Principes en methoden voor het selecteren van metaalmaterialen

Basisprincipe

Bij het kiezen van materialen en fabricageprocessen is het cruciaal om te evalueren of de prestaties van het materiaal voldoen aan de eisen van de werkomstandigheden, of het fabricageproces haalbaar is met dit materiaal en of de productie en het gebruik van het materiaal of de onderdelen kosteneffectief zijn. Deze evaluatie moet worden uitgevoerd vanuit drie invalshoeken: geschiktheid, haalbaarheid en kosteneffectiviteit.

Toepassingsprincipe

Het geschiktheidsprincipe vereist dat de gekozen materialen de werkomstandigheden aankunnen en voldoen aan de vereisten voor een bevredigend gebruik. Ervoor zorgen dat de materialen voldoen aan de gebruiksvereisten is een cruciale stap in het materiaalselectieproces.

De gebruikseisen van materialen worden weerspiegeld in hun interne kwaliteitsspecificaties, zoals chemische samenstelling, structuur, mechanische eigenschappen, fysische eigenschappen en chemische eigenschappen.

Bij het kiezen van materialen is het belangrijk om rekening te houden met de belastingsomstandigheden van de onderdelen, de gebruiksomgeving van de materialen en de prestatievereisten van de materialen.

De belastingsomstandigheden van onderdelen verwijzen naar de grootte en de spanningstoestand van de belasting. De gebruiksomgeving van materialen verwijst naar de omgeving waarin de materialen worden gebruikt, inclusief het medium, de werktemperatuur en wrijving. De prestatievereisten van materialen verwijzen naar hun levensduur en verschillende algemeen toegestane spanningen, vervormingen, enz.

Alleen door grondig rekening te houden met deze drie aspecten kunnen de materialen voldoen aan de prestatievereisten.

Technologisch principe

Zodra de materialen zijn geselecteerd, kan de verwerkingstechnologie worden bepaald. Het is echter belangrijk om in gedachten te houden dat het verwerkingsproces de eigenschappen van materialen kan veranderen. Daarnaast spelen factoren zoals de vorm, structuur, batchgrootte en productieomstandigheden van de onderdelen ook een belangrijke rol bij het bepalen van de materiaalverwerkingstechnologie.

Volgens het haalbaarheidsprincipe moet bij de selectie van materialen rekening worden gehouden met de verwerkbaarheid ervan. Materialen met een goede verwerkbaarheid verdienen de voorkeur om de productiemoeilijkheden en -kosten te minimaliseren. Elk productieproces heeft zijn eigen unieke kenmerken, voordelen en nadelen.

Als onderdelen van hetzelfde materiaal worden gemaakt met verschillende processen, kunnen de moeilijkheidsgraad en de kosten variëren, net als de vereiste materiaalverwerkingsprestaties. Smeden kan bijvoorbeeld niet haalbaar zijn voor onderdelen met complexe vormen en grote afmetingen. In dergelijke gevallen kan gieten of lassen worden gebruikt, maar het materiaal moet goede giet- of laseigenschappen hebben en de structuur moet voldoen aan de eisen voor gieten of lassen.

Een ander voorbeeld: bij het vervaardigen van sleutels en pennen door koud trekken moet rekening worden gehouden met de rek van de materialen en de invloed van vervormingsversterking op hun mechanische eigenschappen.

Economisch principe

Naast het voldoen aan de vereisten voor materiaalgebruik en -verwerking, is het ook belangrijk om de kosteneffectiviteit van de materialen in overweging te nemen.

Het principe van kosteneffectiviteit verwijst naar het selecteren van materialen met een hoge prestatie-prijsverhouding. De prestaties van de materialen verwijzen naar hun gebruiksprestaties, die over het algemeen kunnen worden weergegeven door hun levensduur en veiligheidsniveau. De prijs van materialen wordt voornamelijk bepaald door hun kosten, die zowel de productiekosten als de gebruikskosten omvatten.

De materiaalkosten worden beïnvloed door verschillende factoren, waaronder de kosten van grondstoffen, de bezettingsgraad van grondstoffen, de kosten van materiaalvorming, verwerkingskosten, installatie- en inbedrijfstellingskosten, onderhoudskosten, beheerkosten en andere.

Stappen, methoden en basis van materiaal- en vormprocesselectie

De stappen voor het selecteren van materialen en fabricageprocessen zijn als volgt:

• Kies materialen op basis van de gebruiksomstandigheden en vereisten.
• Kies op basis van de geselecteerde materialen een geschikt fabricageproces, rekening houdend met factoren zoals de kosten van de materialen, de verwerkingseigenschappen van de materialen, de complexiteit van de onderdelen, de batchgrootte van de onderdelen, de bestaande productieomstandigheden en technische vereisten.

