度的主要方法，切削加工性能与材料的化学成分、相组成、显微组织和机械性能有着密切的关系。一般来说，材料的硬度适中(170～230HB)，其切削性能就好。硬度过高，不仅加工困难，而且刀具磨损也越快。硬度过低，切削时易发生塑性变形，形成切削瘤，产生“粘刀”现象，导致刀具过热和磨损加快，从而影响材料表面加工质量。

(2)铸造性能

铸造具有成本低、极易获得形状复杂零件之特点。在选用铸件时，所选材料应具有良好的铸造性能。铸造性能的好坏主要取决于液态金属的流动性、收缩性、偏析倾向及吸气性等。在铸铁中，灰口铸铁因具有良好的铸造性能和切削性能，因此得到广泛应用。

(3)锻造性能

锻件的组织致密、机械性能较高，但形状复杂的零件不宜采用。金属可锻性的好坏取决于材料的化学成分和加热温度。通常碳钢具有良好的可锻性，低碳钢的可锻性最好，中碳钢次之。高碳钢较差。铸铁，硬质合金不能进行锻压加工。加热温度对金属可锻性的影响较大，加热温度升高，金属的塑性增加，变形抗力降低，可锻性提高。

(4)焊接性能

焊接性能的优劣用焊缝形成冷裂、脆性、气孔等缺陷的倾向来衡量。钢中的碳含量会明显影响钢的焊接性，一般来说，低碳钢焊接时有比较好的焊接性，中碳钢焊接时有冷裂倾向，焊接性较差，高碳钢焊接时会产生很大的焊接应力，焊接热影响区的淬硬和冷裂倾向较大，同时焊缝也更易产生热裂纹，所以这类钢的焊接性最差。铸铁的焊接性能差，且成分及形状也比较复杂，在焊接过程中易产生白口、裂纹和气孔等缺陷。奥氏体型不锈钢一般具有良好的焊接性能，但其中镍、钼含量高的高合金不锈钢进行焊接时易产生高温裂纹。

(5)热处理性能

热处理不仅可以改变或改善材料的切削加工性能，而且会显著提高材料的机械性能，延长其使用寿命。热处理工艺性能包括淬硬性、淬透性、氧化和脱碳、变形及开裂等。钢的淬硬性主要与钢的化学成分特别是碳含量有关，碳含量越高，则钢的淬硬性越高。钢的淬透性常用淬硬层深度来表示，淬硬层越深，则钢的淬透性越好。钢的淬透性主要与它的化学成分、加热温度和保温时间等因素有关，Mo能提高钢的淬透性，合金钢往往比碳钢的淬透性要好。

2.2 材料选择的经济性原则

在满足零件技术性能要求的前提下，还应追求零件成本的最小化以提高产品的市场竞争力。零件的总成本包括原材料成本、加工成本、回收处理成本及供应链管理成本等。

(1)材料成本

在满足零件技术性能要求的前提下，尽可能选择廉价材料。

(2)加工成本

在满足零件技术性能要求、材料成本又相差不大的前提下，加工工艺不同会导致加工成本迥异。

(3)回收处理成本

回收处理成本是产品生命周期成本的重要组成部分，要尽可能选用回收处理成本低的材料。

(4)供应链管理成本

要尽可能少用稀有金属材料，尽量减少所选材料的品种和规格，以降低材料的供应、保管、热处理等供应链管理成本。

2.3 材料选择的环境协调性原则

材料选择的环境协调性原则是面向绿色制造的材料选择有别于传统材料选择的主要特点。材料选择的环境协调性原则主要考虑材料资源的丰富程度、材料的环境友好性、材料的可回收利用性等方面。

2.3.1 选用生态环境材料

选用生态环境材料就是选用那些具有良好使用性能和工艺性能，资源和能源消耗少，对生态环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在整个生命周期都与环境友好协调的有利于可持续发展的材料。

含有铅、镍、铬、硫、氟等化学物质的材料在使用过程中会对人体和生态环境造成严重的危害和污染，因此应尽可能选用无毒无害材料。

尽量选用无涂、镀层材料。含有涂、镀层的材料不仅会给报废后的回收利用带来困难，而且大部分涂、镀层本身就有毒有害，在镀铬的过程中应采取相应措施将残留在镀铬材料上的六价铬转变为无害的三价铬。此外，含有铬或氰的电镀废水、固体废弃物、酸性废气等也会极大地污染生态环境。

2.3.2 选用短缺材料资源的替代材料

材料选择时，还应考虑材料资源的丰富程度。考虑可持续发展问题。对于短缺材料资源，尽可能选用其替代材料，尽可能选用工程塑料、结构陶瓷和复合材料等新材料。例如，工程塑料不仅拥有普通塑料一系列优良特性，而且具有远高于普通热塑性塑料的耐热性、耐磨性和机械强度，因而可在许多应用领域中代替金属作为工程材料使用。

