专利名称：大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法。
背景技术：
磁致伸缩材料具有电磁能与机械能的转换功能，是重要的能量与信息转换功能材料，在声纳的水声换能器技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景，在国民经济和工业生产中起着越来越重要的作用。
目前，开发和应用的大部分磁致伸缩材料是铁磁性的，如Fe-Al合金、Fe-Ni合金、Tb-Dy-Fe合金和Fe-Ga合金等。在这些体系合金中获得大磁致伸缩的往往采用定向凝固技术，即在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶，此种方法耗时耗能制备成本高。
以Tb-Dy-Fe合金为代表的稀土超磁致伸缩材料，采用定向凝固技术使合金沿<110>、<112>和<111>方向择优取向，能够在压力下产生高达2000ppm的磁致伸缩。虽然这种材料具有大的磁致伸缩应变，但材料抗拉伸能力弱、质地脆、容易在空气中氧化，而且原材料中60％以上为稀土元素，价格昂贵，使原材料成本居高不下，这些缺点都限制了该材料在各方面的实际应用。本世纪初发现采用定向凝固方法制备的<100>取向的Fe-Ga磁致伸缩合金具有大的低场磁致伸缩，并且具有良好的机械性能，但两组分熔点差别大，熔炼过程中Ga元素挥发严重，造成合金成分难以控制；最近开发的Fe-Ga合金甩带材料，虽然也能够产生不亚于Tb-Dy-Fe材料的磁致伸缩大小，但是其材料韧性与铸态或定向凝固态材料相比要下降很多；此外，Ga元素比某些稀土元素价格还要高，其原材料成本和制备成本高的问题依然不能解决。
怎样降低大磁致伸缩材料的成本成为人们关注的重点。Fe52Mn48合金铸态材料的室温磁致伸缩值达到169ppm，可以与定向凝固态Fe-Ga合金相当。而且，Fe和Mn均属于廉价金属元素，如果能进一步提高该材料的磁致伸缩值，将可以降低大磁致伸缩材料的原材料成本。
本发明采用一种熔体快淬技术制备出一种能够在室温产生大磁致伸缩应变的铁锰合金薄带材料。这种制备方法使合金熔体以＞106℃/s的冷却速度冷却形成薄带材料，贴辊面和自由面之间大的温度梯度使薄带厚度方向形成柱状晶结构，有利于获得大磁致伸缩材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法。
大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法包括如下步骤1)将Fe、Mn元素按用量比例称量后放入石英坩锅内，调节真空室的真空度达到5×10-2～2×10-3Pa，通入高纯氩气作保护气体，熔炼并在水冷铜模中铸造成直径10～13mm的棒料，待用，棒料的成分为FexMn1-x(at％)，其中40≤x≤75；2)将上述棒料放入卧式真空热处理炉进行热处理，真空度为5×10-3～2×10-3Pa，通入氮气作保护气体，在温度800～1000℃，保温24～120小时，随炉冷却；3)将上述经热处理的合金棒料放入石英管内熔化进行快淬，快淬炉包含感应加热系统、旋转纯铜辊轮和气体喷压装置，当真空度达到5×10-3～2×10-3Pa后，通入高纯氩气作保护气体，石英管内的料棒经感应加热熔化，调节与石英管连通的气体喷淬压力为1.1～1.4atm，石英管下方的纯铜辊转速为8～25m/s，石英管的喷淬口径为直径为1～5mm的圆形口径，最终制备出薄带材料。
所述薄带材料宽度为1～8mm，薄带材料厚度为10～100μm。
本发明采用一种熔体快淬技术制备出一种能够在室温产生大磁致伸缩应变的铁锰合金薄带材料。这种制备方法使合金熔体以＞106℃/s的冷却速度冷却形成薄带材料，贴辊面和自由面之间大的温度梯度使薄带厚度方向形成柱状晶结构，有利于获得大磁致伸缩材料。采用熔体快淬法制备的Fe-Mn合金薄带材料，磁场垂直薄带面时，带长方向能够在1.9T磁场中产生400～800ppm的大磁致伸缩，是一种应用前景广阔的新型大磁致伸缩材料；由于原材料成本低、设备简单、工艺易控，适合工业化规模生产，必能带来显著的经济效益。
