CN100463083C - 一种FeGa-RE系磁致伸缩材料及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种FeGa-RE系磁致伸缩材料及其制造工艺。磁致伸缩材料的其特征在于材料的成分是Fe83Ga17Dy、Fe83Ga17Tb、Fe83Ga17La或Fe85Ga15Tb0.5中的一种，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-600ppm，O＝200-700ppm。其制造工艺包括将原料精炼后的合金浇注成所需要的圆棒、对合金棒用高温度梯度快速凝固法或提拉法或Bridgman法，进行晶体定向生长，并通过调整温度梯度GL与生长速度V的比值得到<100>和<110>的晶体取向。其优点是：在低磁场下具有较高的λs、材料的力学性能高、材料的晶粒得到了细化、工艺条件要求不苛刻、材料的生产成本低，非常有利于实际应用。
Description
技术领域：
本发明涉及一种FeGa-RE系磁致伸缩材料及其制造工艺，属于磁性材料领域。
背景技术：
铁磁性物质在磁化状态发生改变时，其自身的长度也发生微小的变化。这种现象被称为磁致伸缩。几乎所有的铁磁性材料都具有磁致伸缩特性。磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ表示，定义为λ＝△L/L(L为材料样品原始长度，△L为磁化状态改变时样品发生的变化)。早期的磁致伸缩材料是Ni和Fe基合金，拥有良好的机械性能和杭震能力，但是其磁致伸缩性能较差，λ一般在40-100ppm左右(1ppm＝10-6)，所以使用范围受到限制。后来人们又发明了一种电磁致伸缩材料，通常称为压电陶瓷(PZT)材料，虽然该材料的λ比较高，可达到300ppm，高频特性也比较好，但由于该材料比较脆，实用中很容易损坏。20世纪80年代，美国Clark等人发明了一种以稀土和Fe组成的超磁致伸缩材料，如TbDyFe合金，其组成为(DyzTb1-x)Fe2，具有很大的磁致伸缩和较高的居里温度，其单晶体的λs高达2000ppm。该材料除高λs外，还有一些其它优点，如低频特性好，响应速度快，能量密度高，产生的推力大，转换效率高等，因此这种材料具有比较广泛的应用领域。我们在研究该材料方面也取得了突破性成果，在材料的成分和制造方法上都有创新，并且已获得了国家发明专利，专利号ZL03127241.X。然而这种稀土超磁致伸缩材料也有其缺点，一是要求高饱和磁场，二是材料的脆性比较大，加工手段受限制且加工费用高，三是原材料的成本很高(由于铽和镝的价格高)，因此其应用推广受到很大的阻力。
发明内容：
本发明的目的就是要提供一种磁致伸缩性能比较高，力学性能比较好，价格又比较便宜，可以在低的磁场下工作的FeGa-RE系磁致伸缩材料及其制造工艺。
本发明的FeGa-RE系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Fe、Ga和RE组成，Ga的含量为10-40at％，RE含量为0.01-20at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-600ppm，0＝200-700ppm，余量为Fe，材料中Ga成分的优选值为12-28at％，FeGa-RE系磁致伸缩材料，其材料的成分中加入了La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy中的一种或一种以上，含量为0.01-20at％。
在上述Fe-Ga-RE系磁致伸缩材料中La成分的优选值为0.1-10at％，Ce成分的优选值为0.1-10at％，Pr成分的优选值为0.1-8at％，Nd成分的优选值为0.1-6at％，Tb成分的优选值为0.1-8at％，Dy成分的优选值为0.1-6at％。
如上所述的FeGa-RE系磁致伸缩材料，在晶体织构上：多晶体为<100>和<110>择优取向织构。
上述FeGa-RE系磁致伸缩材料制造工艺，其特征在于，其工艺步骤为：
a)按所设计成分进行配料；
b)用真空悬浮冶炼炉或真空非自耗电弧炉冶炼母合金：先抽真空至3.0×10-2~5.0×10-2Pa，充入氩气洗炉后，再抽真空至3.0×10-3~5.0×10-3Pa，然后充入氩气至常压后再加热，使原材料熔化形成合金，熔清后精炼2-4分钟，反复熔炼3-5次，以保证合金成分的均匀性，将精炼后的合金浇注成所需要的圆棒；
