有色金属材料成型加工技术研究

韩启航

（东北大学材料科学与工程学院 安徽 合肥 110819）

0 引言

目前，虽然国内外对于有色金属材料的成型加工技术已经有了较为深入的研究，但是这些研究成果大多集中在单一方面的问题上，缺乏对整个过程的全面分析和综合评价［1］。 因此，本文将从多个角度出发，分析有色金属材料的成型加工技术及其相关问题，并提出相应的解决方案。

1 有色金属材料的成型加工技术

1.1 轧制

轧制是指将金属坯料通过滚动压力和温度作用使其变形形成所需形状的过程。 轧制可以实现对金属材料的塑性变形和硬化处理，从而达到提高其强度、硬度以及改善其表面质量的目的。 在实际应用中，轧制过程中需要考虑多个因素的影响，如轧辊速度、压力、温度等。 其中轧辊的速度是影响轧制效果的重要参数之一，如果轧辊速度过快或过慢，都会导致轧制不均匀或者出现裂纹等问题。 因此，在进行轧制时需要选择合适的轧辊速度以保证产品质量［2］。 此外，轧制过程中还需要控制轧辊的压力和温度等参数，以便获得更好的成品性能。

1.2 拉拔

拉拔的主要目的是保证制品的质量和尺寸精度。 在进行拉拔时，需要考虑多个因素。 选择合适的拉拔速度和力度，以避免对制品造成损伤或变形。 注意模具的设计和制造质量，确保其能够承受较大的拉拔力。 还要考虑到原材料的选择和处理方式等因素的影响。 在实际操作过程中，需要注意以下三点：（1）确定好拉拔的速度和力度。一般来说，应采用逐渐加大拉拔力度的方法来完成拉拔过程。 同时要注意控制拉拔的时间长度，以免影响制品的表面质量或者形状精度。 （2）关注模具的设计和制作情况，确保它具有足够的强度和稳定性。 （3）合理地安排生产流程，减少工序之间的相互干扰，提高整个系统的效率和准确性［3］。

1.3 模锻

模锻是通过模具挤压或拉伸的方式将原材料变形成所需形状。 该方法适用于制造具有复杂几何形状和高精度要求的产品，如汽车零部件、航空航天零件等。 主要包括预制模设计、模具制作、成型过程以及后处理等方面。其中预制模的设计是整个流程中最重要的环节之一，预制模设计的目的是获得最终产品所需要的形状，因此需要考虑多个因素的影响，例如模具的尺寸、形状、材质等因素都会对产品的质量产生影响，同时还需要考虑到生产效率、成本等问题，不同的模具类型可以用于不同类型的产品制造，例如用于制造大型件的模具通常采用厚壁板结构；而对于小型件而言，则可以选择使用薄壁板结构的模具［4］。

1.4 压铸

压铸主要特点是将原材料经过加热熔化后进入模具中，通过压力的作用使熔体均匀地填充到模具内，形成所需形状的坯料。 然后，冷却凝固后的坯料再进行二次处理（如切削、磨光等）以获得最终产品。 在实际生产中，压铸工艺的应用范围非常广泛，例如汽车行业需要大量的铝合金零部件来提高车辆的性能和安全性能，航空航天领域也需要大量使用镁合金和其他轻质金属材料，这些材料和零部件都需采用先进的压铸技术来生产制造。 模具的设计应该考虑到多个因素，包括材料特性、形状复杂度以及生产效率等方面，常用的模具材质有钢、铜、青铜等多种选择［5］。

1.5 粉末冶金

粉末冶金是一种将固体物质转化为粉末的过程，然后通过热处理或压力来形成所需形状。 该方法可以制造出具有高强度和低密度的结构物件，如航空航天器零件、汽车零部件以及医疗器械等。 在有色金属材料中，粉末冶金被广泛应用于制备各种形状的构件，例如球形、棒状、板状等。 一般分为几个基本步骤：原料预处理、粉末合成、干燥、压实、烧结、表面处理等。 其中，原料预处理是整个过程的基础，包括粉碎、筛分、洗涤、脱水等操作。 粉末合成是指将原材料进行粉碎并均匀混合后制成粉末，粉末大小应该控制在一个范围内，以保证最终制品的质量和性能。干燥是为了去除粉末中的水分而采取的一种措施，干燥过程需要保持一定的温度和时间才能达到最佳效果。 压实则是指将粉末压制成所需形状，通常采用高压设备或者模具进行。 烧结是在高温下使粉末变成固态的方法。 表面处理包括涂层、喷砂、电镀等多种方式。 该步骤需要经过严格的控制和管理才能确保成品质量和性能符合要求。