1. Stappen en methoden voor het selecteren van materialen en hun omvormprocessen

Om de bedrijfsomstandigheden van onderdelen te evalueren, moeten de specifieke belasting, spanningstoestand, temperatuur, corrosie en slijtageomstandigheden worden bepaald die de onderdelen tijdens het gebruik zullen ondervinden.

Voor onderdelen die bij normale temperaturen worden gebruikt, is de belangrijkste vereiste dat de materialen voldoende mechanische eigenschappen hebben. Voor onderdelen die onder andere omstandigheden worden gebruikt, moeten de materialen echter specifieke fysische en chemische eigenschappen hebben.

Als de onderdelen bij hoge temperaturen worden gebruikt, moeten de materialen bestand zijn tegen hoge temperaturen en oxidatie. Onderdelen die gebruikt worden in chemische apparatuur moeten goed bestand zijn tegen corrosie. Sommige onderdelen voor instrumenten vereisen materialen met elektromagnetische eigenschappen. Voor lasconstructies die in extreem koude gebieden worden gebruikt, moet rekening worden gehouden met eisen voor taaiheid bij lage temperaturen.

Bij gebruik in vochtige ruimten moet rekening worden gehouden met de eisen voor bestendigheid tegen atmosferische corrosie. Hieronder volgen de algemene stappen voor de materiaalselectie:

• Bepaal door middel van analyse of testen, samen met de resultaten van bezwijkanalyses van vergelijkbare materialen, verschillende algemene toelaatbare spanningsindicatoren, zoals toelaatbare sterkte, toelaatbare rek, toelaatbare vervorming en levensduur.
• De belangrijkste en secundaire veralgemeende toelaatbare-spanningsindicatoren identificeren en de belangrijkste indicatoren gebruiken als primaire basis voor de materiaalselectie.
• Selecteer op basis van de belangrijkste prestatie-indicatoren verschillende materialen die aan de eisen voldoen.
• Kies de materialen en hun vervormingsproces op basis van het vervormingsproces van de materialen, de complexiteit van de onderdelen, de productiebatch van de onderdelen, bestaande productieomstandigheden en technische voorwaarden.
• Houd rekening met factoren zoals materiaalkosten, vormingstechnologiemateriaalprestaties en gebruiksbetrouwbaarheid om het meest geschikte materiaal te selecteren met behulp van een optimalisatiemethode.
• Test indien nodig de materialen en breng ze in productie om ze te controleren of aan te passen.

Houd er rekening mee dat dit slechts algemene richtlijnen zijn voor de materiaalkeuze en dat het proces tijdrovend en complex kan zijn.

Voor belangrijke onderdelen en nieuwe materialenis een aanzienlijk aantal basistests en proefproductieprocessen nodig om de veiligheid van het materiaal tijdens de selectie te garanderen. Voor minder belangrijke en kleine partij onderdelenDe materialen worden meestal geselecteerd op basis van de gebruikservaring van soortgelijke materialen onder dezelfde werkomstandigheden, en het merk en de specificatie van de materialen worden bepaald, gevolgd door het regelen van het vormproces.

Als de onderdelen normaal beschadigd zijn, kunnen de originele materialen en het originele vormproces gebruikt worden. Als de schade te wijten is aan abnormale vroegtijdige schade, moet de oorzaak van het falen bepaald worden en moeten er gepaste maatregelen genomen worden. Als het een gevolg is van het materiaal of het productieproces, kunnen nieuwe materialen of een nieuw vormproces overwogen worden.

2. Basis materiaalselectie

(1) Belastingsomstandigheden

Technische materialen staan tijdens het gebruik bloot aan verschillende krachten, zoals trekspanning, drukspanning, afschuifspanning, snijspanning, torsie en impactkracht.

De mechanische eigenschappen en faalwijzen van materialen zijn nauw verbonden met de belastingsomstandigheden waaraan ze worden blootgesteld.

In de machinebouw is het van cruciaal belang dat machines en constructies veilig en betrouwbaar functioneren en tegelijkertijd voldoen aan hun bewegingsvereisten.

De spindel van een bewerkingsmachine moet bijvoorbeeld normaal kunnen werken zonder te breken of overmatig te vervormen onder spanning. Een ander voorbeeld is dat wanneer een krik een last optilt, de schroef recht en in balans moet blijven zonder plotseling te buigen.

