新型金屬材料在機(jī)械制造中的應(yīng)用

崔金玉

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000）

新型金屬材料包括記憶合金材料、儲(chǔ)氫合金材料、非晶態(tài)合金材料等。此類材料在機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)生了重要作用，一方面，提高了工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的材料利用率，減少了能源消耗；另一方面，可以減少材料使用后的廢棄物與污染物排放量。另外，在現(xiàn)代機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)鏈條中，應(yīng)用新型金屬材料能夠?qū)崿F(xiàn)對材料成本的合理控制，并在總體的產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中達(dá)到成本管理目標(biāo)，擴(kuò)增可營利空間。所以，從節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益的綜合角度看，新型金屬材料的應(yīng)用必要性與價(jià)值均十分突出。

1 新型金屬材料概述

新型金屬材料種類多、性能優(yōu)、功能強(qiáng)，應(yīng)用范圍相對較廣。根據(jù)現(xiàn)階段的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，較有代表性的記憶合金材料具有記憶功能，可以在形變的基礎(chǔ)上以金屬絲的形態(tài)存在。而且，記憶合金材料的變形過程具有可逆性，既能夠“變形”，也可以被“打回原形”。在電氣工程、航天工程等領(lǐng)域應(yīng)用相對廣泛。需要注意的是，此類材料的功能與其處理工藝密切關(guān)聯(lián)，尤其是高溫處理技術(shù)的優(yōu)良，直接決定了其變形后的功能穩(wěn)定性。反過來，在應(yīng)用中也要求做好應(yīng)用溫度控制。

儲(chǔ)氫合金的優(yōu)勢則體現(xiàn)在環(huán)保性能方面。具體而言，該合金材料屬于氫化物，能夠通過化學(xué)反應(yīng)生成并發(fā)生轉(zhuǎn)化。在動(dòng)力能源中的應(yīng)用推廣，可以較好地提升要素市場在礦產(chǎn)能源市場的資源配置能力。目前應(yīng)用效果表明，該合金材料的耐高溫性能優(yōu)良，可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、航天設(shè)備等方面。

非晶態(tài)合金材料的抗腐蝕能力明顯，在強(qiáng)度、硬度、電阻率方面優(yōu)勢明顯，在電氣設(shè)備機(jī)械制造中的應(yīng)用效果較好，有利于補(bǔ)足變壓器鐵芯材料制造方面的短板。

因此，新型金屬材料的應(yīng)用價(jià)值，主要體現(xiàn)在其性能及作用方面。比如，現(xiàn)代機(jī)械制造中的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，耗材多、耗能大，材料功能發(fā)揮相對受限。應(yīng)用新型金屬材料后，既能夠解決此類棘手問題，提高節(jié)能性。也可以在此基礎(chǔ)上，根據(jù)材料性能的區(qū)分與選擇，提高其應(yīng)用環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性。

2 新型金屬材料在機(jī)械制造中的應(yīng)用

2.1 在零部件制造中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)備由零部件組成，任何一個(gè)零部件發(fā)生問題，均會(huì)對整體設(shè)備造成直接影響，尤其是在制造業(yè)向“智造業(yè)”轉(zhuǎn)型過程中，設(shè)備的封閉性、集成性越來越高，對于零部件的質(zhì)量要求也逐漸提升。因此，應(yīng)用新型金屬材料后，能夠滿足轉(zhuǎn)型后加工工藝升級形成的材料性能需求。具體而言，機(jī)械零部件在尺寸變化、性能變化、組裝方式變化、加工工序變化的情況下，應(yīng)用新型金屬材料，有利于適應(yīng)這種變化需求。比如，在零部件產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，借助“互聯(lián)網(wǎng)+生產(chǎn)制造”改革，已經(jīng)優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)鏈條，建立了以定制化生產(chǎn)為準(zhǔn)的“4+1”模式，形成了以“訂單處理—材料運(yùn)輸—生產(chǎn)加工—售后服務(wù)”為基本環(huán)節(jié)的生產(chǎn)制造流程。在此條件下，訂單的多樣化，導(dǎo)致了生產(chǎn)加工的多樣化。常規(guī)材料無法滿足多樣化需求。需要通過選擇新型金屬材料，提升零部件的多樣化生產(chǎn)。由此，也為機(jī)械制造業(yè)中的零部件生產(chǎn)制造提供了較大的創(chuàng)新空間。此類創(chuàng)新主要體現(xiàn)在外觀形態(tài)的輕巧化、多元功能的集成化、使用性能的細(xì)致化以及廣泛的適用性等方面。

2.2 在沖壓模具制造中的應(yīng)用

首先，零部件生產(chǎn)制造的多樣化，給沖壓模具制造帶來了較大壓力，擴(kuò)增了相關(guān)資源投入比例。所以，為了化解沖壓模具制造中的數(shù)量問題、質(zhì)量問題、再利用問題，現(xiàn)階段可以選擇新型金屬材料，利用其強(qiáng)度、硬度、耐熱性能、可變形性、可逆性等功能及作用解決此類問題。其次，常態(tài)化的沖壓模具材料屬于冷擠壓模、拉伸模材料，此類材料在多樣化的零部件生產(chǎn)制造中，無法滿足其對模具的實(shí)際需要。所以，從材料更新的角度看，新型金屬合金材料的應(yīng)用有助于沖壓模具材料的革新，提高其可塑性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性價(jià)比方面的綜合效益產(chǎn)出。需要注意的是，用新型金屬材料更新或替代沖壓模具原有的幾大類材料后，既能夠滿足中央模具沖壓要求，也能夠在曲面模具、非規(guī)則模具沖壓方面顯示其比較優(yōu)勢。最后，在向“智造業(yè)”轉(zhuǎn)型的過程中，數(shù)字化加工的頻率越來越高，3D 打印的大范圍推廣應(yīng)用，雖然未能全面替代沖壓模具，但是，從3D 打印的發(fā)展趨勢看，不能排除其后來居上的可能性。因此在這種轉(zhuǎn)型壓力下，即使沖壓模具被3D 打印取代，仍然需要新型金屬材料作為打印材料。

