CN100436044C - 一种Fe-Ga磁致伸缩合金丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，该方法通过熔炼、铸棒、热旋锻和冷拔工序可制得在低磁场100Oe环境下的，具有较好的磁致应变21×10^-6～118×10^-6的新型Fe-Ga磁致伸缩合金丝。本发明的制备方法主要体现了将Fe-Ga元素制备成丝材的应用。

Description

一种Fe-Ga磁致伸缩合金丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备丝材的工艺，更特别地说，是指一种采用热旋锻和冷拔相接合工艺，制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法。

背景技术

磁致伸缩丝被广泛应用于传感器领域(如扭矩传感器、压力传感器、位移传感器)。现在常见的磁致伸缩丝的成分一般为Ni、Fe-Ni、Fe-Ni-Co，这些合金的塑性较好，容易加工成丝材，但其磁致伸缩性能较低，仅为20×10^-6左右，限制了传感器的精度和测量范围。目前研究的磁致伸缩材料中，巨磁致伸缩材料TbDyFe具有极大的磁致伸缩，达到2000×10^-6，但其脆性很大，不利于加工成型，并且价格昂贵(稀土材料价格贵)。因此，一种兼具良好磁致伸缩性能及塑性好的新型磁致伸缩丝成为人们关注的重点。

Fe-Ga系合金具有较好的磁致伸缩性能和力学性能，非常适合成为磁致伸缩丝的材料，现在通常采用定向凝固的方法制备Fe-Ga系合金单晶或取向多晶，这种方法制备的合金具有较好的择优取向，但制得的成品一般为棒材。

为了更好地将Fe-Ga合金应用于传感器领域，本发明人将提供一种Fe-Ga合金丝的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，该方法通过熔炼、铸棒、热旋锻和冷拔工序可制得在低磁场100Oe环境下的，具有较好磁致伸缩性能的新型Fe-Ga磁致伸缩合金丝。

本发明的一种采用热旋锻和冷拔相接合工艺制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，其有下列步骤：

A、熔炼合金铸棒

称取15～20at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa～4×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga；

熔炼2～5分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭材；

将合金锭材翻转反复熔炼1～4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为7～10mm的Fe-Ga棒；冷却后取出待用；

B、打磨

将经A步骤处理后的Fe-Ga棒在无心磨床上打磨外缘，制得表面光滑的Fe-Ga棒；

C、热旋锻

将经B步骤处理后的光滑Fe-Ga棒在温度为700℃～800℃中，经过2～4个道次的热旋锻制得拔长后的Fe-Ga棒，其道次进给量为0.5mm～1mm；

热旋锻后直径为7～10mm的Fe-Ga棒直径缩小了2～3mm；

D、冷拔

将经C步骤处理后的拔长后的Fe-Ga棒在室温下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为3～5次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga棒进行退火处理，退火温度为800℃～900℃，退火时间为15～40分钟；制得直径为0.5mm～1.5mm的Fe-Ga合金丝；

E、热处理

将经D步骤处理后的Fe-Ga合金丝在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，采用水淬或者炉冷进行冷却至室温。

本发明的制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝方法的优点在于：(1)开发出一种新型的Fe-Ga磁致伸缩丝，在低磁场100Oe环境下其磁致应变为21×10^-6～118×10^-6，优于其他传统磁致伸缩丝；(2)合理的选用热旋锻和拉拔的工艺参数，成功地采用塑性加工的方法制备Fe-Ga合金丝，大幅度降低了制造成本，使其批量生产成为可能；(3)Fe-Ga合金可以在塑性成型过程中产生择优取向，有利于获得良好的磁致伸缩性能；(4)可以采用定向凝固的方法先使Fe-Ga合金具有择优取向，再将其制备成丝材，这样制得的Fe-Ga合金丝的磁致伸缩性能可得到进一步提高。

附图说明

图1是Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图。

图2是Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝的X射线衍射图谱。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种采用热旋锻和冷拔相接合工艺制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，其有下列步骤：

A、熔炼合金铸棒

称取15～20at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa～4×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga；

熔炼2～5分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭材；

将合金锭材翻转反复熔炼1～4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为7～10mm的Fe-Ga棒；冷却后取出待用；

B、打磨

将经A步骤处理后的Fe-Ga棒在无心磨床上打磨外缘(打磨是为了去除Fe-Ga棒表面的折皱、坑洞等缺陷，降低因表面缺陷造成棒材变形断裂)，制得表面光滑的Fe-Ga棒(直径为7～10mm的Fe-Ga棒有可能直径缩小了0.15～0.5mm左右)；

