專(zhuān)利名稱(chēng)：大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法。
背景技術(shù)：
磁致伸縮材料具有電磁能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換功能，是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料，在聲納的水聲換能器技術(shù)、電聲換能器技術(shù)、海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)技術(shù)、微位移驅(qū)動(dòng)、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機(jī)翼、機(jī)器人、自動(dòng)化技術(shù)、燃油噴射技術(shù)、閥門(mén)、泵、波動(dòng)采油等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。
目前，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的大部分磁致伸縮材料是鐵磁性的，如Fe-Al合金、Fe-Ni合金、Tb-Dy-Fe合金和Fe-Ga合金等。在這些體系合金中獲得大磁致伸縮的往往采用定向凝固技術(shù)，即在凝固過(guò)程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到具有特定取向柱狀晶，此種方法耗時(shí)耗能制備成本高。
以Tb-Dy-Fe合金為代表的稀土超磁致伸縮材料，采用定向凝固技術(shù)使合金沿<110>、<112>和<111>方向擇優(yōu)取向，能夠在壓力下產(chǎn)生高達(dá)2000ppm的磁致伸縮。雖然這種材料具有大的磁致伸縮應(yīng)變，但材料抗拉伸能力弱、質(zhì)地脆、容易在空氣中氧化，而且原材料中60％以上為稀土元素，價(jià)格昂貴，使原材料成本居高不下，這些缺點(diǎn)都限制了該材料在各方面的實(shí)際應(yīng)用。本世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)采用定向凝固方法制備的<100>取向的Fe-Ga磁致伸縮合金具有大的低場(chǎng)磁致伸縮，并且具有良好的機(jī)械性能，但兩組分熔點(diǎn)差別大，熔煉過(guò)程中Ga元素?fù)]發(fā)嚴(yán)重，造成合金成分難以控制；最近開(kāi)發(fā)的Fe-Ga合金甩帶材料，雖然也能夠產(chǎn)生不亞于Tb-Dy-Fe材料的磁致伸縮大小，但是其材料韌性與鑄態(tài)或定向凝固態(tài)材料相比要下降很多；此外，Ga元素比某些稀土元素價(jià)格還要高，其原材料成本和制備成本高的問(wèn)題依然不能解決。
怎樣降低大磁致伸縮材料的成本成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。Fe52Mn48合金鑄態(tài)材料的室溫磁致伸縮值達(dá)到169ppm，可以與定向凝固態(tài)Fe-Ga合金相當(dāng)。而且，F(xiàn)e和Mn均屬于廉價(jià)金屬元素，如果能進(jìn)一步提高該材料的磁致伸縮值，將可以降低大磁致伸縮材料的原材料成本。
本發(fā)明采用一種熔體快淬技術(shù)制備出一種能夠在室溫產(chǎn)生大磁致伸縮應(yīng)變的鐵錳合金薄帶材料。這種制備方法使合金熔體以＞106℃/s的冷卻速度冷卻形成薄帶材料，貼輥面和自由面之間大的溫度梯度使薄帶厚度方向形成柱狀晶結(jié)構(gòu)，有利于獲得大磁致伸縮材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法。
大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法包括如下步驟1)將Fe、Mn元素按用量比例稱(chēng)量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5×10-2～2×10-3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑10～13mm的棒料，待用，棒料的成分為FexMn1-x(at％)，其中40≤x≤75；2)將上述棒料放入臥式真空熱處理爐進(jìn)行熱處理，真空度為5×10-3～2×10-3Pa，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，在溫度800～1000℃，保溫24～120小時(shí)，隨爐冷卻；3)將上述經(jīng)熱處理的合金棒料放入石英管內(nèi)熔化進(jìn)行快淬，快淬爐包含感應(yīng)加熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)純銅輥輪和氣體噴壓裝置，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3～2×10-3Pa后，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，石英管內(nèi)的料棒經(jīng)感應(yīng)加熱熔化，調(diào)節(jié)與石英管連通的氣體噴淬壓力為1.1～1.4atm，石英管下方的純銅輥轉(zhuǎn)速為8～25m/s，石英管的噴淬口徑為直徑為1～5mm的圓形口徑，最終制備出薄帶材料。
所述薄帶材料寬度為1～8mm，薄帶材料厚度為10～100μm。
本發(fā)明采用一種熔體快淬技術(shù)制備出一種能夠在室溫產(chǎn)生大磁致伸縮應(yīng)變的鐵錳合金薄帶材料。這種制備方法使合金熔體以＞106℃/s的冷卻速度冷卻形成薄帶材料，貼輥面和自由面之間大的溫度梯度使薄帶厚度方向形成柱狀晶結(jié)構(gòu)，有利于獲得大磁致伸縮材料。采用熔體快淬法制備的Fe-Mn合金薄帶材料，磁場(chǎng)垂直薄帶面時(shí)，帶長(zhǎng)方向能夠在1.9T磁場(chǎng)中產(chǎn)生400～800ppm的大磁致伸縮，是一種應(yīng)用前景廣闊的新型大磁致伸縮材料；由于原材料成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝易控，適合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，必能帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是本發(fā)明材料之一Fe50Mn50合金薄帶在室溫時(shí)的磁致伸縮曲線圖。
