專(zhuān)利名稱(chēng)：一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性材料領(lǐng)域，特別涉及一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鐵磁體在外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，其長(zhǎng)度及體積均發(fā)生變化，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為磁致伸縮。磁致伸縮材料通常是指沿某一方向具有較大磁致伸縮應(yīng)變的材料。線磁致伸縮應(yīng)變通常用λ表示，X=AL/L (L為材料原始長(zhǎng)度，Λ L為磁化狀態(tài)改變時(shí)樣品長(zhǎng)度的變化量)。單晶體的磁致伸縮應(yīng)變具有晶體學(xué)方向性，通常沿不同的晶體學(xué)方向具有不同的磁致伸縮應(yīng)變值。因此，對(duì)于多晶磁致伸縮材料來(lái)說(shuō)，總是希望得到沿具有最大磁致伸縮應(yīng)變晶體學(xué)方向的取向多晶材料。 金屬磁致伸縮材料的一個(gè)主要應(yīng)用就是制作換能器。以Tb-Dy-Fe為代表的超磁致伸縮材料雖然具有磁致伸縮應(yīng)變大、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)良的性能，但由于其質(zhì)地較脆，塑性很差，加工性差，原材料成本高等，限制了該材料的應(yīng)用；新興的Fe-Ga磁致伸縮合金薄片也存在成本較高、磁致伸縮性能不均勻的劣勢(shì)；傳統(tǒng)的金屬磁致伸縮材料包括鎳、鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷合金等，雖然其磁致伸縮應(yīng)變值較低，但由于其力學(xué)性能好、成本低廉，在磁致伸縮換能器中仍有廣泛的應(yīng)用；而這其中鐵鋁合金具有最誘人的應(yīng)用空間，其原材料成本低廉、磁致伸縮應(yīng)變值較高(單晶體沿〈100〉晶體學(xué)方向可達(dá)IlOX 10_6)、能量轉(zhuǎn)換效率高。早在20世紀(jì)四五十年代，人們就發(fā)現(xiàn)鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%到13%的鐵鋁合金(原子百分?jǐn)?shù)約為16. 1%到23. 6%)具有較高的磁致伸縮應(yīng)變值，美國(guó)、日本、蘇聯(lián)更是組織了大量研究人員對(duì)該材料進(jìn)行研究。不過(guò)稍后興起的壓電陶瓷材料由于具有更高的應(yīng)變和能量轉(zhuǎn)換效率，使得鐵鋁合金逐漸淡出了人們的視野。近年來(lái)，隨著超聲學(xué)的逐漸發(fā)展，人們希望能夠做出大功率甚至是超大功率的超聲換能器，而壓電陶瓷材料由于其機(jī)械性能差、易發(fā)熱失效等缺點(diǎn)而難以勝任，于是人們又將目光轉(zhuǎn)向了磁致伸縮材料。作為磁致伸縮材料的Fe-Al合金通常含鋁10%或13% (原子百分?jǐn)?shù)約為18. 7%或23. 6%);前者飽和磁致伸縮應(yīng)變值較大，后者各項(xiàng)異性常數(shù)K1較小。已有的研究資料表明，Al原子分?jǐn)?shù)約為19%的鐵鋁合金單晶的磁致伸縮應(yīng)變?chǔ)?100約為95Χ10_6，(R.C. Hall, Magnetostriction of AluminumIron Single Crystals in the Region of 6to 30 Atomic Percent Aluminum. Journal of Applied Physics,1957，28 (6):707-713.)。通過(guò)適當(dāng)退火處理后其磁致伸縮應(yīng)變值還有進(jìn)一步的提高，約為110X 10—6。(R.C. HalI, Single Crystal Anisotropy and Magnetostriction Constants ofSeveral Ferromagnetic Materials Including Alloys of NiFej SiFej AlFej CoNij andCoFej Journal of Applied Physics，1959，30 (6) :816-819.)