擠壓加工對銅基復合材料組織性能的影響

伍文文

（山東省冶金科學研究院有限公司，山東 濟南 250022）

最近幾年，隨著我國金屬制造行業(yè)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，使得金屬材料的種類也在逐年增加，漸漸地單一的金屬材料已經(jīng)不能再滿足行業(yè)發(fā)展的需要了，面對這種情況，復合材料的產(chǎn)生以及應用逐漸改變了傳統(tǒng)的制造行業(yè)。銅基材料是一種高強度的復合材料，具有高硬度、易成型、耐磨、高比模量、耐高溫、低線膨脹等特點，并且在應用的過程中，材料內(nèi)部的顆粒也很容易發(fā)生化學反應，便于成型操控[1]。不僅如此，對比于傳統(tǒng)單一材質(zhì)的金屬材料，銅基復合材料的應用范圍相對更為廣泛，在眾多領(lǐng)域中所獲取的應用效果都較好，極大地改變了傳統(tǒng)銅質(zhì)材料污染性強、結(jié)合性不佳甚至有害脆性等缺陷。目前階段，銅基復合材料多被應用于地鐵建造、航空航天、電子元器件的制造以及其他的制造行業(yè)。一般情況下，銅基復合材料首先要通過高溫進行熔煉，在材料處于半固態(tài)的情況下，利用機械對其持續(xù)性地攪拌，在攪拌的過程中，可以利用直接反應法將相關(guān)的反應物添加在材料之中，完成化學反應，達到預期的效果后，冷卻恢復成型。通常銅基復合材料在處于半成型的狀態(tài)下，會通過擠壓加工進行塑形，但是這種模式一定程度上會給銅基復合材料的組織性能帶來影響[2]。擠壓鑄造，主要是通過相關(guān)的設(shè)備對半固態(tài)的金屬進行較高程度的機械施壓，并在這個過程中對金屬進行邊緣以及形態(tài)的細化，使其在壓力下更加快速地成形和凝固，進而減少鑄件的成型成本。因此，分析擠壓加工對銅基復合材料組織性能的影響[3]。通過科學的手段模擬擠壓鑄造的環(huán)境，并結(jié)合鑄造與鍛造的共同特點，分析相對應的擠壓鑄造缺陷與問題，一定程度上提升銅基復合材料的致密性，提高其形核率，進一步強化材料的綜合性能。

1 實驗準備

1.1 材料準備

首先，進行實驗相關(guān)材料的準備，本次試驗需要選取一種銅基復合材料作為本次試驗的對象，需要準備電阻爐，顯微鏡、創(chuàng)建高溫的實驗環(huán)境。MB-14Li-3Al銅基復合材料的實際應用鑄錠、LA143鎂合金、Mg-16%Li-5%Al混合物，保證內(nèi)部顆粒的質(zhì)量分數(shù)在25%～40%左右、基體合金，但是需要注意的是，準備的基體合金為雙基合金，內(nèi)部粒子分化率在90%以上，具有極強的硬度和剛度，在實驗的過程中可以承受擠壓加工反作用力的沖擊。增強體，粒徑0.21μm～4.5μm之間即可。YAl3p含量為20%以下，銅基復合材料的添加顆粒綜合梯體積需要保持在0.31%、0.55%、1.25%、2.74%和5.5%幾個等級之中。火花直讀光譜儀選取GNRS3型號，并依據(jù)實際情況，調(diào)整對應的指標設(shè)定。致密性為45%的SiCp/Al復合材料、15μm的SiC顆粒、測定LA143銅基合金鑄錠的主要結(jié)構(gòu)成分，具體的成分如下表所示。

根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)成分，進行LA143銅基合金鑄錠內(nèi)部顆粒的測算。完成實驗的材料準備。

表1 銅基合金鑄錠的主要結(jié)構(gòu)成分

1.2 實驗布置準備

完成實驗的材料準備，接下來，進行實驗前期的預處理布置。利用電阻爐來創(chuàng)建高溫的實驗環(huán)境，在這樣的環(huán)境下將所需要使用的銅基復合材料熔煉，當材料呈現(xiàn)出半固態(tài)的時候，在其中添加一定量的納米基復合材料[4]。繼續(xù)熔煉，當出現(xiàn)液體狀態(tài)時候，對其進行攪拌，直至銅液出現(xiàn)樹枝狀，冷卻半定形之后，將燒結(jié)溫度調(diào)整為290℃，燒結(jié)時間為20min，這個步驟主要是將銅基復合材料中的雜質(zhì)燒除。以此來提高材料的組織致密性，這樣在進行擠壓加工的過程中受到的沖擊以及壓力會相對較小。完成之后，將材料取出冷卻備用，至此便完成了實驗布置的準備，開始測試。

