新型金属材料在机械制造中的运用探讨

陈虎啸

（宁波家联科技股份有限公司， 浙江 宁波 315200）

0 引言

机械制造行业在发展中务必提升机械设备产品的综合性能，以满足社会需求，运用新型金属材料就成为必然选择。新型金属材料作为国家科技发展的重大成果，和传统金属材料比起来安全性和稳定性更高， 性能也有显著提升。 所以， 运用新型金属材料对提升机械制造产品质量、节省生产制造成本、延长机械设备使用寿命等均有重要意义，从而使机械设备的综合性能更好，在社会生产中发挥更大的作用。

1 机械制造中新型金属材料运用简述

机械制造行业发展历史悠久，运行规范。随着新装备的涌现、新工艺的探索，机械制造正快速从高新技术中汲取营养成分， 从传统技术产业动向转向技术和科学并重的新型产业导向[1]。如今机械制造在社会经济发展中占据重要地位，新型金属材料被不断开发、运用，以传统材料为配件的机械制造在市场的存在感越来越弱， 运用新型金属材料使机械制造呈现出新的发展面貌。 新型金属材料强度高、协调性好，例如机械钢材中的高端特钢具备强度高、韧度高、磁感高、铁损低、抗低温以及耐高温、耐腐蚀、耐磨损、寿命长等特性，其品质优劣成为衡量钢铁生产实力强弱的重要指标之一。 在这之中，高速钢耐蚀钢、合金工模钢以及精密合金钢等特钢是机械制造行业最主要的钢类材料需求。

除了耗材的运用， 新型金属材料在机械零部件制造中的也发挥着关键性作用。 例如金属基复合材料，不仅力学上的强度高，疲劳强度和韧性等综合性能更强，意味着机械设备的稳定性更高、 使用寿命更长。 就拿内燃机来说，活塞和活塞环、缸壁长期在高温高压条件下摩擦，传统铝合金材质或者铸铁材质的活塞极易变形、 磨损或出现疲劳热裂现象， 运用金属基复合材料制造活塞能妥善解决这些问题。 特别是发动机功率较大时，可以运用增强铝镁合金所制活塞，提高耐磨性和耐热性，线膨胀系数也更低。

2 新型金属材料在机械制造中运用的基本要求

2.1 节能环保

企业在机械制造中运用新型金属材料时要贯彻可持续发展理念，尽量预防在生产加工环节产生大量废料、废气，减少资源浪费与环节污染。一些金属材料在进行热工艺处理之后可以提升性能，也会延长使用寿命，但有环境污染现象，消耗较多能源，需要企业避免使用大量需要热处理的金属材料。若金属材料不能避免热处理，应尽量运用处理工序更少的新型金属材料， 降低能耗及环境污染程度。

2.2 安全性高

传统金属材料在加工制造中可能出现有害物质，严重危害自然环境，在机械制造中要尽量少用。如果条件允许，可用新型金属材料直接取代传统材料。例如常见金属泡沫材料就是无毒无害材料，安全性高，污染环境的程度较低。而且金属材料市场有很多不被重视的新型材料，在机械制造中要充分调查市场情况， 做好新型金属材料的实验检测工作，得到性能数据，考虑性价比适合机械制造运用与否。 所以优先运用安全性高的新型金属材料也是企业在机械制造中需要重点满足的要求。

2.3 回收再生

运用合适的金属材料对于机械制造而言至关重要，应减少材料类型，尽量运用易降解的、能够回收和再生的新型金属材料，提高环境兼容性。机械设备在使用环节必然存在材料磨损问题，严重磨损的金属材料应报废，后续的回收则是重要因素， 若废弃金属材料不能被大比例回收，浪费资源的问题会日益严重。一些金属材料涉及到有害物质，如果不能回收，会对人的身体健康造成危害，在制造机械元件时就应保证金属零部件材料性能优良。 同时减少材料元素类型， 让新型金属材料被废弃回收之后能够二次利用。如果是金属和橡胶的混合制造，报废后的回收就难以将金属物质分离出来，降低二次利用率。

