CN100595308C - 综合性能优异的磁致伸缩合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合性能优异的磁致伸缩合金的制备方法。其步骤为:1)采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料通过高真空感应熔炼获得棒状Fe-Ga合金铸锭;2)为保证合金成分的均匀性,对Fe-Ga合金铸锭进行长时间高温时效处理;3)把均匀化后的Fe-Ga合金铸锭真空封装后进行多级热处理。本发明工艺简单,仅通过调整热处理工艺,就可以在Fe-Ga合金的其他使用性能不受影响的基础上,使磁致伸缩大幅度提高,电阻率也有所上升,且降低了制备成本,从而拓展了磁致伸缩材料的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及合金的制备方法,尤其涉及一种综合性能优异的磁致伸缩合金的制备方法。
背景技术
磁致伸缩材料具有电磁能与机械能的转换功能,是重要的能量与信息转换功能材料,广泛应用在声纳的水声换能器技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术等领域。Fe-Ga合金是近年来发现的一种新型的磁致伸缩材料,它的饱和磁场很低,仅为目前市场上常见的稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D合金的1/10,磁场灵敏度较高;其次该合金脆性小,抗拉强度高,加工性能好,可以制成板材、带材以及丝材等,适用于多种器件结构;除此以外,该合金还有高的磁导率,很好的温度特性,能在很宽的温度范围内使用。因此,Fe-Ga合金在超声领域和微位移器等方面有巨大的潜在应用价值,引起了人们的广泛关注,但其磁致伸缩性能还相对较低。同时为了降低Fe-Ga合金在高频段使用所产生的涡流损耗,提高合金的电阻率也是急需解决的问题之一。
前期研究结果表明在低Ga原子含量的Fe1-xGax合金中(x<25),室温可能存在的相有体心立方结构的A2、D03和B2相,面心立方的L12相。无序的A2相具有最大的磁致伸缩值,其中Ga原子以原子对的形式存在于体心立方晶格中,形成一种类D03结构,这种特殊的相结构可以降低合金的剪切弹性模量,从而提高磁致伸缩。Fe-Ga合金的磁致伸缩与Ga原子在晶格中的排列方式密切相关。由于热处理工艺参数包括热处理温度、保温时间及冷却速率都可以影响到Ga原子在晶格中的迁移和扩散,因此Fe-Ga的磁致伸缩对热处理制度比较敏感,特别是当Ga原子在晶格中的固溶度达到过饱和时(x>17)。传统观点认为Fe-Ga合金通过从高温(≥600℃)水淬到室温可以获得无序体心立方A2相,其中Ga原子以团簇的形式存在,具有最大的磁致伸缩。
Fe-Ga合金的平衡相图和亚稳相图都只确定的给出了合金在300℃以上的相组成,当温度低于300℃,相组成随热处理制度不同而不同。我们的研究工作发现,如果把Fe-Ga合金从高温A2单相区以低于1℃/min的冷却速率炉冷至低温(100~300℃),中间会伴随着L12相先从A2单相中析出之后再溶解的过程,低温时L12相完全溶解,获得另外一种单一的体心立方结构相,通过水淬处理,这种体心立方结构相可以保存到室温。由于L12相的析出溶解过程优化了合金中Ga原子的排列,使得此方法获得的体心立方结构相与高温水淬获得的A2相相比,不仅具有更大的磁致伸缩,电阻率也有明显的提高,更适合在高频段使用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种综合性能优异的磁致伸缩合金的制备方法。
包括如下步骤:
1)熔炼铸棒,采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料,按用量比例称量后放入石英坩锅内,调节真空室的真空度达到5×10-2~2×10-3Pa,通入高纯氩气作保护气体,中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成直径为12mm的棒状Fe-Ga合金铸锭。Fe-Ga合金铸锭的成分及原子百分比为Fe:85-75%;Ga:15-25%;
2)成分均匀化,将熔炼好的Fe-Ga合金铸锭在1000~1200℃进行24~168h长时间保温使其成分均匀化,随炉冷;
3)多级热处理,将均匀化后的Fe-Ga合金铸锭真空封装后加热到600~1000℃并保温0.5~5h后,以0.1~0.9℃/min的炉冷速率下冷却到100~300℃,保温0.1-10h后再水淬到室温。
所述的进行多级热处理是先把均匀化后的Fe-Ga合金铸锭加热到600~1000℃并保温0.5-5h后,以0.1~0.9℃/min的炉冷速率冷却到100~300℃,再次保温0.1~10h后水淬到室温。综合性能优异的磁致伸缩Fe-Ga合金在室温下为单一的体心立方结构相。
