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有色金屬材料成型加工技術研究

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【摘要】有色金屬材料因其高強度、耐腐蝕性以及良好的導電性能等多種特點,廣泛應用于航空航天、汽車制造、電子產品等方面。 然而,有色金屬材料在實際應用過程中也面臨著如成型困難、加工精度低等問題。 基于此,分析了有色金屬材料的成型加工技術,并對其熔煉,燒結及熱擠壓進行了詳細的研究,以期為相關領域的發(fā)展提供理論和實踐支持。

1 有色金屬材料的成型加工技術

1.1 粉末冶金

粉末冶金是一種將固體物質轉化為粉末的過程,然后通過熱處理或壓力來形成所需形狀。該方法可以制造出具有高強度和低密度的結構物件,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,粉末冶金被廣泛應用于制備各種形狀的構件,例如球形、棒狀、板狀等。一般分為幾個基本步驟:原料預處理、粉末合成、干燥、壓實、燒結、表面處理等。其中,原料預處理是整個過程的基礎,包括粉碎、篩分、洗滌、脫水等操作。粉末合成是指將原材料進行粉碎并均勻混合后制成粉末,粉末大小應該控制在一個范圍內,以保證最終制品的質量和性能。干燥是為了去除粉末中的水分而采取的一種措施,干燥過程需要保持一定的溫度和時間才能達到最佳效果。壓實則是指將粉末壓制成所需形狀,通常采用高壓設備或者模具進行。燒結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)過嚴格的控制和管理才能確保成品質量和性能符合要求。

1.2 軋制

軋制是指將金屬坯料通過滾動壓力和溫度作用使其變形形成所需形狀的過程。軋制可以實現(xiàn)對金屬材料的塑性變形和硬化處理,從而達到提高其強度、硬度以及改善其表面質量的目的。在實際應用中,軋制過程中需要考慮多個因素的影響,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,如果軋輥速度過快或過慢,都會導致軋制不均勻或者出現(xiàn)裂紋等問題。因此,在進行軋制時需要選擇合適的軋輥速度以保證產品質量。此外,軋制過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。

1.3 拉拔

拉拔的主要目的是保證制品的質量和尺寸精度。在進行拉拔時,需要考慮多個因素。選擇合適的拉拔速度和力度,以避免對制品造成損傷或變形。注意模具的設計和制造質量,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。在實際操作過程中,需要注意以下三點:(1)確定好拉拔的速度和力度。一般來說,應采用逐漸加大拉拔力度的方法來完成拉拔過程。同時要注意控制拉拔的時間長度,以免影響制品的表面質量或者形狀精度。(2)關注模具的設計和制作情況,確保它具有足夠的強度和穩(wěn)定性。(3)合理地安排生產流程,減少工序之間的相互干擾,提高整個系統(tǒng)的效率和準確性。

1.4 模鍛

模鍛是通過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雜幾何形狀和高精度要求的產品,如汽車零部件、航空航天零件等。主要包括預制模設計、模具制作、成型過程以及后處理等方面。其中預制模的設計是整個流程中最重要的環(huán)節(jié)之一,預制模設計的目的是獲得最終產品所需要的形狀,因此需要考慮多個因素的影響,例如模具的尺寸、形狀、材質等因素都會對產品的質量產生影響,同時還需要考慮到生產效率、成本等問題,不同的模具類型可以用于不同類型的產品制造,例如用于制造大型件的模具通常采用厚壁板結構;而對于小型件而言,則可以選擇使用薄壁板結構的模具。

1.5 壓鑄

壓鑄主要特點是將原材料經(jīng)過加熱熔化后進入模具中,通過壓力的作用使熔體均勻地填充到模具內,形成所需形狀的坯料。然后,冷卻凝固后的坯料再進行二次處理(如切削、磨光等)以獲得最終產品。在實際生產中,壓鑄工藝的應用范圍非常廣泛,例如汽車行業(yè)需要大量的鋁合金零部件來提高車輛的性能和安全性能,航空航天領域也需要大量使用鎂合金和其他輕質金屬材料,這些材料和零部件都需采用先進的壓鑄技術來生產制造。模具的設計應該考慮到多個因素,包括材料特性、形狀復雜度以及生產效率等方面,常用的模具材質有鋼、銅、青銅等多種選擇。