2.3.3 减少所用材料种类

尽量避免选用多种不同材料，以利于产品报废后的回收利用。产品所用材料种类过多，不仅会增加制造难度和成本，而且也会增加回收处理成本。

2.3.4 选用可回收利用材料

选用可回收利用的材料有利于节约资源、减少废弃物、保护生态环境。美、德、日等发达国家在汽车、家电等行业均重视面向回收的设计理念。为便于拆卸回收，尽可能选用相容性好的材料组合。若拆卸对象由几种不相容材料制成，回收时需要进行完全拆卸；若拆卸对象采用相容性好的材料，则不需进行拆卸而作为一个整体回收处理。

3 面向绿色制造的材料选择多目标决策约束条件和模型

设备选材料集合为Ω，依据面向绿色制造的材料选择原则，面向绿色制造的材料选择多目标决策约束条件主要满足：最低的材料生命周期成本、最低的材料全生命周期环境影响和材料的机械性能属性约束。

3.1 最低的材料生命周期成本

材料生命周期成本C由4部分构成：直接成本CD、制造成本CM、回收成本CR和供应链管理成本CS。

C=CD+CM+CR+CS

(1)材料的直接成本

CD=CD(x)W

式中：CD(x)为材料单位质量直接成本(元／kg)，W为零件的设计质量(kg)。

(2)材料的制造成本

 

式中：行为材料加工制造工艺过程的个数，CiM(x)为第i个加工制造工艺过程的材料单位质量成本(元／kg)。

(3)材料的回收成本

CR=CR(x)W

式中：CR(x)为材料单位质量回收成本(元／kg)。

(4)材料的供应链管理成本

CS=CS(x)W

式中：CS(x)为材料单位质量供应链管理成本(元／kg)。

则最低材料生命周期成本的约束条件为：

minC=min(CD+CM+CR+CS) x∈Ω

3.2 最低材料全生命周期的环境影响

材料全生命周期对外部环境的影响E包括4个阶段：原材料制备、加工制造、使用和废弃处理。

则最低的材料全生命周期环境影响的约束条件为：

minE=minE(x)W x∈Ω

式中：E(x)为材料的环境影响因数，即单位质量材料的全生命周期环境影响。

3.3 材料的机械性能属性约束

设材料可定量表示的机械性能集合为φ，机械性能约束条件为：

x(y1)≤y1D，x(y2)≥Y2D y1，y2∈φ

式中：x(y)为材料的机械性能属性值，y1D、y2D为机械性能属性y1和y2的设计要求。

综合各种约束条件，构建面向绿色制造的材料选择多目标决策模型为：

min(C，E)

s．t．x(y1)≤y1D，x(y2)≥y2D

x∈Ω y1，y2∈φ

4 绿色材料数据库和知识库

面向绿色制造的材料数据是指材料选择过程中使用和产生的数据；面向绿色制造的材料知识是指支持绿色材料决策所需的规则。绿色材料选择由于涉及产品全生命周期，因而绿色材料选择所需的数据和知识是产品生命周期各阶段所需数据和知识的融合与集成。为了满足绿色材料选择的需要，必须建立相应的数据库和知识库，以便为面向绿色制造的的材料选择、工艺设计、回收设计及供应链管理等提供重要的数据支撑和知识支撑。

5 绿色材料生命周期环境影响评估系统

绿色材料生命周期环境影响评估系统旨在为面向绿色制造的的材料选择提供支持信息。通过建立“技术一经济一环境”模型，对材料的技术性、经济性和环境协调性等方面做出评价，对材料选择方案进行综合评价和比较选优，为绿色材料选择提供参考和依据。其主要内容包括：资源性指标、工艺性指标、经济性指标和环境性指标等。绿色材料生命周期环境影响评估的技术框架的主要阶段是清单分析和环境影响评价。清单分析是对产品体系整个生命周期各个阶段或过程的输入和输出进行数据收集、量化、分析并列出清单的过程。环境影响评价是运用定量或定性的方法对清单分析结果潜在的环境影响进行评价和描述的过程。

6 结语

绿色材料是绿色制造的基础，国内外对绿色材料选择技术的研究正方兴未艾．绿色材料方面的立法工作日益受到国际社会重视。如欧盟2003年1月23日通过，2006年7月1日开始实施《在电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》(The Restriction of the use of certain Hazardous substances in Electrical and Electronic Equipment，简称ROHS指令)明确规定了铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯及多溴二苯醚等6种有害物质的最大限量值及检测方法。中国于2007年3月1日起实施的《电子信息产品污染控制管理办法》，内容类似于ROHS指令，规定在中国市场上销售的电子信息产品必须标识有毒有害物质或元素的名称、含量、环保使用期限及在废弃时可否回收利用等信息。

在研究材料对外部环境的影响及面向绿色制造的材料选择原则的基础上构建了面向绿色制造的材料选择多目标决策模型，为材料选择决策提供了理论和技术支持。

面向绿色制造的材料选择是一个复杂的系统工程，从材料流动角度来讲，对环境协调性的追求贯穿于产品整个生命周期。绿色材料生命周期环境协调性能研究能够为国家节能减排目标的实现提供强有力的技术支撑。面向绿色制造的材料选择较之传统材料选择是一种全新的理念和模式，它对推进资源、环境和社会的可持续发展，建设资源节约型和环境友好型社会，发展循环经济，提升制造业的核心竞争力具有重要意义。

(本文不涉密)
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