CN104711475A - 一种高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料领域，涉及到一种高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材及其制备方法。其特征在于：该合金带材基体为Fe-Ga-Al三元合金，合金成分为Fe100-x-y-zGaxAlyMz，其中M为B、Cr、V、Ti、Mn、MnS、NbC中的一种或多种。按原子比计算，其中x＝7.5～25，y＝5～15，且x+y＝15～30，z＝0.1～1.0，余量为铁。本发明通过在热轧及冷轧后分别进行短时间渗氮热处理，在热处理过程中引入[N]使其与基体中的Al及其他氮化物形成元素结合从而形成细小的氮化物析出，这些析出相作为抑制剂可以抑制初次再结晶过程中的晶粒长大，而后通过二次再结晶及高温热处理，最终获得具有强烈高斯织构的Fe-Ga-Al合金带材。该合金带材的磁致伸缩系数(3/2)λs可达200ppm以上。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料领域，涉及一种高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材及其制备方法。
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，这种现象称为磁致伸缩现象。其中体积的变化称为体磁致伸缩，长度的变化称为线磁致伸缩。实用的磁致伸缩材料一般指的是线磁致伸缩材料。磁致伸缩的大小用磁致伸缩系数λ来表示，λ＝ΔL/L(L为材料原始长度，ΔL为磁化状态改变时材料长度的变化量)。材料在被磁化时所产生的最大磁致伸缩系数，称为饱和磁致伸缩系数λs。通常，用(3/2)λs作为材料磁致伸缩性能的表征参数。对于片状材料，(3/2)λs的数值可由公式(3/2)λs＝λ∥-λ⊥计算得到，其中λ∥是指沿磁场平行于测量方向所测得的饱和磁致伸缩系数，λ⊥是指沿磁场垂直于测量方向所测得的饱和磁致伸缩系数。
传统磁致伸缩材料指的是纯Ni、Ni基合金、Fe基合金以及铁氧体材料。这些材料的磁致伸缩系数相对较低，限制了他们在各个领域的应用；而以Tb-Dy-Fe为代表的超磁致伸缩材料虽然磁致伸缩系数非常大，但具有抗拉强度低、质地较脆、成本较高等不足。
2000年，美国S.Guruswamy等人发现Fe-Ga二元合金具有比传统磁致伸缩合金高的多的磁致伸缩值，单晶<100>晶向的饱和磁致伸缩系数λ100＝271ppm。(S.Guruswamy,N.Srisukhumbowornchai,A.E.Clark,J.B.Restorff,and M.Wun-Fogle.Strong,ductile,and low-field-magnetostrictive alloys based on Fe-Ga.Scripta mater.,2000,43:239～244；N.Srisukhumbowornchai and S.Guruswamy.Largemagnetostriction in directionally solidified FeGa and FeGaAl alloys.J.Appl.Phys.,2001,90(11):5680～5688)。此外，人们还发现Fe-Ga合金具有高的机械强度和较好的塑性，其居里温度高、饱和磁场低等特点更使得Fe-Ga合金引起了各国研究人员的关注。由于Fe-Ga合金的电阻率较低，在高频下使用会产生较大的涡流损耗，因此，人们探索将其轧制成薄片状，以降低高频使用条件下的涡流损耗，改善其高频特性。
2003年，美国Kellogg RA等对Fe83Ga17合金进行了热轧、温轧、回复再结晶热处理，得到少量弥散的立方织构，薄片饱和磁致伸缩系数(3/2)λs约为170ppm。(Kellogg R A,Flatau A B,Clark A E.Texture and grain morphologydependencies of saturation magnetostriction in rolled polycrystalline Fe83Ga17.J.Appl.Phys.,2003,93(10):8495～8497)。
