新型金屬材料成型加工技術(shù)分析

段衍超

（山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

新型金屬材料的類型有很多，比如，金屬基復(fù)合材料MMCs、連續(xù)晶須復(fù)合材料、增強顆粒的金屬基復(fù)合材料TiC、SiC、B4C 等。這新型金屬材料一經(jīng)開發(fā)就被廣泛的應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域中，其中以工程建設(shè)領(lǐng)域為主。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的機械構(gòu)件也有新型金屬材料的身影，其價值在社會生產(chǎn)中被充分開發(fā)出來。不同類型的金屬材料所采用的成型加工技術(shù)有很大區(qū)別，常見的有鑄造成型法、擠壓鍛模塑性成型法、粉末冶金法、機械加工法等，這些技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)相對成熟，都有各自的功能與特點，當(dāng)然也有很大優(yōu)化空間，相關(guān)行業(yè)人員需要繼續(xù)探索新型金屬材料成型加工技術(shù)，開創(chuàng)新的技術(shù)類型，使用新的加工設(shè)備進一步提高加工效率以及加工質(zhì)量。

1 新型金屬材料的特性

1.1 新型金屬材料的固有特性

雖然目前新型金屬材料的種類多種多樣，但大多數(shù)都屬于合金，因此，新型金屬材料的固有特性主要為延展性、化學(xué)性以及特有的光澤和色彩，也正因為新型金屬材料具有較強的延展性，所以被廣泛應(yīng)用在建筑領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。目前，應(yīng)用頻率比較高的新型金屬材料主要有記憶合金、高溫合金、貯氫合金以及非晶態(tài)合金等。

1.2 新型金屬材料的加工特性

新型金屬材料的可焊接能力、鍛壓效果以及鑄造性能都比較優(yōu)秀。其中焊接性代表著新型金屬材料在焊接方面與普通金屬材料并無太大區(qū)別，都可以通過焊接的方式將新型金屬材料焊接成想要的形狀。與普通金屬材料不同的是，新型金屬材料的焊接性要優(yōu)于普通金屬材料，在焊接工作完成后，新型金屬材料沒有氣孔以及裂縫，更具安全性和穩(wěn)定性。鍛壓性指的是新型金屬材料在鍛壓的過程中可以承受塑性變形，也就是工作人員可以通過鍛壓工藝將新型金屬材料鍛壓成目標設(shè)備，但值得注意的是，雖然新型金屬材料可以有效緩解沖壓，但是該材料的鍛壓性會受到加工條件的影響而產(chǎn)生變化。鑄造性指的是新型金屬材料與普通金屬材料同樣具備收縮能力、流動能力，同時還帶有一定的裂紋敏感特點。通過分析新型金屬材料的加工特性可以發(fā)現(xiàn)，雖然新型金屬材料具備諸多優(yōu)點，可以滿足很多行業(yè)的需要，但是新型金屬材料畢竟屬于合金一類，所以在加工處理的過程中還是有很大難度，對加工人員的技術(shù)能力要求較高。

2 新型金屬材料成型加工的原則

2.1 新型金屬材料成型加工的基礎(chǔ)原則

新型金屬材料因為具備良好的耐磨特性，加上自身硬度較高，所以常被用在工程施工行業(yè)中，或者企業(yè)產(chǎn)品制造中，因為新型金屬材料可以滿足建筑工程或者產(chǎn)品的質(zhì)量要求。也正因為新型金屬材料具備諸多性能，所以在加工新型金屬材料時有很多注意事項，不同領(lǐng)域在應(yīng)用新型金屬材料時需要采用不同的加工技術(shù)，比如，部分特殊的金屬復(fù)合金屬材料只有通過金屬基復(fù)合材料的纖維性來增強，才能實現(xiàn)新型金屬材料成型加工。由此可見，無論是在鍛造、焊接過程中還是在鑄造過程中，相關(guān)單位都需要掌握正確的加工技術(shù)，確保新型金屬材料能夠符合加工需求。在金屬材料加工領(lǐng)域中有很多常見的加工技術(shù)，包括但不限于擠壓、鍛造等。通過多次實驗以及實踐分析可以得知，新型金屬材料成型加工過程需要做到謹慎、認真，盡量避免出現(xiàn)失誤或者紕漏，防止影響新型金屬材料成型。同時，加工人員自身也要具備充足的知識以及經(jīng)驗，在成型加工的過程中憑借自身經(jīng)驗完成加工工作。