C、热旋锻

将经B步骤处理后的光滑Fe-Ga棒在温度为700℃～800℃中，经过2～4个道次的热旋锻制得拔长后的Fe-Ga棒，其道次进给量为0.5mm～1mm；

热旋锻后直径为7～10mm的Fe-Ga棒直径缩小了2～3mm；

对光滑Fe-Ga棒在高温条件下进行热旋锻，是为了击碎铸态组织，使晶粒细化，以便冷拔工艺，并使棒材产生形变以满足拉丝工艺对坯料尺寸和性能的要求。

D、冷拔

将经C步骤处理后的拔长后的Fe-Ga棒在室温下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为3～5次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga棒进行退火处理，退火温度为800℃～900℃，退火时间为15～40分钟；制得直径为0.5mm～1.5mm的Fe-Ga合金丝。

在拉拔加工过程中采用退火热处理，是为了使丝组织细化，降低加工硬化，提高材料塑性，便于进一步加工。

E、热处理

为了比较不同热处理条件对产品性能的影响，从上述制得的Fe-Ga磁致伸缩丝中取两组样品，在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，分别采用水淬或者炉冷进行冷却至室温。

采用涡流位移传感器法对不同状态下的Fe-Ga磁致伸缩丝进行测试，其磁致伸缩性能如下表所示。

将上述三种不同状态的样品研磨成粉状，采用X射线衍射分析研究其微观相结构，分析相结构对产品磁致伸缩性能的影响。如附图2所示，拉拔态和淬火态的Fe-Ga合金的主要相结构为A2相，而在炉冷态的Fe-Ga合金中出现了L1₂相，由于L1₂相会产生负的磁致伸缩，所以炉冷态的Fe-Ga磁致伸缩丝的磁致应变较淬火态低。而拉拔态磁致应变较低是由于加工中产生的内应力和位错定扎极大的限制了磁致应变。

在本发明的制备过程中，可以在A步骤与B步骤之间采用定向凝固方法来制备具有<100>或者<110>择优取向的Fe-Ga合金棒，采用这种Fe-Ga合金棒经塑性加工成丝材，可以更好地提高Fe-Ga合金丝的磁致伸缩性能。

实施例1：制Fe₈₅Ga₁₅合金丝

称取15at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga；熔炼3分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭；将合金锭翻转反复熔炼4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为7mm的Fe-Ga棒；冷却后取出待用；

然后将7mm的Fe-Ga棒在无心磨床上打磨外缘，制得表面光滑6.5mm左右的Fe-Ga棒；

然后将6.5mm的Fe-Ga棒在温度800℃中，经过3个道次的热旋锻制得5mm的Fe-Ga棒，其道次进给量为0.5mm；

然后将5mm的Fe-Ga棒在室温20℃下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为3次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga棒进行退火处理，退火温度为850℃，退火时间为20分钟；制得直径为1.5mm的Fe-Ga合金丝；

然后将1.5mm的Fe-Ga合金丝在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，水淬冷却至室温。

将制得的1.5mm Fe-Ga合金丝采用涡流位移传感器法进行测量，其在低磁场100Oe环境下，磁致应变为66×10^-6。

采用涡流位移传感器法对Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝进行测试，其磁致伸缩性能如图1所示。图中，拉拔态Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝的饱和磁致应变为21×10^-6，炉冷态Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝的饱和磁致应变为52×10^-6，淬火态Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝的饱和磁致应变为66×10^-6。因此，淬火态Fe₈₅Ga₁₅磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能优于其他两个状态。

实施例2：制Fe₈₂Ga₁₈合金丝

称取18at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga；熔炼4分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭；将合金锭翻转反复熔炼4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为10mm的Fe-Ga棒；冷却后取出待用；

然后将10mm的Fe-Ga棒在无心磨床上打磨外缘，制得表面光滑9.5mm左右的Fe-Ga棒；

然后将9.5mm的Fe-Ga棒在温度800℃中，经过2个道次的热旋锻制得7.5mm的Fe-Ga棒，其道次进给量为1mm；

然后将7.5mm的Fe-Ga棒在室温20℃下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为5次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga棒进行退火处理，退火温度为850℃，退火时间为20分钟；制得直径为0.5mm的Fe-Ga合金丝；

然后将0.5mm的Fe-Ga合金丝在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，水淬冷却至室温。

将制得的0.5mm Fe-Ga合金丝采用涡流位移传感器法进行测量，其在低磁场100Oe环境下，磁致应变为74×10^-6。

实施例3：制具有<100>取向的Fe₈₅Ga₁₅合金丝

称取15at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga；熔炼3分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭；将合金锭翻转反复熔炼4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为7mm的Fe-Ga棒；冷却后取出待用；

将制得的直径为7mm的Fe-Ga棒放入定向凝固高温度梯度真空感应炉内，棒外套一内直径为7.2mm的刚玉管，用夹具固定。以镓铟合金作为冷却液，抽真空度至3×10^-3Pa，通入氩气，保持真空度为2×10⁴Pa。通过调节镓铟合金液面高度使温度梯度约为500℃/cm，以720mm/h的凝固速度进行定向凝固，获得具有<100>择优取向的直径为7.2mm的Fe-Ga磁致伸缩棒料。

