电磁技术在金属材料科学与工程中的应用

刘增忠 肖鹏

山东联盟化工集团有限公司 山东 寿光 262700

从古至今，金属就是我国重要的资源，在长达数千年的时间里，它们被逐渐开发和利用，作为原材料制作多种多样的产品，丰富了人类社会生活，提供了诸多便利。有许多金属都具有较高的导热性、延展性等，还有的导电性能强，也有一些具备较强的抗腐蚀性能。在现代，几乎工业的所有领域都离不开金属材料的应用，生产和加工金属材料的化工行业也受到了广泛重视，本文通过分析实际生产过程，提出电磁技术在金属材料科学与工程中的应用[1]。

1 电磁技术简介

严格来说，在公元前数百年，就已经有人发现了摩擦起电现象，我国古代四大发明之一的指南针也利用了电磁原理，使用磁石来指示方向。在19世纪上半叶，随着电磁感应现象的发现，人类对于电磁领域的深入探究也拉开序幕，之后，人类通过电磁现象获得稳定电流，制造出伏打电池，从此电磁技术的研究踏上正轨。及至如今，现代电磁技术逐渐发展与丰富，电话、无线电通信、互联网等通信技术的发明和手机、电脑、电视等的生产都离不开电磁技术的使用，可以说，电磁技术已经完全融入到人类生活和生产中，起到了重要作用。除此之外，它还可以被应用于金属材料科学与工程，通过电磁场的热效应和力效应来对金属材料施加高密度能量，其操作简便、可控性强，具有高效、便捷的特点，并且不会产生污染，属于清洁技术。

2 电磁技术在金属材料科学与工程中的应用

2.1 时变电磁场的应用

所谓时变电磁场，指的就是其场强与方向会随着时间发生变化并遵循预定规律的电磁场，其中时变磁场分为两种，即交变磁场、脉冲磁场，前者的场强与时间的变化规律满足正弦函数，后者则满足脉冲性质。时变电磁场可以在金属材料的制造加工过程中起到加热、驱动作用，还可以控制材料的形状、进行震荡搅拌、或者实现材料悬浮等。

2.1.1 交变磁场

在电磁线圈中通入交流电就可以获得交变磁场，其一般的应用方式有三种，第一是根据法拉第电磁感应定律，在线圈通入电流后内部激发出交变磁场，将工件放在线圈之内，则可以在导电的金属材料中获得感应电流，并利用其完成加热，这种方法在化工行业被称为电磁感应加热，也就是利用焦耳热效应。集肤效应的作用会使得金属表面迅速升温，之后向内部传导，实现最终目的。使用感应加热，可通过控制交流电频率来控制加热温度和升温速度等，其升温的速度比一般加热方式快，并且可以达到很高的温度，在金属表面热处理、焊接、热装配和拆卸等多个方面都有广泛应用[2]。

第二是利用洛伦兹力来对液态金属进行形状控制，通过集肤效应，洛伦兹力会在液态金属肌肤层厚度之内集中，越向内部深入，力的作用就越弱，若施加较高频率的磁场，就可以基本将洛伦兹力在金属表面集中，获得作用于表面的应力，从而达到不必接触而控制液态金属形状的目的，通过对其电磁力大小的控制，还可使金属材料达到受力平衡，悬浮在空中，不会与容器壁接触。采用这种方式来控制金属形状，可以显著改善其表面性能、获得成分的比例分数十分精准的合金或者金属功能材料等。

第三则是利用交变磁场对金属的作用力来强化其内部流动过程，完成搅拌工作，或者驱动液态金属在力的作用下发生定向流动。使用低频磁场，可以对液态金属内部进行渗透，减弱形状控制作用，发挥搅拌效果。这种方法还可使液态金属中的非金属杂质受到相反方向的作用力，与液态金属朝着反方向运动，从而实现分离除杂的目的，也就是电磁分离夹杂物技术。

2.1.2 脉冲磁场

脉冲磁场分为两种，即普通的脉冲磁场和脉冲强磁场，后者可以在瞬间产生相当大的磁场，脉宽较窄，使用脉冲磁场进行金属材料的制造与加工，一般有两种形式。第一种是利用其的震荡作用，也就是在金属的熔融与凝固过程中施加脉冲磁场，使金属内部产生指向中心的电磁力，从而发生受迫运动，对金属的温度等进行控制，改变其凝固的结构组织和方式，使得溶质均匀分布，金属性能更加稳定。第二种则是在对金属进行热处理时施加脉冲磁场，利用其的作用和材料的各向异性来改变金属材料的组织结构，控制其性能。另外，在脉冲磁场的作用下，金属内部还会重复发生磁化和消磁的过程，不断改变磁矩的取向，从而改变金属原子的运动状态，影响金属材料的微观结构。这种方法可以在高精密零件的处理当中使用，并获得较好的效果。

2.2 静磁场的应用

静磁场乃是恒定电流激发的磁场与永磁体产生的磁场，其强度、方向都是恒定的，不会随着时间而发生变化，只与和永磁体以及电流的距离有关。在静磁场中，具有导电性的金属熔融体所受大部分洛伦兹力方向都与流体的运动方向相反，因此静磁场可以抑制液态金属的表面流动与波动，避免其发生形状上的改变，使金属保持稳定，还可以利用其制动作用来控制金属形状；另外，它还可以使物体受到磁化力，从而实现选矿，根据不同物质在相同磁场中所受磁化力大小不同的特性来完成金属的分离[3]。

3 结语

在材料科学与工程当中引入电磁技术，可以大大提高生产效率，利用磁场来改变金属材料性能或者完成某些加工操作，节省大量时间，降低生产成本，为企业带来合理的经济效益，并减少对环境产生的污染。在新的金属材料制备中，电磁技术也能够大放异彩，起到重要作用。相关行业与人员都应当对该技术提起重视，不断对其进行完善与提升，获得更加高效、科学的技术，提高我国金属材料产品的质量，从根本上促进工业水平的发展。