CN104946955B - 一种Fe‑Ni金属基磁致伸缩材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe‑Ni金属基磁致伸缩材料,按照重量百分比由以下组分组成:Fe 25‑42%、Ni 20‑46%、Cr 4‑6%、Ti 2‑3%、Si 1‑2%、Al 0‑1%、Co0‑26%,上述各组分的重量百分比之和为100%。本发明还公开了Fe‑Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法:将称取的各组分混合并压制成型进行熔炼合金,然后吸铸成合金棒进行锻打,在真空条件下进行加热,之后进行热轧处理和打磨,消除表面氧化皮,在拉丝机上进行冷拔,最后再进行热处理,得到Fe‑Ni金属基磁致伸缩材料。该制备方法简单,效率高,便于进行大规模批量生产。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域,涉及一种Fe-Ni金属基磁致伸缩材料,本发明还涉及该Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法。
背景技术
磁致伸缩材料是指在外加磁场作用下,形状或尺寸发生变化的一种铁磁性材料。磁致伸缩材料大致上主要有三大类:一是具有磁致伸缩效应的金属与合金,如镍基合金和铁基合金,其饱和磁化强度较高,力学性能好,具有可变形的特点;二是铁氧体(如Ni-Zn,Ni-Co-Cu等)磁致伸缩材料,其饱和磁化强度低,价格低廉、高频特性好;三是以Tb-Dy-Fe材料为代表的稀土金属间化合物磁致伸缩材料,其磁致伸缩性能远高于传统磁致伸缩材料,但其价格昂贵、磁化磁场高、性脆。
随着科技的发展,磁致伸缩材料的应用越来越广泛。由于稀土磁致伸缩材料价格昂贵,不可进行形变加工,在大量程的传感器应用中会受到限制。因此,开发出一种价格低廉,机械性能和磁致伸缩性能良好,可加工变形的金属基磁致伸缩材料是非常必要的。
Fe-Ni磁致伸缩材料具有可变形,能拉成细丝、可轧成薄带的优点,在阀门液压、声学换能、微位移等领域的应用有很大进展,在精密定位、微电子技术、光纤技术、生物工程及微型机电***等领域也有广阔的发展空间。目前,国外金属磁致伸缩材料的制备技术比较成熟,制备的材料综合性能较 好,但是价格昂贵,而且国外对金属磁致伸缩材料的成分及制备工艺保密,没有相关文献可供借鉴,我国自主性研发的金属磁致伸缩材料所得信号余波太多且材料太硬,磁致伸缩性差,表面质量均匀性差,波导丝信号稳定性差,使传感器的检测结果精度变差。
发明内容
本发明的目的是提供一种Fe-Ni金属基磁致伸缩材料,解决了现有金属基磁致伸缩材料磁致伸缩性差的问题。
本发明的另一目的是提供上述Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法。
本发明所采用的第一种技术方案是:一种Fe-Ni金属基磁致伸缩材料,按照重量百分比由以下组分组成:Fe 25-42%、Ni 20-46%、Cr 4-6%、Ti 2-3%、Si 1-2%、Al 0-1%、Co0-26%,上述各组分的重量百分比之和为100%。
本发明所采用的第二种技术方案是:Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1:按照质量百分比称取Fe 25-42%、Ni 20-46%、Cr 4-6%、Ti 2-3%、Si 1-2%、Al 0-1%、Co0-26%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
步骤7:对合金棒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,得到直径为0.5-1mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni 金属基磁致伸缩材料。
本发明第二种技术方案的特点还在于,
步骤2中压制成型的具体方法为:将各组分放入模具中在28-32吨压制下保持28-32秒压制成型。
步骤3中进行熔炼合金的具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为1~3×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2-3min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤3~5次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼。
步骤5中对合金棒进行锻打的具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1000-1100℃,取出后在成型模中反复锻打。
步骤6中加热的温度为500-600℃,并保温1.5-2.5h。
步骤8中热处理的温度为550-650℃,热处理的时间为1.5-2.5h。
本发明的有益效果是:一种Fe-Ni金属基磁致伸缩材料,Ni和Co可以提高材料的磁导率和饱和磁化强度;Cr增加合金抗氧化及耐腐蚀能力;Ti降低Ni-Fe合金热弹系数对成分的敏感性,细化晶粒,改善综合性能;Si降低矫顽力,有减小晶体各向异性倾向,使磁化容易,磁阻减小;Fe磁性能优异,可进行变形加工;综合上述组分制备的Fe-Ni金属基磁致伸缩材料磁致伸缩良好。另外,Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法简单,效率高,便于进行大规模批量生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种Fe-Ni金属基磁致伸缩材料,按照重量百分比由以下组分组成:Fe 25-42%、Ni 20-46%、Cr 4-6%、Ti 2-3%、Si 1-2%、Al 0-1%、Co0-26%,上述各组分的重量百分比之和为100%。
上述Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1:按照质量百分比称取Fe 25-42%、Ni 20-46%、Cr 4-6%、Ti 2-3%、Si 1-2%、Al 0-1%、Co0-26%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
