新型金屬材料在機械制造中的運用探討

陳虎嘯

（寧波家聯(lián)科技股份有限公司， 浙江 寧波 315200）

0 引言

機械制造行業(yè)在發(fā)展中務(wù)必提升機械設(shè)備產(chǎn)品的綜合性能，以滿足社會需求，運用新型金屬材料就成為必然選擇。新型金屬材料作為國家科技發(fā)展的重大成果，和傳統(tǒng)金屬材料比起來安全性和穩(wěn)定性更高， 性能也有顯著提升。 所以， 運用新型金屬材料對提升機械制造產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省生產(chǎn)制造成本、延長機械設(shè)備使用壽命等均有重要意義，從而使機械設(shè)備的綜合性能更好，在社會生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

1 機械制造中新型金屬材料運用簡述

機械制造行業(yè)發(fā)展歷史悠久，運行規(guī)范。隨著新裝備的涌現(xiàn)、新工藝的探索，機械制造正快速從高新技術(shù)中汲取營養(yǎng)成分， 從傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)動向轉(zhuǎn)向技術(shù)和科學(xué)并重的新型產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向[1]。如今機械制造在社會經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位，新型金屬材料被不斷開發(fā)、運用，以傳統(tǒng)材料為配件的機械制造在市場的存在感越來越弱， 運用新型金屬材料使機械制造呈現(xiàn)出新的發(fā)展面貌。 新型金屬材料強度高、協(xié)調(diào)性好，例如機械鋼材中的高端特鋼具備強度高、韌度高、磁感高、鐵損低、抗低溫以及耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、壽命長等特性，其品質(zhì)優(yōu)劣成為衡量鋼鐵生產(chǎn)實力強弱的重要指標(biāo)之一。 在這之中，高速鋼耐蝕鋼、合金工模鋼以及精密合金鋼等特鋼是機械制造行業(yè)最主要的鋼類材料需求。

除了耗材的運用， 新型金屬材料在機械零部件制造中的也發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。 例如金屬基復(fù)合材料，不僅力學(xué)上的強度高，疲勞強度和韌性等綜合性能更強，意味著機械設(shè)備的穩(wěn)定性更高、 使用壽命更長。 就拿內(nèi)燃機來說，活塞和活塞環(huán)、缸壁長期在高溫高壓條件下摩擦，傳統(tǒng)鋁合金材質(zhì)或者鑄鐵材質(zhì)的活塞極易變形、 磨損或出現(xiàn)疲勞熱裂現(xiàn)象， 運用金屬基復(fù)合材料制造活塞能妥善解決這些問題。 特別是發(fā)動機功率較大時，可以運用增強鋁鎂合金所制活塞，提高耐磨性和耐熱性，線膨脹系數(shù)也更低。

2 新型金屬材料在機械制造中運用的基本要求

2.1 節(jié)能環(huán)保

企業(yè)在機械制造中運用新型金屬材料時要貫徹可持續(xù)發(fā)展理念，盡量預(yù)防在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量廢料、廢氣，減少資源浪費與環(huán)節(jié)污染。一些金屬材料在進(jìn)行熱工藝處理之后可以提升性能，也會延長使用壽命，但有環(huán)境污染現(xiàn)象，消耗較多能源，需要企業(yè)避免使用大量需要熱處理的金屬材料。若金屬材料不能避免熱處理，應(yīng)盡量運用處理工序更少的新型金屬材料， 降低能耗及環(huán)境污染程度。

2.2 安全性高

傳統(tǒng)金屬材料在加工制造中可能出現(xiàn)有害物質(zhì)，嚴(yán)重危害自然環(huán)境，在機械制造中要盡量少用。如果條件允許，可用新型金屬材料直接取代傳統(tǒng)材料。例如常見金屬泡沫材料就是無毒無害材料，安全性高，污染環(huán)境的程度較低。而且金屬材料市場有很多不被重視的新型材料，在機械制造中要充分調(diào)查市場情況， 做好新型金屬材料的實驗檢測工作，得到性能數(shù)據(jù)，考慮性價比適合機械制造運用與否。 所以優(yōu)先運用安全性高的新型金屬材料也是企業(yè)在機械制造中需要重點滿足的要求。