2.2 新型金屬材料成型加工的選材原則

在金屬復(fù)合材料中添加增強物質(zhì)，可以讓復(fù)合材料強度變高、耐磨性更好，但是，在添加完增強物質(zhì)后，新型金屬材料成型加工工作也會變得更加困難，尤其是在二次加工階段，加工過程需要加工人員嚴加看管。在新型金屬材料成型加工前，加工人員需要根據(jù)工程要求和企業(yè)要求來選擇不同種類的新型金屬材料。常見的有高強度鋼指的是強度大于785MPa 的鋼材，這類鋼材重量輕、質(zhì)量好，常被用于汽車制造行業(yè)、航空領(lǐng)域、軸承制造以及吊橋建設(shè)等方面，同時，它還具有成本低的優(yōu)點，所以深受各大企業(yè)的喜愛；鈦合金：鈦合金具備密度低、強度高的特點，同樣在航空、汽車領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用；鎂合金：鎂合金相對前兩種新型金屬材料，新增了綠色環(huán)保、導(dǎo)熱性強、阻尼性好、良好的抗震性能等優(yōu)點，因此常被用于電子領(lǐng)域以及交通運輸領(lǐng)域。

3 新型金屬材料成型加工技術(shù)

3.1 鑄造成型法

鑄造成型法不僅可以用于加工新型金屬材料，也可以用來加工普通金屬材料或者其他材料，在新型金屬材料被研發(fā)出來以前，鑄造成型法就是其他材料的主要成型加工技術(shù)。因此，新型金屬材料成型加工所使用的鑄造成型法主要借鑒了原有的、成熟的鑄造工藝，可以穩(wěn)定實現(xiàn)新型金屬材料的二次加工。唯一不同的是，新型金屬材料所使用的鑄造成型法是升級版，因為不同材料的黏度、流動性有很大差別，會隨著增強顆粒的加入而發(fā)生不同的變化，在高溫條件下還會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。針對這一問題，加工人員經(jīng)常使用砂型鑄造、壓鑄、熔模鑄造、金屬型鑄造等方式來處理。在處理增強物與液態(tài)金屬之間發(fā)生的反應(yīng)時，最好的處理方法是嚴格控制融合溫度以及保溫時間，這對加工人員的能力有較高要求?，F(xiàn)階段，鑄造成型法大多通過機器造型的方法來完成加工，機器造型所涉及的加工方法有緊砂法、拋砂、起模、特種鑄件等。緊砂指的是加工人員多次使用充滿型砂的砂箱，氣缸等抬起幾十毫米后自由下落撞擊壓實氣缸，利用慣性將砂體變得緊實，至于上方無法壓緊的砂體則采用工具壓實。這種方法所用機械結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉較應(yīng)用普遍，但是噪聲太大，質(zhì)量以及效率等諸多方面還有待優(yōu)化，所以目前并沒有廣泛流行。拋砂主要是利用離心力，速度大概控制在30 ～60m/s，以此來保證型砂可以被拋到箱中。拋砂工序的一大優(yōu)點是可以同時完成鎮(zhèn)砂和緊實兩道工序，同時還具有生產(chǎn)效率高、型砂緊實密度均勻的特點，常被用于生產(chǎn)大型或者中型鑄型或者大型芯。

3.2 擠壓、模鍛塑性成型法

擠壓、模鍛塑性成型法常被用于制造短纖維、晶須、顆粒增強金屬基復(fù)合材料，尤其是顆粒增強鋁基和鎂基復(fù)合材料。在擠壓、模鍛塑性成型法使用過程中，工作人員常常會選擇在擠壓鍛造過程中加入潤滑劑，這種方式可以有效降低摩擦力，壓力降低效果十分顯著，一般在25%～35%。除了加入潤滑劑外，工作人員還會采用提高溫度的方式來確保加工材料的塑性符合要求。這種工作方法主要是利用了熱脹冷縮的原理。后來，經(jīng)過不斷實驗，工作人員發(fā)現(xiàn)也可以在提高溫度的同時不斷加入顆粒狀物質(zhì)，以此來降低材料塑性以及變形抗力，該種方法也有顯著效果。但值得注意的是無論是提高溫度還是加入顆粒物質(zhì)，都要注意溫度上限以及添加物的添加上限，不宜過多，防止出現(xiàn)過燒現(xiàn)象以及橫向裂紋。精密擠壓技術(shù)是目前廣為流行的加工技術(shù)，因為其具有精度高、質(zhì)量好的優(yōu)點，所以廣受企業(yè)歡迎，也正因為這一特性，精密擠壓技術(shù)對工作人員的能力要求較高。

