挤压铸造双金属复合材料成型工艺及性能分析

世界有色金属 2023年 5月上
10冶金冶炼
M etallurgical smelting
挤压铸造双金属复合材料成型工艺及性能分析
户 芳，高秀峰，叶 云
（山西晋中理工学院，山西　晋中　０３０６００）
摘 要：
双金属复合材料是一种具有高利用率、综合性能优于其它金属材料的新型浇铸材料，为此，本文对挤压铸造工艺和性能进行了分析。

首先，通过对双金属复合材料的模态结构的建模、固液复合度的控制、双金属材料的包覆温度和退温成型等方面的研究，而后对其成型过程进行了分析，最后再对其导电性、轻量化等方面作了较为深入的研究。

关键词：
复合材料；性能分析；挤压铸造；成型工艺中图分类号：ＴＧ２４９．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２３）０９－００１０－３Forming Technology and Performance Analysis of Squeeze Casting Bimetal Composites
HU Fang, GAO Xiu-feng, YE Yun
（Ｓｈａｎｘｉ　Ｊｉｎｚｈｏｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｎｇ　０３０６００，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｂｉｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｈａｎ　ｏｔｈｅｒ　ｍｅｔａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｔｈｅ　ｓｑｕｅｅｚｅ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｆｉｒｓｔ　ｏｆ　ａｌｌ，　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｍｅｔａｌｌｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｍｅｔａｌｌｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｎｅａｌｉｎｇ　ｍｏｌｄｉｎｇ，　ｔｈｅ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，　ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ，　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｍｅｔａｌｌｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ａｒｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Keywords: ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ；　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；　Ｓｑｕｅｅｚｅ　ｃａｓｔｉｎｇ；　Ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ
收稿日期：
２０２３－０３作者简介：户芳，女，生于１９８８年，汉族，山东曹县人，硕士研究生，助教，研究方向：材料成型。

目前，我国的金属资源极为丰富，并且被广泛应用于铸造行业，而其中，在铸造行业中又以熔模铸造和压力铸造为主。

而双金属复合材料，是在熔模锻压成型的基础上，再通过挤压技术而形成的新型浇铸材料。

一般情况下，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，在双金属复合材料中，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。

本文将对挤压铸造双金属复合材料成型工艺及性能展开分析。

1 双金属复合界面结合品质的影响因素
1.1 固相基体表面预处理
固相基体表面的预处理主要是为了除去油污、水气、氧化等，从而改善固相基体的润湿性。

在固相基体中，液体金属与固相基体的润湿性能差，使两种金属不能发生熔融和扩散，从而使两种金属的冶金结合变得困难。

在固液两种金属复合铸造中，通常采用喷砂、抛光、有机溶剂清洗、干燥等方法对固相基体进行预处理。

通过对固相基体表面的喷砂，可以使基体表面的氧化成分得到有效的清除，同时也可以使基体的表面变得粗糙，使其与液体金属的接触面积更大，从而使固相基体的润湿性能得到了进一步的改善。

在采用高硅铝合金缸套和ZL104铝合金缸套的组合工艺中，对缸套表面进行了V 形、燕尾形、矩形等形状的
预处理，得出了该凹槽对应力的机械锁定效应，同时，缸套-缸体界面的粘附牢度更高，与矩形的粘接强度相比，矩形槽的粘接强度是最好的。

JIANGWM 等对碳钢缸套和ZL114A 铝合金缸套进行了实验研究，发现在80℃条件下，将10%NH 4Cl 溶液浸渍于碳钢缸套600秒后，可以很好地提高缸套和液体铝合金的润湿性能。

赵成志等用10%氢氧化钠和15%的乙醇水溶液对ZL105铝合金的固相基体进行了氧化处理，并将AZ91D 镁合金作为浇注金属，经固液复合浇铸，得到了良好的冶金结合界面。

