金属材料及其表面处理的选型设计要求

1、金属材料选用原则

1.1 选材原则

结构设计中材料的选用一般原则有以下几点：

1）有广泛的供应来源；

2）生产和加工的廉价性；

3）能量的有效利用性；

4）足够的强度和坚硬性，在所使用的温度范围内尺寸稳定；

5）有利于实现轻量化；

6）生命周期内安全可靠、耐腐蚀、耐老化；

7）对于环境不产生有害影响；

8）可降解性，便于废弃处理；

9）可批量地二次再生利用；

在具体零件的设计中，选择材料时的考虑因素首先是须满足机械性能要求，其次再考虑应用环境、耐蚀性及其相应的表面处理措施、加工成本，然后再据这些要求来设计具体的形状尺寸等等。

1.2 材料与表面处理选择依据

1.2.1 材料成本

一般情况下，相同规格、单位重量的材料价格从高至低的排列顺序为：

纯铜、青铜/黄铜、硬铝、防锈铝/锻铝、纯铝、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、马口铁/覆铝锌板、电镀锌板、热镀锌板、冷轧钢板、热轧钢板；压铸材料的价格从高至低的排列顺序为：镁合金、铝合金、锌合金。

1.2.2 表面处理成本

表面处理加工成本中，目前单价{zd1}的是热浸镀锌处理（这项处理只适用于安装附件），其次是喷涂有机涂层、电镀锌、铝化学转化和铝阳极氧化处理，然后是达克罗处理（只适用于钢质紧固件），成本较高的是贵金属电镀和化学镀，处理成本从低至高的顺序如下：电镀镍、电镀装饰铬、电镀锡、化学镀镍、电镀银、电镀金。

在电镀工艺中，不同基材成本差异较大，钢上电镀{zd1}、铜电镀次之，铝件电镀较高，而压铸件电镀成本{zg}。

对于有机涂层，不同涂料所对应的产品成本也是不同的。

 “拉丝”和“喷砂”在零件中专指装饰性的表面加工、且只允许用于铝材或不锈钢材料表面，属于机械式表面处理操作，供参考的成本价格大约是 14～35元/m2（单面）。

1.2.3 表面处理后的外观

有机涂层可按设计要求形成各种各样的外观形式（包括颜色与纹理），目前常见的表面纹理有：桔纹（粉末涂层）、砂纹（粉末涂层）、平面（粉末涂层或油漆）、洒点（油漆）。有机涂层的光泽分高光、半光、平光（或称“亚光”）三类，通信设备上多采用平光涂层。

有机涂层的颜色色差有控制范围要求。一般深色允许的范围较宽（因为人眼对深色的分辨能力较弱），而浅色的则范围较小（因为人眼对浅色更容易比较出差别）。

需注意的是：如在深色中加入金属粉效果，则其外观颜色的控制难度将增大，生产容许的色差范围将超出人眼不能分辨的限度、而出现比较明显的色差变化。

电镀锌只作为防护性镀层，外观是彩虹色、或者黑色（只用于紧固件）、或者蓝白色。

电镀锡（锡铅合金）、银、金均是作为特殊功能性镀层，不用作装饰。镀层的外观颜色分别是银白色和金黄色。

装饰性电镀层只能用镀镍、或镀铬，颜色分别是略带黄色的银白色、或带青色的银白色，表面光泽均可以是光亮型和亚光型。

钝化处理膜基本上是无色的，处理后的零件显示为金属基材的本色。

铝化学转化处理膜有无色和浅黄色（略带彩虹）两种；铝阳极氧化可通过着色而形成多种表面颜色，通信设备中的散热器常用到黑色。

1.2.4 强度或刚性

在常用状态的金属板材中，按“比强度”排序，从高至低为：硬铝、锻铝/防锈铝、普通钢板、不锈钢板、铜。

如按单纯的强度指标排序，从高至低为：不锈钢板、普通钢板、硬铝、黄铜、锻铝、防锈铝、纯铝。

金属板材抗拉强度越高、刚性越好，表面硬度也越高。

1.2.5 折弯性

有经验认为，板材的“屈强比”（即屈服强度与抗拉强度之比）如小于0.8则其折弯性能良好，如果大于0.8则容易出现折弯裂纹。

1.2.6 可焊性

对同种材料自己与自己焊接的加工性能进行比较，焊接工艺要求和加工难度从容易到较困难的排序为：碳钢、铜、铝、不锈钢。

1.2.7 耐蚀性

在常用的材料品种中，就材料本身耐蚀能力比较，表面最不容易出现腐蚀变色的材料是纯铝，然后依次是防锈铝、不锈钢、铜、压铸锌合金、碳钢。

对于在材料生产时就增加了表面预镀层的冷轧碳钢板材料，表面抗腐蚀性能由高至低排序为：耐指纹电镀锌钢板、覆铝锌板（有可能只有一面较好、另一面很差）、热浸镀锌钢板。

1.2.8 弹性

材料强度越高，其弹性极限也越高。

对于弹性结构件，长期处于工作状态时弹性失效，自然衰退不可避免。有经验认为设计时应保留20%左右的余量，一般可保证十年时间使用寿命，即较好的设计是使弹性零件的工作范围在其弹性极限的60%~80%之内，这样就不必担心弹性的保持时间问题。

1.3 优选材料

不同生产厂生产的同一类材料基本性能都相似，但可能会在个别性能指标上有所差异。设计选材时，规定：每一类材料只在图纸上标注一个统一的、符合我国国家标准的材料代号。

在一些特殊情况下（如材料采购困难等）允许使用性能相似或更优的材料作为替代，注意选择替代材料时要仔细比较材料性能数据和允许替代的范围。