金属复合材料在机械制造中的应用研究

邱彩云

（江苏安全技术职业学院 信息工程系，江苏 徐州 221011）

制造业是国民经济的基础，是社会发展的基石。机械制造业作为制造业最重要的组成部分，它决定国家制造业的整体水平。机械制造业一般是制造、改进机械零部件，机械操作系统等相关设备在生活中的使用性能[1]。它直接影响着国民经济水平，影响着人民生活幸福，它的重要性及其地位不言而喻。然而影响机械制造业最重要的因数材料，它决定了制造业整体的先进水平。选择有效的、合理的、易加工的、高强度的材料，可以提升机械制造中的效率提升，产品的质量和寿命[2]。近年来随着复合材料的兴起，它被广泛的应用到机械制造行业中，它具有金属和非金属的优点，兼具金属的强度、韧性，同时又有非金属的耐热，耐腐蚀的性能，这也造成了它的广泛推广，如图1所示。

图1 2009年-2018年金属基复合材料的研发费用以及经济效益

1 几种重要的金属基复合材料

金属基复合材料被广泛的应用到机械制造等领域中，但是由于金属基复合材料种类比较多，性能也有一定的差异性，因此可以合理、特定的情况中的使用，合理的选择不同的复合材料，这样才能充分将其综合优势发挥出来[3]。

（1）金属粒塑料复合材料。金属粒塑料复合材料，顾名思义就是将金属颗粒与塑料组合而成的金属复合材料，它具有传统金属材料所不能比拟的优点，它兼具金属的强度、韧度，它能极大的提高弹性系数，延伸率，而且质量小，比强度高，在机械制造领域中具有广泛的应用场景，在飞机结构件、汽车部件广泛使用。

（2）碳纤维石墨纤维复合材料。碳纤维石墨纤维复合材料属于一种非常前沿的金属复合材料，它被广泛的应用到机械制造行业，这主要是因为还有许多普通材料不具有的特点。这种材料主要是通过有机纤维热处理制造而成的，虽然它具有很多优点，但是它的制造过程极其复杂。首先它要对材料进行热处理，但在此情况下碳纤维与金属材料不易相结合，这就造成制造难度。为了解决这个难题，就需要采取石墨化工艺及热稳定氧化处理的方式，从而才能得到质量良好，性能优良的碳纤维复合材料。这种碳纤维复合材料在使用的过程中具有很高的强、韧性、延伸率、比模量、比刚度相当高，而且具有很好的耐磨性的，耐腐蚀性。

（3）弥散强化复合材料。作为应用最广泛的复合材料，它推动了机械行业的不断发展。这种复合材料主要是利用材料中的弥散原的细小颗粒，融入到金属材料当中，使材料非均匀形核，能极大的提高材料的形核率，细晶强化与弥散强化相结合，极大的提高了材料的强度，同时还具备较高的耐热性，耐磨性能，极大的提高材料设备使用寿命，对机械制造业具有显著的效果。而且它的制备并不是十分复杂，它的性价比相当高。因此被广泛运用到机械制造领域中。

（4）不锈钢复合材料。由不同元素组成的不锈钢复合材料具有不同的性能差异，不锈钢复合材料最主要的显著的特征就是耐腐蚀性能和耐电化学性能优良，以及比较优良的导热、导电性能，特别适合在一些酸碱盐浓度比较高的工况下作业，能接到的提高其使用寿命，节省成本。

2 金属基复合材料的制备方法

金属基复合材料的制备工艺繁杂，这主要是由于金属材料和其他的非金属材料之间的界面润湿性能较差，导致它们之间的结合力下降，进而影响其强度、韧性，故要极高的要求及其苛刻的环境下才能制造比较性能优良的金属基复合材料。这也造成了他的制作成本比较高，限制了其广泛的应用。以下介绍几种典型的金属基复合材料制备方法。

（1）粉末冶金法。它是上个世纪开展的一种比较成熟的工艺，它的原理是将金属粉末与增强相的颗粒或粉末进行固态混合之后，进行冷压封装，在高温的情况下进行熔炼，使得两种材料在熔融状态下进行进行凝结达到增强体的效果，但是整个工艺比较复杂，成本比较高。

