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的不斷創新與發展，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不能再滿足行業發展的需要了，面對這種情況，復合材料的產生以及應用逐漸改變了傳統的制造行業。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，材料內部的顆粒也很容易發生化學反應，便于成型操控[1]。不僅如此，對比于傳統單一材質的金屬材料，銅基復合材料的應用范圍相對更為廣泛，在眾多領域中所獲取的應用效果都較好，極大地改變了傳統銅質材料污染性強、結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。一般情況下，銅基復合材料首先要通過高溫進行熔煉，在材料處于半固態的情況下，利用機械對其持續性地攪拌，在攪拌的過程中，可以利用直接反應法將相關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，主要是通過相關的設備對半固態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境，并結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、創建高溫的實驗環境。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，保證內部顆粒的質量分數在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，并依據實際情況，調整對應的指標設定。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構成分，具體的成分如下表所示。

根據表1中的結構成分，進行LA143銅基合金鑄錠內部顆粒的測算。完成實驗的材料準備。

表1 銅基合金鑄錠的主要結構成分

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。利用電阻爐來創建高溫的實驗環境，在這樣的環境下將所需要使用的銅基復合材料熔煉，當材料呈現出半固態的時候，在其中添加一定量的納米基復合材料[4]。繼續熔煉，當出現液體狀態時候，對其進行攪拌，直至銅液出現樹枝狀，冷卻半定形之后，將燒結溫度調整為290℃，燒結時間為20min，這個步驟主要是將銅基復合材料中的雜質燒除。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，在此基礎上，開始測試。測試共分為4組，測試在不同的環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，觀察其內部的顆粒狀態，如果處于密集狀態，則表明其處于完全凝固狀態，反之，如果處于分散狀態，則表明其處于半凝固或者液體狀態。在半固態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，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，a表示允許出現的極限誤差值。通過以上計算，最終可以得出實際的擠壓范圍。在此基礎上，繼續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表示塑性協調值。通過以上計算，最終可以得出實際的受力程度。接下來，將這兩項數值與實際實驗過程中所獲取的數值進行對比，在這個范圍之內，表明其對材料組織性能的影響在合理的范圍之內，反之，則需要重新測算實驗。接下來，進行擠壓加工，具體的結構如下圖1所示。

圖1 實驗擠壓步驟圖

根據圖1中的擠壓加工步驟，完成基礎的測驗。在擠壓過程中，材料中的顆粒會產生斷裂的現象，導致增強體顆粒的細化。因此可以認為在經過擠壓之后，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，可以得出實驗結果，對其進行分析。

3 試驗結果分析

經過以上的實驗，最終可以得出測試結果，對其進行分析，具體如下表3所示。

表3 測試結果對比表

根據表3中的數據信息，可以得出以下結論：在相同的測試環境下，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，最終實驗所呈現的效果如下圖2所示。

圖2 實驗結果呈現圖

圖2為擠壓前后銅基復合材料的內部組織對比圖，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，產生一定的積極影響。

5 結語

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生影響，但是可以通過調整溫度以及添加化學物質的方式來改變材料的內部結構，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。