一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基薄片材料及其制備方法
【專利摘要】本發明屬于磁性材料領域，特別涉及一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基薄片材料及其制備方法。其特征在于，該Fe-Ga基磁致伸縮材料的成分為Fe100-x-y-zGaxRyMz，其中R為La系稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho中的一種或多種,M為B、Cr中的一種或者兩種。按原子比計算，其中x=15～30，y=0.01～10，z=0.1～1.0，余量為鐵。在Fe-Ga合金中同時添加稀土元素、硼和鉻，不僅大大改善合金的可加工性；而且稀土元素凈化鋼液，并固定鋼液中的殘余雜質，形成細小的富稀土相粒子分布于Fe-Ga基體上，在軋制薄片的最終熱處理時，該彌散析出的細小粒子可以控制Fe-Ga基體內相的轉化過程、晶粒異常長大過程和織構形成過程，從而獲得具有良好高斯織構和立方織構的Fe-Ga基合金薄片，該薄片具有較高的磁致伸縮性能。
【專利說明】一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基薄片材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于磁性材料領域，特別涉及一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基薄片材料及制備方法
【背景技術】
[0002]磁致伸縮材料作為一種智能材料，在換能器、傳感器、執行器上都有重要的應用。2000年,美國Guruswamy等人發現Fe-Ga合金具有較高的磁致伸縮系數,兼具機械性能好、飽和磁場低、居里溫度高、耐腐蝕、低滯后，表現良好的環境適應性，被認為是新一代超磁致伸縮材料。過去十多年，材料研究者們對Fe-Ga合金的組織結構和磁致伸縮性能做了大量的研究，并取得了較大的進展。
[0003]由于Fe-Ga合金電阻率低，使用過程中將產生嚴重的渦流損耗。把Fe-Ga合金制成薄片材料可有效降低潤流損耗，改善高頻特性。但Fe-Ga 二元合金脆性大,不易軋制成薄片材料。研究表明通過添加B、Cr等合金元素可大大改善Fe-Ga合金的塑性，可軋制加工得到
0.3mm以下的薄片材料,但與單晶和定向凝固Fe-Ga合金相比,軋制Fe-Ga薄帶的磁致伸縮系數等性能還有較大差距。(Xuexu Gao, Jiheng Li, Jie Zhu, Jie Li, Maocai Zhang.Effectof B and Cr on Mechanical Properties and Magnetostriction of Iron-GalliumAlloy.Materials Transactions, 2009，50(8):pp1959-1963)
[0004]Fe-Ga合金薄片的磁致伸縮性能與織構密切相關。2007年，S M Na等人報道了在軋制Fe81.3Ga18.7中添加少量的B和S，獲得了近似立方織構或近似高斯織構，最高磁致伸縮性能為 220ppm (S M Na, A B Flatau.Secondary recrystallization, crystallographic texture and magnetostriction in rolled Fe-Ga based alloys.J.Appl.Phys.2007，101:09N518)。2011 年，S M Na 等人還報道了在軋制 Fe-Ga 中添加 lat%NbC,在含0.5%H2S的Ar氣中通過高溫處理及表面能誘導獲得了強烈的高斯織構，磁致伸縮系數達至Ij 292ppm (Flatau A B, Na S M.Single grain growth and large magnetostrictionin secondarily recrystallized Fe-Ga thin sheet with sharp Goss (011) [100]orientation 1.Scripta.Mater., 2012.66: p.307-310)。可見具有高斯織構和立方織構的Fe-Ga合金薄片具有較高的磁致伸縮性能。
