化工设备常用金属材料加工工艺论述

耿雪峰

摘要：本文对化工设施常用的主体金属材料的加工工艺做了相应的介绍与归纳，讨论了各种金属材料加工工艺的优点以及缺点。化工设施主体材料对材料的抗酸碱能力要求比较高，所以金属材料的制备工艺除了平时所用金属材料的加工工艺之外还有属于特种金属材料的加工工艺。

关键词：化工设备；金属材料；加工工艺

1.简介

化工设备所用的金属材料的性能必须是可以承受一定温度或者是强酸强碱或者是一定压力的金属材料。对材料的抗酸碱能力要求比较大，所以金属材料的制备工艺除了平时所用金属材料的加工工艺之外还有属于特种金属材料的加工工艺。在我国化工设施常用的主体金属材料的都必须是特殊的能承受一定环境变化的金属材料。金属材料的加工工艺包括一般的变形加工、切削加工、磨削加工、热处理以及表面处理等等加工工艺。

2.化工设施主体材料加工工艺

2.1变形加工

塑性成形：所谓塑性成形就是指在一定的温度下使用一个模具在一定的应力下使金属发生塑性形变。塑性成形一般又分为锻造、轧制、挤压、冲击挤压等。

锻造：锻造是最为古老的一种加工方式，指的就是在冷加工或者高温作业的条件下以一种捶打和挤压的方式把金属锻造成形，这也是最为直接的一种加工工艺之一[1]。

扎制： 指的就是先经过预制一定形状的模型之后高温金属坯段通过几个连续的圆柱型辊子，辊子把金属扎入前预制的型模中，从而得到预设的造型。

挤压：即用于连续加工的，同时具备一样的横截面形状的金属造型的工艺，其一方面能够在高温条件下作业，另一方面还能够进行冷加工。

冲击挤压：主要用于加工无烟囱锥度要求获得一定规格的零部件。其具有一定的优势，对不同壁厚的零部件均适用，其生产成本相对偏低，非常迅速高效。

拉制钢丝：这种工艺就是用于拉制各种型号的钢丝。

2.2固体成型加工

固体成型加工：所谓的固体成型加工就是支原料在常温的条件下将金属条加工成一些具有固定形态的物体。其成本投入相对低廉。主要可以分为旋压、弯曲、冲压成型、冲孔、冲切。

旋压：旋压指的是在实际生产过程中为了形成常见的圆形的零部件。在车床上对其进行一定的旋转切割得到固定形状的部件。

弯曲：所谓的弯曲工艺就是指对片状或者是管状的材料进行生产的工艺。

冲压成型：这种工艺指的就是把金属片置于两个模具间经过压制成型，能够在生产中空的造型中使用。

冲孔：即通过特殊工具在金属片上冲剪出某种造型，在小批量的制造中较为适宜。

冲切：其大体上与冲孔工艺类似，不同之处是冲孔利用的是冲下的部分，而冲切利用的是冲切之后剩余下的部分[2]。

2.3压力加工

压力加工，不言而喻，就是利用外在压力对金属产生一定的塑性形变来得到所需的与满足机械性能要求的零部件或毛坯。其涉及到的方式包括拉拔、挤压、轧制、冲压、锻造。

其中，锻造又分为自由锻以及模锻。锻造是一种古老的加工方式就是利用锻锤的往复冲击力或者是压力机的压力来改变毛坯的形状尺寸，获得我们所需要的形状以及尺寸要求。

自由锻：即通过压力或冲击力等作用使金属在2个抵铁间变形， 利用这种变形来得到我们所需要的尺寸的锻件。一般情况下把自由锻分为手工锻造和机械锻造两种。这种锻造方法比较简单，运用的比较广泛。

模锻：很显然模锻就是利用模具来进行锻造。其分类可以分为锤上模锻、胎膜锻、 压力机上模锻。一般就分为这几种锻造方式，不同的锻造方式有各自的有点同时也有自己的缺点[3]。

