邱彩云

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息工程系，江蘇 徐州 221011）

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是社會(huì)發(fā)展的基石。機(jī)械制造業(yè)作為制造業(yè)最重要的組成部分，它決定國(guó)家制造業(yè)的整體水平。機(jī)械制造業(yè)一般是制造、改進(jìn)機(jī)械零部件，機(jī)械操作系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備在生活中的使用性能[1]。它直接影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平，影響著人民生活幸福，它的重要性及其地位不言而喻。然而影響機(jī)械制造業(yè)最重要的因數(shù)材料，它決定了制造業(yè)整體的先進(jìn)水平。選擇有效的、合理的、易加工的、高強(qiáng)度的材料，可以提升機(jī)械制造中的效率提升，產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命[2]。近年來(lái)隨著復(fù)合材料的興起，它被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械制造行業(yè)中，它具有金屬和非金屬的優(yōu)點(diǎn)，兼具金屬的強(qiáng)度、韌性，同時(shí)又有非金屬的耐熱，耐腐蝕的性能，這也造成了它的廣泛推廣，如圖1所示。

圖1 2009年-2018年金屬基復(fù)合材料的研發(fā)費(fèi)用以及經(jīng)濟(jì)效益

1 幾種重要的金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械制造等領(lǐng)域中，但是由于金屬基復(fù)合材料種類比較多，性能也有一定的差異性，因此可以合理、特定的情況中的使用，合理的選擇不同的復(fù)合材料，這樣才能充分將其綜合優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)[3]。

（1）金屬粒塑料復(fù)合材料。金屬粒塑料復(fù)合材料，顧名思義就是將金屬顆粒與塑料組合而成的金屬?gòu)?fù)合材料，它具有傳統(tǒng)金屬材料所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，它兼具金屬的強(qiáng)度、韌度，它能極大的提高彈性系數(shù)，延伸率，而且質(zhì)量小，比強(qiáng)度高，在機(jī)械制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、汽車(chē)部件廣泛使用。

（2）碳纖維石墨纖維復(fù)合材料。碳纖維石墨纖維復(fù)合材料屬于一種非常前沿的金屬?gòu)?fù)合材料，它被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械制造行業(yè)，這主要是因?yàn)檫€有許多普通材料不具有的特點(diǎn)。這種材料主要是通過(guò)有機(jī)纖維熱處理制造而成的，雖然它具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它的制造過(guò)程極其復(fù)雜。首先它要對(duì)材料進(jìn)行熱處理，但在此情況下碳纖維與金屬材料不易相結(jié)合，這就造成制造難度。為了解決這個(gè)難題，就需要采取石墨化工藝及熱穩(wěn)定氧化處理的方式，從而才能得到質(zhì)量良好，性能優(yōu)良的碳纖維復(fù)合材料。這種碳纖維復(fù)合材料在使用的過(guò)程中具有很高的強(qiáng)、韌性、延伸率、比模量、比剛度相當(dāng)高，而且具有很好的耐磨性的，耐腐蝕性。

（3）彌散強(qiáng)化復(fù)合材料。作為應(yīng)用最廣泛的復(fù)合材料，它推動(dòng)了機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展。這種復(fù)合材料主要是利用材料中的彌散原的細(xì)小顆粒，融入到金屬材料當(dāng)中，使材料非均勻形核，能極大的提高材料的形核率，細(xì)晶強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化相結(jié)合，極大的提高了材料的強(qiáng)度，同時(shí)還具備較高的耐熱性，耐磨性能，極大的提高材料設(shè)備使用壽命，對(duì)機(jī)械制造業(yè)具有顯著的效果。而且它的制備并不是十分復(fù)雜，它的性價(jià)比相當(dāng)高。因此被廣泛運(yùn)用到機(jī)械制造領(lǐng)域中。

（4）不銹鋼復(fù)合材料。由不同元素組成的不銹鋼復(fù)合材料具有不同的性能差異，不銹鋼復(fù)合材料最主要的顯著的特征就是耐腐蝕性能和耐電化學(xué)性能優(yōu)良，以及比較優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，特別適合在一些酸堿鹽濃度比較高的工況下作業(yè)，能接到的提高其使用壽命，節(jié)省成本。

2 金屬基復(fù)合材料的制備方法

金屬基復(fù)合材料的制備工藝繁雜，這主要是由于金屬材料和其他的非金屬材料之間的界面潤(rùn)濕性能較差，導(dǎo)致它們之間的結(jié)合力下降，進(jìn)而影響其強(qiáng)度、韌性，故要極高的要求及其苛刻的環(huán)境下才能制造比較性能優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料。這也造成了他的制作成本比較高，限制了其廣泛的應(yīng)用。以下介紹幾種典型的金屬基復(fù)合材料制備方法。

（1）粉末冶金法。它是上個(gè)世紀(jì)開(kāi)展的一種比較成熟的工藝，它的原理是將金屬粉末與增強(qiáng)相的顆?；蚍勰┻M(jìn)行固態(tài)混合之后，進(jìn)行冷壓封裝，在高溫的情況下進(jìn)行熔煉，使得兩種材料在熔融狀態(tài)下進(jìn)行進(jìn)行凝結(jié)達(dá)到增強(qiáng)體的效果，但是整個(gè)工藝比較復(fù)雜，成本比較高。