在固液两种金属复合浇注时，固相基体表面的润湿性不够，采用化学镀、热浸镀、电镀、电弧喷涂等工艺，在固相基质上形成一种具有中等厚度的涂层。

这种涂层可以有效地阻止固相金属表面的氧化膜，并改善其润湿性，促进其物理和化学作用，在熔融和扩散作用下形成冶金结合界面。

对此，涂层的主要成分材料性质主要有：①其熔点一般比液体金属的浇注温度低，在液体中溶解；②涂层密度高，在熔融或溶解时不会挥发，也不会与金属液体发生反应而产生气泡；③涂层成分在两种金属的复合界面上很难形成脆性相等，从而对界面层的粘接强度产生一定的影响。

1.2 固液复合铸造工艺参数
目前已有的固液复合铸造技术和工艺可以应用。

不同的浇注工艺，其主要的工艺参数类型不同，其对复合界面结合质量的影响也不尽相同。

通过对双金属复合界面的冶金结合机制的分析，发现影响固液复合界面粘接质量的工艺因素主要是温度，主要是浇注温度、固相基体和模具的预热温度。

这些工艺条件对液体金属和固相基质的润湿性、熔合和元素的扩散起着决定性的作用。

随着液态金属的温度升高，固相基质中的热含量增加，固相表面的金属活性增加，润湿性能提高。

同时，液体金属和固相基质的熔合区和元素的扩散区域也随之增大。

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令狐仪全进行了正交实验，结果表明，影响粘结质量的主要因素是液体浇注温度、固相基体预热温度和模温。

挤压铸造、高压铸造、离心铸造等铸造工艺中，复合界面的粘接质量也与铸造压力等因素相关。

同时，在固液复合浇注过程中，固液两相复合界面的粘结质量也受到了较大的影响。

这一工艺条件对浇铸过程中的液态金属在固相介质中的热总量有很大的影响。

在固液体积较大的情况下，固相材料的表面润湿性能下降，这是因为液体金属在固相中的输入量低。

同时，由于液态金属与固相基质的熔化和扩散作用比较弱，因此，在这种情况下，两种金属的复合界面很难达到理想的冶金结合。

2 影响双金属复合材料成型工艺的进展因素
2.1 原材料
在进行挤压铸造双金属复合材料的制备过程中，其所使用的原材料有铝锭、铜，另外还有镁块作为辅助材料，之后还需要对镁粉和铝粉进行混合，之后才能够对复合材料进行加工成型。

其中铝锭要先经过高温处理成为熔块，之后再按照一定的要求对其进行挤压成为双金属复合材料制品。

材料是铸造行业中极为重要的一部分，其对于铸造的影响非常大，在进行生产的过程中要对材料加以充分利用。

双金属材料在制造过程中所使用的材料包括合金、耐火材料和粘结剂等多种原材料。

其中所使用的合金会直接影响复合材料制品的整体性能。

2.2 固化过程
固化过程极大程度的影响着金属铝复合材料的制品的质量，这就需要保证固化过程的标准化，并且对温度控制进行严格控制。

为了能够确保双金属复合材料的制品质量，需要将固化温度控制在一定要求的范围内。

通常要通过热挤压成型和冷压成形两种方式进行。

其中热挤压成型法是一种较为成熟的方法，能够有效保证制品质量的稳定发展。

在实际应用过程中，还需要不断研究改进，从而保障其效率和质量不断提高。

2.3 模具
挤压铸造工艺是一种复杂的工艺，这也要求挤压铸造模具具有一定的技术要求，才能够满足实际生产的需要。

而双金属复合材料在进行生产制造时则对模具有了更高的要求。

金属铝双金属复合材料模具一般分为模芯和顶杆两种，其中模芯包括圆柱形芯体、圆筒形芯体、圆柱形芯体等。

根据实际需求又可以将模具分为：普通铸造模、特种铸造模等。

为了更好地对金属铝双金属复合材料进行挤压工艺制备，需要选择先进的模具。

2.4 设备制造
在对双金属材料进行挤压铸造的过程中，要选择合适的挤压铸造设备。

其中金属铝双金属复合材料在制造过程中所使用的生产设备主要有挤压机、浇注器和模具，所采用的材料主要有铝合金、镁合金和铜。

生产设备的好坏直接影响到整个挤压铸造技术发展进程，所以在进行设备制造时，要选择合适的机器作为关键因素。

在进行实际设计制造时，要按照相应的生产工艺要求对其制造技术水平进行保证。

目前我国采用先进技术对双金属复合材料进行研究已经取得了较大进步。

2.5 相关技术的综合发展
对金属铝双金属复合材料进行生产时，要想提高其整体性能，必须确保其生产的整体效率。

从目前的发展趋势来看，复合材料成型工艺是要想提高工作效率，必须要结合其他工艺技术的发展。

首先是为了避免在生产中对铸造材料造成损坏。

双金属材料的成形加工难度比较大，并且在进行生产的过程中还要对其加工成型过程中存在的问题进行解决，这样才能够确保材料能被顺利加工出来，不会在之后产生损坏、变形等问题。