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),然后通過冷卻和結晶來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。這些原料可以單獨使用或混合使用,以滿足不同需求。在選擇熔煉原料時,需要考慮其化學成分、物理性質等因素,例如銅是一種常見的有色金屬材料,它不僅具有良好的導電性能,還具有較高的強度和耐腐蝕性,此外銅還可以與其他金屬進行合金化,從而提高其綜合性能,由于銅的價格較高且易氧化,所以在實際應用中還需要對其表面進行保護措施。

2.2 熔煉設備

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

2.3 熔煉工藝

熔煉是指將原材料加熱到一定溫度時,使其變成液態(tài)狀態(tài)的過程。在熔煉中,需要控制好溫度和時間等因素,以確保最終得到的質量符合要求,如圖1 所示。同時還要考慮熔煉過程可能產生的一些問題,如氧化反應、碳化反應等。在實際操作中,通常采用電爐或感應爐進行熔煉,這兩種設備具有不同的優(yōu)點和缺點。電爐可以提供更加均勻的熱量分布,同時也會增加能源消耗;感應爐雖然能夠提高能量利用率,但是可能會出現(xiàn)局部過熱等問題。選擇合適的設備對于保證熔煉質量至關重要,除了對設備的選擇外,還需注意控制熔煉過程中的氣氛環(huán)境,一般氧氣含量過高會導致氧化反應產生,而氮氣含量過高則會引起碳化反應,因此在熔煉的過程中要保持適當?shù)臍夥窄h(huán)境。

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圖1 熔煉工藝曲線

2.4 熔煉過程中的雜質問題

雜質的存在會對成品的質量和性能產生影響。常見的雜質包括氧化物、硫化物、碳化物等。其中,氧化鐵是常見于銅合金中的一種雜質,其含量過多會導致銅合金表面出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象;硫化物則會影響銅合金的機械強度和耐磨性;碳化物則是導致銅合金硬度下降的主要原因之一。為了降低雜質的影響,可以采用不同的方法進行處理,例如通過添加還原劑或者酸堿溶液對雜質進行溶解和清除。此外,還可以通過控制冶煉溫度和時間來減少雜質的生成量。在實際操作中還需要注意一些細節(jié)問題: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;嚴格控制冶煉溫度和時間參數(shù),避免過熱或過冷的情況發(fā)生;加強實驗數(shù)據(jù)的記錄和分析工作,以便更好地掌握熔煉過程中的各項指標變化情況。

3 有色金屬材料的燒結

3.1 燒結的基本理論

燒結基本原理是在高溫下使金屬或合金發(fā)生化學反應和物理變化,從而達到固化的目的。在有色金屬材料中,燒結的主要作用是將原材料中的雜質元素從晶粒內驅除出來,形成無雜質的晶體結構。同時燒結還能夠提高材料的硬度、強度以及耐腐蝕性等方面的表現(xiàn)。燒結過程中,需要控制溫度、時間等因素來實現(xiàn)最佳的效果,其中溫度是最重要的一個因素。對于不同的金屬或合金,燒結的最佳溫度是不同的,因此在實際應用時要對不同材料進行實驗研究,確定最佳的燒結溫度,此外,還需要注意爐溫的變化規(guī)律以及爐內的氣氛狀態(tài)等因素的影響。

3.2 燒結的影響因素

溫度和時間這兩個關鍵參數(shù)是有色金屬材料的燒結過程最重要的影響因素。溫度是控制熔化過程的速度和質量的重要指標之一,而時間長短則決定了整個燒結過程。溫度對于燒結的影響非常顯著,當溫度過高時會加速熔化的速度,但同時也會使得成分發(fā)生變化,從而導致成品質量的下降,因此,需要通過合理調節(jié)來保證溫度處于合適的范圍內。不同的金屬材料具有不同的熔點值,所以在相同的溫度下,不同類型的金屬材料所需要的時間是不同的。同時,還有一些其他的因素會影響到燒結的結果,例如壓力、氣氛等,這些因素都會影響到熔化過程中的速率以及最終產品的質量。

