機械設(shè)計中金屬材料的選擇及應(yīng)用研究

高 霞，徐 靜，劉瑞霞

（鄂爾多斯職業(yè)學院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

近年來隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對于機械制作行業(yè)也起到了良好的促進作用。在這一趨勢下對于機械設(shè)計工作也提出了更高的要求。金屬材料的選用作為機械設(shè)計中的重要內(nèi)容，但是目前我國機械材料市場還不夠完善，在機械設(shè)計過程中選用的金屬材料還會受到一定的限制，這也就需要相關(guān)設(shè)計人員能夠進行金屬材料的合理選擇，充分發(fā)揮出金屬材料的作用，促進機械設(shè)計質(zhì)量跟設(shè)計效果進一步提高。

1 機械設(shè)計中金屬材料選擇的基本原則

1.1 荷載的大小與性質(zhì)

荷載大小在機械設(shè)計中有著非常重要的意義，因此在金屬材料的選擇過程中，還需要對材料荷載的承受能力進行綜合性考慮，確保金屬材料的荷載性能能夠滿足機械設(shè)計需求。此外在金屬材料選擇過程中還要結(jié)合機械設(shè)計的具體需求，進行材料性質(zhì)的綜合性分析[1]。

1.2 零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度跟材料加工性能

在機械設(shè)計過程中，零件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜表明在制作過程中所采用的加工技術(shù)手段就越多。一般機械制造的加工手段包含有焊接、沖壓元件以及毛坯制造等等，這也就需要在結(jié)合了加工手段基礎(chǔ)上，對金屬材料的加工性能進行考慮。在機械設(shè)計中進行金屬材料選擇時，需要就金屬材料的沖壓性能、切削性能、焊接性能以及鑄造性能進行明確，隨后根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度對材料的加工性能進行明確。如果我們所選擇的金屬材料不符合機械零件的加工性能，則無法應(yīng)用到機械制造之中[2]。

1.3 零件的工作環(huán)境

不同工作環(huán)境下的零件，對于金屬材料的性能也存在有一定差異性，這也是機械設(shè)計中進行金屬材料選擇時所需要重點關(guān)注的問題。在金屬材料選擇時，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，因此機械設(shè)計中需要選用一些抗腐蝕能力比較強的金屬材料，這樣才能夠避免環(huán)境因素對于材料所造成的損害情況發(fā)生，保障機械產(chǎn)品的運行可靠性不會受到外界環(huán)境的影響。

1.4 零件的尺寸與質(zhì)量

機械設(shè)備生產(chǎn)過程中對于零件質(zhì)量與精度有著非常高的要求，為了保障零件制造能夠滿足機械設(shè)備的后續(xù)生產(chǎn)需求，還需要加強對金屬材料選擇工作的重視力度。如果所選擇的機械材料無法滿足零件加工精度與質(zhì)量的具體要求，也就不能應(yīng)用到機械設(shè)計過程中。

1.5 材料經(jīng)濟性

材料經(jīng)濟性會直接決定機械設(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械設(shè)備的實際上生產(chǎn)需求之外，還需要就材料的經(jīng)濟性進行綜合性考慮，做好材料設(shè)計中所有環(huán)節(jié)的成本計算，通過適當?shù)牟牧辖M合，降低機械設(shè)備的生產(chǎn)成本。因此設(shè)計人員還需要對材料市場有充分掌握，并在保障材料性能滿足機械設(shè)計基礎(chǔ)上，盡可能選擇一些經(jīng)濟性比較高的金屬材料，為機械制造企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。

1.6 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，因此在一些需要進行淬火處理的機械零件制作過程中，不得采用碳鋼素金屬材料進行材料制備。只有保障材料的適用性，才能夠滿足機械制作的設(shè)計需求，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。

2 機械設(shè)計中應(yīng)用的技術(shù)手段

2.1 調(diào)質(zhì)工藝與設(shè)計應(yīng)用分析

在傳統(tǒng)的機械材料加工處理過程中，后期零件的重量跟截面是無法得到改變的，也就容易導(dǎo)致機械設(shè)備出現(xiàn)體積或者重量增大的情況。通過熱處理的方式則能夠?qū)υ搯栴}起到良好的解決效果。通過熱處理方式能夠讓金屬材料的拉伸強度以及屈服度進一步提高，增強材料的可塑性以及零件的整體應(yīng)用性能。此外熱處理方法對機械零件的截面也能夠起到良好的優(yōu)化效果，在機械設(shè)計中有著重要的應(yīng)用價值。在機械設(shè)計過程中應(yīng)用調(diào)質(zhì)工藝時還需要做好以下幾個方面的工作內(nèi)容：①注明調(diào)質(zhì)：在進行金屬材料的熱處理時，如果只是單純進行熱處理，可以采用該方式。比如在調(diào)質(zhì)技術(shù)應(yīng)用中，通過正回火工藝大幅度提高材料硬度，但是設(shè)計人員還要注意正回火工藝會降低材料的沖擊強度，導(dǎo)致材料斷裂率提高，需要在結(jié)合實際設(shè)計需求進行制造工藝的合理選擇[3]。②明確調(diào)質(zhì)硬度范圍。在利用調(diào)質(zhì)技術(shù)進行金屬材料性能優(yōu)化時，需要對材料的硬度范圍進行明確，避免后續(xù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)超出標準范圍的情況發(fā)生，保障機械生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有序開展。③材料要求適應(yīng)性。在應(yīng)用調(diào)質(zhì)技術(shù)時，需要嚴格按照相關(guān)規(guī)范標準進行操作，并且要求材料性能以及操作流程能夠符合相關(guān)機械設(shè)計規(guī)范。

