机械工程中节材的几条途径

索世磊

摘要： 近年来，虽然我国工程机械工业得到了快速发展，但由于机械工程中耗材严重，与经济和社会可持续发展相矛盾。本文通过对机械工程中耗材现状的分析，提出了节材的途径，并对以后的发展前景进行了展望。

关键词： 机械工程材料消耗节材途径

进入21世纪，我国经济进入了突飞猛进的发展期，作为经济发展重要基石的机械工业也随之取得了飞速发展。然而，在取得成绩的同时，还应该看到，我们付出了高额的能源代价，能源短缺已成为我国经济社会发展的致命瓶颈。我国GDP占全世界的4%，而能源消耗却占到了10%，已成为世界第二大能源消耗国。为维持经济和社会的可持续发展，我们必须节约资源消耗，在机械工程中节材是社会可持续发展的必然要求。

一、机械工程中材料消耗的现状

（一）在机械产品成本中，原材料费用过高。

根据国家有关部门对机械系统近万个企业进行的统计结果表明：每年消耗钢材1000万吨，占全国的15%—20%。原材料费用平均占机械产品成本的60%以上。

（二）钢材利用率低。

据统计，我国机械工业钢材利用率权为60%左右，与发达国家相比，有10%—15%的差距。每提高一个百分点就意味着可节约10万吨钢材。我国机械工业的铸、锻件综合废品率偏高，造成原材料和能源的浪费，有人调查过部分企业，铸铁件废品率为12%—14%，铸钢件废品率为10%—11%，有些厂甚至高达20%，而国外一般低于5%。另外我国重要的基础件的寿命短，如模具仅为发达国家的1/3。与国家有关机械系统节约材料技术政策中的要求相差甚远。

二、机械工程中节材的途径

机械工业节约材料的重点是钢材等金属材料，同时也要注意节约其他原材料。从技术经济角度来看，机械工业节材必须考虑以下四个方面：降低产品的材料消耗；减少制造过程中的材料消耗量；提高产品质量；延长产品规定的服役期间。

（一）采用先进技术，提高利用率。

采用先进制造技术，提高铸件精度，推广精密性成形技术，在金属件生产中扩大中精锻件比例，使模锻、精锻件比例提高60%以上；继续推行集中下料、科学套材、改进下料工艺和装备，推广各种精密，自动、数控编排的切割技术，采用带锯床、中温剪切等下料新设备；大力采用先进焊接技术，减少焊条用量；采用先进的热处理技术，提高零部件寿命；推广可控气氛，少、无氧化热处理工艺和锻造用保护气氛加热工艺和装备，减少金属氧化损失；采用材料表面处理技术，提高材料表面性能，实现节材低耗；对于关键基础体（轴承、齿轮、弹簧、液压气动元件、模具等），扩大采用精炼钢和脱氧钢，以及行之有效的热处理和表面热处理新技术，显著延长其使用寿命。如上海某公司采用切削活塞，其材料利用率为43.5%，改用冷挤压后可达92%。某大型轴承厂采用高速镦锻生产线，使直径在50mm以下的套圈材料利用率从9.9%提高到42%，一年节钢1800吨。

（二）采用先进的防腐蚀技术，延长设备的使用寿命。

在国民经济中不论哪个部门都毫无例外地存在着腐蚀问题。腐蚀给人们造成的危害是很大的，它一方面造成设备、零件等材料的直接损失，另一方面还造成影响正常生产，恶化操作环境，影响产品质量，新工艺不能上马，设计保守，以及发生人身安全事故等一系列重大的损失。据有关资料介绍，估计全世界每年腐蚀损失100亿英镑（折合人民币约590.8亿元）。全世界每年金属的腐蚀损失约为全年总产量的20%，也就是说全世界每年约有1亿吨金属因腐蚀而损失掉。由此可见，腐蚀是自然界的浪费之一。因此，防腐蚀也是机械工程中节材的又一重大技术课题。随着科学技术的飞速发展，新的防腐蚀材料和方法的不断涌现，防腐蚀技术也在不断提高。例如：我军装备维修表面工程研究中心在海军猎潜艇上推广新型电弧喷涂防腐技术，可使猎潜艇钢结构的防腐寿命从5年延长到15年。

