沈陽銅管廠家分享金屬選材的基本原則和方法
2019-12-28 來自: 沈陽市中聯(lián)銅鋁業(yè)有限公司 瀏覽次數(shù):1452
關(guān)于金屬選材的內(nèi)容,相信肯定會有好多的小伙伴還不太清楚,接下來沈陽銅管廠家為大家分享金屬選材的基本原則和方法。
基本原則
在進行材料及成型工藝的選擇時,要考慮到在該工況下材料性能是否達到要求,及用該材料制造零件時,其成型加工過程是否容易,同時還要考慮材料或機件的生產(chǎn)及使用是否經(jīng)濟等因素即從適用性、工藝性和經(jīng)濟性3個方面進行考慮。
適用性原則
適用性原則是指所選擇的材料必須能夠適應工況,并能達到令人滿意的使用要求。滿足使用要求是選材的必要條件,是在進行材料選擇時首先要考慮的問題。
材料的使用要求體現(xiàn)在對其化學成分、組織結(jié)構(gòu)、力學性能、物理性能和化學性能等內(nèi)部質(zhì)量的要求上。為滿足材料的使用要求,在進行材料選擇時,主要從零件的負載情況、材料的使用環(huán)境和材料的使用性能要求三個方面考慮。零件的負載情況主要是指載荷的大小和應力狀態(tài)。材料的使用環(huán)境指材料所處的環(huán)境,如介質(zhì)、工作溫度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用壽命、材料的各種廣義許用應力、廣義許用變形等。只有將以上三方面進行充分的考慮,才能使材料滿足使用性能要求。
工藝性原則
一般地,材料一經(jīng)選擇,其加工工藝大體上就能確定。同時加工工藝過程又使材料的性能發(fā)生改變;零件的形狀結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)批量、生產(chǎn)條件也對材料加工工藝產(chǎn)生重大的影響。
工藝性原則是指選材時要考慮到材料的加工工藝性,優(yōu)先選擇加工工藝性好的材料,降低材料的制造難度和制造成本。
各種成型工藝各有其特點和優(yōu)缺點,同一材料的零件,當使用不同成型工藝制造時,其難度和成本是不一樣的,所要求的材料工藝性能也是不同的。例如,當零件形狀比較復雜、尺寸較大時,用鍛造成型往往難以實現(xiàn),若采用鑄造或焊接,則其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能,在結(jié)構(gòu)上也要適應鑄造或焊接的要求。再如,用冷拔工藝制造鍵、銷時,應考慮材料的伸長率,并考慮形變強化對材料力學性能的影響。
經(jīng)濟性原則
在滿足材料使用要求和工藝要求的同時,也必須考慮材料的使用經(jīng)濟性。經(jīng)濟性原則是指在選用材料時,應選擇性能價格比高的材料。材料的性能就是指其使用性能。材料的使用性能一般可以用使用時間和安全程度來代表。材料價格主要由成本決定。材料的成本包括生產(chǎn)成本和使用成本。一般地,材料成本由原材料成本、原材料利用率、材料成型成本、加工費、安裝調(diào)試費、維修費、管理費等因素決定。
材料及成型工藝選擇的步驟、方法及依據(jù)
材料及成型工藝的選擇步驟如下:首先根據(jù)使用工況及使用要求進行材料選擇,然后根據(jù)所選材料,同時結(jié)合材料的成本、材料的成型工藝性、零件的復雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件和技術(shù)條件等,選擇合適的成型工藝。
1.選擇材料及其成型工藝的步驟、方法
分析零件的服役條件,找出零件在使用過程中具體的負荷情況、應力狀態(tài)、溫度、腐蝕及磨損等情況。
大多數(shù)零件都在常溫大氣中使用,主要要求材料的力學性能。在其他條件下使用的零件,要求材料還必須有某些特殊的物理、化學性能。如高溫條件下使用,要求零件材料有特定的高溫強度和抗氧化性;化工設備則要求材料有高的抗腐蝕性能;某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴寒地區(qū)使用的焊接結(jié)構(gòu),應附加對低溫韌性的要求;在潮濕地區(qū)使用時,應附加對耐大氣腐蝕性的要求等。
(1) 通過分析或試驗,結(jié)合同類材料失效分析的結(jié)果,確定允許材料使用的各項廣義許用應力指標,如許用強度、許用應變、許用變形量及使用時間等。
(2) 找出主要和次要的廣義許用應力指標,以重要指標作為選材的主要依據(jù)。
(3) 根據(jù)主要性能指標,選擇符合要求的幾種材料。
(4) 根據(jù)材料的成型工藝性、零件的復雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件、技術(shù)條件選擇材料及其成型工藝。
(5) 綜合考慮材料成本、成型工藝性、材料性能、使用的可靠性等,利用優(yōu)化方法選出適用的材料。
(6) 必要時選材要經(jīng)過試驗投產(chǎn),再進行驗證或調(diào)整。
上述只是選材步驟的一般規(guī)律,其工作量和耗時都是相當大的。對于重要零件和新材料,在選材時,需要進行大量的基礎性試驗和批量試生產(chǎn)過程,以保證材料的使用安全性。對不太重要的、批量小的零件,通常參照相同工況下同類材料的使用經(jīng)驗來選擇材料,確定材料的牌號和規(guī)格,安排成型工藝。若零件屬于正常的損壞,則可選用原來的材料及成型工藝;若零件的損壞屬于非正常的早期破壞,應找出引起失效的原因,并采取相應的措施。如果是材料或其生產(chǎn)工藝的問題,可以考慮選用新材料或新的成型工藝。
