韓啟航

（東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 安徽 合肥 110819）

0 引言

目前，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于有色金屬材料的成型加工技術(shù)已經(jīng)有了較為深入的研究，但是這些研究成果大多集中在單一方面的問(wèn)題上，缺乏對(duì)整個(gè)過(guò)程的全面分析和綜合評(píng)價(jià)［1］。 因此，本文將從多個(gè)角度出發(fā)，分析有色金屬材料的成型加工技術(shù)及其相關(guān)問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方案。

1 有色金屬材料的成型加工技術(shù)

1.1 軋制

軋制是指將金屬坯料通過(guò)滾動(dòng)壓力和溫度作用使其變形形成所需形狀的過(guò)程。 軋制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料的塑性變形和硬化處理，從而達(dá)到提高其強(qiáng)度、硬度以及改善其表面質(zhì)量的目的。 在實(shí)際應(yīng)用中，軋制過(guò)程中需要考慮多個(gè)因素的影響，如軋輥速度、壓力、溫度等。 其中軋輥的速度是影響軋制效果的重要參數(shù)之一，如果軋輥速度過(guò)快或過(guò)慢，都會(huì)導(dǎo)致軋制不均勻或者出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題。 因此，在進(jìn)行軋制時(shí)需要選擇合適的軋輥速度以保證產(chǎn)品質(zhì)量［2］。 此外，軋制過(guò)程中還需要控制軋輥的壓力和溫度等參數(shù)，以便獲得更好的成品性能。

1.2 拉拔

拉拔的主要目的是保證制品的質(zhì)量和尺寸精度。 在進(jìn)行拉拔時(shí)，需要考慮多個(gè)因素。 選擇合適的拉拔速度和力度，以避免對(duì)制品造成損傷或變形。 注意模具的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，確保其能夠承受較大的拉拔力。 還要考慮到原材料的選擇和處理方式等因素的影響。 在實(shí)際操作過(guò)程中，需要注意以下三點(diǎn)：（1）確定好拉拔的速度和力度。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)采用逐漸加大拉拔力度的方法來(lái)完成拉拔過(guò)程。 同時(shí)要注意控制拉拔的時(shí)間長(zhǎng)度，以免影響制品的表面質(zhì)量或者形狀精度。 （2）關(guān)注模具的設(shè)計(jì)和制作情況，確保它具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 （3）合理地安排生產(chǎn)流程，減少工序之間的相互干擾，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確性［3］。

1.3 模鍛

模鍛是通過(guò)模具擠壓或拉伸的方式將原材料變形成所需形狀。 該方法適用于制造具有復(fù)雜幾何形狀和高精度要求的產(chǎn)品，如汽車零部件、航空航天零件等。 主要包括預(yù)制模設(shè)計(jì)、模具制作、成型過(guò)程以及后處理等方面。其中預(yù)制模的設(shè)計(jì)是整個(gè)流程中最重要的環(huán)節(jié)之一，預(yù)制模設(shè)計(jì)的目的是獲得最終產(chǎn)品所需要的形狀，因此需要考慮多個(gè)因素的影響，例如模具的尺寸、形狀、材質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時(shí)還需要考慮到生產(chǎn)效率、成本等問(wèn)題，不同的模具類型可以用于不同類型的產(chǎn)品制造，例如用于制造大型件的模具通常采用厚壁板結(jié)構(gòu)；而對(duì)于小型件而言，則可以選擇使用薄壁板結(jié)構(gòu)的模具［4］。

1.4 壓鑄

壓鑄主要特點(diǎn)是將原材料經(jīng)過(guò)加熱熔化后進(jìn)入模具中，通過(guò)壓力的作用使熔體均勻地填充到模具內(nèi)，形成所需形狀的坯料。 然后，冷卻凝固后的坯料再進(jìn)行二次處理（如切削、磨光等）以獲得最終產(chǎn)品。 在實(shí)際生產(chǎn)中，壓鑄工藝的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如汽車行業(yè)需要大量的鋁合金零部件來(lái)提高車輛的性能和安全性能，航空航天領(lǐng)域也需要大量使用鎂合金和其他輕質(zhì)金屬材料，這些材料和零部件都需采用先進(jìn)的壓鑄技術(shù)來(lái)生產(chǎn)制造。 模具的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到多個(gè)因素，包括材料特性、形狀復(fù)雜度以及生產(chǎn)效率等方面，常用的模具材質(zhì)有鋼、銅、青銅等多種選擇［5］。

