CN101262039B - Fe-Ga基磁致伸缩丝以及使用这种材料的器件 - Google Patents
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Abstract
一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，材料成分为Fe1-x-yGaxMy，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30at％，y＝0～15at％，余量为铁；直径d为0.1～5mm。以及使用这种Fe-Ga基磁致伸缩丝的器件。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料领域，涉及一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，该材料能够用作传感器等器件的敏感元件。
技术背景
将磁致伸缩材料置于一定方向的外磁场中时，材料磁畴的自发磁化方向将转向外磁场方向，如果磁畴沿自发磁化方向的线度与其它方向的线度不同，就会发生应变，进而产生应力，从宏观角度看，材料沿外磁场的尺度发生变化，即焦耳(Joule)效应，反之材料磁畴方向在应力的作用下发生变化时也会引起材料磁感应强度的变化，称之为维拉里(Villari)效应或焦耳逆效应或磁致伸缩逆效应。当沿外磁场方向叠加一定强度的交变磁场时，磁畴方向也会随外磁场作同频变化，在材料内部产生交变应力，这时应变在交变应力的作用下在材料中传播形成纵波，其逆效应可以用来接收纵波，除了纵向伸缩效应外，在垂直于外磁场的平面上施加环形磁场将形成螺旋磁场，磁致伸缩材料会发生扭转振动，产生扭转波，称为维德曼(Wiedemann)效应，相应的维德曼逆效应，也称曼塔希(Matteuci)效应也可以将扭转波转换为磁感应强度的变化。
利用维德曼(Wiedemann)效应，磁致伸缩材料可加工成丝材(即磁致伸缩丝、磁致伸缩线或波导丝)作为位移传感器、磁弹性型扭矩传感器、杨氏模量传感器等器件的敏感元件，他们可将输入变量转换成可供测量的信号。这类传感器在质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等领域发挥着重要的作用。虽然Terfenol合金有很大的磁致伸缩值，但它的性质很脆，难以加工成丝材。目前应用的波导丝主要是Fe-Ni基合金丝、非晶态合金丝，但它们的磁致伸缩逆效应较弱，影响测试的灵敏度和精度。
最近人们发现，Fe-Ga合金存在较高的磁致伸缩系数(0.02％～0.03％)，而饱和磁场只有15920～23880A/m；此外，由于Fe-Ga合金为金属固溶体，有较好的延展性和机械加工性能，可以加工成各种复杂的形状；并且，该合金还具有很好的温度特性，能在很宽的温度范围内使用。利用Fe-Ga合金设计器件，或使产品的灵敏度大幅度提高，或使产品微型化，或使传统技术不可能获得的功能得以实现，是一种极具市场潜力的新型材料。高品质的Fe-Ga磁致伸缩丝，由于具有上述优良的特性，用于磁致伸缩传感器的敏感元件，可以大大提高传感器的灵敏度和精度。
中国专利CN 1649183A，公开了一种成分为Fe1-xGax(其中x＝0.15-0.30)的Fe-Ga磁致伸缩棒材及采用区熔法制备该Fe-Ga磁致伸缩棒材的方法。
中国专利CN 1392616A，公开了一种成分为Fe100-x-yGaxMyQ(其中x＝10-40at％，M为A1、Be、Cr、In、Cd、Mo、Ge，y＝0-15at％，Q为C、N、O附加杂质)的Fe-Ga磁致伸缩棒材及用高温度梯度快速定向凝固法或提拉法或Bridgman制备该单晶或多晶Fe-Ga磁致伸缩棒材的方法。
日本专利JP2003286550，公开的一种成分为Fe1-xGax(其中x＝0.15-0.21)的Fe-Ga超磁致伸缩棒材，以及采用快速凝固法制备该多晶Fe-Ga合金的方法。
美国专利WO0155687和US2003010405，公布了制备成分为70-90at％Fe和5-30at％Ga的单晶<100>轴向取向的Fe-Ga合金、采用DS和DG(directional growth)工艺制备多晶Fe-Ga合金和轧制制备Fe-Ga合金带材的方法。
