探索金属复合材料在机械制造中的应用研究

吴振中

摘要：现如今在机械制造行业中，机械制造应用的材料决定了机械制造业的整体发展水平，选择有效的材料对于提升机械制造的工作效率、推动机械制造行业的发展具有重要作用。金属复合材料是复合材料的一种，主要是采用复合技术或多种化学、力学性能不同的金属材料在界面上进行冶金，形成金属复合材料。与普通的金属材料相比，金属复合材料的热膨胀性、磁性、耐磨损性、断裂以及冲击韧性、强度等性能表现更优。

关键词：复合结构材料;金属复合材料;机械制造

引言：机械制造业一直致力于提升机械零部件、机械操作系统等相关设备的性能，并不断在改进，作为国家的基础行业之一，对于国民经济的重要性越来越明显。在机械制造行业中，机械制造应用的材料决定了机械制造业的整体发展水平，选择有效的材料对于提升机械制造的工作效率、推动机械制造行业的发展具有重要作用。金属复合材料是复合材料的一种，主要是采用复合技术或多种化学、力学性能不同的金属材料在界面上进行冶金，形成金属复合材料。与普通的金属材料相比，金属复合材料的热膨胀性、磁性、耐磨损性、断裂以及冲击韧性、强度等性能表现更优。金属复合材料的种类繁多，应用面积广泛，具体应用于机械制造的金属复合材料主要有不锈钢复合钢板、金属粒塑料复合结构材料、碳纤维石墨纤维复合结构材料、弥散强化复合结构材料等。

一、机械制造业中的金属复合材料

金属复合材料属于复合材料之一，是经由复合技术或者多元化学、力学性能不一的金属材料于界面中冶金，产生金属复合材料，较之一般金属材料而言，其具备更好的磁性、耐磨损等性质。并且，金属复合材料类型众多，在较多领域均有被应用。就应用在机械制造中的金属复合材料而言，如下：

1.不锈钢复合钢板

不锈钢复合钢板属于金属高效节能材料，碳钢是其基体，且其对不锈钢、碳钢材料的优点进行了有效体现。就不锈钢特性优势而言，该材料不但具备较好的耐腐蚀、耐磨性，还存在较强的装饰性;就碳钢的特性优势而言，该材料具备较强可焊性、导热性，且具备一定的拉伸性，易成型。故而，不锈钢复合钢板可视为多功能材料，并且其还能缩减镍铬合金用量，节省成本，在机械制造中的应用优势极为显著。

2.金属粒塑料复合结构材料

此类材料主要通过金属粒和塑料组成，较之传统金属材料而言，其具备更好的应用价值，能够有效提升传统金属材料的导电及导热性，缩减线膨胀系数，且质量小、强度大，位于机械制造中具备极为宽泛的运用。

3.碳纤维石墨纤维复合结构材料

此类材料属于新型金属复合材料，是经由有机纤维热处理产生，因碳纤维具备较好含碳量，热处理期间和人造化学纤维互不相容，故通常选择石墨化工艺等予以加工。此类材料具备较好劲度、强度与刚度，重量大，耐磨性、润滑性较好，线膨胀系数小，兼具多项优势于一身，位于高新机械制造技术中具备极为宽泛的运用。

4.弥散强化复合结构材料

此类材料位于机械制造业中有被大面积运用。具体而言，弥散强化即位于均匀材料中掺杂硬质颗粒材料的方式，属于强化的最佳方式之一。金属基体中具备高度分散且细小的第二相质点，经由此对材料基体强化便能获取弥散强化复合结构材料，此类材料具备较好的耐热性，能大幅提升机械设备的耐热性和强度，位于机械制造业中具备显著效用。

