CN101935791A - 基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法 - Google Patents

基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种记忆合金技术领域的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法，该棒材的组分及含量为：Co 41-62at％、Ni 20-32at％，其余为Ga，本发明方法制备得到的棒材具有良好的择优取向和满足实际应用的大尺寸。

Description

基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种记忆合金技术领域的材质及制备方法，具体是一种基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法。
背景技术
近年来，铁磁形状记忆合金(FSMA)逐渐被材料学和物理学界所关注。FSMA不仅具有传统形状记忆合金的温控形状记忆效应、超弹性等功能，而且具有其独特的铁磁形状记忆效应。Ni-Mn-Ga是目前最有希望取得大的磁控应变的铁磁形状记忆合金，其单晶在室温低磁场下即可获得9.5％的磁致应变，但由于其制备过程中成分偏析严重，多晶韧性差，可重复性能不理想和居里点偏低等缺陷，极大阻碍该合金的研究和应用。Co-Ni-Ga合金作为一种新型铁磁形状记忆合金，由于其具有双程形状记忆效应，高的马氏体相变温度和良好的韧性而备受关注。
经文献检索发现，M.Sato等人在《材料会刊》44(2003)372-376上发表的“哈斯勒型Co2NiGa合金的磁致伸缩和形状记忆性能”一文，文章提出采用熔体单辊甩带快速凝固法制备出的Co-Ni-Ga薄带具有很好的织构，其室温下可获得110ppm的磁致应变，但是，甩带法制备出的样品尺寸很小，其厚度只有几个微米，不能满足实际应用的要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材及其制备方法，制备得到的棒材具有良好的择优取向和满足实际应用的大尺寸。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材，其组分及含量为：Co 40-50at％、Ni 20-30at％，其余为Ga。
本发明涉及上述基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将Co、Ni、Ga元素放入非自耗真空电弧炉内的水冷铜模坩埚内，抽真空至3×10-3Pa以下，然后充入氩气至5×104Pa并进行电弧熔炼2分钟，反复熔炼4次得到Co-Ni-Ga合金；
第二步，将Co-Ni-Ga合金置入高真空热处理炉中，抽真空至3×10-3Pa后充入氩气至5×104Pa保护并进行真空退火和均匀化处理；
所述真空退火是指：缓慢加热至1000℃并保温4小时，然后断开电源，随炉冷却；
第三步，将均匀化处理后的Co-Ni-Ga合金锭线切割成6mm×4mm×4mm大小的金属块，用超声冲洗并用砂轮打磨表面，获得Co-Ni-Ga金属块；
第四步，将若干清理过的Co-Ni-Ga金属块放入石英坩埚中采用玻璃净化与过热循环相结合的方法进行净化处理，最后经激发熔体得到表面光滑的Co-Ni-Ga合金棒材。
所述的石英坩埚是一端开口的石英管，长10mm，内径7mm，壁厚1mm；
所述的玻璃净化剂为：70％的硼酸钠和30％的钠钙硅的混合物，将该混合物在800℃熔化并混合均匀，冷却后充分研磨即可；
所述的采用玻璃净化与过热循环相结合的方法进行净化处理是指：1)用玻璃净化剂将Co-Ni-Ga金属块包覆后置于真空电磁感应炉内加热；2)缓慢加热合金到1240℃并保温5分钟，并继续缓慢加热过热200℃至1440℃再保温2分钟，关闭加热电源使合金熔体温度迅速下降至熔点以下后发生再辉，然后合金冷却至室温；3)重复上述步骤2)两次。
所述的激发熔体是指：当合金熔体的温度下降至1000℃-1240℃，利用室温的Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部，使坩埚内的Co-Ni-Ga合金熔体快速定向凝固。
所述的合金熔体温度通过红外测温仪测量得到。
将本发明制得的Co-Ni-Ga合金棒沿轴向进行检测，合金棒具有明显的[110]择优取向，该取向为该合金的易磁化方向。
附图说明
图1是实施例2效果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
原子百分比为2∶1∶1的Co、Ni、Ga合金放入真空电弧炉内的水冷铜模坩埚内，抽真空后反充氩气至5×104Pa，电弧熔炼三种元素2分钟，翻转已经熔融在一起的Co2NiGa合金，重新熔炼4次使其成分混合均匀；
将熔炼好的Co2NiGa合金置入高真空热处理炉中退火，进行均匀化处理，试样加热至1000℃并保温4小时后随炉冷却；
将均匀化处理后的Co2NiGa合金锭进行线切割，切成6mm×4mm×4mm大小的金属块，用超声冲洗，并用砂轮打磨表面，去除杂质；