De veilige en betrouwbare werking van technische componenten hangt af van de mate waarin ze voldoen aan de vereisten van sterkte, stijfheid en stabiliteit.

Er zijn specifieke voorwaarden voor elk van deze aspecten van materialen in de materiaalmechanica waarmee rekening moet worden gehouden bij het analyseren van spanningsomstandigheden of het selecteren van materialen.

Bij het selecteren van materialen op basis van spanningsomstandigheden is het belangrijk om niet alleen rekening te houden met de mechanische eigenschappen van de materialen, maar ook met de relevante kennis van materiaalmechanica om een wetenschappelijk onderbouwde keuze te maken.

Tabel 1 Spanning, bezwijkvormen en vereiste mechanische eigenschappen van diverse veelvoorkomende onderdelen

(2) Bedrijfstemperatuur van materialen

De meeste materialen worden meestal bij kamertemperatuur gebruikt, maar er zijn ook materialen die bij hoge of lage temperaturen worden gebruikt.

Door deze verschillende gebruikstemperaturen variëren ook de vereiste eigenschappen van de materialen sterk.

Naarmate de temperatuur afneemt, nemen de taaiheid en de plasticiteit van stalen materialen voortdurend af. Op een gegeven moment is er een aanzienlijke afname van de taaiheid en de plasticiteit. Op een bepaald punt is er een significante afname in taaiheid en plasticiteit, die de ductiliteit-brosheid overgangstemperatuur wordt genoemd.

Bij gebruik onder de ductiel-brosse overgangstemperatuur zijn materialen gevoelig voor brosse breuk onder lage spanning, wat tot schade kan leiden. Bij het selecteren van staal voor gebruik bij lage temperaturen moeten dus materialen worden gekozen met een ductiliteit-brosheid overgangstemperatuur die lager is dan de werkomstandigheden.

Het legeren van verschillende lagetemperatuurstalen is gericht op het verminderen van koolstofgehalte en het verbeteren van hun taaiheid bij lage temperaturen.

Als de temperatuur toeneemt, ondergaan de eigenschappen van staalmaterialen verschillende veranderingen, zoals een afname in sterkte en hardheideen toename en vervolgens afname in plasticiteit en taaiheid, en oxidatie of corrosie bij hoge temperaturen.

Deze veranderingen beïnvloeden de prestaties van het materiaal en kunnen het onbruikbaar maken. De diensttemperatuur voor koolstofstaal en gietijzer mag bijvoorbeeld niet hoger zijn dan 480 ℃, terwijl de diensttemperatuur voor gelegeerd staal mag niet hoger zijn dan 1150 ℃.

(3) Corrosie

In de industrie wordt de corrosiesnelheid gewoonlijk gebruikt om de corrosiebestendigheid van materialen.

De corrosiesnelheid wordt gemeten als het verlies van metaalmateriaal per oppervlakte-eenheid in een bepaalde tijd of als de diepte van de corrosie in het metaalmateriaal in de loop van de tijd.

De industrie gebruikt gewoonlijk een corrosieweerstandsclassificatiesysteem van 6 categorieën en 10 klassen, gaande van Klasse I met volledige corrosieweerstand tot Klasse VI zonder corrosieweerstand, zoals weergegeven in Tabel 2.

Tabel 2 Classificatie en beoordelingscriteria voor corrosiebestendigheid van Metalen materialen

De meeste technische materialen werken in atmosferische omgevingen en hebben last van atmosferische corrosie, een veel voorkomend probleem.

De luchtvochtigheid, temperatuur, zonlicht, regenwater en het gehalte aan corrosieve gassen hebben een grote invloed op de corrosie van deze materialen.

In gewone legeringen heeft koolstofstaal een corrosiesnelheid van 10^-605 m/d in industriële atmosferen, maar het kan worden gebruikt nadat het is geverfd of behandeld met andere beschermende lagen.

Laaggelegeerd staal dat elementen als koper, fosfor, nikkel en chroom bevat, heeft een sterk verbeterde weerstand tegen atmosferische corrosie en kan worden gebruikt zonder te worden geverfd.

Materialen zoals aluminium, koper, lood en zink zijn goed bestand tegen atmosferische corrosie.

(4) Slijtvastheid

De volgende factoren beïnvloeden de slijtvastheid van materialen:

① MateriaaleigenschappenZoals hardheid, taaiheid, vermogen om te verharden, thermische geleidbaarheid, chemische stabiliteit, oppervlaktegesteldheid, enz.