二、金属复合材料在机械制造中的应用

1.金属复合材料在冲压模具制造上的应用

在选择冲压模具材料时，要根据工作条件的不同来选择与之相适应的材料，要以冲压模具的要求为准。冲压模具材料主要分为三种，一种是冲裁模材料，一种是冷挤压模材料，一种是拉伸模材料，工作条件对每一种模具材料的要求都有所不同。在模具制造的过程中，对于原材料的要求非常高，相应模具材料必须能够承受住冲击、拉伸或摩擦拉伸、振动，而且还必须能够承受住在高温材料下工作。就目前而言，在冲压模具时大部分都是选择钢材作为主要制作材料，由于碳素工具钢加工塑形难度较小，性价比也较高，因此运用碳素工具钢的机械制造厂非常多，但是，碳素工具钢的承载能力较差，针对冲压模具零部件时不适用。

金属复合材料强度高、硬度大，可以解决碳素工具钢承载能力较差，在制造硬度较大、塑性较低的机械零部件时不适用的问题。金属粒塑料复合结构材料具备质量较小、强度较大的特点，在冲压模具制造上，可以在很大程度上提高机械设备的耐热性与强度值。由碳纤维石墨纤维复合结构材料构成的耐烧蚀材料，在航天器机械、火箭导弹冲压模具制造中已经得到了广泛的应用，其使用温度高达1 000℃以上，耐高温性能极佳，同时，在耐磨性上也比一般的金属材料高出40%～50%左右。

2.金属复合材料在机械零部件制造上的应用

在新材料技术领域，关于金属复合材料的研究较多，这也体现了金属复合材料的重要性。在机械制造领域，金属复合材料具有广泛的用途，这主要是由于其具有很多优良的特性。在机械零部件制造上，金属复合材料的应用也比较广泛，其主要优势体现在两点，一是低热膨胀系数，二是高疲劳极限。机械零部件制造时，对于原材料的选择要求比较高，要能够防止零部件工作的过程中突然失效，也要能够增加机械的使用寿命，减少机械的磨损。

在进行机械零部件原材料选择时，要以机械零部件的工作环境、工作要求为基础，进行合理选择。传统金属材料在机械零部件制造的过程中体现出两点不足：热膨胀系数较高、强度较差，因此，可以选择金属复合材料。以锤式破碎机为例，传统锤头一般使用的材质是ZGMn13，耐磨性不足，使用寿命仅为10d左右，而且增加了整个锤式破碎机的维修次数。使用高铬烙铁与高锰钢低合金制作成双金属复合锤头 ，利用前者良好的耐磨性和硬度、后者優良的韧性，使锤头承受冲击负荷的能力大为增强。试验证明，与传统锤头相比，运转率提升了10%左右，而在单位时间内的磨损量降低了70%，效果十分显著。尽管在价格上双金属复合式锤头的价格是传统高锰钢锤头的2倍左右，但是其耐磨性则是后者的3倍左右，具有良好的效益。和传统的金属材料相比，金属复合材料具备更佳的综合力学性能，而且其自身具备导电性能、导热性能、耐磨损性能、阻尼性能优良等特点，并且在外压强不变的情况下，温度升高，其体积变化较小，不会过度膨胀，这些特点都使得机械零部件制造完成后可以防止零件工作的时候失效，而且能够延长机械设备的使用寿命，减少后期的检修与维护。例如通过碳纤维与玻璃纤维混合制成的金属复合材料片弹簧，刚度与承载力高于普通弹簧的5倍，耐久性、实用性强。

结束语：

从长远的角度看，金属复合材料在这些行业的应用不仅可以提高生产的系数，更可以降低成本，赢得更多地经济效益。金属复合材料由于其质量小、强度大弹性良好、抗化学腐蚀等优势，现已经广泛应用于机械制造领域当中。近年来我国机械制造方面针对新型金属复合材料性能的研究和运用获得了巨大的进步，金属复合材料在机械制造工业当中的运用比例也逐渐加强。在大多数大型企业的设备都开始应用金属复合材料，会使很多的轻工业从中受益，在与日俱增的激烈竞争中取得更稳定的立足之地。

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