2.3 回收再生

運用合適的金屬材料對于機械制造而言至關(guān)重要，應(yīng)減少材料類型，盡量運用易降解的、能夠回收和再生的新型金屬材料，提高環(huán)境兼容性。機械設(shè)備在使用環(huán)節(jié)必然存在材料磨損問題，嚴(yán)重磨損的金屬材料應(yīng)報廢，后續(xù)的回收則是重要因素， 若廢棄金屬材料不能被大比例回收，浪費資源的問題會日益嚴(yán)重。一些金屬材料涉及到有害物質(zhì)，如果不能回收，會對人的身體健康造成危害，在制造機械元件時就應(yīng)保證金屬零部件材料性能優(yōu)良。 同時減少材料元素類型， 讓新型金屬材料被廢棄回收之后能夠二次利用。如果是金屬和橡膠的混合制造，報廢后的回收就難以將金屬物質(zhì)分離出來，降低二次利用率。

3 新型金屬材料在機械制造中運用應(yīng)把握的要點

3.1 形態(tài)

無論是以往的手工業(yè)時代制造手工藝品， 還是工業(yè)時代制造工業(yè)品， 均運用很多新型材料和工藝生產(chǎn)制造各類必需品， 當(dāng)下涌現(xiàn)的新型金屬材料更使機械制造飛速進(jìn)步。在機械制造中運用新型金屬材料時，應(yīng)把握新型材料與工藝是怎樣促進(jìn)產(chǎn)品形態(tài)進(jìn)步的。 例如可以任意彎曲變形的新型金屬材料， 其運用能夠解決當(dāng)下機械制造的金屬材料難題。 這類材料由美國紐約的一家企業(yè)使用ALGO 韻律技術(shù)所創(chuàng)建。 生物的基因是讓大自然出現(xiàn)多種形態(tài)的因素，ALGO 韻律技術(shù)的原理與之類似，在新型金屬材料加工中使用大量基因代碼庫， 生產(chǎn)任何形狀的機械產(chǎn)品[2]。這類新型金屬材料在機械制造中運用廣泛，企業(yè)無需考慮曲面加工可行與否， 只需根據(jù)設(shè)計師的創(chuàng)意制造即可， 有機整合柔軟度和硬度。 又如法國人通過AEGIS 工程研制了智能化的新型金屬材料， 實現(xiàn)對先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)金屬材料的整合，被稱作十分堅硬的羊毛盾，不僅十分堅硬，還具備羊皮的柔軟度。這樣的特性由材料結(jié)構(gòu)決定，通過微小傳感器串聯(lián)多個三角形金屬片，形成一個整體，并按照外部條件的動作、溫度、聲音等變化而變化，可以與外界交互，能夠產(chǎn)生任何有極形態(tài)，保證機械設(shè)備的設(shè)計和制造滿足基本要求。

3.2 功能

如果根據(jù)新型金屬材料的功能來劃分， 可以將其分成結(jié)構(gòu)材料、功能材料，通過把握材料的功能改善機械制造[3]。 結(jié)構(gòu)材料是沒有特殊功能，最明顯的價值在于發(fā)揮結(jié)構(gòu)的作用；功能材料不同，既有結(jié)構(gòu)功能，又有特殊功能，例如能夠減震、吸收聲音、屏蔽電磁等，滿足基本運用要求。 一旦在機械制造實踐中運用功能特殊的新型金屬材料，就會涌現(xiàn)大量新的機械產(chǎn)品，這些機械產(chǎn)品的功能也不一樣。 例如運動器材企業(yè)Vya Tek 研制的新型金屬材料Exo Grid， 其最顯著的特性在于強度極高、 重量很輕，屬于新型金屬復(fù)合材料。 它的制造是先將傳統(tǒng)的鋼、鈦等材料制作成管狀結(jié)構(gòu)，接下來利用先進(jìn)加工工藝，如當(dāng)下較為成熟的激光加工工藝，將毛坯表面處理成網(wǎng)狀，大大減輕金屬工件的重量， 然后基于高溫高壓條件在金屬管里填充碳素纖維材料，再冷卻即可。新型金屬材料不同， 特性也不同，Exo Grid 是混合金屬與碳纖維材料而得，運用于機械制造可以提高機械設(shè)備的強度和韌性，并提供彎曲扭轉(zhuǎn)便利，減輕質(zhì)量，前景光明。

