金属零件（精选七篇）
金属零件 篇1
1. 金属注射成形。
金属注射成形是以金属粉末为原料, 借助塑料注射成形工艺制造金属零件的一门技术。最早是氧化物粉末 (如AI2O3粉) 制造陶瓷零件, 所以也叫做CIM (Ceramic Injection Moulding) , 鉴于MIM与CIM皆以金属粉末为原料, 所以也统称为粉末注射成形 (Powder Injection Moulding) 。金属注射成形是粉末冶金与现代塑料注射成形工艺相结合形成的一门新型金属零件成形技术。金属注射成形工艺和传统粉末冶金技术的主要差异在于前者是采用注射成形, 而后者是利用平轴向刚性模具压制成形, 前者比后者使用的原料粉末细, 通常粉末的粉度不大于20μm。
2. 生产工艺流程。
金属注射成形零件的生产工艺流程为:首先, 将金属粉末与黏结剂相混合, 制成注射成形用的丸粒, 即所谓的注射料。黏结剂一般采用热塑性聚合物, 其在混合料中占的比率为15%~50%。这种注射丸粒可以像塑料一样, 利用塑料注射成形机, 注射成为各种各样的零件生坯。用加热与化学作用等方法, 使零件生坯中所含的黏结剂分解、脱除后, 经高温烧结, 即获得接近铸造状态的金属材料性能。
3. 金属注射成形技术现状。
金属注射成形技术出现于20世纪70年代末期, 最初主要用于制造轻武器零件。作为制造零件的无切削金属零件成形工艺, 可大量地节材, 降低生产成本, 甚至减轻零件重量, 有利于汽车轻量化以及减少环境污染, 从而受到了汽车产业的高度重视。从20世纪90年代初开始, MIM零件才进入汽车零件市场。据粗略统计, 现在全球MIM汽车零件的销售额约为2亿美元, 其中欧洲占55%、亚洲占25%、北美占20%。按照MIM零件的质量计算, 在欧洲用于汽车产业的MIM零件已占MIM零件总产量的50%。
根据有关资料, 现在全球生产MIM产品的厂商约有200家, 大多数企业都是历史不到的10年的小型企业, 但生命力却极强。据资料分析, 2003年至2006年期间, MIM汽车零件的产量增长了33%。
二、MIM汽车零件实例
汽车产业已经在大量采用MIM工艺生产一些形状复杂、双金属零件以及成组的微小型零件。
1. 形状复杂的MIM汽车零件。
汽车发动机的可变配气相位 (VVT) 系统中使用的摇臂零件形状十分复杂, 它就是用MIM工艺制造的一个标志性零件。VVT系统用摇臂零件如图I、图2所示。
关于制造这个零件的3种制造工艺——MIM、锻造和精密铸造, 日本活塞环公司进行过详细的对比分析, 见表1。由表1中数据不难看出, 除了力学性能较低外 (但能满足用途要求) , 其余各项指标都比锻造与精铸要强, 在直接成形的产品中, 几何形状的复杂程度高。表面粗糙度值小。可直接成形的壁厚较薄、孔较小。和精铸的尺寸精度±0.2mm与锻造的±0.1mm相比, MIM为±0.05mm, 有很大改进。一些几何形状特征可直接成形, 大大减少切削加工的工作量, 从而达到节能、省材的目的。和锻造与精铸相比, 每个零件的生产成本至少可相应节省约20%。
用于汽车转向系统中的形状异常复杂的U形夹采用MIM工艺制造时可节约成本25%。发动机中涡轮增压转子、冷却活塞的喷油嘴和独立加热系统的热水器室等异常复杂的零件也都是用MIM工艺生产的。
2. 双金属的MIM汽车零件。
用MIM工艺能够快捷和大量地生产复合材料零件, 比如由两种金属材料制造的软磁零件、耐磨和耐蚀零件及散热零件。汽车中有许多由两种材料制造的零件, 制造这些零件常用的生产方法是将由不同材料制造的零件, 利用焊接或压配结合在一起。但是由于焊接不仅生产成本高、会产生内应力, 而且可能发生冶金变化, 从而使零件产生变形与耐蚀性恶化。生产实践已证明, 汽车中的一些小型双金属零件改用MIM工艺生产后, 不但可减低生产成本, 而且可以改进零件的质量。
如汽车用磁性传感器, 这个零件是由非磁性 (铁素体) 不锈钢与磁性 (奥氏体) 不锈钢用MIM工艺生产复合制成。另外适于用MIM工艺制造的还有双金属零件有齿轮、电子零件等零件。
3. MIM工艺制造的成组零件。
汽车中使用的许多小型组合件或成组零件都是MIM工艺的生产对象, 这些零件采用MIM工艺生产时, 不但可以节约原材料、大大提高生产率, 而且产品质量稳定, 可大幅度降低生产成本。
汽车安全气囊传感器嵌入组件由3个MIM零件组成, 即D型轴、嵌入接片和点火销。这3个零件原来都是用精铸生产的, 现已改用MIM工艺, 由不锈钢制造, 经热处理后, 抗拉强度为1 170MPa、屈服强度为1 100MPa、硬度为38~41HRC、伸长率为7.0%、密度为7.60~7.68g/cm3。MIM比精铸的零件表面粗糙度好, 抗拉强度高, 还能将零件进化组合, 从而减少零件数量, 降低生产成本。表2为MIM零件一般可达到的尺寸公差。
除上述零件外, 在汽车中使用的MIM零件还有不锈钢支架、钛按钮、座椅螺杆与齿条-齿轮传动装备、磁性转子、转向管柱式变速与控制杆、发动机与制动器固定零件、阀与发动机的正时零件、减振器钢缸套、安全换挡杆接头等等。
由上述MIM零件可以看出, MIM工艺的明显优势在于制造小型和形状复杂的零件。这些零件的烧结件密度高、力学性能优异且精度高。另外, 将多个零件组合成一个组件, MIM工艺也是可行的方法之一。
三、MIM零件的材料、性能及公差