图1是本发明材料之一Fe50Mn50合金薄带在室温时的磁致伸缩曲线图。
图2是本发明材料之一Fe52Mn48合金薄带在室温时的磁致伸缩曲线图。
图3是本发明材料之一Fe55Mn45合金薄带在室温时的磁致伸缩曲线图。
图4是本发明材料之一Fe60Mn40合金薄带在室温时的磁致伸缩曲线图。
具体实施例方式
本发明是一种能够在室温产生大磁致伸缩的铁锰合金薄带材料，其成分为FexMn1-x(at％)，其中40≤x≤75。
本发明制备上述材料的工艺为第一步铸棒，将Fe、Mn元素按用量比例称量后放入石英坩锅内，真空室的真空度达到5×10-2～2×10-3Pa，通入高纯氩气作保护气体，采用高频感应加热方式使合金熔化，并保温一段时间；之后，将熔化后的合金液倒入水冷铜模中，使其冷却凝固成直径12mm的棒料，待用；第二步热处理，在卧式真空热处理炉，将料棒装入石英管内，调节石英管真空至5×10-3～2×10-3Pa，通入氮气作保护气体，在3小时内使料棒温度达到温度800-1000℃，保温24-120小时，随炉冷却；第三步快淬，在真空快淬炉中进行，调节真空度至5×10-3～2×10-3Pa，通入高纯氩气作保护气体，使热处理后的合金在石英管内熔化，进行快淬，各项工艺参数为喷淬压力1.1-1.4atm，纯铜辊转速8-25m/s，喷淬口径为直径为1-5mm的圆形口径。
上述薄带材料的磁致伸缩大小如表1所示。
表1.Fe-Mn合金薄带材料的磁致伸缩性能
实施例11)棒状铁锰合金铸锭通过高真空感应熔炼配合铜模浇铸的方法制得，铁锰合金名义成分为Fe50Mn50(at％)，棒状合金铸锭直径12mm，长度为100mm。
2)对合金铸锭进行长时间均匀化真空热处理，铸锭在3小时内从室温升到1000℃，保温24小时后，随炉冷却。
3)通过高真空快淬炉制得铁锰合金薄带，辊材为纯铜，高纯氩气保护，喷淬压力1.2atm，石英管采用直径为5mm的圆形口径，铁锰合金薄带的快淬速度为8m/s。
图1为采用静态电阻应变仪测量的当磁场垂直带面时，薄带带长方向的磁致伸缩曲线。该材料在1.9T磁场中的磁致伸缩达593ppm。
实施例21)棒状铁锰合金铸锭通过高真空感应熔炼配合铜模浇铸的方法制得，铁锰合金名义成分为Fe52Mn48(at％)，棒状合金铸锭直径12mm。
2)对合金铸锭进行长时间均匀化真空热处理，铸锭在3小时内从室温升到1000℃，保温24小时后，随炉冷。
3)通过高真空快淬炉制得铁锰合金薄带，辊材为纯铜，高纯氩气保护，喷淬压力1.4atm，石英管采用直径为5mm的圆形口径或矩形口径，铁锰合金薄带的快淬速度为15m/s。
图2为采用静态电阻应变仪测量的磁场垂直带面时，带长方向的磁致伸缩曲线。该材料在1.9T磁场中的磁致伸缩达405ppm。
实施例31)棒状铁锰合金铸锭通过高真空感应熔炼配合铜模浇铸的方法制得，铁锰合金名义成分为Fe55Mn45(at％)，棒状合金铸锭直径12mm。
2)对合金铸锭进行长时间均匀化真空热处理，铸锭在3小时内从室温升到850℃，保温72小时后，随炉冷却。
3)通过高真空快淬炉制得铁锰合金薄带，辊材为纯铜，高纯氩气保护，喷淬压力1.4atm，石英管采用直径为5mm的圆形口径，铁锰合金薄带的快淬速度为8m/s。
图3为采用静态电阻应变仪测量的磁场垂直带面时，带长方向的磁致伸缩曲线。该材料在1.9T磁场中的磁致伸缩达455ppm。
实施例41)棒状铁锰合金铸锭通过高真空感应熔炼配合铜模浇铸的方法制得，铁锰合金名义成分为Fe60Mn40(at％)，棒状合金铸锭直径12mm。
2)对合金铸锭进行长时间均匀化真空热处理，铸锭在3小时内从室温升到900℃，保温48小时后，随炉冷。
3)通过高真空快淬炉制得铁锰合金薄带，辊材为纯铜，高纯氩气保护，喷淬压力1.4atm，石英管采用直径为5mm的圆形口径，铁锰合金薄带的快淬速度为20m/s。