本发明均匀化后的Fe-Ga合金铸锭在多级热处理炉冷降温过程中经历了L12相从A2单相中析出再溶解的过程,在100~300℃重新得到一种单一的体心立方结构相,通过水淬,这种单一的体心立方结构相可保存到室温。含有这种单一的体心立方结构相的Fe-Ga合金沿磁场方向的饱和磁致伸缩大于100ppm,电阻率在70~100μΩcm之间。
本发明制备的Fe-Ga合金铸锭为Fe-Ga多晶合金,与传统的通过高温(≥600℃)水淬方法制备Fe-Ga多晶合金相比具有的有益效果:通过多级热处理获得的Fe-Ga多晶合金的室温磁致伸缩比高温水淬方法制备的Fe-Ga多晶合金的磁致伸缩提高了至少1/3,并且没有影响饱和磁化场、相对磁导率和使用温度区间;电阻率有所上升,这对降低Fe-Ga合金在高频段使用时产生的涡流损耗有重要意义。其次,多级热处理如果应用在相同成分的Fe-Ga合金单晶或取向多晶合金中,将使目前在Fe-Ga合金中获得的最大磁致伸缩400ppm提高到至少530ppm,这将大大拓展磁致伸缩材料的应用领域。
本发明中Fe-Ga合金铸锭的多级热处理制度同样适用于相同成分范围内的Fe-Ga单晶或取向多晶合金。
附图说明
图1(a)是Fe-Ga合金的平衡相图;
图1(b)是Fe-Ga合金的亚稳相图;
图2是Fe81Ga19合金以0.45℃/min的冷却速度从1000℃炉冷到300℃,在不同温度下把样品取出水淬的XRD图谱,目的是观察Fe81Ga19的相结构转变,从中可以清楚看到L12相从A2单相中析出再溶解的过程,在300℃获得一种单一的体心立方结构相;
图3是Fe81Ga19合金以0.45℃/min的冷却速度从1000℃炉冷到300℃,保温0.1h后水淬,Fe81Ga19合金在室温下的磁致伸缩曲线。
具体实施方式
下面通过实施例,对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
实施例1:
1)熔炼铸棒,采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料,按原子百分比75∶25称量后放入石英坩锅内,调节真空室的真空度达到5×10-2~2×10-3Pa,通入高纯氩气作保护气体,中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成直径为12mm的棒状Fe75Ga25合金铸锭。;
2)成分均匀化,将熔炼好的Fe75Ga25合金铸锭在1000℃进行168h长时间保温,随炉冷;
3)多级热处理,将均匀化后的Fe75Ga25合金铸锭真空封装后加热到1000℃,保温3h,以0.9℃/min的炉冷速率冷却到200℃保温3h,再水淬到室温。
表1:本方法制备的Fe75Ga25多晶合金与传统方法(800℃水淬)制备的Fe75Ga25多晶合金饱和磁致伸缩、相对磁导率,电阻率的测试结果对比:
Fe<sub>75</sub>Ga<sub>25</sub> | 饱和磁致伸缩(ppm) | 相对磁导率 | 电阻率(μΩcm) | 使用温度区间(℃) |
本发明 | 108 | 272 | 96 | -19~73 |
传统方法 | 55 | 270 | 88 | -20~78 |
由表可以看出,用本发明要求的方法制备的Fe75Ga25多晶合金与传统方法相比,相对磁导率和使用温度区间变化不大,但饱和磁致伸缩达到108ppm,是传统方法的1.96倍,电阻率则提高了8.3%。因此,相比于传统方法,该方法制备的Fe75Ga25多晶合金更能满足使用要求。
实施例2:
1)熔炼铸棒,采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料,按原子百分比81∶19称量后放入石英坩锅内,调节真空室的真空度达到5×10-2~2×10-3Pa,通入高纯氩气作保护气体,中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成直径为12mm的棒状Fe81Ga19合金铸锭;
2)成分均匀化,将熔炼好的Fe81Ga19合金铸锭在1000℃进行24h长时间保温,随炉冷;
3)多级热处理,将均匀化后的Fe81Ga19合金铸锭真空封装后加热到1000℃,保温0.5h,以0.45℃/min的炉冷速率冷却到300℃保温0.1h,再水淬到室温。
表2:本方法制备的Fe81Ga19多晶合金与传统方法(800℃水淬)制备的Fe81Ga19多晶合金饱和磁致伸缩、相对磁导率,电阻率的测试结果对比:
Fe<sub>81</sub>Ga<sub>19</sub> | 饱和磁致伸缩(ppm) | 相对磁导率 | 电阻率(μΩcm) | 使用温度区间(℃) |
本发明 | 116 | 283 | 94 | -20~80 |
传统方法 | 78 | 281 | 83 | -22~83 |
