化工設備常用金屬材料加工工藝論述

耿雪峰

摘要：本文對化工設施常用的主體金屬材料的加工工藝做了相應的介紹與歸納，討論了各種金屬材料加工工藝的優(yōu)點以及缺點。化工設施主體材料對材料的抗酸堿能力要求比較高，所以金屬材料的制備工藝除了平時所用金屬材料的加工工藝之外還有屬于特種金屬材料的加工工藝。

關鍵詞：化工設備；金屬材料；加工工藝

1.簡介

化工設備所用的金屬材料的性能必須是可以承受一定溫度或者是強酸強堿或者是一定壓力的金屬材料。對材料的抗酸堿能力要求比較大，所以金屬材料的制備工藝除了平時所用金屬材料的加工工藝之外還有屬于特種金屬材料的加工工藝。在我國化工設施常用的主體金屬材料的都必須是特殊的能承受一定環(huán)境變化的金屬材料。金屬材料的加工工藝包括一般的變形加工、切削加工、磨削加工、熱處理以及表面處理等等加工工藝。

2.化工設施主體材料加工工藝

2.1變形加工

塑性成形：所謂塑性成形就是指在一定的溫度下使用一個模具在一定的應力下使金屬發(fā)生塑性形變。塑性成形一般又分為鍛造、軋制、擠壓、沖擊擠壓等。

鍛造：鍛造是最為古老的一種加工方式，指的就是在冷加工或者高溫作業(yè)的條件下以一種捶打和擠壓的方式把金屬鍛造成形，這也是最為直接的一種加工工藝之一[1]。

扎制： 指的就是先經(jīng)過預制一定形狀的模型之后高溫金屬坯段通過幾個連續(xù)的圓柱型輥子，輥子把金屬扎入前預制的型模中，從而得到預設的造型。

擠壓：即用于連續(xù)加工的，同時具備一樣的橫截面形狀的金屬造型的工藝，其一方面能夠在高溫條件下作業(yè)，另一方面還能夠進行冷加工。

沖擊擠壓：主要用于加工無煙囪錐度要求獲得一定規(guī)格的零部件。其具有一定的優(yōu)勢，對不同壁厚的零部件均適用，其生產(chǎn)成本相對偏低，非常迅速高效。

拉制鋼絲：這種工藝就是用于拉制各種型號的鋼絲。

2.2固體成型加工

固體成型加工：所謂的固體成型加工就是支原料在常溫的條件下將金屬條加工成一些具有固定形態(tài)的物體。其成本投入相對低廉。主要可以分為旋壓、彎曲、沖壓成型、沖孔、沖切。

旋壓：旋壓指的是在實際生產(chǎn)過程中為了形成常見的圓形的零部件。在車床上對其進行一定的旋轉(zhuǎn)切割得到固定形狀的部件。

彎曲：所謂的彎曲工藝就是指對片狀或者是管狀的材料進行生產(chǎn)的工藝。

沖壓成型：這種工藝指的就是把金屬片置于兩個模具間經(jīng)過壓制成型，能夠在生產(chǎn)中空的造型中使用。

沖孔：即通過特殊工具在金屬片上沖剪出某種造型，在小批量的制造中較為適宜。

沖切：其大體上與沖孔工藝類似，不同之處是沖孔利用的是沖下的部分，而沖切利用的是沖切之后剩余下的部分[2]。

2.3壓力加工

壓力加工，不言而喻，就是利用外在壓力對金屬產(chǎn)生一定的塑性形變來得到所需的與滿足機械性能要求的零部件或毛坯。其涉及到的方式包括拉拔、擠壓、軋制、沖壓、鍛造。

其中，鍛造又分為自由鍛以及模鍛。鍛造是一種古老的加工方式就是利用鍛錘的往復沖擊力或者是壓力機的壓力來改變毛坯的形狀尺寸，獲得我們所需要的形狀以及尺寸要求。

自由鍛：即通過壓力或沖擊力等作用使金屬在2個抵鐵間變形， 利用這種變形來得到我們所需要的尺寸的鍛件。一般情況下把自由鍛分為手工鍛造和機械鍛造兩種。這種鍛造方法比較簡單，運用的比較廣泛。

模鍛：很顯然模鍛就是利用模具來進行鍛造。其分類可以分為錘上模鍛、胎膜鍛、 壓力機上模鍛。一般就分為這幾種鍛造方式，不同的鍛造方式有各自的有點同時也有自己的缺點[3]。

