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金属材料在机械设计中的选择研究

来源:中国设备工程 作者:李剑云;王芬芬
发布于:2020-11-21 共3539字
    摘要:本文简单介绍了金属材料在机械设计中选择的基本原则,重点探讨了其应用措施,包括调制工艺、表面硬化技术等,旨在充分发挥金属材料在机械设计中的作用,保障金属材料具有实用性、经济性、环保性,促进机械制造业快速发展,提高国民经济水平。
   
    关键词:金属材料,机械设计,选择应用


金属材料工程师论文

   
    机械设计是机械制造的前提,材料选择在机械制造过程中至关重要。随着科学技术的快速发展,增加了对机械的需求量,对机械设备的质量有较高的要求,导致材料出现短缺的情况,因此,要科学选择金属材料,促进机械制造业不断发展。
   
    1 金属材料在机械设计中选择的基本原则
   
    1.1 载荷的大小与性质
   
    在机械加工过程中,有很多类型的零件或材料最后无法使用,主要由于该材料没有较好的载荷力,不能使零件或材料的作用充分发挥,因此,在机械设计过程中,要根据载荷的大小和性质选择材料,其中,低碳钢渗碳、中碳钢调质等方法是最常见的。载荷大小和载荷性质在机械设计中是非常重要的,要将材料载荷的承受力考虑到机械设计中,材料的载荷力和较好的可塑性,能够保证机械设备的正常使用。设计师在机械设计过程中,要想保证机械的使用效果,防止因载荷水平差出现不良反应,要对材料严格判断、选择。因此,在机械设计中,要对材料进行评估,若有需要,还要对材料进行调质、渗碳、氮化等技术处理。
   
    1.2 零件的尺寸和质量
   
    在机械制造过程中,对零件的尺寸和质量有较高的要求,会因为材料选择不当,出现金属材料质量或尺寸不合格的情况,导致资源浪费,对企业的经济产生影响,因此,零件的尺寸和质量会影响机械设备的质量,选择材料时,要小心谨慎,若选择的金属材料不符合零件的尺寸和质量要求,则不能使用。
   
    1.3 零件结构的复杂性和加工性能
   
    机械零件在机械设备生产过程中,是至关重要的,机械零件主要是由原材料加工而成的,对机械零件的整体质量都会产生影响,不同的材料包含的参数都不相同,若选择的材料不能满足后期加工的需要,则会影响零件的质量。同一种类的金属材料,生产不同的金属零件,其加工难度也不相同,也会因此,在机械设计中,要考虑金属零件结构的复杂性和加工性能。对于较复杂的零件,可以使用技术加工的方法,如焊接等。在金属材料的加工性能方面,主要针对金属材料本身的冲压切削能力、铸造焊接性能等进行考验。
   
    1.4 零件的工作环境
   
    在机械设计中,零件的工作环境会对金属材料产生影响,各机械零件对所处的环境有不同的要求,因此,要根据具体的设计环境选择金属材料。首先,金属材料的选择要考虑温度因素,由于金属材料会随着温度的变化而变化,导致金属体积的变化幅度不同,膨胀的程度也不同;其次,金属材料的选择要考虑环境的湿度和对金属的腐蚀性,防腐蚀性、防锈性的金属材料适合在腐蚀性的环境中工作;最后,金属材料在使用过程中会出现磨损的情况,而硬度大、耐磨性好的金属材料可以延长机器设备的使用期限。例如,在较为湿热的环境中,金属材料极易受外部环境影响,出现腐蚀的情况。所以,在机械设计中,要选择抗腐蚀性强的金属材料,避免出现因环境因素损害材料的情况。
   
    1.5 零件的经济性
   
    经济效益是每个企业的经营目标,在机械制造业中也不例外。选择性价比较高的材料,有利于减少企业的运营成本。要对材料的价格、材料的加工难度、材料的转化率进行充分了解,保证材料的供应,有利于帮助企业减少生产成本。
   
    2 金属材料在机械设计中的应用措施
   

    2.1 调质技术和有关设计应用分析
   
    传统金属材料的加工处理方式不能改变零件的重量和截面,使机械设备的体积与重量较大。现阶段,可以使用热处理的方法改变零件的重量和截面,例如,调质技术能够增强金属材料的拉伸强度、屈服度以及可塑性,可以提高零件的整体性能,减少零件的重量和改变零件的截面。只有金属材料需要进行热处理时,可以使用调质技术。金属零件切削加工功能的好坏,会对产品加工质量、生产效率、生产成本等方面产生影响,对金属材料进行综合分析,使用调质技术改善金属材料的质量,使其硬度保持在170~230HBS,可以对切削加工功能进行改善。例如,在金属零件材料的加工过程中进行锻件设计时,要选择共晶成分等可塑性较强的合金材料。若在进行焊接结构设计时,要选择低碳钢或合金钢材料。
   