c)将清理干净的合金棒用高温度梯度快速凝固法或提拉法或Bridgman法，进行晶体定向生长，通过调整温度梯度GL与生长速度V的比值得到<100>和<110>的晶体取向；
d)取向后的材料在900~1200℃中处理1~24小时后，炉冷至800~600℃再保温0.5-24小时后，再采用水淬、炉冷或空冷至室温。
发明的优点：
1.本发明成分合金的磁致伸缩性能比较好，在低磁场下具有较高的λs(300ppm以上)，非常有利于实际应用。
2.通过添加稀土元素，使材料的力学性能大大提高，同时使材料的晶粒得到细化。
3.工艺条件要求不苛刻，由于本发明的合金中不含易氧化元素，所以在合金的冶炼、定向凝固及热处理过程中，不必采取特殊的防氧化措施。
4.本发明材料的生产成本低。
具体实施方式：
实施例1.成分为Fe83Ga17Dy的合金，用真空悬浮冶炼炉冶炼，调节真空度为3.0×10-3~5.0×10-3Pa，然后通入高纯氩气做保护气体，反复熔炼3-5次使合金成分均匀，然后浇铸成棒，用高温度梯度定向凝固炉进行晶体取向，调节晶体定向生长速度为420mm/h，将晶体取向样品在真空热处理炉进行1100℃处理2小时，炉冷至750℃保温1小时，后风冷至室温。样品的磁致伸缩系数λs为270ppm，屈服强度为540MPa。
实施例2.成分为Fe83Ga17Tb的合金，用真空非自耗电弧炉冶炼，调节真空度为3.0×10-3~5.0×10-3Pa，然后通入高纯氩气做保护气体，反复熔炼3-5次使合金成分均匀，然后浇铸成棒，用高温度梯度定向凝固炉进行晶体取向，调节晶体定向生长速度为500mm/h，将晶体取向样品在真空热处理炉进行1120℃处理2小时，炉冷至700℃保温2小时，后水淬至室温。样品的磁致伸缩系数λs为310ppm，屈服强度为987MPa。
实施例3.成分为Fe83Ga17La的合金，用真空悬浮冶炼炉冶炼，调节真空度为3.0×10-3~5.0×10-3Pa，然后通入高纯氩气做保护气体，反复熔炼3-5次使合金成分均匀，然后浇铸成棒，用高温度梯度定向凝固炉进行晶体取向，调节晶体定向生长速度为480mm/h，将晶体取向样品在真空热处理炉进行1100℃处理1小时，炉冷至720℃保温2小时，后风冷至室温。样品的磁致伸缩系数λs为260ppm，屈服强度为483MPa。
实施例4.成分为Fe85Ga15Tb0.5的合金，用真空非自耗电弧炉冶炼，调节真空度为3.0×10-3~5.0×10-3Pa，然后通入高纯氩气做保护气体，反复熔炼3-5次使合金成分均匀，然后浇铸成棒，用高温度梯度定向凝固炉进行晶体取向，调节晶体定向生长速度为500mm/h，将晶体取向样品在真空热处理炉进行1150℃处理2小时，炉冷至750℃保温3小时，后水淬至室温。样品的磁致伸缩系数λs为276ppm，屈服强度为856MPa。
Claims (3)
1.一种FeGa-RE系磁致伸缩材料，其特征在于：材料的成分是Fe83Ga17Dy、Fe83Ga17Tb、Fe83Ga17La或Fe85Ga15Tb0.5中的一种，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-600ppm，0＝200-700ppm。
2.根据权利要求1所述的FeGa-RE系磁致伸缩材料，其特征在于：在晶体织构上为<100>和<110>择优取向织构的多晶体。
3.根据权利要求2所述的FeGa-RE系磁致伸缩材料的制造工艺，其特征在于：具体工艺步骤为：
a)按所设计成分进行配料；
b)用真空悬浮冶炼炉或真空非自耗电弧炉冶炼母合金：先抽真空至3.0×10-2~5.0×10-2Pa，充入氩气洗炉后，再抽真空至3.0×10-1~5.0×10-3Pa，然后充入氩气至常压后再加热，使原材料熔化形成合金，熔清后精炼2-4分钟，反复熔炼3-5次，以保证合金成分的均匀性，将精炼后的合金浇注成所需要的圆棒；
c)将清理干净的合金棒用高温度梯度快速凝固法或提拉法或Bridgman法，进行晶体定向生长，通过调整温度梯度G1与生长速度V的比值得到<100>和<110>的晶体取向；
d)取向后的合金棒在900~1200℃中处理1~24小时后，炉冷至800~600℃再保温0.5-24小时后，再采用水淬、炉冷或空冷至室温。
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