CN101824578A - 一种铁基磁致伸缩合金丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁基磁致伸缩丝及其制备方法，合金的分子式为Fe_1-x-yM_xN_yRE_z，M为Ga、In、Cr、Ni、Co中的一种或多种，N为Al、Mn、V、Nb、Ti、Zr中的一种或多种，RE为La、Ce、Pr、Nb、Tb、Dy、Y、Sc中的一种或多种，其中x＝15～60％，y＝0～10％，z＝0～1.0，余量为Fe。工艺要点如下：按所发明的材料成分要求，熔炼铸锭，锻造开坯，轧制成φ8的盘条后冷拔成合金丝。通过该方法制备的合金丝的尺寸可在很大范围内调整，便于传感器的设计，扩大了磁致伸缩材料的使用领域。本发明的铁基磁致伸缩材料在4000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到367ppm。

Description

一种铁基磁致伸缩合金丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铁基磁致伸缩合金丝及其制备方法，属于磁性材料领域。

背景技术

铁磁性物质在磁化状态改变时，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。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＝ΔL/L(L为材料样品原始长度，ΔL为磁化状态改变时样品发生的状态)。铁磁性材料同时受到轴向磁场和周向磁场作用时，除了纵向伸缩效应外，在垂直于外磁场的平面上施加环形磁场将形成螺旋磁场，磁致伸缩材料会发生扭转振动，产生扭转波，称为威德曼效应(Wiedemanneffcte)。威德曼效应是铁磁性材料的一种机械效应，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，磁致伸缩材料加工成磁致伸缩丝或磁致伸缩线丝作为液位传感器、位移传感器、磁弹性型扭矩传感器、杨氏模量传感器等的敏感元件，在质量检验、优化控制、工况检测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。目前液位传感器用的波导丝多为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。Fe-Ga合金具有较高的磁致伸缩系数(0.02～0.03％)，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；此外，由于Fe-Ga合金为金属固溶体，有较好的延展性和机械加工性；该合金还具有很好的温度特性。

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

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，并且也采用了热旋段和冷拔工艺。

中国专利CN101418415A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法，其特征在于材料成分为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。采用旋转水纺法制备磁致伸缩微晶或非晶丝。

公开的这些磁致伸缩丝专利都是关于Fe-Ga基磁致伸缩丝的专利，均未发现关于其它铁基磁致伸缩丝方面的专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁致伸缩性能和加工性能优越的新型铁基磁致伸缩合金丝及其制备方法，用于磁致伸缩传感器的敏感元件。

本发明目的通过如下措施来达到：

构成本发明的铁基磁致伸缩合金丝的合金成分范围：

合金的分子式为Fe_100-x-y-zM_xN_yRE_z，M为Ga、In、Cr、Ni、Co中的一种或多种，N为Al、Mn、V、Nb、Cu、Ti、Zr中的一种或多种，RE为La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Y、Sc中的一种或多种，其中x＝15～60，y＝0～10，z＝0～1.0，余量为Fe。

合金材料具有的晶体结构为面心立方结构。

铁基磁致伸缩合金丝的制备方法

1)合金熔炼：按所设计成分进行配料，用真空感应炉或真空悬浮炉熔炼母合金，抽真空至2～4×10^-3Pa，通入氩气保护熔炼形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

2)锻造开坯：将合金锭在900～1150℃的温度下进行锻造，锻造成方坯料；

3)轧制：将锻造后的合金坯料分别进行900～1000℃热轧、300～500℃温轧，轧制成盘条；

4)冷拔：将轧制成的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ2.5mm以下的丝材。

本发明所制备出的合金丝的材料具有的晶体结构为面心立方结构。

本发明所获得的铁基磁致伸缩合金丝，在4000Oe外加磁场下，最大磁致伸缩系数达到367ppm。

本发明的优点在于：开发出的铁基磁致伸缩合金具有面心立方相结构，材料的磁致伸缩性能优良，可加工性能好，磁致伸缩丝材尺寸可调整范围大，工艺简单，成本低，有利于推广应用。

本发明的铁基磁致伸缩丝，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，可适应于较宽的环境条件。

附图说明

附图1.铸态合金的X-衍射图谱；

附图2.合金丝的X-衍射图谱；

附图3.Fe₇₈Ga₁₇Al₄Tb₁合金丝的室温磁致伸缩曲线；

附图4.Fe_76.2Ga₁₈Mn₄V₁Ce_0.8合金丝的室温磁致伸缩曲线；

附图5.Fe_58.5Ga₁₇Ni₂₀Cu₂Ti₃Dy_0.5合金丝的室温磁致伸缩曲线；

附图6.Fe_80.7Ga₁₆Ni₃Ti₁Sc_0.3合金丝的室温磁致伸缩曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：Fe₇₈Ga₁₇Al₄Tb₁磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe、99.99％的Ga、99.5％的Al、99.9％的Tb，并多加2％Ga、Tb的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在1050℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行1000℃热轧、500℃温轧，轧制成φ8mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，总道次为18，冷拔成φ2.5mm的丝材。