② Wrijvingsomstandigheden: inclusief de eigenschappen van het slijtende materiaal in de wrijving, de druk, temperatuur, snelheid van de wrijving, de eigenschappen van smeermiddelen en de aanwezigheid van corrosieve omstandigheden.

In het algemeen zijn materialen met een hoge hardheid minder gevoelig voor penetratie of schuren door slijpobjecten en hebben ze een hoge vermoeiingsgrens, wat resulteert in een hoge slijtvastheid. Bovendien zorgt een hoge taaiheid ervoor dat zelfs als het materiaal gepenetreerd of geschuurd wordt, het niet uit elkaar zal vallen, wat de slijtvastheid nog verder verbetert.

Daarom is hardheid het primaire aspect van slijtvastheid. Het is belangrijk op te merken dat de hardheid van materialen kan veranderen tijdens het gebruik. Zo worden metalen die uitharden harder tijdens wrijving, terwijl metalen die zacht kunnen worden door warmte zachter kunnen worden tijdens wrijving.

3. Basis voor de keuze van het materiaalvormproces

Over het algemeen wordt, zodra het materiaal van een product is bepaald, het type vervormingsproces geïdentificeerd.

Als het product bijvoorbeeld is gemaakt van gietijzer, moet gietijzer worden gebruikt; als het is gemaakt van plaatmetaalAls het gaat om keramische onderdelen, moet het juiste keramische vormproces worden gekozen.

Het is echter belangrijk om in gedachten te houden dat het vervormingsproces ook de prestaties van het materiaal kan beïnvloeden, dus bij de keuze van het vervormingsproces moet rekening worden gehouden met de uiteindelijke prestatievereisten van het materiaal.

Prestaties van productmaterialen

Mechanische eigenschappen van materialen

Bijvoorbeeld, stalen tandwiel Onderdelen kunnen worden gegoten als hun mechanische eigenschappen niet kritisch zijn, maar als hoge mechanische eigenschappen vereist zijn, moet drukbewerking worden gebruikt.

Onderhoudsprestaties van materialen

Bij de productie van vliegwielonderdelen voor auto's en automotoren bijvoorbeeld, is staal matrijssmeedwerk moeten worden gebruikt in plaats van het smeden van open gietstukken. De reden hiervoor is dat de hoge snelheid van auto's en de eis om soepel te rijden betekent dat blootliggende vezels in vliegwielsmeedstukken tot corrosie kunnen leiden en de prestaties kunnen beïnvloeden. Smeedstukken met een gesloten smeedmatrijs hebben de voorkeur boven smeedstukken met een open smeedmatrijs omdat ze de uitvloeiing elimineren en voorkomen dat de vezelstructuur van de smeedstukken wordt afgesneden en bloot komt te liggen.

Technologische eigenschappen van materialen

Technologische eigenschappen zijn onder andere giet-, smeed-, las-, warmtebehandelings- en snij-eigenschappen. Zo moeten non-ferrometaalmaterialen met een slechte lasbaarheid worden verbonden met behulp van argon booglassen in plaats van booglassen met de hand. Omdat PTFE een thermoplastisch materiaal is met een slechte vloeibaarheid, is het niet geschikt voor spuitgieten en moet het alleen worden gegoten door middel van persen en sinteren.

Speciale materiaaleigenschappen

Speciale eigenschappen zijn bijvoorbeeld slijtvastheid, corrosiebestendigheid, hittebestendigheid, geleidbaarheid of isolatie. De waaier en het pomphuis van een zuurbestendige pomp moeten bijvoorbeeld gemaakt zijn van roestvrij staal en gegoten zijn. Als kunststof wordt gebruikt, is spuitgieten een optie. Als zowel hittebestendigheid als corrosiebestendigheid vereist zijn, moet keramiek worden gebruikt en via het gietproces worden gegoten.

(2) Productiepartij van onderdelen

Voor massaproductie van producten moet het vormproces met hoge precisie en productiviteit gekozen worden om nauwkeurigheid en efficiëntie te garanderen. Hoewel de apparatuur die nodig is voor deze vormprocessen een relatief hoge productiekost kan hebben, kan deze investering gecompenseerd worden door de vermindering in materiaalverbruik per product.

Voor massaproductie van smeedstukken is de aanbevolen vormprocessen zoals matrijssmeden, koudwalsen, koudtrekken en koude extrusie.

Voor massaproductie van non-ferro legeringsafgietsels, metaalvormgieten, matrijzenafgietsel en lage drukgieten zijn de aanbevolen spuitgietprocessen.

