微波烧结金属粉末材料研究进展_方可

微波频 率 、 烧 结 时 间 和 烧 结 速 度［1］。 研 究 表 明 ，
在同等烧结条件下 （烧结温度和保温时间）， 微
波烧结晶粒要明显大于常规烧结， 说明微波作
用下晶粒生长更快、 致密化过程更加迅速； 温
图 2 矩形波导中 TE10 波场结构
度过低会导致 “欠烧”， 过高或保温时间太长会 引起晶粒异常长大； 升温速度也是重要因素， 如升温速度较慢， 加热时间就得适当延长， 导 致材料在高温区停留时间较长 。 ［14］
3 微波烧结装置
3.1 烧结装置 微波烧结实验装置由微波发生器 （磁控管
50
金属材料与冶金工程
Vol.39 No.2
和调速管）、 波导管、 加热腔和微波电源组成，
加热腔有谐振式和非谐振式两种， 谐振式加热
腔又有多模场型和单模场型两种。 单模场型可
形成稳定的电磁波， 能量集中， 适合烧结低损
耗材料， 但均匀场区小， 无法烧结大尺寸工件；
在粉末冶金领域中具有广阔的发展前景。 为此简要回顾了微波烧结技术的起源和发展， 对微波烧结金属粉 末材料的原理、 特点、 研究和应用进展以及发展前景等方面进行了总结和论述。
关键词： 微波烧结； 金属粉末； 进展 中图分类号： TF124.5 文献标识码： A 文章编号： 1005 - 6084 （2011） 02 - 0048 - 06
因烧结温度很高 （在 1 000 ℃ 以上）， 样品 在加热过程中会散失部分热量， 可能会导致材 料无法达到烧结温度， 不能致密化， 因此需要 对样品进行保温。 对于保温材料的选择应考虑 三点： 一是微波透明 （即不吸收微波能， 微波 完全穿透）； 二是耐高温； 三是保温效果好。
4 研究进展
自 1999 年美国宾西法尼亚州立大学的研究 者发现微波烧结也能用于制备金属材料［5］， 这项 新的粉末冶金工艺激起众多研究人员的兴趣和 研究热情， 十余年中得到很大发展和应用。 4.1 微观机理
与块体金属只能反射微波不同， 金属粉体 能 够 有 效 吸 收 微 波 而 加 热 至 很 高 温 度 。 ［15］ 易 建 宏、 罗述东等［5］ 研究表明， 在烧结过程中， 材料
2011 年第 2 期
方 可： 微波烧结金属粉末材料研究进展
51
介电损耗、 涡流损耗以及金属粉体颗粒对微波 辐射的多次散射都对热效应的产生具有重要作 用， 但由于微波电磁场对金属导体内部存在的 自由电荷的固有影响， 涡流损耗成为主要机理。 导体内部自由电子在外加高频电磁场作用下， 高速来回运动产生焦耳热， 压坯从内部整体均 匀加热和升温。
20 世纪 90 年代末， 美国宾西法尼亚州立大 学的研究人员发现， 相对于传统认识 - 块体金属 会将微波辐射反射掉， 处于粉末状态的金属却
能有效吸收微波而实现加热， 从而能够利用微 波烧结制备金属器件， 为金属粉末冶金工业发 明了一种新的生产和制造工艺。 微波烧结能显 著改进金属制品的性能， 能够生产形状复杂的 器件， 且生产成本较低， 烧结周期短 - 任何金属 粉 末 生 坯 都 能 在 10 ~ 30 min 内 烧 结 完 成 。 研 究 试验了铁、 钢、 铜、 铅、 镍、 钴、 钼、 钨、 碳 化钨和锡的环状、 管状和齿轮制品， 所制得的 微波烧结器件比传统制品具有更高的力学性能， 显微组织的均匀性好， 气孔率很低［2］。
导体材料， 在磁场中的加热效果比在电场中要
好。 场型分析为各种材料的微波烧结实验研究
提供了基本依据。
在 标 准 矩 形 波 导 中 传 播 TE10 波 ， 假 设 矩 形 波导宽边为 a， 窄边为 b， 沿 z 方 向 传 播 的 TE10 波各分量可描述为：
E#
$ $
x
=
0
$
! " $
$
E$
$y
平面。 E 沿 x 方向分布形成一个半驻波， 沿 y 方
向均匀 （见图 2）。
在宽边中间位置 （x=a ／ 2）， 电场 Ey 和磁场 Hx 为最强， 而磁场 Hz 为零； 在 宽 边 两 侧 （x=0 或者 a） 处， 电场 Ey 和磁场 Hx 为零， 而磁场 Hz 为最大。
3.3 烧结工艺
微波烧结的工艺参数主要有微波源功率、
