CN110699573A - 一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法，属于磁性材料技术领域。本发明通过在Co₇₀Fe₃₀合金中加入NiMn合金基团，在保持了Co₇₀Fe₃₀合金本身优异的合金软磁性能、磁致伸缩性能、低廉的成本等优势的同时，大大提高了合金的力学性能；另外，制备所述合金的原料成本低廉，制备过程简单便捷，成品率高，绿色环保，不需要使用昂贵的大型仪器设备，可以快速低成本地在工业生产中推广应用。

Description

一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法，属于磁性材料技术领域。

背景技术

CoFe基软磁合金，其系列合金又名“Permendur”，由于其具有稳定的磁化率、极高的磁导率、优异的磁致伸缩性能、优异的能量吸收性能以及低廉的成本优势而在传感器、换能器、微位移驱动、减噪、减振、智能机器人、燃油喷射、波动采油等领域具有重要的应用前景。

但由于CoFe基软磁合金本身的力学性能较差，这也限制了其在很多工程应用领域的应用。因此在保持CoFe基软磁合金本身优异的性能同时，开发出兼具优异力学性能的新系列CoFe基软磁合金是非常必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，通过在Co₇₀Fe₃₀合金中加入NiMn合金基团，在保持了Co₇₀Fe₃₀合金本身优异的合金软磁性能、磁致伸缩性能、低廉的成本等优势的同时，大大提高了合金的力学性能；

本发明的目的之二在于提供一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，该方法过程简单便捷，成品率高，绿色环保，不需要使用昂贵的大型仪器设备，可以快速低成本地在工业生产中推广应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，所述合金的化学式表达式记为(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x，x＝2.5～20。

其中，2.5≤x≤10时，(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金兼具高强度、高饱和磁化强度及优异的磁致伸缩性能；10＜x≤20时，(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金兼具高延伸率及较高的饱和磁化强度。

本发明所述NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.Ni和Mn按照1:1的原子比配料，并在真空条件下熔炼，得到NiMn合金锭；

步骤2.按照(30-0.3x)：(70-0.7x)：x的原子比将Fe、Co及NiMn合金锭放入高真空电弧熔炼炉的坩埚中，然后进行熔炼，得到本发明所述的合金。

进一步地，选用纯度大于99.9％的Fe、Co、Ni以及Mn单质作为原料；另外，使用前先将其表面的氧化皮打磨干净，然后在丙酮溶液中超声清洗，最后烘干备用。

进一步地，采用高真空感应熔炼炉熔炼制备NiMn合金锭，具体操作如下：先对高真空感应熔炼炉抽真空至2×10^-2Pa以下，然后充入氩气至炉内气压达到0.05MPa～0.06MPa，再利用感应加热将纯镍及纯锰熔炼成金属液，待金属原料完全熔化后，将熔化的金属液倒入模具内进行冷却凝固，得到NiMn合金锭。

进一步地，采用高真空电弧熔炼炉熔炼的具体操作如下：先对高真空电弧熔炼炉抽真空至2.5×10^-3Pa以下，然后充入氩气至炉内气压达到0.05MPa～0.06MPa，再在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼3～5次，每次熔炼的时间为4min～6min，除第一次以及最后一次外其余熔炼时进行搅拌。

有益效果：

(1)本发明所述(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金，在保持Co₇₀Fe₃₀合金优异的软磁性能及磁致伸缩性能、低廉的成本等优势的同时，还兼具优异的力学性能，尤其是2.5≤x≤10时，该合金具有极高的强度，并且延伸率相比其他CoFe基软磁合金也有较大提高，对于服役环境要求更低，且服役时间更长；而10＜x≤20时，该合金具有极高的延伸率，相对于其他种类CoFe基软磁合金，当需要对其进行拉拔、冷轧等变形加工时具有极大的优势；

(2)本发明所述(Co₇₀ Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金，选用的原料成本低廉，制备过程简单便捷，缺陷率低，成品率高，并且制备过程中不会产生污染。