板料沖壓：通常情況下，即通過沖模方式使板料變形或分離。而這種方法大多是在冷態(tài)下進行，所以這種方法也可以叫做冷沖壓。相對而言也有熱沖壓，也就是在板料超過8-10mm時，才會采用熱沖壓技術。該技術具有的主要特點為：能夠生產(chǎn)獲得形狀較為繁瑣的零部件，同時產(chǎn)生偏少的廢料。通過該方式制備出的產(chǎn)品，其表面粗糙度相對偏低，并且其精度相對偏高。通過該方法可以得到剛度與強度相對偏高、消耗材料相對偏少、質(zhì)量相對偏低的零件。同時，所需要的費用相對偏低，非常適合在大批量生產(chǎn)中應用。

沖壓工序：分離（落料→沖孔→切斷→修整）→變形（拉深→彎曲→翻邊→成型）

2.4切削加工：生產(chǎn)精度要求較高的零件一般通過該種方式進行，主要是通過機床來切削金屬[4]。一般來說，機床主要有銑床、車床等諸多類型。

對于車床來說，其往往用來加工回轉(zhuǎn)體的端面與不同類型的回轉(zhuǎn)表面。對于銑床來說，其能夠加工垂直面、水平面等。對于鉆床來說，其能夠通過鉆頭來得到精度相對較低的孔，同時還能夠利用鉆來完成擴孔—鉸孔，通過夾具還能夠獲得位置精度相對較高的孔系。對于鏜床來說，其基本上用來制備精度要求相對偏高、相對偏大的孔，尤其對處于不同地方，位置與孔距等要求相對較高的孔系較為適用。所謂電火花加工，即主要通過電火花放電過程中形成的腐蝕作用來加工材料[5]。電火花線切割機床加工主要是基于前者而形成的一種方法，這種方法不需要提前生產(chǎn)專用工具電極，主要是通過通用電極來發(fā)揮其功能。

2.5磨削加工

即通過磨料將材料去除的一種方式。一般情況下，根據(jù)工具類型對其加以劃分，主要將其分成2種類型；也就是使用自由與固定磨粒加工。通常情況下，按照表面生成方法、加工對象的差異進行分類，砂輪磨削主要劃分成內(nèi)圓、外圓、平面、成型磨削方法。對旋轉(zhuǎn)表面根據(jù)工件夾緊與驅(qū)動方式進行分類，主要包括無心和定心磨削兩種類型。根據(jù)砂輪進給方式的不同進行分類，主要包括切入和縱向進給磨削兩種類型。根據(jù)磨削行程的不同對其進行分類，主要將其劃分成定程磨和通磨兩種類型。根據(jù)砂輪表面工作方式對其進行分類，主要將其劃分成周邊-端面、周邊磨削兩種[6]。根據(jù)磨削區(qū)具體狀況進行分類，主要將其劃分成以下2種：

2.5.1恒壓力磨削 即將切入壓力控制為定值的磨削方法，也就是控制砂輪對工件的壓力的加工方法，比若說砂輪架就屬于該種方法的范疇。

2.5.2定進給磨削 即控制切入進速度為恒值的磨削。工作過程中，砂輪以某個既定的進給率與磨削表面呈90°角進行切入進給，當前業(yè)界普遍應用的磨床基本上通過該方法進行。

3.焊接

這屬于使金屬材料永久性連接的技術。歸根結底，焊接即通過加壓或者加熱等方式，利用金屬原子的擴散和結合作用，最終使原本相互分離的金屬材料緊密結合在一起。根據(jù)過程特點對其進行分類，主要將其分為3種類型，也就是釬焊、壓力焊、熔化焊。

所謂熔化焊，還叫做自身焊，也就是利用加熱的方式來熔化被焊金屬而使其連在一起。所謂壓力焊，即在加熱的基礎上進行加壓，通過這種方式使被焊金屬彼此相連。所謂焊料焊，即經(jīng)由加熱的方式來將焊接材料熔化，然后使被焊金屬彼此連接。對于熔化焊來說，其中使用最廣泛的當屬電弧焊。此外，業(yè)界使用較為普及的還有：電渣焊、等離子弧焊接、真空電子束焊接等[7-9]。埋弧自動焊主要具有以下幾方面基本特征：具有相對較高的生產(chǎn)率、質(zhì)量相對較高同時非常穩(wěn)定、改善工作條件、節(jié)約金屬材料等。然而，其還存在一定的不足，即工藝準備較為繁瑣，相關設備成本非常昂貴等，只是在大規(guī)模加工圓筒形工件的縱、環(huán)焊縫和長直線焊縫之中適用。