。無(wú)織構(gòu)的鐵銀合金多晶磁致伸縮應(yīng)變值低，人們通常通過(guò)控制織構(gòu)的方法來(lái)提高鐵鋁多晶合金的磁致伸縮性能。鐵鋁合金單晶沿〈100〉方向具有最大的磁致伸縮應(yīng)變值，因此，可以通過(guò)獲得高斯織構(gòu){110}〈001〉或立方織構(gòu){100}〈001〉來(lái)提高鐵鋁多晶合金的磁致伸縮性能。二十世紀(jì)六十年代，Borodkina和Bulycheva等人曾詳細(xì)探討了通過(guò)織構(gòu)控制來(lái)改善Fe_10%Al合金多晶薄片磁致伸縮性能的可能性。他們采用冷軋、中間退火、冷軋的工藝來(lái)獲得薄片材料，冷軋變形量控制在50%飛0%。該薄片材料于900°C退火兩小時(shí)后，材料具有弱的高斯織構(gòu){110}〈001〉和立方織構(gòu){100}〈001〉，其磁致伸縮應(yīng)變值約為42X10' (E. P. Wohlfarth主編，劉增民等譯，鐵磁材料磁有序物質(zhì)特性手冊(cè)卷II，電子工業(yè)出版社，北京，1993:81)。Fe-13%A1合金磁致伸縮應(yīng)變值較大，，磁各向異性常數(shù)K1小，也是一種常用的磁致伸縮材料；不過(guò)隨著鋁含量的增大，該材料塑性差，冷軋非常困難。鐵招合金作為軟磁材料的一個(gè)體系,20世紀(jì)七八十年代,在我國(guó)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，并給出了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，(GB/T 14986-2008，高飽和、磁溫度補(bǔ)償、耐蝕、鐵鋁、恒磁導(dǎo)率軟磁合金)。其中給出的lJ13(Fe-13%Al)溫軋帶材的磁致伸縮應(yīng)變值約為35X10_6，但鐵鋁合金作為一種磁致伸縮材料在我國(guó)未進(jìn)行詳細(xì)的研究。近年來(lái)，隨著超聲波應(yīng)用的不斷拓展，低頻大功率超聲換能器顯示出了廣闊的應(yīng)用前景，而鐵鋁合金作為一種低成本的磁致伸縮材料，其用量也有逐年增加的趨勢(shì)。而現(xiàn)階段我國(guó)幾乎沒(méi)有廠家生產(chǎn)這種材 料，少數(shù)換能器廠家主要是靠從國(guó)外進(jìn)口來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，進(jìn)口材料的磁致伸縮應(yīng)變值也通常僅為40X 10_6左右。鐵鋁合金薄片的生產(chǎn)過(guò)程包括熱軋、溫軋、冷軋、中間退火及最后的再結(jié)晶退火，其中冷軋總變形量及最后的再結(jié)晶退火是生產(chǎn)過(guò)程中主要控制的工藝過(guò)程。其冷軋總變形量控制在509Γ70%，再結(jié)晶退火在干氫氣氣氛中進(jìn)行，退火溫度通常低于900°C。其主要原理是控制軋制變形量和隨后的熱處理工藝，通過(guò)再結(jié)晶及隨后晶粒的正常長(zhǎng)大來(lái)獲得一次再結(jié)晶織構(gòu)。然而這樣獲得的織構(gòu)強(qiáng)度不高，并且對(duì)于Al原子百分?jǐn)?shù)大于22% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%)的Fe-Al 二元合金，其塑性很差，軋制非常困難，軋制道次多，需要反復(fù)中間退火。有必要提供一種具有強(qiáng)高斯織構(gòu)、磁致伸縮性能優(yōu)良的鐵鋁合金磁致伸縮薄片材料以及一種簡(jiǎn)易的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明的目的是提供一種制備Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料的方法，其中，所述材料的成分(原子分?jǐn)?shù))滿(mǎn)足通式FeiQQ_x_yAlxBy，其中，x=15^26, y=0. 03、. 5，余量為Fe,該法包括以下步驟(I)按照所述材料的成分進(jìn)行配料，在真空保護(hù)氣氛下將配料冶煉澆注成鑄態(tài)合金徒;(2)將鑄態(tài)合金錠在1000°C 1200°C的溫度下進(jìn)行鍛造，形成矩形鍛坯；(3)將鍛造后的鍛坯在900°C 1200°C的溫度下進(jìn)行熱軋形成熱軋板；(4)將熱軋板在450°C飛00°C的溫度下進(jìn)行溫軋形成溫軋板，溫軋板的厚度在
