CN101418415A

CN101418415A - 一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法

Info

Publication number: CN101418415A
Application number: CNA2008102391536A
Authority: CN
Inventors: 高学绪; 李纪恒; 何承先; 朱洁; 张茂才; 周寿增
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: CN101418415B

Abstract

本发明涉及到一种Fe－Ga基磁致伸缩丝及其制备方法，所使用的合金成分(原子分数)为Fe_{1－x－y－z}Ga_xAl_yM_z，M选自Co、B、Cr，V、Nb、Zr、Be、Y、Ti等中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe。本发明是利用旋转水纺法制备Fe－Ga基磁致伸缩微晶或非晶丝，该制备方法具有工艺简便，成丝率高，工艺重复性和稳定性好等优点。通过该方法得到的细丝的圆度和线性度好，同时具有较高的磁致伸缩系数，很好的耐蚀性和力学性能。制备的Fe－Ga基磁致伸缩微晶或非晶丝直径在0.01～0.5mm之间，非晶丝经热处理后可得到具有纳米晶结构的合金丝。在低磁场条件下，Fe－Ga基磁致伸缩丝的磁致伸缩性能可达160×10^－6。

Description

一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法

技术领域

本发明属于磁性材料领域，涉及一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法。

背景技术

铁磁性及亚铁磁性物质在磁化状态发生改变时，其自身的长度及体积发生微小的变化，这种现象叫做磁致伸缩。其中体积的变化称为体积磁致伸缩；长度的变化称为线磁致伸缩。实用的磁致伸缩材料即是指具有线磁致伸缩特性的材料。铁磁性材料同时受到轴向磁场和周向磁场作用时，会产生一个扭转，这种现象称为威德曼效应(Wiedemanneffect)。威德曼效应是铁磁性材料的一种磁机械效应，一直被认为与材料的磁致伸缩性质有关，属于特殊的磁致伸缩现象。

磁致伸缩材料作为一类智能材料，被广泛应用于换能、驱动、传感等技术领域。利用磁致伸缩材料的威德曼效应开发的液位传感器在现代工业有着广泛的应用。其中的核心敏感元器件波导丝多为Fe-Ni合金丝，但Fe-Ni合金丝的磁致伸缩性能较低，限制了传感器的精度和测量范围。在其他传感器领域应用的磁致伸缩丝也多为Fe-Ni、Fe-Ni-Co等合金丝，非晶丝，但这些丝磁致伸缩性能也较低，难以满足大量程，高精度的要求。稀土超磁致伸缩材料TbDyFe合金具有大的磁致伸缩应变，但其脆性大，不能加工成丝，且原材料价格昂贵。因此，迫切需要开发一种既具有较高磁致伸缩性能，又能加工成丝的新型材料，以推动该产业的发展。

2000年美国的S.Guruswamy等人报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金，即Fe-Ga合金。单晶Fe-Ga合金的λ值可高达400×10^-6，比传统的磁致伸缩材料高出至少几倍以上，强度与磁导率比超磁致伸缩材料高很多，是一种新型的磁致伸缩材料。虽然Fe-Ga合金比超磁致伸缩材料的磁致伸缩低很多，但比传统磁致伸缩材料的磁致伸缩系数高很多，并且克服了超磁致伸缩材料在强度、导磁率等方面的缺点。因此，Fe-Ga合金在换能、驱动、传感等领域都具有良好的应用前景。

2007年中国专利CN101003117A公开了一种Fe-Ga磁致伸缩丝的制备方法，涉及一种通过热旋锻和冷拔的制备工艺。

2008年中国专利CN101262039A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于材料成分为Fe_1-x-yGa_xM_y，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30％，y＝0～15％，余量为Fe，并且也采用了热旋锻和冷拔的制备工艺。

上述关于Fe-Ga磁致伸缩丝的专利中所涉及制备方法都为传统的塑性加工方法，其中包括热旋锻和冷拔。由于Fe-Ga合金塑性较低，使得在成形过程中要经过打磨以减少表面缺陷，反复去应力退火等工艺，增加了工艺的复杂性和制造成本。而且制备出的丝连续性不好，表面质量不高。

