劉增忠 肖鵬

山東聯(lián)盟化工集團(tuán)有限公司 山東 壽光 262700

從古至今，金屬就是我國(guó)重要的資源，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年的時(shí)間里，它們被逐漸開(kāi)發(fā)和利用，作為原材料制作多種多樣的產(chǎn)品，豐富了人類社會(huì)生活，提供了諸多便利。有許多金屬都具有較高的導(dǎo)熱性、延展性等，還有的導(dǎo)電性能強(qiáng)，也有一些具備較強(qiáng)的抗腐蝕性能。在現(xiàn)代，幾乎工業(yè)的所有領(lǐng)域都離不開(kāi)金屬材料的應(yīng)用，生產(chǎn)和加工金屬材料的化工行業(yè)也受到了廣泛重視，本文通過(guò)分析實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，提出電磁技術(shù)在金屬材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用[1]。

1 電磁技術(shù)簡(jiǎn)介

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，在公元前數(shù)百年，就已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)了摩擦起電現(xiàn)象，我國(guó)古代四大發(fā)明之一的指南針也利用了電磁原理，使用磁石來(lái)指示方向。在19世紀(jì)上半葉，隨著電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)于電磁領(lǐng)域的深入探究也拉開(kāi)序幕，之后，人類通過(guò)電磁現(xiàn)象獲得穩(wěn)定電流，制造出伏打電池，從此電磁技術(shù)的研究踏上正軌。及至如今，現(xiàn)代電磁技術(shù)逐漸發(fā)展與豐富，電話、無(wú)線電通信、互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)的發(fā)明和手機(jī)、電腦、電視等的生產(chǎn)都離不開(kāi)電磁技術(shù)的使用，可以說(shuō)，電磁技術(shù)已經(jīng)完全融入到人類生活和生產(chǎn)中，起到了重要作用。除此之外，它還可以被應(yīng)用于金屬材料科學(xué)與工程，通過(guò)電磁場(chǎng)的熱效應(yīng)和力效應(yīng)來(lái)對(duì)金屬材料施加高密度能量，其操作簡(jiǎn)便、可控性強(qiáng)，具有高效、便捷的特點(diǎn)，并且不會(huì)產(chǎn)生污染，屬于清潔技術(shù)。

2 電磁技術(shù)在金屬材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用

2.1 時(shí)變電磁場(chǎng)的應(yīng)用

所謂時(shí)變電磁場(chǎng)，指的就是其場(chǎng)強(qiáng)與方向會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化并遵循預(yù)定規(guī)律的電磁場(chǎng)，其中時(shí)變磁場(chǎng)分為兩種，即交變磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)，前者的場(chǎng)強(qiáng)與時(shí)間的變化規(guī)律滿足正弦函數(shù)，后者則滿足脈沖性質(zhì)。時(shí)變電磁場(chǎng)可以在金屬材料的制造加工過(guò)程中起到加熱、驅(qū)動(dòng)作用，還可以控制材料的形狀、進(jìn)行震蕩攪拌、或者實(shí)現(xiàn)材料懸浮等。

2.1.1 交變磁場(chǎng)

在電磁線圈中通入交流電就可以獲得交變磁場(chǎng)，其一般的應(yīng)用方式有三種，第一是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在線圈通入電流后內(nèi)部激發(fā)出交變磁場(chǎng)，將工件放在線圈之內(nèi)，則可以在導(dǎo)電的金屬材料中獲得感應(yīng)電流，并利用其完成加熱，這種方法在化工行業(yè)被稱為電磁感應(yīng)加熱，也就是利用焦耳熱效應(yīng)。集膚效應(yīng)的作用會(huì)使得金屬表面迅速升溫，之后向內(nèi)部傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)最終目的。使用感應(yīng)加熱，可通過(guò)控制交流電頻率來(lái)控制加熱溫度和升溫速度等，其升溫的速度比一般加熱方式快，并且可以達(dá)到很高的溫度，在金屬表面熱處理、焊接、熱裝配和拆卸等多個(gè)方面都有廣泛應(yīng)用[2]。