3.1氣體保護焊

氬弧焊的保護氣體為Ar，Ar屬于惰性氣體，其能夠保護熔化金屬與電極免于空氣的負面影響。在高溫條件下，Ar不會與焊接的金屬材料發(fā)生化學反應，同時其在金屬中不會溶解，鑒于這一個方面的原因，氬弧焊具有相對較高的質(zhì)量。二氧化碳氣體保護焊，顧名思義，這種電弧焊主要是以CO2作為保護氣體。其主要是是將焊絲當作電極，通過其與焊件兩者間形成的電弧來將兩者熔化，通過自動或半自動的方法完成焊接。其主要具有以下幾方面優(yōu)點：第一，所需要的費用相對較低，能夠通過價格相對較低同時非常容易得到的二氧化碳來將焊劑取代，其所需的成本只是手弧焊與埋弧自動焊的百分之四十；第二，具有相對較高的生產(chǎn)效率，同時具有相對較好的質(zhì)量與操作性。其同樣存在一定的不足之處：二氧化碳的氧化作用導致溶滴飛濺現(xiàn)象相對明顯，正是由于這一個方面的原因，所以焊縫的光滑程度相對較低，同時焊接過程中產(chǎn)生相對較大的煙霧，并且弧光非常強烈，要是不注意，則非常易于形成氣孔[10]。

特點 （1）焊料熔化：使用焊料焊接法的過程中，僅僅熔化焊料，被焊金屬則保持在固態(tài)水平，因此不會對材料性能產(chǎn)生相對嚴重的干擾（2）焊件和焊料兩者的成分不一樣，從而產(chǎn)生了接頭（3）金屬的連接能夠連接異質(zhì)金屬。

3.2爐內(nèi)焊接法

特點（1）處于真空密閉環(huán)境中，這樣金屬就非常不容易被氧化。（2）能夠準確控制溫度，同時能夠非常均勻的加熱焊件。（3）在金屬一烤瓷基底橋的焊接中較為普及。

3.3激光焊接法

有的物質(zhì)原子中的粒子受到電或光的作用，使原子能級由低向高轉(zhuǎn)變，與此同時，輻射出方向、頻率、相位都一樣的光，其主要特點是光束方向性好、能量高度集中、顏色單純。

主要特點：（1）焊接過程非?？?，所用的時間非常短（2）沒有電磁影響，能夠在大氣中實現(xiàn)，非常便于操作（3）具有相對較高的準確性，不需要對被焊金屬實施包埋固定，不會出現(xiàn)變形現(xiàn)象（4）污染小、無噪聲（5）熱作用范圍相對較小，熱量集中、加熱范圍較小、冷卻與受熱非常迅速，不會對焊件產(chǎn)生嚴重的影響。

3.4激光點焊機點焊法

主要特點：（1）該種方法為電阻焊接法。（2）其熱源是電流經(jīng)過焊件過程中形成的電阻熱，利用其對焊件進行加熱，使其熔化，從而完成整個焊接過程。

4.熱處理

即在某個條件下，提供一定的加熱和與冷卻給金屬材料，通過這種方法使其得到一定的化學或機械性能。金屬零件實施一定的熱處理，這樣做旨在實現(xiàn)：使其耐磨性、強度提高，并使其硬度減小，為將加工時形成的內(nèi)應力消除提供有力條件，使其表面耐蝕、耐磨性增加。

退火：加熱工件至稍微超過臨界溫度，保溫一段時間，接著使其緩慢冷卻，這就是所謂的退火。因加熱溫度與冷卻速度存在一定的差異，退火對金屬性能與組織的改變同樣存在一定的差異。

業(yè)界較為普及的方式有完全退火，其效果是細化顆粒、降低金屬組織的不均勻性、改善切削加工性、使溫度降低、消除內(nèi)應力、提高塑性與韌性。球化退火大體上是在冷卻模具與刀具上應用，鍛造毛坯，作用與上法相同，以備后期的淬火處理。消除加工硬化的退火，基本上是用來將工件通過冷拔、冷彎燈之后所形成的硬化消除。去應力退火，基本上是在消除鑄件、精密零件等制備時形成的內(nèi)應力時使用。對于正火，其屬于退火變態(tài)，其和完全退火之間有所不同：前者主要是使工件在空氣中冷卻，而后者則為隨爐冷卻。其旨在改善切削加工性、細化晶粒、增加強度與韌性、為進一步的熱處理打下基礎。淬火即將工件加熱至超過臨界溫度，然后保溫某段時間，將其放入鹽水、油或者水里面，使其在短時間內(nèi)迅速冷卻。根據(jù)加熱程度對其進行劃分，主要包括表面與整體淬火兩種類型，其中，對于后者，根據(jù)冷卻方法可以將其劃分成等溫、分級、單/雙液淬火等幾種類型。