然后将7.2mm的Fe-Ga棒在无心磨床上打磨外缘，制得表面光滑7mm左右的Fe-Ga棒；

然后将7mm的Fe-Ga棒在温度800℃中，经过2个道次的热旋锻制得6mm的Fe-Ga棒，其道次进给量为0.5mm；然后将6mm的Fe-Ga棒在室温20℃下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为3次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga棒进行退火处理，退火温度为850℃，退火时间为20分钟；制得直径为1.5mm的Fe-Ga合金丝；

然后将1.5mm的Fe-Ga合金丝在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，水淬冷却至室温。

将制得的1.5mm Fe-Ga合金丝采用涡流位移传感器法进行测量，其在低磁场100Oe环境下，磁致应变为118×10^-6。

通过定向凝固后的Fe-Ga合金经XRD测试具有良好的<100>择优取向，在随后的拉拔成丝的过程中，这种取向仍然能够保持下来，可以很好的提高Fe-Ga合金丝的磁致伸缩性能。

实施例4：制(Fe₈₁Ga₁₉)_99.5B_0.5合金丝

称取0.5at％纯度为99.99％的B、18.9at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga、B；熔炼4分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭；将合金锭翻转反复熔炼4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为10mm的Fe-Ga-B棒；冷却后取出待用；

然后将10mm的Fe-Ga-B棒在无心磨床上打磨外缘，制得表面光滑9.5mm左右的Fe-Ga-B棒；

然后将9.5mm的Fe-Ga-B棒在温度800℃中，经过2个道次的热旋锻制得7.5mm的Fe-Ga-B棒，其道次进给量为1mm；

然后将7.5mm的Fe-Ga-B棒在室温20℃下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为5次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga-B棒进行退火处理，退火温度为850℃，退火时间为20分钟；制得直径为1mm的Fe-Ga-B合金丝；

然后将1mm的Fe-Ga-B合金丝在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，水淬冷却至室温。

将制得的1mm Fe-Ga-B合金丝采用涡流位移传感器法进行测量，其在低磁场100Oe环境下，磁致应变为45×10^-6。

通过添加第三元素B使Fe-Ga合金的晶粒细化，塑性增加，更利于塑性加工成形。在本发明的Fe-Ga-B合金丝中还可以添加如Mo、In、Ge、Si、Al、Ni。

经本发明的方法制备得到直径一般0.5～1.5mm的Fe-Ga合金丝，该Fe-Ga合金丝可以作为磁致伸缩丝应用于扭矩传感器、压力传感器、位移传感器中，可以提高传感器的测量精度。

Claims (3)

1、一种采用热旋锻和冷拔相接合工艺，制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，其特征在于有下列步骤：

A、熔炼合金铸棒

称取15～20at％纯度为99.99％的Ga、余量纯度为99.99％的Fe原料；放入真空电弧炉内的水冷铜坩埚中，抽真空度至2×10^-3Pa～4×10^-3Pa；通入氩气，保持真空度至2×10⁴Pa，开始电弧熔炼Fe、Ga；

熔炼2～5分钟待合金元素完全熔化后，断弧形成合金锭材；

将合金锭材翻转反复熔炼1～4次后使合金内的成分均匀，然后吸铸制成直径为7～10mm的Fe-Ga棒；冷却后取出待用；

B、打磨

将经A步骤处理后的Fe-Ga棒在无心磨床上打磨外缘，制得表面光滑的Fe-Ga棒；

C、热旋锻

将经B步骤处理后的光滑Fe-Ga棒在温度为700℃～800℃中，经过2～4个道次的热旋锻制得拔长后的Fe-Ga棒，其道次进给量为0.5mm～1mm；

热旋锻后直径为7～10mm的Fe-Ga棒直径缩小了2～3mm；

D、冷拔

将经C步骤处理后的拔长后的Fe-Ga棒在室温下，采用卧式拉拔机进行拉拔；其中，总拉拔道次为3～5次，在每一个拉拔道次之间对拔长后的Fe-Ga棒进行退火处理，退火温度为800℃～900℃，退火时间为15～40分钟；制得直径为0.5mm～1.5mm的Fe-Ga合金丝；

E、热处理

将经D步骤处理后的Fe-Ga合金丝在管式真空热处理炉中900℃下保温半小时后，采用水淬或者炉冷进行冷却至室温。

2、根据权利要求1所述的制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，其特征在于：在A步骤与B步骤之间采用定向凝固法制具有<100>择优取向的Fe-Ga合金棒。

3、根据权利要求1所述的制备Fe-Ga磁致伸缩合金丝的方法，其特征在于：Fe-Ga合金丝在低磁场100Oe环境下其磁致应变为21×10^-6～118×10^-6。

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