2 實驗過程以及方法敘述

在完成實驗材料和布置準備之后，接下來，在此基礎(chǔ)上，開始測試。測試共分為4組，測試在不同的環(huán)境下擠壓加工對銅基復合材料組織性能的影響[5]。將銅基復合材料放置在顯微鏡之下，觀察其內(nèi)部的顆粒狀態(tài)，如果處于密集狀態(tài)，則表明其處于完全凝固狀態(tài)，反之，如果處于分散狀態(tài)，則表明其處于半凝固或者液體狀態(tài)。在半固態(tài)的材料中添加名義尺寸為12μm，體積百分含量為25%的SiC顆粒，完成之后，與標準的銅基合金含量相對比，具體標準如下表2所示。

表2 銅基合金含量標準表

根據(jù)表2中的標準，進行含量對比。此時，銅基復合材料處于最佳的擠壓狀態(tài)，對其進行擠壓加工。通常情況下，擠壓工藝分為冷擠壓和熱擠壓，冷擠壓主要是通過物理設(shè)備以及機械完成材料的形變擠壓，而熱擠壓則是通過高溫先改變材料的形狀，再利用磨具、塑形儀器等完成擠壓加工[6]。但是無論是冷擠壓還是熱擠壓，在實際加工的過程中，都會對材料的組織性能造成一定的影響。所以需要事先測算好實際的擠壓范圍和受力程度，具體如下公式1所示：

公式1中：H表示實際的擠壓范圍，d 表示應力擠壓系數(shù)，a表示允許出現(xiàn)的極限誤差值。通過以上計算，最終可以得出實際的擠壓范圍。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)計算相對應的銅基復合材料受力程度，如下公式2所示：

公式2中：G表示受力程度，W表示流動作用應力，β表示塑性協(xié)調(diào)值。通過以上計算，最終可以得出實際的受力程度。接下來，將這兩項數(shù)值與實際實驗過程中所獲取的數(shù)值進行對比，在這個范圍之內(nèi)，表明其對材料組織性能的影響在合理的范圍之內(nèi)，反之，則需要重新測算實驗。接下來，進行擠壓加工，具體的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 實驗擠壓步驟圖

根據(jù)圖1中的擠壓加工步驟，完成基礎(chǔ)的測驗。在擠壓過程中，材料中的顆粒會產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象，導致增強體顆粒的細化。因此可以認為在經(jīng)過擠壓之后，銅基復合材料的致密度大致接近于理論密度。在完成擠壓之后，可以得出實驗結(jié)果，對其進行分析。

3 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過以上的實驗，最終可以得出測試結(jié)果，對其進行分析，具體如下表3所示。

表3 測試結(jié)果對比表

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)信息，可以得出以下結(jié)論：在相同的測試環(huán)境下，無論是冷擠壓還是熱擠壓，最終所得出的致密度都相對較高，達到90%左右，最終實驗所呈現(xiàn)的效果如下圖2所示。

圖2 實驗結(jié)果呈現(xiàn)圖

圖2為擠壓前后銅基復合材料的內(nèi)部組織對比圖，可以看出在擠壓后，材料的密度明顯增加。因此，可以得出最終的結(jié)論：銅基復合材料在進行擠壓加工之后，致密度會有所提升，硬度和剛度性能較好，一定程度上擴大了材料的使用范圍，具有實際應用價值。

4 討論

通過以上實驗，最終得出了以下的結(jié)果，無論是冷擠壓還是熱擠壓，銅基復合材料在進行擠壓工藝的處理之后，制件整體的組織致密度會有所提升，制件自身的性能以及應用效果也會變好，剛度和硬度對比于積壓前也有所變化，更加耐壓力、耐沖擊、耐高溫，材料的實際應用范圍也隨之擴大，產(chǎn)生一定的積極影響。

5 結(jié)語

綜上所述，便是擠壓加工對銅基復合材料組織性能的影響分析。單一的銅質(zhì)材料本身便具有易形變、易塑形的特征，雖然便于擠壓，但是在實際應用的過程中卻很容易發(fā)生形變，進而留下安全隱患，而銅基復合材料的性能相對更好，具有更強的硬度和剛度，并且使用范圍較廣。但是在對其進行擠壓加工的過程中，會對復合材料的組織性能產(chǎn)生影響，但是可以通過調(diào)整溫度以及添加化學物質(zhì)的方式來改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以此進一步驗證對組織性能的影響，提升我國銅基復合材料的制造水平。