CN1392616A - 一种Fe－Ga系磁致伸缩材料及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料领域，材料成分为Fe100－x－yGaxMyQ，其中x=10－40，M为Al、Be、Cr、In、Cd、Mo、Ge，y=0－15，Q为C、N、O附加掺杂，其工艺要点为：按所发明材料成分的要求，用磁悬浮炉或真空感应炉冶炼母合金；用高温度梯度快速定向凝固法或提拉法或Bridgeman法制成单晶或多晶取向材料；在1000～1200℃处理1－48小时，随炉冷却至750－600℃，保温0.2－48小时，水淬；或从750－600℃以不同的冷速炉冷至室温；或在炉冷过程中施加500－2000Oe磁场。本发明材料具有<100>;取向单晶或<100>;、<110>;取向多晶织构，饱和磁致伸缩系数λs可达200ppm以上，利于在磁场小于200Oe状况下工作，材料的生产成本低廉。
Description
技术领域：
本发明属于磁性材料领域，涉及一种新型磁致伸缩材料的成分及制造工艺。
背景技术：
铁磁性物质在磁化状态发生改变时，其自身的长度也发生微小的变化。这种现象叫做磁致伸缩。磁致伸缩的量用磁致伸缩系数λ表示，定义为λ＝Δl/l(1为材料样品原始长度，Δl为磁化状态改变时样品发生的变化)，实用的传统的磁致伸缩材料是Ni和Fe基合金，λ一般在40-100ppm左右(1ppm＝10-5)，由于这类材料的λ太小，所以使用范围受到限制。后来人们又发明了一种电磁致伸缩材料，通常称为压电陶瓷(PZT)材料，虽然该材料的λ比较高，可达到300ppm，高频特性也比较好，但由于该材料比较脆，实用中很容易损坏。20世纪80年代，美国Clark等人发明了一种以稀土和Fe组成的材料，具有很高的磁致伸缩，其单晶体的λs高达2000ppm。该材料除高λs外，还有一些其它优点，如低频特性好，响应速度快，能量密度高，产生的推力大，转换效率高等。因此这种材料具有广泛的应用领域。为此美国Etrema公司(该材料的主要生产商)申请了材料的成分和制造工艺专利。我们在研究该材料方面也取得了突破性成果，在材料的成分和制造方法上都有创新，并且申请了两个国家发明专利，均已授权。但是这种稀土超磁致伸缩材料也有其缺点，一是材料的脆性比较大，加工手段受限制且加工费用高，二是原材料的成本很高，因此造成了这种材料的销售价格昂贵，另外其工作磁场也高(大于400 Oe)，使得附属设备增加，因此其应用推广受到很大的阻力。
发明内容：
本发明的目的就是要找到一种磁致伸缩比较高，力学性能比较好，价格又比较便宜，可以在很低的磁场下(小于100 Oe)工作的新材料，它将有更广泛的用途。
本发明涉及一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga和Fe组成，Ga的含量为10-40at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，材料中Ga成分的优选值为15-25at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Al、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Al含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Al成分的优选值为0.05-9at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Be、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Be含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Be成分的优选值为0.05-8at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、V、Fe组成，Ga的含量为10-40％，V含量为0.01-15at％.附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，V成分的优选值为0.05-6at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Cr、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Cr含量为0.01-10at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Cr成分的优选值为0.05-5at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、In、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，In含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，In成分的优选值为0.05-6at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Cd、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Cd含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Cd成分的优选值为0.05-6at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Mo、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Mo含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Mo成分的优选值为0.05-6at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Mo、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Mo含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Mo成分的优选值为0.05-6at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga、Ge、Fe组成，Ga的含量为10-40at％，Ge含量为0.01-15at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，Ge成分的优选值为0.05-6at％。
一种Fe-Ga系磁致伸缩材料制造工艺，其特征在于具体的制造工艺步骤为：
a)将所需的材料清理干净，去除氧化皮并保持干燥状态。
b)按所设计成分进行配料，并加入适量的烧损。
c)用真空感应炉或磁悬浮炉冶炼母合金。先抽真空至10-2pa后再充入400
pa的氬气后再加热，使原材料熔化形成合金，熔清后精炼2-3分钟，
以保证合金成分的均匀性。将精炼后的合金浇注成所需要的园棒。
d)去除合金棒表面的氧化皮和杂质。
e)将清理干净的合金棒用高温度梯度快速凝固法；或提拉法；或Bridgeman
法，进行晶体生长，通过调整温度梯度GL与生长速度V的比值得到<100>
或<110>的晶体取向。
f)取向后的材料在1000-1200℃处理1-48小时后，炉冷至750-600℃再
保温0.2-48小时，水淬；或从750-600℃以不同的冷速炉冷至室温；
或在炉冷过程中施加500-2000Oe磁场。
如上所述的Fe-Ga系磁致伸缩材料制造工艺，其特征在于在晶体织构上：单晶体为<100>取向，多晶体为<100>或<110>取向织构，或两者同时存在，并伴随有其他晶体取向，但以<100>或<110>取向为主。
发明的优点：
1.本发明材料在很低的磁场下(200 Oe)具有较高的λs(200-300ppm)
非常有利于实际应用，可使产生磁场的外辅设备大大减少，使应用该材
料的设备成本大大降低。
2.工艺条件要求不苛刻。由于本发明的合金中不含易氧化元素，所以在合
金的冶炼、定向凝固及热处理过程中，不必采取特殊的防氧化措施。
3.定向凝固工艺简单。本发明的合金晶体结构为体心立方结构，很容易得
到<100>或<110>取向织构。
4.本发明成分合金的磁致伸缩性能、力学性能都比较好，制造工艺容易，
材料的生产成本低。
具体实施方式：
成分为Fe79Ga21的合金，用真空感应炉冶炼并浇铸成棒，用高温度梯度定向凝固炉进行晶体取向，将晶体取向样品在1100℃处理2小时，炉冷至700℃保温3小时，后炉冷至室温。样品的磁致伸缩系数λs为200-280ppm.