O.5 O. 9mm之間；(5)將溫軋板在600°C 800°C的溫度下退火O. 5^3小時(shí)；(6)將退火后的溫軋板進(jìn)行酸洗，酸洗后在100°C以下進(jìn)行冷軋；(7)對(duì)冷軋板進(jìn)行退火，其中升溫至退火溫度850°C 1200°C，保溫廣8小時(shí)后冷卻
至室溫。
優(yōu)選地，熱軋單道次變形量在25°/Γ35%之間；溫軋單道次變形量在20°/Γ30%之間；冷軋總變形量為60°/Γ90%，冷軋單道次變形量在15°/Γ40%之間。優(yōu)選地，在對(duì)冷軋板進(jìn)行退火的步驟中，所述退火溫度為1000°C 1200°C，在升溫至所述退火溫度之前，抽真空至O. IPa以下，以混有氮?dú)獾臍鍤鉃楸Ｗo(hù)氣體。可選地，在對(duì)冷軋板進(jìn)行退火的步驟中，所述退火溫度為850°C 1000°C，所退火
過(guò)程在非真空或流動(dòng)氣氛下進(jìn)行。可選地，在對(duì)冷軋板進(jìn)行退火的步驟中，在所述退火溫度保溫廣8小時(shí)之后，快速冷卻至400°C 650°C，保溫O. 5 3小時(shí)后快冷至室溫。優(yōu)選地，x=19,y=0. 05。
優(yōu)選地，χ=23·5, y=0. 4。另一方面，本發(fā)明提供一種根據(jù)上述方法制備的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料。優(yōu)選地，該材料沿軋向的飽和磁致伸縮應(yīng)變值大于50 X 10_6。為了獲得高強(qiáng)度的織構(gòu)，提高鐵鋁合金的磁致伸縮性能，本發(fā)明的方法借助了晶粒反常長(zhǎng)大的二次再結(jié)晶過(guò)程，開(kāi)發(fā)出了制備具有強(qiáng)高斯織構(gòu)、磁致伸縮優(yōu)良的鐵鋁基磁致伸縮合金薄片，其中主要通過(guò)B的添加形成Fe2B相以抑制晶粒的正常長(zhǎng)大，同時(shí)通過(guò)控制退火工藝實(shí)現(xiàn)晶粒反常長(zhǎng)大的二次再結(jié)晶，由此得到具有強(qiáng)高斯織構(gòu)、磁致伸縮優(yōu)良的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，鐵鋁合金中加入B主要有以下兩方面作用首先，少量B會(huì)在熱軋后的冷卻過(guò)程中不均勻析出，晶界、位錯(cuò)都可能作為其析出核心，這些析出的B大都以Fe2B相的形式存在，會(huì)在冷軋后的再結(jié)晶退火過(guò)程中起到抑制劑的作用，阻止大部分晶粒的正常長(zhǎng)大，使少數(shù)晶粒優(yōu)先長(zhǎng)大，利于二次再結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行；其次，當(dāng)B含量超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)起到顯著的細(xì)化晶粒的作用，還會(huì)在晶界形成Fe2B相，這會(huì)顯著改善合金的塑性，從而可以簡(jiǎn)化軋制過(guò)程，提高成材率。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)I、FeiQQ_x_yAlxBy薄片磁致伸縮性能優(yōu)良。對(duì)于Fe_10%Al (原子分?jǐn)?shù)為18. 7%)合金，其磁致伸縮應(yīng)變值超過(guò)65 X 10_6，對(duì)于Fe-13%A1 (原子分?jǐn)?shù)為23. 6%)合金，其磁致伸縮應(yīng)變值大于50X10_6。合金磁致伸縮應(yīng)變值的提高，有利于提高換能器輸出超聲波的聲強(qiáng)和電聲效率(電磁能轉(zhuǎn)換為聲能的效率)。2、制造工藝簡(jiǎn)單。由于添加了少量硼，合金的塑性有所提高，使得合金的軋制工藝簡(jiǎn)單，可以減少軋制道次數(shù)和軋制過(guò)程中的回爐次數(shù)。