胡常波、 习小明等通过构建 “柱体电容” 模型， 推证出弧光放电 “临界长度” 的存在。 金属粉体颗粒受交变电磁场作用， 等效于磁场 分量切割金属导线而产生电流， 生成焦耳热， 揭示了微波烧结金属材料的可行性。 4.2 工艺研究
第 39 卷 第 2 期 2011 年 4 月
金属材料与冶金工程 METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
Vol.39 No.2 Apr 2011
微波烧结金属粉末材料研究进展
方可
（武汉工程大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430073）
摘 要： 微波烧结是一项新型材料制备技术， 具有整体加热、 低温快烧、 节能、 安全无污染等许多优点，
ABSTRACT： Microwave sintering is a new type of technology， it has many great advantages such as fast sintering with lower temperature， less energy consuming， more safety and no pollution， so the prospect of development in the field of powder metallurgy is great. The source and evolvement of the technology of microwave sintering are introduced briefly in this paper. And the principle， character， the research & application advance as well as the development prospect of the technology are summarized and reviewed. KEY WORDS： microwave sintering； metal powder； progress
1 微波烧结金属粉末原理
微波烧结技术是基于物质与电磁场相互作用
中产生热效应的原理。 当材料的基本细微结构与
特定频率的电磁场耦合时， 内部微观粒子响应电
磁振荡， 热运动加剧， 材料因介质损耗吸收微波
能转化为热能。 将微波加热原理应用于传统烧结
工艺， 就是微波烧结。 在微波烧结中， 因存在电
磁场作用， 材料介电性能、 磁性能以及导电性能 等特性对烧结效果具有重要影响 。 ［3，4］
多模场型谐振腔结构简单， 易得到较大区域的
均匀场强， 可用于烧结大尺寸、 介质损耗高的
材 料 。 ［8，12，13］ 为 得 到 稳 定 和 均 匀 的 微 波 场 分 布 ，
必须对加热腔进行合理设计。
3.2 场型分析
研究表明， 不同类型的材料在分别放置于
加热腔内的电场或磁场区域中时， 会表现出极
为不同的加热行为。 如金属或合金粉末压坯等
Pd =
1 2
σE2
（2）
故金属导体表面是吸波的， 吸波机理为电
导损耗， 但穿透深度很小， 一般都在微米级：
δ= 1
（3）
姨fπμ
可见， 在电磁场作用下， 金属导体表面会
产生电流， 存在欧姆损耗， 故只要减小金属导
体的宏观尺寸， 使之能与微波电磁场完全耦合，
就能有效实现加热和烧结。
Βιβλιοθήκη Baidu
1.2 微波非热效应
微波是频率在 300 MHz ~ 300 GHz （对应波 长在 1 000 ~ 1 mm） 范围内的电磁波。 微波烧结 就是利用微波辐射来代替传统的外加热源， 材 料通过自身对电磁场能量的吸收 （介质损耗） 达到烧结温度而实现致密化。 微波烧结技术研 究始于 20 世纪 50 年代， 美国的 VonHippel 在材 料介质特性方面的开创性研究为将微波加热应 用于材料烧结奠定了基础［1］。 早期的微波烧结研 究和应用主要集中于现代陶瓷材料领域。
=
E0
sin
$
πx a
ej(ωt-βz)
$
$
E$$
%z
=
0
! " #
$
H$