（2）液態(tài)金屬陶瓷顆粒攪拌鑄造法。采用這種攪拌的方法制備金屬基復(fù)合材料主要是在熔融的狀態(tài)下攪拌熔體，產(chǎn)生漩渦將其顆粒卷入有，還可以采用離心鑄造，氣流噴射等。許多研究學(xué)者采用這種方法制備了性能優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料。但這種方法也存在一些缺點(diǎn)，如采用攪拌引入增強(qiáng)相的時(shí)候顆粒的尺寸必須足夠的小，體積分?jǐn)?shù)不能太大。在攪拌的過(guò)程中也會(huì)遇到一些其他的問(wèn)題，顆粒偏聚，顆粒在液面中固液分離，同時(shí)可能會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。

（3）擠壓鑄造。擠壓鑄造就是先將增強(qiáng)體做成毛坯，然后再加熱到一定的溫度將其放入合適的模具當(dāng)中，注入基體材料，然后再在液壓機(jī)的催動(dòng)之下將體積材料沖入預(yù)制的空隙當(dāng)中，在壓力的作用下凝固，用這種方法制作的增強(qiáng)體可以是很多種類，竹纖維型、顆粒型，它的增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)也比較大，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活的調(diào)整，這是它的優(yōu)點(diǎn)。

（4）一些其它的制造工藝。還有一些其它的制造工藝如熔體浸滲法以及流變鑄造法、噴射沉積技術(shù)。熔體浸滲法主要是利用一些機(jī)械裝置或者是氣體氣壓裝置，在壓力的作用下將金屬的熔體壓入一些陶瓷顆粒，然后再進(jìn)行制備復(fù)合材料，這種方法也被廣泛的推廣，但是缺點(diǎn)就是預(yù)制金屬基復(fù)合材料變形比較大，微觀結(jié)構(gòu)不是非常均勻，晶粒粗大，界面會(huì)發(fā)生一系列的復(fù)合反應(yīng)。同樣的流變鑄造法也存在一些缺點(diǎn)，它主要是存在攪拌工藝的問(wèn)題，使得接觸下不能均勻分布。分散噴射沉積技術(shù)條件比較苛刻，陶瓷顆粒與金屬熔滴接觸時(shí)間非常的短，界面反應(yīng)要有效的控制，同時(shí)要減少氧化反應(yīng)。

3 金屬基復(fù)合材料的研究趨勢(shì)

首先金屬基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用一定要建立在工藝制備方法比較簡(jiǎn)單，成本比較低，易于使復(fù)合材料進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化階段，使其具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。金屬相與增強(qiáng)顆粒之間的接觸問(wèn)題一直干擾著金屬基復(fù)合材料得制備。全球科學(xué)人員一直在著力解決這個(gè)難題，雖然取得了一定的成果，但是問(wèn)題還是沒(méi)有得到徹底的解決。沒(méi)有徹底弄懂凝固過(guò)程中增強(qiáng)相與基體的作用機(jī)理及其相關(guān)的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。這值得科學(xué)家們進(jìn)一步去探索。

4 機(jī)械制造業(yè)，金屬基復(fù)合材料的具體應(yīng)用

金屬基復(fù)合材料在機(jī)械制造業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用比較廣的主要有以下幾個(gè)方面。

（1）模具沖壓方面。模具是機(jī)械制造的重要組成部分，它扮演著關(guān)鍵重要的角色，它能夠提高機(jī)械制造的效率，但是模具的使用壽命嚴(yán)重影響了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。模具的材料是影響模具壽命的關(guān)鍵，模具材料一般分為拉模材料及壓模材料，不同模具的功能和要求尚有很大的差異，這種差異性也造成了及模具使用的材料的差異。模具在沖壓裁剪過(guò)程中必須從受到極大的瞬間的沖擊力，摩擦力，機(jī)械振動(dòng)力，為了使機(jī)械制造能夠順利的進(jìn)行，提高其使用效率，同時(shí)提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及產(chǎn)品的使用壽命，這就對(duì)模具提出了很高的要求。普通金屬材料無(wú)法滿足這種要求，因?yàn)閺亩鴷?huì)影響到深圳制造生產(chǎn)過(guò)程。而金屬基復(fù)合材料具備一些普通材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它的強(qiáng)度高，耐熱性能好，受沖擊，減震性能優(yōu)良。耐腐蝕性能好，耐高溫性能好。極其適合模具的生產(chǎn)制造。

（2）機(jī)械零部件制造過(guò)程中的應(yīng)用。機(jī)械制造過(guò)程中會(huì)涉及到非常多的大量的零件，如一個(gè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)就有上千個(gè)零件，包括螺栓、螺母、螺帽、活塞套、活塞桿等其他一些零部件，不同的零部件對(duì)機(jī)械性能的要求極不一樣。有些零部件需要極高的強(qiáng)度、硬度，而有些需要熱穩(wěn)定性高，高溫下能保持其高強(qiáng)度、高硬度、高延伸率。這些都是傳統(tǒng)材料難以滿足的，而對(duì)于金屬基復(fù)合材料，它可以滿足使用的標(biāo)準(zhǔn)，可以節(jié)省選擇的時(shí)間，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命，減少機(jī)械的磨損，滿足工況要求。金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用將極大的提高零部件的疲勞壽命，提高產(chǎn)品的使用年限，在機(jī)械零部件制造過(guò)程中將會(huì)有極大的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

金屬基復(fù)合材料是當(dāng)前材料研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，它具備普通材料所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)和性能.將它應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)中能發(fā)揮其潛力，提高生產(chǎn)率，節(jié)約成本，解決傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)亟待解決的一些問(wèn)題，能夠很好的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和具有廣闊的應(yīng)用前景，使我國(guó)機(jī)械制造業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中提高其競(jìng)爭(zhēng)力。