专利名称：一种磁场控制劲度系数的弹簧及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属制品新材料领域，特别涉及一种劲度系数可变的！^-fei基弹簧及其制备方法。
背景技术：
当铁磁性及亚铁磁性物质在磁化状态发生改变时，其自身的长度及体积发生微小的变化，这种现象成为磁致伸缩效应。其中，体积的变化称为体积磁致伸缩；长度的变化称为线磁致伸缩。当这种材料受到外力作用时，其磁化状态亦发生改变，这称之为逆磁致伸缩效应。磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应是铁磁性及亚铁磁性材料内磁力相互耦合作用的结果。磁致伸缩材料能够实现电磁能和机械能的相互转换，是重要的能量与信息转换功能材料，目前已广泛应用于水声换能器技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术等领域。2000年美国的S. Guruswamy等人报道了一种由!^e和&1组成的二元合金(S. Guruswamy, et atl. Strong, dutile, and low-field-magnetostrictive alloys based on Fe-Ga. Scripta Mater. 2000，43: p239_244 )，即 i^e-Ga合金。Fe-Ga合金具有较高的磁致伸缩值，单晶可达400ppm，采用定向凝固制备的取向多晶磁致伸缩性能可达318ppm， 同时!^e-Ga合金还具有强度高、磁滞小、成本较低、高相对磁导率、低磁晶各向异性，以及低磁致伸缩温度系数等优点，是一种新型的磁致伸缩材料。该材料在换能、驱动、传感等领域都具有良好的应用前景。经过近些年的研究，Fe-Ga合金已在相关制备技术及磁致伸缩性能影响因素方面取得了很大的进步。2007年中国专利申请CN101003117A公开了一种i^e-fei磁致伸缩丝的制备方法，涉及一种通过热旋锻和冷拔的制备工艺。2008年中国专利申请CN101262039A公开了一种!^e-Ga基磁致伸缩丝，其材料成分为狗^GaxMy，M为除狗以外的过渡族金属元素及 Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se 中的一种或几种，x=5 30%, y=0 15%，余量为Fe。2009年中国申请专利CN 101812628A公开了一种i^e-fei基磁致伸缩丝的制备，其磁致伸缩性能达180ppm。基于!^-( 合金本身存在的磁致伸缩效应，本发明提出一种用磁场控制弹簧劲度系数的设想。另外，由于i^e-Ga合金属于难变形合金，为了改善其塑性以便制备丝材，本发明中将添加其他元素。通过本方法和材料制备的弹簧，当其置于磁场环境中时，其弹性系数、力学行为将受到磁场的影响而发生一定程度的变化。基于此种变化，该类弹簧可用于精密控制、传感器、减振等领域。如在精密加工中，采用此种磁控劲度系数的弹簧，由于弹簧的伸长量或缩短量受磁场控制，可以更有效地调节位移，从而提高精度。在传感器中，通过磁场无极控制弹簧的劲度系数，可以获得连续感知信号与反馈。在减振领域中，采用磁控劲度系数弹簧，可以实现减振的智能控制等等。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种磁场控制劲度系数的弹簧及其制备方法。
本发明的目的是通过以下方面实现的。一种磁场控制劲度系数的弹簧，使用的原料成分(原子分数)为Fei(l(l_x_yGaxMyNz，M 为 Nb、B、Be、Al、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、Se 中的一种或多种，N 为 C、Cr、Mn、Cu、Ni、Ti、 Si、^ 或Mo，其中x=10 30，y=0. 1 6，z=0 3，余量为佝。添加合金元素的主要作用是改善!^-( 合金的塑性。所述方法包括以下步骤
(1)按照所述原料成分配料并加入1-5%的( 烧损量；
(2)将该配料进行真空冶炼，并浇注成合金锭，将铸态合金锭表面的氧化皮去掉，然后经过热锻、旋锻和拉拔步骤，获得直径0. l"2mm的丝材；
(3)将拉拔后的合金丝材在卷簧机上卷制弹簧；