其次是为了保证金属铝双金属复合材料成型工艺在实际应用中能够得到有效发挥，必须要借助先进的技术来提高加工质量。

再者，为了保证在生产中金属铝双金属复合材料的质量，需要对其成型技术进行改进。

目前，我国采用的是传统的工艺和方法。

3 挤压铸造双金属复合材料成型工艺
3.1 双金属复合材料挤压加工步骤
（1）打毛被包覆材料的复合面，露出新生表面。

通过模具、工模的配合，将复合材料放入挤压模中，利用挤压模向外施加压力，通过对模具内材料的压缩来获得制品。

期间需要将料放入挤压机；根据料所需挤出时间，设置挤压机的启动和停止时间，设置为0.5~0.8s。

（2）安装工模具，挤压模具由刀模、挤压模及腔模构成，将料放入其中，将模装入模座内。

安装工作完成后，要检查模具的磨损情况，如有损坏要及时更换，防止因破损造成产品报废。

将刀模置于腔模内，将挤压模置于腔模的另一端，与刀模同轴，然后将腔模装入模座，使模座的端面与被包覆材料接触。

将模座的轴套旋入刀模内，使刀具置于刀模内。

并从模座的侧部通过刀模轴向中间孔置入被包覆材料至挤压模内。

双金属复合界面传热模型如图1所示
：
图1 双金属复合界面传热模型
（3）将工模具预热，放入已加热的料，控制制品出口速度为1~8m/min及挤压比为5~25，进行侧向挤压。

制品出口速度根据材料的热工性能确定，当挤出比大于5~25时，要考虑制品的收缩。

同时要注意观察制品表面是否有裂纹。

侧向挤压后，去除压余，继续加入已加热的料，按照上述工艺，则可实现连续侧向挤压。

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3.2 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。

双金属复合材料的界面结合过程一般为“一高、一低”，高合金钢与单质金属间的结合质量较好，而低合金钢与单质金属间的结合质量则较差。

因此，需要通过一定的方法控制两种金属间的固液复合度，从而提高界面结合品质。

期间需要将融化的金属液注射到模型结构中，再由金属分离装置高速旋转，形成强大的离心力，将金属液体均匀地包裹在模型结构上，再由低合金钢迅速形成。

然后将里面的金属液体倒进模具中，由此使其成型。

低合金钢的性能和复合材料的特殊性能，可以加速成型，通常在15分钟内完成。

在这个过程中，要时刻关注着金属液体的固液混合度，通常可以通过仪器来测量，所谓的固液复合度是6，通常是指金属液体和温度的比例，当固液复合度小于6，就是达到了成型的要求，超过6，就要重新熔化。

通过对双金属材料固液复合度的控制，可以在成型前强化粘合效果，控制得好，粘合度高，成型后的力学性能也会更好。

3.3 掌握挤压铸造双金属材料的包覆温度
在适当的固液复合度调节下，基本成形后，再进行包覆。

将该模型浸泡在铝溶液中，使其表面覆盖一层铝，从而形成一种额外的外部防护。

在此期间，模型的浸泡速度要快，否则会造成模具上的铝含量过高，对后续的挤压工艺不利。

将模型取出来，然后在高温下进行加热，温度的控制取决于材料的体积，铸件越大，温度越高，铸件越小，则越容易降低，但不能超过185℃，否则模具的成型就会出现松散的情况。

