機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇及應(yīng)用研究

潘曉濤

摘要：近年來隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于機(jī)械制作行業(yè)也起到了良好的促進(jìn)作用。在這一趨勢(shì)下對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)工作也提出了更高的要求。金屬材料的選用作為機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，但是目前我國(guó)機(jī)械材料市場(chǎng)還不夠完善，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中選用的金屬材料還會(huì)受到一定的限制，這也就需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)行金屬材料的合理選擇，充分發(fā)揮出金屬材料的作用，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量跟設(shè)計(jì)效果進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);金屬材料;選擇;應(yīng)用

1機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇原則

1.1機(jī)械性能

在機(jī)械生產(chǎn)制造中，材料選擇應(yīng)考慮金屬材料的載荷力和載荷特性，特別是機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料載荷力和塑性，這是決定企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)人員在以后的設(shè)計(jì)過程中要保證機(jī)械的良好使用效果，應(yīng)盡量選擇高負(fù)荷水平的金屬材料，否則，由于金屬材料的低負(fù)荷性能而導(dǎo)致的使用障礙或使用失敗等不良反應(yīng)將影響企業(yè)生產(chǎn)的材料的效果。企業(yè)技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)真審查加工材料，測(cè)試材料性能，評(píng)估材料性能參數(shù);如有必要，材料還應(yīng)進(jìn)行淬火和回火、滲碳、滲氮和其他技術(shù)處理。

1.2零件的工作環(huán)境

不同工作環(huán)境下的零件，對(duì)于金屬材料的性能也存在有一定差異性，這也是機(jī)械設(shè)計(jì)中進(jìn)行金屬材料選擇時(shí)所需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。在金屬材料選擇時(shí)，需要就常見的壓力變化、溫度變化、電導(dǎo)率變化以及體積變化等工作環(huán)境進(jìn)行明確，比如在濕熱工作環(huán)境下金屬材料還容易受到腐蝕的情況，因此機(jī)械設(shè)計(jì)中需要選用一些抗腐蝕能力比較強(qiáng)的金屬材料，這樣才能夠避免環(huán)境因素對(duì)于材料所造成的損害情況發(fā)生，保障機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性不會(huì)受到外界環(huán)境的影響。

1.3加工需求

金屬零件的生產(chǎn)工藝繁瑣，各種金屬零件的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。因此，在加工金屬材料時(shí)，應(yīng)考慮材料本身的性能。只有在滿足生產(chǎn)要求的條件下，才能進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，這也是設(shè)計(jì)者必須考慮的一個(gè)實(shí)際因素。對(duì)于一些生產(chǎn)工藝復(fù)雜的零件的加工工藝，企業(yè)需要進(jìn)一步采用高端加工技術(shù)，如板材沖壓、元件焊接等加工工藝，以檢測(cè)金屬材料的加工性能。如果它們不能通過材料性能測(cè)試，就不能應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)械制造。只有當(dāng)金屬材料本身具有良好的沖壓和切割能力或鑄造和焊接性能時(shí)，才能適應(yīng)更高水平的機(jī)械制造。然而，現(xiàn)代工業(yè)的機(jī)械制造生產(chǎn)需要綜合性能更好的金屬材料。

1.4材料經(jīng)濟(jì)性

材料經(jīng)濟(jì)性會(huì)直接決定機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效益，因此在金屬材料選擇過程中，除了材料性能能夠滿足機(jī)械設(shè)備的實(shí)際上生產(chǎn)需求之外，還需要就材料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合性考慮，做好材料設(shè)計(jì)中所有環(huán)節(jié)的成本計(jì)算，通過適當(dāng)?shù)牟牧辖M合，降低機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)成本。因此設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)材料市場(chǎng)有充分掌握，并在保障材料性能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，盡可能選擇一些經(jīng)濟(jì)性比較高的金屬材料，為機(jī)械制造企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.5材料的適用性

在金屬材料選擇過程中還要遵循適用性原則，保障金屬材料的功能能夠得到最大限度的發(fā)揮。比如說碳鋼素金屬材料在機(jī)械零件加工中比較常見，但是在淬火加工過程中還容易出現(xiàn)變形或者斷裂的情況，因此在一些需要進(jìn)行淬火處理的機(jī)械零件制作過程中，不得采用碳鋼素金屬材料進(jìn)行材料制備。只有保障材料的適用性，才能夠滿足機(jī)械制作的設(shè)計(jì)需求，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的環(huán)保性選擇與應(yīng)用

2.1選擇污染小與耗能低的材料

企業(yè)應(yīng)在機(jī)械制造和生產(chǎn)中認(rèn)真貫徹現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展理念。金屬材料的選擇應(yīng)盡量避免加工過程中產(chǎn)生大量廢氣和廢棄物，從而有效減少機(jī)械生產(chǎn)造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。經(jīng)過熱處理后，某些金屬材料的性能將得到改善，使用壽命將延長(zhǎng)。然而，熱處理過程中的環(huán)境污染現(xiàn)象也會(huì)消耗大量的能源。因此，制造企業(yè)應(yīng)盡量避免使用需要大量熱處理的材料。如果某些金屬材料無(wú)法避免熱處理，企業(yè)也應(yīng)盡量選擇處理工藝較少的材料，以有效降低能耗和環(huán)境污染。