成分为Fe79Ga21的合金，用磁悬浮熔炼并浇注成母合金，用提拉法制取单晶，将单晶样品在1100℃处理1小时，炉冷至650℃保温5小时后，水淬。样品的磁致伸缩系数λs＝280-300ppm。
成分为Fe79Ga15Al4的合金，磁悬浮冶炼并浇注成棒，用Bridgeman法制取单晶或多晶，后在1050℃处理1小时后，炉冷至620℃保温3小时后加1000 Oe磁场，炉冷至室温。其饱和磁致伸缩系数λs＝220-280ppm。
成分为Fe80Ga17Be3的合金，用真空感应炉冶炼并浇注成棒，用高温度梯度快速凝固法制备取向多晶。在1050℃处理1小时后，炉冷至600℃保温3小时，水淬。其λs＝230-270ppm。
Claims (11)
1.本发明涉及一种Fe-Ga系磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分主要由Ga和Fe组成，Ga的含量为10-40at％，附加掺杂含量为：C＝200-600ppm，N＝200-700ppm，O＝200-800ppm，余量为Fe，材料中Ga成分的优选值为15-25at％。
2.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了Al，Al含量为0.01-15at％，Al成分的优选值为0.05-9at％。
3.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了Be，Be含量为0.01-15at％，Be成分的优选值为0.05-8at％。
4.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了V，V含量为0.01-15at％，V成分的优选值为0.05-6at％。
5.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了Cr，Cr含量为0.01-15at％，Cr成分的优选值为0.05-5at％。
6.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了In，In含量为0.01-15at％，In成分的优选值为0.05-6％at。
7.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了Cd，Cd含量为0.01-15at％，Cd成分的优选值为0.05-6at％。
8.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了Mo，Mo含量为0.01-15at％，Mo成分的优选值为0.05-6at％。
9.如权利要求1所述的磁致伸缩材料，其特征在于材料的成分中加入了Ge，Ge含量为0.01-15at％，Ge成分的优选值为0.05-6at％。
10.一种Fe-Ga系磁致伸缩材料制造工艺，其特征在于具体的制造工艺步骤为：
a)将所需的材料清理干净，去除氧化皮并保持干燥状态。
b)按所设计成分进行配料，并加入适量的烧损。
c)用真空感应炉或磁悬浮炉冶炼母合金。先抽真空至10-2pa后再充入400
pa的氬气后再加热，使原材料熔化形成合金，熔清后精炼2-3分钟，
以保证合金成分的均匀性。将精炼后的合金浇注成所需要的园棒。
d)去除合金棒表面的氧化皮和杂质。
e)将清理干净的合金棒用高温度梯度快速凝固法；或提拉法；或Bridgman
法，进行晶体生长，通过调整温度梯度GL与生长速度V的比值得到<100>
或<110>的晶体取向。
f)取向后的材料在1000-1200℃处理1-48小时后，炉冷至750-600℃再
保温0.2-48小时，水淬；或从750-600℃以不同的冷速炉冷至室温；
或在炉冷过程中施加500-2000 Oe磁场。
11.如权利要求10所述的Fe-Ga系磁致伸缩材料制造工艺，其特征在于在晶体织构上：单晶体为<100>取向，多晶体为<100>或<110>取向织构，或两者同时存在，并伴随有其他晶体取向，但以<100>或<110>取向为主。
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