新型金属材料成型加工技术分析

段衍超

（山东科技大学材料科学与工程学院，山东 青岛 266590）

新型金属材料的类型有很多，比如，金属基复合材料MMCs、连续晶须复合材料、增强颗粒的金属基复合材料TiC、SiC、B4C 等。这新型金属材料一经开发就被广泛的应用到社会的各个领域中，其中以工程建设领域为主。工业生产领域的机械构件也有新型金属材料的身影，其价值在社会生产中被充分开发出来。不同类型的金属材料所采用的成型加工技术有很大区别，常见的有铸造成型法、挤压锻模塑性成型法、粉末冶金法、机械加工法等，这些技术发展至今已经相对成熟，都有各自的功能与特点，当然也有很大优化空间，相关行业人员需要继续探索新型金属材料成型加工技术，开创新的技术类型，使用新的加工设备进一步提高加工效率以及加工质量。

1 新型金属材料的特性

1.1 新型金属材料的固有特性

虽然目前新型金属材料的种类多种多样，但大多数都属于合金，因此，新型金属材料的固有特性主要为延展性、化学性以及特有的光泽和色彩，也正因为新型金属材料具有较强的延展性，所以被广泛应用在建筑领域和工业生产领域中。目前，应用频率比较高的新型金属材料主要有记忆合金、高温合金、贮氢合金以及非晶态合金等。

1.2 新型金属材料的加工特性

新型金属材料的可焊接能力、锻压效果以及铸造性能都比较优秀。其中焊接性代表着新型金属材料在焊接方面与普通金属材料并无太大区别，都可以通过焊接的方式将新型金属材料焊接成想要的形状。与普通金属材料不同的是，新型金属材料的焊接性要优于普通金属材料，在焊接工作完成后，新型金属材料没有气孔以及裂缝，更具安全性和稳定性。锻压性指的是新型金属材料在锻压的过程中可以承受塑性变形，也就是工作人员可以通过锻压工艺将新型金属材料锻压成目标设备，但值得注意的是，虽然新型金属材料可以有效缓解冲压，但是该材料的锻压性会受到加工条件的影响而产生变化。铸造性指的是新型金属材料与普通金属材料同样具备收缩能力、流动能力，同时还带有一定的裂纹敏感特点。通过分析新型金属材料的加工特性可以发现，虽然新型金属材料具备诸多优点，可以满足很多行业的需要，但是新型金属材料毕竟属于合金一类，所以在加工处理的过程中还是有很大难度，对加工人员的技术能力要求较高。

2 新型金属材料成型加工的原则

2.1 新型金属材料成型加工的基础原则

新型金属材料因为具备良好的耐磨特性，加上自身硬度较高，所以常被用在工程施工行业中，或者企业产品制造中，因为新型金属材料可以满足建筑工程或者产品的质量要求。也正因为新型金属材料具备诸多性能，所以在加工新型金属材料时有很多注意事项，不同领域在应用新型金属材料时需要采用不同的加工技术，比如，部分特殊的金属复合金属材料只有通过金属基复合材料的纤维性来增强，才能实现新型金属材料成型加工。由此可见，无论是在锻造、焊接过程中还是在铸造过程中，相关单位都需要掌握正确的加工技术，确保新型金属材料能够符合加工需求。在金属材料加工领域中有很多常见的加工技术，包括但不限于挤压、锻造等。通过多次实验以及实践分析可以得知，新型金属材料成型加工过程需要做到谨慎、认真，尽量避免出现失误或者纰漏，防止影响新型金属材料成型。同时，加工人员自身也要具备充足的知识以及经验，在成型加工的过程中凭借自身经验完成加工工作。

