深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院/藝術(shù)設(shè)計學(xué)院劉傳兵2020.02材料及成型工藝之金屬篇

（三）、金屬

歲月的滄桑銹蝕在金屬產(chǎn)品上浮起層層斑駁，然而金屬材質(zhì)以其天然的無可比擬的堅固性，永恒地保留下人類駕馭自然、改造自然的能力和創(chuàng)造造型美的才華。

在鋼、鐵和合金為代表的現(xiàn)代工業(yè)社會，金屬材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能、加工性能和獨特的表面特性，成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的一大主流材質(zhì)。金屬礦石2、常用金屬材料的分類：

金屬材料種類繁多，按照不同的要求又有許多分類方法：①按金屬材料構(gòu)成元素分為黑色金屬材料和有色金屬材料。

黑色金屬材料包括鐵和以鐵為基體的合金。如純鐵、碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鐵合金等，簡稱鋼鐵材料。鋼鐵材料資源豐富、冶煉加工較方便、生產(chǎn)率高、成本低、力學(xué)性能優(yōu)良，在應(yīng)用上最為廣泛。

有色金屬包括鐵以外的金屬及其合金。常用的有金、銀、鋁及鋁合金、銅及銅合金、鈦及鈦合金等。

②按金屬材料主要性能和用途分為金屬結(jié)構(gòu)材料和金屬功能材料。

③按金屬材料加工工藝分為鑄造金屬材料、變形金屬材料和粉末冶金材料。

④按金屬材料密度分為輕金屬(密度<4.5g／cm3)和重金屬(密度>4.5g／cm3)。

3、金屬材料的固有特性：

金屬材料是金屬及其合金的總稱。金屬的特性是由金屬結(jié)合鍵的性質(zhì)所決定的。金屬的特性表現(xiàn)在以下幾個方面：①金屬材料幾乎都是具有晶格結(jié)構(gòu)的固體，由金屬鍵結(jié)合而成。②金屬材料是電與熱的良導(dǎo)體。③金屬材料表面具有金屬所特有的色彩與光澤。④金屬材料具有良好的展延性。⑤金屬可以制成金屬間化合物，可以與其他金屬或氫、硼、碳、氮、氧、磷與硫等非金屬元素在熔翮態(tài)下形成合金，以改善金屬的性能。合金可根據(jù)添加元素的多少，分為二元合金、三元合金等。⑥除了貴金屬之外，幾乎所有金屬的化學(xué)性能都較為活潑，易于氧化而生銹，產(chǎn)生腐蝕。4、幾種主要的金屬材料（1）鋼

A.碳素鋼

碳素鋼又稱碳鋼，含碳量低于2.11％的鐵碳合金。除鐵、碳及限量以內(nèi)的硅、錳、磷、硫、氧等雜質(zhì)外，不含其他合金元素。通常隨碳量增加，鋼的強度、硬度增大；但是其塑性、韌性和可焊性降低。

按含碳量可分為：

低碳鋼(含碳量0.25％以下，

中碳鋼(含碳量0.25~0.6％，

高碳鋼(含碳量0.6％以上。

碳素鋼是一種用量大、用途廣的金屬材料，多制成不同規(guī)格的板材、管材、型材、線材及鑄件，廣泛用于建筑、橋梁、車輛、化工等各領(lǐng)域。

B.合金鋼

以碳素鋼為基礎(chǔ)適量加入一種或幾種合金元素的鋼，具有較高的綜合機械性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能。合金元素可改善鋼的使用性能和工藝性能，常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、鈦、硼等。

如鉻可使鋼的耐磨性、硬度和高溫強度增加；鎳可使鋼材的耐熱性、低溫抗；中擊性、耐腐蝕性增加，主要用作強韌鋼、耐酸鋼等；錳可增加高溫的抗拉強度和硬度，與鉻的合金鋼可作強韌鋼，與硅的合金鋼可作彈簧鋼，與硫的合金鋼可作易切削鋼；硅可使鋼的耐熱性、耐蝕性增加，增加低合金鋼的強度，改善電磁性能，可用作強韌鋼、彈簧鋼以及電氣用的硅鋼板。

