探究微波技術(shù)在金屬材料制備中的應(yīng)用

秦敬麗

（菏澤高級技工學(xué)校，山東 菏澤 274000）

微波是一種頻率在300MHz ～300GHz 的電磁波，是無線電波中一種有限頻帶的統(tǒng)稱，其波長最短為1mm，最長為1m，所含類型主要包括亞毫米波、毫米波、厘米波以及分米波。因?yàn)槠湮⒉l率比一般的電波頻率要高，將其稱為高頻電磁波?；谖⒉ǖ奶厥庑阅?，對于玻璃、塑料、瓷器可以穿越而不被吸收，對于水和食物可以在微波穿越的情況下進(jìn)行加熱，從而使水和食物內(nèi)部的化學(xué)活性進(jìn)一步提高，加熱水和食物。因此借助于這一特性，本文將探究微波在金屬材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 微波合成技術(shù)在金屬制備中的應(yīng)用

微波合成的研究起于20 世紀(jì)80 年代，最開始研究者應(yīng)用金屬以及非金屬粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，借助于微波的合成作用生成了碳化合物、硼化合物、硅化合物等復(fù)合新材料。微波合成主要是指微波燃燒合成，它能夠通過微波作為點(diǎn)火方式進(jìn)行高溫自蔓延合成。這種點(diǎn)火技術(shù)相比于其他的電火花、強(qiáng)熱流激光點(diǎn)火技術(shù)有所不同。其他點(diǎn)火技術(shù)的燃燒波是從金屬材料的外部向內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展。而微波合成技術(shù)在點(diǎn)火的過程中則是從材料的內(nèi)部開始加熱，燃燒由內(nèi)向外進(jìn)行擴(kuò)展，借助于這一特性，在金屬材料的制備過程中由內(nèi)向外形成自蔓延合成工藝。因此我們在運(yùn)用微波合成技術(shù)作為點(diǎn)火方式時，需要選擇具有高損耗特性的物質(zhì)，使這類物質(zhì)能夠被微波加熱，其原材料的內(nèi)部活性充分地改變，原材料內(nèi)部溫度達(dá)到一定的高度，熱量由內(nèi)向外進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)階段已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一部分金屬材料或者是金屬粉末能夠通過微波加熱達(dá)到一定的高溫狀態(tài)，如鋁粉粉末在微波加熱90s 以后可以達(dá)到600℃的高溫，鐵通過微波加熱420s 以后可以達(dá)到768℃的高溫，銅通過微波加熱60s 以后可以達(dá)到1283℃的高溫，硅通過微波加熱70s 以后可以達(dá)到1000℃的高溫等，這些原材料通過微波加熱都可以形成自蔓延合成條件。

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過金屬以及非金屬粉末進(jìn)行研究，采用微波點(diǎn)火使金屬與非金屬粉末形成化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量可以繼續(xù)維持反應(yīng)的進(jìn)行，縮短反應(yīng)時間，生成高純度的反應(yīng)物。由于金屬粉末可以通過微波點(diǎn)火而發(fā)生反應(yīng)，借助于微波合成技術(shù)可以使金屬與金屬合成，從而生成金屬間化合物。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，能夠通過微波合成技術(shù)而生成的金屬間化合物種類較多，例如：Ti-Al、Fe-Al、Nb-Al、Ge-Al、Sb-Al、Cr-Al、Ti-Ni、Cu-Zn、Fe-Ni、Ni-Zr ……。這些金屬元素都可以通過微波合成金屬間化合物，有的甚至還能完成多元金屬之間的合成。

大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，某些金屬與金屬之間通過常規(guī)高溫不能合成的材料借助于微波合成技術(shù)可以達(dá)到想要的結(jié)果，如Ti 和Al 通過微波合成技術(shù)可以生成Ti-Al 體系的金屬間化合物，而在傳統(tǒng)金屬材料制備過程中，通過燃燒高溫進(jìn)行合成并不能得到TiAl 或者是Ti3Al 的產(chǎn)物。借助微波合成技術(shù)合成金屬間化合物時，相比于熱積火燃燒方式以及常規(guī)燃燒方式進(jìn)行合成時還具有合成的時間短，合成的產(chǎn)品純度高等相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，而且在合成的過程中有些產(chǎn)物，即使偏離了常規(guī)的化學(xué)計量配比，依然能夠獲得單項(xiàng)純凈的產(chǎn)物。綜合分析，將微波技術(shù)應(yīng)用到金屬材料制備的過程中，借助于微波合成技術(shù)進(jìn)行金屬間化合物的合成，即可以使金屬的反應(yīng)時間較短，合成速度和效率得到了有效的提高，同時，通過微波合成技術(shù)所得的金屬化合物純度更高，能夠達(dá)到激光合成技術(shù)以及常規(guī)加熱合成技術(shù)所不能達(dá)到的目標(biāo)。