附图说明

图1为实施例1～5制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金的真应力-应变曲线对比图。

图2为实施例1～4制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金沿磁场方向的磁致伸缩曲线对比图。

图3为实施例1～5制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金的磁化曲线对比图。

图4为实施例1制备的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的透射电子显微镜衍射斑点图。

图5为对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金的反极图(IPF图)。

图6为实施例1制备的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的IPF图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

以下实施例中所提到的主要试剂信息详见表1，主要仪器设备信息详见表2。

表1

表2

采用应变片电阻测量法测试实施例中所制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及Co₇₀Fe₃₀合金的磁致伸缩系数，测试试样为8mm×6mm×2mm的平板状，具体测试步骤如下：

(1)选择好确定的方向，并且所有样品的测试面和方向相同，粘贴上电阻应变片；

(2)将样品与应变仪连接成一个电流回路，放置于电磁铁中央区域，再把高斯计安装在样品表面上面1mm处，设置磁场从0Oe至5000Oe，从5000Oe至-5000Oe，从-5000Oe至0Oe，连通电源开始进行测试；

(3)在磁场变化的过程中，块体样品长度发生变化引起电阻应变片长度的变化，进而导致应变片的电阻发生变化，应变仪测量得到应变片电阻的变化，经过计算机软件的换算得到样品的形变量，即磁致伸缩应变值的大小。

使用电子万能材料试验机测试实施例中所制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及Co₇₀Fe₃₀合金的力学性能，测试试样为平板状，标距为10mm，截面尺寸为3mm×1mm，具体测试步骤如下：

(1)将拉伸试样安装在拉伸卡具上，并将卡具接头安装在电子万能材料试验机对应接口处，并在样品标距两端各画一个点作为标记；

(2)预紧试样，定位视频引伸计标距，并设置拉伸速率为0.01mm/s；

(3)调零后开始拉伸试验，直至样品断裂后结束试验，计算机记录下的数据即为所测材料的力学性能数据。

实施例1

(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的具体制备步骤如下：

(1)先将Fe、Co、Ni以及Mn单质表面的氧化皮打磨干净，然后放入含有丙酮溶液的烧杯中，并将烧杯置于超声波清洗机中震动清洗5min，随后取出放置于滤纸上用吹风机烘干备用；

(2)将表面打磨干净的Ni和Mn按照1:1的原子比配料，并按照从从下至上依次为底Ni、Mn的顺序在高真空熔炼浇铸系统的氧化铝坩埚中布置原料；然后，先对高真空熔炼浇铸系统抽真空至2×10^-2Pa以下，再充入氩气(纯度为99.99vol％)至内部气压达到0.05MPa，随后利用感应加热将Ni和Mn熔炼成金属液，待金属原料完全熔化后，立即翻转氧化铝坩埚，将金属液倒入下面的铜模具内，待金属液冷却凝固后，得到NiMn合金锭；

(3)将NiMn合金锭与表面打磨干净的Fe以及Co与按照2.5:29.25:68.25的原子比配料，并按照NiMn合金锭在下Fe、Co在上的方式在高真空电弧熔炼及吸铸系统的铜坩埚中布置原料；然后，先对高真空电弧熔炼及吸铸系统抽真空至2.5×10^-3Pa以下，再充入氩气至炉内气压达到0.05MPa，随后在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼4次，每次熔炼的时间为5min，并在第2次和第3次熔炼时开启电磁搅拌，最后一次熔炼完成后，冷却，得到(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金。

如图1～3所示，本实施例所制备的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的屈服强度可达732MPa，延伸率为4.64％，饱和磁化强度为205emu/g，磁致伸缩系数为86ppm。

实施例2～5

在实施例1的基础上，将步骤(3)中Fe、Co与NiMn合金锭的原子比由29.25:68.25:2.5依次修改成28.5:66.5:5、27:63:10、25.5:59.5:15及24:56:20，其他步骤及条件均不变，则依次得到(Co₇₀Fe₃₀)₉₅(NiMn)₅合金、(Co₇₀Fe₃₀)₉₀(NiMn)₁₀合金、(Co₇₀Fe₃₀)₈₅(NiMn)₁₅合金以及(Co₇₀Fe₃₀)₈₀(NiMn)₂₀合金，结合图1～3可知，其各自性能如表3所示。

