منیزیم (Magnesium) فلزی سبک و نقره‌ای‌رنگ با نماد شیمیایی Mg و عدد اتمی ۱۲ است که در گروه دوم جدول تناوبی، یعنی فلزات قلیایی خاکی، قرار دارد. چگالی این فلز حدود دوسوم آلومینیوم و تقریباً یک‌چهارم فولاد است و همین ویژگی، آن را به سبک‌ترین فلز سازه‌ای پرکاربرد دنیا تبدیل کرده است. منیزیم پس از آهن و آلومینیوم، سومین فلز سازه‌ای پرمصرف جهان است و نقش مهمی در صنعت فولاد، خودروسازی، هوافضا و الکترونیک دارد. در این مقاله با خواص فیزیکی و شیمیایی منیزیم، آلیاژهای آن و مهم‌ترین کاربردهای فلز منیزیم در صنعت آشنا می‌شوید.
توجه: موضوع این مقاله فلز منیزیم و کاربردهای صنعتی آن است، نه مکمل‌های غذایی منیزیم.
منیزیم چیست؟
منیزیم عنصری فلزی است که نام آن از منطقه «مگنزیا» در یونان گرفته شده است. این عنصر نخستین بار در سال ۱۷۵۵ توسط جوزف بلک به‌عنوان یک عنصر مستقل شناسایی شد و در سال ۱۸۰۸ همفری دیوی موفق به جداسازی آن شد. منیزیم یکی از فراوان‌ترین عناصر پوسته زمین است، اما به دلیل واکنش‌پذیری بالا هیچ‌گاه به‌صورت خالص در طبیعت یافت نمی‌شود و عمدتاً در کانی‌هایی مانند دولومیت، منیزیت و کارنالیت و همچنین در آب دریا و شورابه‌ها وجود دارد.
خواص فیزیکی منیزیم
منیزیم فلزی سفید مایل به خاکستری و بسیار سبک است. در میان فلزات قلیایی خاکی، منیزیم پایین‌ترین نقطه ذوب و جوش را دارد. ساختار بلوری این فلز هگزاگونال فشرده (HCP) است؛ به همین دلیل شکل‌دهی سرد آن دشوارتر از آلومینیوم است و معمولاً در دمای بالا نورد یا اکسترود می‌شود. جدول زیر مهم‌ترین مشخصات فیزیکی منیزیم را نشان می‌دهد:
| ویژگی | مقدار |
|---|---|
| نماد شیمیایی | Mg |
| عدد اتمی | ۱۲ |
| جرم اتمی | ۲۴٫۳۰۵ |
| جایگاه در جدول تناوبی | گروه ۲ (فلزات قلیایی خاکی)، دوره ۳ |
| چگالی | حدود ۱٫۷۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب |
| نقطه ذوب | حدود ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد |
| نقطه جوش | حدود ۱۰۹۰ درجه سانتی‌گراد |
| ساختار بلوری | هگزاگونال فشرده (HCP) |
| مدول الاستیسیته | حدود ۴۵ گیگاپاسکال |
| رسانایی گرمایی | حدود ۱۵۶ وات بر متر کلوین |
خواص شیمیایی منیزیم
واکنش با هوا و اکسیژن
سطح منیزیم در مجاورت هوا کمی تیره می‌شود، زیرا یک لایه نازک اکسید روی آن شکل می‌گیرد. این لایه تا حدی از ادامه اکسیداسیون جلوگیری می‌کند و به همین دلیل منیزیم را، برخلاف فلزات قلیایی مانند سدیم و پتاسیم، نیازی نیست در نفت نگهداری کنند. البته این لایه به اندازه لایه اکسید آلومینیوم محافظ نیست و منیزیم در محیط‌های مرطوب و شور به‌سرعت دچار خوردگی می‌شود.
واکنش با آب و اسیدها
منیزیم در دمای اتاق به‌کندی با آب واکنش می‌دهد و هیدروکسید منیزیم و گاز هیدروژن تولید می‌کند. این واکنش بسیار آهسته‌تر از واکنش کلسیم با آب است، اما در آب داغ یا وقتی فلز به‌صورت پودر باشد، سرعت آن به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد. منیزیم با اسیدهایی مانند اسید کلریدریک (هیدروکلریک اسید) واکنشی گرماده دارد و کلرید منیزیم و گاز هیدروژن تولید می‌کند.