2006年，美国Na S M和FlatauAB等人报道了在Fe81.3Ga18.7合金中添加硼和硫，通过热轧、温轧、冷轧及后续热处理的方法，获得具有近似立方织构或近似高斯织构的薄片材料，最高磁致伸缩值为220ppm。(Na S M,Flatau A B.Magnetostriction and crystallographic texture in rolled and annealed Fe-Ga basedalloys.Mater.Res.Soc.Symp.Proc.,2006,888:335)。
在研究Fe-Ga的过程中，人们也发现Fe-Ga-Al合金的一些优异性能。首先，相比于Fe-Ga合金，Fe-Ga-Al三元合金随着Al的添加成本大幅降低。其次，相比于Fe-Ga合金，Fe-Ga-Al合金的软磁性能更好，其磁致伸缩达到饱和所需的磁场更低，从而一方面可以大幅降低使用过程的磁滞损耗，另一方面也可以提高材料的输出效率。(Y.Zhou,B.W.Wang,S.Y.Li,Z.H.Wang,W.M.Huang,S.Y.Cao,W.P.Huang.The magnetostriction ofFe-(18-x)at％Ga-x at％Al(3≤x≤13.5)alloys.Journal of magnetism and magnetic materials,2010,322(15):2104～2107)。此外，Fe-Ga-Al合金良好的塑性、延展性及抗氧化性使其在轧制工艺方法上更加简便、高效、节能，大大降低了生产成本(CN200810135513.8)。
研究发现，合金带材的磁致伸缩性能与织构关系密切。2011年，Suok-Min Na等人报道了在轧制Fe-Ga中添加1at.％NbC，在含0.5％H2S的Ar气中通过高温处理及表面能诱导获得了强烈的高斯织构，磁致伸缩系数达到292ppm。2014年，Suok-Min Na等还报道了在轧制Fe-Al合金中添加不同含量的NbC，通过相似的方法获得了强烈的高斯织构，沿轧向的磁致伸缩系数达到了143ppm。(Suok-MinNa,Alison B.Flatau.Single grain growth and large magnetostriction in secondarilyrecrystallized Fe-Ga thin sheet with sharp Goss(011)[100]orientation.Scriptamaterialia,2012,66(5):307-310；Suok-Min Na,Alison B.Flatau.Temperaturedependence of abnormal grain growth an high magnetostriction in Goss-orientedFe-Al thin sheets.J.Appl.Phys.,2014,115(17):17A913)。
以上关于Fe-Ga及Fe-Al磁致伸缩带材的研究中，不足之处在于通过元素S诱导二次再结晶的方法在实际生产中工艺不稳定、重复性差、所需工艺设备复杂，难以实现大规模生产。
发明内容
基于通过元素S诱导二次再结晶的方法在实际生产中工艺不稳定、重复性差、所需工艺设备复杂，难以实现大规模生产的原因，本发明通过在热轧及冷轧后分别进行短时间渗氮热处理，在热处理过程中引入[N]使其与基体中的Al及其他氮化物形成元素结合从而形成细小的氮化物析出，这些析出相作为抑制剂可以抑制初次再结晶过程中的晶粒长大，而后通过二次再结晶及高温热处理，最终获得具有强烈高斯织构的Fe-Ga-Al合金带材。
本发明的目的通过以下方面实现：
一方面，本发明提供一种高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材，该合金带材基体为Fe-Ga-Al三元合金，合金成分可以表示为：
Fe100-x-y-zGaxAlyMz，
按原子比计算，其中，
x＝7.5～25，y＝5～15，且x+y＝15～30，z＝0.1～1.0；
M为B、Cr、V、Ti、Mn、MnS、NbC中的一种或多种。