圖2是本發(fā)明材料之一Fe52Mn48合金薄帶在室溫時(shí)的磁致伸縮曲線圖。
圖3是本發(fā)明材料之一Fe55Mn45合金薄帶在室溫時(shí)的磁致伸縮曲線圖。
圖4是本發(fā)明材料之一Fe60Mn40合金薄帶在室溫時(shí)的磁致伸縮曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種能夠在室溫產(chǎn)生大磁致伸縮的鐵錳合金薄帶材料，其成分為FexMn1-x(at％)，其中40≤x≤75。
本發(fā)明制備上述材料的工藝為第一步鑄棒，將Fe、Mn元素按用量比例稱(chēng)量后放入石英坩鍋內(nèi)，真空室的真空度達(dá)到5×10-2～2×10-3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，采用高頻感應(yīng)加熱方式使合金熔化，并保溫一段時(shí)間；之后，將熔化后的合金液倒入水冷銅模中，使其冷卻凝固成直徑12mm的棒料，待用；第二步熱處理，在臥式真空熱處理爐，將料棒裝入石英管內(nèi)，調(diào)節(jié)石英管真空至5×10-3～2×10-3Pa，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，在3小時(shí)內(nèi)使料棒溫度達(dá)到溫度800-1000℃，保溫24-120小時(shí)，隨爐冷卻；第三步快淬，在真空快淬爐中進(jìn)行，調(diào)節(jié)真空度至5×10-3～2×10-3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，使熱處理后的合金在石英管內(nèi)熔化，進(jìn)行快淬，各項(xiàng)工藝參數(shù)為噴淬壓力1.1-1.4atm，純銅輥轉(zhuǎn)速8-25m/s，噴淬口徑為直徑為1-5mm的圓形口徑。
上述薄帶材料的磁致伸縮大小如表1所示。
表1.Fe-Mn合金薄帶材料的磁致伸縮性能

實(shí)施例11)棒狀鐵錳合金鑄錠通過(guò)高真空感應(yīng)熔煉配合銅模澆鑄的方法制得，鐵錳合金名義成分為Fe50Mn50(at％)，棒狀合金鑄錠直徑12mm，長(zhǎng)度為100mm。
2)對(duì)合金鑄錠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間均勻化真空熱處理，鑄錠在3小時(shí)內(nèi)從室溫升到1000℃，保溫24小時(shí)后，隨爐冷卻。
3)通過(guò)高真空快淬爐制得鐵錳合金薄帶，輥材為純銅，高純氬氣保護(hù)，噴淬壓力1.2atm，石英管采用直徑為5mm的圓形口徑，鐵錳合金薄帶的快淬速度為8m/s。
圖1為采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量的當(dāng)磁場(chǎng)垂直帶面時(shí)，薄帶帶長(zhǎng)方向的磁致伸縮曲線。該材料在1.9T磁場(chǎng)中的磁致伸縮達(dá)593ppm。
實(shí)施例21)棒狀鐵錳合金鑄錠通過(guò)高真空感應(yīng)熔煉配合銅模澆鑄的方法制得，鐵錳合金名義成分為Fe52Mn48(at％)，棒狀合金鑄錠直徑12mm。
2)對(duì)合金鑄錠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間均勻化真空熱處理，鑄錠在3小時(shí)內(nèi)從室溫升到1000℃，保溫24小時(shí)后，隨爐冷。
3)通過(guò)高真空快淬爐制得鐵錳合金薄帶，輥材為純銅，高純氬氣保護(hù)，噴淬壓力1.4atm，石英管采用直徑為5mm的圓形口徑或矩形口徑，鐵錳合金薄帶的快淬速度為15m/s。
圖2為采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量的磁場(chǎng)垂直帶面時(shí)，帶長(zhǎng)方向的磁致伸縮曲線。該材料在1.9T磁場(chǎng)中的磁致伸縮達(dá)405ppm。
實(shí)施例31)棒狀鐵錳合金鑄錠通過(guò)高真空感應(yīng)熔煉配合銅模澆鑄的方法制得，鐵錳合金名義成分為Fe55Mn45(at％)，棒狀合金鑄錠直徑12mm。
2)對(duì)合金鑄錠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間均勻化真空熱處理，鑄錠在3小時(shí)內(nèi)從室溫升到850℃，保溫72小時(shí)后，隨爐冷卻。
3)通過(guò)高真空快淬爐制得鐵錳合金薄帶，輥材為純銅，高純氬氣保護(hù)，噴淬壓力1.4atm，石英管采用直徑為5mm的圓形口徑，鐵錳合金薄帶的快淬速度為8m/s。
圖3為采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量的磁場(chǎng)垂直帶面時(shí)，帶長(zhǎng)方向的磁致伸縮曲線。該材料在1.9T磁場(chǎng)中的磁致伸縮達(dá)455ppm。
實(shí)施例41)棒狀鐵錳合金鑄錠通過(guò)高真空感應(yīng)熔煉配合銅模澆鑄的方法制得，鐵錳合金名義成分為Fe60Mn40(at％)，棒狀合金鑄錠直徑12mm。
2)對(duì)合金鑄錠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間均勻化真空熱處理，鑄錠在3小時(shí)內(nèi)從室溫升到900℃，保溫48小時(shí)后，隨爐冷。
3)通過(guò)高真空快淬爐制得鐵錳合金薄帶，輥材為純銅，高純氬氣保護(hù)，噴淬壓力1.4atm，石英管采用直徑為5mm的圓形口徑，鐵錳合金薄帶的快淬速度為20m/s。