合金鋼按合金元素總含量分為低合金鋼(總含量5％以下)、中合金鋼(總含量5％～10％)和高合金鋼(總含量10％以上)。中國牌號美國牌號碳含量%磷含量%硫含量1Cr18Ni9302<0.15<0.015<0.03Y1Cr18Ni9303<0.15<0.2>0.150Cr18Ni9304<0.07<0.035<0.0300Cr18Ni9304L<0.03<0.035<0.030Cr23Ni13309S<0.08<0.045<0.030Cr25Ni20310S<0.08<0.035<0.030Cr17Ni12Mo2316<0.08<0.035<0.030Cr17Ni12Mo2N316N<0.08<0.035<0.0300Cr17Ni14Mo2316L<0.03<0.035<0.0350Cr13Al405<0.08<0.04<0.031Cr17430<0.12<0.035<0.03Y1Cr17430F<0.012<0.06>0.151Cr12403<0.15<0.04<0.030Cr13410S<0.08<0.035<0.031Cr13410<0.15<0.035<0.032Cr134200.16—0.25<0.035<0.033Cr134200.26—0.35<0.035<0.031Cr17Mn6Ni5N201<0.15<0.06<0.031Cr18Mn8Ni5N202<0.15<0.06<0.03常見的不銹鋼型號常用數(shù)字符號表示，用美國的表示方法有：200系列，300系列，400系列，如201，202，302，303，304，316，410，420，430等；中國的不銹鋼型號是用元素符號加數(shù)字表示，如1Cr18Ni9,0Cr18Ni9,00Cr18Ni9,1Cr17,3Cr13,1Cr17Mn6Ni5N等，數(shù)字表示相應(yīng)的元素含量。二者的對應(yīng)關(guān)系如下：【案例共享】：不銹鋼的設(shè)計應(yīng)用

(1)“柔韌度良好”的扶手椅由設(shè)計師羅恩·阿拉德(Ron

Arad)設(shè)計的扶手椅，椅子由四部分組成，造型簡單明快。椅子采用1

mm厚的優(yōu)質(zhì)鋼材制成，鋼材經(jīng)回火處理，具有良好的韌性，彈性優(yōu)異，具有強烈的視覺效果，給人以華麗、精致和現(xiàn)代之感。椅子的各部分由電腦控制激光切割器切割而成，各部分卷折后由螺釘連接而成，而不需要焊接和粘接。為了使椅子發(fā)亮的表面在搬運和使用中不留劃痕，其表面覆有一層塑料膜。圖

“柔韌度良好”的扶手椅(2)皺褶花瓶由荷蘭設(shè)計師馬丁·布魯爾(Martin

Bruhl)設(shè)計的花瓶，由一整片不銹鋼制作而成，經(jīng)；中壓、敲打、彎曲而成。圖：皺褶的不銹鋼花瓶(3)“貓魚”剪刀由意大利設(shè)計師富蘭西斯科·菲利匹(FrancescoFlippi)設(shè)計的剪子，將貓和魚的形象組合成一把剪刀，它由兩片不銹鋼絞合而成。不銹鋼表面鍍鈦，堅固耐用。圖：

“貓魚”剪刀（2）鋁及鋁合金A.鋁合金的分類

鋁合金通常分為可變形鋁合金和鑄造鋁合金。

可變形鋁合金又稱可壓力加工鋁合金，塑性良好，可通過軋制、擠壓、拔制、鍛造等冷、熱加工制成板、棒、管和型材等產(chǎn)品，是優(yōu)良的輕型材料。廣泛用作工程結(jié)構(gòu)材料、工業(yè)造型材料和建筑裝潢材料等；

鑄造鋁合金按主要合金元素可分為”鋁-硅系”、”鋁-銅”系、”鋁-鎂”系和”鋁-鋅”系合金，具有良好的鑄造性能和一定的力學(xué)性能，但塑性差，不能進行塑性加工。但可采用砂型、金屬型、熔模殼型的鑄造等方法，生產(chǎn)各種形狀復(fù)雜，承載不大，重量較輕且有一定耐蝕、耐熱要求的鑄件。B.鋁及鋁合金的特性：鋁及鋁合金是工業(yè)用量最大的有色金屬，是一種常用的現(xiàn)代材料。

鋁具有較優(yōu)良的特性。純鋁密度小，約為2.7g／cm3，相當(dāng)于銅的三分之一，屬輕金屬，熔點660攝氏度。鋁的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性優(yōu)良，僅次于銅，其導(dǎo)電率約為銅的64％。鋁在結(jié)晶后具有面心立方晶格，具有很高的塑性，可進行各種塑性加工。純鋁為銀白色，在大氣中鋁與氧的親合力很大，能形成一層致密的三氧化二鋁氧化膜，隔絕空氣防止進一步氧化，因此在大氣中有良好的抗氧性，但氯離子和堿離子能破壞鋁的氧化膜，不耐酸、堿、鹽的腐蝕。鋁合金是以鋁為基加入其他合金元素(銅、硅、鎂、鋅、錳、鎳等)而組成的合金。鋁合金質(zhì)輕、強度高，比強度值接近或超過鋼，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和抗蝕性，易加工，耐沖壓。陽極氧化著色工藝，是鋁合金部件上最常見的一種。HP(惠普)2133Mini-NotePC擁有簡單、精致的外觀設(shè)計；并采用了陽極氧化處理的鋁合金外殼；其他方面，該款筆記本按鍵采用透明涂料印刷；抗劃傷顯示屏和鎂鉸鏈支架；8.9英寸的WXGA顯示器，優(yōu)秀的觸摸板及QWERTY鍵盤設(shè)計；【案例講解】：鋁合金設(shè)計應(yīng)用案例案例解讀思考：該產(chǎn)品的外觀賣點在哪里？該產(chǎn)品所采用的金屬材料，及其表面處理工藝有哪些？（3）、鎂合金