اشتعال‌پذیری
منیزیم به‌صورت پودر، براده یا نوار نازک به‌شدت اشتعال‌پذیر است و نوار منیزیم در دمایی حدود ۴۷۳ درجه سانتی‌گراد در هوا شعله‌ور می‌شود. دمای شعله منیزیم به حدود ۳۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. خاموش کردن آتش منیزیم دشوار است، چون این فلز علاوه بر اکسیژن، با نیتروژن، دی‌اکسید کربن و آب نیز واکنش می‌دهد. به همین دلیل در جنگ جهانی دوم از منیزیم در ساخت بمب‌های آتش‌زا استفاده می‌شد. در مقابل، قطعات حجیم و یکپارچه منیزیم به‌سختی آتش می‌گیرند.
خواص نوری
سوختن منیزیم نوری سفید و بسیار درخشان تولید می‌کند که بخشی از آن در محدوده فرابنفش است. در گذشته از پودر منیزیم و سپس فیلامنت‌های منیزیمی در فلاش عکاسی استفاده می‌شد. امروزه نیز این خاصیت در ساخت منورها (فلر)، مواد آتش‌بازی و جلوه‌های ویژه کاربرد دارد.
مقایسه منیزیم با آلومینیوم و فولاد
مهم‌ترین مزیت منیزیم نسبت استحکام به وزن بالای آن است. با این حال، مقاومت به خوردگی و سفتی (مدول الاستیسیته) آن کمتر از آلومینیوم است. جدول زیر این سه فلز را مقایسه می‌کند:
| ویژگی | منیزیم | آلومینیوم | فولاد کربنی |
|---|---|---|---|
| چگالی (g/cm³) | ۱٫۷۴ | ۲٫۷۰ | حدود ۷٫۸۵ |
| نقطه ذوب (°C) | حدود ۶۵۰ | حدود ۶۶۰ | حدود ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ |
| مدول الاستیسیته (GPa) | حدود ۴۵ | حدود ۶۹ | حدود ۲۰۰ |
| مقاومت به خوردگی | پایین؛ نیاز به پوشش | خوب | پایین؛ نیاز به پوشش یا گالوانیزه |
| قابلیت ماشین‌کاری | عالی | خوب | متوسط |
| جذب ارتعاش | عالی | متوسط | متوسط |
آلیاژهای منیزیم
منیزیم خالص استحکام کمی دارد و در صنعت بیشتر به‌صورت آلیاژ استفاده می‌شود. مهم‌ترین عناصر آلیاژی منیزیم آلومینیوم، روی، منگنز، زیرکونیوم و عناصر نادر خاکی هستند. در نام‌گذاری استاندارد ASTM، حروف نشان‌دهنده عناصر آلیاژی اصلی (A برای آلومینیوم، Z برای روی، M برای منگنز، K برای زیرکونیوم، W برای ایتریم و E برای عناصر نادر خاکی) و اعداد نشان‌دهنده درصد تقریبی آن‌ها هستند.
| آلیاژ | عناصر اصلی | ویژگی و کاربرد |
|---|---|---|
| AZ91 | حدود ۹٪ آلومینیوم و ۱٪ روی | رایج‌ترین آلیاژ ریختگی؛ بدنه لپ‌تاب و ابزار برقی، قطعات خودرو |
| AM60 و AM50 | آلومینیوم و منگنز | شکل‌پذیری و جذب ضربه بهتر؛ قاب صندلی، اسکلت فرمان و داشبورد خودرو |
| AZ31 | حدود ۳٪ آلومینیوم و ۱٪ روی | آلیاژ کارپذیر برای تولید ورق و پروفیل اکسترود |
| ZK60 | روی و زیرکونیوم | استحکام بالا؛ قطعات فورج |
| WE43 | ایتریم و عناصر نادر خاکی | حفظ استحکام در دمای بالا؛ صنایع هوافضا و ایمپلنت‌های پزشکی |
کاربرد منیزیم در صنعت فولاد و چدن
شاید کمتر کسی بداند که منیزیم یکی از مواد کلیدی در زنجیره تولید آهن و فولاد است. مهم‌ترین نقش‌های منیزیم در این صنعت عبارت‌اند از:
گوگردزدایی چدن مذاب
گوگرد یکی از ناخالصی‌های مضر در فولاد است و باعث تردی و کاهش کیفیت جوش‌پذیری می‌شود. در کارخانه‌های فولادسازی، پیش از ورود چدن مذاب به کنورتر، ذرات منیزیم (معمولاً همراه با آهک) به داخل مذاب تزریق می‌شود. منیزیم با گوگرد ترکیب شده و سولفید منیزیم تشکیل می‌دهد که وارد سرباره می‌شود. این فرایند برای تولید فولادهای کم‌گوگرد، مانند فولاد لوله‌های انتقال نفت و گاز و ورقهای خودرویی، اهمیت زیادی دارد.