2.3 在氮化處理中的應(yīng)用

化學(xué)熱處理在機(jī)械制造中屬于常見工藝，其中以氮化處理最為常用。從操作方面看，所謂的氮化處理，主要是“將氮原子加入到機(jī)械設(shè)備表面”，旨在提升處理后的機(jī)械設(shè)備性能。比如，鋼材料容易受到環(huán)境影響而受到腐蝕與磨損，應(yīng)用氮化處理工藝后，即可以提高其耐腐蝕性與抗磨損性。然而，氮化爐內(nèi)的氮化處理，也會(huì)對機(jī)械設(shè)備（主要是工件）的形態(tài)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致處理后的變形、精度受損等問題。為了化解此類問題，可以選擇新型金屬材料，提高其耐高溫能力、抗壓能力，使其適應(yīng)氮化爐內(nèi)的氮化處理環(huán)境，減少工件受損與形變問題。尤其是現(xiàn)階段的工件尺寸與質(zhì)量要求相對較高、零部件的工作環(huán)境相對復(fù)雜，若采用新型金屬材料，也能夠使其在氮化處理后，以相對精準(zhǔn)的形態(tài)、尺寸、精度，應(yīng)用于實(shí)際的使用環(huán)境之中。

2.4 在生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用

機(jī)械制造的轉(zhuǎn)型升級屬于系統(tǒng)性升級，包括設(shè)備改造與更新、生產(chǎn)工藝優(yōu)化與變更、加工技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新以及廠區(qū)內(nèi)環(huán)境整體改造等。因而在實(shí)際的機(jī)械制造業(yè)中，當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了變化，而這種環(huán)境的變化特征主要集中于對“極嚴(yán)苛條件”的營建。由此轉(zhuǎn)型，機(jī)械制造類企業(yè)也增強(qiáng)了對新型金屬材料的研發(fā)設(shè)計(jì)投入。具體而言，當(dāng)前的機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，除研發(fā)設(shè)計(jì)之環(huán)節(jié)之外，其他環(huán)節(jié)增強(qiáng)了智能性，正在打造“智能工廠”。隨著機(jī)器人應(yīng)用數(shù)量、應(yīng)用崗位的增多，“超低溫、高溫、速變環(huán)境、高壓、高強(qiáng)度”等生產(chǎn)制造條件限定必然會(huì)增加。此時(shí)，生產(chǎn)環(huán)境的嚴(yán)苛性與材料固有色彩的穩(wěn)定性、產(chǎn)品色澤的可控性以及其他性能的綜合特性，已經(jīng)形成了密切對應(yīng)。為了滿足這種生產(chǎn)環(huán)境需要，則應(yīng)該注重對新型金屬材料的選擇。并且，通過對其性能的有效發(fā)揮滿足現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)要求。

2.5 在環(huán)保方面的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，因處理工藝的增多，增加了諸多污染。比如，化學(xué)處理工藝的應(yīng)用，既會(huì)造成殘留物污染、反應(yīng)污染、排放物污染，也會(huì)使處理后的產(chǎn)品具有一定的污染性。比如，在冷軋加工、熱軋加工實(shí)踐中，應(yīng)用新型金屬材料可以規(guī)避加工中的差異化問題，減少化學(xué)處理工藝中產(chǎn)生的有害物。尤其是新型金屬材料中的合金材料中，有專門針對環(huán)保問題而生產(chǎn)的無污染材料，通過在材料方面的環(huán)保控制，也有助于清潔生產(chǎn)與綠色化制造。需要注意的是，新型金屬材料在環(huán)保方面的應(yīng)用，一方面，應(yīng)該注重材料本身的節(jié)能性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性；另一方面，需要配套的設(shè)置與其材料處理相關(guān)聯(lián)的工藝。尤其是當(dāng)前產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的數(shù)據(jù)化管理越來越多，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，有利于對相關(guān)化學(xué)處理工藝、物理處理工藝、生物處理工藝等進(jìn)行一些精密計(jì)算，從而達(dá)到對新型金屬材料應(yīng)用工藝的同步優(yōu)化目標(biāo)等。

3 結(jié)束語

總之，現(xiàn)代化的機(jī)械制造中，一方面，以產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)為主導(dǎo)因素，加大了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的資源配置；另一方面，增強(qiáng)了對材料管理環(huán)節(jié)的成本控制。由此，形成了以工業(yè)設(shè)計(jì)擴(kuò)大價(jià)值鏈可營利空間，與嚴(yán)格控制材料成本支出、提高利潤率的管控方案。結(jié)合以上初步分析，建議在做好成本控制的同時(shí)，在新型金屬材料的應(yīng)用中盡量增強(qiáng)對其性能的區(qū)分，確保在具體應(yīng)用中，能夠按照零部件制造、沖壓模具制造、氮化處理、生產(chǎn)環(huán)境、環(huán)保等實(shí)際應(yīng)用需求，做好技術(shù)質(zhì)量控制。