由表可以看出,用本发明要求的方法制备的Fe81Ga19多晶合金与传统方法相比,相对磁导率和使用温度区间变化不大,但饱和磁致伸缩和电阻率分别提高47%和11.7%。因此,相比于传统方法,该方法制备的Fe81Ga19多晶合金更能满足使用要求。
实施例3:
1)熔炼铸棒,采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料,按原子百分比81∶19称量后放入石英坩锅内,调节真空室的真空度达到5×10-2~2×10-3Pa,通入高纯氩气作保护气体,中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成直径为12mm的棒状Fe81Ga19合金铸锭;
2)成分均匀化,将熔炼好的Fe81Ga19合金铸锭在1100℃进行72h长时间保温,随炉冷;
3)多级热处理,将均匀化后的Fe81Ga19合金铸锭真空封装后加热到800℃,保温5h,以0.17℃/min的炉冷速率冷却到100℃保温6h,再水淬到室温。
表3:本方法制备的Fe81Ga19多晶合金与传统方法(800℃水淬)制备的Fe81Ga19多晶合金饱和磁致伸缩、相对磁导率,电阻率的测试结果对比:
Fe<sub>81</sub>Ga<sub>19</sub> | 饱和磁致伸缩(ppm) | 相对磁导率 | 电阻率(μΩcm) | 使用温度区间(℃) |
本发明 | 108 | 280 | 90 | -20~80 |
传统方法 | 78 | 281 | 79 | -22~83 |
由表可以看出,用本发明要求的方法制备的Fe81Ga19多晶合金与传统方法相比,在相对磁导率和使用温度区间变化不大的基础上,饱和磁致伸缩和电阻率分别达到108ppm和90μΩcm。因此,相比于传统方法,该方法制备的Fe81Ga19多晶合金更能满足使用要求。
实施例4:
1)熔炼铸棒,采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料,按原子百分比85∶15称量后放入石英坩锅内,调节真空室的真空度达到5×10-2~2×10-3Pa,通入高纯氩气作保护气体,中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成直径为12mm的棒状Fe85Ga15合金铸锭;
2)成分均匀化,将熔炼好的Fe85Ga15合金铸锭在1200℃进行72h长时间保温,随炉冷;
3)多级热处理,将均匀化后的Fe85Ga15合金铸锭真空封装后加热到600℃,保温3h,以0.1℃/min的炉冷速率冷却到200℃保温10h,再水淬到室温。
表4:本方法制备的Fe85Ga15多晶合金与传统方法(800℃水淬)制备的Fe85Ga15多晶合金饱和磁致伸缩、相对磁导率,电阻率的测试结果对比:
Fe<sub>85</sub>Ga<sub>15</sub> | 饱和磁致伸缩(ppm) | 相对磁导率 | 电阻率(μΩcm) | 使用温度区间(℃) |
本发明 | 105 | 291 | 86 | -20~80 |
传统方法 | 68 | 295 | 78 | -19~78 |
由表可以看出,用本发明要求的方法制备的Fe85Ga15多晶合金与传统方法相比,相对磁导率和使用温度区间变化不大,饱和磁致伸缩和电阻率分别达到105ppm和86μΩcm,分别增加了54.4%和9.3%。因此,相比于传统方法,该方法制备的Fe85Ga15多晶合金更能满足使用要求。
Claims (1)
1.一种综合性能优异的磁致伸缩合金的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
1)熔炼铸棒,采用纯度大于99.9wt%的Fe和Ga为原料,按用量比例称量后放入石英坩锅内,调节真空室的真空度达到5×10-2~2×10-3Pa,通入高纯氩气作保护气体,中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成直径为12mm的棒状Fe-Ga合金铸锭,Fe-Ga合金铸锭的成分及原子百分比为Fe:85-75%;Ga:15-25%;
2)成分均匀化,将熔炼好的Fe-Ga合金铸锭在高温1000~1200℃进行24~168h保温,随炉冷;
3)多级热处理,将均匀后的Fe-Ga合金铸锭真空封装后进行多级热处理获得综合性能优异的磁致伸缩Fe-Ga合金;
所述的进行多级热处理是先把均匀化后的Fe-Ga合金铸锭加热到600~1000℃并保温0.5-5h后,以0.1~0.9℃/min的炉冷速率冷却到100~300℃,再次保温0.1~10h后水淬到室温;
所述的综合性能优异的磁致伸缩Fe-Ga合金在室温下为单一的体心立方结构相。
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