2.2 新型金属材料成型加工的选材原则

在金属复合材料中添加增强物质，可以让复合材料强度变高、耐磨性更好，但是，在添加完增强物质后，新型金属材料成型加工工作也会变得更加困难，尤其是在二次加工阶段，加工过程需要加工人员严加看管。在新型金属材料成型加工前，加工人员需要根据工程要求和企业要求来选择不同种类的新型金属材料。常见的有高强度钢指的是强度大于785MPa 的钢材，这类钢材重量轻、质量好，常被用于汽车制造行业、航空领域、轴承制造以及吊桥建设等方面，同时，它还具有成本低的优点，所以深受各大企业的喜爱；钛合金：钛合金具备密度低、强度高的特点，同样在航空、汽车领域中有广泛的应用；镁合金：镁合金相对前两种新型金属材料，新增了绿色环保、导热性强、阻尼性好、良好的抗震性能等优点，因此常被用于电子领域以及交通运输领域。

3 新型金属材料成型加工技术

3.1 铸造成型法

铸造成型法不仅可以用于加工新型金属材料，也可以用来加工普通金属材料或者其他材料，在新型金属材料被研发出来以前，铸造成型法就是其他材料的主要成型加工技术。因此，新型金属材料成型加工所使用的铸造成型法主要借鉴了原有的、成熟的铸造工艺，可以稳定实现新型金属材料的二次加工。唯一不同的是，新型金属材料所使用的铸造成型法是升级版，因为不同材料的黏度、流动性有很大差别，会随着增强颗粒的加入而发生不同的变化，在高温条件下还会出现化学反应。针对这一问题，加工人员经常使用砂型铸造、压铸、熔模铸造、金属型铸造等方式来处理。在处理增强物与液态金属之间发生的反应时，最好的处理方法是严格控制融合温度以及保温时间，这对加工人员的能力有较高要求。现阶段，铸造成型法大多通过机器造型的方法来完成加工，机器造型所涉及的加工方法有紧砂法、抛砂、起模、特种铸件等。紧砂指的是加工人员多次使用充满型砂的砂箱，气缸等抬起几十毫米后自由下落撞击压实气缸，利用惯性将砂体变得紧实，至于上方无法压紧的砂体则采用工具压实。这种方法所用机械结构简单，价格低廉较应用普遍，但是噪声太大，质量以及效率等诸多方面还有待优化，所以目前并没有广泛流行。抛砂主要是利用离心力，速度大概控制在30 ～60m/s，以此来保证型砂可以被抛到箱中。抛砂工序的一大优点是可以同时完成镇砂和紧实两道工序，同时还具有生产效率高、型砂紧实密度均匀的特点，常被用于生产大型或者中型铸型或者大型芯。

3.2 挤压、模锻塑性成型法

挤压、模锻塑性成型法常被用于制造短纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料，尤其是颗粒增强铝基和镁基复合材料。在挤压、模锻塑性成型法使用过程中，工作人员常常会选择在挤压锻造过程中加入润滑剂，这种方式可以有效降低摩擦力，压力降低效果十分显著，一般在25%～35%。除了加入润滑剂外，工作人员还会采用提高温度的方式来确保加工材料的塑性符合要求。这种工作方法主要是利用了热胀冷缩的原理。后来，经过不断实验，工作人员发现也可以在提高温度的同时不断加入颗粒状物质，以此来降低材料塑性以及变形抗力，该种方法也有显著效果。但值得注意的是无论是提高温度还是加入颗粒物质，都要注意温度上限以及添加物的添加上限，不宜过多，防止出现过烧现象以及横向裂纹。精密挤压技术是目前广为流行的加工技术，因为其具有精度高、质量好的优点，所以广受企业欢迎，也正因为这一特性，精密挤压技术对工作人员的能力要求较高。