美国专利WO2006094251，公布了一种成分为(Fe100-x-y-zGaxAlyBez)a(NbC)b(其中x≤32.5at％，y≤17at％，z≤25at％，a≥97at％，≤3at％，x+y+z≤32.5at％)的Fe-Ga磁致伸缩棒材，以及采用热机械法制备该Fe-Ga合金带材的方法。
公开的这些Fe-Ga专利都是关于Fe-Ga磁致伸缩棒材或带材的专利，均未发现有关于Fe-Ga磁致伸缩丝方面的专利。
发明内容：
本发明的目的：提供一种磁致伸缩性能和机械加工性能优越的Fe-Ga基磁致伸缩丝，用于磁致伸缩传感器的敏感元件，提高传感器的灵敏度和精度。
本发明的目的通过如下措施来达到：
(1)本发明表征了成分为Fe1-x-yGaxMy的Fe-Ga基磁致伸缩丝，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30at％，y＝0.01～15at％，余量为铁。
实践证明，当Ga含量处于5～30at％时，磁致伸缩性能良好，磁致伸缩系数均大于0.005％。而加入Zr，Ti等过渡族元素可以提高Fe-Ga合金丝的高温力学性能；过渡族元素Co可以提高Fe-Ga合金丝的居里温度，拓宽使用温度范围；而Ni可以增加合金丝的抗蚀能力。掺入元素S有利于拉拔过程中形成<100>和<110>取向。由于Al、In和Ga元素属于同族，并且Fe-Al合金的磁致伸缩性能达到了0.014％，所以掺入适量的Al或In，可以适当改善磁致伸缩性能，并且掺入Al可以降低成本。
(2)本发明中Fe-Ga基磁致伸缩丝的直径为0.1mm～5mm；该Fe-Ga基磁致伸缩丝的磁致伸缩系数大于0.005％，可应用于各类传感器的敏感元件。
本发明中Fe-Ga基磁致伸缩丝，以及所述磁致伸缩丝(或磁致伸缩线、波导丝)作为敏感元件的传感器，具有如下较为显著的优点：
本发明Fe-Ga基磁致伸缩丝具有良好的磁致伸缩逆效应，作为传感器等器件的敏感元件，可提高测试的灵敏度和精度；此外，本发明Fe-Ga基磁致伸缩丝具有良好的强度和韧性，可以在较恶劣的环境下使用。
附图说明
图1为Fe-Ga合金丝磁致伸缩曲线图。
图2为Fe-Ga合金丝极图。
本发明优选实施例的详细描述：
在优选实施例中，成分优选如下：Fe1-x-yGaxMy，x＝5～30at％，y＝0.01～7at％。由于Fe-Ga合金为金属固溶体，有良好的机械加工性能，采用钢丝或合金丝相似的拉拔技术，可以制造出Fe1-x-yGaxMy的磁致伸缩丝。先将Fe-Ga合金熔炼成棒材，采用高温旋锻击碎铸态下的组织，使晶粒细化并呈等轴状，以便后面的拉拔，同时使棒材产生一定压缩比，以满足拉丝工艺对坯料尺寸和性能的要求，然后采用拉拔的方法制成细丝。
具体实施例：
以下用实例对本发明作进一步说明。本发明保护范围不受这些实施例的限制，本发明保护范围由权利要求书决定。
实施例：
所述制得的Fe-Ga基磁致伸缩丝，化学成分以原子百分数计，见表1～3；尺寸规格和磁致伸缩性能见表4～6。
表1
表2
表3
表4
表5
表6
Claims (5)
1.一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于：材料的成分为Fe1-x-yGaxMy，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30at％，y＝0.01～15at％，余量为铁；丝的直径为0.1～5mm。
2.根据权利要求1所述的Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于：丝的直径为0.4～2mm。
3.根据权利要求1所述的Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于：所述的材料成分x＝5～30at％，y＝0.01～7at％。
4.根据权利要求1所述的Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于：磁致伸缩系数大于0.005％。
5.包含用权利要求1-4任一项所述的Fe-Ga基磁致伸缩丝作为磁致伸缩传感器的敏感元件。
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