一种磁致伸缩材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及一种磁致伸缩材料及其制备工艺，其属于金属磁性材料领域。

背景技术：

稀土磁性功能材料具有将电磁能转换为机械能的功能，在声纳传感器、执行器、传感器、雷达、人工智能等高尖精密仪器中得到了广泛的应用，在民用领域、国防领域等的应用都得到了极大地肯定。稀土磁致伸缩材料，主要是指rfe2(r为稀土)这一类fe基c15laves相稀土金属间化合物。这种fe基c15laves相稀土金属间化合物的优秀代表是terfenol-d，它的组成成分为tb0.27dy0.73fe2。这种材料的发明人是美国的a.e.clark等人和h.t.savage等人，他们已分别申请了美国专利，专利号分别为3949351和4308474。日本东芝公司在terfenol-d材料的基础上通过添加少量的mn替代fe，得到一种含有少量mn的超磁致伸缩材料，并且这种材料也申请了专利，专利号为昭55-134150。

但是上述材料的原材料成分中的稀土金属r都是高纯稀土金属tb、dy和ho等，这类材料的纯度大于99.9％以上，并且母合金的冶炼和取向多晶样品的制造需要造价很高的设备，所以这些商品化的磁致伸缩材料如terfenol-d的价格非常昂贵。因此有必要寻找相对便宜且丰富的稀土材料来进行替代。单离子模型计算表明，ndfe2在绝对零度的磁致伸缩系数可以达到2000ppm。此外，轻稀土nd的资源比较丰富，而且价格便宜。但是由于nd³⁺离子半径很大，在常压或者高温下合成ndfe2合金laves单相几乎都是不成功的。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种磁致伸缩材料及其制备工艺。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种磁致伸缩材料，所述磁致伸缩材料成分为：nd(fe1-xcox)2，按原子比计算，x＝0.1～0.4。

进一步的，通过熔体快淬方法获得非晶或非晶与纳米晶混合物条带，低温退火得到立方laves单相化合物。

本发明还提供一种磁致伸缩材料制备工艺，步骤如下：

原料配制：采用稀土nd和过渡金属fe、co，按照化学计量式nd(fe1-xcox)2原子比配比；其中x＝0.1～0.4；

常规真空电弧熔炼：将上述步骤得到的金属单质放入真空电弧熔炼炉腔内的铜坩埚内，关闭炉腔，用机械泵预抽加分子泵续抽的方式，直到炉腔内真空度到达10-5pa以下，充入氩气保护气至低于大气压0.06-0.09mpa；采用常规熔炼反复4次，待到合金成分均匀；

快冷熔炼：将循环水换至冰水模式，电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10-20秒钟，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5-10秒钟，待材料冷却至室温；

在氩气保护下高频加热单辊快淬炉内进行快淬；

真空退火：将材料取出并进行真空退火得到立方laves单相化合物。

进一步的，所述真空退火温度为500～600℃。

进一步的，所述nd、fe、co的纯度为99.9％以上。

进一步的，所述常规真空电弧熔炼采用稀土在下、过渡金属在上的放置方式。

进一步的，所述快淬步骤中，轮表面线速度在20～45m/s的范围。

进一步的，所述真空退火的时间为30分钟以上。

有益效果：

本发明使用部分co取代部分fe可以稳定立方laves相化合物使之更容易合成，另一方面部分co取代部分fe也可以改变化合物的各向异性，提高rfe2化合物的磁致伸缩性能。

本发明利用熔体快淬及后续退火的方法合成了常规方法难以合成的高nd含量的nd(fe,co)2立方laves单相。

附图说明

图1为nd(fe0.7co0.3)2合金的x射线图谱；(a)nd(fe0.7co0.3)2合金锭，(b)40m/s快淬，(c)40m/s快淬后在500℃退火30分钟；

图2为nd(fe0.7co0.3)2合金快淬退火后的饱和磁化强度；

图3为nd(fe0.7co0.3)2合金快淬退火后的(λ||-λ⊥)与磁场的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1

一种磁致伸缩材料，成分为：nd(fe1-xcox)2，其中x＝0.1～0.4。通过熔体快淬方法获得非晶或非晶与纳米晶混合物条带，然后在低温退火30分钟以上得到立方laves单相化合物。