2.選材依據(jù)
(1)負荷情況
工程材料在使用過程中受到各種力的作用,有拉應力、壓應力、剪應力、切應力,扭矩、沖擊力等。材料在負荷下工作,其力學性能要求和失效形式是和負荷情況緊密相關(guān)的。
在工程實際中,任何機械和結(jié)構(gòu),必須保證它們在完成運動要求的同時,能安全可靠地工作。例如要保證機床主軸的正常工作,則主軸既不允許折斷,也不允許受力后產(chǎn)生過度變形。又如千斤頂頂起重物時,其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態(tài),而不允許突然彎曲。對工程構(gòu)件來說,只有滿足了強度、剛度和穩(wěn)定性的要求,才能安全可靠地工作。實際上,在材料力學中對材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況,或根據(jù)受力情況進行材料選擇時,除了考慮材料的力學性能外,還必須應用材料力學的有關(guān)知識進行科學的選材。
表1 幾種常見零件的受力情況、失效形式及要求的力學性能
(2)材料的使用溫度
大多數(shù)材料都在常溫下使用,當然也有在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同,要求材料的性能也有很大差異。
隨著溫度的降低,鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當溫度降低到特定程度時,其韌性、塑性顯著下降,這一溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)折溫度。在低于韌脆轉(zhuǎn)折溫度下使用時,材料容易發(fā)生低應力脆斷,從而造成危害。因此,選擇低溫下使用的鋼鐵時,應選用韌脆轉(zhuǎn)折溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量,提高材料的低溫韌性。
隨著溫度的升高,鋼鐵材料的性能會發(fā)生一系列變化,主要是強度、硬度降低,塑性、韌性先升高而后又降低,鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對材料的性能產(chǎn)生影響,甚至使材料失效。例如,一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不宜超過480℃,而合金鋼的使用溫度不宜超過1150℃。
(3)受腐蝕情況
在工業(yè)上,一般用腐蝕速度表示材料的耐蝕性。腐蝕速度用單位時間內(nèi)單位面積上金屬材料的損失量來表示;也可用單位時間內(nèi)金屬材料的腐蝕深度來表示。工業(yè)上常用6類10級的耐蝕性評級標準,從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕,見表2。
表2 金屬材料耐蝕性的分類評級標準
大多數(shù)工程材料都是在大氣環(huán)境中工作的,大氣腐蝕是一個普遍的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對材料腐蝕影響很大。在常用合金中,碳鋼在工業(yè)大氣中的腐蝕速度為10^-605m/d,在需要時常涂敷油漆等保護層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼,其耐大氣腐蝕性有較大提高,一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。
(4)耐磨損情況
影響材料耐磨性的因素如下:
① 材料本身的性能:包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導熱性、化學穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等。
② 摩擦條件:包括相磨物質(zhì)的特性、摩擦時的壓力、溫度、速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。
一般來說,硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入,而且疲勞極限一般也較高,故耐磨性較高;如同時具備較高的韌性,即使被刺入或犁入,也不致被成塊撕掉,可以提高耐磨性;因此,硬度是耐磨性的主要方面。另外,材料的硬度在使用過程中,也是可變的。易于加工硬化的金屬在摩擦過程中變硬,而易于受熱軟化的金屬會在摩擦中軟化。
3.材料成型工藝的選擇依據(jù)
一般而言,當產(chǎn)品的材料確定后,其成型工藝的類型就大體確定了。例如,產(chǎn)品為鑄鐵件,則應選鑄造成型;產(chǎn)品為薄板件,則應選板料沖壓成型;產(chǎn)品為ABS塑料件,則應選注塑成型;產(chǎn)品為陶瓷件,則應選相應的陶瓷成型工藝等。然而,成型工藝對材料的性能也產(chǎn)生一些的影響,因此在選擇成型工藝中,還必須考慮材料的最終性能要求。
(1)產(chǎn)品材料的性能
① 材料的力學性能。
例如,材料為鋼的齒輪零件,當其力學性能要求不高時,可采用鑄造成型;而力學性能要求高時,則應選用壓力加工成型。
② 材料的使用性能。