另一方面，本发明提供一种高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材的制备方法。由于本发明中涉及的Fe-Ga-Al三元合金中Al含量较多，不属于微量添加，长时间渗氮热处理容易在基体中形成渗氮层，从而不能达到作为抑制剂的效果，故本发明提出在热轧和冷轧后分别进行短时间渗氮热处理的方法，热轧后先进行第一次短时间渗氮热处理以在基体中形成AlN及其他氮化物，并同时使基体发生回复及再结晶以得到更好的冷轧组织；冷轧后再进行第二次短时间渗氮热处理，使得基体中形成较多的弥散析出的细小AlN及其他氮化物，这些析出相才具有抑制剂的效果，可以抑制再结晶过程中的晶粒长大，从而最终得到具有强烈高斯织构的Fe-Ga-Al合金带材。
其制备方法为：首先对经熔炼、热锻、热轧后得到的合金带材进行第一次短时间渗氮热处理，而后继续进行温轧和冷轧，冷轧后得到的合金带材进行第二次短时间渗氮热处理，最后将合金带材在高温下热处理使二次再结晶完全。
所述熔炼是按所设计合金成分进行配料并加入适量烧损；用真空感应炉冶炼母合金；使原料熔化形成合金后精炼5～10min，浇注成合金锭；合金锭在1100～1300℃保温10～24h以均匀组织成分；
所述热锻是将合金锭在1100～1250℃锻成厚度10～25mm的近似长方形坯料；
所述轧制是将热锻后的合金分别在1100～1200℃热轧，400～600℃温轧，常温下冷轧，总道次小于50，总变形量为90％～99％。
所述第一次短时间渗氮热处理工艺为：将合金带材置于渗氮炉内，升温至800～1050℃，通入氨气气氛，保温0.5～5min后取出空冷。
所述第二次短时间渗氮热处理工艺为：将合金带材置于渗氮炉内，升温至500～900℃，通入氨气气氛，保温0.5～3min后取出空冷。
所述最终高温热处理工艺为：将合金带材置于热处理炉内，以氩气或氢气或氩气与氢气的混合气体为保护气氛，随炉升温至1100～1300℃，保温4～8h后随炉冷却或取出空冷至室温。
采用本发明方法所获得的Fe-Ga-Al合金带材，取向度高，高斯织构强烈，沿轧向具有较高的磁致伸缩性能，磁致伸缩系数可达200ppm以上。
本发明的优点在于：
1)通过在热轧及冷轧后分别进行短时间渗氮热处理，形成的AlN及其他氮化物抑制剂促进了二次再结晶过程中高斯取向晶粒的生长，制备出的Fe-Ga-Al合金带材高斯织构强烈，磁致伸缩性能可达200ppm以上；
2)本发明采用的制备工艺易于推广，成品率高，有利于大规模生产。
附图说明
图1为热处理后Fe83Ga12Al5合金带材的磁致伸缩性能曲线；
图2为热处理后Fe83Ga12Al5合金带材的ODF()图。
具体实施方式
实施例1：高磁致伸缩性能的Fe83Ga12Al5合金带材及其制备方法
使用纯度大于99.9％的Fe、99.99％的Ga、99.9％的Al，Ga和Al分别考虑2％和0.5％的烧损，按原子百分比配料。将配好的原料放入真空感应炉，抽真空后通入氩气作为保护气体，感应加热至完全熔化后浇注成锭，合金锭在1100℃保温10h以均匀组织成分；在1150℃锻成厚度为18mm的长方形坯料；将锻后的合金在1150℃热轧；热轧后的合金带材置于渗氮炉内，升温至950℃，通入氨气气氛，保温4min后取出空冷；然后经500℃温轧，常温下冷轧，总压下量为98.4％，总道次为23，最终获得厚度0.28mm的带材。
将合金带材置于渗氮炉内，升温至750℃，通入氨气气氛，保温2min后取出空冷；然后将合金带材置于热处理炉内，以氩气与氢气的混合气体为保护气氛，随炉升温至1200℃，保温6h后随炉冷却或取出空冷至室温。
图1为热处理后Fe83Ga12Al5合金带材的磁致伸缩性能曲线，其最大磁致伸缩系数(3/2)λs为203ppm。图2为热处理后Fe83Ga12Al5合金带材的ODF()图，可以看出，合金具有明显的{110}<001>高斯织构。
实施例2：高磁致伸缩性能的Fe83Ga8.5Al8.5合金带材及其制备方法
