机械工程材料与热加工工艺

机械工程材料与热加工工艺

李景均

矽电半导体设备 (深圳 )股份有限公司

摘要：本文主要阐述了机械工程材料的主要性能及其应用，同时说明机械工程材料热加工工艺，其中包括钢铁生产与质量、钢的热处理、低合金钢和合金钢、铸铁以及有色金属及其合金等。

关键词：机械工程；工程材料；热加工工艺

引言：机械工程材料种类繁多，其中最为常见就是有色金属材料，要根据有色金属材料特点，采用正确的制造技术和加热工艺，有效增强有色金属强度和耐腐蚀性等，确保所制作出的零部件，其质量和性能都有显著增强。

1机械工程材料的主要性能及其应用

机械工程各类产品多数都是由种类繁多、性能各异的金属材料和非金属，通过正确加工所制作出的零部件共同构成的。金属材料的机械性能主要是指金属材料在各种形式的外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，判断金属机械性指标包括金属材料强度、塑性和硬度等。金属材料在受力时抵抗产生弹性的能力则称为刚度。金属材料的硬度主要是指材料抵抗外物压力的能力，硬度越高，金属材料抵抗局部塑性变形的能力就越大。通常材料的硬度越高，其耐磨性就越强，强度和硬度间存在着内部联系。金属冲击韧性是材料在冲击荷载作用下，抵抗断裂的能力，现阶段机械工程技术常用一次摆锤冲击弯曲试验，测定材料受冲击荷载能力。机械工程所用零件种类较多，如发动机设备中的曲轴、连轴等，该类零件常在交变荷载下工作。此外，转动轴等零件虽然受到的荷载无法随时间交替变化，但零件本身是能够旋转的。以该两种情况为背景，零部件中都会产生随时间变化的应力，该种应力即称为“交变应力”。此外，以此种情况为背景工作的零部件，其最大应力要低于材料在静荷载小的极限，但经过长期工作的磨损，难免会出现断裂等情况，引发断裂事故。所以，要采取有效措施避免断裂事故发生。制造零部件和选用工艺时，要充分考虑所选材料的工艺性能，如低碳钢有着较强的塑性成形性能和可焊性，所以常被用作制造量器和刀具等^[1]。

2机械工程材料表面处理方法

机械工程材料表面处理方法主要包括强化处理法、表面防护处理法、涂料涂装法和氧化处理法，其中，强化处理法即可分为表面覆盖层强化法、表面表型强化法两种，表面覆盖层强化法指的是在材料表面，获得特殊性能的覆盖膜，以此增强材料表面的刚度、硬度和耐疲劳性，增强材料质量。常见金属表面覆盖层强化法有金属热喷涂、表面气相沉积等方法，热喷涂法主要指的是将涂层材料进行熔化处理，经过高速气流将雾化成的颗粒，迅速喷射到零件表面，借此构成喷涂覆盖层。要按照实际情况合理选择喷涂材料，保证材料的耐磨性、耐腐蚀性等均符合基本要求，防止所选材料性能未达到基本要求，降低后续工作质量。氧化处理法也属于常见方法，氧化处理主要是采用化学或电化学方法，使工件表面形成氧化膜，借此改善工件的耐蚀性。表面防护处理法能分为化学镀和热浸镀，化学镀需要利用还原剂，确保金属离子能在溶液中，在催化剂的影响下还原材料表面的金属镀层。化学镀能在非金属、金属和半导体等材料基体上镀覆，因该方法适用对象众多，所以应用领域尤为广泛^[2]。

3机械工程材料热加工工艺

3.1钢铁生产与质量

钢铁生产主要是指材料从铁矿石炼制成生铁，然后将生铁炼制成钢材料的过程。所炼制成的钢材料只有少量会浇铸成铸件，其他多数钢材料都是先铸成钢锭，然后将铸成的钢锭经过挤压、拉拔等方式制作成其他类型的钢材料，如线材、板材等。钢材料质量要利用化学成分分析法、金相检验、力学性能检验等方法进行检验与衡量，其中，刚材料的硬度是衡量材料软硬度的重要指标，依照不同检验方法，材料硬度能分为洛氏硬度和维氏硬度等，每个硬度实验方法和适用范围均存在差异性，目前常见检验硬度的实验有布氏硬度实验法和洛氏硬度实验法，要根据实验目的和实际情况科学选择适宜的实验方法。