（三）扩大应用新材料，改善用材结构。

扩大应用新材料，改善用材结构，提高用材水平，积极推广各种高强度低合金钢、冷成形钢、冷拔钢管等高效钢，使用切削钢、新型模具钢、感应淬火钢等节能节材新材料；扩大硬质合金材料的使用，以及节约高速钢和模具钢等，扩大粉末冶金材料在汽车、拖拉机和家用电器等方面的应用；在汽车、农机和交通运输设备中，开发应用工程塑料和复合材料。比如用高强度低合金钢代替普通碳钢制作一般承载构件，重量可以减轻10%—30%的。

（四）提高产品设计水平，充分发挥材料潜力。

提高产品设计水平，充分发挥材料潜力，降低材料消耗以轻量化为目标，大力推广计算机辅助设计，优化设计，有限寿命设计、防腐蚀设计和价值工程方法，使产品既可靠安全又结构紧凑，用材合理；适当提高材料使用强度等级，充分发挥材料性能潜力，降低材料消耗。如对EQ-140汽车桥壳进行疲劳研究和优化设计后，每台减少5千克，新设计的经济型数控车床与普通塔车床相比，采用数控伺服机构后，省去刀架和溜板等，零件数目减少2/5。

（五）大力推广再制造工程的研究及应用。

再制造工程是正在发展中的一个新兴研究领域和新兴产业，在国外也仅有十几年的历史，国内有许多单位正在进行再制造领域的研究。全军装备维修表面工程研究中心、西安交通大学等单位使用表面工程技术进行设备零部件的再制造研究和应用；装甲兵工程学院、空军第一研究所、空军工程大学和海军工程大学对装甲车辆、军用飞机，舰艇的延寿作了大量的试验和研究工作。20世纪90年代初以来，国内的一些部门对修复热处理已经做了尝试工作，如对长期服役过的发电设备上的某些重要零件进行修复热处理。应用等离子喷涂技术对重载坦克车辆零件进行再制造修复和强化，实车考核证明用再制造技术修复和强化的零部件比新品的相对耐磨性提高1.9—8.3倍，寿命提高2—3倍。对首钢从比利时购进的二手连铸设备中的三百多件大型轴承座和轧辊，经再制造修复后，已使用数年。目前一些单位已经开始了汽车、计算机、空调、电冰箱、摩托车等产品零部件再制造的研究工作。再制造工程技术不仅能恢复原产品的技术性能，而且能及时引进新技术、新工艺和新材料，改进提高产品的技术性能和可靠性，从而延长产品的使用寿命。再制造产品的费用仅为新品价格40%—60%，达到废物利用，变废为宝的目的，为降低材料消耗，节约原材料开辟了一条新的途径。

三、对节材途径的展望

（一）面临进入WTO新技术发展的机遇和挑战，发展再制造业是应付这种挑战的一种有效手段，使用再制造产品将再制造业降低成本，节约资源，减少污染。

（二）将节约原材料贯穿于原材料生产、产品设计制造及使用的全过程，其中在制造过程中节材是潜力最大、最易见效的一个环节。因此要大力开发和使用先进技术、工艺和装备，大幅度提高国产技术装备水平，加速传统产业技术升级。

（三）基于以上论述，我建议在上世纪90年代出台的有关节约材料技术政策的基础上，力争在行业平均钢材利用率达80%，铸造综合体废品率下降5%以下，重点骨干企业下降到3%以下，并将关键基础件的平均使用寿命延长到30%以上。

四、结语

随着现代工业的发展，资源、能源及环境保护的问题日益突出。因此，材料的工程应用必须对之有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富，顾及国内的资源及市场供给情况，并应尽量选用生产过程耗能低的材料。节材与节能的结果必然减少了环境的污染，有利于保护生态环境。从人类可持续发展的战略高度出发，节约原材料，代用稀缺物资应是现代机械制造工程必须继续探讨的重要内容之一。

参考文献：

［1］翁世修，吴振华.机械制造基础.上海交大出版社，2009.

［2］李柱国.机械设计与理论.科学出版社，2010.