挤压铸造双金属复合材料成型工艺及性能分析

刘金龙

（佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007）

目前，我国的金属资源是极为丰富的，被广泛应用于铸造行业，但随着行业需求的扩大，传统的单质金属逐渐不能满足铸造的要求，因此，双金属型复合材料应运而生。复合材料的种类有很多，其中最具代表性的便是挤压铸造的双金属复合材料，这种材料在研发时对相关物质的应用和使用成本是很低的，一定程度上起到了降低的效果。双金属一般指铜和铝两种金属，铜为主要铸造材料，铝则为辅助铸造材料，两种材料在铸造时的比例会有所不同。以这两种材料为基础进行铸造，复合材料表面为铝，其核心为铜，表面的铝会对铜进行完整覆盖，防止铜发生氧化作用。之后通过设备的加工和技术的修整，形成了这种新型复合金属材料。这种双金属复合材料对比传统的单质金属材料是有很大的优点的。首先，它具有极强的导电性[1]。普通的单质铜和单质铝虽然也有一定的导电性能，但是效果没有双金属复合材料的导电性好，且这种复合材料的导电性能完全不需要外部因素和其他设备的介入，因此，双金属复合材料在导电方面具有很强的优势。其次，这种复合材料还具有轻量化优点，很适合用于铁路、航空等领域，最后，这种材料还具有成本低的特点，这是因为对铝的应用，导致材料整体的经济成本降低，所以，双金属复合材料也是一种性价比很高的导体材料。因此，本文会对此种材料的成型工艺进行相应的优化设计，并对其相关性能进行细致分析。

1 挤压铸造双金属复合材料成型工艺

1.1 建立挤压铸造双金属复合材料模型结构

对于双金属复合材料初级模型结构的建立，可以先使用强度较高的低合金钢，这种金钢属于塑形材料，具有一定的弹性，在减少误差的同时，可以帮助材料快速塑形。不仅如此，它还具有流动和屈服的特点。首先，我们可以通过计算来获得建立模型结构的相关数据，计算公式如下：

公式中：N表示模型屈服度，a表示铸造材料的总量，b表示材料可存在的误差数值，p表示结构长度。通过此公式，我们可以计算出模型的屈服强度，接下来再进行抗拉强度的计算。公式如下：

公式中：M表示抗拉强度，x表示总体结构的长度，y表示总体结构的宽度，e表示结构的曲面长度。通过此公式，我们可以计算出模型的抗拉强度，接下来再进行拉断伸长率的计算，公式如下：

公式中：E表示拉断伸长率，N表示模型屈服度，M表示抗拉强度，通过此公式计算出模型的拉断伸长率。之后，将得出的是三项数据代入建立的模型结构之中，通过各项指标的转换，利用低合金钢进行弹性塑形，完成模型结构的建立。在这个过程中，需要注意的是抗拉强度的数值是塑性变形，它与在真实应力的作用下发生的变形是不同的[2]。所以，在进行模型塑形时，应将抗拉强度的数值适当进行调整，保证复合材料模型结构的稳定性。

1.2 控制挤压铸造双金属材料的固液复合度

挤压铸造双金属材料的固液复合度是其成型的一项重要过程。固液复合度把控的准确度直接影响复合材料是否成型。先将模型结构内注入熔化的金属液，之后通过金属分离设备快速转动，使其产生巨大离心力，此时，金属液已均匀覆盖在模型结构中，并在低合金钢的作用下快速成型。之后将内部金属液倒入模型中，等待其成型。由于低合金钢的作用再加之复合材料的特殊性，使其成型速度加快，一般在15分钟左右。在这个过程中，就需要时刻注意模型中金属液的固液复合度，一般情况下，可以利用仪器进行检测，固液复合度的标准为6，此数值一般指金属液与温度的比率，当固液复合度在6以下，就说明符合成型凝固标准，如果在6以上，就需要重新进行金属液熔炼，再次塑形。对挤压铸造双金属材料的固液复合度的把控有利于加强材料成型之前的接合效果，如果控制合理，那材料的接合程度会很高，材料成型之后的受力强度也会较好。

1.3 掌握挤压铸造双金属材料的包覆温度

当模型经过合理的固液复合度调整大致成型之后，接下来，要对其进行包覆操作。将模型浸入熔炼后的铝质金属液之中，使其完全被铝包覆，形成另一层外部保护[3]。需要注意的是，在这个过程中，模型浸入收取而定速度要快，如果时间过长，就会导致材料模型表面铝过多，不利于之后的挤压铸造操作。

将模型取出之后，对其进行高温处理，对于温度的控制是由材料体积大小决定的，如果铸造材料体积很大，温度就相对需要高一些，如果铸造材料体积较小，铸造温度可以适当调低一些，但是温度最低不可以小于185度，因为一旦低于这个标准，模型的铸造会出现不紧密的问题。

1.4 挤压铸造双金属复合材料的退温与成型

在经过了高温的煅烧之后，模型需要进行退温。其实，退温操作的原理大致是将加热到一定温度后的模型取出，在一定的温度下，进行冷却，以此来降低金属材料的坚硬度，便于之后的挤压成型铸造。这一步骤事实上不仅改善了金属材料的相关性能，还消除了其剩余应力，避免了成型后复合材料出现形变或者裂纹等情况。

与此同时，成熟的退温工艺，不仅可以细化粒子，还可以消除金属材料的外部残存金属液。当材料退温之后，便可以进行冲压成型处理，完成双金属复合材料成型操作[4]。

2 挤压铸造双金属复合材料性能分析

2.1 挤压铸造双金属复合材料易导电

众所周知，单质金属一般都具有导电性，在这之中，要数单质铜和单质铝的导线较强，但是这些金属的导电性能是需要经过外部因素和其他手段的引导才可以应用的。通过挤压铸造的双金属复合型材料有着极强的导电性，且它的导电性不受外力影响，具有较好的稳定性，因此，在工程铸造中，这种双金属复合型材料得以被广泛使用。

2.2 挤压铸造双金属复合材料的轻量化

除了具有极强导电性的特性，双金属复合材料还具有轻量化的性能特征。由于复合材料都是由多种单质金属熔炼而成，一般体积会较大，重量也会较大。但是双金属复合材料的重量确实很小的，与纯铜或者纯铁相比，它的重量仅占其他单质金属的三分之一，这种特性也使它可以极好地应用于各个领域，例如：交通领域，如图1所示。

图1 锰钢材质与双金属复合材料建成铁轨对比图

图中是不同材质建成的铁路轨道，可以看出，锰钢材质的铁轨极易发生形变，而双金属复合材质建成的铁轨相对较为坚固，不易发生形变。因此，双金属复合材料利用其轻量化的优势，帮助它们极大地提升了操作性能，增加了载重负荷量，促使飞机的航程增大，同时也提高了燃油的性价比。这也体现了双金属复合材料的性能优势。

3 结束语

综上所述，在挤压铸造技术日益成熟的今天，双金属复合材料的综合性能也在不断完善发展中，本文通过对双金属对复合材料成型工艺进行研究，对其相关性能进行具体分析，以多角度的方式对其应用进行阐明，希望可以为日后相关领域的研究提供一定的理论依据。