3.3 色彩

除了形態(tài)和功能， 新型金屬材料在機械制造中的運用還應(yīng)充分把握其色彩特性。色彩依賴材料而存在，沒了材料就不能將色彩現(xiàn)象表示出來。 新型金屬材料在使用色彩以后可以將材料的質(zhì)感襯托出來。 在機械制造的實踐運用中主要涉及到人為色彩、固有色彩[4]。 新型金屬材料中的金屬不同，色彩自然有差異，很多金屬色彩已經(jīng)被大眾所固化，例如金色的黃金、銀色的白銀等。 隨著人們的生活質(zhì)量越來越高，審美需求持續(xù)提升，傳統(tǒng)金屬材料的固有色彩難以滿足， 需要在機械制造中按照實際需求運用新型金屬材料，并做好色彩處理，突出美感。 例如利用物理、 化學(xué)或熱處理的方式可以進(jìn)行金屬材料的人為色彩處理，形成表面色澤不同的鍍層或膜層。雖然金屬材料的固有顏色無法改變， 但機械制造行業(yè)利用不同工序做好金屬材料的加工處理，能夠改變材料的人為色彩，使機械產(chǎn)品的色彩富于變化。例如金屬鈦和其合金有點眾多，主要包括化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定、比重很低、機械制造性高等，在機械制造中得到十分廣泛的運用。 然而傳統(tǒng)制造方式下的鈦合金通常只有黑色和拋光的銀色， 在制造機械時使用鈦材料，可利用納米表面工藝，在鈦的表面形成薄薄的一層非晶體氧化層，得到顏色多樣的鈦合金。由此制造的機械設(shè)備色彩穩(wěn)定，還有形狀各異的曲面，體現(xiàn)藝術(shù)美感。

4 新型金屬材料在機械制造中運用的主要方式

新型金屬材料類型多樣，如上所述，擁有特殊的色彩光澤和良好的延展性等。目前在機械制造實踐中運用較多新型金屬材料主要有高溫合金和非晶態(tài)合金等，其加工特性通過鍛壓性與鑄造性來展示，強化實踐運用。 例如金屬基復(fù)合材料，這是價值很高的新型金屬材料之一，其制造和運用涉及到金屬、物理、化學(xué)等學(xué)科，運用及發(fā)展空間較大。

針對鑄造成型方式， 主要利用鑄造工藝制造復(fù)合金屬材料，進(jìn)而制造機械設(shè)備零件。 在鑄造中，熔體黏度因為加入增強顆粒而變化，例如增強顆粒和金屬反應(yīng)。在形狀復(fù)雜機械零件的制造中使用砂型鑄造方式。 對于顆粒增強材料的運用，為了預(yù)防化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，需要控制熔化溫度。 例如高溫碳化硅顆粒使鋁基復(fù)合材料增強界面反應(yīng)，黏度增大，化學(xué)反應(yīng)物生成不穩(wěn)定，影響金屬材料的性能。鋁基復(fù)合材料的運用就應(yīng)精煉鋁溶液，通過精煉造渣方式將熔體雜質(zhì)清除。

針對短纖維和顆粒增強金屬復(fù)合材料， 還有鎂基復(fù)合材料，都能采取擠壓和超塑成型等方式，制造組織致密的機械零件。 在實踐運用環(huán)節(jié)可選擇用潤滑劑進(jìn)行表面涂層處理，降低25%左右的壓力，達(dá)到改善摩擦的目的。 金屬基體含有增強物，且變形阻力較大，增強顆粒堅硬會讓模具磨損嚴(yán)重。加入顆粒則能提高基體金屬的變形抗力，但擠壓溫度應(yīng)適中。增強物含量還直接影響著擠壓速度，如果金屬基復(fù)合材料的增強物含量較少，擠壓速度應(yīng)較大。