1.5 粉末冶金

粉末冶金是一種將固體物質(zhì)轉(zhuǎn)化為粉末的過(guò)程，然后通過(guò)熱處理或壓力來(lái)形成所需形狀。 該方法可以制造出具有高強(qiáng)度和低密度的結(jié)構(gòu)物件，如航空航天器零件、汽車零部件以及醫(yī)療器械等。 在有色金屬材料中，粉末冶金被廣泛應(yīng)用于制備各種形狀的構(gòu)件，例如球形、棒狀、板狀等。 一般分為幾個(gè)基本步驟：原料預(yù)處理、粉末合成、干燥、壓實(shí)、燒結(jié)、表面處理等。 其中，原料預(yù)處理是整個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)，包括粉碎、篩分、洗滌、脫水等操作。 粉末合成是指將原材料進(jìn)行粉碎并均勻混合后制成粉末，粉末大小應(yīng)該控制在一個(gè)范圍內(nèi)，以保證最終制品的質(zhì)量和性能。干燥是為了去除粉末中的水分而采取的一種措施，干燥過(guò)程需要保持一定的溫度和時(shí)間才能達(dá)到最佳效果。 壓實(shí)則是指將粉末壓制成所需形狀，通常采用高壓設(shè)備或者模具進(jìn)行。 燒結(jié)是在高溫下使粉末變成固態(tài)的方法。 表面處理包括涂層、噴砂、電鍍等多種方式。 該步驟需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的控制和管理才能確保成品質(zhì)量和性能符合要求。

2 有色金屬材料的熔煉

2.1 熔煉原料

熔煉是指將原材料加熱到一定溫度，使其變成液態(tài)狀態(tài)，然后通過(guò)冷卻和結(jié)晶來(lái)得到所需要的形狀和尺寸。 常用的有色金屬材料熔煉原料包括銅、鋁、鎂、鋅、鎳等多種元素及其合金。 這些原料可以單獨(dú)使用或混合使用，以滿足不同需求。 在選擇熔煉原料時(shí)，需要考慮其化學(xué)成分、物理性質(zhì)等因素，例如銅是一種常見(jiàn)的有色金屬材料，它不僅具有良好的導(dǎo)電性能，還具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，此外銅還可以與其他金屬進(jìn)行合金化，從而提高其綜合性能，由于銅的價(jià)格較高且易氧化，所以在實(shí)際應(yīng)用中還需要對(duì)其表面進(jìn)行保護(hù)措施。

2.2 熔煉設(shè)備

目前，常用的有色金屬材料熔煉設(shè)備主要有電爐、感應(yīng)爐、電阻爐等多種類型。 其中電爐是最為常見(jiàn)的一種設(shè)備，它采用交流電源供電，利用電磁場(chǎng)對(duì)熔料進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)熔化。 這種設(shè)備的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低廉，同時(shí)由于其加熱方式較為均勻，能夠保證熔料的質(zhì)量穩(wěn)定。電爐也存在一些缺點(diǎn)，例如需要較大的空間占用、易受環(huán)境因素的影響等。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中還需要結(jié)合具體情況來(lái)選擇適合的熔煉設(shè)備。 除了電爐之外，感應(yīng)爐也是一種常用的熔煉設(shè)備，相比于電爐而言，感應(yīng)爐更加節(jié)能環(huán)保，它的工作原理是在磁鐵周圍放置銅線圈，當(dāng)電流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生渦流效應(yīng)，這種效果使得感應(yīng)爐可以有效地提高熔料的熔化效率，同時(shí)也能減少能源消耗。

2.3 熔煉工藝

熔煉是指將原材料加熱到一定溫度時(shí)，使其變成液態(tài)狀態(tài)的過(guò)程。 在熔煉中，需要控制好溫度和時(shí)間等因素，以確保最終得到的質(zhì)量符合要求，如圖1 所示。 同時(shí)還要考慮熔煉過(guò)程可能產(chǎn)生的一些問(wèn)題，如氧化反應(yīng)、碳化反應(yīng)等。 在實(shí)際操作中，通常采用電爐或感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，這兩種設(shè)備具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 電爐可以提供更加均勻的熱量分布，同時(shí)也會(huì)增加能源消耗；感應(yīng)爐雖然能夠提高能量利用率，但是可能會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱等問(wèn)題。 選擇合適的設(shè)備對(duì)于保證熔煉質(zhì)量至關(guān)重要，除了對(duì)設(shè)備的選擇外，還需注意控制熔煉過(guò)程中的氣氛環(huán)境，一般氧氣含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氧化反應(yīng)產(chǎn)生，而氮?dú)夂窟^(guò)高則會(huì)引起碳化反應(yīng)，因此在熔煉的過(guò)程中要保持適當(dāng)?shù)臍夥窄h(huán)境。