    2.2 表面硬化技术和选材
   
    机械设计材料在后期都需要进行表面硬化等加工处理,增强零件的耐磨性与抗腐蚀性。一般,在实际工作中经常使用渗碳技术、氮化技术等两种表面硬化处理技术,这两种技术的处理方式与特征都存在较大的差异性,但都依靠渗碳炉完成。将金属材料放进渗碳炉,可以增加金属材料中的碳含量,再进行淬火处理,增加金属材料的硬度,最后使用低温回火技术清除应力,增强稳定性。在设计时要严格根据材料设计在零件尺寸、芯部强度等方面的具体要求,使资源能够得到有效利用。通常来说,有效的截面面积不超过50mm,可以选择20Cr;若截面面积在50~150m2,重量不超过50kg,可以选择20Crmnti。要按照具体需求确定渗碳层度的深度,能够降低成本,若渗碳层越深,则渗碳的时间越长。氮化处理技术适用于任何钢制材料,是目前较常见的一种技术,可以提升设计的质量,增强机械材料的稳定性。在进行氮化处理时,经常使用45型号氮化处理技术,可以降低变形率,但是材料的硬度不会增加。除此之外,使用氮化技术能够提高加工处理的质量,减少处理的时间,减少资源浪费,并且为防止材料受到损害,可以将其部分位置进行保护,加工完成后可以去除保护层,能够增加材料的硬化层,提高耐磨性。
   
    2.3 环保节能性
   
    目前,随着城市化进程的不断加快,环境污染问题越来越严重,在机械设计与生产过程中,设计人员要提高环保意识,避免材料中含有镍、铅等危险元素,才能防止出现资源浪费的情况,保护使用者的身体健康。
   
    (1)选择污染较小、能耗较低的材料。设计人员在选择材料时,要选择低耗能、低污染的材料,不使用需要进行热处理的材料。由于在后期需要进行预热反应的材料,稍不注意就会缩短材料的使用寿命,对环境产生影响。在机械设计中使用金属材料要重视其环保节能性,秉承可持续发展理念。首先,要选择污染较小、能耗较低的材料,防止材料在加工过程中出现大量废气、废料,减少资源浪费。金属材料在进行热处理后,会提高其自身的性能,延长使用期限,但是热处理的加工过程会消耗大量的能源,导致出现环境污染的情况,因此,要尽量减少使用需要热处理的材料。当不得不使用需要热处理的材料时,要选择热处理工序少的材料,降低资源消耗,减少污染。
   
    (2)选择可回收的材料。机械在使用过程中会出现磨损、报废等情况,要优先选择可回收、可降解、无污染的材料,使机械在报废后可以再次回收利用,减少资源浪费。若废弃的资源不能再回收利用,不仅会对环境造成污染,还会影响人体的健康。因此,在机械设计过程中要在零件的性能不受影响的情况下,选择可回收利用的材料,减少橡胶、金属混合等材料的使用。
   
    (3)选择新型的安全材料。一些物质材料在机械加工制造过程中会产生有害物质,不仅会影响人体的健康,还会对环境造成危害。因此,设计人员要优先选择新型的安全材料,避免使用含有有害物质的材料。例如,在机械设计中选择金属泡沫,既可以实现循环再利用,还不会对人体和环境产生危害。机械零件在机器运行过程中会出现磨损的情况,会影响机械设备的使用性能。因此,设计人员在选择材料时,要对零件的时效性充分考虑,提高零件的使用率。
   
    2.4 经济实用性
   
    金属材料的经济实用性是指材料的性价比较高,并且能够将其自身的功能充分发挥。例如,在机械设计中,碳素钢是一种极常见的生产原料,并且碳素钢的价格极低,但是,碳素钢的韧性较差,强度较低,在制造中等形状的过程中使用碳素钢,不能将其完全萃透,导致碳素钢受到影响。因此,在碳素钢中增加一定的合金元素,可以增强其硬度和韧性,提高了材料的抗高温性、耐腐蚀性、耐磨损性,并且不同材料的加工技术都各不相同,例如,流动性好、收缩吸气强的材料可以使用铸造生产技术,冲压性好的材料可以使用焊接生产技术。选择材料时,要优先选择成本低、实用性强的优质材料。为保证机械设备的质量,在机械设备的设计过程中,设计人员要提高对材料选择和其经济实用性的认识,才能使机械设备顺利生产。设计人员在选择金属材料时,要充分考虑使用者的具体需要,使其能够满足用户的不同需求。在机械生产过程中,要严格按照相关标准进行生产,保证材料可以高效使用,减少成本。
   
    结语
   
    随着社会的不断进步,机械设计行业推动了国民经济的快速发展,金属材料在机械设计中是至关重要的,要充分考虑金属材料的经济实用性和环保节能性,实现可持续发展。
   
    参考文献  
    [1]黄建明,陈俐.浅析有色金属材料在机械设计中的选择与应用[J].世界有色金属,2019(14):21+23.  
    [2]方伟涛.试论机械设计中金属材料的选择及应用[J].内燃机与配件,2020(06):224-225.
作者单位:郑州工商学院机械动力工程系
原文出处:李剑云,王芬芬.金属材料在机械设计中的选择与应用[J].中国设备工程,2020(14):188-189.
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