发明内容

本发明的目的是获得一种磁致伸缩系数高的Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法，采用旋转水纺法(也称速凝纺丝法)，进一步简化工艺，提高成丝率，提高工艺的重复性和稳定性，并且可以连续制造数十米至几百米的合金丝。

本发明的目的是通过以下方面实现的。

一方面提供磁致伸缩丝的成分范围，合金成分的原子分数为：Fe_1-x-y-zGa_xAl_yM_z，M选自Co、B、Cr，V、Nb、Zr、Be、Y、Ti中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe。

一方面提供制备Fe-Ga基磁致伸缩丝的方法，其制备步骤为：

1)熔炼母合金

按上述合金成分进行配料，并加入1at％～3at％的Ga烧损量，将该配料进行电弧冶炼或感应冶炼，浇注成合金锭，并将合金锭分切成小块待用；

2)旋转水纺制丝

先启动电机，通入冷却水，加热放在石英管的合金材料，待合金熔融后，温度升到高于合金熔点100～150℃，将石英管从加热位置推到喷丝位置，调整石英管的垂直倾斜角度、距冷却水液面高度参数后，打开惰性气体，将熔融的液态合金喷入水层厚度为20～50mm的旋转冷却水中冷却成丝，得到直径范围为0.01～0.5mm的微晶或非晶丝。

所述石英管底部有直径为0.02～0.5mm的喷口，喷口内顶角为85～145°，喷口距冷却水液面距离为0.5～4mm。

所述调整石英管垂直倾斜角度的范围为40～70°。

所述打开惰性气体喷射的气压为0.04～4MPa。

所述电机转速为线速度5～10m/s。

纺丝结束后，关闭高频炉，停下电机，最后收集纺好的合金丝。

采用旋转水纺法可制备出Fe-Ga基磁致伸缩微晶或非晶丝。Fe-Ga磁致伸缩非晶丝经500～850℃保温10～60分钟水淬处理后，可得到具有纳米晶组织的合金丝。

本发明的优点在于：(1)制备出的Fe-Ga磁致伸缩微晶或非晶丝，直径可在0.01～0.5mm之间变动，在保护气体气氛下，金属丝的表面质量较好，丝的圆度和线性度高，力学和耐蚀性能优良。(2)旋转水纺制丝成形过程是非平衡凝固过程，得到的是非平衡组织(微晶或非晶)，这对提高磁致伸缩性能有积极的作用，获得的丝低场磁致伸缩性能优良，低场磁致伸缩值可达94～160×10^-6，优于其他传统磁致伸缩丝；(3)与传统的塑性机械加工的方法相比，旋转水纺法工艺简便，效率高，成本低，喷丝成丝率高，工艺重复性和稳定性好，更有利于推广应用。

本发明的Fe-Ga磁致伸缩丝磁致伸缩性能好，作为传感器的敏感元件，可以提高测试的灵敏度和精度，且具有较好的强度和耐蚀性能，可以在恶劣环境下使用。

附图说明

图1为旋转水纺装置示意图。

1桶盖、2纺丝柱、3惰性气体输入管、4机械臂、5进水口、6感应线圈、7观察口、8石英管、9出水口、10电机、11内桶。

图2为实施例1制备的Fe-Ga基磁致伸缩丝的磁致伸缩性能曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供Fe-Ga基磁致伸缩材料丝的化学组成为Fe_1-x-y-zGa_xAl_yM_z，M选自Co、B、Cr，V、Nb、Zr、Be、Y、Ti等中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe。

本发明采用旋转水纺装置，其示意图见图1，该装置由桶盖、纺丝柱、惰性气体输入管、机械臂、进水口、感应线圈、观察口、石英管、出水口、电机、内桶等组成。该旋转水纺装置是将传统旋转水纺丝机的旋转桶设计成同心的内外两个桶。外层的圆桶不动，起到封闭和保护的作用；内桶旋转，使冷却水在离心力的作用下附着在桶内壁上，形成厚度稳定的冷却层。同时设计了桶盖，工作时桶盖关闭，既可以形成封闭的空气环境，又可以防止冷却水飞溅；石英管、感应线圈、惰性气体输入管被固定在桶盖上，形成一个模块，使用和维护非常方便；通过桶盖上的观察窗口，可以观察内桶旋转情况和石英管内合金融化状况；冷却水的输入管安装在桶盖上，通过观察口可以很清楚的看到冷却水的输入量。对于易氧化的合金可以在纺丝前对桶内抽真空，然后再进行纺丝。纺好的金属丝最终会缠绕的纺丝柱上，不会打结缠绕，易于收集。

