劉金龍

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

目前，我國(guó)的金屬資源是極為豐富的，被廣泛應(yīng)用于鑄造行業(yè)，但隨著行業(yè)需求的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬逐漸不能滿足鑄造的要求，因此，雙金屬型復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料的種類有很多，其中最具代表性的便是擠壓鑄造的雙金屬?gòu)?fù)合材料，這種材料在研發(fā)時(shí)對(duì)相關(guān)物質(zhì)的應(yīng)用和使用成本是很低的，一定程度上起到了降低的效果。雙金屬一般指銅和鋁兩種金屬，銅為主要鑄造材料，鋁則為輔助鑄造材料，兩種材料在鑄造時(shí)的比例會(huì)有所不同。以這兩種材料為基礎(chǔ)進(jìn)行鑄造，復(fù)合材料表面為鋁，其核心為銅，表面的鋁會(huì)對(duì)銅進(jìn)行完整覆蓋，防止銅發(fā)生氧化作用。之后通過設(shè)備的加工和技術(shù)的修整，形成了這種新型復(fù)合金屬材料。這種雙金屬?gòu)?fù)合材料對(duì)比傳統(tǒng)的單質(zhì)金屬材料是有很大的優(yōu)點(diǎn)的。首先，它具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性[1]。普通的單質(zhì)銅和單質(zhì)鋁雖然也有一定的導(dǎo)電性能，但是效果沒有雙金屬?gòu)?fù)合材料的導(dǎo)電性好，且這種復(fù)合材料的導(dǎo)電性能完全不需要外部因素和其他設(shè)備的介入，因此，雙金屬?gòu)?fù)合材料在導(dǎo)電方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。其次，這種復(fù)合材料還具有輕量化優(yōu)點(diǎn)，很適合用于鐵路、航空等領(lǐng)域，最后，這種材料還具有成本低的特點(diǎn)，這是因?yàn)閷?duì)鋁的應(yīng)用，導(dǎo)致材料整體的經(jīng)濟(jì)成本降低，所以，雙金屬?gòu)?fù)合材料也是一種性價(jià)比很高的導(dǎo)體材料。因此，本文會(huì)對(duì)此種材料的成型工藝進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行細(xì)致分析。

1 擠壓鑄造雙金屬?gòu)?fù)合材料成型工藝

1.1 建立擠壓鑄造雙金屬?gòu)?fù)合材料模型結(jié)構(gòu)

對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合材料初級(jí)模型結(jié)構(gòu)的建立，可以先使用強(qiáng)度較高的低合金鋼，這種金鋼屬于塑形材料，具有一定的彈性，在減少誤差的同時(shí)，可以幫助材料快速塑形。不僅如此，它還具有流動(dòng)和屈服的特點(diǎn)。首先，我們可以通過計(jì)算來獲得建立模型結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

公式中：N表示模型屈服度，a表示鑄造材料的總量，b表示材料可存在的誤差數(shù)值，p表示結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。通過此公式，我們可以計(jì)算出模型的屈服強(qiáng)度，接下來再進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的計(jì)算。公式如下：

公式中：M表示抗拉強(qiáng)度，x表示總體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，y表示總體結(jié)構(gòu)的寬度，e表示結(jié)構(gòu)的曲面長(zhǎng)度。通過此公式，我們可以計(jì)算出模型的抗拉強(qiáng)度，接下來再進(jìn)行拉斷伸長(zhǎng)率的計(jì)算，公式如下：

公式中：E表示拉斷伸長(zhǎng)率，N表示模型屈服度，M表示抗拉強(qiáng)度，通過此公式計(jì)算出模型的拉斷伸長(zhǎng)率。之后，將得出的是三項(xiàng)數(shù)據(jù)代入建立的模型結(jié)構(gòu)之中，通過各項(xiàng)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，利用低合金鋼進(jìn)行彈性塑形，完成模型結(jié)構(gòu)的建立。在這個(gè)過程中，需要注意的是抗拉強(qiáng)度的數(shù)值是塑性變形，它與在真實(shí)應(yīng)力的作用下發(fā)生的變形是不同的[2]。所以，在進(jìn)行模型塑形時(shí)，應(yīng)將抗拉強(qiáng)度的數(shù)值適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，保證復(fù)合材料模型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1.2 控制擠壓鑄造雙金屬材料的固液復(fù)合度

擠壓鑄造雙金屬材料的固液復(fù)合度是其成型的一項(xiàng)重要過程。固液復(fù)合度把控的準(zhǔn)確度直接影響復(fù)合材料是否成型。先將模型結(jié)構(gòu)內(nèi)注入熔化的金屬液，之后通過金屬分離設(shè)備快速轉(zhuǎn)動(dòng)，使其產(chǎn)生巨大離心力，此時(shí)，金屬液已均勻覆蓋在模型結(jié)構(gòu)中，并在低合金鋼的作用下快速成型。之后將內(nèi)部金屬液倒入模型中，等待其成型。由于低合金鋼的作用再加之復(fù)合材料的特殊性，使其成型速度加快，一般在15分鐘左右。在這個(gè)過程中，就需要時(shí)刻注意模型中金屬液的固液復(fù)合度，一般情況下，可以利用儀器進(jìn)行檢測(cè)，固液復(fù)合度的標(biāo)準(zhǔn)為6，此數(shù)值一般指金屬液與溫度的比率，當(dāng)固液復(fù)合度在6以下，就說明符合成型凝固標(biāo)準(zhǔn)，如果在6以上，就需要重新進(jìn)行金屬液熔煉，再次塑形。對(duì)擠壓鑄造雙金屬材料的固液復(fù)合度的把控有利于加強(qiáng)材料成型之前的接合效果，如果控制合理，那材料的接合程度會(huì)很高，材料成型之后的受力強(qiáng)度也會(huì)較好。