3.3 电切割法

电切割法是一种利用电能将新型金属材料切割成特定形状和尺寸的方法。这种方法主要在新型金属材料成型加工过程中使用，根据材料的具体形状决定运用何种切割状况。电切割法的原理是利用电动切割机产生的高温火焰，将材料中的水分蒸发，从而使材料软化，实现切割。电切割法的优点是可以实现精细切割，切割效率高，切割时间短。材料组织在切割时会受到摩擦力的影响产生大量残存物和粉末状纤维，这些物质可能会导致加工工序出现问题，所以工作人员需要时刻清洗设备，避免这些物质进入空洞中。电切割法之所以受到广泛关注，是因为电切割法可以将所有电流液深入电极线内部，通过液体的局部压力不断冲刷，从而让加工效果变得更为精准。经过多次SiC/AI 复合材料实验，人们可以发现，放电痕大于钢的SiC/AI 会干扰放电的SiC 颗粒，铝液会被冲走形成重铸层。虽然电切割法在加工新型金属材料时有显著效果，但是仍有不足，比如，增强铝基复合材料的工艺就不能使用铝合金的电切割参数，因为二者材料在粗糙度上以及切割速度上有很大不足，尤其是铝合金的电切割表面会形成玻璃样粉状硬化，而增强铝基复合材料则不会。

3.4 焊接法

焊接法是新型金属材料加工工艺中最为常用的一种方法，大到航天飞行器构件，小到自行车都有焊接法的存在，其应用范围广泛，应用效果良好，并且加工速度能够满足预期标准。在焊接新型金属材料的过程中，增加增强物会导致焊接熔池的黏度和流动性受到一定影响，会发生一定的化学反应，主要作用于增强物和基体金属之间，这种情况会导致焊接速度变慢。常用的焊接优化方法有TIG 焊接技术、激光焊接等。TIG 焊接技术：这种技术广泛应用于薄板焊接，特别适用于铝合金材料的焊接。TIG 焊接具有适用面广、焊接过程稳定、焊接质量好、适于薄板焊接、焊接过程易于实现自动化等优点。主要应用于焊接薄的和中等厚度的铝材料工件。激光焊接：激光焊接利用激光辐射加热待加工表面，使工件熔化，形成特定的熔池。激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，其原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。激光焊接技术在汽车、轮船、飞机、高铁等高精制造领域广泛应用。除上述方法外，还有等离子弧焊、电子束焊、钎焊、超声波焊等焊接方法。不同焊接方法有各自的特点和适用范围，应根据材料性质、工件厚度、使用要求等因素进行选择。最早用于新型金属基复合材料焊接的方法为熔化焊，也就是使用喷枪或者其他工具对目标金属进行热处理，等到达金属熔点后利用金属自身的可塑性来实现二次加工，加工成想要的形状后自然冷却即可。还有一种方式是扩散焊，指的是将两根焊件结合到一起，在真空环境下保存一段时间，让焊件的接触面发生塑性变形，利用原子扩散的原理将两个焊件结合到一起。

3.5 粉末冶金技术

粉末冶金技术也是一种广受欢迎的新型金属材料加工技术，该技术主要是通过制取金属粉末，然后通过烧结的方式完成加工，其中金属粉末作为原料发挥了重要作用。随着粉末冶金技术的应用范围越来越广泛，粉末冶金技术的操作方式也发生了一些变化，金属粉末以及非金属粉末的混合物也可以作为冶金原料，并且这两种原料所制作出来的工业产品质量较高，受到了交通、机械、电子、航空等多个领域的欢迎。除了质量较高外，粉末冶金技术能够受到诸多行业喜欢还因为该技术具备节能省材的优点，比较适合大规模生产，效率高，成本低。此外，在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li 合金、耐热Al 合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）方面，粉末冶金技术也具有重要的作用。

4 结语

综上所述，新型金属材料成型加工技术具有许多优点，例如，可以提高材料的利用率、减少废料和能源的消耗、提高生产效率等。但是，这些技术手段也存在一些挑战和难点，例如，如何保证材料的质量和稳定性、如何提高加工精度和表面质量等。同时，新型金属材料成型加工技术主要为二次加工，涵盖了金属学、物理学、化学等诸多方面的知识点，对技术人员的要求较高。因此，在应用新型金属材料成型加工技术时，技术人员需要充分考虑其特性和应用场景，选择合适的加工工艺和技术手段，以保证制造出的产品符合设计要求并具有良好的性能和稳定性。