材料成形加工与可持续发展

作者：广东工业大学 马志国 孙友松 章争荣

欢迎访问e展厅 展厅 12 其它金属加工设备展厅 喷丸强化设备, 缩管机, 铆接机, 倒角机, 拉丝机, ... 摘要：介绍了为实现可持续发展的目标，在成形加工技术方面的一些新的进展，如轻质合金、高强度钢等新材料的开发应用，以及拼接毛坯、液压成形、半固态成形、金属注射成形等新工艺。 关键词：机械制造；生态材料；综述；可持续发展 1 可持续发展——人类发展的共同目标 １９９２年联合国在巴西首都里约热内卢召开的环境与发展大会发表了《关于环境与发展的里约宣言》和《２１世纪议程》，提出了全球可持续发展的战略框架。随后，１９９４年我国政府向全世界推出《中国２１世纪议程》，从我国国情出发，把可持续发展列为国家发展战略。在布兰特伦（ＢｒｕｎｄｔＩａｎｄ）报告中，可持续发展首次被定义为“满足当代人需要而又不损害后代人满足其需要的发展”。可是，可持续发展与人们常常所讲的“持续发展”或单纯的“环境保护”有所不同，具有更加深刻的内涵。它强调发展的可持续性、代际公平性以及经济、社会与资源、环境发展的协调性，并由仅仅从生产的角度强调节约能源逐步转向从设计、生产、使用、报废等（即所谓的从“摇篮”到“坟墓”）全生命周期的角度强调节约能源、降低材耗、保护环境，以达到可持续发展的目的。在此以后的历次世界性环境与发展、人口与发展等首脑会议上进行不断讨论，进而形成一种全新的经济发展观。在跨入新世纪之后，可持续发展已成为一个关乎人类生存与发展的国际命题而为世人瞩目。它作为一种新的发展模式，必然对社会的各行各业产生巨大的推动作用和影响，同时提出了新的更高要求。 2 成形加工在可持续发展中的地位 材料成形加工是制造技术的重要环节，是制造业的主要组成部分之一，是国民经济的支柱产业。从经济效益的角度考虑，在零部件的生产制造中，原材料的成本仅占很小的比例，附加值主要来自成形加工环节。若以Ｍ表示金属材料制品的价值与用于该制品的原材料价值之比，对于汽车零部件，Ｍ＝２～５；飞机的一般铝合金结构件，Ｍ＝５～２０；飞机发动机普通叶片，Ｍ＝５０左右。从可持续发展的角度考虑，金属材料的制备、成形与加工，历来是能源、原材料消耗巨大、环境污染严重的工业领域，且至今这一状况还没有彻底改善。有关专家指出，当前主要金属材料的性能仅实现了４０％～７０％，若使其余性能潜力得到充分发挥，则可减轻构件质量，节材２５％～６０％。同时，在节能、降低成本、控制污染等方面带来巨大效益。因此，该领域的技术进步是可持续发展战略和净化环境的迫切需求。 经济的全球化发展，特别是我国加入ＷＴＯ后，使得我国可能成为国际制造业的主要基地之一。但是成形加工技术落后，单位产量的材耗、能耗大是我国实现制造业可持续发展所面临的主要障碍。党的十六大文献指出：实现工业化仍然是现代化进程中艰巨的历史性任务。信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。很明显，我国新型工业化道路必须走可持续发展的道路。而且，针对材耗、能耗和环境问题，国际制造和环境标准化组织推出了ＩＳＯ１４０００系列国际认证。因此，如何研发新型材料、开发新型加工工艺就成为实现成形加工业可持续发展的主要研究方向。 3 新材料的开发与应用 新材料的开发和使用是实现制造业可持续发展的前提和基础。１９９０年日本“未来科学技术学会”山本良一教授提出了“环境意识材料（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｓｃｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）”，随后美国和欧洲学者提出的绿色材料（Ｇｒｅｅｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、生态友好材料Ｅｃｏ－ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ为新型材料的研究指明了方向。如钢、铝、镁及锌等是典型的生态材料，目前的研究也大量集中在这几种材料上。 ３．１ 轻质金属材料 汽车作为一种快速灵活而又经济的交通工具将长期存在，汽车的能源消耗是世界上最大的能耗之一，而汽车尾气的排放污染，则是目前全球最大的污染源之一。