在汽车中应用的MIM零件, 除个别零件由Ni基高温合金制造外, 一般都是由铁基材料生产的。材料范围涉及元素混合粉的Fe-Ni合金钢、预合金化粉的Cr-Mo-C钢、Ni-Mo-C钢或Ni-Cr-Mo-C钢, 以及各种牌号的不锈钢, 如常用的316L、17-4PH和400系列。MIM软磁零件使用的材料有400系列不锈钢、Fe-Si合金和Fe-Co合金。
四、MIM零件的尺寸
金属零件选材的一般原则 篇2
从机械零件设计和制造的一般程序来看,先是按照零件工作条件的要求来选择材料,然后根据所选材料的机械性能和工艺性能来确定零件的结构形状和尺寸。在着手制造零件时,也要按所用的材料来制订加工工艺方案。比如选用的材料是铸铁,就只能用铸造方法去生产了。
机械零件选材时,主要是考虑零件的工作条件、材料的工艺性能和产品的成本。现将有关选材的一些基本原则分述如下:
（1）选用的材料要满足零件工作条件的要求
零件的工作条件是各种各样的,例如受力状态就有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等;载荷性质也有静载、冲击、交变的不同;工作温度则有室温、高温、低温之分;环境介质亦有酸的、碱的、海水以及使用润滑剂等的不同。从上列的工作条件来看,受力状态和载荷性质是反映机械性能的;工作温度和环境介质则属使用环境的材料的机械性能指标也是各种各样的。如屈服极限、强度极限、疲劳极限等是反映材料强度的指标;延伸率、断面收缩率等是反映材料塑性的指标;冲击韧性、断裂韧性等则是反映材料韧性的指标。 、
由于选材的基本出发点是要满足零件的强度要求,所以各种强度指标通常都直接用于零件断面尺寸的设计计算。而δ、ψ、αk、Κ10等则一般不直接用于设计计算，
有时为了保证零件的安全,才用它们作间接的强度校核,以确定所选材料的强度、塑性和韧性等是否配合适当。至于材料的硬度指标,虽可对强度性能作出一定量的估计,也不用于零件的设计计算。但测量硬度比较简便,在生产中是应用很多的。
至于使用环境的情况,在选材时也是必须考虑的。例如:在高温下工作的零件,可选用耐热钢;要求耐腐蚀的,可用奥氏体不锈钢;要求耐磨的,可用硬质合金;要求高硬度的,可用工具
钢;等等。
（2）材料的工艺性能也是选材的重要依据之一因为零件的生产方法不同,将直接影响其质量和生产成本。
金属材料的基本加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等。
（3）选材时必须十分重视材料的经济性所选材料既要价廉质优,又要尽量选用国产材料。一般而言,铸铁能满是要求就不用铸钢了;碳素钢能满足要求就不用合金钢了。例如有些曲轴和连杆,选用球墨铸铁代替锻钢去生产,就减少了切削加工量,降低了成本。
金属零件技术鉴定的教学内容的设置 篇3
1 确定零件鉴定内容
由于拆下零件的材料、材质、结构、用途和使用条件的不同, 其损坏状况也不尽相同, 对其进行鉴定的内容也就有所不同, 但一般应包含的内容如下:
1.1 表面缺陷。
零件的表面可能存在的缺陷及种类不尽相同, 如刮痕、龟裂、裂纹、烧锂、剥落、腐锂、严重磨损和明显变形等, 这些缺陷的存在影响零件的性能和寿命。
1.2 尺寸公差。
相互配合的零件由于摩擦磨损, 原来的几何尺寸将会发生变化, 由于磨损不均匀, 又会是其成不规则的椭圆形后锥形。如果零件的几何尺寸变化超过允许范围, 会使零件间的配合间隙、配合过盈量等发生变化而影响零件的密封性、润滑性和使用性能。
1.3 形位公差。
零件在工作中由于受到冲击、碰撞、磨损、振动和超负荷等影响, 造成零件的几何形状发生改变, 如产生弯曲、拉长和歪斜等, 这会使零件的形位公差发生变化, 影响配合件的工作。
1.4 重量和平衡。
作高速、往复和旋转运动的零件在检修时应对其重量的平衡进行技术鉴定, 否则会导致振动而影响正常工作。
1.5 内部缺陷。
零件的内部存在缺陷, 如焊件的虚焊, 铸件的夹渣、气孔, 受交变载荷作用的轴类和齿轮类等零件的疲劳裂纹等是目视所不易发现的, 如果没有及时发现, 使用时容易造成渗漏和断裂, 使零件工作不正常。
2 鉴定方法
由于零件的结构、技术要我及损坏的状况不尽相同, 对其进行技术鉴定时, 采用的鉴定方法也就不尽相同, 一般如下:
2.1 表面缺陷。
零件的表面缺陷一般用眼睛或是借助放大镜观看即可确定。
2.2 尺寸公差。
零件的尺寸公差可根据零件被测部位的几何形状和精度要求而采用相应的测量工具。如:游标卡尺、外径千分尺和内径量表等来测量计算, 如果用内径量表来鉴定汽缸套的磨损量、圆度和柱度, 也可以根据实践工作积累经验或通过新旧件对照观察等办法来确定。
2.3 形位公差。
零件的形位公差的鉴定则根据被测零件部位的几何形状和技术要求采用相应的测量工具。如用直尺、角尺、游标卡尺、外径千分尺等测量工具及相应的专用设备来仔细检测。如鉴定变速器壳体, 用塞尺和检测平板配合鉴定上平面和前平面的平面底, 用检测平板和角尺配合鉴定前平面和上平面或1、2轴轴线的垂直度鉴定, 明显的形位公差也可根据实践工作积累经验或用眼睛看、手摸来确定。
2.4 重量和平衡。
零件的重量和平衡鉴定的方法是采用天平和平衡仪来进行, 如活塞组件用天平做重量鉴定, 飞轮用平衡鉴定等。
2.5 内部缺陷。
零件的内部缺陷的鉴定方法一般是采用手锤敲击、油浸敲击或压力渗透鉴定等方法。如曲轴列纹采用油浸敲击法确定, 缸体的气孔、焊件的虚焊等采用压力渗漏鉴定法等等。
3 分类处理
通过对零件的鉴定内容结果的分析, 并根据使用技术要求, 可把零件分成可用件、可修件和报废件三类, 具体的分类出来标准如下:
3.1 可用件。