2 有色金属材料的熔炼

2.1 熔炼原料

熔炼是指将原材料加热到一定温度，使其变成液态状态，然后通过冷却和结晶来得到所需要的形状和尺寸。 常用的有色金属材料熔炼原料包括铜、铝、镁、锌、镍等多种元素及其合金。 这些原料可以单独使用或混合使用，以满足不同需求。 在选择熔炼原料时，需要考虑其化学成分、物理性质等因素，例如铜是一种常见的有色金属材料，它不仅具有良好的导电性能，还具有较高的强度和耐腐蚀性，此外铜还可以与其他金属进行合金化，从而提高其综合性能，由于铜的价格较高且易氧化，所以在实际应用中还需要对其表面进行保护措施。

2.2 熔炼设备

目前，常用的有色金属材料熔炼设备主要有电炉、感应炉、电阻炉等多种类型。 其中电炉是最为常见的一种设备，它采用交流电源供电，利用电磁场对熔料进行加热，从而实现熔化。 这种设备的特点是操作简单、成本低廉，同时由于其加热方式较为均匀，能够保证熔料的质量稳定。电炉也存在一些缺点，例如需要较大的空间占用、易受环境因素的影响等。 因此，在实际应用中还需要结合具体情况来选择适合的熔炼设备。 除了电炉之外，感应炉也是一种常用的熔炼设备，相比于电炉而言，感应炉更加节能环保，它的工作原理是在磁铁周围放置铜线圈，当电流经过时会产生磁场，进而产生涡流效应，这种效果使得感应炉可以有效地提高熔料的熔化效率，同时也能减少能源消耗。

2.3 熔炼工艺

熔炼是指将原材料加热到一定温度时，使其变成液态状态的过程。 在熔炼中，需要控制好温度和时间等因素，以确保最终得到的质量符合要求，如图1 所示。 同时还要考虑熔炼过程可能产生的一些问题，如氧化反应、碳化反应等。 在实际操作中，通常采用电炉或感应炉进行熔炼，这两种设备具有不同的优点和缺点。 电炉可以提供更加均匀的热量分布，同时也会增加能源消耗；感应炉虽然能够提高能量利用率，但是可能会出现局部过热等问题。 选择合适的设备对于保证熔炼质量至关重要，除了对设备的选择外，还需注意控制熔炼过程中的气氛环境，一般氧气含量过高会导致氧化反应产生，而氮气含量过高则会引起碳化反应，因此在熔炼的过程中要保持适当的气氛环境。

图1 熔炼工艺曲线

2.4 熔炼过程中的杂质问题

杂质的存在会对成品的质量和性能产生影响。 常见的杂质包括氧化物、硫化物、碳化物等。 其中，氧化铁是常见于铜合金中的一种杂质，其含量过多会导致铜合金表面出现锈蚀现象；硫化物则会影响铜合金的机械强度和耐磨性；碳化物则是导致铜合金硬度下降的主要原因之一。 为了降低杂质的影响，可以采用不同的方法进行处理，例如通过添加还原剂或者酸碱溶液对杂质进行溶解和清除。此外，还可以通过控制冶炼温度和时间来减少杂质的生成量。 在实际操作中还需要注意一些细节问题：选择合适的还原剂和酸碱溶液，以保证它们的稳定性和安全性；严格控制冶炼温度和时间参数，避免过热或过冷的情况发生；加强实验数据的记录和分析工作，以便更好地掌握熔炼过程中的各项指标变化情况。

3 有色金属材料的烧结

3.1 烧结的基本理论

烧结基本原理是在高温下使金属或合金发生化学反应和物理变化，从而达到固化的目的。 在有色金属材料中，烧结的主要作用是将原材料中的杂质元素从晶粒内驱除出来，形成无杂质的晶体结构。 同时烧结还能够提高材料的硬度、强度以及耐腐蚀性等方面的表现。 烧结过程中，需要控制温度、时间等因素来实现最佳的效果，其中温度是最重要的一个因素。 对于不同的金属或合金，烧结的最佳温度是不同的，因此在实际应用时要对不同材料进行实验研究，确定最佳的烧结温度，此外，还需要注意炉温的变化规律以及炉内的气氛状态等因素的影响。