3.3 燒結的工藝流程

燒結的工藝流程主要包括預處理、加熱、保溫、冷卻階段四個階段,其中每個階段都有其獨特的作用。在預處理階段,需對原材料進行清洗、干燥以及表面涂層處理等,目的是去除雜質物質并保證原材料的質量穩(wěn)定;在加熱階段,原材料要經(jīng)過高溫爐內加熱的過程來達到所需的溫度,需注意控制好火候和時間參數(shù)以確保產品質量;保溫階段則是為了防止熱變形,保持產品的形狀不變;在冷卻階段,將制品放入冷水浴中降溫,避免過快冷卻導致內部裂紋產生。整個過程需要嚴格控制各個環(huán)節(jié)的時間和溫度參數(shù),才能夠得到高質量的產品,如圖2 所示。

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4 有色金屬材料的熱擠壓

4.1 擠壓模具設計

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因素,包括材料特性、工藝條件以及生產效率等。一般常用的模具材料主要包括鋼材、鑄鐵、鋁合金等。其中,鋼材是最常見的一種材料,其具有強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點,而鑄鐵則因其良好的導電性和抗氧化性能而被廣泛應用于高溫環(huán)境中。模具的大小和形狀也需要考慮清楚,一般情況下,模具應該盡可能地縮小產品尺寸以提高產量率。模具的表面處理也是一個關鍵問題,為了保證產品的質量和精度,模具表面應進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 擠壓力計算

擠壓力是指在一定時間內對材料施加的壓力大小,通常擠壓力越大,材料變形越明顯,但是如果擠壓力過大,則會導致材料表面出現(xiàn)裂紋或斷裂等問題,因此需要通過試驗來確定最佳的擠壓力值。為了進行擠壓力計算,可以采用一些數(shù)學模型來輔助研究,其計算公式為: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有所不同,因此在實際操作時需要注意這些因素的影響,同時還需要考慮材料本身的特點和工藝條件等因素,以確保最終得到的產物質量達到預期的要求。

4.3 擠壓力校核

為了保證制件的質量和性能,必須對擠壓力進行嚴格的校核。需要確定擠壓力的確切值,一般擠壓力應該與模具的設計尺寸相匹配,以確保制件的大小和形狀符合設計要求,還需要考慮制件的厚度和表面粗糙度等因素,這些因素會影響制件的力學性質和外觀質量。制件的變形過程所產生的溫度變化和冷卻速度等問題如圖3 所示,這些問題都會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品質量。在實際生產中,可以采用多種方法來校驗擠壓力,例如可以使用壓力計或壓力傳感器測量擠壓力的變化情況,也可以通過觀察制件的外形和表面質量來判斷是否達到了預期的要求。

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圖3 金屬變形程度對擠壓力的影響

4.4 擠壓力測試

擠壓力測試的方法有很多種,其中最常見的方法是使用壓力計來測量擠壓力的大小。壓力計是一種能夠直接測量壓力大小的儀器設備,通常由一個壓力傳感器和一個顯示裝置組成。在擠壓力測試中,需要先確定合適的壓力范圍。一般對于不同的有色金屬材料來說,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到較好的成型效果,而鋁材則需要較低的壓力,因此在實際操作時要根據(jù)具體情況選擇適合的擠壓力范圍。除了壓力計外,還可以采用其他方式來測試擠壓力,比如可以通過觀察模具表面的變化來判斷擠壓力的大小,或者利用計算機模擬的方式來計算出擠壓力的大小等。

5 結語

綜上所述,本研究對有色金屬材料的成型加工進行了深入分析。在實驗過程中,采用了多種方法進行材料的制備和處理,包括燒結、熱擠壓工藝。同時還結合了相關理論知識和實踐經(jīng)驗,分析了不同條件下的材料性能變化規(guī)律。經(jīng)過多次試驗驗證,采用高溫燒結的方法可以有效地提高材料的硬度和強度,同時還能改善其組織結構。為今后的有色金屬材料應用提供了一定的參考依據(jù)。

文章引用:韓啟航.有色金屬材料成型加工技術研究[J].信息記錄材料,2023,24(10):38-40.DOI:10.16009/j.cnki.cn13-1295/tq.2023.10.054.

聲   明:文章內容來源于材料成型及模擬分析。僅作分享,不代表本號立場,如有侵權,請聯(lián)系小編刪除,謝謝!


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