表3

对比例1

Co₇₀Fe₃₀合金的具体制备步骤如下：

(1)先将Fe和Co单质表面的氧化皮打磨干净，然后放入含有丙酮溶液的烧杯中，并将烧杯置于超声波清洗机中震动清洗5min，随后取出放置于滤纸上用吹风机烘干备用；

(2)将表面打磨干净的Fe以及Co按照30:70的原子比配料，并加入高真空电弧熔炼及吸铸系统的铜坩埚中；然后，先对高真空电弧熔炼及吸铸系统抽真空至2.5×10^-3Pa以下，再充入氩气至炉内气压达到0.05MPa，随后在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼4次，每次熔炼的时间为5min，并在第2次和第3次熔炼时开启电磁搅拌，最后一次熔炼完成后，冷却，得到Co₇₀Fe₃₀合金。

x＝2.5时，对应的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金为单相BCC结构(该合金体系BCC相与FCC相均为铁磁性相，但FCC相饱和磁化强度较低)；如图4所示，(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5沿{100}晶带轴存在(100)超点阵，这表明A2相基体中分布着B2相，因此(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金保持了CoFe基软磁合金优异的磁致伸缩性能。此外，加入NiMn合金基团后，(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5的晶粒明显发生了细化，如图5和图6所示，未加NiMn的Co₇₀Fe₃₀合金的组织为大晶粒尺寸的等轴晶，而加NiMn的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金组织变为细小的条带状组织，这使得合金的强度和延伸率同时提高；同时由于合金中只存在BCC相，因此几乎对合金饱和磁化强度未造成影响。

x＝5和10时，对应的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金为BCC+FCC两相结构(主相依然为BCC相)，且不再存在B2相。FCC相的出现及B2相的消失共同导致了该范围内合金磁致伸缩性能的降低，但却使该范围内合金的延伸率明显提高；同时由于BCC相含量依然很高，因此合金饱和磁化强度也未有明显下降。

x＝15和20时，对应的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金为BCC+FCC两相结构，但FCC相变为主导相，使得该范围内合金饱和磁化强度较之前有部分减弱，但该范围内合金依然为铁磁性，而且该范围内的合金兼具了BCC相高强度及FCC相高塑性的特点，对于需要进行大变形冷加工(如拉拔、冷轧等)的情况相比于其他软磁材料具有明显的性能优势。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，其特征在于：所述合金的化学式表达式记为(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x，x＝2.5～20。

2.根据权利要求1所述的NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，其特征在于：2.5≤x≤10。

3.根据权利要求1所述的NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，其特征在于：10＜x≤20。

4.一种如权利要求1至3任一项所述的NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下，

步骤1.Ni和Mn按照1:1的原子比配料，并在真空条件下熔炼，得到NiMn合金锭；

步骤2.按照(30-0.3x)：(70-0.7x)：x的原子比将Fe、Co及NiMn合金锭放入高真空电弧熔炼炉的坩埚中，然后进行熔炼，得到所述合金。

5.根据权利要求4所述的NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，其特征在于：选用纯度大于99.9％的Fe、Co、Ni以及Mn单质作为原料，而且使用前先将其表面的氧化皮打磨干净，并在丙酮溶液中超声清洗，最后烘干备用。

6.根据权利要求4所述的NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，其特征在于：采用高真空感应熔炼炉熔炼制备NiMn合金锭，具体操作如下，

先对高真空感应熔炼炉抽真空至2×10^-2Pa以下，然后充入氩气至炉内气压达到0.05MPa～0.06MPa，再将金属原料完全熔化至金属液，并将熔化的金属液倒入模具内进行冷却凝固，得到NiMn合金锭。

7.根据权利要求4所述的NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，其特征在于：采用高真空电弧熔炼炉熔炼的具体操作如下，

先对高真空电弧熔炼炉抽真空至2.5×10^-3Pa以下，然后充入氩气至炉内气压达到0.05MPa～0.06MPa，再在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼3～5次，每次熔炼的时间为4min～6min，除第一次以及最后一次外其余熔炼时进行搅拌。

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