既可以继续装机使用的零件, 零件的尺寸公差和形位公差未超过许可范围, 而且无其他不允许的缺陷, 符合零件维修的技术规范, 不需要进行修理或更换的零件。
对于零件的尺寸公差和形位公差已超过许可范围, 但未达到极限值的, 而且无其他不允许的缺陷, 如果还能继续使用一个较长时期或不需要进厂大拆大换即可进行修理或更换的零件, 均可以作为可用件处理, 但这种情况务必给送修者交代清楚。
3.2 可修件。
即可以使用且能进行修理的零件, 零件的尺寸公差和形位公差已超过许可范围或达到极限值的, 或未达到极限值的, 但因其它原因如使用期短, 产生了其它不允许的缺陷等, 有修理的必要, 且符合修理原则的, 可以作为可修件, 对于农机上的大件、价值较高的件和一些基础化件, 应尽可能做修复处理。
3.3 报废件。
金属零件涂装前的表面处理工艺分析 篇4
关键词：金属零件,涂装前,表面处理工艺
在实际生产生活中, 部分金属零件由于得不到人们的妥善保管, 因而会较为长期的闲置在阳光的辐射下, 有的金属零件甚至置在潮湿的大气环境中, 遭受着酸碱盐等一系列化学物质的侵害。为了达到对金属零件合理维护的目的, 就必须实施在金属零件表面进行处理这一工艺加工的环节, 达到防氧化的目的。
1金属零件涂装前表面处理工艺的内涵
所谓的涂装前表面处理工艺, 是指对零件表面进行喷漆, 电镀等处理工作的总称。零件涂装前处理工艺的具体流程为, 首先对金属表面进行机械的处理工作, 然后利用简易的化学方法对其表面进行清洁工作, 待金属零件完全干燥时候, 进行系统的涂装工作。
2机械处理
金属零件冶炼成型后, 其表面经过机械处理的过程, 就可以消除涂装零件表面凸凹不平, 色泽不一致等各种小缺陷。
(1) 磨光处理。金属零件在特定的磨光轮下机械的转动, 与磨料进行接触。金属零件外观的明显缺陷就会被消除, 包括划损, 瘢痕, 砂眼等等, 达到了金属零件外表基本平整的目的。所以说及时的对涂装前的金属零件进行相应打磨工作, 提升了金属产品外观的整体质量以及零件生产和营销的效率。 (2) 刷光处理。刷光处理的操作程序与磨光处理大体相似, 它需要使用特制的刷光轮。在对金属零件进行刷光处理中, 作用以及目的有两个, 一是去除零件外皮上的锈蚀, 以及陈旧尤其是残留的物质, 二是将零件上的厚氧皮完全的清除。 (3) 振动研磨处理。是指将金属零件置于放有磨料以及化学液体的大型振动容器里, 借助容器的振动效应使金属零件与磨料, 零件与化学溶液, 以及零件之间的相互摩擦, 达到清洁金属零件的处理目标。
3除油处理
(1) 有机溶剂除油。有机溶剂对金属零件的除油处理工作应该在化学除油之前进行的, 它的处理目的是去除零件外表面的矿物油污, 经过有机溶剂的除油处理后, 金属零件的表皮就没有特别显著的油污物质。我国工业生产中一般使用价格相对较低廉, 毒性作用较弱, 对金属零件没有侵蚀作用的有机溶剂, 在20℃的室温环境中对金属零件进行浸泡或者是对其进行系统的擦拭以及刷洗工作。 (2) 化学除油。根据金属零件的材料性质以及其外形的状况等, 选择较为优质的化学物质对零件进行除油处理。在化学除油的程序中, 应该特别关注温度这个外在条件的影响效果。除油的效率与温度之间存在着正比的关系, 换句话说随着温度的升高, 除油的效果就好;此外随着搅拌措施的实施, 即在化学除油过程中用力的晃动容器或者转动零件, 那么除油的效果也会比静态下除油的效果好很多, 这种搅拌的方法对薄壁金属零件的化学除油具有相当好的效果;如果将乳化剂加入到化学除油的过程中, 就如化学反应过程中加入催化剂一般, 提高了化学除油的效率, 但是这里应该引起注意的是, 乳化剂应该适量的加入, 否则会引起化学除油过程中产生大量气泡等不良的现象, 加大了对金属零件清洗的困难程度。
4除锈处理
(1) 化学除锈处理和喷砂除锈。可以对金属零件采取化学除锈处理和喷砂除锈这两种方式对金属零件涂装前的表面进行除锈处理。前者的处理过程需要化学除锈剂的全程参与, 因为化学除锈剂在我国市场上的销售较为广泛, 又凭借处理工作简洁的特征, 因而这种除锈方法在工业生产中应用较为广泛;而后者通过对金属零件进行喷砂处理, 可以使金属零件表皮更加的坚硬, 使涂层的质地达到更优良的效果。 (2) 对金属零件涂装前表面的特殊处理。经过特殊处理后, 增强了涂层与零件之间的吸附结合能力, 使金属零件达到了外形装饰美观, 以及实用性强的特殊效果。生产中对金属零件涂装前的表面特殊处理的方式很多, 例如较为常见的磷化, 它的处理方法有浸泡以及喷淋两种, 这两种磷化的处理效果各有特色, 不分伯仲。随着我国科学技术的迅猛发展, 以及人们生活质量的标准要求的越来越高, 磷化技术也随之不断的改革和发展, 它的处理温度不需要一定在高温中进行了, 在常温或者高温中同样的适用了, 磷化处理的工艺创新日趋简单化, 降低了金属零件成品的生产成本。除了磷化处理以外, 也可以应用氧化金属零件的方法在金属表层制造一层厚度均匀, 致密性好并且具有一定透气效果的氧化膜。
5结语
金属零件涂装前表面的处理工作具有重要的意义, 它可以对金属零件进行全方位的保护, 使其耐腐蚀性增强, 提升产品的性能, 对人类的生存环境起着美化装饰的作用。有关数据证明, 对金属零件表面进行涂层处理, 可以延长该金属零件使用的年限。因此说, 金属零件涂装前的表面处理工作是必须的, 它有利于我国工业的发展壮大, 也有利于我国自然生态保护工作的进行, 实现人与环境的可持续发展。
参考文献
[1]于跃刚, 牛占军.浅谈金属零件涂装前表面处理工艺[J].企业导报, 2012.