板料冲压：通常情况下，即通过冲模方式使板料变形或分离。而这种方法大多是在冷态下进行，所以这种方法也可以叫做冷冲压。相对而言也有热冲压，也就是在板料超过8-10mm时，才会采用热冲压技术。该技术具有的主要特点为：能够生产获得形状较为繁琐的零部件，同时产生偏少的废料。通过该方式制备出的产品，其表面粗糙度相对偏低，并且其精度相对偏高。通过该方法可以得到刚度与强度相对偏高、消耗材料相对偏少、质量相对偏低的零件。同时，所需要的费用相对偏低，非常适合在大批量生产中应用。

冲压工序：分离（落料→冲孔→切断→修整）→变形（拉深→弯曲→翻边→成型）

2.4切削加工：生产精度要求较高的零件一般通过该种方式进行，主要是通过机床来切削金属[4]。一般来说，机床主要有铣床、车床等诸多类型。

对于车床来说，其往往用来加工回转体的端面与不同类型的回转表面。对于铣床来说，其能够加工垂直面、水平面等。对于钻床来说，其能够通过钻头来得到精度相对较低的孔，同时还能够利用钻来完成扩孔—铰孔，通过夹具还能够获得位置精度相对较高的孔系。对于镗床来说，其基本上用来制备精度要求相对偏高、相对偏大的孔，尤其对处于不同地方，位置与孔距等要求相对较高的孔系较为适用。所谓电火花加工，即主要通过电火花放电过程中形成的腐蚀作用来加工材料[5]。电火花线切割机床加工主要是基于前者而形成的一种方法，这种方法不需要提前生产专用工具电极，主要是通过通用电极来发挥其功能。

2.5磨削加工

即通过磨料将材料去除的一种方式。一般情况下，根据工具类型对其加以划分，主要将其分成2种类型；也就是使用自由与固定磨粒加工。通常情况下，按照表面生成方法、加工对象的差异进行分类，砂轮磨削主要划分成内圆、外圆、平面、成型磨削方法。对旋转表面根据工件夹紧与驱动方式进行分类，主要包括无心和定心磨削两种类型。根据砂轮进给方式的不同进行分类，主要包括切入和纵向进给磨削两种类型。根据磨削行程的不同对其进行分类，主要将其划分成定程磨和通磨两种类型。根据砂轮表面工作方式对其进行分类，主要将其划分成周边-端面、周边磨削两种[6]。根据磨削区具体状况进行分类，主要将其划分成以下2种：

2.5.1恒压力磨削 即将切入压力控制为定值的磨削方法，也就是控制砂轮对工件的压力的加工方法，比若说砂轮架就属于该种方法的范畴。

2.5.2定进给磨削 即控制切入进速度为恒值的磨削。工作过程中，砂轮以某个既定的进给率与磨削表面呈90°角进行切入进给，当前业界普遍应用的磨床基本上通过该方法进行。

3.焊接

这属于使金属材料永久性连接的技术。归根结底，焊接即通过加压或者加热等方式，利用金属原子的扩散和结合作用，最终使原本相互分离的金属材料紧密结合在一起。根据过程特点对其进行分类，主要将其分为3种类型，也就是钎焊、压力焊、熔化焊。

所谓熔化焊，还叫做自身焊，也就是利用加热的方式来熔化被焊金属而使其连在一起。所谓压力焊，即在加热的基础上进行加压，通过这种方式使被焊金属彼此相连。所谓焊料焊，即经由加热的方式来将焊接材料熔化，然后使被焊金属彼此连接。对于熔化焊来说，其中使用最广泛的当属电弧焊。此外，业界使用较为普及的还有：电渣焊、等离子弧焊接、真空电子束焊接等[7-9]。埋弧自动焊主要具有以下几方面基本特征：具有相对较高的生产率、质量相对较高同时非常稳定、改善工作条件、节约金属材料等。然而，其还存在一定的不足，即工艺准备较为繁琐，相关设备成本非常昂贵等，只是在大规模加工圆筒形工件的纵、环焊缝和长直线焊缝之中适用。