3.2钢的热处理

钢的热处理是采用适当的工艺对金属材料实施加热处理，或实施保温和冷却处理，以此获取预期组织结构和性能的方法。实施钢材料退火处理时，要将钢材料加热到适当温度时，采取有效措施让材料保持在该温度一定时间后缓慢冷却。退火处理分为完全退火、等温退火、球化退火和均匀化退火等，退火的目的为降低钢材料硬度，细化晶粒，增强力学性能消除残余应力。正火处理要将钢材料加热到适当温度后，保持恒温加热，出炉后要在空气中予以冷却处理。淬火处理要将钢件加热到适当温度后维持一定时间，然后迅速冷却。淬火处理目的为获取马氏体和贝氏体，现阶段常见冷却介质有水溶液和油等，工艺有双介质淬火、分级淬火等。钢的表面热处理只会改变工件表面组织，并非改变化学成分，分感应加热表面淬火，火焰加热材料表面淬火，淬火深度通常控制到5mm左右即可，该方法主要适用于大型零件表面处理。

3.3低合金钢和合金钢

合金钢主要是指为增强钢材料的性能，在非合金钢材料中增加多种合金元素的钢材料。合金钢材料依照元素含量即可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢，现阶段常见合金钢有合金调质钢、合金渗碳钢、合金弹簧钢等，合金渗碳钢材料在经过淬火、低温等操作后，可增强材料表面的硬度和耐磨性。冷成型弹簧钢在成型后，只能实施低温退火处理消除预应力，无法直接实施淬火措施。

3.4铸铁

铸铁有着较强的切削性和铸造性等，影响铸铁石墨化的因素较多，其中包括化学成分、冷却速度等。合金铸铁主要是指抗磨铸铁，该材料常用作制作在干摩擦和抗磨损条件下工作的零件，而减磨铸铁材料才用于制作在润滑条件下工作的零件，常见零件有活塞环、气缸套等。

3.5有色金属及其合金

有色金属种类繁多，其中工业纯铝分为高纯铝和工业高纯铝等，每个类型的纯铝都有自己的牌号，高纯铝材料牌号数字越大，其纯度就越高，而工业高纯铝牌号数字越大，其纯度就越低。铝合金强化工艺较多，其中包括固溶强化工艺、实效强化工艺、过剩相强化工艺、变形强化工艺、细化组织强化工艺等。铝合金连续铸造时，要把控好铸造速度，减少因铸造速度过快或过慢对铸造裂纹、表面质量等方面的影响。要采用现代化加热工艺，保证有色金属材料质量。利用现代化铸造工艺时，要利用诸多辅助技术进和设施，有效控制人工成本，并保证有色金属铸造平面有着较强的平整度。铸造时，要全面分析铝合金材料的实际铸锭尺寸、界面特征等，然后再判定铸造速度。此外，要选用低液位结晶器，加强对铸造加工阶段温度的控制，确保在冷却后，气隙区域加热情况能得到有效控制。要注意将冷却水温维持至20℃左右，并制定规范化曲线，重视充挡水系统对注定表层温度的集中优化，以确保能迅速制造出高质量零构件。

总结：综上所述，现代化机械工程材料热加工工艺，可有效控制人工成本，弥补传统式工艺缺失，增强材料平整度，保证加热处理质量。要采用正确质量检测试验方法，从多方面角度分析，确保所有零部件质量均符合实际操作要求。

参考文献：

[1]徐磊.机械工程材料的表面处理方法研究[J].中国高新区,2019(16).

[2]张帅帅,张彦敏,宋宇,等.QCr0.5合金的热变形行为及热加工图[J].机械工程材料,2020,v.44;No.388(S2):22-27+32.