汽车的节能、减污是可持续发展的主要途径，而减轻汽车自重是提高汽车燃油经济性、节约能耗、降低污染的一项重要措施。据称，汽车重量减轻一半就意味着燃油效率提高一倍。另有估计，每减少１００ｋｇ的重量，轿车每行驶１００ｋｍ耗油可节省０．３～０．５Ｌ。所以，在保证汽车零件的强度、刚度等质量指标的情况下，减轻其重量对实现可持续发展有很大意义。铝、镁等合金具有密度较小，比强度、比刚度较高，成形性、加工性能优良的优点，在汽车轻型化过程中起着至关重要的作用。 ３．１．１ 铝合金及铝基复合新材料。 车用铝合金的研究和发展主要有以下几类：①铸造铝合金；②形变铝合金；③锻造铝合金；④快速凝固铝合金；⑤粉末冶金铝合金；⑥超塑铝合金；⑦纤维增强型铝合金。德国开发的Ａｕｄｉ Ａ８轿车采用铝质车架ＡＳＦ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｓｐａｃｅ Ｆｒａｍｅ）的轻车身设计，使得中型汽车车身（不含车门和发动机罩）的平均重量从２７５ｋｇ减至２０５ｋｇ，且成本与传统的钢车架一样，甚至比它更便宜。发动机部件用铝材制造轻量化效果较为明显，一般可减重３０％以上。日产公司（Ｎｉｓｓａｎ）麦克西马（Ｍａｘｉｍａ）车上使用了新型的ＶＱ系列Ｖ６铸铝缸体发动机和铝气门挺杆，与原Ｖ６相比，减重达５０％以上。形变铝合金主要用于保险杠、发动机罩、制动器的保护罩等零部件，与铸件相比，强度和韧性更好。锻造铝合金价格昂贵，欧美高级轿车上才有少量使用，由于其比强度高（可与合金钢媲美），而且受碰撞后所吸收的能量比铸件高５０％左右，因此，它在安全部位的使用前景十分看好。超塑铝合金在一定的加工条件下，可产生异常大的延伸变形，形状复杂的零件可一次冲压而成。纤维增强型铝合金具有较高的强度、弹性模量、耐热和耐磨性能。 对于铝基复合材料的研究，从上世纪６０年代的多种连续纤维增强铝基复合材料到该世纪８０年代的颗粒、晶须等非连续增强铝基复合材料，目前已有ＳｉＣ颗粒增强铸造铝合金复合材料、Ａｌ２Ｏ３颗粒增强变形铝合金复合材料等应用于缸体、活塞、刹车摩擦件等汽车零件的制造上。日本本田公司开发的连续铝纤维增强的铝基复合材料，用于汽车缸套，不仅达到减重目的，而且能够减少缸体变形，提高总成耐磨性。 泡沫铝材是一种新型的功能材料和结构材料，其结构多为三明治式的夹层结构，中间芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下两层为铝板或其他金属板。它具有密度小、耐高温、抗腐蚀、有很强的吸收冲击能的能力、可完全回收和再生利用等一系列优点。德国卡曼汽车公司制造的吉雅轻便轿车的复合铝材顶盖板，强度比原来的钢材提高７倍，质量减轻２５％。 ３．１．２ 镁合金材料 镁合金由于具有高的比强度，且尺寸稳定性、机加工性能、吸振性好，近年来在汽车上的应用呈上升趋势；它的另一优点是熔点低，回收重熔所需能量较钢铁大为减少，具有良好的回收再生性能。镁合金的使用主要用于仪表板、变速器壳、油箱盖以及座椅架等零件。但由于其应力腐蚀强度不足等缺陷，应用受到限制。随着金属成形工艺的改进和发展，镁合金的应用被各国制造商看好，前景十分广阔。 ３．２ 高强度钢（ＴＲＩＰ钢）材料 汽车轻型化的另一条途径是采用高强度钢（Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｓｔｅｅｌ）。由于强度的提高，按照等强度转化的原则，可大大减少钢材的使用量。高强度钢包括了固溶强化钢Ｓｏｌｉｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｈａｒｄｅｎｅｄ、烘烤硬化钢Ｂａｋｅ Ｈａｒｄｅｎｅｄ、双相钢Ｄｕａｌ Ｐｈａｓｅ及相变诱发塑钢Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ Ｓｔｅｅｌ等几种。其中，相变诱发塑性钢是一新的钢种是利用组织中奥氏体受力应变过程相变为马氏体而达到强化的目的，同时材料塑性又会大大增加这样就同时实现了强韧性最优组合是其他钢种所不及的。许多国家对ＴＲＩＰ钢做了大量的研究，例如，比利时的鲁汶大学已生产出含硅量０．