关于机械设计中金属材料的合理应用

2021-11-30韩小佩

中国金属通报 2021年1期

韩小佩

（宝鸡西北有色地质机械研究院有限公司，陕西宝鸡 721300）

当前我国工业产业的整体发展速度不断加快，机械产业是我国工业产业发展过程中非常重要的组成部分，同时也直接关系到我国国民经济的整体发展层次。因此，要想进一步推动我国工业化发展水平，必须要以机械行业发展为金属，全面提高机械制造产业的整体生产效率和生产质量。机械设计工作是机械部件制造工作的首要工作环节，同时也直接关系到后续机械产品的生产质量和使用效果，要想进一步提高机械部件产品设计的科学性与合理性，需要对金属材料进行合理选择，有效保证金属材料质量符合机械产品的使用需求。在金属材料的选择和设计工作当中，需要充分结合材料的性质、荷载尺寸、质量性能等多方面因素来进行考虑，进一步提高机械产品的生产工作质量和精度。

1 金属材料在机械设计中选择的原则

1.1 荷载大小

荷载属于一种物体直接受力的表现方式，主要指的是直接作用在一个物体之上，使得物体的表面形成一种外部的压力，不同类型的材料都具有自身的极限荷载，主要表现在材料自身对外部压力的最大承受能力。在机械设计工作中针对金属材料的选择，必须要考虑到不同金属材料的荷载能力，当金属材料的荷载能力小于外部压力作用条件下，会造成金属材料在使用过程中产生受力变形问题，会直接造成金属部件出现破裂和损坏问题。因此，在机械设计工作金属的材料选择工作中，必须要充分考虑到金属材料的极限荷载能力，并且对其进行全面计算和分析，从中选择出最佳的金属材料来加以使用。

在一些机械部件的设计工作中，对金属原材料的和展能力要求相对较高。由于金属荷载属于直接作用在机械零部件之上，如果某些部位的荷载能力不足，会造成零部件的受力变形问题而无法使用。因此，针对金属外部荷载能力来讲，零部件通过外部受力产生变形问题，零部件内部也会受到相同的反作用力影响，也被称之为应力影响。如果金属材料的承载能力相对叫弱金属材料的质量就越低。为了有效提高金属部件材料的承载能力，需要将一些低碳钢和中碳钢渗合理应用在机械产品的设计工作当中，要选择质量更高的碳素钢和合金钢进行加工和使用，其中碳素钢的含量需要低于2.2%的碳钢，其中还需要含有一定量的锰、磷等元素。当钢材料的含碳量较高的情况下碳钢的硬度会有所提升，但是材料的延展性和韧性会有所下降，反之亦然。同时碳钢的生产成本相对较低、性能可靠性更高、可加工性较强，因此在我国机械加工和设计领域当中运用非常普遍。如果碳钢材料的硬度有所降低，则材料的延展性和韧性会进一步提升，由于这一性质因素的影响会造成碳钢制造和冶炼过程中会产生一定的裂痕问题。同时在机械设计过程中，针对碳钢材料的使用对一些零件的精度要求相对偏低，则需要在碳钢当中加入一定量的合金材料。通过合金钢材料的使用会进一步提高机械部件的整体钢性和韧性程度。通过二者之间的有效对比合金钢材料，在强度硬度方面都高于碳钢，同时自身的韧性和渗透性能良好，但是合金钢材料的冶炼工作程序相对比较复杂，对加工工艺要求更高，因此在具体的使用过程中所产生的成本量更高[1]。

1.2 金属的工作环境

金属材料在具体的使用工作中，受到外部环境的影响非常明显，在不同的工作环境下金属材料所展现出的性能和工作优势也各不相同。比如，在一些温度较高，并且比较潮湿的工作环境下，一切金属如果直接暴露在环境当中进行使用，很容易受到环境因素的影响而产生腐蚀现象。因此，对于这种环境条件下金属材料的选择，必须要选用一些抗腐蚀性能更强的金属材料，以此来进一步提高金属部件的稳定性效果，有效防止金属部件产生更加严重的腐蚀问题。

1.3 零部件尺寸选择

在机械设计工作过程中，金属部件的尺寸大小设计是其中非常重要的工作环节，尤其针对一些精密度较高的零件加工，对金属部件的精度要求甚至是以纳米精度级别来进行计算。同时机械设计主要是基于理论角度，对机械零部件的尺寸大小进行计算和分析，在实际的工作过程中加工现场，通常情况下会产生加工零件无法配套镶嵌等各种问题，因此在金属零件尺寸的设计工作当中，必须要基于实际加工条件和工作环境为金属，对机械零部件的尺寸进行精确计算，并不能单纯停留在理论计算的角度上来进行分析。在材料的选择工作方面必须要保证机械材料性能相同，同时需要尽可能选择一些容易进行切割的金属材料，可以对金属材料的精度进行严格控制。

2 机械设计金属材料的处理技术

2.1 渗碳处理技术

金属渗碳处理属于一种化学热处理工艺方法，主要是进一步提高金属材料表面的碳浓度，以此来提高金属材料的塑性与韧性条件。在金属部件的设计工作过程中，通常很多金属材料自身的性质无法达到机械设计工作标准，因此需要通过渗碳处理技术来加以应用。在具体的设计工作中，相关设计工作人员会选择渗碳钢，有效完成渗碳工作的整个流程，在设计工作中必须要充分结合金属材料的加工工艺要求，以及机械部件自身的使用性质与尺寸情况，合理选择渗碳所需要的浓度和深度大小。比如，针对一些截面尺寸小于50mm的工件，则可以使用20Cr材料对其进行渗碳处理，而对于一些截面尺寸范围在50mm～150mm之间的机械附件，则可以使用20CrMnTi材料对其进行渗碳处理。对于金属的渗碳处理工作而言，并不是碳浓度越高越好，由于在金属部件的渗碳处理工作中会消耗一定量的经济成本，在机械部件的塑形和韧性值达到机械部件的标准使用要求时，则不需要对其进行继续审判处理，防止出现经济成本浪费问题[2]。