具体方法为:将各组分放入模具中在28-32吨压制下保持28-32秒压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为1~3×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2-3min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤3~5次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1000-1100℃,取出后在成型模中反复锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
加热的温度为500-600℃,并保温1.5-2.5h;
步骤7:对合金棒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,得到直径为0.5-1mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料;
热处理的温度为550-650℃,热处理的时间为1.5-2.5h。
一种Fe-Ni金属基磁致伸缩材料,Ni和Co可以提高材料的磁导率和饱和磁化强度;Cr增加合金抗氧化及耐腐蚀能力;Ti降低Ni-Fe合金热弹系数对成分的敏感性,细化晶粒,改善综合性能;Si降低矫顽力,有减小晶体各向异性倾向,使磁化容易,磁阻减小;Fe磁性能优异,可进行变形加工;综合上述组分制备的Fe-Ni金属基磁致伸缩材料磁致伸缩良好。另外,Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法简单,效率高,便于进行大规模批量生产。
实施例1
步骤1:按照质量百分比称取Fe 25%、Ni 46%、Cr 5%、Ti 2.5%、Si 1.5%、Al0.5%、Co19.5%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
具体方法为:将各组分放入模具中在28吨压制下保持28秒压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为1×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤3次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1000℃,取出后在成型模中反复锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
加热的温度为500℃,并保温1.5h;
步骤7:对合金棒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,得到直径为0.5mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料;
热处理的温度为550℃,热处理的时间为1.5h。
实施例2
步骤1:按照质量百分比称取Fe 30%、Ni 40%、Cr 6%、Ti 2%、Si 2%、Co20%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
具体方法为:将各组分放入模具中在30吨压制下保持30秒压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为2×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2.5min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤4次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1050℃,取出后在成型模中反复锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
加热的温度为550℃,并保温2h;
步骤7:对合金棒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,得到直径为0.8mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料;
热处理的温度为600℃,热处理的时间为2h。
实施例3
步骤1:按照质量百分比称取Fe 40%、Ni 36%、Cr4%、Ti 3%、Si 1%、Al 1%、Co15%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
具体方法为:将各组分放入模具中在32吨压制下保持32秒压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为3×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼3min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤5次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1100℃,取出后在成型模中反复锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
加热的温度为600℃,并保温2.5h;
步骤7:对合金棒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,得到直径为1mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料;
热处理的温度为650℃,热处理的时间为2.5h。
实施例4