金属零件 篇5
1 热处理工艺的主要类型分析
通常而言, 热处理工艺包括四种工艺类型, 即退火、淬火、正火以及回火。
1.1 对于退火而言, 其主要是为了增强可塑性, 并降低硬度
为了对高碳钢切削性能进行改变也会采用退火工艺, 以减少其应力, 并对晶粒进行细化, 以便提高材料整体结构的均匀性。当退火完全时, 可有效降低普通低碳钢的硬度与强度, 从而减少切削过程的阻力。多数高碳钢及合金钢切削及加工性能可以采用退火工艺来进行改变, 因为过高硬度及强度不适宜进行加工。而亚共析钢的正确退火方法如下:将钢缓缓加热至线以上进行一段时间的保温后, 确保整个材料的温度均匀一致, 形成一个均匀的奥氏体, 而后随炉缓慢进行冷却, 待粗大的铁素体及珠光体析出后, 确保钢处于一个最软、最坚韧以及应变最小的状态下, 缓慢进行冷却。
1.2 正火可以对晶粒进行细化, 并对内应力进行释放, 从而对
结构的均匀性进行进一步改善, 同时, 还可以恢复一部分塑性, 从而得到较高的韧性。因此, 此法常用来对切削加工的性能进行改进, 以减少应力, 并减少由于部分切削加工所产生的变形。正火方法主要是将过共析钢或者亚析钢缓慢加热至Acm或Ac3线上约40℃~60℃, 进行一段时间的保温后即可形成奥氏体, 并置于静止的空气中进行缓慢冷却。应当注意的是, 钢含碳量超出共析成分时应将其加热至Acm线以上, 而非退火时的Ac1线以上。对于正火而言, 其主要目的即在奥氏体化的整个过程中尽可能将所有的渗碳体进行溶解, 以确保晶界上硬脆铁碳化合物的尽可能降低, 并获得自由渗碳体、小晶粒细珠光体以及最小自由铁素体, 从而实现低碳钢力学性能的大幅提高, 对切削加工性能进行进一步改善, 将组织缺陷消除, 并对晶粒进行细化, 从而为后续的热处理奠定基础。
1.3 淬火是指加热钢件至下临界点温度以上的某温度, 维持一
段时间后以恰当的冷却速度获得贝氏体或者马氏体组织的工艺过程。此工艺包括马氏体分级淬火、表面淬火、盐浴淬火、局部淬火以及贝氏体等温淬火等等。淬火主要是为了确保钢件获得其所需要的马氏体组织, 从而实现零件硬度、强度以及耐磨性能的大幅提高, 从而为后续的热处理工艺奠定基础。
1.4 回火指的是钢件在淬硬之后再次加热到某一温度, 待保温
一段时间后, 冷却至室温的工艺过程。回火工艺主要包括低、中、高温回火以及多次回火等, 目的主要将钢件淬火过程中所产生的应力消除, 使其具备足够高的耐磨性及硬度, 并拥有所需韧性及塑性等。
2 热处理工艺对于提高金属零件制造水平的意义
2.1 提高金属零件的加工精度及其切削性能
对金属零件而言, 预先的热处理是必不可少的过程, 这主要是由于进行工件毛坯及半成品的生产过程中, 材料差异会导致切削条件出现差异, 并造成变形状态以及表面光洁度各不相同, 因此, 为确保材料符合标准状态等相关要求, 需预先对其加热。进行预先热处理可确保材料的切削性能, 并提高零件的加工精度, 减小零件材料加工变形的程度。通过此处理一定程度下可以弥补冶金及热加工材料的缺陷, 并为零件的切削加工提供一个良好的材料状态。例如, 在加工齿坯材料时, 因齿坯硬度较低, 因而切削过程中易粘刀, 并导致前倾斜面出现积屑瘤, 大大降低了零件的表面光洁度, 因而需要提升零件的硬度。可采用正火加不完全淬火热处理工艺进行处理, 以大幅度减少切削粘刀现象的发生。
2.2 提高金属零件的断裂韧性
为了切实提高金属的断裂韧性, 关键要减少金属零件晶体中的位错, 降低位错密度, 以便提高金属的强度。可采取强化细晶的方法, 通过晶粒的细化使晶界比例大幅增高, 从而阻碍位错的滑移现象, 并实现材料强韧性的大幅提高。进行金属热处理的过程中可强化细晶过程, 因此, 金属零件加工时, 热处理过程采用不同的温度可得到性能不同的材料, 因此, 断裂韧性的提高可借助于热处理过程中温度的控制来实现。
2.3 防止金属零件材料出现应力腐蚀开裂的情况
对于金属材料而言, 其在特定腐蚀环境以及拉伸应力的共同作用下可出现脆性断裂破坏, 即所谓的应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂的应力多数起源于残余拉应力, 残余应力主要是焊接金属零件的过程中产生的。加热金属的过程中可以有效改变材料内部的组织及其性能, 但是, 同时也带来了金属热应力以及相变应力。加热及冷却金属材料时, 由于表层及心部加热、冷却速度不同而导致金属材料的体积发生膨胀及收缩不均, 并造成应力的产生, 此即所谓的热应力。热应力会导致心部产生拉应力。此外, 材料热处理时因组织变化、比容增大, 因而导致金属材料体积发生膨胀, 各部位先后出现相变, 导致体积膨胀的不一致性, 因而导致组织应力的产生。例如, 对金属零件进行热处理的过程中, 可对淬火冷却速度进行控制, 从而对淬火裂纹进行控制, 并实现淬火的目的, 通常而言, 应将高温段材料的冷却速度进行加快方可得到马氏体组织, 以便同组织应力相互抵消, 从而减少应力所导致的工件表面纵裂的出现。
3 结束语
随着现代化工业技术的逐步发展, 金属零件制造水平的高低将会对工业各个领域的发展带来十分重要的影响, 如何采用各种工艺技术提高金属零件的制造水平已经成为摆在相关领域研究人员面前的重大课题。热处理工艺可以有效提高金属零件的制造水平, 因此, 在金属零件制造过程中应加强热处理工艺同金属切削工艺之间的相关结合, 以实现金属零件制造水平的提高。