2.2進(jìn)行環(huán)保型材料的選擇

一些材質(zhì)的金屬材料還有著可回收性以及再生能力強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中還能夠?qū)崿F(xiàn)材料的循環(huán)使用，并有著良好的環(huán)保效果。因此在金屬材料的選擇過程中需要盡量挑選一些環(huán)保型材料，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的有效節(jié)約，對(duì)于我國(guó)生態(tài)環(huán)境也有著一定的保護(hù)效果。在機(jī)械制作中所應(yīng)用到的金屬材料類型比較多，不同類型的金屬材料其制作工藝也存在有一定差異性。因此在保障了金屬材料使用性能基礎(chǔ)上，在材料選用過程中需要盡量避免過于復(fù)雜，因?yàn)槿绻牧系姆N類比較多，還會(huì)導(dǎo)致廢棄回收難度進(jìn)一步增加，導(dǎo)致材料浪費(fèi)等問題發(fā)生。

2.3選擇新型安全材料

近年來隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新型材料在機(jī)械制作中也獲得了良好的應(yīng)用效果，其安全性能與環(huán)保性能較之于傳統(tǒng)材料也得到了大幅度的提升，對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作也有著積極意義。一般情況下傳統(tǒng)的金屬材料自身還具備有非常強(qiáng)的危害性，在后期加工過程中因?yàn)橐幌盗械幕瘜W(xué)變化，還會(huì)導(dǎo)致有害氣體產(chǎn)生，對(duì)于接觸者與當(dāng)?shù)丨h(huán)境也會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害。因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行金屬材料的選擇時(shí)，還需要在滿足了機(jī)械設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，盡可能選擇新型材料來進(jìn)行機(jī)械零件的制造工作，避免傳統(tǒng)材料使用中所造成的經(jīng)濟(jì)損失跟生態(tài)破壞。例如金屬泡沫材料就是一種比較安全的應(yīng)用材料，不僅對(duì)人體以及環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生副作用，還有著可循環(huán)利用、適用性強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在高功率的機(jī)械電子設(shè)備中也能夠獲得良好的應(yīng)用效果。

2.4表面硬化技術(shù)與選材

機(jī)械設(shè)計(jì)材料需要后期進(jìn)行再加工處理，比如通過表面硬化技術(shù)促進(jìn)零件自身的耐磨性以及抗蝕性進(jìn)一步提高。目前在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中選用的表面硬化技術(shù)具體包含有滲碳技術(shù)以及氮化技術(shù)兩種類型，其處理方法以及應(yīng)用特點(diǎn)也存在有較大差異性。一般在采用滲碳技術(shù)提升金屬材料避免硬化度時(shí)，需要在操作過程中將材料放置到滲碳爐中，增加鋼材材料的碳含量，隨后進(jìn)行淬火處理，讓材料硬度進(jìn)一步提高，最后通過低溫回火技術(shù)提高材料穩(wěn)定性。如果在機(jī)械設(shè)計(jì)中需要對(duì)金屬材料進(jìn)行滲碳技術(shù)處理，在金屬材料選擇過程中要對(duì)零部件的尺寸、芯部強(qiáng)度進(jìn)行明確，避免過度使用材料所導(dǎo)致的成本增加問題發(fā)生。一般零部件有效截面積小于50mm時(shí)可以選用20Cr以下的材料，如果截面積在50m2～150m2但是重量小于50kg時(shí)，一般可以選擇20Crmnti。在結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行滲碳程度的選擇。

在進(jìn)行氮化處理過程中，常用的是45型號(hào)的氮化處理技術(shù)，并且具備有能夠顯著減少變形率的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在氮化爐中進(jìn)行金屬材料性能的改善時(shí)，能夠直接省去后續(xù)的施工環(huán)節(jié)，促進(jìn)加工處理質(zhì)量進(jìn)一步提高，還能夠顯著避免再次處理過程中所耗費(fèi)的時(shí)間與資源。針對(duì)部分有著特殊要求的機(jī)械零件，可以結(jié)合其他調(diào)質(zhì)技術(shù)，促進(jìn)金屬材料的強(qiáng)度與耐磨性進(jìn)一步提高。

結(jié)論

在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。基礎(chǔ)材料的合理選擇不僅可以優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，而且可以為企業(yè)的發(fā)展提供幫助。企業(yè)選材應(yīng)符合實(shí)際加工工藝的要求，提高其經(jīng)濟(jì)適用性和環(huán)保利用率。只有堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展道路，機(jī)械制造企業(yè)才能在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中獲得更廣闊的發(fā)展空間。

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