針對晶須增強金屬基復(fù)合材料，可通過粉末冶金方式來制造。 如果機械零件的形狀比較簡單，精密度較高，粉末冶金方式就是適用的，界面反應(yīng)較少，能夠做好對增強相含量的調(diào)節(jié)[5]。 例如增強鋁合金基體的強度很高，在車輛機械制造中運用較多，包括自行車架和汽車的鋁合金連桿等。

除開以上新型金屬材料加工運用方式， 電化學(xué)加工也是金屬基復(fù)合材料加工的常用方式， 其按照負(fù)極決定材料的切削形狀，利用正極溶解進(jìn)行材料切割，能夠用某種離子電解質(zhì)溶解液來完成。和傳統(tǒng)放電加工方式相比，電化學(xué)加工在介電液流里浸入移動的電機線， 利用機械工件局部高溫保證材料切削的實現(xiàn)， 不過要注意探索恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)來做好加工處理。 例如運用單個火花材料去除機制進(jìn)行火花的研究，SiC 對SiC 顆粒造成干擾，復(fù)合材料和鋁液脫落的SiC 顆粒未熔，形成重鑄層。 在機械制造中運用增強鋁基復(fù)合材料時， 不允許使用鋁合金切割參數(shù)， 以免一些機械工件加工制造表面出現(xiàn)玻璃樣粉末硬化的現(xiàn)象。

另外， 在機械零件制造環(huán)節(jié)可以使用其他新型金屬材料。 每一個機械設(shè)備都是由各種各樣的零件組裝而來的， 在加工機械零件時要體現(xiàn)新型金屬材料的優(yōu)勢、性能，提高零件質(zhì)量，夯實機械制造的高質(zhì)量發(fā)展基礎(chǔ)[6]。隨著科技不斷進(jìn)步，新型金屬材料的運用日益廣泛，科研人員持續(xù)研發(fā)新型金屬材料，極大地提升機械零件的性能，例如精確度和質(zhì)量更高， 充分體現(xiàn)零件的抗壓性和經(jīng)濟性等優(yōu)勢。當(dāng)前在機械制造行業(yè)制造沖壓模具時，依舊將鋼材作為主要材料，盡管鋼材性價比高、可塑性好，但耐熱差、強度差，已經(jīng)不再適用于制造沖壓模具。因此，對于機械沖壓模具的制造務(wù)必要按照沖壓模具的工作條件和設(shè)備性能要求選用恰當(dāng)?shù)牟牧稀?例如沖裁模材料和冷擠壓模材料、拉伸模材料等，憑借新型金屬材料的優(yōu)質(zhì)性能在沖壓模具制造中得到深入運用。 也就是用于制造機械沖壓模具的新型金屬材料要具備足夠強的拉伸性、 抗壓性，擁有強度高、耐高溫的性能。

5 結(jié)束語

在機械制造產(chǎn)業(yè)變革以及科技革命不斷深入的時代背景之下，新型材料和信息、能源、生物等高新技術(shù)加速融合，為生命健康與新能源、數(shù)字經(jīng)濟等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)提供強有力的發(fā)展支撐。 目前國家已經(jīng)把機械制造產(chǎn)業(yè)和新型材料擺在突出位置之上， 新型金屬材料和新的科技創(chuàng)新成果越來越多， 企業(yè)在欣喜的同時要深刻意識到材料運用的重要性， 加強新型金屬材料在機械制造中運用的實踐探索，推動機械制造的高效化、質(zhì)量化和智能化發(fā)展。 展望未來，在新型金屬材料的可靠物質(zhì)基礎(chǔ)上，機械制造產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈必將更加可靠， 使機械制造和新材料、新技術(shù)深度融合，更好地服務(wù)社會。