所述磁致伸缩材料的制备工艺如下：

原料配制：采用纯度为99.9％的稀土nd和纯度为99.9％的过渡金属fe、co，按照化学计量式nd(fe1-xcox)2原子比配比；其中x＝0.1～0.4；

常规真空电弧熔炼：将上述步骤得到的金属单质放入真空电弧熔炼炉腔内的铜坩埚内，采用稀土在下、过渡金属在上的放置方式；关闭炉腔，用机械泵预抽加分子泵续抽的方式，直到炉腔内真空度到达10-5pa以下，充入氩气保护气至低于大气压0.06-0.09mpa；采用常规熔炼反复4次，待到合金成分均匀；

快冷熔炼：将循环水换至冰水模式，即采用温度为0摄氏度的冰水作为循环水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10-20秒钟，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5-10秒钟，待材料冷却至室温；

在氩气保护下高频加热单辊快淬炉内进行快淬，轮表面线速度在20～45m/s的范围内可调。

真空退火：将材料取出并在500～600℃进行真空退火得到立方laves单相化合物。

实施例2

成分为nd(fe0.8co0.2)2的快淬退火合金。将配制好的原料放入电弧熔炼的铜坩埚内，铜坩埚首先用常规水循环冷却，采用电弧熔炼加电磁搅拌的方式反复熔炼4次，得到成分均匀的合金母材。将循环水换至冰水模式，即采用温度为0摄氏度的冰水作为循环水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10秒钟，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5秒钟，让合金迅速冷却。将该合金在氩气保护下高频加热单辊快淬炉内进行快淬，轮表面线速度为40m/s。然后将快淬得到的材料取出并在500℃进行真空退火得到立方laves单相化合物。图2插图显示nd(fe0.7co0.3)2合金快淬退火后的饱和磁化强度为66emu/g，图3插图显示nd(fe0.7co0.3)2合金快淬退火后的磁致伸缩为180ppm。

实施例3

成分为nd(fe0.7co0.3)2的快淬退火合金。将配制好的原料放入电弧熔炼的铜坩埚内，铜坩埚首先用常规水循环冷却，采用电弧熔炼加电磁搅拌的方式反复熔炼4次，得到成分均匀的合金母材。将循环水换至冰水模式，即采用温度为0摄氏度的冰水作为循环水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10秒钟，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5秒钟，让合金迅速冷却。将该合金在氩气保护下高频加热单辊快淬炉内进行快淬，轮表面线速度为40m/s。然后将快淬得到的材料取出并在500℃进行真空退火得到立方laves单相化合物。图1是nd(fe0.7co0.3)2合金的x射线图谱；其中(a)是nd(fe0.7co0.3)2合金锭的xrd图谱，(b)是40m/s快淬得到的材料的xrd图谱，从图1(a)(b)中可以看出，直接熔炼或者熔炼后单纯快淬不能得到单相的nd(fe0.7co0.3)2合金化合物；图1(c)是40m/s快淬后在500℃退火30分钟的xrd图谱，从这个图中可以看出，熔炼快淬退火的方法可以得到单相的nd(fe0.7co0.3)2合金化合物。图2是nd(fe0.7co0.3)2的快淬退火合金的饱和磁化强度图，从图中可以看出nd(fe0.7co0.3)2合金化合物的磁化强度在外加磁场强度增加到14koe左右时趋于饱和，并且饱和磁化强度为60emu/g。图3是nd(fe0.7co0.3)2的快淬退火合金的磁致伸缩通外场h的关系曲线图。从图中看出，nd(fe0.7co0.3)2合金化合物的磁致伸缩λa在外加磁场强度14koe左右时接近饱和，并且磁致伸缩值可以达到250ppm。

实施例4

成分为nd(fe0.6co0.4)2的快淬退火合金。将配制好的原料放入电弧熔炼的铜坩埚内，铜坩埚首先用常规水循环冷却，采用电弧熔炼加电磁搅拌的方式反复熔炼4次，得到成分均匀的合金母材。将循环水换至冰水模式，即采用温度为0摄氏度的冰水作为循环水；电弧熔炼合金至熔融状态，高速电磁搅拌熔融的合金材料，维持10秒钟，迅速关闭电弧电流，并维持高速电磁搅拌5秒钟，让合金迅速冷却。将该合金在氩气保护下高频加热单辊快淬炉内进行快淬，轮表面线速度为40m/s。然后将快淬得到的材料取出并在500℃进行真空退火得到立方laves单相化合物。图2插图显示nd(fe0.6co0.4)2合金快淬退火后的饱和磁化强度为58emu/g，图3插图显示nd(fe0.6co0.4)2合金快淬退火后的磁致伸缩为209ppm。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。