1.3 掌握擠壓鑄造雙金屬材料的包覆溫度

當(dāng)模型經(jīng)過合理的固液復(fù)合度調(diào)整大致成型之后，接下來，要對(duì)其進(jìn)行包覆操作。將模型浸入熔煉后的鋁質(zhì)金屬液之中，使其完全被鋁包覆，形成另一層外部保護(hù)[3]。需要注意的是，在這個(gè)過程中，模型浸入收取而定速度要快，如果時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致材料模型表面鋁過多，不利于之后的擠壓鑄造操作。

將模型取出之后，對(duì)其進(jìn)行高溫處理，對(duì)于溫度的控制是由材料體積大小決定的，如果鑄造材料體積很大，溫度就相對(duì)需要高一些，如果鑄造材料體積較小，鑄造溫度可以適當(dāng)調(diào)低一些，但是溫度最低不可以小于185度，因?yàn)橐坏┑陀谶@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，模型的鑄造會(huì)出現(xiàn)不緊密的問題。

1.4 擠壓鑄造雙金屬?gòu)?fù)合材料的退溫與成型

在經(jīng)過了高溫的煅燒之后，模型需要進(jìn)行退溫。其實(shí)，退溫操作的原理大致是將加熱到一定溫度后的模型取出，在一定的溫度下，進(jìn)行冷卻，以此來降低金屬材料的堅(jiān)硬度，便于之后的擠壓成型鑄造。這一步驟事實(shí)上不僅改善了金屬材料的相關(guān)性能，還消除了其剩余應(yīng)力，避免了成型后復(fù)合材料出現(xiàn)形變或者裂紋等情況。

與此同時(shí)，成熟的退溫工藝，不僅可以細(xì)化粒子，還可以消除金屬材料的外部殘存金屬液。當(dāng)材料退溫之后，便可以進(jìn)行沖壓成型處理，完成雙金屬?gòu)?fù)合材料成型操作[4]。

2 擠壓鑄造雙金屬?gòu)?fù)合材料性能分析

2.1 擠壓鑄造雙金屬?gòu)?fù)合材料易導(dǎo)電

眾所周知，單質(zhì)金屬一般都具有導(dǎo)電性，在這之中，要數(shù)單質(zhì)銅和單質(zhì)鋁的導(dǎo)線較強(qiáng)，但是這些金屬的導(dǎo)電性能是需要經(jīng)過外部因素和其他手段的引導(dǎo)才可以應(yīng)用的。通過擠壓鑄造的雙金屬?gòu)?fù)合型材料有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，且它的導(dǎo)電性不受外力影響，具有較好的穩(wěn)定性，因此，在工程鑄造中，這種雙金屬?gòu)?fù)合型材料得以被廣泛使用。

2.2 擠壓鑄造雙金屬?gòu)?fù)合材料的輕量化

除了具有極強(qiáng)導(dǎo)電性的特性，雙金屬?gòu)?fù)合材料還具有輕量化的性能特征。由于復(fù)合材料都是由多種單質(zhì)金屬熔煉而成，一般體積會(huì)較大，重量也會(huì)較大。但是雙金屬?gòu)?fù)合材料的重量確實(shí)很小的，與純銅或者純鐵相比，它的重量?jī)H占其他單質(zhì)金屬的三分之一，這種特性也使它可以極好地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如：交通領(lǐng)域，如圖1所示。

圖1 錳鋼材質(zhì)與雙金屬?gòu)?fù)合材料建成鐵軌對(duì)比圖

圖中是不同材質(zhì)建成的鐵路軌道，可以看出，錳鋼材質(zhì)的鐵軌極易發(fā)生形變，而雙金屬?gòu)?fù)合材質(zhì)建成的鐵軌相對(duì)較為堅(jiān)固，不易發(fā)生形變。因此，雙金屬?gòu)?fù)合材料利用其輕量化的優(yōu)勢(shì)，幫助它們極大地提升了操作性能，增加了載重負(fù)荷量，促使飛機(jī)的航程增大，同時(shí)也提高了燃油的性價(jià)比。這也體現(xiàn)了雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在擠壓鑄造技術(shù)日益成熟的今天，雙金屬?gòu)?fù)合材料的綜合性能也在不斷完善發(fā)展中，本文通過對(duì)雙金屬對(duì)復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行研究，對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行具體分析，以多角度的方式對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行闡明，希望可以為日后相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的理論依據(jù)。