第二是利用洛倫茲力來(lái)對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行形狀控制，通過(guò)集膚效應(yīng)，洛倫茲力會(huì)在液態(tài)金屬肌膚層厚度之內(nèi)集中，越向內(nèi)部深入，力的作用就越弱，若施加較高頻率的磁場(chǎng)，就可以基本將洛倫茲力在金屬表面集中，獲得作用于表面的應(yīng)力，從而達(dá)到不必接觸而控制液態(tài)金屬形狀的目的，通過(guò)對(duì)其電磁力大小的控制，還可使金屬材料達(dá)到受力平衡，懸浮在空中，不會(huì)與容器壁接觸。采用這種方式來(lái)控制金屬形狀，可以顯著改善其表面性能、獲得成分的比例分?jǐn)?shù)十分精準(zhǔn)的合金或者金屬功能材料等。

第三則是利用交變磁場(chǎng)對(duì)金屬的作用力來(lái)強(qiáng)化其內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程，完成攪拌工作，或者驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬在力的作用下發(fā)生定向流動(dòng)。使用低頻磁場(chǎng)，可以對(duì)液態(tài)金屬內(nèi)部進(jìn)行滲透，減弱形狀控制作用，發(fā)揮攪拌效果。這種方法還可使液態(tài)金屬中的非金屬雜質(zhì)受到相反方向的作用力，與液態(tài)金屬朝著反方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)分離除雜的目的，也就是電磁分離夾雜物技術(shù)。

2.1.2 脈沖磁場(chǎng)

脈沖磁場(chǎng)分為兩種，即普通的脈沖磁場(chǎng)和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，后者可以在瞬間產(chǎn)生相當(dāng)大的磁場(chǎng)，脈寬較窄，使用脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行金屬材料的制造與加工，一般有兩種形式。第一種是利用其的震蕩作用，也就是在金屬的熔融與凝固過(guò)程中施加脈沖磁場(chǎng)，使金屬內(nèi)部產(chǎn)生指向中心的電磁力，從而發(fā)生受迫運(yùn)動(dòng)，對(duì)金屬的溫度等進(jìn)行控制，改變其凝固的結(jié)構(gòu)組織和方式，使得溶質(zhì)均勻分布，金屬性能更加穩(wěn)定。第二種則是在對(duì)金屬進(jìn)行熱處理時(shí)施加脈沖磁場(chǎng)，利用其的作用和材料的各向異性來(lái)改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，控制其性能。另外，在脈沖磁場(chǎng)的作用下，金屬內(nèi)部還會(huì)重復(fù)發(fā)生磁化和消磁的過(guò)程，不斷改變磁矩的取向，從而改變金屬原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，影響金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)。這種方法可以在高精密零件的處理當(dāng)中使用，并獲得較好的效果。

2.2 靜磁場(chǎng)的應(yīng)用

靜磁場(chǎng)乃是恒定電流激發(fā)的磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度、方向都是恒定的，不會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，只與和永磁體以及電流的距離有關(guān)。在靜磁場(chǎng)中，具有導(dǎo)電性的金屬熔融體所受大部分洛倫茲力方向都與流體的運(yùn)動(dòng)方向相反，因此靜磁場(chǎng)可以抑制液態(tài)金屬的表面流動(dòng)與波動(dòng)，避免其發(fā)生形狀上的改變，使金屬保持穩(wěn)定，還可以利用其制動(dòng)作用來(lái)控制金屬形狀；另外，它還可以使物體受到磁化力，從而實(shí)現(xiàn)選礦，根據(jù)不同物質(zhì)在相同磁場(chǎng)中所受磁化力大小不同的特性來(lái)完成金屬的分離[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

在材料科學(xué)與工程當(dāng)中引入電磁技術(shù)，可以大大提高生產(chǎn)效率，利用磁場(chǎng)來(lái)改變金屬材料性能或者完成某些加工操作，節(jié)省大量時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來(lái)合理的經(jīng)濟(jì)效益，并減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染。在新的金屬材料制備中，電磁技術(shù)也能夠大放異彩，起到重要作用。相關(guān)行業(yè)與人員都應(yīng)當(dāng)對(duì)該技術(shù)提起重視，不斷對(duì)其進(jìn)行完善與提升，獲得更加高效、科學(xué)的技術(shù)，提高我國(guó)金屬材料產(chǎn)品的質(zhì)量，從根本上促進(jìn)工業(yè)水平的發(fā)展。