图3.为Fe₇₈Ga₁₇Al₄Tb₁合金丝的室温磁致伸缩曲线，在6000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到131ppm。

实施例2：Fe_76.2Ga₁₈Mn₄V₁Ce_0.8磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe、99.99％的Ga、99.9％的Mn、V，并多加3％Ga、Ce的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在1100℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行980℃热轧、450℃温轧，轧制成φ8mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ1.5mm的丝材。

图4.为Fe_76.2Ga₁₈Mn₄V₁Ce_0.8合金丝的室温磁致伸缩曲线，在2200Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到238ppm。

实施例3：Fe_58.5Ga₁₇Ni₂₀Cu₂Ti₃Dy_0.5磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe、99.99％的Ga、，99.5％的Ni，99.9％的Cu、Ti、Dy，并多加3％Ga、Dy的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在1100℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行1000℃热轧、450℃温轧，轧制成φ6.5mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ1.0mm的丝材。

图5.为Fe_58.5Ga₁₇Ni₂₀Cu₂Ti₃Dy_0.5合金丝的室温磁致伸缩性能曲线，在4500Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到105ppm。

实施例4：Fe_80.7Ga₁₆Ni₃Ti₁Sc_0.3磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe、99.99％的Ga、99.5％的Ni，99.9％的Ti、Sc，，并多加2％Ga、Sc的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在1150℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行950℃热轧、500℃温轧，轧制成φ6.5mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ0.5mm的丝材。

图6.为Fe_80.7Ga₁₆Ni₃Ti₁Sc_0.3合金丝的室温磁致伸缩性能曲线，在4000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到367ppm。

实施例5：Fe_71.5Ga₁₅Ni₃Al₄Ti₄Sc_0.5磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe，99.99％的Ga、Al，99.5％的Ni，99.9％的Ti、Sc，，并多加2％的Ga、Sc的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在1050℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行980℃热轧、500℃温轧，轧制成φ8mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ2.5mm的丝材。

在4000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到127ppm。

实施例6：Fe_51.7Ni₄₁Al₅Ti₂Y_0.3磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe、99.99％的Al，99.5％的Ni，99.9％的Ti、Y，，并多加3％Y的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在980℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行900℃热轧、300℃温轧，轧制成φ8mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ2.0mm的丝材。

在4000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到86ppm。

实施例7：Fe_51.9Ni₄₅Mn₁Ti₂La_0.1磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe，99.5％的Ni、La，99.9％的Mn、Ti、Sc，并多加3％La的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在970℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行900℃热轧、500℃温轧，轧制成φ6.5mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，总道次为25，冷拔成φ0.5mm的丝材。

在4000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到115ppm。

实施例8：Fe_77.7Ga₁₆Al₃Mn₂Ti₁Dy_0.3磁致伸缩丝

用电子天平称取设计成分所需的原料，其中使用纯度大于99％的Fe、99.99％的Ga、Al，99.9％的Mn、Ti、Dy，，并多加4％Ga、Mn、Dy的烧损量，将配好的原料放入坩埚中，抽真空至3×10^-3Pa，通入氩气保护加热，形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

将合金锭在1100℃进行热锻锻造成20×20mm的坯料，提供适宜于轧制的原料；

将锻造后的合金分别进行960℃热轧、500℃温轧，轧制成φ8mm的盘条；

将轧制成φ8mm的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ1.5mm的丝材。

在4000Oe外加磁场下，磁致伸缩系数达到103ppm。

上述实施例中所有的百分比均为重量百分比。

Claims (3)

1.一种铁基磁致伸缩合金丝，其特征在于：构成本发明的铁基磁致伸缩合金丝的合金成分范围：

合金的分子式为Fe_100-x-y-zM_xN_yRE_z，M为Ga、In、Cr、Ni、Co中的一种或多种，N为Al、Mn、V、Nb、Cu、Ti、Zr中的一种或多种，RE为La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Y、Sc中的一种或多种，其中x＝15～60，y＝0～10，z＝0～1.0，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的铁基磁致伸缩合金丝，其特征在于：合金丝的材料具有的晶体结构为面心立方结构。

3.一种根据权利要求1或2所述的铁基磁致伸缩合金丝的制备方法，其特征在于：包括如下工序：

合金熔炼：按所设计成分进行配料，用真空感应炉或真空悬浮炉熔炼母合金，抽真空至2～4×10^-3Pa，通入氩气保护熔炼形成合金，熔化后精炼2～3分钟后浇注成合金锭；

锻造开坯：将合金锭在900～1150℃的温度下进行锻造，锻造成方坯料；

轧制：将锻造后的合金坯料分别进行900～1000℃热轧、300～500℃温轧，轧制成盘条；

冷拔：将轧制成的盘条在10～35℃下冷拔，冷拔成φ2.5mm以下的丝材。

Images