摘要：随着科学技术的发展和社会的不断进步, 在现代化工业生产过程中, 对金属零件的制造过程的研究不仅十分重要, 而且相当关键, 如何实现金属零件制造水平的有效提高已经成为相关领域的关注热点。热处理工艺可在确保金属零件原形状及整体成分不变的基础上对零件内部较为特别的结构进行改造, 从而实现金属零件使用性能的进一步完善。鉴于此, 本文对热处理工艺进行了分析, 并重点就其提高金属零件制造水平的作用及意义进行了分析。
关键词：热处理工艺,金属零件,制造水平
参考文献
[1]梁凤尧.热处理工艺在金属零件加工中的作用[J].轻工科技, 2012 (5) :101-104.[1]梁凤尧.热处理工艺在金属零件加工中的作用[J].轻工科技, 2012 (5) :101-104.
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金属零件 篇6
零件的质量主要是由制作材料的质量决定的, 而在加工中, 热处理对于金属的机械性能的改变有着很大的影响。合理的热处理可以通过工艺对金属材料进行性质的提高, 而错误的材料热处理则会破坏机械性能, 使得金属材质变差。故加工设计工作者应当根据不同的材料对金属的热处理进行分类和应用, 为零件的加工进行合理的热处理安排, 以达到提高零件水平的作用。
现代的工业生产中使用的加工金属大多数都是金属合金, 而金属合金材料的结构在微观方面表现在两方面, 首先是金属原子本身的结合, 其次就是金属原子的排列方式, 这种排列是在空间上的。而原子的空间排列是影响金属性能的重要元素之一, 排列的不同就会造成金属性能的不同。
所谓的金属的热处理就是将工件放在特定的介质中加热, 加热的温度也根据需求不同进行不同的调整, 并要把工件房子啊这个温度中保持特定的时间, 然后利用不同的介质进行速度不同的冷却, 以此改变金属的性能, 改变金属的表面以及内部的微观结构。这个特定的过程就是对材料的热处理。
热处理的处理条件不同, 对于金属材料的影响也就不同, 通过一些具体的事例可以很容易的看出热处理对于提高零件水平的影响。
1 提高金属材料的切削性能和加工精度
预先的热处理在金属零件的加工过程中也是必不可少的, 因为在生产工件毛坯以及半成品过程中, 因为材料的却别, 切削条件的差异以及切削刀具的不同工件也会有相应不同的变形状态, 切削表面的光洁度也不同, 而对于材料的切削性能都有着最佳的硬度范围以及金相组织。因此, 为了使得材料尽量达到要求的标准状态, 需要对其进行预先加热。
预先热处理材料可以对材料所需求的切削性能进行保证, 对于加工精度的提高以及减小材料的加工变形程度。即通过这种处理方式对于冶金以及热加工所造成的材料缺陷进行一定程度的弥补, 并为切削加工准备良好的材料状态。
举例1:在齿坯材料进行加工时, 由于齿坯的硬度低容易在切削时粘刀, 产生前倾斜面的积屑瘤, 从而降低了工件的表面光洁度。这就需要对工件的硬度进行相应的提升, 就需要用到正火加不完全淬火的工艺处理, 这样切削过程中切屑粘刀的现象就会大大减小, 由于切屑由带状过渡到挤裂状, 切削的性能也随之提高。
举例2:现在的铝合金在加工时必先经过强化, 这种处理后的合金晶粒小, 并且组织均匀, 相对比铸态或者是压力加工下的零件材料性能要好, 这种性能不仅仅体现在切削性上同时还有机械加工的精度上。
2 提高金属材料的断裂韧性
金属材料的断裂韧性指含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错, 使金属材料中的位错密度下降, 从而提高金属强度, 而减少金属晶体中位错的一种重要方法, 就是细晶强化, 其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。而金属组织的细晶强化的过程实际上就是金属热处理。
在金属热处理过程中, 当冷变形金属加热到足够高的温度以后, 在一定的应力和变形温度的条件下, 材料在变形过程中积累到足够高的局部位错密度级别, 会在变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的变形晶粒, 这个过程称为再结晶。
因此在加工过程中, 对于材料的热处理温度不同可以得到不同性能的材料, 因此, 对于断裂韧性的提高可以通过对于热处理温度的控制来实现。
举例:在SY钢坯料上线切割适当的小圆柱, 机加工后, 选择在700℃, 800℃, 900℃、1000℃和1100℃在Cleeble-1500型热模拟试验机上以5×10-1的变形速率保温30s压缩变形50%, 然后在空气中冷至室温, 再进行680℃×6hAC (空冷) 的退火处理, 再将压缩后的试样沿轴向线切割剖开, 研磨抛光后用化学物质显示晶粒形貌。实验现象为:在700℃时, 扁平的晶粒开始逐渐向等轴晶粒的形状变化。800℃变形的晶粒中等轴晶粒已经有少量出现, 但仍然以变形拉长的晶粒为主。在900℃变形开始, 晶粒突然变得细小, 几乎全部为等轴晶粒, 晶粒度达到YBl2级。
3 减少金属材料的应力腐蚀开裂