2 微波技術(shù)在燒結(jié)金屬粉末中的應(yīng)用

通過微波對粉末態(tài)的金屬進(jìn)行加熱，可以使金屬粉末吸收微波而產(chǎn)生內(nèi)部活性變化，提高材料內(nèi)部的溫度，使得微波燒結(jié)金屬粉末材料實(shí)現(xiàn)的可能，主要是因?yàn)槲⒉Y(jié)金屬材料時并非通過金屬顆粒表面對微波熱量進(jìn)行吸收，而是借助微波使金屬顆粒內(nèi)部產(chǎn)生的活性變化從而使溫度升高，因此在進(jìn)行微波燒結(jié)金屬粉末材料配制時，可以對金屬粉末壓坯進(jìn)行加熱。近幾年來，隨著研究的不斷深入，大量科學(xué)研究對微波燒結(jié)金屬粉末材料體系進(jìn)行了廣泛的研究，由純金屬到多元金屬合金，由低溫微波燒結(jié)到高溫微波燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)了一系列的研究與實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)的Mg、Al 基合金、Fe 基合金、Cu 基合金、Al 基合金、Sn 基無鉛焊料、金屬Co、金屬Zr……都得到了廣泛的具備，豐富了金屬材料的組成結(jié)構(gòu)。

3 微波技術(shù)在熔煉金屬材料中的應(yīng)用

金屬冶煉應(yīng)用微波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的冶煉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了冶煉技術(shù)和冶煉質(zhì)量的雙重提高，因此微波技術(shù)在熔煉金屬材料中的應(yīng)用價值非常廣泛。美國科學(xué)家在多模腔微波設(shè)備中對Ti、U、Cu、Al、鋼、黃銅、青銅等材料進(jìn)行熔煉，其熔煉結(jié)果得出了340kg 的錠塊，這一技術(shù)在工業(yè)冶煉過程中得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化的生產(chǎn)。在應(yīng)用微波技術(shù)進(jìn)行金屬材料熔煉時，科學(xué)地選擇坩堝可以有效地提高微波熱量的利用率。實(shí)驗(yàn)研究表明，借助于石墨坩堝，并在石墨坩堝的表面涂上耐熱材料，可以有效地避免在金屬材料熔練的過程中滲透到坩堝內(nèi)部，同時可以保證熔煉出的錠塊沒有其他的物質(zhì)摻雜，純度得到了提高。借助微波具有選擇性加熱的特點(diǎn)，我們在應(yīng)用微波加熱時采用磁場分量、電場分量實(shí)現(xiàn)物質(zhì)四氧化三鐵和導(dǎo)電物質(zhì)炭的強(qiáng)烈耦合，在多模腔微波設(shè)備中進(jìn)行鐵礦石粉末與炭粉末的混合配熔煉，最終通過微波熔煉可以得到高純度的鐵錠。該熔煉過程所需時間僅為數(shù)10min，而且所產(chǎn)出的鐵含量較高，所熔煉出的產(chǎn)物雜質(zhì)相比傳統(tǒng)的熔煉爐高溫熔煉要少10%左右，同時所消耗的碳元素含量也僅為高爐熔煉時的一半。應(yīng)用微波進(jìn)行該項(xiàng)加熱過程時沒有產(chǎn)生CO有害氣體。而這一加熱過程的原理主要是因?yàn)槲⒉ǖ倪x擇性加熱導(dǎo)致加熱區(qū)出現(xiàn)了不均勻加熱狀態(tài)，在加熱體的內(nèi)部出現(xiàn)了加熱點(diǎn)，內(nèi)部熱量的不平衡使金屬晶界處出現(xiàn)了混合，提高了反應(yīng)速度和進(jìn)程。

4 微波焊接金屬材料

微波焊接金屬材料在金屬材料制備工藝中也有著非常重要的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)的焊接工藝，具有更多的優(yōu)點(diǎn)。在微波中塊體金屬對微波具有較高的反射率，因此不能吸收微波而產(chǎn)生內(nèi)部活性變化，提高熱量。但是當(dāng)兩塊金屬放得很近時，由于金屬間的間隙出現(xiàn)了等離子體，通過微波技術(shù)使等離子體加熱的金屬，可以實(shí)現(xiàn)金屬之間的焊接，因此，這種方法被稱之為微波焊接。將316 不銹鋼表面包覆NiTi 合金材料，應(yīng)用微波焊接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼的抗孔隙侵蝕能力增強(qiáng)。在焊接的過程中，選擇銅合金材料作為焊料，該材料在融化過程中，其NiTi 合金以及不銹鋼可以繼續(xù)保持原來的固態(tài)形狀，通過微波技術(shù)焊接以后，使不銹鋼材料里的 Ti、Fe元素以及NiTi 合金中的Ti、Fe 元素紛紛擴(kuò)散到焊接材料里，進(jìn)一步提高了焊接材料的厚度，使焊接界面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，而不銹鋼與NiTi 合金復(fù)合體剪切強(qiáng)度可以達(dá)到100～150MPa。因此，通過微波焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬材料與金屬材料之間的焊接，同時還有效地改變了焊接體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度，提高了金屬材料的應(yīng)用性能。

5 結(jié)語

微波制備金屬材料有了顯著的研究成果，但是離大規(guī)模實(shí)用化尚有一定距離，因此在理論研究、設(shè)備制造以及工藝控制等方面仍需要開展大量工作。