3.3 電切割法

電切割法是一種利用電能將新型金屬材料切割成特定形狀和尺寸的方法。這種方法主要在新型金屬材料成型加工過程中使用，根據(jù)材料的具體形狀決定運用何種切割狀況。電切割法的原理是利用電動切割機產(chǎn)生的高溫火焰，將材料中的水分蒸發(fā)，從而使材料軟化，實現(xiàn)切割。電切割法的優(yōu)點是可以實現(xiàn)精細切割，切割效率高，切割時間短。材料組織在切割時會受到摩擦力的影響產(chǎn)生大量殘存物和粉末狀纖維，這些物質(zhì)可能會導(dǎo)致加工工序出現(xiàn)問題，所以工作人員需要時刻清洗設(shè)備，避免這些物質(zhì)進入空洞中。電切割法之所以受到廣泛關(guān)注，是因為電切割法可以將所有電流液深入電極線內(nèi)部，通過液體的局部壓力不斷沖刷，從而讓加工效果變得更為精準。經(jīng)過多次SiC/AI 復(fù)合材料實驗，人們可以發(fā)現(xiàn)，放電痕大于鋼的SiC/AI 會干擾放電的SiC 顆粒，鋁液會被沖走形成重鑄層。雖然電切割法在加工新型金屬材料時有顯著效果，但是仍有不足，比如，增強鋁基復(fù)合材料的工藝就不能使用鋁合金的電切割參數(shù)，因為二者材料在粗糙度上以及切割速度上有很大不足，尤其是鋁合金的電切割表面會形成玻璃樣粉狀硬化，而增強鋁基復(fù)合材料則不會。

3.4 焊接法

焊接法是新型金屬材料加工工藝中最為常用的一種方法，大到航天飛行器構(gòu)件，小到自行車都有焊接法的存在，其應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用效果良好，并且加工速度能夠滿足預(yù)期標準。在焊接新型金屬材料的過程中，增加增強物會導(dǎo)致焊接熔池的黏度和流動性受到一定影響，會發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，主要作用于增強物和基體金屬之間，這種情況會導(dǎo)致焊接速度變慢。常用的焊接優(yōu)化方法有TIG 焊接技術(shù)、激光焊接等。TIG 焊接技術(shù)：這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于薄板焊接，特別適用于鋁合金材料的焊接。TIG 焊接具有適用面廣、焊接過程穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好、適于薄板焊接、焊接過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。主要應(yīng)用于焊接薄的和中等厚度的鋁材料工件。激光焊接：激光焊接利用激光輻射加熱待加工表面，使工件熔化，形成特定的熔池。激光焊接可以采用連續(xù)或脈沖激光束加以實現(xiàn)，其原理可分為熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接。激光焊接技術(shù)在汽車、輪船、飛機、高鐵等高精制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。除上述方法外，還有等離子弧焊、電子束焊、釬焊、超聲波焊等焊接方法。不同焊接方法有各自的特點和適用范圍，應(yīng)根據(jù)材料性質(zhì)、工件厚度、使用要求等因素進行選擇。最早用于新型金屬基復(fù)合材料焊接的方法為熔化焊，也就是使用噴槍或者其他工具對目標金屬進行熱處理，等到達金屬熔點后利用金屬自身的可塑性來實現(xiàn)二次加工，加工成想要的形狀后自然冷卻即可。還有一種方式是擴散焊，指的是將兩根焊件結(jié)合到一起，在真空環(huán)境下保存一段時間，讓焊件的接觸面發(fā)生塑性變形，利用原子擴散的原理將兩個焊件結(jié)合到一起。

3.5 粉末冶金技術(shù)

粉末冶金技術(shù)也是一種廣受歡迎的新型金屬材料加工技術(shù)，該技術(shù)主要是通過制取金屬粉末，然后通過燒結(jié)的方式完成加工，其中金屬粉末作為原料發(fā)揮了重要作用。隨著粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，粉末冶金技術(shù)的操作方式也發(fā)生了一些變化，金屬粉末以及非金屬粉末的混合物也可以作為冶金原料，并且這兩種原料所制作出來的工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量較高，受到了交通、機械、電子、航空等多個領(lǐng)域的歡迎。除了質(zhì)量較高外，粉末冶金技術(shù)能夠受到諸多行業(yè)喜歡還因為該技術(shù)具備節(jié)能省材的優(yōu)點，比較適合大規(guī)模生產(chǎn)，效率高，成本低。此外，在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如Al-Li 合金、耐熱Al 合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）方面，粉末冶金技術(shù)也具有重要的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，新型金屬材料成型加工技術(shù)具有許多優(yōu)點，例如，可以提高材料的利用率、減少廢料和能源的消耗、提高生產(chǎn)效率等。但是，這些技術(shù)手段也存在一些挑戰(zhàn)和難點，例如，如何保證材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性、如何提高加工精度和表面質(zhì)量等。同時，新型金屬材料成型加工技術(shù)主要為二次加工，涵蓋了金屬學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等諸多方面的知識點，對技術(shù)人員的要求較高。因此，在應(yīng)用新型金屬材料成型加工技術(shù)時，技術(shù)人員需要充分考慮其特性和應(yīng)用場景，選擇合適的加工工藝和技術(shù)手段，以保證制造出的產(chǎn)品符合設(shè)計要求并具有良好的性能和穩(wěn)定性。