金属材料在拉伸应力和特定腐蚀环境共同作用下发生的脆性断裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时, 以及加热后冷却处理时, 改变了材料内部的组织和性能, 同时伴随产生了金属热应力和相变应力。金属材料在加热和冷却过程中, 表层和心部的加热及冷却速度 (或时间) 不一致, 由于温差导致材料体积膨胀和收缩不均而产生应力, 即热应力。在热应力的作用下, 由于冷却时金属表层温度低于心部, 收缩表面大于心部而使心部受拉应力:另一方面材料在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时, 因比容的增大会伴随材料体积的膨胀, 材料各部位先后相变, 造成体积长大不一致而产生组织应力。
举例:金属热处理中, 通过控制淬火冷却速度, 可以显着地控制淬火裂纹, 为了达到淬火的目的, 通常必须加速材料在高温段内的冷却速度, 并使之超过材料的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。这样处理可以更多的抵消组织应力, 增加作用产生的热应力值, 因而在残余应力上就可以减少因拉应力而产生的工件表面纵裂。
4 结论
热处理技术不仅仅是对于金属性能进行改造, 正确的热处理工艺在整个加工制造零件的过程中起到了至关重要的作用, 正确的和切削工艺进行配合可以提升整个零件的质量水平, 因此协调处理热处理的应用是当下设计工作者应当研究的。
参考文献
[1]雷声, 齿轮热处理变形的控制.机械工程师.2008年5期.
[2]王斌武, 周晓艳.浅谈金属零件的设计、切削加工及热处理的关系, 桂林航天工业高等专科学校学报, 2006 (4) .
金属零件 篇7
1激光束(或电子束)在金属零件3D 成形方面的研究现状
在金属零件方面,3D快速成形技术主要集中在激光和电子束方面,主要有选区激光熔化、激光近净成形和电子束选区熔化技术[4,6,7],其中激光束应用最为广泛。“高性能金属构件直接制造技术”采用高功率激光束(或电子束)对粉末或丝材进行逐层熔化/凝固堆积,直接制造出致密金属零件,1992年在美国开始发展,技术难度大,迄今国际上只突破了小型金属构件激光直接制造技术,一直未能实现大型主承力件的激光成形,主要原因在于其疲劳性能仍低于锻件,难以用作飞机的关键部件和主承力部件,只能成形 而不能真 正“成材”。北京航空航天大学王华明教授团队采用逐层铺粉激光束选区熔化技术,实现了高性能、难加工、高活性金属大型复杂整体关键构件增材制造技术,在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术,使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成形技术并成功实现装机工程应用的国家,并在2013年1月凭“3D激光快速成形技术”获国家技术发明一等奖[6]。
2等离子束在金属零件3D 打印中的研究现状
2.1等离子熔覆(等离子束表面冶金)的研究现状
等离子束快速成形技术是在等离子熔覆(等离子束表面冶金,后面均描述为等离子熔覆)的基础上发展起来的。等离子束,与激光束、电子束同为高能束流,可以看作继固态、液态、气态之后的第四 种物质状 态,由被激活 的正离子、电子、中性原子或分子组成,对外呈现电中性;工业中应用的通常为压缩电弧等离子体,其压缩作用主要由水冷铜喷嘴的机械压缩、冷却水的热压缩、电弧自身磁场的电磁压缩所产生,由于温度高,能量密度大,且等离子体中含有浓度非常高的高度活性的正离子和电子,压缩电弧等 离子体在 等离子焊接、等离子切割、等离子熔覆等领域都获得了非常成功的工业应用[9,10,11]。
等离子熔覆与激光熔覆类似,以直流压缩转移弧等离子束流为热源,采用同步送粉方式,在基体表面通过边熔化边凝固的方式形成一层均匀致密的特殊保护涂层。其具有表面冶金层厚、和基体呈良好冶金结合、成分可调范围广、不需严格前处理、效率高、成本低、表面冶金层质量好等优点,特别适合于处理一些既耐磨耐蚀、又耐冲击的金属零件[12]。
等离子熔覆在国内发展较快,山东科技大学材料科学与工程学院的等离子束表面冶金实验室是这方面研究的先行者和倡导者,在李惠琪教授的带领下,实验室十余年来一直致力于等离子熔覆的研究和工业应用,做了大量开创性的工作[12,13,14,15,16,17,18]。近年来等离子熔覆技术在各地矿山设备上获得了良好的应用效果,如煤矿开采中应用的刮板输送机、截齿等,通过等离子熔覆强化后寿命可延长3倍以上,有效提高了煤炭的生产效率,并大幅度降低了吨煤生产成本,等离子熔覆强化刮板输送机现已成为大多数矿山设备招标的标准要求。
等离子熔覆技术对粉体主要有3方面的要求:涂层材料与基体材料热膨胀系数、熔点、润湿性的匹配性,除了考虑冶金材料的热物理特性以外,还应考虑在等离子束快速加热下的流动性、化学稳定性、硬化相质点与粘结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特征等。基于以上要求,等离子熔覆用合金粉体基本沿用激光熔覆用粉体,同时根据等离子束流的特点以及应用领域的不同进行部分合金成分的改变。主要应用的合金粉体有铁基、镍基和钴基自熔性合金粉体以及添加其他陶瓷相的复合粉体[19]。Fe基合金粉体由于耐磨耐蚀性能良好,与最常用的Fe基体润湿性好,价格低,工业应用最多,目前,主要的Fe基合金体系主要为不锈钢型和高铬铸铁型,主要应用于受磨粒磨损且受 中等或较 低冲击的 场合[12];Ni基合金粉体适用于局部要求耐磨,耐热腐蚀及抗热疲劳的构件,目前研究较成熟的有Ni-Cr-B-Si合金和Ni-B-Si合金,主要合金化原理是采用Mo、W、Cr、Co、Fe等元素进行奥氏体固溶强化,运用Al、Ti、Nb、Ta等获得金属间化合物沉淀强化,添加B、Zr、Co等实现晶界强化[20,21];Co基自熔合金粉体是在Stellite系合金的基础上发展起来的,具有优良的高温性能,较好的热强性、热蚀性及冷热疲劳性能,主要用于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件[22,23]。
