金屬復合材料在機械制造中的應用研究

邱彩云

（江蘇安全技術職業學院 信息工程系，江蘇 徐州 221011）

制造業是國民經濟的基礎，是社會發展的基石。機械制造業作為制造業最重要的組成部分，它決定國家制造業的整體水平。機械制造業一般是制造、改進機械零部件，機械操作系統等相關設備在生活中的使用性能[1]。它直接影響著國民經濟水平，影響著人民生活幸福，它的重要性及其地位不言而喻。然而影響機械制造業最重要的因數材料，它決定了制造業整體的先進水平。選擇有效的、合理的、易加工的、高強度的材料，可以提升機械制造中的效率提升，產品的質量和壽命[2]。近年來隨著復合材料的興起，它被廣泛的應用到機械制造行業中，它具有金屬和非金屬的優點，兼具金屬的強度、韌性，同時又有非金屬的耐熱，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年金屬基復合材料的研發費用以及經濟效益

1 幾種重要的金屬基復合材料

金屬基復合材料被廣泛的應用到機械制造等領域中，但是由于金屬基復合材料種類比較多，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合材料，這樣才能充分將其綜合優勢發揮出來[3]。

（1）金屬粒塑料復合材料。金屬粒塑料復合材料，顧名思義就是將金屬顆粒與塑料組合而成的金屬復合材料，它具有傳統金屬材料所不能比擬的優點，它兼具金屬的強度、韌度，它能極大的提高彈性系數，延伸率，而且質量小，比強度高，在機械制造領域中具有廣泛的應用場景，在飛機結構件、汽車部件廣泛使用。

（2）碳纖維石墨纖維復合材料。碳纖維石墨纖維復合材料屬于一種非常前沿的金屬復合材料，它被廣泛的應用到機械制造行業，這主要是因為還有許多普通材料不具有的特點。這種材料主要是通過有機纖維熱處理制造而成的，雖然它具有很多優點，但是它的制造過程極其復雜。首先它要對材料進行熱處理，但在此情況下碳纖維與金屬材料不易相結合，這就造成制造難度。為了解決這個難題，就需要采取石墨化工藝及熱穩定氧化處理的方式，從而才能得到質量良好，性能優良的碳纖維復合材料。這種碳纖維復合材料在使用的過程中具有很高的強、韌性、延伸率、比模量、比剛度相當高，而且具有很好的耐磨性的，耐腐蝕性。

（3）彌散強化復合材料。作為應用最廣泛的復合材料，它推動了機械行業的不斷發展。這種復合材料主要是利用材料中的彌散原的細小顆粒，融入到金屬材料當中，使材料非均勻形核，能極大的提高材料的形核率，細晶強化與彌散強化相結合，極大的提高了材料的強度，同時還具備較高的耐熱性，耐磨性能，極大的提高材料設備使用壽命，對機械制造業具有顯著的效果。而且它的制備并不是十分復雜，它的性價比相當高。因此被廣泛運用到機械制造領域中。

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

2 金屬基復合材料的制備方法

金屬基復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濕性能較差，導致它們之間的結合力下降，進而影響其強度、韌性，故要極高的要求及其苛刻的環境下才能制造比較性能優良的金屬基復合材料。這也造成了他的制作成本比較高，限制了其廣泛的應用。以下介紹幾種典型的金屬基復合材料制備方法。

（1）粉末冶金法。它是上個世紀開展的一種比較成熟的工藝，它的原理是將金屬粉末與增強相的顆粒或粉末進行固態混合之后，進行冷壓封裝，在高溫的情況下進行熔煉，使得兩種材料在熔融狀態下進行進行凝結達到增強體的效果，但是整個工藝比較復雜，成本比較高。

（2）液態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合材料主要是在熔融的狀態下攪拌熔體，產生漩渦將其顆粒卷入有，還可以采用離心鑄造，氣流噴射等。許多研究學者采用這種方法制備了性能優良的金屬基復合材料。但這種方法也存在一些缺點，如采用攪拌引入增強相的時候顆粒的尺寸必須足夠的小，體積分數不能太大。在攪拌的過程中也會遇到一些其他的問題，顆粒偏聚，顆粒在液面中固液分離，同時可能會發生一系列的化學反應。