研究表明，随着镀锌层厚度的增加，复合界面粘接层的厚度也随之增加。

在纯铝的基质一侧，锌的扩散遵循菲克第二定律。

在复合界面结合区，Al-Si-Zn三元合金的主要成分为α-Al过饱和固溶体、Si沉淀相和三元共晶。

在固液混合铸造工艺中，熔融金属的浇入温度和固相基质的预热温度都会使复合界面结合层的厚度增加。

3.4 挤压铸造双金属复合材料的退温与成型
在经历了一段时间的高温锻烧之后，模型需要进行退温。

实际上，所谓的退温，就是将模型从一个模具中拿出来，放在一个特定的温度下，让它变得坚硬，这样才能更好的进行后续的挤压。

这一步不但可以提高材料的有关性质，而且可以消除残余应力，防止成形后的变形和开裂。

同时，采用成熟的退温技术，不但能使微粒得到细化，而且能有效地去除金属表面残留的金属液体。

等材料的温度降下来，就可以进行压铸，将两种材料的复合材料完全成型。

在此过程中，压铸的温度可以从180℃开始，随着压铸
压力的增加，温度也会随之增加，但不能太快。

通常压入速度不应该超过1秒，否则会造成变形，而且无法获得理想的密度和强度。

在这个过程中，材料要保持一定的体积比例，所以压入速度必须慢下来才行。

如果压力太大，就会使模具变形，甚至破裂、损坏。

4 挤压铸造双金属复合材料性能分析
这种双金属复合材料相对于传统的单质金属材料具有[1] 薛利文,周文强,朴一男,赵海冬,张梦娜,贾海龙,马品奎,宋家旺,
查敏,王慧远.挤压铸造Al-Si系合金成分优化、孕育变质及其复合材料的研究进展[J].特种铸造及有色合金,2022,42(01):22-31.
[2] 杨金鹏,吴孟武,陆文兴,王运桂.固液双金属复合铸造工艺及机理研
究进展[J].特种铸造及有色合金,2020,40(09):964-970.
[3] M o h a m m a d H o s s e i n B A B A E E,A l i M A L E K I,B e h z a d
NIROUMAND.提高复合挤压铸造Al/Al-Cu双金属宏观复合材料界面结合的新方法（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2019,29(06):1184-1199.
显著优势，以下对其性能进行分析：
4.1 挤压铸造双金属复合材料易导电
普通的单质铜和单质铝虽然也有一定的导电性能，但它们都是由金属铝的金属含量来决定的，而在实际使用过程中，很多时候都会因为环境的影响而发生氧化现象，从而影响到电子设备正常运行，这就造成了设备本身不能正常工作。

而双金属复合材料中铝元素会与铜形成一种稳定的结合体，这样就可以在一定程度上阻止电化学反应。

例如，用于输电的钢芯铝绞线需要良好的导电率，而铸铁－铝或者铝－铝复合的缸套－缸体界面的导热性要求更高。

从维德曼-弗兰兹定律可以看出，在较低的温度下，金属的导热性和导热性的比率是一个固定的数值，所以对双金属复合界面的导热和导电性能的研究往往可以得到类似的结果。

以双金属复合界面的导热性能为例，建立传热模型计算得到：
式中，λP为复合界面热导率；λMP为固相金属热导率；λPN为复合铸造中另一种金属热导率；σX为复合界面层厚度；σX-为复合界面层固态金属厚度；σX+为复合界面层另一种金属厚度。

4.2 挤压铸造双金属复合材料的轻量化
双金属复合材料的主要优势是其较低的密度，其密度仅为钢的1/3，这就意味着将它与同等材料进行对比，其重量较轻。

同时，双金属复合材料具有良好的韧性和抗拉强度，在一定程度上还具有高硬度和抗冲击能力。

其更加适用于铁路、航空等领域，而在这些领域中，双金属复合材料的高性价比也是一大特点，这是因为在轻量化的同时，还能保证双金属复合材料的各项性能得到提高。

5 结语
综上所述，随着挤压铸造技术的日趋成熟，双金属复合材料的综合性能得到了进一步的发展，在很多领域都有了广泛的应用。

双金属复合材料的成型工艺是关键，相关工艺技术和装备水平也亟待提高。

本文从多个方面对其进行了深入的研究，并对其相关特性进行了详细的分析，并从多个方面阐述了它的应用，以期为今后有关方面的研究工作提供一些参考。

世界有色金属 2023年 5月上12。