探究微波技术在金属材料制备中的应用

2019-01-16秦敬丽

中国设备工程 2019年12期

秦敬丽

（菏泽高级技工学校，山东菏泽 274000）

微波是一种频率在300MHz ～300GHz 的电磁波，是无线电波中一种有限频带的统称，其波长最短为1mm，最长为1m，所含类型主要包括亚毫米波、毫米波、厘米波以及分米波。因为其微波频率比一般的电波频率要高，将其称为高频电磁波。基于微波的特殊性能，对于玻璃、塑料、瓷器可以穿越而不被吸收，对于水和食物可以在微波穿越的情况下进行加热，从而使水和食物内部的化学活性进一步提高，加热水和食物。因此借助于这一特性，本文将探究微波在金属材料制备领域的应用。

1 微波合成技术在金属制备中的应用

微波合成的研究起于20 世纪80 年代，最开始研究者应用金属以及非金属粉末进行实验，借助于微波的合成作用生成了碳化合物、硼化合物、硅化合物等复合新材料。微波合成主要是指微波燃烧合成，它能够通过微波作为点火方式进行高温自蔓延合成。这种点火技术相比于其他的电火花、强热流激光点火技术有所不同。其他点火技术的燃烧波是从金属材料的外部向内进行扩展。而微波合成技术在点火的过程中则是从材料的内部开始加热，燃烧由内向外进行扩展，借助于这一特性，在金属材料的制备过程中由内向外形成自蔓延合成工艺。因此我们在运用微波合成技术作为点火方式时，需要选择具有高损耗特性的物质，使这类物质能够被微波加热，其原材料的内部活性充分地改变，原材料内部温度达到一定的高度，热量由内向外进行扩展。实验结果表明，现阶段已经发现一部分金属材料或者是金属粉末能够通过微波加热达到一定的高温状态，如铝粉粉末在微波加热90s 以后可以达到600℃的高温，铁通过微波加热420s 以后可以达到768℃的高温，铜通过微波加热60s 以后可以达到1283℃的高温，硅通过微波加热70s 以后可以达到1000℃的高温等，这些原材料通过微波加热都可以形成自蔓延合成条件。

在实验过程中，通过金属以及非金属粉末进行研究，采用微波点火使金属与非金属粉末形成化学反应，在反应过程中产生的热量可以继续维持反应的进行，缩短反应时间，生成高纯度的反应物。由于金属粉末可以通过微波点火而发生反应，借助于微波合成技术可以使金属与金属合成，从而生成金属间化合物。通过实验研究发现，能够通过微波合成技术而生成的金属间化合物种类较多，例如：Ti-Al、Fe-Al、Nb-Al、Ge-Al、Sb-Al、Cr-Al、Ti-Ni、Cu-Zn、Fe-Ni、Ni-Zr ……。这些金属元素都可以通过微波合成金属间化合物，有的甚至还能完成多元金属之间的合成。

大量的实验研究结果表明，某些金属与金属之间通过常规高温不能合成的材料借助于微波合成技术可以达到想要的结果，如Ti 和Al 通过微波合成技术可以生成Ti-Al 体系的金属间化合物，而在传统金属材料制备过程中，通过燃烧高温进行合成并不能得到TiAl 或者是Ti3Al 的产物。借助微波合成技术合成金属间化合物时，相比于热积火燃烧方式以及常规燃烧方式进行合成时还具有合成的时间短，合成的产品纯度高等相关优点，而且在合成的过程中有些产物，即使偏离了常规的化学计量配比，依然能够获得单项纯净的产物。综合分析，将微波技术应用到金属材料制备的过程中，借助于微波合成技术进行金属间化合物的合成，即可以使金属的反应时间较短，合成速度和效率得到了有效的提高，同时，通过微波合成技术所得的金属化合物纯度更高，能够达到激光合成技术以及常规加热合成技术所不能达到的目标。