表面淬火過程中，加熱工件表面使其上升至淬火溫度，接著通過冷卻劑將其驟然冷卻，這種情況下，工件的表面獲得的硬度非常高，但是其內(nèi)部韌性依舊如故。根據(jù)加熱方法，主要將其劃分成以下幾種類型：煤氣高頻淬火、浸液淬火等。

加熱淬火的零件，使其上升至一定的溫度（低于723℃），保溫處理某段時間，接著將其在空氣、水、油中冷卻，叫做回火。這樣進行處理旨在：降低淬火零件的內(nèi)應力，使其硬度、脆性減小，使其韌性提高。

回火主要包括以下幾種類型：低溫回火，溫度范圍為 ，能夠用來處理滾動軸承、各類工具、滲碳零件；中溫回火，溫度范圍為 ，主要是用來處理鍛模、彈簧、沖擊工具；高溫回火，溫度范圍為 ，主要是用來處理不同類型的連桿、齒輪等。

化學熱處理：其中包括氮化和氰化等，氮化即將工件置于介質(zhì)（含氮原子）中，將其加熱至500-600℃，使其表面增氮。旨在使其耐腐蝕性、疲勞強度、耐磨性與硬度提高。其主要包括離子、氣體、液體氮化三種類型。氰化還被稱為碳氮共滲。主要具有以下幾方面基本特點：迅速、效率高、然而使用的氰鹽為劇毒物質(zhì)，其價格非常高。根據(jù)溫度的不同進行分類，主要包括低、中、高溫氰化三種類型，三者的溫度分別為520-580℃、820-880℃、900-940℃。

5.表面加工

黑色金屬的氧化處理（發(fā)黑），即把工件置于溶液（其中具有硝酸鈉、苛性鈉）里面，通過這種方式使其表面形成非常薄的黑色氧化膜層。

黑色金屬的磷化處理，即把工件放在溶液（磷酸鹽）里面，通過這種方式使其表面形成磷酸鹽薄膜層。通常情況下，不會使零件大小外形、磁性、機械性能發(fā)生改變。主要包括冷磷化、中溫和高溫磷化三種類型。

碳鋼表面處理：主要包括四種類型：電鍍、熱鍍、發(fā)黑、噴漆。所謂電鍍，即通過電解法在工件表面沉積上金屬，從而產(chǎn)生結合力強、致密、均勻的金屬層。對于熱度與電鍍，前者的鍍層相對偏厚，后者的鍍層非常薄，比較均勻。前者鍍層色澤相對暗淡，后者比較光亮。后者鍍層相對偏薄，具有相對較差的耐蝕性。前者鍍層還和基體金屬構建起滲入層，具有相對較好的耐蝕性。

熱鍍鋅即使熔融金屬和鐵基體反應之后形成的合金層，這樣就使得基體與鍍層能夠結合在一起。即首先對工件實施酸洗處理，通過這種方式將工件表面的氧化鐵除去。然后經(jīng)由NH4Cl或ZnCl或兩者的混合水溶液槽中對其實施清洗處理，接著將其放到熱浸鍍槽中對其實施進一步的清洗，最終將其放到熱浸鍍槽中。該種方法具有諸多優(yōu)勢，其鍍層均勻，使用時間長。

黑色金屬的氧化處理（發(fā)黑），即把工件置于溶液（其中具有硝酸鈉、苛性鈉）里面，通過這種方式使其表面形成非常薄的黑色氧化膜層（其厚度處于0.5-1.5 μm范圍內(nèi)。工件經(jīng)由發(fā)黑處理后，其外觀得到改善，并且獲得或多或少的抗腐蝕能力，一般用來處理不同類型的零件的裝飾防護，例如細鋼絲、精密儀器、武器等。

塑料電鍍主要特點如下：通過該種方獲得的制品同時兼具金屬與塑料的特點。其具有相對較好的耐腐蝕性，同時具有相對較小的比重，便于成型，具備金屬質(zhì)感與光澤，除此之外，還具備焊接、導磁、導電等性能。能夠降低金屬材料使用量，在很大程度上簡化較為復雜的加工工序，具有非常強的裝飾性，并且還使塑料的機械強度明顯改善。

6.小結

本文對金屬材料的加工工藝進行了概述，不同的材料加工方法都有各自的有點以及缺點。我們所要做的就是盡量的規(guī)避每一種材料加工工藝的缺點，對我們所發(fā)現(xiàn)的有點集中利用。得到我們想要得到的性能的金屬材料。

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