使用纯度大于99.9％的Fe、99.99％的Ga和99.9％的Al，Ga和Al分别考虑2％和0.5％的烧损，按原子百分比配料。将配好的原料放入真空感应炉，抽真空后通入氩气作为保护气体，感应加热至完全熔化后浇注成锭，合金锭在1100℃保温10h以均匀组织成分；在1150℃锻成厚度为20mm的近似长方形坯料；将锻后的合金在1150℃热轧；热轧后的合金带材置于渗氮炉内，升温至900℃，通入氨气气氛，保温5min后取出空冷；然后经600℃温轧，常温下冷轧，总压下量为98.5％，总道次为23，最终获得厚度0.3mm的带材。
将合金带材置于渗氮炉内，升温至850℃，通入氨气气氛，保温1min后取出空冷；然后将合金带材置于热处理炉内，以氩气与氢气的混合气体为保护气氛，随炉升温至1200℃，保温6h后随炉冷却或取出空冷至室温。
最终获得的Fe-Ga-Al合金带材最大磁致伸缩系数(3/2)λs为185ppm。
实施例3：高磁致伸缩性能的(Fe83Ga8.5Al8.5)99.9(NbC)0.1合金带材及其制备方法
使用纯度大于99.9％的Fe、99.99％的Ga、99.9％的Al、铌铁、铁碳合金，Ga和Al分别考虑2％和0.5％的烧损，按原子百分比配料。将配好的原料放入真空感应炉，抽真空后通入氩气作为保护气体，感应加热至完全熔化后浇注成锭，合金锭在1200℃保温20h以均匀组织成分；在1150℃锻成厚度为18mm的长方形坯料；将锻后的合金在1150℃热轧；热轧后的合金带材置于渗氮炉内，升温至900℃，通入氨气气氛，保温5min后取出空冷；然后经600℃温轧，常温下冷轧，总压下量为98.4％，总道次为26，最终获得厚度0.28mm的带材。
将合金带材置于渗氮炉内，升温至850℃，通入氨气气氛，保温1min后取出空冷；然后将合金带材置于热处理炉内，以氩气与氢气的混合气体为保护气氛，随炉升温至1250℃，保温6h后随炉冷却或取出空冷至室温。
最终获得的Fe-Ga-Al合金带材最大磁致伸缩系数(3/2)λs为208ppm。
Claims (5)
1.一种高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材，其特征在于：该合金带材基体为Fe-Ga-Al三元合金，合金成分表示为：
Fe100-x-y-zGaxAlyMz，
按原子比计算，其中，
x＝7.5～25，y＝5～15，且x+y＝15～30，z＝0.1～1.0；
M为B、Cr、V、Ti、Mn、MnS、NbC中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材的制备方法，其特征在于：首先对经熔炼、热锻、热轧后得到的合金带材进行第一次短时间渗氮热处理，使热轧板基体中形成AlN及其他氮化物，而后继续进行温轧和冷轧，冷轧后得到的合金带材进行第二次短时间渗氮热处理以得到弥散析出的细小AlN及其他氮化物析出，最后将合金带材在高温下热处理使二次再结晶完全；
所述熔炼是按所设计合金成分进行配料并加入适量烧损；用真空感应炉冶炼母合金；使原料熔化形成合金后精炼5～10min，浇注成合金锭；合金锭在1100～1300℃保温10～24h以均匀组织成分；
所述热锻是将合金锭在1100～1250℃锻成厚度10～25mm的近似长方形坯料；
所述轧制是将热锻后的合金分别在1100～1200℃热轧，400～600℃温轧，常温下冷轧，总道次小于50，总变形量为90％～99％。
3.如权利要求2所述高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材制备方法，其特征在于：所述第一次短时间渗氮热处理工艺为：将合金带材置于渗氮炉内，升温至800～1050℃，通入氨气气氛，保温0.5～5min后取出空冷。
4.如权利要求2所述高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材制备方法，其特征在于：所述第二次短时间渗氮热处理工艺为：将合金带材置于渗氮炉内，升温至500～900℃，通入氨气气氛，保温0.5～3min后取出空冷。
5.如权利要求2所述高磁致伸缩性能的Fe-Ga-Al合金带材制备方法，其特征在于：所述最终高温热处理工艺为：将合金带材置于热处理炉内，以氩气或氢气或氩气与氢气的混合气体为保护气氛，随炉升温至1100～1300℃，保温4～8h后随炉冷却或取出空冷至室温。
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