将若干清理过的Co2NiGa合金块放入石英坩埚中并用玻璃净化剂包覆好放入真空电磁感应炉内，缓慢加热到1240℃并保温5分钟；然后继续缓慢加热至1450℃左右，再保温2分钟，然后关闭电源，熔体温度迅速下降至熔点以下230℃后发生再辉，重复上述循环合金均得到稳定的230℃过冷度后，进行第三次循环，当熔体温度达到1010℃时，迅速用室温的Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部，使坩埚内的Co2NiGa合金熔体快速自下而上定向凝固，得到表面光滑的Co2NiGa合金棒材。
得到的Co2NiGa合金棒的尺寸为：长50mm，直径6.5mm。该成分下的合金微观组织为马氏体+大量γ相，合金轴向具有明显的[110]马氏体择优取向和微弱的γ相峰，马氏体合金的[110]方向是易磁化方向，易于得到大的磁致应变。
实施例2
原子百分比为45∶25∶30的Co、Ni、Ga合金放入真空电弧炉内的水冷铜模坩埚内，抽真空后反充氩气至5×104Pa，电弧熔炼三种元素2分钟，翻转已经熔融在一起的Co45Ni25Ga30合金，重新熔炼4次使其成分混合均匀；
将熔炼好的Co45Ni25Ga30合金置入高真空热处理炉中退火，进行均匀化处理，试样加热至1000℃并保温4小时后随炉冷却；
将均匀化处理后的Co45Ni25Ga30合金锭进行线切割，切成6mm×4mm×4mm大小的金属块，用超声冲洗，并用砂轮打磨表面，去除杂质；
将若干清理过的Co45Ni25Ga30合金块放入石英坩埚中并用玻璃净化剂包覆好放入真空电磁感应炉内，缓慢加热到1240℃并保温5分钟；然后继续缓慢加热至1440℃左右，再保温2分钟，然后关闭电源，熔体温度迅速下降至熔点以下220℃后发生再辉，重复上述循环合金均得到稳定的220℃过冷度后，进行第三次循环，当熔体温度1020℃时，迅速用室温的Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部，使坩埚内的Co45Ni25Ga30合金熔体快速自下而上定向凝固，得到表面光滑的Co45Ni25Ga30合金棒材。
得到的Co45Ni25Ga30合金棒的尺寸为：长55mm，直径6mm。该成分下的合金微观组织为单相马氏体，合金轴向具有明显的[110]马氏体择优取向(如图1所示)，马氏体合金的[110]方向是易磁化方向，易于得到大的磁致应变。
实施例3
原子百分比为50∶22∶28的Co、Ni、Ga合金放入真空电弧炉内的水冷铜模坩埚内，抽真空后反充氩气至5×104Pa，电弧熔炼三种元素2分钟，翻转已经熔融在一起的Co50Ni22Ga28合金，重新熔炼4次使其成分混合均匀；
将熔炼好的Co50Ni22Ga28合金置入高真空热处理炉中退火，进行均匀化处理，试样加热至1000℃并保温4小时后随炉冷却；
将均匀化处理后的Co50Ni22Ga28合金锭进行线切割，切成6mm×4mm×4mm大小的金属块，用超声冲洗，并用砂轮打磨表面，去除杂质；
将若干清理过的Co50Ni22Ga28合金块放入石英坩埚中并用玻璃净化剂包覆好放入真空电磁感应炉内，缓慢加热到1240℃并保温5分钟；然后继续缓慢加热至1450℃左右，再保温2分钟，然后关闭电源，熔体温度迅速下降至熔点以下200℃后发生再辉，重复上述循环合金均得到稳定的200℃过冷度后，进行第三次循环，当熔体温度1040℃时，迅速用室温的Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部，使坩埚内的Co50Ni22Ga28合金熔体快速自下而上定向凝固，得到表面光滑的Co50Ni22Ga28合金棒材。
得到的Co50Ni22Ga28合金棒的尺寸为：长45mm，直径6.5mm。该成分下的合金微观组织为马氏体+少量γ相，合金轴向具有明显的[110]择优取向和微弱的γ相峰，马氏体合金的[110]马氏体取向是易磁化方向，易于得到大的磁致应变。
实施例4
原子百分比为50∶20∶30的Co、Ni、Ga合金放入真空电弧炉内的水冷铜模坩埚内，抽真空后反充氩气至5×104Pa，电弧熔炼三种元素2分钟，翻转已经熔融在一起的Co50Ni20Ga30合金，重新熔炼4次使其成分混合均匀；
将熔炼好的Co50Ni20Ga30合金置入高真空热处理炉中退火，进行均匀化处理，试样加热至1000℃并保温4小时后随炉冷却；
将均匀化处理后的Co50Ni20Ga30合金锭进行线切割，切成6mm×4mm×4mm大小的金属块，用超声冲洗，并用砂轮打磨表面，去除杂质；
将若干清理过的Co50Ni20Ga30合金块放入石英坩埚中并用玻璃净化剂包覆好放入真空电磁感应炉内，缓慢加热到1240℃并保温5分钟；然后继续缓慢加热至1450℃左右，再保温2分钟，然后关闭电源，熔体温度迅速下降至熔点以下195℃后发生再辉，重复上述循环合金均得到稳定的195℃过冷度后，进行第三次循环，当熔体温度过冷到1045℃时，迅速用室温的Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部，使坩埚内的Co50Ni20Ga30合金熔体快速自下而上定向凝固，得到表面光滑的Co50Ni20Ga30合金棒材。
得到的Co50Ni20Ga30合金棒的尺寸为：长50mm，直径6.5mm。该成分下的合金微观组织为单相奥氏体，合金轴向具有明显的[110]和微弱的[100]奥氏体择优取向，奥氏体合金的[110]和[100]方向都是是易磁化方向，易于得到大的磁致应变。