تولید چدن نشکن (داکتیل)
افزودن مقدار کمی منیزیم به چدن مذاب باعث می‌شود گرافیت به‌جای شکل ورقهای، به‌صورت کروی رسوب کند. نتیجه، چدن نشکن یا داکتیل است که چقرمگی و انعطاف‌پذیری بسیار بیشتری نسبت به چدن خاکستری دارد و در ساخت لوله‌های چدن داکتیل، میل‌لنگ و قطعات صنعتی استفاده می‌شود. منیزیم معمولاً به شکل فروآلیاژ فروسیلیکومنیزیم (FeSiMg) به مذاب افزوده می‌شود.
نسوزهای منیزیتی
اکسید منیزیم (منیزیا) نقطه ذوب بسیار بالایی دارد و ماده اصلی آجرهای نسوز منیزیتی و منیزیا-کربنی است که در جداره کنورتر، پاتیل و کوره قوس الکتریکی به کار می‌روند. افزودن ترکیبات منیزیم‌دار به سرباره نیز به حفاظت از این نسوزها کمک می‌کند.
آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم
بزرگ‌ترین مصرف منیزیم در جهان، افزودن آن به آلومینیوم است. آلیاژهای سری ۵۰۰۰ آلومینیوم (مانند ۵۰۵۲ و ۵۰۸۳) که در ساخت بدنه کشتی، مخازن و تانکرها استفاده می‌شوند و آلیاژهای سری ۶۰۰۰ (مانند ۶۰۶۱ و ۶۰۶۳) که در پروفیل‌های آلومینیومی کاربرد دارند، همگی حاوی منیزیم هستند. درب قوطی‌های نوشابه نیز از آلیاژ آلومینیوم-منیزیم ساخته می‌شود. برای آگاهی از قیمت این مواد می‌توانید بخش قیمت فلزات غیر آهنی فولاد ۲۴ را ببینید.
سایر کاربردهای منیزیم در صنعت
خودروسازی
کاهش وزن خودرو مستقیماً به کاهش مصرف سوخت و آلایندگی منجر می‌شود و به همین دلیل آلیاژهای منیزیم در ساخت قطعاتی مانند اسکلت فرمان، قاب صندلی، پوسته گیربکس، داشبورد و رینگ‌های منیزیمی کاربرد گسترده دارند. استفاده از منیزیم در موتور خودرو نیز سابقه طولانی دارد؛ برای نمونه، پوسته موتور فولکس‌واگن بیتل قدیمی از آلیاژ منیزیم ساخته می‌شد و بی‌ام‌و در موتور N52 از بلوک ترکیبی منیزیم-آلومینیوم استفاده کرد.
هوافضا
منیزیم از جنگ جهانی اول در ساخت هواپیماهای نظامی آلمان به کار رفت و در جنگ جهانی دوم مصرف آن به اوج رسید. پس از آن، به دلیل نگرانی از خوردگی و آتش‌سوزی، کاربردش در هوافضا بیشتر به قطعات موتور و پوسته گیربکس بالگردها محدود شد. امروزه با توسعه آلیاژهای مقاوم‌تر مانند WE43 و اهمیت روزافزون کاهش مصرف سوخت، استفاده از منیزیم در این صنعت دوباره رو به افزایش است.
صنایع الکترونیک
وزن کم، استحکام مناسب، جذب ارتعاش و قابلیت محافظت در برابر امواج الکترومغناطیسی باعث شده آلیاژهای منیزیم در بدنه لپ‌تاپ، تبلت، تلفن همراه و دوربین‌های عکاسی استفاده شوند.
آند فداشونده برای حفاظت کاتدی
منیزیم پتانسیل الکتروشیمیایی بسیار منفی‌تری نسبت به آهن دارد و اگر به یک سازه فولادی متصل شود، به‌جای فولاد خورده می‌شود. به همین دلیل آندهای منیزیمی برای حفاظت کاتدی لوله‌های گازرسانی و خطوط لوله مدفون، مخازن زیرزمینی، بدنه کشتی و آبگرمکن‌های خانگی به کار می‌روند. این آندها به‌ویژه در خاک‌هایی با مقاومت الکتریکی بالا، عملکرد بهتری نسبت به آندهای روی و آلومینیوم دارند.
تولید فلزات دیگر
در فرایند کرول، تتراکلرید تیتانیوم توسط منیزیم احیا می‌شود و تیتانیوم اسفنجی به دست می‌آید. از روش مشابهی برای تولید زیرکونیوم نیز استفاده می‌شود.