Voor massaproductie van MC nylon onderdelen is het spuitgietproces de beste keuze.

Voor de productie van kleine series kan gekozen worden voor vormprocessen met een lagere precisie en productiviteit, zoals handmatig gieten, vrij smeden, handmatig lassen en processen waarbij gesneden wordt.

(3) Vereisten voor vormcomplexiteit en nauwkeurigheid van onderdelen

Voor metalen onderdelen met complexe vormen, vooral die met ingewikkelde binnenholtes, is de gietproces wordt vaak gekozen, zoals voor kast, pomphuis, cilinderblok, klephuis, schelp en bedcomponenten.

Kunststofonderdelen met complexe vormen worden meestal geproduceerd met behulp van het spuitgietproces.

Keramische onderdelen met complexe vormen kunnen worden geproduceerd via het spuitgiet- of gietproces.

Voor metalen onderdelen met eenvoudige vormen kunnen drukverwerkings- of lasvervormingsprocessen worden gebruikt.

Technische kunststofonderdelen met eenvoudige vormen kunnen worden geproduceerd met blaas-, extrusie- of spuitgietprocessen.

Keramische onderdelen met eenvoudige vormen worden meestal gegoten.

Als het product een gietstuk is en de maatnauwkeurigheid geen hoge eisen stelt, kan gewoon zandgieten worden gebruikt. Voor een hoge maatnauwkeurigheid kan worden gekozen voor verlorenwasgieten, patroongieten met verdamping, drukgieten of lagedrukgieten op basis van het gietmateriaal en de partijgrootte.

Voor lage dimensionale nauwkeurigheidseisen bij het smeden, wordt meestal vrij smeden gebruikt. Voor hoge nauwkeurigheidseisen wordt er gekozen voor matrijssmeden of extrusievormen.

Als het product van kunststof is en weinig precisie vereist, wordt de voorkeur gegeven aan holblazen. Voor producten met een hoge precisie wordt spuitgieten gekozen.

(4) Bestaande productieomstandigheden

De bestaande productieomstandigheden hebben betrekking op de huidige uitrustingscapaciteit, de technische expertise van het personeel en de mogelijkheid om producten uit te besteden.

Als er bijvoorbeeld bij de productie van zware machineproducten geen staaloven met een grote capaciteit of zware hef- en transportapparatuur aanwezig is, wordt vaak het gecombineerde proces van gieten en lassen gebruikt. Hierbij worden de grote onderdelen in kleinere stukken verdeeld om te gieten en vervolgens aan elkaar gelast tot grotere stukken.

Een ander voorbeeld: de oliepanonderdelen voor een draaibank worden meestal geproduceerd door dunne stalen platen te stansen met een pers. Als de omstandigheden ter plaatse niet geschikt zijn voor dit proces, moeten alternatieve methoden worden gebruikt.

Als er bijvoorbeeld geen dunne platen of grote persen ter plaatse zijn, kan het gietproces gebruikt worden. Als er wel dunne platen beschikbaar zijn, maar geen grote pers, dan kan een economisch en haalbaar spinvormproces gebruikt worden als vervanging voor stempelvormen.

(5) Aandacht voor nieuwe processen, technologieën en materialen

Met de groeiende eisen van de industriële markt stellen gebruikers steeds hogere eisen aan productvariëteit en kwaliteitsverbeteringen, wat leidt tot een verschuiving van massaproductie naar productie van meerdere variëteiten en kleine batches. Dit vergroot het toepassingsgebied voor nieuwe processen, technologieën en materialen.

Om de productiecyclus te verkorten en producttypes en -kwaliteit te verbeteren, is het noodzakelijk om het gebruik van nieuwe processen, technologieën en materialen te overwegen, zoals precisiegieten, precisiesmeden, precisieblanking, koude extrusie, vloeibaar matrijssmeden, superplastisch vormen, spuitgieten, poedermetallurgie, keramiek en andere statische drukvormen, vormen van composietmateriaal en snelle vormen. Dit maakt bijna netvormige onderdelen mogelijk en zorgt voor een aanzienlijke verbetering van de productkwaliteit en economische voordelen.

Bovendien is het voor een redelijke selectie van het spuitgietproces belangrijk om een duidelijk inzicht te hebben in de kenmerken en het toepassingsgebied van de verschillende spuitgietprocessen en in de invloed van het spuitgietproces op de materiaaleigenschappen.

De karakteristieken van verschillende blenkvormprocessen van metaalmaterialen worden getoond in Tabel 3.

Tabel 3 Kenmerken van verschillende blenkvormprocessen