[0005]國內申請號為200710101498.0的專利公布了 Fe-Ga基合金中添加少量的稀土，通過定向凝固可獲得〈100〉和〈110〉取向棒，并有較高的磁致伸縮系數。于全功等人研究發現,Fe-Ga合金鑄錠的磁致伸縮系數由未添加的129ppm提高到添加Tb的222ppm和添加Dy的300ppm，并且少量Tb、Dy的添加在晶內析出點狀的析出相，使Fe-Ga合金在〈100〉晶向擇優生長，他們認為這是提高Fe-Ga合金鑄錠的磁致伸縮系數的主要原因(于全功，江麗萍，張光睿，郝宏波，吳雙霞，趙增祺.稀土 ，2010，31(4): 21)。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是在Fe-Ga合金中同時添加稀土、硼和鉻元素，不僅大大改善合金的可加工性；而且稀土元素凈化鋼液，并固定鋼液中的殘余雜質，使雜質以稀土硫化物為核心的細小粒子的形式分布于Fe-Ga基體上，在軋制薄片的最終熱處理時，該彌散析出的細小粒子作為抑制劑，可控制Fe-Ga基體內相的轉化、晶粒長大和織構形成過程，從而獲得具有良好高斯織構和立方織構的Fe-Ga基合金薄片材料。
[0007]本發明的具體實施步驟:
[0008]1.設計合金成分為 Fe1QQ_x_y_zGaxRyMz，R 為 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho 中的一種或多種，M為B、Cr中的一種或者兩種。其中x=15~30，y=0.01~10，ζ=0.I~1，余量為鐵。
[0009]2.通過感應熔煉成錠、鍛造、熱軋、溫軋、冷軋，獲得0.3mm以下的磁致伸縮薄片。按設計成分配料，并適當考慮鎵元素和稀土元素的燒損；用真空感應爐熔煉母合金；均勻化處理后，根據鑄錠比表面大小在900°C -1250°C保溫0.5~3h后，出爐經多道次鍛成適合熱軋的近長方體形坯料；將鍛后的合金錠分別在1000°C~1250°C熱軋、350°C~650°C溫軋以及常溫下冷軋，總道次< 40，總變形量為90%~99.9%，獲得0.3mm以下的薄片。
[0010]3.對軋制薄片進行熱處理:
[0011]方法一:以氬氣為保護氣體，在1000°C~1300°C保溫0.5~24h，然后隨爐冷卻至650°C~900°C保溫I~6h水淬至室溫。
[0012]方法二:Ar氣中混合20~IOOppm的H2S氣體，在1000°C~1300°C保溫0.5~24h，然后隨爐冷卻至650°C~900°C保溫I~6h水淬至室溫。
[0013]通過熱處理，得到具有大量高斯織構和立方織構的Fe-Ga基磁致伸縮薄片。
[0014]稀土元素作為一種`微合金化元素，少量溶入Fe-Ga基體，而在晶界和晶內析出，能降低鑄態晶粒的晶粒度，提高鍛軋能力；稀土元素為吸氧元素，在合金中優先氧化脫落，有效阻止基體氧化；該合金中B、Cr為輔助元素，主要是為了提高材料塑性和晶界強度，抑制軋制過程中的沿晶斷裂。稀土元素固定鋼液中的殘余雜質，使雜質形成富稀土相的細小粒子分布于Fe-Ga基體上，在軋制薄片的最終熱處理時，該彌散析出的細小粒子作為抑制劑，控制Fe-Ga基體內相的轉化過程、晶粒長大過程和織構形成過程，從而獲得具有良好高斯織構和立方織構的Fe-Ga基合金薄片。該Fe-Ga基薄片材料具有明顯{100}〈001〉立方織構或{110}〈001〉高斯織構，具有較高的磁致伸縮性能。
[0015]本發明通過在Fe-Ga合金中同時添加稀土兀素、硼和鉻,一方面提高Fe-Ga基合金的可加工性能；另一方面，用析出相夾雜粒子誘導Fe-Ga基體組織、晶粒長大和織構的形成過程，獲得具有較高立方織構和高斯織構體積分數的Fe-Ga基磁致伸縮薄片材料。
[0016]本發明的優點:⑴發明Fe1(l(l_x_y_zGaxRyMz合金，并將其應用于磁致伸縮薄片生產，獲得具有較高磁致伸縮性能的Fe-Ga薄片；(2)成型性好，生產工藝為傳統工藝，制作簡單，成本低，有利于大功率磁致伸縮器件的推廣與應用。
【具體實施方式】
[0017]實施例1:高磁致伸縮系數(Fe83Ga17) 99.3Tb0.2B0.5合金薄片材料及其制備方法
[0018]使用純度大于99.9%的Fe、99.99%的Ga和99.99%Tb，Ga和Tb均考慮3%的燒損，B以硼鐵合金的形式加入，按原子百分比配料。將配好的原料放入真空感應爐，抽真空后通入Ar氣作為保護氣體，感應加熱至完全熔化后澆注成錠；合金錠經均勻化熱處理后，在1200°C鍛成厚度為IOmm適于熱軋的近長方體形坯料；將鍛后的合金在11501:熱軋，6501:、400°C分別溫軋，常溫下冷軋，總壓下量為97. 2%，總道速為32，獲得0. 28mm厚度的薄片。將 冷軋后的薄片放在密閉環境中，用Ar氣做保護氣體，在1150°C保溫3h，然后隨爐冷卻至 800°C保溫2h水淬至室溫。獲得具有較高立方織構和高斯織構的Fe-Ga基合金薄片，其磁 致伸縮系數高達230ppm。