2.2等离子束在金属材料3D 打印中的研究现状
自20世纪90年代以来,伴随着等离子熔覆技术的研究和应用,等离子束无模直接成形方面国内外有了较多研究。国内华中科技大学、武汉科技大学、装甲兵工程学院、西华大学、新疆大学、浙江工业大学等高校都进行了基于等离子束的金属材料快 速成形技 术研究,采用的原 材料有合 金粉体[24]、丝材[25]等,合金体系有铁基合金、不锈钢、钛基合金、镍基合金等,成形的试件有模具、结构件、筒形件、薄壁件等。
目前,在等离子束3D快速成形方面,研究主要集中在等离子束无模快速成形时的系统设计、温度场模拟、成形工艺、精整加工后处理以及薄壁件的等离子束加工等方面。
(1)系统设计
邹海平等[26]研究了基于等离子弧焊金属零件直接制造系统设计,其核心部分为梯度功能多路自动送粉器设计、5轴运动执行机构、高性能工控计算机软硬件系统,基本原理如图1所示。许超等[27,28]研究了基于微束等离子弧三维焊接和熔覆的直接金属成形系统设计,并进行了中空零件成形实验,证明此套系统可有效进行金属零件的直接制造。闫江松等[29]研发了一种容积式送粉系统,主要创新点在于将粉末计量和输送分开,解决了金属零件直接制造的送粉精度问题。
(2)温度场模拟
王桂兰等[30]基于ANSYS开发了复杂零件参数化设计和优化成形的APDL高效计算程序,实现了高能束三维瞬态温度场的模拟,并用试验进行了验证,结果表明,采用对称跳跃扫描路径及适当的热输入和冷却工艺,能有效改善零件的温度场,降低拉应力和热裂倾向。乌日开西·艾依提等[31]采用有限元分析方法研究了脉冲电流和送丝速率对基体变形的影响,结果表明,脉冲电流、送丝速率越高,基体的变形量越大。
(3)成形工艺
基于等离子束流快速成形的研究还处在试验摸索阶段,成形工艺方面研究相对较多。胡晓冬等[25]研究了等离子弧焊直接金属成形技术的工艺参数,确定了焊接电流、成形速度与成形轨迹宽度之间的对应关系,同时采用根据轮廓矢量进行切向送丝的填充方案,并采用循环水冷的温控措施解决过热问题。乌日开西·艾依提等[32,33,34,35,36]研究了脉冲电流强度、占空比、送丝速度、工作台速度、离子气流量、脉冲频率等工艺参数对等离子弧焊接金属零件快速成形的影响,研究了不同搭接参数对材料性能的影响,实验发现,沉积轨迹横截面的宽高比λ越大,搭接表面平整度越好,拉伸强度和延伸率也更高,且等离子束扫描方向会明显影响工件的拉伸强度和延伸率,故而他们提出:不同层次采用不同扫描方向来获得近似各向同性的工件性能。方建成等[37]提出了一种精细饰纹件等离子熔射快速加工技术,研究了基膜特性、射流特性、粉末特性、熔射枪结构、熔射工艺等因素对成形件质量的影响,并从理论和实验方面进行了精细饰纹件的等离子熔射快速制造加工。F.J.Xu等[38]采用脉冲等离子弧沉积方法制备出镍铬铁625高温合金块体,并研究了不同堆积方式、层间冷却方式、热处理方式等对合金块体的影响,发现层间加强冷却可使枝晶臂变小,提高拉伸性能;980℃固溶退火加直接时效处理后,与常规锻造试样相比,显示出近似的拉伸强度,更高的屈服强度以及稍低的塑性延伸率。向永华等[39]对微束等离子熔覆金属零件直接快速成形技术进行了初步研究,对系统组成、成形工艺、成形工件的组织性能等进行了较系统的研究,他们认为仍需在专用材料和相关控制软件开发等方面进行深入研究。张海鸥等[40]对等离子熔积系统组成、工艺参数控制、送粉方式、试验参数、直接成形零件的组织结构特点等进行了研究,并提出了成行件存在表面精度不高的问题。
(4)精整后加工
等离子束流相比激光束,能量集中性稍差,在快速成形应用中会造成工件的粗糙度较大,特别是竖直方向上更是如此,如果成品工件具有复杂的内腔、曲面,有可能使得最终成形的工件无法进行后续加工而成为废品。为解决这方面问题,熊新红等[24,41,42]通过边成形边加工的方法,采用铣刀等工具在堆积一层或几层的情况下将工件的各个表面先加工出所需的轮廓尺寸,可获得较好的应用效果。其工艺过程的示意图如图2、图3所示。
(5)薄壁件等离子束快速成形
等离子束在薄壁件快速成形方面也有部分研究,如K.Balani等[43]成功采用 真空等离 子喷涂成 形技术做 出直径50cm,高5cm,厚0.6~0.76mm的钒环,另外还做出了厚0.4~0.6mm的氧化铝壳体、铁铝金属间化合物薄片、TaC圆筒等,其技术关键在于芯轴的选择,要求芯轴不能与沉积材料反应,且能够抵挡住等离子体的热量,同时更重要的是能够很容易地与沉积材料分离,该研究采用石墨和6061铝作为芯轴材料。乌日开西·艾依提[44]采用金属丝等离子弧熔覆快速成形技术制备薄壁件,研究了不同热输入与散热条件下工件成形中的温度分布规律及控制方法,研究发现,在等离子弧功率不变时,薄壁件的温度会越来越高,从而导致坍塌,应随着层高增加逐步减少热输入,但功率过低又会导致无法将金属丝完全熔化而产生夹丝。该研究提出了采用减小等离子弧功率与跟随式直接水冷相结合的成形温度控制方式(如图4所示),可有效避免温升导致的坍塌、夹丝等缺陷。