圖1 熔煉工藝曲線

2.4 熔煉過(guò)程中的雜質(zhì)問(wèn)題

雜質(zhì)的存在會(huì)對(duì)成品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生影響。 常見(jiàn)的雜質(zhì)包括氧化物、硫化物、碳化物等。 其中，氧化鐵是常見(jiàn)于銅合金中的一種雜質(zhì)，其含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致銅合金表面出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象；硫化物則會(huì)影響銅合金的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性；碳化物則是導(dǎo)致銅合金硬度下降的主要原因之一。 為了降低雜質(zhì)的影響，可以采用不同的方法進(jìn)行處理，例如通過(guò)添加還原劑或者酸堿溶液對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行溶解和清除。此外，還可以通過(guò)控制冶煉溫度和時(shí)間來(lái)減少雜質(zhì)的生成量。 在實(shí)際操作中還需要注意一些細(xì)節(jié)問(wèn)題：選擇合適的還原劑和酸堿溶液，以保證它們的穩(wěn)定性和安全性；嚴(yán)格控制冶煉溫度和時(shí)間參數(shù)，避免過(guò)熱或過(guò)冷的情況發(fā)生；加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析工作，以便更好地掌握熔煉過(guò)程中的各項(xiàng)指標(biāo)變化情況。

3 有色金屬材料的燒結(jié)

3.1 燒結(jié)的基本理論

燒結(jié)基本原理是在高溫下使金屬或合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理變化，從而達(dá)到固化的目的。 在有色金屬材料中，燒結(jié)的主要作用是將原材料中的雜質(zhì)元素從晶粒內(nèi)驅(qū)除出來(lái)，形成無(wú)雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。 同時(shí)燒結(jié)還能夠提高材料的硬度、強(qiáng)度以及耐腐蝕性等方面的表現(xiàn)。 燒結(jié)過(guò)程中，需要控制溫度、時(shí)間等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的效果，其中溫度是最重要的一個(gè)因素。 對(duì)于不同的金屬或合金，燒結(jié)的最佳溫度是不同的，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要對(duì)不同材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，確定最佳的燒結(jié)溫度，此外，還需要注意爐溫的變化規(guī)律以及爐內(nèi)的氣氛狀態(tài)等因素的影響。

3.2 燒結(jié)的影響因素

溫度和時(shí)間這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是有色金屬材料的燒結(jié)過(guò)程最重要的影響因素。 溫度是控制熔化過(guò)程的速度和質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，而時(shí)間長(zhǎng)短則決定了整個(gè)燒結(jié)過(guò)程。 溫度對(duì)于燒結(jié)的影響非常顯著，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)加速熔化的速度，但同時(shí)也會(huì)使得成分發(fā)生變化，從而導(dǎo)致成品質(zhì)量的下降，因此，需要通過(guò)合理調(diào)節(jié)來(lái)保證溫度處于合適的范圍內(nèi)。 不同的金屬材料具有不同的熔點(diǎn)值，所以在相同的溫度下，不同類型的金屬材料所需要的時(shí)間是不同的。 同時(shí)，還有一些其他的因素會(huì)影響到燒結(jié)的結(jié)果，例如壓力、氣氛等，這些因素都會(huì)影響到熔化過(guò)程中的速率以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.3 燒結(jié)的工藝流程

燒結(jié)的工藝流程主要包括預(yù)處理、加熱、保溫、冷卻階段四個(gè)階段，其中每個(gè)階段都有其獨(dú)特的作用。 在預(yù)處理階段，需對(duì)原材料進(jìn)行清洗、干燥以及表面涂層處理等，目的是去除雜質(zhì)物質(zhì)并保證原材料的質(zhì)量穩(wěn)定；在加熱階段，原材料要經(jīng)過(guò)高溫爐內(nèi)加熱的過(guò)程來(lái)達(dá)到所需的溫度，需注意控制好火候和時(shí)間參數(shù)以確保產(chǎn)品質(zhì)量；保溫階段則是為了防止熱變形，保持產(chǎn)品的形狀不變；在冷卻階段，將制品放入冷水浴中降溫，避免過(guò)快冷卻導(dǎo)致內(nèi)部裂紋產(chǎn)生。 整個(gè)過(guò)程需要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間和溫度參數(shù)，才能夠得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，如圖2 所示。

