CN101503784A - 高磁致伸缩铁基非晶合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高磁致伸缩铁基非晶合金及其制备方法。高磁致伸缩铁基非晶合金的化学分子式为Fe_{100－x－y－z}Dy_xB_ySi_z，其中x、y和z分别为Dy元素、B元素和Si元素的原子百分数，100－x－y－z为Fe元素的原子百分数，5≤x≤25，20≤y≤25，0≤z≤10。其制备方法是将工业纯金属原料以及FeB合金按合金配方配料，采用磁悬浮感应熔炼成母合金，然后用单辊甩带法制得非晶薄带。本发明铁基非晶合金材料具有228ppm的高磁致伸缩系数，软磁性能优良，热稳定性高，并拥有良好非晶形成能力，同时合金材料制备方法简单，可以广泛应用于信息、通讯、计算机等领域的软磁材料和结构材料等方面。

Description

高磁致伸缩铁基非晶合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及非晶态磁性材料领域，尤其涉及一种高磁致伸缩铁基非晶合金及其制备方法。

背景技术

凝聚态物质大致分为三类：晶态物质、准晶态物质和非晶态物质。不同于传统晶态材料，非晶态合金具有原子排列长程无序、短程有序的特殊微观结构，具有独特的物理、力学、化学和磁学性能，因而拥有广泛的应用前景。非晶合金作为新材料出现于1934年，由德国科学家克雷默(Kramer)用蒸发沉积方法获得非晶合金薄膜。真正的非晶历史是从1960年美国加州理工学院的P.Duwez教授发明用快淬工艺制备非晶态合金(Au₇₅Si₂₅)开始的，使人工合成玻璃的范围扩大到了金属体系，但是其临界冷却速率(Rc)必须要在10⁶K/s以上才能形成非晶，较高的冷却速率使得非晶合金只能以低维尺寸和形状出现，如薄带状、丝状、或者粉末。1969年Pond和Maddin用轧辊法成功制备出具有一定长度的连续非晶合金的条带，这一技术为大规模生产非晶合金创造了条件。同年，陈鹤寿等采用快冷连铸轧辊法(冷却速度>10⁵K/s)一次做出了供实验研究的非晶薄带，厚约30μm，宽几毫米，长达几十米，为非晶合金的大规模生产奠定了基础。

经过近几十年来长期不懈的努力，国内外科研工作者现已开发制备出Fe基、Ni基、Zr基、Cu基、Mg基、Co基、Ti基、稀土基等块体非晶合金体系。其中Fe基非晶合金因其独特的磁性能、较高的强度、优良的抗腐蚀性和相对低廉的价格，一直是非晶合金材料研究的热点。

然而，作为一种潜在的功能材料，现有已开发的Fe基非晶合金体系还不同时拥有强的非晶形成能力和优良的软磁性能，特别是对Fe基非晶合金的磁致伸缩性能的研究，几乎还是一片空白。因此，开发和研制一种兼具优良磁性能、磁致伸缩性能和强非晶形成能力的Fe基非晶合金体系具有重要的工业应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高磁致伸缩铁基非晶合金及其制备方法。

高磁致伸缩铁基非晶合金的化学分子式为Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z，其中x、y和z分别为Dy元素、B元素和Si元素的原子百分数，100-x-y-z为Fe元素的原子百分数，5≤x≤25，20≤y≤25，0≤z≤10。

所述高磁致伸缩铁基非晶合金的组成元素Fe、Dy、B或Si的原料纯度是99.5％～99.9％。高磁致伸缩铁基非晶合金具有228ppm的高磁致伸缩系数。

高磁致伸缩铁基非晶合金的制备方法包括如下步骤：

步骤一：将工业纯金属原料Fe、Dy、Si和FeB合金，按Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z非晶合金成分以原子百分含量称量并配料，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，抽真空后利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼3～5次以获得成分均匀的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z母合金锭子；

步骤二：把步骤一获得的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金，并置于酒精中超声波清洗；

步骤三：用步骤二得到的小块Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金装入下端开口且尺寸为(0.3～0.7)mm×5.0mm矩形口的石英管中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，在甩带炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为10～25A，感应温度为1000～1600℃，熔炼2～3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金薄带；

步骤四：将获得的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至773～853K，升温速率为5～10℃/min，保温5～30min，随炉冷却。

所述的铜辊线速度为25～40m/s，腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.05～0.09MPa。

本发明给出了一个磁致伸缩系数高，软磁性能优良，且热稳定性高，非晶形成能力强的四元合金体系，并确定了Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅具有最佳的热稳定性、软磁性能及磁致伸缩性能的综合性能。该体系非晶态合金的优异性意味着其是一种具有应用前景的功能材料。

附图说明

图1是本发明实施例3制备的铁基非晶合金的XRD图；

图2是本发明实施例3制备的铁基非晶合金的磁致伸缩曲线图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：制备Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅非晶合金薄带

该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-60μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅非晶合金薄带。

步骤1：按原子百分比Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Si，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，抽真空后利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼5次以获得成分均匀的Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅母合金。

步骤2：把步骤1获得的Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。

步骤3：用步骤2得到的Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.5mm矩形口的石英管中，抽取真空至3.9×10^-3Pa，并在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流至25A，感应温度为1600℃，熔炼2min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度为25m/s，腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.09MPa。