3 新型金属材料在机械制造中运用应把握的要点

3.1 形态

无论是以往的手工业时代制造手工艺品， 还是工业时代制造工业品， 均运用很多新型材料和工艺生产制造各类必需品， 当下涌现的新型金属材料更使机械制造飞速进步。在机械制造中运用新型金属材料时，应把握新型材料与工艺是怎样促进产品形态进步的。 例如可以任意弯曲变形的新型金属材料， 其运用能够解决当下机械制造的金属材料难题。 这类材料由美国纽约的一家企业使用ALGO 韵律技术所创建。 生物的基因是让大自然出现多种形态的因素，ALGO 韵律技术的原理与之类似，在新型金属材料加工中使用大量基因代码库， 生产任何形状的机械产品[2]。这类新型金属材料在机械制造中运用广泛，企业无需考虑曲面加工可行与否， 只需根据设计师的创意制造即可， 有机整合柔软度和硬度。 又如法国人通过AEGIS 工程研制了智能化的新型金属材料， 实现对先进技术与传统金属材料的整合，被称作十分坚硬的羊毛盾，不仅十分坚硬，还具备羊皮的柔软度。这样的特性由材料结构决定，通过微小传感器串联多个三角形金属片，形成一个整体，并按照外部条件的动作、温度、声音等变化而变化，可以与外界交互，能够产生任何有极形态，保证机械设备的设计和制造满足基本要求。

3.2 功能

如果根据新型金属材料的功能来划分， 可以将其分成结构材料、功能材料，通过把握材料的功能改善机械制造[3]。 结构材料是没有特殊功能，最明显的价值在于发挥结构的作用；功能材料不同，既有结构功能，又有特殊功能，例如能够减震、吸收声音、屏蔽电磁等，满足基本运用要求。 一旦在机械制造实践中运用功能特殊的新型金属材料，就会涌现大量新的机械产品，这些机械产品的功能也不一样。 例如运动器材企业Vya Tek 研制的新型金属材料Exo Grid， 其最显著的特性在于强度极高、 重量很轻，属于新型金属复合材料。 它的制造是先将传统的钢、钛等材料制作成管状结构，接下来利用先进加工工艺，如当下较为成熟的激光加工工艺，将毛坯表面处理成网状，大大减轻金属工件的重量， 然后基于高温高压条件在金属管里填充碳素纤维材料，再冷却即可。新型金属材料不同， 特性也不同，Exo Grid 是混合金属与碳纤维材料而得，运用于机械制造可以提高机械设备的强度和韧性，并提供弯曲扭转便利，减轻质量，前景光明。

3.3 色彩

除了形态和功能， 新型金属材料在机械制造中的运用还应充分把握其色彩特性。色彩依赖材料而存在，没了材料就不能将色彩现象表示出来。 新型金属材料在使用色彩以后可以将材料的质感衬托出来。 在机械制造的实践运用中主要涉及到人为色彩、固有色彩[4]。 新型金属材料中的金属不同，色彩自然有差异，很多金属色彩已经被大众所固化，例如金色的黄金、银色的白银等。 随着人们的生活质量越来越高，审美需求持续提升，传统金属材料的固有色彩难以满足， 需要在机械制造中按照实际需求运用新型金属材料，并做好色彩处理，突出美感。 例如利用物理、 化学或热处理的方式可以进行金属材料的人为色彩处理，形成表面色泽不同的镀层或膜层。虽然金属材料的固有颜色无法改变， 但机械制造行业利用不同工序做好金属材料的加工处理，能够改变材料的人为色彩，使机械产品的色彩富于变化。例如金属钛和其合金有点众多，主要包括化学性质十分稳定、比重很低、机械制造性高等，在机械制造中得到十分广泛的运用。 然而传统制造方式下的钛合金通常只有黑色和抛光的银色， 在制造机械时使用钛材料，可利用纳米表面工艺，在钛的表面形成薄薄的一层非晶体氧化层，得到颜色多样的钛合金。由此制造的机械设备色彩稳定，还有形状各异的曲面，体现艺术美感。

4 新型金属材料在机械制造中运用的主要方式

新型金属材料类型多样，如上所述，拥有特殊的色彩光泽和良好的延展性等。目前在机械制造实践中运用较多新型金属材料主要有高温合金和非晶态合金等，其加工特性通过锻压性与铸造性来展示，强化实践运用。 例如金属基复合材料，这是价值很高的新型金属材料之一，其制造和运用涉及到金属、物理、化学等学科，运用及发展空间较大。