（3）擠壓鑄造。擠壓鑄造就是先將增強體做成毛坯，然后再加熱到一定的溫度將其放入合適的模具當中，注入基體材料，然后再在液壓機的催動之下將體積材料沖入預制的空隙當中，在壓力的作用下凝固，用這種方法制作的增強體可以是很多種類，竹纖維型、顆粒型，它的增強體的體積分數也比較大，可以根據實際情況進行靈活的調整，這是它的優點。

（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。熔體浸滲法主要是利用一些機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，然后再進行制備復合材料，這種方法也被廣泛的推廣，但是缺點就是預制金屬基復合材料變形比較大，微觀結構不是非常均勻，晶粒粗大，界面會發生一系列的復合反應。同樣的流變鑄造法也存在一些缺點，它主要是存在攪拌工藝的問題，使得接觸下不能均勻分布。分散噴射沉積技術條件比較苛刻，陶瓷顆粒與金屬熔滴接觸時間非常的短，界面反應要有效的控制，同時要減少氧化反應。

3 金屬基復合材料的研究趨勢

首先金屬基復合材料的廣泛應用一定要建立在工藝制備方法比較簡單，成本比較低，易于使復合材料進入到產業化階段，使其具有市場競爭力。金屬相與增強顆粒之間的接觸問題一直干擾著金屬基復合材料得制備。全球科學人員一直在著力解決這個難題，雖然取得了一定的成果，但是問題還是沒有得到徹底的解決。沒有徹底弄懂凝固過程中增強相與基體的作用機理及其相關的一系列復雜的化學反應。這值得科學家們進一步去探索。

4 機械制造業，金屬基復合材料的具體應用

金屬基復合材料在機械制造業中具有廣泛的應用，目前應用比較廣的主要有以下幾個方面。

（1）模具沖壓方面。模具是機械制造的重要組成部分，它扮演著關鍵重要的角色，它能夠提高機械制造的效率，但是模具的使用壽命嚴重影響了機械制造業的發展。模具的材料是影響模具壽命的關鍵，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。模具在沖壓裁剪過程中必須從受到極大的瞬間的沖擊力，摩擦力，機械振動力，為了使機械制造能夠順利的進行，提高其使用效率，同時提高產品的質量以及產品的使用壽命，這就對模具提出了很高的要求。普通金屬材料無法滿足這種要求，因為從而會影響到深圳制造生產過程。而金屬基復合材料具備一些普通材料無法比擬的優點，它的強度高，耐熱性能好，受沖擊，減震性能優良。耐腐蝕性能好，耐高溫性能好。極其適合模具的生產制造。

（2）機械零部件制造過程中的應用。機械制造過程中會涉及到非常多的大量的零件，如一個汽車發動機就有上千個零件，包括螺栓、螺母、螺帽、活塞套、活塞桿等其他一些零部件，不同的零部件對機械性能的要求極不一樣。有些零部件需要極高的強度、硬度，而有些需要熱穩定性高，高溫下能保持其高強度、高硬度、高延伸率。這些都是傳統材料難以滿足的，而對于金屬基復合材料，它可以滿足使用的標準，可以節省選擇的時間，延長機械的使用壽命，減少機械的磨損，滿足工況要求。金屬基復合材料的應用將極大的提高零部件的疲勞壽命，提高產品的使用年限，在機械零部件制造過程中將會有極大的應用前景。

5 結論

金屬基復合材料是當前材料研究的前沿熱點，它具備普通材料所不具備的諸多優點和性能.將它應用到機械制造業中能發揮其潛力，提高生產率，節約成本，解決傳統機械制造業亟待解決的一些問題，能夠很好的實現經濟效益和具有廣闊的應用前景，使我國機械制造業在國際市場中提高其競爭力。