圖4為采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量的磁場(chǎng)垂直帶面時(shí)，帶長(zhǎng)方向的磁致伸縮曲線。該材料在1.9T磁場(chǎng)中的磁致伸縮達(dá)626ppm。
實(shí)施例51)將Fe、Mn元素按用量比例稱(chēng)量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)5×10-2Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑10mm的棒料，棒料的成分為FexMn1-x(at％)，其中x＝40；2)將上述棒料放入臥式真空熱處理爐進(jìn)行熱處理，真空度為5×10-3Pa，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，在溫度800℃，保溫24小時(shí)，隨爐冷卻；3)將上述經(jīng)熱處理的合金棒料放入石英管內(nèi)熔化進(jìn)行快淬，快淬爐包含感應(yīng)加熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)純銅輥輪和氣體噴壓裝置，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3Pa后，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，石英管內(nèi)的料棒經(jīng)感應(yīng)加熱熔化，調(diào)節(jié)與石英管連通的氣體噴淬壓力為1.1atm，石英管下方的純銅輥轉(zhuǎn)速為8m/s，石英管的噴淬口徑為直徑為1mm的圓形口徑，最終制備出薄帶材料。
實(shí)施例61)將Fe、Mn元素按用量比例稱(chēng)量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到2×10-3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑13mm的棒料，待用，棒料的成分為FexMn1-x(at％)，其中x＝75；2)將上述棒料放入臥式真空熱處理爐進(jìn)行熱處理，真空度為2×10-3Pa，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，在溫度1000℃，保溫120小時(shí)，隨爐冷卻；3)將上述經(jīng)熱處理的合金棒料放入石英管內(nèi)熔化進(jìn)行快淬，快淬爐包含感應(yīng)加熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)純銅輥輪和氣體噴壓裝置，當(dāng)真空度達(dá)到2×10-3Pa后，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，石英管內(nèi)的料棒經(jīng)感應(yīng)加熱熔化，調(diào)節(jié)與石英管連通的氣體噴淬壓力為1.4atm，石英管下方的純銅輥轉(zhuǎn)速為25m/s，石英管的噴淬口徑為直徑為5mm的圓形口徑，最終制備出薄帶材料。
權(quán)利要求
1.一種大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)將Fe、Mn元素按用量比例稱(chēng)量后放入石英坩鍋內(nèi)，調(diào)節(jié)真空室的真空度達(dá)到5×10-2～2×10-3Pa，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，熔煉并在水冷銅模中鑄造成直徑10～13mm的棒料，待用，棒料的成分為FexMn1-x(at％)，其中40≤x≤75；2)將上述棒料放入臥式真空熱處理爐進(jìn)行熱處理，真空度為5×10-3～2×10-3Pa，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣體，在溫度800～1000℃，保溫24～120小時(shí)，隨爐冷卻；3)將上述經(jīng)熱處理的合金棒料放入石英管內(nèi)熔化進(jìn)行快淬，快淬爐包含感應(yīng)加熱系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)純銅輥輪和氣體噴壓裝置，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3～2×10-3Pa后，通入高純氬氣作保護(hù)氣體，石英管內(nèi)的料棒經(jīng)感應(yīng)加熱熔化，調(diào)節(jié)與石英管連通的氣體噴淬壓力為1.1～1.4atm，石英管下方的純銅輥轉(zhuǎn)速為8～25m/s，石英管的噴淬口徑為直徑為1～5mm的圓形口徑，最終制備出薄帶材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料，其特征在于所述的薄帶材料寬度為1～8mm，薄帶材料厚度為10～100μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法，其特征在于所述薄帶材料的化學(xué)成分分別為Fe50Mn50、Fe52Mn48、Fe55Mn45和Fe60Mn40。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大磁致伸縮鐵錳合金薄帶材料的制備方法。制備該材料的步驟為(1)通過(guò)高真空感應(yīng)熔煉獲得鐵錳合金鑄棒；(2)為保證合金成分的均勻性，對(duì)合金鑄棒進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間真空熱處理；(3)采用高真空感應(yīng)快淬獲得薄帶材料，其化學(xué)式為Fe
文檔編號(hào)C22F1/16GK101067181SQ20071006917
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者馬天宇, 嚴(yán)密, 張晶晶 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)