3.2 烧结的影响因素

温度和时间这两个关键参数是有色金属材料的烧结过程最重要的影响因素。 温度是控制熔化过程的速度和质量的重要指标之一，而时间长短则决定了整个烧结过程。 温度对于烧结的影响非常显著，当温度过高时会加速熔化的速度，但同时也会使得成分发生变化，从而导致成品质量的下降，因此，需要通过合理调节来保证温度处于合适的范围内。 不同的金属材料具有不同的熔点值，所以在相同的温度下，不同类型的金属材料所需要的时间是不同的。 同时，还有一些其他的因素会影响到烧结的结果，例如压力、气氛等，这些因素都会影响到熔化过程中的速率以及最终产品的质量。

3.3 烧结的工艺流程

烧结的工艺流程主要包括预处理、加热、保温、冷却阶段四个阶段，其中每个阶段都有其独特的作用。 在预处理阶段，需对原材料进行清洗、干燥以及表面涂层处理等，目的是去除杂质物质并保证原材料的质量稳定；在加热阶段，原材料要经过高温炉内加热的过程来达到所需的温度，需注意控制好火候和时间参数以确保产品质量；保温阶段则是为了防止热变形，保持产品的形状不变；在冷却阶段，将制品放入冷水浴中降温，避免过快冷却导致内部裂纹产生。 整个过程需要严格控制各个环节的时间和温度参数，才能够得到高质量的产品，如图2 所示。

图2 烧结的工艺流程

4 有色金属材料的热挤压

4.1 挤压模具设计

有色金属材料的热挤压模具的选择和制作需要考虑到多个因素，包括材料特性、工艺条件以及生产效率等。一般常用的模具材料主要包括钢材、铸铁、铝合金等。 其中，钢材是最常见的一种材料，其具有强度高、耐腐蚀性好等优点，而铸铁则因其良好的导电性和抗氧化性能而被广泛应用于高温环境中。 模具的大小和形状也需要考虑清楚，一般情况下，模具应该尽可能地缩小产品尺寸以提高产量率。 模具的表面处理也是一个关键问题，为了保证产品的质量和精度，模具表面应进行抛光或者喷涂等处理。模具的制造方法可以分为铸造法、锻造法、切削法等，不同的方法适用于不同的情况。

4.2 挤压力计算

挤压力是指在一定时间内对材料施加的压力大小，通常挤压力越大，材料变形越明显，但是如果挤压力过大，则会导致材料表面出现裂纹或断裂等问题，因此需要通过试验来确定最佳的挤压力值。 为了进行挤压力计算，可以采用一些数学模型来辅助研究，其计算公式为：P＝f*d，其中P表示挤压力，f表示速度，d表示直径。 在公式中，速度决定了材料被压缩的速度以及变形的方向。 在不同的直径下，材料的变形效果也会有所不同，因此在实际操作时需要注意这些因素的影响，同时还需要考虑材料本身的特点和工艺条件等因素，以确保最终得到的产物质量达到预期的要求。

4.3 挤压力校核

为了保证制件的质量和性能，必须对挤压力进行严格的校核。 需要确定挤压力的确切值，一般挤压力应该与模具的设计尺寸相匹配，以确保制件的大小和形状符合设计要求，还需要考虑制件的厚度和表面粗糙度等因素，这些因素会影响制件的力学性质和外观质量。 制件的变形过程所产生的温度变化和冷却速度等问题如图3 所示，这些问题都会影响制件的形貌和硬度等方面的因素，从而影响到最终的产品质量。 在实际生产中，可以采用多种方法来校验挤压力，例如可以使用压力计或压力传感器测量挤压力的变化情况，也可以通过观察制件的外形和表面质量来判断是否达到了预期的要求。

图3 金属变形程度对挤压力的影响

4.4 挤压力测试

挤压力测试的方法有很多种，其中最常见的方法是使用压力计来测量挤压力的大小。 压力计是一种能够直接测量压力大小的仪器设备，通常由一个压力传感器和一个显示装置组成。 在挤压力测试中，需要先确定合适的压力范围。 一般对于不同的有色金属材料来说，挤压力的要求也不同，例如铜材一般需要较高的挤压力才能达到较好的成型效果，而铝材则需要较低的压力，因此在实际操作时要根据具体情况选择适合的挤压力范围。 除了压力计外，还可以采用其他方式来测试挤压力，比如可以通过观察模具表面的变化来判断挤压力的大小，或者利用计算机模拟的方式来计算出挤压力的大小等。

5 结语

综上所述，本研究对有色金属材料的成型加工进行了深入分析。 在实验过程中，采用了多种方法进行材料的制备和处理，包括烧结、热挤压工艺。 同时还结合了相关理论知识和实践经验，分析了不同条件下的材料性能变化规律。 经过多次试验验证，采用高温烧结的方法可以有效地提高材料的硬度和强度，同时还能改善其组织结构。 为今后的有色金属材料应用提供了一定的参考依据。