3.1气体保护焊

氩弧焊的保护气体为Ar，Ar属于惰性气体，其能够保护熔化金属与电极免于空气的负面影响。在高温条件下，Ar不会与焊接的金属材料发生化学反应，同时其在金属中不会溶解，鉴于这一个方面的原因，氩弧焊具有相对较高的质量。二氧化碳气体保护焊，顾名思义，这种电弧焊主要是以CO2作为保护气体。其主要是是将焊丝当作电极，通过其与焊件两者间形成的电弧来将两者熔化，通过自动或半自动的方法完成焊接。其主要具有以下几方面优点：第一，所需要的费用相对较低，能够通过价格相对较低同时非常容易得到的二氧化碳来将焊剂取代，其所需的成本只是手弧焊与埋弧自动焊的百分之四十；第二，具有相对较高的生产效率，同时具有相对较好的质量与操作性。其同样存在一定的不足之处：二氧化碳的氧化作用导致溶滴飞溅现象相对明显，正是由于这一个方面的原因，所以焊缝的光滑程度相对较低，同时焊接过程中产生相对较大的烟雾，并且弧光非常强烈，要是不注意，则非常易于形成气孔[10]。

特点 （1）焊料熔化：使用焊料焊接法的过程中，仅仅熔化焊料，被焊金属则保持在固态水平，因此不会对材料性能产生相对严重的干扰（2）焊件和焊料两者的成分不一样，从而产生了接头（3）金属的连接能够连接异质金属。

3.2炉内焊接法

特点（1）处于真空密闭环境中，这样金属就非常不容易被氧化。（2）能够准确控制温度，同时能够非常均匀的加热焊件。（3）在金属一烤瓷基底桥的焊接中较为普及。

3.3激光焊接法

有的物质原子中的粒子受到电或光的作用，使原子能级由低向高转变，与此同时，辐射出方向、频率、相位都一样的光，其主要特点是光束方向性好、能量高度集中、颜色单纯。

主要特点：（1）焊接过程非常快，所用的时间非常短（2）没有电磁影响，能够在大气中实现，非常便于操作（3）具有相对较高的准确性，不需要对被焊金属实施包埋固定，不会出现变形现象（4）污染小、无噪声（5）热作用范围相对较小，热量集中、加热范围较小、冷却与受热非常迅速，不会对焊件产生严重的影响。

3.4激光点焊机点焊法

主要特点：（1）该种方法为电阻焊接法。（2）其热源是电流经过焊件过程中形成的电阻热，利用其对焊件进行加热，使其熔化，从而完成整个焊接过程。

4.热处理

即在某个条件下，提供一定的加热和与冷却给金属材料，通过这种方法使其得到一定的化学或机械性能。金属零件实施一定的热处理，这样做旨在实现：使其耐磨性、强度提高，并使其硬度减小，为将加工时形成的内应力消除提供有力条件，使其表面耐蚀、耐磨性增加。

退火：加热工件至稍微超过临界温度，保温一段时间，接着使其缓慢冷却，这就是所谓的退火。因加热温度与冷却速度存在一定的差异，退火对金属性能与组织的改变同样存在一定的差异。

业界较为普及的方式有完全退火，其效果是细化颗粒、降低金属组织的不均匀性、改善切削加工性、使温度降低、消除内应力、提高塑性与韧性。球化退火大体上是在冷却模具与刀具上应用，锻造毛坯，作用与上法相同，以备后期的淬火处理。消除加工硬化的退火，基本上是用来将工件通过冷拔、冷弯灯之后所形成的硬化消除。去应力退火，基本上是在消除铸件、精密零件等制备时形成的内应力时使用。对于正火，其属于退火变态，其和完全退火之间有所不同：前者主要是使工件在空气中冷却，而后者则为随炉冷却。其旨在改善切削加工性、细化晶粒、增加强度与韧性、为进一步的热处理打下基础。淬火即将工件加热至超过临界温度，然后保温某段时间，将其放入盐水、油或者水里面，使其在短时间内迅速冷却。根据加热程度对其进行划分，主要包括表面与整体淬火两种类型，其中，对于后者，根据冷却方法可以将其划分成等温、分级、单/双液淬火等几种类型。