实施例1：水纺法制备Fe₇₅Ga₁₄Al₄B₇磁致伸缩丝

用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99.9％的Fe和Al，99.99％的Ga和B，并多加3at％的Ga烧损量，将配好的原料放入真空电弧炉的坩埚里，抽真空到5×10^-3Pa后充氩气到0.5MPa，以保护原料不被氧化，开始冶炼，熔炼4分钟成合金锭，将铸锭翻转反复熔炼3次后使得合金内的成分均匀，然后将合金锭机械破碎成小块待用；

启动电机，设定线速度为9m/s，通入冷却水，然后使用高频感应加热放在石英管中的合金块，石英管底部有直径为0.08mm的喷口，喷口内顶角为110°。合金熔融后，过热150℃。将石英管从加热位置推到距冷却水液面1mm，调整石英管倾斜60°。通入Ar气，控制喷射气压为1.8MPa，将熔融的合金液喷入旋转的冷却水中冷却成丝。纺丝结束后，关闭高频炉，停下电机，最后收集纺好的合金丝。获得的直径约为0.074mm的Fe₇₅Ga₁₄Al₄B₇磁致伸缩非晶丝，非晶丝圆度和线性度好。得到的Fe₇₅Ga₁₄Al₄B₇磁致伸缩非晶丝在氩气保护下800℃保温30分钟后水淬至室温，得到具有纳米晶组织的合金丝。

将制的Fe₇₅Ga₁₄Al₄B₇磁致伸缩丝采用涡轮传感器进行磁致伸缩性能测量，图2所示，在2500e磁场条件下，磁致伸缩值达160×10^-6。

实施例2：水纺法制备Fe₇₆Ga₁₃Al₅Ti₄Y₂磁致伸缩非晶丝

用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99.9％的Fe和Al、99.95％的Ti和Y，99.99％的Ga，并多加3at％的Ga烧损量，将配好的原料放入真空电弧炉的坩埚里，抽真空到5×10^-3Pa后充氩气到0.5MPa，以保护原料不被氧化，开始冶炼，熔炼4分钟成合金锭，将铸锭翻转反复熔炼3次后使得合金内的成分均匀，然后将合金锭机械分成小块待用；

启动电机，设定线速度为10m/s，通入冷却水，然后使用高频感应加热放在石英管内的合金块，石英管底部有直径为0.07mm的喷口，喷口内顶角为115°。合金熔融后，过热120℃。将石英管从加热位置推到距冷却水液面0.9mm，调整石英管倾斜45°。通入Ar气，控制喷射气压为2.5MPa，将熔融的合金液喷入旋转的冷却水中冷却成丝。纺丝结束后，关闭高频炉，停下电机，最后收集纺好的合金丝。获得的直径约为0.062mm的Fe₇₆Ga₁₃Al₅Ti₄Y₂磁致伸缩非晶丝，非晶丝圆度和线性度好。

将制的Fe₇₆Ga₁₃Al₅Ti₄Y₂磁致伸缩非晶丝采用涡轮传感器进行磁致伸缩性能测量，在1800e磁场条件下，磁致伸缩值达96×10^-6。

实施例3：水纺法制备Fe₇₅Ga₁₅Al₃B₅Zr₂磁致伸缩微晶丝

用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99.9％的Fe、Al和Zr，99.99％的Ga和B，并多加3at％的Ga烧损量，将配好的原料放入真空电弧炉的坩埚里，抽真空到5×10^-3Pa后充氩气到0.5MPa，以保护原料不被氧化，开始冶炼，熔炼4分钟成合金锭，将铸锭翻转反复熔炼3次后使得合金内的成分均匀，然后将合金锭机械破碎成小块待用；

