擠壓鑄造雙金屬復合材料成型工藝及性能分析

劉金龍

（佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

目前，我國的金屬資源是極為豐富的，被廣泛應用于鑄造行業，但隨著行業需求的擴大，傳統的單質金屬逐漸不能滿足鑄造的要求，因此，雙金屬型復合材料應運而生。復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復合材料，這種材料在研發時對相關物質的應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，兩種材料在鑄造時的比例會有所不同。以這兩種材料為基礎進行鑄造，復合材料表面為鋁，其核心為銅，表面的鋁會對銅進行完整覆蓋，防止銅發生氧化作用。之后通過設備的加工和技術的修整，形成了這種新型復合金屬材料。這種雙金屬復合材料對比傳統的單質金屬材料是有很大的優點的。首先，它具有極強的導電性[1]。普通的單質銅和單質鋁雖然也有一定的導電性能，但是效果沒有雙金屬復合材料的導電性好，且這種復合材料的導電性能完全不需要外部因素和其他設備的介入，因此，雙金屬復合材料在導電方面具有很強的優勢。其次，這種復合材料還具有輕量化優點，很適合用于鐵路、航空等領域，最后，這種材料還具有成本低的特點，這是因為對鋁的應用，導致材料整體的經濟成本降低，所以，雙金屬復合材料也是一種性價比很高的導體材料。因此，本文會對此種材料的成型工藝進行相應的優化設計，并對其相關性能進行細致分析。

1 擠壓鑄造雙金屬復合材料成型工藝

1.1 建立擠壓鑄造雙金屬復合材料模型結構

對于雙金屬復合材料初級模型結構的建立，可以先使用強度較高的低合金鋼，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，可以幫助材料快速塑形。不僅如此，它還具有流動和屈服的特點。首先，我們可以通過計算來獲得建立模型結構的相關數據，計算公式如下：

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值，p表示結構長度。通過此公式，我們可以計算出模型的屈服強度，接下來再進行抗拉強度的計算。公式如下：

公式中：M表示抗拉強度，x表示總體結構的長度，y表示總體結構的寬度，e表示結構的曲面長度。通過此公式，我們可以計算出模型的抗拉強度，接下來再進行拉斷伸長率的計算，公式如下：

公式中：E表示拉斷伸長率，N表示模型屈服度，M表示抗拉強度，通過此公式計算出模型的拉斷伸長率。之后，將得出的是三項數據代入建立的模型結構之中，通過各項指標的轉換，利用低合金鋼進行彈性塑形，完成模型結構的建立。在這個過程中，需要注意的是抗拉強度的數值是塑性變形，它與在真實應力的作用下發生的變形是不同的[2]。所以，在進行模型塑形時，應將抗拉強度的數值適當進行調整，保證復合材料模型結構的穩定性。

1.2 控制擠壓鑄造雙金屬材料的固液復合度

擠壓鑄造雙金屬材料的固液復合度是其成型的一項重要過程。固液復合度把控的準確度直接影響復合材料是否成型。先將模型結構內注入熔化的金屬液，之后通過金屬分離設備快速轉動，使其產生巨大離心力，此時，金屬液已均勻覆蓋在模型結構中，并在低合金鋼的作用下快速成型。之后將內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。在這個過程中，就需要時刻注意模型中金屬液的固液復合度，一般情況下，可以利用儀器進行檢測，固液復合度的標準為6，此數值一般指金屬液與溫度的比率，當固液復合度在6以下，就說明符合成型凝固標準，如果在6以上，就需要重新進行金屬液熔煉，再次塑形。對擠壓鑄造雙金屬材料的固液復合度的把控有利于加強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很高，材料成型之后的受力強度也會較好。

1.3 掌握擠壓鑄造雙金屬材料的包覆溫度

當模型經過合理的固液復合度調整大致成型之后，接下來，要對其進行包覆操作。將模型浸入熔煉后的鋁質金屬液之中，使其完全被鋁包覆，形成另一層外部保護[3]。需要注意的是，在這個過程中，模型浸入收取而定速度要快，如果時間過長，就會導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，對其進行高溫處理，對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，溫度就相對需要高一些，如果鑄造材料體積較小，鑄造溫度可以適當調低一些，但是溫度最低不可以小于185度，因為一旦低于這個標準，模型的鑄造會出現不緊密的問題。

1.4 擠壓鑄造雙金屬復合材料的退溫與成型

在經過了高溫的煅燒之后，模型需要進行退溫。其實，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，進行冷卻，以此來降低金屬材料的堅硬度，便于之后的擠壓成型鑄造。這一步驟事實上不僅改善了金屬材料的相關性能，還消除了其剩余應力，避免了成型后復合材料出現形變或者裂紋等情況。

與此同時，成熟的退溫工藝，不僅可以細化粒子，還可以消除金屬材料的外部殘存金屬液。當材料退溫之后，便可以進行沖壓成型處理，完成雙金屬復合材料成型操作[4]。

2 擠壓鑄造雙金屬復合材料性能分析

2.1 擠壓鑄造雙金屬復合材料易導電

眾所周知，單質金屬一般都具有導電性，在這之中，要數單質銅和單質鋁的導線較強，但是這些金屬的導電性能是需要經過外部因素和其他手段的引導才可以應用的。通過擠壓鑄造的雙金屬復合型材料有著極強的導電性，且它的導電性不受外力影響，具有較好的穩定性，因此，在工程鑄造中，這種雙金屬復合型材料得以被廣泛使用。

2.2 擠壓鑄造雙金屬復合材料的輕量化

除了具有極強導電性的特性，雙金屬復合材料還具有輕量化的性能特征。由于復合材料都是由多種單質金屬熔煉而成，一般體積會較大，重量也會較大。但是雙金屬復合材料的重量確實很小的，與純銅或者純鐵相比，它的重量僅占其他單質金屬的三分之一，這種特性也使它可以極好地應用于各個領域，例如：交通領域，如圖1所示。

圖1 錳鋼材質與雙金屬復合材料建成鐵軌對比圖

圖中是不同材質建成的鐵路軌道，可以看出，錳鋼材質的鐵軌極易發生形變，而雙金屬復合材質建成的鐵軌相對較為堅固，不易發生形變。因此，雙金屬復合材料利用其輕量化的優勢，幫助它們極大地提升了操作性能，增加了載重負荷量，促使飛機的航程增大，同時也提高了燃油的性價比。這也體現了雙金屬復合材料的性能優勢。

3 結束語

綜上所述，在擠壓鑄造技術日益成熟的今天，雙金屬復合材料的綜合性能也在不斷完善發展中，本文通過對雙金屬對復合材料成型工藝進行研究，對其相關性能進行具體分析，以多角度的方式對其應用進行闡明，希望可以為日后相關領域的研究提供一定的理論依據。