(4)将弹簧在150-500°C的温度下保温10-180分钟，然后冷却到室温得到所述磁场控制劲度系数的弹簧。所述步骤(2)中真空冶炼的条件为真空度保持在5X KT3Pa以上，电磁搅拌广5 分钟；浇注温度为145(T160(TC，浇注到铁模中；在所述热锻过程中，先在950-1200°C保温 0. 5-3小时，然后在800-1150°C下锻造，变形量为50-80% ；旋锻的温度为500-800°C，变形量为40-90% ；拉拔的温度为200-400°C，变形量为40_85%。弹簧结构参数包括弹性系数D/d，其中D为弹簧平均圈径大小，d为弹簧线径；弹簧的工作圈数；总圈数；以及弹簧节距。所述步骤(3)中，在卷簧机上卷制弹簧时，弹簧的圈径D与弹簧的线径d的比D/d为圹12。进一步的，通过所述步骤2锻造后得到的是直径8_15mm的合金棒；通过拉拔得到直径0. l-2mm的丝材；
进一步的，所述步骤(4)中，弹簧的去应力退火温度为150-500°C，保温时间为10-180 分钟，或在退火时引入外加磁场，空冷至室温。本发明所述磁场控制劲度系数的弹簧的测定方法是在磁场中，采用施加等质量无磁不锈钢砝码的方式，测试弹簧的伸长量与载荷的关系，计算弹簧的劲度系数。由于!^e-Ga基合金本身存在的磁致伸缩效应，另外，由于!^-( 合金属于难变形合金，为了改善其塑性以便制备丝材，本发明中将添加其他元素。因此通过本方法和材料制备的弹簧，当其置于磁场环境中时，其弹性系数、力学行为将受到磁场的影响而发生一定程度的变化。基于此种变化，该类弹簧可用于精密控制、传感器、减振等领域。如在精密加工中， 采用此种磁控劲度系数的弹簧，由于弹簧的伸长量或缩短量受磁场控制，可以更有效地调节位移，从而提高精度。在传感器中，通过磁场无极控制弹簧的劲度系数，可以获得连续感知信号与反馈。在减振领域中，采用磁控劲度系数弹簧，可以实现减振的智能控制，等等。
图1是拉伸弹簧的示意图2是不同磁场下拉伸弹簧伸长量与载荷的关系示意图； 图3是压缩弹簧的示意图； 图4是锥形弹簧的示意图。
具体实施方式
实施例1 制备!^e82.6Ga16.9B0.5 弹簧
用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99. 5%的i^e、99. 99%Ga和晶体B， 并多加3%的( 烧损量，将配好的原料放入真空感应炉的坩埚里，抽真空到5X10_3!^后充氩气到0. 5MPa,以保护原料不被氧化，开始熔炼，待原料完全熔化后精炼3分钟，随后在炉内浇铸成直径为70mm合金棒。用线切割的方法切去合金锭的缩孔端，用车床车去合金锭表面的氧化层、在 1050°C下保温2小时，然后锻造，变形量为50%，得到直径12mm的合金棒；将锻造后的合金在800°C下进行旋锻，变形量为75%，使丝材直径达到3mm ；最后在200°C下进行拉拔，经过 10道次，变形量为82%，得到直径0. 5mm的丝材。将拉拔后的合金丝材在卷簧机上制成弹簧。制备的拉伸弹簧实物如图1所示。将弹簧置于300°C的温度下保温30分钟，冷却到室温。将拉伸弹簧悬挂于通电螺线管中，逐步增加载荷，测试弹簧的伸长量。当通过螺线管的磁场分别为OOe和1350e时，测得弹簧的伸长量与载荷的关系如图2所示，计算可得到弹簧的劲度系数分别为115. 2N/m和110. 5N/m。弹簧劲度系数变化为4%。实施例2 制备!^e82.2Ga16. Jb1C1 弹簧
用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99. 5%的狗、99. 99%Ga、含Nb量 60%的铌铁和石墨碳，并多加m的( 烧损量，将配好的原料放入真空感应炉的坩埚里，抽真空到5 X10_3I^后充氩气到0. 5MPa,以保护原料不被氧化，开始熔炼，待原料完全熔化后精炼3分钟，随后在炉内浇铸成直径为70mm合金棒。用线切割的方法切去合金锭的缩孔端，用车床车去合金锭表面的氧化层，在 1080°C下保温1. 5小时，然后锻造，变形量为50%，得到直径12mm的合金棒；将锻造后的合金在800°C下进行旋锻，变形量为75%，使丝材直径达到3mm ；最后在200°C下进行拉拔，经过10道次，变形量为80%，得到直径0. 6mm的丝材。将拉拔后的合金丝材在卷簧机上制成弹簧。制备的压缩弹簧实物如图3所示。将弹簧置于300°C的温度下保温35分钟，冷却到室温。实施例3 制备 F^1Gei16. 5Cr2B0.5 弹簧