Claims (8)

1.一种基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材，其特征在于，其组分及含量为：Co 40-50at％、Ni 20-30at％，其余为Ga。
2.根据权利要求1所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将Co、Ni、Ga元素放入非自耗真空电弧炉内的水冷铜模坩埚内，抽真空至3×10-3Pa以下，然后充入氩气至5×104Pa并进行电弧熔炼2分钟，反复熔炼4次得到Co-Ni-Ga合金；
第二步，将Co-Ni-Ga合金置入高真空热处理炉中，抽真空至3×10-3Pa后充入氩气至5×104CPa保护并进行真空退火和均匀化处理；
第三步，将均匀化处理后的Co-Ni-Ga合金锭线切割成6mm×4mm×4mm大小的金属块，用超声冲洗并用砂轮打磨表面，获得Co-Ni-Ga金属块；
第四步，将若干清理过的Co-Ni-Ga金属块放入石英坩埚中采用玻璃净化与过热循环相结合的方法进行净化处理，最后经激发熔体得到表面光滑的Co-Ni-Ga合金棒材。
3.根据权利要求2所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征是，所述真空退火是指：缓慢加热至1000℃并保温4小时，然后断开电源，随炉冷却。
4.根据权利要求2所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征是，所述的石英坩埚是一端开口的石英管，长10mm，内径7mm，壁厚1mm。
5.根据权利要求2所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征是，所述的玻璃净化剂为：70％的硼酸钠+30％的钠钙硅的混合玻璃粉。
6.根据权利要求2所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征是，所述的采用玻璃净化与过热循环相结合的方法进行净化处理是指：1)用玻璃净化剂将Co-Ni-Ga金属块包覆后置于真空电磁感应炉内加热；2)将合金缓慢加热到1240℃并保温5分钟，并继续缓慢加热过热200℃至1440℃并保温2分钟，关闭加热电源使合金熔体温度迅速下降至熔点以下后发生再辉，然后合金冷却至室温；3)重复上述步骤2)两次。
7.根据权利要求2所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征是，所述的激发熔体是指：当合金熔体的温度下降至1000℃-1240℃，利用室温的Ga-In-Sn液态合金激发石英坩埚底部，使坩埚内的Co-Ni-Ga合金熔体快速定向凝固。
8.根据权利要求2所述的基于Co-Ni-Ga铁磁形状记忆合金的深过冷定向凝固棒材的制备方法，其特征是，所述的合金熔体温度通过红外测温仪测量得到。
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