步骤1:按照质量百分比称取Fe 42%、Ni 46%、Cr 6%、Ti 3%、Si 2%、Al 1%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
具体方法为:将各组分放入模具中在30吨压制下保持28秒压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为2×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2.5min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤4次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1050℃,取出后在成型模中反复锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
加热的温度为550℃,并保温2h;
步骤7:对合金棒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,得到直径为0.8的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料;
热处理的温度为650℃,热处理的时间为2.5h。
实施例5
步骤1:按照质量百分比称取Fe 42%、Ni 20%、Cr 6%、Ti 3%、Si 2%、Al 1%、Co26%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
具体方法为:将各组分放入中在28吨压制下保持28秒压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金;
具体方法为:
步骤3.1:将步骤2中压制成型后的原料抽真空,在真空度为1×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并重复上述步骤5次使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1000℃,取出后在成型模中反复锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
加热的温度为500℃,并保温2h;
步骤7:对合金棒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,得到直径为1mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料;
热处理的温度为550℃,热处理的时间为1.5h。
采用电阻应变片法测量Fe-Ni合金的磁致伸缩系数,如表1所示,其中,1号样的成分为Fe48Ni43Cr5Ti2.5SiAl0.5,2号样的成分为Fe48.5Ni43Cr4Ti2Si2Al0.5,3号样的成分为Fe46Ni29Co14Cr6Ti3SiAl,4号样的成分为Fe46Ni43Cr6Ti3SiAl。
由表1中可以看出,1号样在847Oe的磁场下磁致伸缩性能最好,其饱和磁致伸缩系数为27ppm;2号样在690Oe的磁场下磁致伸缩性能最好,其饱和磁致伸缩系数为26ppm;3号样在756Oe的磁场下磁致伸缩性能最好,其饱和磁致伸缩系数为24ppm;4号样在635Oe的磁场下磁致伸缩性能最好,其饱和磁致伸缩系数为28ppm。由此可知4号样达到饱和磁致伸缩系数所需的磁场最小,且与其他三者相比,4号样的磁致伸缩性能最优。
通过对现有Fe-Ni磁致伸缩材料的研究可知,其磁致伸缩性能可以达到30ppm,但是达到饱和磁致伸缩需要的磁场强度为2000Oe,本发明制备的Fe-Ni合金不需要太大的磁场就可以达到饱和磁致伸缩值,是现有的Fe-Ni合金达到饱和磁致伸缩性能所需磁场大小的三分之一左右。因此,本发明制 备的Fe-Ni合金具有很大的研究价值和发展前景。
表1。
Claims (5)
1.Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1:按照质量百分比称取Fe 25-42%、Ni 20-46%、Cr 4-6%、Ti 2-3%、Si 1-2%、Al 0-1%、Co15-26%的粉末,上述各组分的重量百分比之和为100%;
步骤2:将步骤1称取的各组分混合并压制成型;
步骤3:将步骤2压制成型后的原料进行熔炼合金:
步骤3.1:在真空度为1-3×10-3Pa时充入氩气至炉腔内气压达到5×104Pa;
步骤3.2:熔炼2-3min至所有组分完全熔化;
步骤3.3:翻转并反复步骤3.1和步骤3.2共3~5次,使合金各组分分布均匀,以完成合金的熔炼;
步骤4:将步骤3熔炼好的合金吸铸成合金棒;
步骤5:对步骤4的合金棒进行锻打;
步骤6:将步骤5进行锻打后的合金棒在真空条件下进行加热;
步骤7:对合金棒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,得到直径为0.5-1mm的Fe-Ni合金丝;
步骤8:在氩气保护下对步骤7的Fe-Ni合金丝进行热处理,得到Fe-Ni金属基磁致伸缩材料。
2.根据权利要求1所述的Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述步骤2中压制成型的具体方法为:将各组分放入模具中在28-32吨压制下保持28-32秒压制成型。
3.根据权利要求1所述的Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述步骤5中对合金棒进行锻打的具体方法为:将吸铸好的合金棒置于箱式烧结炉中加热到1000-1100℃,取出后在成型模中反复锻打。
4.根据权利要求1所述的Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述步骤6中加热的温度为500-600℃,并保温1.5-2.5h。
5.根据权利要求1所述的Fe-Ni金属基磁致伸缩材料的制备方法,其特征在于,所述步骤8中热处理的温度为550-650℃,热处理的时间为1.5-2.5h。
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