2.2 氮化处理

金属氮化处理属于一种化学热的金属处理方法，在处理工作中主要是在机械工件的表面向其中加入氮原子的方法，有效提高技术部件表面的耐磨性、耐腐蚀性以及抗疲劳性等特征。氮化处理技术比较常用的是氮化钢，包含45、38Cr MoAl、40Cr等金属材料，需要在氮化炉设备当中进行加工和处理，对机械工件外部形态的影响相对较小。在工件的氮化处理工作完成之后则可以继续投入使用，无需要二次进行测算。由于氮化处理会改变金属部件的尺寸大小，因此在实际的机械设计工作当中氮化处理工作，通常情况下必须要充分结合机械工件对其进行一次性处理工作，同时需要通过精密计算的方法，得出金属氮化部分的处理面积，对于一些不需要进行氮化处理的金属区域，在正式开始大化处理之前需要对其进行有效的防护，避免再处理工作完成之后进行二次加工，不但加大了氮化处理工作的成本费用，同时在整个操作流程的复杂程度上更高。

2.3 金属表面淬火处理

金属表面淬火属于一种比较常用且处理流程比较简单的金属材料热处理工作方法。该处理工艺的应用比较简单和灵活，同时还具有金属局部位置处理的工作优势。通过金属表面淬火处理，可以进一步提高机械部件的表面耐磨性，通过机械部件表面淬火处理之后，金属材料的疲劳强度会进一步提升，但是如果金属表面淬火区域的起始点和终点位置位于残余拉应力的工作状态下，会进一步影响到金属工件表面的疲劳强度。因此，在淬火处理工作当中必须要充分遵循相关的设计工作要求，有效考虑到金属材料残余拉应力，对整个机械工件使用性能所产生的干扰，有效避免残余拉应力直接停留在金属部件的齿根位置或者是轴的过度扁角位置。在工件的一些相互连接的关键性部位，通过降低残余拉应力的作用，可能会对机械工件造成一定的损坏，并且对于一些比较容易出现破坏性问题的细轴和薄板类的部件影响程度更大。因此，在机械部件的设计工作中，需要充分考虑到表面淬火工作所产生的应力平衡问题，可以在淬火工作之前将薄板类工件设置成双面结构，可以有效解决由于淬火工作对工件所产生的变形影响问题[3]。

3 金属材料的应用注意事项

3.1 注意金属材料的经济实用性

在机械设计工作中对于金属材料的选择是其中非常重要的工作环节，对于金属材料的选择不但需要考虑到金属材料的性能，同时还必须要满足材料经济性要求。首先，对于机械设计工作人员来讲，在选择金属材料加工工艺之前，必须要对切设及工作的相关重点内容进行综合分析，对市场当中各种不同类型的材料加工工艺、金属材料性能材料的实时性价格等情况进行全面整理和分析，从中挑选出最有性价比的金属材料来加以使用。其次，相关设计工作人员需要确定金属加工工艺条件，在进行金属材料的选择工作中，需要保证生产设备的实用性，金属设备的生产主要涉及到了铸造、装配、焊接等各种加工工艺流程，因此对金属材料的性能提出了不同的要求。在加工工艺充分确定之后，金属材料的选择方面会受到一定的限制和影响。

由于碳素钢和材料具有较高的材料加工和使用性能，并且材料价格相对较低，性价比更高是机械设计工作中比较常用的金属材料之一，因为碳素钢材料的韧性有所不足，在一些中等型材加工过程中无法对其进行直接加工和处理，因此为了有效提高材料的实用性，需要在机械设计工作当中，需要通过向其中加入特定的组分，将其制作成耐腐蚀性更高、耐磨性更强以及既有更强的耐高温性和金刚材料。因此，对于机械加工设计工作而言，对金属材料的选择必须要考虑到材料的经济性和实用性，需要选择价格更加低廉各项加工成本更低，以及加工工艺流程更加成熟的金属材料。

3.2 注意金属材料的节能性与环保性

在机械设计工作当中，必须要充分坚持低碳环保以及可持续性发展路的原则。首先，在金属材料的选择工作中，需要尽可能选择加工工艺更加成熟，对环境污染程度较低，以及能耗更低的金属材料，有效降低对外部环境所产生的污染，控制能源的大量消耗；其次，在选择金属材料过程中，还需要考虑到金属材料的循环使用性能，需要尽可能减少机械产品当中金属材料的种类，充分考虑到金属材料的可回收利用性质以及选择易于降解的材料，有效防止资源出现大量浪费以及环境产生污染等问题[4]。最后，在选择进行材料过程中需要充分注意金属材料所存在的失效性。在机械产品的设计工作中，需要选择出符合设计工作要求，以及失效时间相临近的金属材料，全面提高金属材料的使用效率，防止出现资源浪费问题。对于使用完成之后的金属材料需要有效做好无害化处理，尽可能做到材料的回收循环使用，避免对自然环境产生不良影响。