圖2 燒結(jié)的工藝流程

4 有色金屬材料的熱擠壓

4.1 擠壓模具設(shè)計(jì)

有色金屬材料的熱擠壓模具的選擇和制作需要考慮到多個(gè)因素，包括材料特性、工藝條件以及生產(chǎn)效率等。一般常用的模具材料主要包括鋼材、鑄鐵、鋁合金等。 其中，鋼材是最常見(jiàn)的一種材料，其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，而鑄鐵則因其良好的導(dǎo)電性和抗氧化性能而被廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境中。 模具的大小和形狀也需要考慮清楚，一般情況下，模具應(yīng)該盡可能地縮小產(chǎn)品尺寸以提高產(chǎn)量率。 模具的表面處理也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，模具表面應(yīng)進(jìn)行拋光或者噴涂等處理。模具的制造方法可以分為鑄造法、鍛造法、切削法等，不同的方法適用于不同的情況。

4.2 擠壓力計(jì)算

擠壓力是指在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)材料施加的壓力大小，通常擠壓力越大，材料變形越明顯，但是如果擠壓力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)裂紋或斷裂等問(wèn)題，因此需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定最佳的擠壓力值。 為了進(jìn)行擠壓力計(jì)算，可以采用一些數(shù)學(xué)模型來(lái)輔助研究，其計(jì)算公式為：P＝f*d，其中P表示擠壓力，f表示速度，d表示直徑。 在公式中，速度決定了材料被壓縮的速度以及變形的方向。 在不同的直徑下，材料的變形效果也會(huì)有所不同，因此在實(shí)際操作時(shí)需要注意這些因素的影響，同時(shí)還需要考慮材料本身的特點(diǎn)和工藝條件等因素，以確保最終得到的產(chǎn)物質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的要求。

4.3 擠壓力校核

為了保證制件的質(zhì)量和性能，必須對(duì)擠壓力進(jìn)行嚴(yán)格的校核。 需要確定擠壓力的確切值，一般擠壓力應(yīng)該與模具的設(shè)計(jì)尺寸相匹配，以確保制件的大小和形狀符合設(shè)計(jì)要求，還需要考慮制件的厚度和表面粗糙度等因素，這些因素會(huì)影響制件的力學(xué)性質(zhì)和外觀質(zhì)量。 制件的變形過(guò)程所產(chǎn)生的溫度變化和冷卻速度等問(wèn)題如圖3 所示，這些問(wèn)題都會(huì)影響制件的形貌和硬度等方面的因素，從而影響到最終的產(chǎn)品質(zhì)量。 在實(shí)際生產(chǎn)中，可以采用多種方法來(lái)校驗(yàn)擠壓力，例如可以使用壓力計(jì)或壓力傳感器測(cè)量擠壓力的變化情況，也可以通過(guò)觀察制件的外形和表面質(zhì)量來(lái)判斷是否達(dá)到了預(yù)期的要求。

圖3 金屬變形程度對(duì)擠壓力的影響

4.4 擠壓力測(cè)試

擠壓力測(cè)試的方法有很多種，其中最常見(jiàn)的方法是使用壓力計(jì)來(lái)測(cè)量擠壓力的大小。 壓力計(jì)是一種能夠直接測(cè)量壓力大小的儀器設(shè)備，通常由一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)顯示裝置組成。 在擠壓力測(cè)試中，需要先確定合適的壓力范圍。 一般對(duì)于不同的有色金屬材料來(lái)說(shuō)，擠壓力的要求也不同，例如銅材一般需要較高的擠壓力才能達(dá)到較好的成型效果，而鋁材則需要較低的壓力，因此在實(shí)際操作時(shí)要根據(jù)具體情況選擇適合的擠壓力范圍。 除了壓力計(jì)外，還可以采用其他方式來(lái)測(cè)試擠壓力，比如可以通過(guò)觀察模具表面的變化來(lái)判斷擠壓力的大小，或者利用計(jì)算機(jī)模擬的方式來(lái)計(jì)算出擠壓力的大小等。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究對(duì)有色金屬材料的成型加工進(jìn)行了深入分析。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用了多種方法進(jìn)行材料的制備和處理，包括燒結(jié)、熱擠壓工藝。 同時(shí)還結(jié)合了相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了不同條件下的材料性能變化規(guī)律。 經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，采用高溫?zé)Y(jié)的方法可以有效地提高材料的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)還能改善其組織結(jié)構(gòu)。 為今后的有色金屬材料應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。