４％的低硅ＴＲＩＰ钢，并用于汽车制造；日本考伯钢铁公司（Ｋｏｂｅ Ｓｔｅｅｌ Ｕｎｉｔ）生产的ＴＲＩＰ钢，是一种全新的以贝氏体为基并有极好强韧性配合的ＴＩＲＰ钢；国内，上海某大学对此做了相关研究并取得一定成果，开发出一条冷轧生产ＴＩＲＰ 钢的工艺路线。 ３．３ 锌材料 锌是人类健康及生物生长所必须的营养元素，具有自然稳定性好等优良性能，是一种最经济有效且环境友好的钢材防锈方法。近年来，氧化锌晶须、纳米级氧化锌粉等新型生态环境友好锌材料不断涌现。氧化锌晶须最早由日本松下产业株式会社于１９８９年研制成功，具有良好的耐磨、减噪等功能；纳米级氧化锌粉广泛用于汽车、船舶、桥梁、地下管道及港湾设施等各种钢结构和制品的防腐。国内，湖南长沙富虹锌业公司及江苏常泰化工集团公司在这方面取得了较好的成果 ４ 新工艺的开发与应用 除了新材料的开发以外，新的成形工艺对实现可持续发展也起着十分重要的作用。 ４．１ 剪切拼接技术 剪切拼接技术是在冲压成形前，将若干不同厚度、材质或表面涂层的较小尺寸板料采用激光焊或滚压焊等焊接成整块板料的技术。使用拼焊板料最大优点是可以使产品结构达到优化配置、降低产品重量、减少材耗、能耗。拼焊板技术的应用历史可以追溯到１９６０年，日本本田汽车采用拼焊板冲压件做车身侧板，但其后的２０多年间并没有得到应用发展。直到１９８５年，由于社会对汽车的性能和功能（如节能、减少污染、驾驶安全等）要求越来越高，拼焊板技术的应用才得到关注，特别是全球可持续发展战略的提出，使得拼焊板技术得到了普遍的使用。目前汽车制造业应用最广泛的板料是非均厚度拼焊板。如美国通用汽车公司（ＧＭ）在部分Ｃａｄｉｌｌａｃ和中巴上用拼焊板做门内侧板和侧面板；日本丰田公司（Ｔｏｙｏｔａ）在ＬｅｘｕｓＧＳ４００和ＬｅｘｕｓＧＳ３００中用５块不同板料拼接而成的拼焊板做车身侧板；德国大众汽车公司（Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ）从１９８５年开始在其奥迪（Ａｕｄｉ）车上将拼焊板用于汽车前底板；上海大众公司的Ｓａｎｔａｎａ车前梁也使用了德国原厂进口的拼焊板冲压件，以增加载人部位的强度和刚度。 拼焊板技术的关键问题在于以下３方面：⑴保证良好的焊接集成性；②拼焊速度要高；③拼焊板在冲压时变形不均匀。 ４．２ 液压成形技术 液压成形技术的发展，使汽车零部件的设计和制造发生了革命性的变化。它主要用来制造一些结构和截面形状复杂的零件。按加工过程的特点，可分为板料液压成形技术、管件液压成形技术与流体引伸技术３种。其中尤以管件液压成形技术应用最为广泛。 管件成形是以无缝管或焊接管为毛坯，通过管件腔内的液体压力与轴向负荷的作用，使其在给定模具内变形，从而得到所需形状零件的技术。 由于复杂形状的零件可一次成形，减少了结构的零件数量，可以使用更少的材料。因此，管件液压成形技术的减重效果十分显著。如美国Ｆｏｒｄ公司１９９４年推出的Ｍｏｎｄｅｏ车型，其前车架的结构原来是由６件箱形或者槽形冲压件组合而成，而现在采用管件液压成形技术，只需要一个零件，整个部件的重量减轻了３４％；模具数量从原来的３２付减少至３付，费用减少３７％。 ４．３ 半固态成形技术 半固态成形工艺（Ｓｅｍｉ－ｓｏｌｉｄ Ｆｏｒｍｉｎｇ）是２０世纪７０年代初由美国麻省理工学院Ｆｌｅｍｉｎｇｓ教授等人研究开发的。其基本原理是在液态金属凝固过程中施以剧烈搅拌，破碎所生成的树枝晶，而形成近球形初晶晶粒和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的合金浆料。这种浆料在力的作用下即使固相率达到６０％，仍具有较好的流动性，可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。目前，半固态金属成形方法主要分为流变成形和触变成形。 与传统的液态和塑性成形相比，半固态加工技术优点有：①是一种近净成形加工工艺，省材；②成形温度低于液态成形，节能；③成形温度低，结晶潜热少，延长了模具的使用寿命；④变形抗力小于塑性变形，扩大了合金成形的壁厚范围；⑤提高成形件品质与力学性能，扩大了产品范围，可生产金属基复合材料。但是，半固态加工技术由于增加了制坯等中间环节，生产成本会有所提高。从可持续发展的观点综合考虑各种因素，半固态成形技术仍具有相当强的市场竞争力。 