用电子天平称取设计所需的原料，其中使用纯度大于99. 5%的狗、99. 99%Ga、纯度 99. 99%Cr和晶体B，并多加3%的( 烧损量，将配好的原料放入真空感应炉的坩埚里，抽真空到5 X10_3I^后充氩气到0. 5MPa,以保护原料不被氧化，开始熔炼，待原料完全熔化后精炼3分钟，随后在炉内浇铸成直径为70mm合金锭。用线切割的方法切去合金锭的缩孔端，用车床车去合金锭表面的氧化层、在 1020°C下保温2小时，然后锻造，变形量为50%，得到直径12mm的合金棒；将锻造后的合金在800°C下进行旋锻，变形量为70%，使丝材直径达到3. 5mm ；最后在200°C下进行拉拔，经过 10道次，变形量为84%，得到直径0. 5mm的丝材。将拉拔后的合金丝材在卷簧机上制成锥形弹簧。制备的锥形弹簧实物如图4所示。
权利要求
1.一种磁场控制劲度系数的弹簧，其特征在于，其中使用的原料成分(原子分数)为 Fe100_x_yGaxMyNz，M 为 Nb、B、Be、A1、Iη、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、k 中的一种或多种，N 为 C、Cr、 Mn、Cu、Ni、Ti、Si、Zr 或 Mo，其中 x=10 30，y=0. 1 6，z=0 3，余量为 Fe。
2.一种磁场控制劲度系数的弹簧的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)按照所述原料成分配料并加入1-5%的( 烧损量；(2)将该配料进行真空冶炼，并浇注成合金锭，将铸态合金锭表面的氧化皮去掉，然后经过热锻、旋锻和拉拔步骤，获得直径0. l"2mm的丝材；(3)将拉拔后的合金丝材在卷簧机上卷制弹簧；(4)将弹簧在150-500°C的温度下保温10-180分钟，然后冷却到室温得到所述磁场控制劲度系数的弹簧。
3.根据权利要求2所述的磁场控制劲度系数的弹簧的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中真空冶炼的条件为真空度保持在5X 以上，电磁搅拌广5分钟；浇注温度为 145(T160(TC，浇注到铁模中；在所述热锻过程中，先在950-1200°C保温0. 5_3小时，然后在 800-1150°C下锻造，变形量为50-80% ；旋锻的温度为500-800°C，变形量为40-90% ；拉拔的温度为200-400°C，变形量为40-85%。
4.根据权利要求2所述的磁场控制劲度系数的弹簧的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，在卷簧机上卷制弹簧时，弹簧的圈径D与弹簧的线径d的比D/d为Γ12。
5.根据权利要求1-4所述的磁场控制劲度系数的弹簧的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中，可在退火时引入外加磁场，空冷至室温。
6.根据权利要求2飞所述的磁场控制劲度系数的弹簧的制备方法，其特征在于由所述方法制备的磁场控制劲度系数弹簧，包括可提供拉力的拉伸式弹簧、可提供压力的压缩式弹簧，以及既可以提供拉力也可提供压力的锥形弹簧。
全文摘要
本发明涉及一种磁场控制劲度系数的弹簧及其制备方法；所述磁场控制劲度系数的弹簧使用的原料成分为Fe100-x-y-zGaxMyNz，M为Nb、B、Be、Al、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、Se中的一种或多种，N为C、Cr、Mn、Cu、Ni、Ti、Si、Zr、或Mo等，其中x=10～30，y=0.1～6，z=0～3，余量为Fe。本发明采用锻造和拉拔的方法制备直径为0.1～2mm的Fe-Ga基丝材，然后制备拉伸弹簧、压缩弹簧和锥形弹簧，其中径比为4～12。弹簧在150～500℃下保温10～180min。在无磁场和135Oe的磁场中，分别测得弹簧的劲度系数为115.2N/m和110.5N/m。弹簧劲度系数变化为4%。通过本方法和材料制备的弹簧，当其置于磁场环境中时，其弹性系数、力学行为将受到磁场的影响而发生一定程度的变化；可用于精密控制、传感器、减振等领域。
文档编号C22C38/00GK102537162SQ20121000355
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者包小倩, 方美玲, 朱洁, 李纪恒, 高学绪 申请人:北京科技大学