CN113444898A - 一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，涉及到一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法。其具体步骤为：选取配方为(Fe0.82Co0.18)x‑(Tb0.4Mn0.6)y‑Ga(1‑x‑y)，0.40≤x≤0.75，0.20≤y≤0.5，0.05≤1‑x‑y；按摩尔比称取原料混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内熔炼；真空条件下，然后放入到高温炉中加热，然后施加磁场，保温，再慢慢降温，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中退火，然后缓慢冷却到室温，热轧处理，打磨，再热处理。与现有技术相比，本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法制得波导丝的力学性能好，磁致伸缩系数、磁机械耦合系数相对较高，且涡流损耗低的磁致伸缩材料，致使波导丝产生的回波信号强、损耗少。

Description

一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体来说，涉及到一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法。
技术背景
磁致伸缩位移传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到，通过计算两种信号的时间间隔，从而得到位移值。
在磁致伸缩类位移传感器中，由于产生的回波信号属于微弱信号，对于微弱信号的拾取较为困难，导致传感器的测量精度较低。而回波信号的强弱，跟波导丝有关。波导丝，即磁致伸缩波导丝，它是磁致伸缩位移传感器的核心部件，其性能主要由磁致伸缩材料决定。目前的磁致伸缩材料磁致伸缩系数及磁机械耦合系数相对较低，且涡流损耗高，影响回波信号强度。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，基于材料改进，本发明提供一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法。
本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：
1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y-Ga(1-x-y)，0.40≤x≤0.75，0.20≤y≤0.5，0.05≤1-x-y；
2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn、Ga单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5-0.6个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至260-280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼5-15min，反复熔炼2-3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置10-30min 后，取出样品，得合金铸锭；
3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1300-1500℃，然后施加4-5T的磁场，保温10-30min，再以1.2-1.5℃的速率降到900-1000℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以900-1000℃退火60-90h，浇铸到模具中，制成合金棒材；
4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；
5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。
本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。
本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。
本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
与现有技术相比，本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法制得波导丝的力学性能好，磁致伸缩系数、磁机械耦合系数相对较高，且涡流损耗低的磁致伸缩材料，致使波导丝产生的回波信号强、损耗少。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法作进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y-Ga(1-x-y)，x=0.75，y=0.20；2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn、Ga单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼10min，反复熔炼3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置20min 后，取出样品，得合金铸锭；3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1500℃，然后施加4T的磁场，保温30min，再以1.5℃的速率降到950℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以950℃退火60h，浇铸到模具中，制成合金棒材；4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
实施例2
一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y-Ga(1-x-y)，x=0.50，y=0.45；2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn、Ga单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼10min，反复熔炼3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置20min 后，取出样品，得合金铸锭；3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1500℃，然后施加4T的磁场，保温30min，再以1.5℃的速率降到950℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以950℃退火60h，浇铸到模具中，制成合金棒材；4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
实施例3
一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y-Ga(1-x-y)，x=0.60，y=0.30；2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn、Ga单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼10min，反复熔炼3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置20min 后，取出样品，得合金铸锭；3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1500℃，然后施加4T的磁场，保温30min，再以1.5℃的速率降到950℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以950℃退火60h，浇铸到模具中，制成合金棒材；4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
实施例4
一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y-Ga(1-x-y)，x=0.60，y=0.35；2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn、Ga单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼10min，反复熔炼3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置20min 后，取出样品，得合金铸锭；3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1500℃，然后施加4T的磁场，保温30min，再以1.5℃的速率降到950℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以950℃退火60h，浇铸到模具中，制成合金棒材；4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
对照组1
一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y，x=0.50，y=0.50；2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼10min，反复熔炼3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置20min 后，取出样品，得合金铸锭；3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1500℃，然后施加4T的磁场，保温30min，再以1.5℃的速率降到950℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以950℃退火60h，浇铸到模具中，制成合金棒材；4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
对照组2
一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，具体步骤为：1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y，x=0.60，y=0.35；2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼10min，反复熔炼3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置20min 后，取出样品，得合金铸锭；3）将合金铸锭轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1500℃，然后施加4T的磁场，保温30min，再以1.5℃的速率降到950℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以950℃退火60h，浇铸到模具中，制成合金棒材；4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
性能测试
拉剪强度测试采用拉伸剪切强度试验机进行检测。抗压强度：测试采用抗压强度试验机进行检测。磁致伸缩系数测试：在磁场80kA/m，5MPa预应力条件下，使用JEOLJSM-7001F热场发射扫描电子显微镜对磁致伸缩材料进行检测。磁机械耦合系数测试：在120kA/m条件下采用德仪生物的Radiant Precision LC设备进行检测。涡流损耗测试：采用磁性材料特性测量分析仪（SY-8218 B-H分析仪）进行检测。
表1 各实施例及对照组磁致伸缩材料性能测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 对照组1 对照组2
剪切强度（MPa） 35 33 36 42 31 26
抗压强度（MPa） 474 453 481 523 456 422
磁致伸缩系数(10<sup>-4</sup>) 13.76 14.13 13.92 14.11 12.01 12.56
磁机械耦合系数 0.35 0.40 0.37 0.40 0.27 0.28
涡流损耗（W/m<sup>3</sup>） 531 575 519 486 621 609
通过对比发现，采用本发明所述制备方法得到的磁致伸缩材料力学性能好，磁致伸缩系数、磁机械耦合系数相对较高，且涡流损耗低的，致使波导丝产生的回波信号强、损耗少，其中各原料的配比磁致伸缩材料的综合性能有不同的影响。

Claims (5)

1.一种微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
1）制备波导丝的磁致伸缩材料配方为(Fe0.82Co0.18)x-(Tb0.4Mn0.6)y-Ga(1-x-y)，0.40≤x≤0.75，0.20≤y≤0.5，0.05≤1-x-y；
2）按摩尔比称取原料Fe、Co、Tb、Mn、Ga单质，混匀，置于电弧熔炼炉的坩锅内，再于另一坩锅内加入Zr单质；关闭电弧熔炼炉，抽真空到10-6Pa以下，充氩气到0.5-0.6个大气压；启动真空电弧熔炼炉，起弧后加电流至260-280A，并启动搅拌器，先熔炼Zr以除氧；再熔炼混合原料，每次熔炼5-15min，反复熔炼2-3次，熔炼结束后，慢慢调小电流至关闭电源，放置10-30min 后，取出样品，得合金铸锭；
3）将样品轻轻敲碎放入石英玻璃管中抽真空封存，然后放入到高温炉中从室温加热到1300-1500℃，然后施加4-5T的磁场，保温10-30min，再以1.2-1.5℃的速率降到900-1000℃，撤去磁场，自然冷却到室温，取出合金样品；再在低温炉中以900-1000℃退火60-90h，浇铸到模具中，制成合金棒材；
4）取合金棒材，进行热轧处理和打磨，然后消除表面氧化皮，在拉丝机上进行冷拔，得合金丝；
5）在氩气保护下，进一步对合金丝进行热处理，得到波导丝。
2.根据权利要求1所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，其特征在于，步骤4）中，热轧前用50kg的空气锤反复锻造，再热轧成条。
3.根据权利要求2所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，其特征在于，步骤4）中，打磨时经1-5号金相砂纸依次打磨后，再经2.5微米和0.5微米两道抛光。
4.根据权利要求3所述的微型位移传感器敏感元件波导丝的制备方法，其特征在于，步骤4）中，打磨、抛光后，再用4%硝酸酒精腐蚀处理。
5.根据权利要求1-4任一所述制备方法制得的微型位移传感器敏感元件波导丝或磁致伸缩材料。
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