启动电机，设定线速度为8m/s，通入冷却水，然后使用高频感应加热放在石英管中的合金块，石英管底部有直径为0.1mm的喷口，喷口内顶角为105°。合金熔融后，过热100℃。将石英管从加热位置推到距冷却水液面0.8mm，调整石英管倾斜60°。通入Ar气，控制喷射气压为1.8MPa，将熔融的合金液喷入旋转的冷却水中冷却成丝。纺丝结束后，关闭高频炉，停下电机，最后收集纺好的合金丝。获得的直径约为0.085mm的Fe₇₅Ga₁₅Al₃B₅Zr₂磁致伸缩微晶丝，采用涡轮传感器对得到的丝进行磁致伸缩性能测量，在3000e磁场条件下，磁致伸缩值达111×10^-6。

实施例4：水纺法制备Fe₈₀Ga₁₃Al₄Cr₃磁致伸缩微晶丝

用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99.9％的Fe、Al和Cr，99.99％的Ga，并多加3at％的Ga烧损量，将配好的原料放入真空电弧炉的坩埚里，抽真空到5×10^-3Pa后充氩气到0.5MPa，以保护原料不被氧化，开始冶炼，熔炼4分钟成合金锭，将铸锭翻转反复熔炼3次后使得合金内的成分均匀，然后将合金锭机械破碎成小块待用；

启动电机，设定线速度为9m/s，通入冷却水，然后使用高频感应加热放在石英管中的合金块，石英管底部有直径为0.09mm的喷口，喷口内顶角为115°。合金熔融后，过热100℃。将石英管从加热位置推到距冷却水液面1mm，调整石英管倾斜55°。通入Ar气，控制喷射气压为1.3MPa，将熔融的合金液喷入旋转的冷却水中冷却成丝。纺丝结束后，关闭高频炉，停下电机，最后收集纺好的合金丝。获得的直径约为0.08mm的Fe₈₀Ga₁₃Al₄Cr₃磁致伸缩微晶丝。采用涡轮传感器进行磁致伸缩性能测量，在2000e磁场条件下，磁致伸缩值达123×10^-6。

实施例5：水纺法制备Fe₈₀Ga₁₄Al₃V₃磁致伸缩微晶丝

用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99.9％的Fe、Al和V，99.99％的Ga，并多加3at％的Ga烧损量，将配好的原料放入真空电弧炉的坩埚里，抽真空到5×10^-3Pa后充氩气到0.5MPa，以保护原料不被氧化，开始冶炼，熔炼4分钟成合金锭，将铸锭翻转反复熔炼3次后使得合金内的成分均匀，然后将合金锭机械破碎成小块待用；

启动电机，设定线速度为9m/s，通入冷却水，然后使用高频感应加热放在石英管中的合金块，石英管底部有直径为0.1mm的喷口，喷口内顶角为115°。合金熔融后，过热100℃。将石英管从加热位置推到距冷却水液面1mm，调整石英管倾斜60°。通入Ar气，控制喷射气压为0.9MPa，将熔融的合金液喷入旋转的冷却水中冷却成丝。纺丝结束后，关闭高频炉，停下电机，最后收集纺好的合金丝。获得的直径约为0.09mm的Fe₈₀Ga₁₄Al₃V₃磁致伸缩微晶丝，采用涡轮传感器进行磁致伸缩性能测量，在2200e磁场条件下，磁致伸缩值达106×10^-6。

Claims

1、一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于，合金成分的原子分数为：Fe_1-x-y-zGa_xAl_yM_z，M选自Co、B、Cr，V、Nb、Zr、Be、Y、Ti中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe。

2、一种Fe-Ga基磁致伸缩丝的制备方法，其特征在于，采用旋转水纺法，制备步骤如下：

1)熔炼母合金

按权利要求1所述合金成分进行配料，并加入1at％～3at％的Ga烧损量，将该配料进行电弧冶炼或感应冶炼，浇注成合金锭，并将合金锭分切成小块待用；

2)旋转水纺制丝

3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述石英管底部有直径为0.02～0.5mm的喷口，喷口内顶角为85～145°，喷口距冷却水液面距离为0.5～4mm。

4、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述调整石英管垂直倾斜角度的范围为40～70°。

5、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述打开惰性气体喷射的气压为0.04～4MPa。

6、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述电机转速为线速度5～10m/s。

7、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，得到的Fe-Ga基磁致伸缩非晶丝，经500～850℃保温10～60分钟水淬处理后，得到纳米晶组织。