圖I為Fe8a95Al19Batl5薄片沿軋向的磁致伸縮應(yīng)變曲線；圖2 為 Fe8a95Al19Ba05 薄片的 ODF ( φ2=45° )圖；圖3為Fe7f^1Al2I5Ba4薄片沿軋向的磁致伸縮應(yīng)變曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的高性能磁致伸縮薄片材料的成分為Fe1(l(l_x_yAlxBy。
實(shí)施例I =Fe8a95Al19Batl5磁致伸縮薄片材料的制備用電子天平稱(chēng)取所需的原料，按照即將制備的材料成分進(jìn)行配料，其中使用的原料為純度大于99. 99%的Fe、純度大于99. 99%的Al和純度大于99. 9%的硼鐵中間合金。采用真空感應(yīng)熔煉煉制母合金，其中抽真空至8 X 10_2Pa，通入氬氣保持真空度至5 X IO4Pa后加熱，原料熔化后精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻性，將精煉后的合金澆注成合金錠。將合金錠在1100°C鍛造成厚度約為18mm的矩形鍛坯，以便適宜于熱軋。在實(shí)際中，對(duì)此厚度無(wú)需特別要求，鍛造的目的主要在于形成合適形狀的鍛坯以便適于軋制，如果合金錠本身形狀適于軋制，甚至無(wú)需鍛造步驟。將鍛造后的合金鍛坯進(jìn)行熱軋，熱軋溫度為1100°C，共熱軋5個(gè)道次，單道次變形量在28°/Γ35%之間，形成熱軋板厚約3mm ;將熱軋板在550°C溫軋，溫軋道次數(shù)為4，單道次變形量為25°/Γ30%，形成溫軋板厚約O. 9mm ;將溫軋板在650°C退火I小時(shí)，冷至室溫后用濃度為5%的鹽酸酸洗，然后在室溫下冷軋，單道次變形量為20°/Γ30%，冷軋道次數(shù)為5，冷軋變 形量約為87%，形成冷軋板厚度為O. 15mm。將冷軋后的合金薄帶裝入真空爐中，抽真空至O. OlPa,以混有氮?dú)獾臍鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，以15°C /min升溫至1050°C保溫4小時(shí)，隨爐冷卻至550°C保溫I小時(shí)后風(fēng)冷至室溫。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，此處也可采用水淬、油淬等。圖I為Fe8tl.95Α119Βα%薄片沿軋向的磁致伸縮應(yīng)變曲線，其飽和磁致伸縮應(yīng)變值約為66Χ10_6 ;圖2為薄片的取向分布函數(shù)(ODF)圖(φ2=45° )，可以看出材料具有強(qiáng)的高斯織構(gòu)。實(shí)施例2 =Fe76. ^123.5Β0.4磁致伸縮薄片材料的制備用電子天平稱(chēng)取所需的原料，按照即將制備的材料成分進(jìn)行配料，其中使用的原料為純度大于99. 99%的Fe、純度大于99. 99%的Al和純度大于99. 9%的硼鐵中間合金。采用真空感應(yīng)熔煉煉制母合金，其中抽真空至8 X 10_2Pa，通入氬氣保持真空度至5 X IO4Pa后加熱，原料熔化后精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻性，將精煉后的合金澆注成合金錠。將鑄態(tài)合金錠在1200°C鍛造成厚度約為18mm的矩形鍛坯，以便適宜于熱軋。將鍛造后的合金板料進(jìn)行熱軋，熱軋溫度為1150°C，共熱軋6個(gè)道次，單道次變形量在25°/Γ30%之間，形成熱軋板厚約3mm ;將熱軋板在600°C溫軋，溫軋道次數(shù)為6，單道次變形量為22°/Γ30%，形成溫軋板厚約O. 5mm ;將溫軋板在700°C退火I小時(shí)，冷至室溫后，用濃度為5%的鹽酸酸洗,然后將板料預(yù)熱到70°C后開(kāi)始冷軋,冷軋道次數(shù)為7,冷軋單道次變形量在15°/Γ25%之間，冷軋總變形量約為70%，形成冷軋板厚度為O. 15mm。將冷軋后的合金薄帶裝入真空爐中，抽真空至O. OlPa,以混有氮?dú)獾臍鍤庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，以15°C /min升溫至1100°C保溫4小時(shí)，隨爐冷卻至500°C保溫2小時(shí)后風(fēng)冷至室溫。圖3為Fe76. AU5Ba4薄片沿軋向的磁致伸縮應(yīng)變曲線，其飽和磁致伸縮應(yīng)變值約為 51X10'