2.2 表面硬化技術(shù)與選材

機械設(shè)計材料需要后期進行再加工處理，比如通過表面硬化技術(shù)促進零件自身的耐磨性以及抗蝕性進一步提高。目前在機械設(shè)計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，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，隨后進行淬火處理，讓材料硬度進一步提高，最后通過低溫回火技術(shù)提高材料穩(wěn)定性。如果在機械設(shè)計中需要對金屬材料進行滲碳技術(shù)處理，在金屬材料選擇過程中要對零部件的尺寸、芯部強度進行明確，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，一般可以選擇20Crmnti。在結(jié)合實際需求進行滲碳程度的選擇。

在進行氮化處理過程中，常用的是45型號的氮化處理技術(shù)，并且具備有能夠顯著減少變形率的應(yīng)用優(yōu)勢[4]。在氮化爐中進行金屬材料性能的改善時，能夠直接省去后續(xù)的施工環(huán)節(jié)，促進加工處理質(zhì)量進一步提高，還能夠顯著避免再次處理過程中所耗費的時間與資源。針對部分有著特殊要求的機械零件，可以結(jié)合其他調(diào)質(zhì)技術(shù)，促進金屬材料的強度與耐磨性進一步提高。

3 機械設(shè)計中金屬材料的選擇策略

3.1 選擇低能耗的金屬材料

近年來隨著我國可持續(xù)戰(zhàn)略的推行，在機械材料設(shè)計過程中還需要進行節(jié)能理念的不斷滲透。除了保障金屬材料的性能標準能夠滿足機械制造需求外，還要符合綠色發(fā)展觀的具體需求，選擇一些污染交底以及能耗較少的材料。通過低能耗金屬材料的應(yīng)用，可以顯著減少機械加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物與廢氣，對于我國生態(tài)環(huán)境也能夠起到良好的保護效果。此外為了滿足我國環(huán)保制造理念的具體要求，可以選擇一些只需要進行冷軋或者熱軋就可以加工處理的金屬材料，這樣不僅可以顯著減少材料在加工過程中出現(xiàn)的事故發(fā)生率，還有著節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用優(yōu)勢。需要注意的是因為金屬材料自身性能存在有一定差異性，因此在具體熱處理施工過程中所采用的施工工藝也存在有一定差異性，為了有效減少金屬材料加工過程中導(dǎo)致的能耗，機械設(shè)計過程中還要盡量選擇一些加工工序比較少的金屬材料，借此在滿足了機械設(shè)備實際加工生產(chǎn)需求基礎(chǔ)上，減少金屬材料在加工過程中對于環(huán)境的污染以及能源損耗，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的協(xié)同發(fā)展，對于機械制造企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展也有著重要意義。

3.2 進行環(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的應(yīng)用優(yōu)勢，在機械設(shè)計過程中還能夠?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)濟上的有效節(jié)約，對于我國生態(tài)環(huán)境也有著一定的保護效果。在機械制作中所應(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，因為如果材料的種類比較多，還會導(dǎo)致廢棄回收難度進一步增加，導(dǎo)致材料浪費等問題發(fā)生。

3.3 選擇新型安全材料

近年來隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新型材料在機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，對于環(huán)境保護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的危害性，在后期加工過程中因為一系列的化學變化，還會導(dǎo)致有害氣體產(chǎn)生，對于接觸者與當?shù)丨h(huán)境也會造成嚴重損害。因此在機械設(shè)計過程中進行金屬材料的選擇時，還需要在滿足了機械設(shè)計要求基礎(chǔ)上，盡可能選擇新型材料來進行機械零件的制造工作，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，不僅對人體以及環(huán)境不會產(chǎn)生副作用，還有著可循環(huán)利用、適用性強的應(yīng)用優(yōu)勢，在高功率的機械電子設(shè)備中也能夠獲得良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

綜上所述，近年來隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，制造行業(yè)水平也得到了一定程度的提升，對于機械設(shè)備的要求跟需求量也得到了一定程度的增加。金屬材料作為機械設(shè)計工作中的重要內(nèi)容，金屬材料的選擇合理性在一定程度上會影響到機械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效益，這也就需要相關(guān)設(shè)計人員能夠加強對該方面工作的重視力度，遵循相關(guān)原則進行金屬材料的合理選擇，還要兼顧到機械設(shè)備制作過程中的經(jīng)濟效益跟生態(tài)效益，只有這樣才能夠獲得良好的機械設(shè)計效果，對于我國制作企業(yè)的發(fā)展也有著積極意義。