$x
=
$
$
-
β ωμ
E0 sin
πx a
ej(ωt-βz)
$
H$
$ $
y
=
0
$
! " $
$
H$
$z
$ %
=
j
π a
E0 cos
πx a
ej(ωt-βz)
式 中 β 为 相 位 常 数 ， β=2π ／ λg； λg 为 波 导 波 长； E 沿 y 方向， 垂直于 xz 平面； H 平 行 于 xz
各类硬质合金和难熔金属材料具有硬度高、 耐磨、 强度和韧性较好、 耐热、 耐腐蚀等一系
收稿日期： 作者简介： 方 可 （1978 -）， 硕士， 主要从事微波烧结技术方面的工作。
2011 年第 2 期
方 可： 微波烧结金属粉末材料研究进展
49
列优良性能， 特别是高硬度和耐磨性， 在刀具 和钻探领域用途广泛。 将微波烧结技术应用于 金属粉末冶金， 能大幅降低烧结温度， 改善材 料显微结构， 使制品性能得到显著提升， 应用 和发展前景广阔。
在材料与电磁场相互作用过程中， 材料结 构状态起着关键作用， 如铜粉末压坯在电磁场 中能有效吸收微波能， 而块体铜就不能［9］， 因而 减小粉末颗粒尺寸有助于快速升温和提高制品 性能； 另一方面， 单独的电场或磁场作用于材 料时热效应差异显著， 因此， 根据烧结腔内微 波场结构特点和分布规律， 在腔体内选择合适 位置使电场或磁场最大， 可对烧结成败起到决 定作用。
图 1 微波快速烧结制取的小型齿轮 （a） 及环状、 管状等金属零件 （b）［9］
微波烧结能耗低， 效率高， 比传统烧结节 能 80% 左右， 而且清洁、 安全、 无污染。 微波 烧结能得到均匀细晶显微结构， 孔隙少且规 则， 材料具有更好的延展性和韧性， 宏观性能 优 异 。 ［10，11］ 微波烧结具有的独特优点预示其在现 代材料制备行业中拥有广阔的发展空间， 被广 泛誉为 “烧结技术的一场革命”［4］。
缺少与电磁场相互作用、 吸收和转化的媒介，
因 而 无 法 被 有 效 加 热 ［5］。 根据黄铭、 彭金辉等［6］ 研究， 电磁场在物质
中传播， 在单位体积物质中发生的功率损耗为：
Pd =
1 2
（E·坠D 坠t
- D·坠D 坠t
）
+ J·E
（1）
对于金属导体材料， 电导率 σ 为一定值， D
= ε0E + P = εε0E， 则：
2 微波烧结特点
与传统烧结相比， 微波烧结主要有整体加 热、 低温快烧、 无加热惯性、 选择性加热等显 著特点［8］。 在传统烧结过程中， 材料表面、 内部 和中心区域温度存在较大梯度， 容易导致晶粒 不均匀， 内部存在较多缺陷。 微波烧结依靠电 磁场辐射透入材料内部， 材料整体发生介质损 耗而升温， 各部分温差小， 材料显微结构得到 改善， 性能更加优异 （见图 1）。
1.1 微波热效应
金属导体材料在微波电磁场中， 其内部自
由电荷在电磁场作用下， 会迅速向导体表面聚
集， 这种现象称为趋肤效应。 驰豫时间用来表
征自由电荷响应电磁场变化的快慢。 由于驰豫
时间远小于电磁场振动周期， 故在每周期刚开
始， 自由电荷就已聚集于导体表面， 内部自由
电荷密度为零。 块体金属内部不存在自由电荷，
在微波烧结中， 除明显的微波热效应外， 还存在一定的微波非热效应， 包括活化过程速 率增强、 烧结体性能改变等。 微波非热效应是 微波烧结中的重要因素， 能够对烧结过程起到 明显的促进作用。 其机理可能是在电磁场存在 条件下， 引起沿电场方向的电势梯度， 导致空 间电荷产生附加驱动力， 增强了带电微粒的扩 散作用， 降低了粉末的烧结活化能， 使得各种 微粒的迁移变得更加容易发生， 且迁移速率提 高 很 多 ， 故 能 明 显 促 进 致 密 化 过 程 ， ［4，7］ 具 体 表 现就是烧结温度更低、 升温速度更快、 烧结时 间大幅缩短。
The Research Advance of Microwave Sintering Metal Powder
FANG Ke
（Wuhan Engineering University， School of Material Science ， and Engineering， Wuhan 430073， China）