铝合金大型汽车零件毛坯半固态成形和钢铁半固态成形系统研究才刚刚起步，可以说这两个方向都是当今金属成形领域的最前沿且最有意义的课题。如果钢铁半固态浆料制备及直接成形的基本问题得到解决，就可为缩短现有冶金生产流程、降低能耗、提高质量提供坚实的理论指导；如果大直径铝合金半固态坯料制备和成形的基本问题得到解决，就可为生产高质量的大型汽车铝合金毛坯提供坚实的理论指导。随着半固态成形技术的不断完善和成熟，预计在航空航天、汽车制造、通讯以及国防尖端领域都会有广阔的前景，它将是２１世纪新一代新兴的金属成形技术。 ４．４ 金属注射成形及新的脱脂技术 粉末冶金与精密锻造相比，变形抗力可大大降低，可实现更多复杂零件的精密成形，减少成形压力，近年来得到较快的发展，除制造一些如磁铁、轴承等功能材料外，在齿轮、凸轮等一类传动件和结构件中也得到了越来越广泛的应用。金属注射成形（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ，简称ＭＩＭ）技术是将塑料注射成型技术引入粉末冶金领域而产生的一种新型粉末冶金净成形技术。ＭＩＭ是现今粉末冶金领域中发展最迅速的新工艺。其基本工艺过程是：首先将细小的金属粉末和有机粘结剂均匀混合在一起得到适合于注射成形的粉料，混合后在注射成形机上注射成形，然后经过脱脂步骤除去注射成形坯中的粘结剂，并且烧结得到最终产品。 现在，ＭＩＭ已发展成为一种极有竞争力的制造小型精密零件的成形方法，它几乎能用所有种类的材料，例如金属、陶瓷、金属间化合物和复合材料等，来制造复杂形状零件。ＭＩＭ零件在各工业部门如：汽车、化工、航空航天、生物医学、军事等，均有广泛的应用。ＭＩＭ作为一种制造高质量精密零件的接近最终形状的成形技术，具有常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势，ＭＩＭ能制造许多具有复杂形状特征的零件，如：外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔与盲孔、凸台与键销、加强筋板、表面滚花等等，这类零件都是无法用常规粉末冶金方法得到的。ＭＩＭ制造的零件几乎不再需要进行机加工，减少了材料的消耗，在制造业的可持续发展方面意义重大。 在ＭＩＭ工艺过程中，粘结剂及其去除（又称脱脂）技术不仅直接影响最终零件性能，而且成为ＭＩＭ走向规模化生产的决定因素。现在采用的脱脂方法有：热脱脂、溶解脱脂、催化脱脂等。溶解脱脂由于具有速率高、不易变形、节约能源等优点而颇受重视。水溶性粘结剂体系作为一种环境友好的绿色ＭＩＭ粘结剂体系，具有最大的挖掘潜力。其中日本的Ｔ．ＳＨＩＭＩＺＵ、Ａ．ＫＩＴＡＪＩＭＡ等人开发的水溶性粘结剂取得了很好的应用。这种粘结剂是由非水溶性物质ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ（ＰＰ）、ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ－ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ（ＥＶＡ）和水溶性ｅｔｈｙｌｅｎｅ－ｇｌｙｃｏｌ（ＰＥＧ）组成的混合物。其中，ＰＰ用来增加粘结强度，ＥＶＡ用来使各成分分布均匀。这两种物质在脱脂工序后留在金属材料中使工件成形。 性能测试表明，这种水溶性粘结剂取代常规粘结剂（热去除型），去粘仅需水浸泡１天，强度不受影响。不但消除了污染，而且节约了能源，有利于金属注射成形领域的可持续发展。 ５ 结束语 （１）材料成形加工不但是“能耗”、“材耗”和“排污”大户，还在很大程度上决定了产品的使用性能。它在实现可持续发展中占有十分重要的地位。新材料、新工艺的开发是可持续发展的必要条件。 （２）质量轻、强度高、性能好的多种新材料的开发，对于减少材耗、能耗及污染具有重要作用，尤其对于汽车工业的发展具有十分重要的意义。 （３）新的材料成形技术如净成形、剪裁拼接、液压成形、半固态成形、注射成形等能大大减少材耗和能耗，改善环境，有利于实现可持续发展。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/19/2004)