表面淬火过程中，加热工件表面使其上升至淬火温度，接着通过冷却剂将其骤然冷却，这种情况下，工件的表面获得的硬度非常高，但是其内部韧性依旧如故。根据加热方法，主要将其划分成以下几种类型：煤气高频淬火、浸液淬火等。

加热淬火的零件，使其上升至一定的温度（低于723℃），保温处理某段时间，接着将其在空气、水、油中冷却，叫做回火。这样进行处理旨在：降低淬火零件的内应力，使其硬度、脆性减小，使其韧性提高。

回火主要包括以下几种类型：低温回火，温度范围为 ，能够用来处理滚动轴承、各类工具、渗碳零件；中温回火，温度范围为 ，主要是用来处理锻模、弹簧、冲击工具；高温回火，温度范围为 ，主要是用来处理不同类型的连杆、齿轮等。

化学热处理：其中包括氮化和氰化等，氮化即将工件置于介质（含氮原子）中，将其加热至500-600℃，使其表面增氮。旨在使其耐腐蚀性、疲劳强度、耐磨性与硬度提高。其主要包括离子、气体、液体氮化三种类型。氰化还被称为碳氮共渗。主要具有以下几方面基本特点：迅速、效率高、然而使用的氰盐为剧毒物质，其价格非常高。根据温度的不同进行分类，主要包括低、中、高温氰化三种类型，三者的温度分别为520-580℃、820-880℃、900-940℃。

5.表面加工

黑色金属的氧化处理（发黑），即把工件置于溶液（其中具有硝酸钠、苛性钠）里面，通过这种方式使其表面形成非常薄的黑色氧化膜层。

黑色金属的磷化处理，即把工件放在溶液（磷酸盐）里面，通过这种方式使其表面形成磷酸盐薄膜层。通常情况下，不会使零件大小外形、磁性、机械性能发生改变。主要包括冷磷化、中温和高温磷化三种类型。

碳钢表面处理：主要包括四种类型：电镀、热镀、发黑、喷漆。所谓电镀，即通过电解法在工件表面沉积上金属，从而产生结合力强、致密、均匀的金属层。对于热度与电镀，前者的镀层相对偏厚，后者的镀层非常薄，比较均匀。前者镀层色泽相对暗淡，后者比较光亮。后者镀层相对偏薄，具有相对较差的耐蚀性。前者镀层还和基体金属构建起渗入层，具有相对较好的耐蚀性。

热镀锌即使熔融金属和铁基体反应之后形成的合金层，这样就使得基体与镀层能够结合在一起。即首先对工件实施酸洗处理，通过这种方式将工件表面的氧化铁除去。然后经由NH4Cl或ZnCl或两者的混合水溶液槽中对其实施清洗处理，接着将其放到热浸镀槽中对其实施进一步的清洗，最终将其放到热浸镀槽中。该种方法具有诸多优势，其镀层均匀，使用时间长。

黑色金属的氧化处理（发黑），即把工件置于溶液（其中具有硝酸钠、苛性钠）里面，通过这种方式使其表面形成非常薄的黑色氧化膜层（其厚度处于0.5-1.5 μm范围内。工件经由发黑处理后，其外观得到改善，并且获得或多或少的抗腐蚀能力，一般用来处理不同类型的零件的装饰防护，例如细钢丝、精密仪器、武器等。

塑料电镀主要特点如下：通过该种方获得的制品同时兼具金属与塑料的特点。其具有相对较好的耐腐蚀性，同时具有相对较小的比重，便于成型，具备金属质感与光泽，除此之外，还具备焊接、导磁、导电等性能。能够降低金属材料使用量，在很大程度上简化较为复杂的加工工序，具有非常强的装饰性，并且还使塑料的机械强度明显改善。

6.小结

本文对金属材料的加工工艺进行了概述，不同的材料加工方法都有各自的有点以及缺点。我们所要做的就是尽量的规避每一种材料加工工艺的缺点，对我们所发现的有点集中利用。得到我们想要得到的性能的金属材料。

参考文献：

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