步骤4：将获得的Fe_50.25Dy_24.75B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至773K，升温速率为5℃/min，保温10min，随炉冷却。

步骤5：将样品从横截面切开用X射线衍射法表征该合金样品的结构。

步骤6：用差示扫描量热法获得该样品的热力学参数。

步骤7：用振动样品磁强计(VSM)测试合金样品的磁学性能。

步骤8：用电阻应变仪测试合金样品的磁致伸缩系数。

实施例2：制备Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅非晶合金薄带

该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-60μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅非晶合金薄带。

步骤1：按原子百分比Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Si，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，抽真空后利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼3次以获得成分均匀的Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅母合金。

步骤2：把步骤1获得的Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅母合金锭子破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。

步骤3：用步骤2得到的Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.7mm矩形口的石英管中，抽取真空至3.6×10^-3Pa，并在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流至10A，感应温度为1000℃，熔炼3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度为30m/s，腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.07MPa。

步骤4：将获得的Fe₆₃Dy₁₂B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至853K，升温速率为8℃/min，保温5min，随炉冷却。

步骤5：将样品从横截面切开用X射线衍射法表征该合金样品的结构。

步骤6：用差示扫描量热法获得该样品的热力学参数。

步骤7：用振动样品磁强计(VSM)测试合金样品的磁学性能。

步骤8：用电阻应变仪测试合金样品的磁致伸缩系数。

实施例3：制备Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅非晶合金薄带

该实施例采用单辊甩带法制备了厚度在20μm-60μm，宽度在1.5mm-2.5mm的Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅非晶合金薄带。

步骤1：按原子百分比Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅称量纯度为99.8％的Fe，纯度为99.9％的Si，纯度为99.9％的Dy以及FeB合金，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，抽真空后利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼4次以获得成分均匀的Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅母合金。

步骤2：把步骤1获得的Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅母合金锭子破碎成小块，并置于酒精中超声波清洗。

步骤3：用步骤2得到的Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅小块合金装入下端开口且尺寸为5.0mm×0.3mm矩形口的石英管中，抽取真空至3.6×10^-3Pa，并在腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为16A，感应温度为1300℃，熔炼3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续薄带。本发明采用的实验参数为：铜辊线速度40m/s，腔体气压0.05MPa，喷射压力差0.05MPa。

步骤4：将获得的Fe₇₀Dy₅B₂₀Si₅合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至820K，升温速率为10℃/min，保温30min，随炉冷却。

步骤5：将样品从横截面切开用X射线衍射法表征该合金样品的结构。图1为该样品的X射线衍射图。

步骤6：用差示扫描量热法获得该样品的热力学参数。

步骤7：用振动样品磁强计(VSM)测试该合金的磁学性能。

步骤8：用电阻应变仪测试样品的磁致伸缩系数。图2为该样品的λ-H曲线。

上述实施例获得的非晶合金薄带的各项性能如表1总结所示。

表1 Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z系非晶合金薄带的性能

Claims (5)

1.一种高磁致伸缩铁基非晶合金，其特征在于：其化学分子式为Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z，其中x、y和z分别为Dy元素、B元素和Si元素的原子百分数，100-x-y-z为Fe元素的原子百分数，5≤x≤25，20≤y≤25，0≤z≤10。

2.根据权利要求1所述的一种高磁致伸缩铁基非晶合金，其特征在于：所述高磁致伸缩铁基非晶合金的组成元素Fe、Dy、B或Si的原料纯度是99.5％～99.9％。

3.根据权利要求1所述的一种高磁致伸缩铁基非晶合金，其特征在于：所述高磁致伸缩铁基非晶合金具有228ppm的高磁致伸缩系数。

4.一种如权利要求1所述的高磁致伸缩铁基非晶合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将工业纯金属原料Fe、Dy、Si和FeB合金，按Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z非晶合金成分以原子百分含量称量并配料，将称得的目标成分原料放入真空感应磁悬浮熔炼炉中，抽真空后利用电磁场和涡流的作用使合金悬浮加热并熔化，将合金反复熔炼3～5次以获得成分均匀的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z母合金锭子；

步骤二：把步骤一获得的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z母合金锭子去除氧化皮后破碎成小块Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金，并置于酒精中超声波清洗；

步骤三：用步骤二得到的小块Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金装入下端开口且尺寸为(0.3～0.7)mm×5.0mm矩形口的石英管中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，在甩带炉腔体内充入高纯氩气保护，采用高频感应线圈加热使其熔化，调节电流为10～25A，感应温度为1000～1600℃，熔炼2～3min后用高纯氩气把熔融的合金液喷射到高速旋转的铜辊上，迅速凝固并借助离心力抛离辊面，得到连续的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金薄带；

步骤四：将获得的Fe_100-x-y-zDy_xB_ySi_z合金薄带在石英管中真空封装后，在箱式退火炉中加热至773～853K，升温速率为5～10℃/min，保温5～30min，随炉冷却。

5.根据权利要求4所述的一种高磁致伸缩铁基非晶合金的制备方法，其特征在于：所述的铜辊线速度为25～40m/s，腔体气压为0.05MPa，喷射压力差为0.05～0.09MPa。

Images