權(quán)利要求
1.一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料的制備方法，其特征在于，所述材料的成分(原子分?jǐn)?shù))滿(mǎn)足通式 Feioo-x_yAlxBy， 其中，x=15^26, y=0. 03、. 5，余量為Fe，所述制備方法包括以下步驟 (O按照所述材料的成分進(jìn)行配料，在真空保護(hù)氣氛下將配料冶煉澆注成鑄態(tài)合金錠； (2)將鑄態(tài)合金錠在1000°C 1200°C的溫度下進(jìn)行鍛造，形成矩形鍛坯； (3)將鍛造后的鍛坯在900°C 1200°C的溫度下進(jìn)行熱軋形成熱軋板； (4)將熱軋板在450°C飛00°C的溫度下進(jìn)行溫軋形成溫軋板，溫軋板的厚度在O.5 O. 9mm之間； (5)將溫軋板在600°C 800°C的溫度下退火O.5^3小時(shí)； (6)將退火后的溫軋板進(jìn)行酸洗，酸洗后在100°C以下進(jìn)行冷軋； (7)對(duì)冷軋板進(jìn)行退火，其中升溫至退火溫度850°C 1200°C，保溫f8小時(shí)后冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于熱軋單道次變形量在259Γ35%之間；溫軋單道次變形量在20°/Γ30%之間；冷軋單道次變形量在15°/Γ40%之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于在對(duì)冷軋板進(jìn)行退火的步驟中，所述退火溫度為1000°c 1200°C，在升溫至所述退火溫度之前，抽真空至O. IPa以下，以混有氮?dú)獾腎S氣為保護(hù)氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于在對(duì)冷軋板進(jìn)行退火的步驟中，所述退火溫度為850°C 1000°C，所退火過(guò)程在非真空或流動(dòng)氣氛下進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在對(duì)冷軋板進(jìn)行退火的步驟中，在所述退火溫度保溫f 8小時(shí)之后，冷卻至400°C飛50°C，保溫O. 5^3小時(shí)后快冷至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于x=19,y=0. 05。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于x=23.5, y=0. 4。
8.一種根據(jù)上述權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)所述的方法制備的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料，其特征在于所述材料沿軋向的飽和磁致伸縮應(yīng)變值大于50X 10_6。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其制備方法。其中材料的成分(原子分?jǐn)?shù))滿(mǎn)足通式Fe100-x-yAlxBy，x=15~26，y=0.03~0.5，余量為Fe。所獲得的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料具有強(qiáng)的高斯織構(gòu)，沿軋向具有優(yōu)異的磁致伸縮性能。
文檔編號(hào)C22C38/06GK102943202SQ201210447228
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者李紀(jì)恒, 肖錫銘, 張茂才 申請(qǐng)人:無(wú)錫正一生源科技有限公司