[0019]實施例2 ：高磁致伸縮系數（Fe83Ga17) 98.7Ce0.合金薄片材料及其制備方法
[0020]使用純度大于99. 9% 的 Fe、99. 99% 的 Ga、99. 99%Tb 和 99. 99%Cr, Ga 和 Ce 均考慮 3%的燒損，按原子百分比配所需質量的原料。將配好的原料放入真空感應爐，抽真空后充入 Ar氣洗氣兩次后，再通入Ar氣作為保護氣體，感應加熱至完全熔化后澆注成錠；合金錠經 均勻化熱處理后，在1150°C鍛成截面厚度為10mm適于熱軋的近長方體形坯料；將鍛后的合 金分別在1000°C熱軋，600°C、400°C分別溫軋，常溫下冷軋，總壓下量為97%，總道速為35， 獲得0. 3mm厚度的薄片。將冷軋后的薄片放在密閉環境中，用Ar氣中參雜50ppm的H2S氣 體做保護氣體，在1050°C保溫6h，然后隨爐冷卻至800°C保溫2h水淬至室溫。獲得具有較 高立方織構和高斯織構的Fe-Ga基合金薄片，其磁致伸縮系數高達246ppm。
[0021]實施例3 :高磁致伸縮系數（F^GaiUdMBuCi^合金薄片材料及其制備方法
[0022]使用純度大于99. 9% 的 Fe、99. 99% 的 Ga,，99. 99%Nd、和 99. 99%Cr, Ga 和 Nd 均考 慮3%的燒損，B以硼鐵合金的形式加入，按原子百分比配料。將配好的原料放入真空感應 爐，抽真空后充入Ar氣洗氣兩次后，再通入Ar氣作為保護氣體，感應加熱至完全熔化后澆 注成錠；合金錠經均勻化熱處理后，在1250°C鍛成截面厚度為15mm適于熱軋的近長方體形 坯料；將鍛后的合金分別在1150°C熱軋，650°C、40(TC分別溫軋，常溫下冷軋，總壓下量為 98. 3%，總道速為38，獲得0. 25mm厚度的薄片。將冷軋后的薄片放在密閉環境中，用Ar氣中 參雜50ppm的H2S氣體做保護氣體，在850°C保溫0. 5h，升溫到1200°C保溫3h，然后隨爐冷 卻至650°C水淬至室溫。獲得具有較高立方織構和高斯織構的Fe-Ga基合金薄片，其磁致伸 縮系數高達223ppm。
【權利要求】
1.一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基薄片材料及其制備方法，其特征在于，具體實施步驟如下: 1).設計合金成分為Fe1QQ_x_y_zGaxRyMz，R 為 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho 中的一種或多種，M為B、Cr中的一種或者兩種，其中x=15~30，y=0.01~10，ζ=(λ I~L 0，余量為鐵； 2).通過感應熔煉成錠、鍛造、熱軋、溫軋、冷軋，獲得0.3_以下的磁致伸縮薄片；按設計成分配料，并適當考慮鎵元素和稀土元素的燒損；用真空感應爐熔煉母合金；并均勻化處理；根據鑄錠比表面大小在900°C -1250°C保溫0.5-3h后，出爐經多道次鍛成適合熱軋的近長方體形坯料；將鍛后的合金錠分別在1000°C~1250°C熱軋、350°C~650°C溫軋以及常溫下冷軋，總道次< 40，總變形量為90%~99.9%，獲得0.3mm以下的薄片，通過熱處理，得到具有大量高斯織構和立方織構的Fe-Ga基磁致伸縮薄片。
2.根據權利要求1所述的一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基材料及其制備方法，其特征在于:對軋制薄片進行熱處理的方法為: 以氬氣為保護氣體，在1000°C~1300°C保溫0.5~24h，然后隨爐冷卻至650°C~900°C保溫I~6h水淬至室溫。
3.根據權利要求1所述的一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基材料及其制備方法，其特征在于:對軋制薄片進行熱處理的方法為: 在Ar氣中混合20~IOOppm的H2S氣體為保護氣體，在1000°C~1300°C保溫0.5~24h，然后隨爐冷卻至650°C~900°C保溫I~6h水淬至室溫。
4.根據權利要求1所述的一種高磁致伸縮系數Fe-Ga基材料及其制備方法，其特征在于:該Fe-Ga基薄片材料具有明顯{100}〈001〉立方織構或{110}〈001〉高斯織構，磁致伸縮系數高達220-250ppm。
【文檔編號】C22C33/04GK103556046SQ201310571262
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】包小倩, 田喜蕾, 袁超, 高學緒, 李紀恒, 張文蘭 申請人:北京科技大學