鎂是極重要的有色金屬，它比鋁輕，能夠很好地與其他金屬構(gòu)成高強度的合金，鎂合金具有比重輕、比強度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能、易于加工成型、容易回收等優(yōu)點。但長期以來，由于受價格昂貴和技術(shù)方面的限制，鎂及鎂合金只少量應(yīng)用于航空、航天及軍事工業(yè)，因而被稱為“貴族金屬”。

鎂合金的耐腐蝕性是碳鋼的8倍，鋁合金的4倍，更是塑料的10倍以上，防腐能力是合金中最佳者。鎂合金的應(yīng)用

世紀(jì)初的超薄設(shè)計美學(xué)——鎂合金外殼手機

在航空航天方面，鎂合金被用作飛機的起落架，艙門，連桿機構(gòu)，壁板，加強框，隔框，艙面，副翼蒙皮，戰(zhàn)術(shù)航空導(dǎo)彈艙段等；尤其是密度最小的鎂鋰合金，兼有強度，韌性和可塑性，倍受航空航天業(yè)的青昧。發(fā)達國家非常重視兵器裝備的輕量化，采用輕金屬是其主要手段之一。如英國“蝎”式坦克采用質(zhì)量輕的鎂合金作平衡肘連桿底座、剎車盤、負重輪、炮塔座圈、油箱、坐椅等多種零部件。美國的M102式105mm榴彈炮的大架、搖架、前座板、左右耳軸托架等采用了輕金屬，火炮重量從原先(M101式炮)的3.7t降到1.4t，射程還提高了30-40。隨著鎂合金研究的深入，材料性能提高，制造技術(shù)改進，鎂合金的應(yīng)用會越來越廣泛。（4）、鈦合金

鈦合金具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好。

另外：鈦合金的工藝性能差，切削加工困難。在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦合金的特點鈦合金與其他金屬材料相比,有下列優(yōu)點:①比強度高（抗拉強度／密度），抗拉強度達100～140kgf/mm2，而密度僅為鋼的60％。②中溫強度好,使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強度，可在450～500℃的溫度下長期工作。③耐蝕性好，在大氣中鈦表面立即形成一層均勻致密的氧化膜，有抵抗多種介質(zhì)侵蝕的能力。通常鈦在氧化性和中性介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，在海水、濕氯氣和氯化物溶液中的耐蝕性能更為優(yōu)異。但在還原性介質(zhì)，如鹽酸等溶液中，鈦的耐蝕性能較差。④低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。⑤彈性模量低，熱導(dǎo)率小，無鐵磁性。

鈦合金的應(yīng)用

鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。

60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。材料科技美學(xué)——鈦合金高爾夫球桿5、金屬材料的成型加工：

金屬的成型方法可區(qū)分為鑄造、塑性加工、切削加工、焊接與粉末冶金五類。（1）鑄造

將熔融態(tài)金屬澆八鑄型后，冷卻凝固成為具有一定形狀鑄件的工藝方法。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，鑄造是生產(chǎn)金屬零件毛坯的主要工藝方法之一，與其他工藝方法相比，鑄造成型生產(chǎn)成本低，工藝靈活性大，適應(yīng)性強，適合生產(chǎn)不同材料、形狀和重量的鑄件，并適合于批量生產(chǎn)。但它的缺點是公差較大，容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。鑄造按鑄型所用材料及澆注方式分為砂型鑄造、熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造和離心鑄造等。

A.砂型鑄造

俗稱翻砂。

用砂粒制造鑄型進行鑄造的方法。右圖為砂型鑄造的基本工藝過程，主要工序：制造鑄模、制造砂鑄型(即砂型)、澆注金屬液、落砂、清理等。

砂型鑄造適應(yīng)性強，適應(yīng)各種形狀、尺寸、重量及金屬種類的鑄件，且工藝設(shè)備簡單，成本低，為鑄造業(yè)廣泛使用。砂型鑄造的基本工藝過程B.壓力鑄造

簡稱壓鑄。在壓鑄機上，用壓射活塞以較高的壓力和速度將壓室內(nèi)的金屬液壓射到模腔中，并在壓力作用下使金屬液迅速凝固成鑄件的鑄造方法。屬于精密鑄造方法。鑄件尺寸精確，表面光潔，組織致密，生產(chǎn)效率高。適合生產(chǎn)小型、薄壁的復(fù)雜鑄件，并能使鑄件表面獲得清晰的花紋、圖案及文字等。主要用于鋅、鋁、鎂、銅及其合金等鑄件的生產(chǎn)。圖：鋁合金壓鑄件C.其他鑄造(A)熔模鑄造