2 微波技术在烧结金属粉末中的应用

通过微波对粉末态的金属进行加热，可以使金属粉末吸收微波而产生内部活性变化，提高材料内部的温度，使得微波烧结金属粉末材料实现的可能，主要是因为微波烧结金属材料时并非通过金属颗粒表面对微波热量进行吸收，而是借助微波使金属颗粒内部产生的活性变化从而使温度升高，因此在进行微波烧结金属粉末材料配制时，可以对金属粉末压坯进行加热。近几年来，随着研究的不断深入，大量科学研究对微波烧结金属粉末材料体系进行了广泛的研究，由纯金属到多元金属合金，由低温微波烧结到高温微波烧结，实现了一系列的研究与实验。现阶段已发现的Mg、Al 基合金、Fe 基合金、Cu 基合金、Al 基合金、Sn 基无铅焊料、金属Co、金属Zr……都得到了广泛的具备，丰富了金属材料的组成结构。

3 微波技术在熔炼金属材料中的应用

金属冶炼应用微波技术实现的冶炼技术实现了冶炼技术和冶炼质量的双重提高，因此微波技术在熔炼金属材料中的应用价值非常广泛。美国科学家在多模腔微波设备中对Ti、U、Cu、Al、钢、黄铜、青铜等材料进行熔炼，其熔炼结果得出了340kg 的锭块，这一技术在工业冶炼过程中得到了广泛的应用，实现了工业化的生产。在应用微波技术进行金属材料熔炼时，科学地选择坩埚可以有效地提高微波热量的利用率。实验研究表明，借助于石墨坩埚，并在石墨坩埚的表面涂上耐热材料，可以有效地避免在金属材料熔练的过程中渗透到坩埚内部，同时可以保证熔炼出的锭块没有其他的物质掺杂，纯度得到了提高。借助微波具有选择性加热的特点，我们在应用微波加热时采用磁场分量、电场分量实现物质四氧化三铁和导电物质炭的强烈耦合，在多模腔微波设备中进行铁矿石粉末与炭粉末的混合配熔炼，最终通过微波熔炼可以得到高纯度的铁锭。该熔炼过程所需时间仅为数10min，而且所产出的铁含量较高，所熔炼出的产物杂质相比传统的熔炼炉高温熔炼要少10%左右，同时所消耗的碳元素含量也仅为高炉熔炼时的一半。应用微波进行该项加热过程时没有产生CO有害气体。而这一加热过程的原理主要是因为微波的选择性加热导致加热区出现了不均匀加热状态，在加热体的内部出现了加热点，内部热量的不平衡使金属晶界处出现了混合，提高了反应速度和进程。

4 微波焊接金属材料

微波焊接金属材料在金属材料制备工艺中也有着非常重要的应用，相比传统的焊接工艺，具有更多的优点。在微波中块体金属对微波具有较高的反射率，因此不能吸收微波而产生内部活性变化，提高热量。但是当两块金属放得很近时，由于金属间的间隙出现了等离子体，通过微波技术使等离子体加热的金属，可以实现金属之间的焊接，因此，这种方法被称之为微波焊接。将316 不锈钢表面包覆NiTi 合金材料，应用微波焊接技术可以实现不锈钢的抗孔隙侵蚀能力增强。在焊接的过程中，选择铜合金材料作为焊料，该材料在融化过程中，其NiTi 合金以及不锈钢可以继续保持原来的固态形状，通过微波技术焊接以后，使不锈钢材料里的 Ti、Fe元素以及NiTi 合金中的Ti、Fe 元素纷纷扩散到焊接材料里，进一步提高了焊接材料的厚度，使焊接界面的结构强度得到了增强，而不锈钢与NiTi 合金复合体剪切强度可以达到100～150MPa。因此，通过微波焊接技术实现了金属材料与金属材料之间的焊接，同时还有效地改变了焊接体的结构强度与剪切强度，提高了金属材料的应用性能。