针对铸造成型方式， 主要利用铸造工艺制造复合金属材料，进而制造机械设备零件。 在铸造中，熔体黏度因为加入增强颗粒而变化，例如增强颗粒和金属反应。在形状复杂机械零件的制造中使用砂型铸造方式。 对于颗粒增强材料的运用，为了预防化学反应的发生，需要控制熔化温度。 例如高温碳化硅颗粒使铝基复合材料增强界面反应，黏度增大，化学反应物生成不稳定，影响金属材料的性能。铝基复合材料的运用就应精炼铝溶液，通过精炼造渣方式将熔体杂质清除。

针对短纤维和颗粒增强金属复合材料， 还有镁基复合材料，都能采取挤压和超塑成型等方式，制造组织致密的机械零件。 在实践运用环节可选择用润滑剂进行表面涂层处理，降低25%左右的压力，达到改善摩擦的目的。 金属基体含有增强物，且变形阻力较大，增强颗粒坚硬会让模具磨损严重。加入颗粒则能提高基体金属的变形抗力，但挤压温度应适中。增强物含量还直接影响着挤压速度，如果金属基复合材料的增强物含量较少，挤压速度应较大。

针对晶须增强金属基复合材料，可通过粉末冶金方式来制造。 如果机械零件的形状比较简单，精密度较高，粉末冶金方式就是适用的，界面反应较少，能够做好对增强相含量的调节[5]。 例如增强铝合金基体的强度很高，在车辆机械制造中运用较多，包括自行车架和汽车的铝合金连杆等。

除开以上新型金属材料加工运用方式， 电化学加工也是金属基复合材料加工的常用方式， 其按照负极决定材料的切削形状，利用正极溶解进行材料切割，能够用某种离子电解质溶解液来完成。和传统放电加工方式相比，电化学加工在介电液流里浸入移动的电机线， 利用机械工件局部高温保证材料切削的实现， 不过要注意探索恰当的工艺参数来做好加工处理。 例如运用单个火花材料去除机制进行火花的研究，SiC 对SiC 颗粒造成干扰，复合材料和铝液脱落的SiC 颗粒未熔，形成重铸层。 在机械制造中运用增强铝基复合材料时， 不允许使用铝合金切割参数， 以免一些机械工件加工制造表面出现玻璃样粉末硬化的现象。

另外， 在机械零件制造环节可以使用其他新型金属材料。 每一个机械设备都是由各种各样的零件组装而来的， 在加工机械零件时要体现新型金属材料的优势、性能，提高零件质量，夯实机械制造的高质量发展基础[6]。随着科技不断进步，新型金属材料的运用日益广泛，科研人员持续研发新型金属材料，极大地提升机械零件的性能，例如精确度和质量更高， 充分体现零件的抗压性和经济性等优势。当前在机械制造行业制造冲压模具时，依旧将钢材作为主要材料，尽管钢材性价比高、可塑性好，但耐热差、强度差，已经不再适用于制造冲压模具。因此，对于机械冲压模具的制造务必要按照冲压模具的工作条件和设备性能要求选用恰当的材料。 例如冲裁模材料和冷挤压模材料、拉伸模材料等，凭借新型金属材料的优质性能在冲压模具制造中得到深入运用。 也就是用于制造机械冲压模具的新型金属材料要具备足够强的拉伸性、 抗压性，拥有强度高、耐高温的性能。

5 结束语

在机械制造产业变革以及科技革命不断深入的时代背景之下，新型材料和信息、能源、生物等高新技术加速融合，为生命健康与新能源、数字经济等战略新兴产业提供强有力的发展支撑。 目前国家已经把机械制造产业和新型材料摆在突出位置之上， 新型金属材料和新的科技创新成果越来越多， 企业在欣喜的同时要深刻意识到材料运用的重要性， 加强新型金属材料在机械制造中运用的实践探索，推动机械制造的高效化、质量化和智能化发展。 展望未来，在新型金属材料的可靠物质基础上，机械制造产业链和创新链必将更加可靠， 使机械制造和新材料、新技术深度融合，更好地服务社会。