کاربردهای دیگر
- تهیه واکنشگر گرینیارد در صنایع شیمیایی و داروسازی
- ساخت آلیاژ منیزیم-روی برای صفحات حکاکی در صنعت چاپ
- ساخت باتری‌های فعال‌شونده با آب دریا در تجهیزات دریایی و پژوهش روی باتری‌های قابل‌شارژ منیزیمی
- ساخت ایمپلنت‌ها و پیچ‌های زیست‌تخریب‌پذیر در پزشکی
- تولید تجهیزات ورزشی سبک مانند قرقره ماهیگیری، چوب گلف و کمان
- ساخت منور، مواد آتش‌بازی و آتش‌زنه‌های اضطراری
روش تولید منیزیم
منیزیم در مقیاس صنعتی به دو روش اصلی تولید می‌شود:
- روش احیای حرارتی (فرایند پیجن): در این روش دولومیت کلسینه‌شده در خلأ و دمای بالا توسط فروسیلیسیم احیا می‌شود. بخش عمده منیزیم جهان، به‌ویژه در چین، به این روش تولید می‌شود.
- روش الکترولیز: در این روش کلرید منیزیم مذاب که از آب دریا، شورابه یا کانی کارنالیت به دست می‌آید، الکترولیز می‌شود و منیزیم فلزی و گاز کلر تولید می‌شود.
نکات ایمنی کار با منیزیم
براده، پودر و نوار منیزیم باید دور از رطوبت و منابع حرارت نگهداری شوند. هرگز آتش منیزیم را با آب یا کپسول CO2 خاموش نکنید، زیرا آب با منیزیم داغ واکنش داده و هیدروژن تولید می‌کند و شدت آتش را بیشتر می‌کند. برای اطفای حریق منیزیم باید از خاموش‌کننده‌های پودری مخصوص فلزات (کلاس D) یا ماسه کاملاً خشک استفاده کرد. در کارگاه‌های ماشین‌کاری نیز جمع‌آوری منظم براده‌ها اهمیت زیادی دارد. همچنین در اتصال قطعات منیزیمی به فولاد باید از عایق استفاده شود تا خوردگی گالوانیک رخ ندهد.
سؤالات متداول درباره منیزیم
منیزیم سبک‌تر است یا آلومینیوم؟
منیزیم با چگالی حدود ۱٫۷۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب، تقریباً ۳۵ درصد سبک‌تر از آلومینیوم است و سبک‌ترین فلز سازه‌ای پرکاربرد محسوب می‌شود.
آیا منیزیم زنگ می‌زند؟
منیزیم مانند آهن «زنگ» نمی‌زند، اما در محیط‌های مرطوب و به‌ویژه شور دچار خوردگی می‌شود. به همین دلیل قطعات منیزیمی معمولاً با پوشش‌های تبدیلی، آنادایز یا رنگ محافظت می‌شوند.
چرا آتش منیزیم را نباید با آب خاموش کرد؟
منیزیم داغ آب را تجزیه می‌کند و گاز هیدروژن آزاد می‌شود که خود قابل اشتعال است؛ در نتیجه آتش شدیدتر می‌شود. برای خاموش کردن آن باید از خاموش‌کننده کلاس D یا ماسه خشک استفاده کرد.
نقش منیزیم در تولید فولاد چیست؟
منیزیم برای گوگردزدایی چدن مذاب، تولید چدن نشکن و به شکل اکسید منیزیم در ساخت نسوزهای کوره‌ها و پاتیل‌های فولادسازی استفاده می‌شود.
آیا منیزیم جذب آهنربا می‌شود؟
خیر. منیزیم یک فلز پارامغناطیس است و جذب آهنربا نمی‌شود.
جمع‌بندی
منیزیم سبک‌ترین فلز سازه‌ای پرمصرف جهان است و ترکیب وزن کم، قابلیت ماشین‌کاری عالی و جذب ارتعاش، آن را برای صنایع خودروسازی، هوافضا و الکترونیک جذاب کرده است. در صنعت فولاد نیز منیزیم در گوگردزدایی، تولید چدن نشکن و ساخت نسوزها نقشی کلیدی دارد. در مقابل، مقاومت به خوردگی پایین و اشتعال‌پذیری براده و پودر آن، مهم‌ترین محدودیت‌های این فلز هستند. برای مشاهده قیمت روز فلزات غیر آهنی، فروآلیاژها و سایر محصولات فولادی به بخش قیمت محصولات فولاد ۲۴ مراجعه کنید.