另外,为了解决微束等离子束流对高熔点材料的热输入量不够的问题,钱应平等[45,46,47]采用等离子和激光复合熔积方法,熔化高温合金粉末快速成形,激光应用于等离子弧后,等离子弧柱直径变小,稳定性增强,可快速成形高温合金和难熔材料。其工艺过程示意图如图5所示。
2.3等离子束在3D 打印应用中仍需解决的主要问题
根据以上分析可知,等离子束应用于金属零件3D打印方面还在基础研究阶段,仍然有较多的局限性,如等离子束相比激光的能量集中性来说还是较差,这就会导致近净成形制备工件时,在多层堆积时上一层会倾向于从已堆积的层片边缘流淌,造成水平方向和竖直方向的粗糙度都较大,甚至得不到所需形状;目前工业应用的等离 子设备相 对功率较大,等离子电源在小电流时的控制困难较大且难以熔化高熔点材料,这些都制约了等离子技术在3D打印方面的发展。
目前,在焊接、切割、表面冶金等工业应用中,等离子炬喷嘴一般较大,等离子弧柱压缩比稍小,而小喷嘴精细等离子束流的应用相对较少,主要用在精细熔覆方面,电流可降低到20~50A,从而获得较小稀释率的表面冶金层;微束等离子体则主要应用于超薄板的焊接方 面,维弧电流 可小于5A,电流调节可从3~45A,其能量集中,焊接速度快,电弧稳定性好,焊接质量好,在零件精密连接和修复方面具有独特技术优势。可以预见,由于微束等离子体在精密度方面的优势,在3D打印技术方面必将会获得更多更广的应用[39,48]。
如果工件较简单,也可成形后再通过数控切削的方法加工出所需尺寸精度,同时在金属薄壁件的直接成形过程中,还需要特别注意冷却措施,可采用循环水进行冷却,循环水液面保持在熔焊层3~5mm的距离,以保持良好的冷却效果,同时可减少氧化,增强保护气体的保护效果[25]。
3等离子束在金属零件3D 打印中的发展趋势分析
激光3D打印技术由于需要大功率激光器作为能源,设备造价和运行成本很高,不利于金属零件直接成形技术的发展和工业应用;等离子束设备成本较低,运行和维护成本远低于激光设备,基于等离子束表面冶金的金属零件3D打印技术生产效率可达激光熔覆的6~10倍,采用合金粉体做原材料的话可以达到85%~90%的利用率,远远大于激光3D打印工艺的20%~40%,但等离子束3D打印在精度控制及成形件质量方面要低于激光3D打印技术[39]。等离子束3D打印技术必将在金属材料的近净成形、金属基复合材料的低成本快速制备方面具有广阔的应用前景。
等离子束的金属零件3D打印只是在近十余年才有了较快速的发展,现在还是一项正在发展中的技术,笔者认为,要想获得更快速的发展与工业应用,今后的研究应主要集中在以下几方面:
(1)合金粉体成分体系设计与应用研究。因原有的合金粉体体系设计更多的是针对表面涂层,3D打印专用粉体要求低氧含量、细粒径、高球形度,故而势必要对合金粉体的成分体系、高性能专用特种合金粉体、通用性更强的粉体材料进行更系统深入的研究,同时还要系统研究成形后的后续精加工、热处理等过程对材料性能的影响,以便更好适应金属零件直接快速成形的需要[49]。举例来说,本实验室近几年研究的等离子束原位冶金复合碳化钨块体制备技术[50,51],进一步调整优化合金粉体体系和制备工艺,在金属基复合碳化钨高耐磨材料的直接成形方面将会获得更多应用。
(2)高精度长寿命微束等离子炬的设计。为了满足3D打印的精度方面的要求,减少后续加工量,必须要设计更高精度、寿命更长、工作更可 靠稳定的 微束等离 子炬,才能在3D打印加工过程中减少金属飞溅,并有效控制3D打印过程中的金属流淌和零件变形问题。
(3)等离子束3D打印成形制造成套装备的设计与优化。由于整个制造控制系统是一个复杂的多轴、多运动参数和多过程参数的综合性系统,就运动方式来说,不仅有等离子炬的三轴的移动,还可能需要等离子炬的转动或工作台的转动等,控制系统要能够满足工件三维方向的尺寸精度要求,还要求能够方便设定多种加工参数、进行加工状态的在线监测和自动控制等;复杂工件还将需要不同位置的等离子弧的起灭控制;制备梯度功能材料还需要具有梯度送粉功能的多路同步送粉器,另外系统的温度控制、路径规划控制等都需要进行成体系的研究和设计。
(4)等离子束3D打印成形工艺研究。主要集中在成形工艺设计、成形过程中的温度控制、送粉气离子气等的流量控制、成形精度控制、后续精整加工等方面。另外由于直接成形工件属于非平衡凝固状态,相组成和平衡凝固可能会差异很大,同时内应力很大,易造成工件开裂,故还需对后续热处理工艺进行更深入的研究;同时,还要进一步研究等离子束在大型复杂整体关键构件方面的3D制造工艺。
(5)等离子束3D打印成形技术的应用研究。因为当前3D打印技术还不属于成熟技术,很多研究都是在实验室中的基础研究,工业上的应用还较少,主要集中在航空航天和军事领域,今后在等离子束3D打印技术方面,应重点关注金属基复合材料、梯度合金材料、具有复杂表面的模具、管道的修复等领域的应用,可较好地凸显等离子束3D快速成形技术方面的优势。
4结语