图4为采用静态电阻应变仪测量的磁场垂直带面时，带长方向的磁致伸缩曲线。该材料在1.9T磁场中的磁致伸缩达626ppm。
实施例51)将Fe、Mn元素按用量比例称量后放入石英坩锅内，调节真空室的真空度达5×10-2Pa，通入高纯氩气作保护气体，熔炼并在水冷铜模中铸造成直径10mm的棒料，棒料的成分为FexMn1-x(at％)，其中x＝40；2)将上述棒料放入卧式真空热处理炉进行热处理，真空度为5×10-3Pa，通入氮气作保护气体，在温度800℃，保温24小时，随炉冷却；3)将上述经热处理的合金棒料放入石英管内熔化进行快淬，快淬炉包含感应加热系统、旋转纯铜辊轮和气体喷压装置，当真空度达到5×10-3Pa后，通入高纯氩气作保护气体，石英管内的料棒经感应加热熔化，调节与石英管连通的气体喷淬压力为1.1atm，石英管下方的纯铜辊转速为8m/s，石英管的喷淬口径为直径为1mm的圆形口径，最终制备出薄带材料。
实施例61)将Fe、Mn元素按用量比例称量后放入石英坩锅内，调节真空室的真空度达到2×10-3Pa，通入高纯氩气作保护气体，熔炼并在水冷铜模中铸造成直径13mm的棒料，待用，棒料的成分为FexMn1-x(at％)，其中x＝75；2)将上述棒料放入卧式真空热处理炉进行热处理，真空度为2×10-3Pa，通入氮气作保护气体，在温度1000℃，保温120小时，随炉冷却；3)将上述经热处理的合金棒料放入石英管内熔化进行快淬，快淬炉包含感应加热系统、旋转纯铜辊轮和气体喷压装置，当真空度达到2×10-3Pa后，通入高纯氩气作保护气体，石英管内的料棒经感应加热熔化，调节与石英管连通的气体喷淬压力为1.4atm，石英管下方的纯铜辊转速为25m/s，石英管的喷淬口径为直径为5mm的圆形口径，最终制备出薄带材料。
权利要求
1.一种大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤1)将Fe、Mn元素按用量比例称量后放入石英坩锅内，调节真空室的真空度达到5×10-2～2×10-3Pa，通入高纯氩气作保护气体，熔炼并在水冷铜模中铸造成直径10～13mm的棒料，待用，棒料的成分为FexMn1-x(at％)，其中40≤x≤75；2)将上述棒料放入卧式真空热处理炉进行热处理，真空度为5×10-3～2×10-3Pa，通入氮气作保护气体，在温度800～1000℃，保温24～120小时，随炉冷却；3)将上述经热处理的合金棒料放入石英管内熔化进行快淬，快淬炉包含感应加热系统、旋转纯铜辊轮和气体喷压装置，当真空度达到5×10-3～2×10-3Pa后，通入高纯氩气作保护气体，石英管内的料棒经感应加热熔化，调节与石英管连通的气体喷淬压力为1.1～1.4atm，石英管下方的纯铜辊转速为8～25m/s，石英管的喷淬口径为直径为1～5mm的圆形口径，最终制备出薄带材料。
2.根据权利要求1所述的一种大磁致伸缩铁锰合金薄带材料，其特征在于所述的薄带材料宽度为1～8mm，薄带材料厚度为10～100μm。
3.根据权利要求1所述的一种大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法，其特征在于所述薄带材料的化学成分分别为Fe50Mn50、Fe52Mn48、Fe55Mn45和Fe60Mn40。
全文摘要
本发明公开了一种大磁致伸缩铁锰合金薄带材料的制备方法。制备该材料的步骤为(1)通过高真空感应熔炼获得铁锰合金铸棒；(2)为保证合金成分的均匀性，对合金铸棒进行长时间真空热处理；(3)采用高真空感应快淬获得薄带材料，其化学式为Fe
文档编号C22F1/16GK101067181SQ20071006917
公开日2007年11月7日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者马天宇, 严密, 张晶晶 申请人:浙江大学