例如,若選用鋼材模鍛成型制造轎車、汽車發(fā)動機中的飛輪零件,由于轎車轉(zhuǎn)速高,要求行駛平穩(wěn),在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露,以免產(chǎn)生腐蝕,影響其使用性能,故不宜采用開式模鍛成型,而應采用閉式模鍛成型。這是因為,開式模鍛成型工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件,在隨后進行的切除飛邊修整工序中,鍛件的纖維組織會被切斷而外露;而閉式模鍛的鍛件沒有飛邊,可克服此缺點。
③ 材料的工藝性能。
材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如,易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差,其連接就宜采用氬弧焊接工藝,而不宜采用普通的手弧焊接工藝;聚四氟乙烯材料,盡管它也屬于熱塑性塑料,但因其流動性差,故不宜采用注塑成型工藝,而只宜采用壓制燒結(jié)的成型工藝。
④ 材料的特殊性能。
材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、導電或絕緣等。例如,耐酸泵的葉輪、殼體等,若選用不銹鋼制造,則只能用鑄造成型;選用塑料制造,則可用注塑成型;如要求既耐熱又耐腐蝕,那么就應選用陶瓷制造,并相應地選用注漿成型工藝。
(2)零件的生產(chǎn)批量
對于成批大量生產(chǎn)的產(chǎn)品,可選用精度和生產(chǎn)率都比較高的成型工藝。雖然這些成型工藝裝備的制造費用較高,但這部分投資可由每個產(chǎn)品材料消耗的降低來補償。如大量生產(chǎn)鍛件,應選用模鍛、冷軋、冷拔和冷擠壓等成型工藝;大量生產(chǎn)非鐵合金鑄件,應選用金屬型鑄造、壓力鑄造、及低壓鑄造等成型工藝;大量生產(chǎn)MC尼龍制件,宜選用注塑成型工藝。
而單件小批生產(chǎn)這些產(chǎn)品時,可選用精度和生產(chǎn)率均較低的成型工藝,如手工造型、自由鍛造、手工焊,及它們與切削加工相聯(lián)合的成型工藝。
(3)零件的形狀復雜程度及精度要求
形狀復雜的金屬制件,特別是內(nèi)腔形狀復雜的零件,可選用鑄造成型工藝,如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等;形狀復雜的工程塑料制件,多選用注塑成型工藝;形狀復雜的陶瓷制件,多選用注漿成形或注射成型工藝;而形狀簡單的金屬制件,可選用壓力加工或焊接成型工藝;形狀簡單的工程塑料制件,可選用吹塑、擠出成型或模壓成型工藝;形狀簡單的陶瓷制件,多選用模壓成型工藝。
若產(chǎn)品為鑄件,尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造;而尺寸精度要求高的,則依鑄造材料和批量不同,可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成型工藝。若產(chǎn)品為鍛件,尺寸精度要求低的,多采用自由鍛造成型;而精度要求高的,則選用模鍛成型、擠壓成型等。若產(chǎn)品為塑料制件,精度要求低的,多選用中空吹塑;而精度要求高的,則選用注塑成型。
(4)現(xiàn)有生產(chǎn)條件
現(xiàn)有生產(chǎn)條件是指生產(chǎn)產(chǎn)品現(xiàn)有的設備能力、人員技術(shù)水平及外協(xié)可能性等。例如,生產(chǎn)重型機械產(chǎn)品時,在現(xiàn)場沒有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運輸設備條件下,常常選用鑄造和焊接聯(lián)合成型的工藝,即首先將大件分成幾小塊來鑄造后,再用焊接拼成大件。
又如,車床上的油盤零件,通常是用薄鋼板在壓力機下沖壓成型,但如果現(xiàn)場條件不具備,則應采用其他工藝方法。例如,現(xiàn)場沒有薄板,也沒有大型壓力機,就不得不采用鑄造成型工藝生產(chǎn);當現(xiàn)場有薄板,但沒有大型壓力機時,就需要選用經(jīng)濟可行的旋壓成型工藝來代替沖壓成型。
(5)充分考慮利用新工藝、新技術(shù)、新材料的可能性
隨著工業(yè)市場需求日益增大,用戶對產(chǎn)品品種和品質(zhì)更新的要求越來越強烈,使生產(chǎn)性質(zhì)由成批大量生產(chǎn)變成多品種、小批量生產(chǎn),因而擴大了新工藝、新技術(shù)、新材料的應用范圍。
因此,為了縮短生產(chǎn)周期,更新產(chǎn)品類型及質(zhì)量,在可能的條件下就大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等靜壓成型、復合材料成型、快速成型等新工藝、新技術(shù)、新材料,采用無余量成型,使零件近凈型化,從而顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟效益。
除此之外,為了合理選用成型工藝,還必須對各類成型工藝的特點、適用范圍以及成型工藝對材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛坯成型工藝的特點見表3。
表3 各種毛坯成型工藝的特點
產(chǎn)品展示
產(chǎn)品展示