（2）液态金属陶瓷颗粒搅拌铸造法。采用这种搅拌的方法制备金属基复合材料主要是在熔融的状态下搅拌熔体，产生漩涡将其颗粒卷入有，还可以采用离心铸造，气流喷射等。许多研究学者采用这种方法制备了性能优良的金属基复合材料。但这种方法也存在一些缺点，如采用搅拌引入增强相的时候颗粒的尺寸必须足够的小，体积分数不能太大。在搅拌的过程中也会遇到一些其他的问题，颗粒偏聚，颗粒在液面中固液分离，同时可能会发生一系列的化学反应。

（3）挤压铸造。挤压铸造就是先将增强体做成毛坯，然后再加热到一定的温度将其放入合适的模具当中，注入基体材料，然后再在液压机的催动之下将体积材料冲入预制的空隙当中，在压力的作用下凝固，用这种方法制作的增强体可以是很多种类，竹纤维型、颗粒型，它的增强体的体积分数也比较大，可以根据实际情况进行灵活的调整，这是它的优点。

（4）一些其它的制造工艺。还有一些其它的制造工艺如熔体浸渗法以及流变铸造法、喷射沉积技术。熔体浸渗法主要是利用一些机械装置或者是气体气压装置，在压力的作用下将金属的熔体压入一些陶瓷颗粒，然后再进行制备复合材料，这种方法也被广泛的推广，但是缺点就是预制金属基复合材料变形比较大，微观结构不是非常均匀，晶粒粗大，界面会发生一系列的复合反应。同样的流变铸造法也存在一些缺点，它主要是存在搅拌工艺的问题，使得接触下不能均匀分布。分散喷射沉积技术条件比较苛刻，陶瓷颗粒与金属熔滴接触时间非常的短，界面反应要有效的控制，同时要减少氧化反应。

3 金属基复合材料的研究趋势

首先金属基复合材料的广泛应用一定要建立在工艺制备方法比较简单，成本比较低，易于使复合材料进入到产业化阶段，使其具有市场竞争力。金属相与增强颗粒之间的接触问题一直干扰着金属基复合材料得制备。全球科学人员一直在着力解决这个难题，虽然取得了一定的成果，但是问题还是没有得到彻底的解决。没有彻底弄懂凝固过程中增强相与基体的作用机理及其相关的一系列复杂的化学反应。这值得科学家们进一步去探索。

4 机械制造业，金属基复合材料的具体应用

金属基复合材料在机械制造业中具有广泛的应用，目前应用比较广的主要有以下几个方面。

（1）模具冲压方面。模具是机械制造的重要组成部分，它扮演着关键重要的角色，它能够提高机械制造的效率，但是模具的使用寿命严重影响了机械制造业的发展。模具的材料是影响模具寿命的关键，模具材料一般分为拉模材料及压模材料，不同模具的功能和要求尚有很大的差异，这种差异性也造成了及模具使用的材料的差异。模具在冲压裁剪过程中必须从受到极大的瞬间的冲击力，摩擦力，机械振动力，为了使机械制造能够顺利的进行，提高其使用效率，同时提高产品的质量以及产品的使用寿命，这就对模具提出了很高的要求。普通金属材料无法满足这种要求，因为从而会影响到深圳制造生产过程。而金属基复合材料具备一些普通材料无法比拟的优点，它的强度高，耐热性能好，受冲击，减震性能优良。耐腐蚀性能好，耐高温性能好。极其适合模具的生产制造。

（2）机械零部件制造过程中的应用。机械制造过程中会涉及到非常多的大量的零件，如一个汽车发动机就有上千个零件，包括螺栓、螺母、螺帽、活塞套、活塞杆等其他一些零部件，不同的零部件对机械性能的要求极不一样。有些零部件需要极高的强度、硬度，而有些需要热稳定性高，高温下能保持其高强度、高硬度、高延伸率。这些都是传统材料难以满足的，而对于金属基复合材料，它可以满足使用的标准，可以节省选择的时间，延长机械的使用寿命，减少机械的磨损，满足工况要求。金属基复合材料的应用将极大的提高零部件的疲劳寿命，提高产品的使用年限，在机械零部件制造过程中将会有极大的应用前景。

5 结论

金属基复合材料是当前材料研究的前沿热点，它具备普通材料所不具备的诸多优点和性能.将它应用到机械制造业中能发挥其潜力，提高生产率，节约成本，解决传统机械制造业亟待解决的一些问题，能够很好的实现经济效益和具有广阔的应用前景，使我国机械制造业在国际市场中提高其竞争力。