专利名称：磁共振成像系统的磁极片的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振成像系统的磁极片。本发明特别涉及这样的磁极片，即它包括多层具有含铝的铁合金的磁性能材料的层压品。本发明还涉及这种磁极片的制造方法。
背景技术：
磁共振成像(以下简称“MRI”)是获得人体或物体的内部的断层分析图像的一种成像技术。为获得清晰的断层分析图像，需要在MRI系统的磁场产生装置中产生产生稳定强磁场。
图1是MRI系统的一典型磁场产生装置的一个实施例的示意图，该图示出了磁场产生装置的主要部件。在磁场产生装置中，两块永磁体1对向放置。一个永磁体1的一侧固定于一磁轭3上，而相反侧与一磁极片2相连。磁极片2也由磁性能材料制成并起到定形和增强在磁极片2之间间隙4中的磁场的均匀性的作用。安置于磁极片2附近的梯度线圈6通常包括三套与X、Y、Z方向相对应的线圈组，以获得在空隙4中的位置信息。当在选定梯度线圈6上施加一随时间变化的电流时，在一指定方向上就产生一随时间变化的梯度磁场。磁极片2通常为平板状，并且涡流会在其中产生，这会在磁场中产生不利影响。为减小涡流，磁极片通常由多块软磁材料如坡莫合金、非晶态铁或Si-Fe合金的薄片层压体制成。优选更薄的片材和更高的电阻率，因为它们将产生更小的涡流。可是，用于生产磁极片的现有技术的材料有一定的局限性。例如，虽然Si-Fe合金材料的电阻率可以随着硅元素含量增加而提高，但当硅元素含量高于3.5wt％(重量百分比)时，这样的材料变脆并因而难于被制成薄板。
因此，人们始终要求能够为MRI磁极片提供可以由具有较高电阻率并由此具有低涡流损耗的材料制成较薄薄板的材料。此外，提供该磁极片以改善MRI系统的成像效果是非常理想的。
发明内容
本发明提供了用于MRI系统的磁极片的具有理想的韧性和电阻率的材料和含有这样的材料的MRI磁极片。
按照本发明的一个方面，该材料包括Fe-Al合金材料。术语“Fe-Al合金”应该被理解为以铁和铝为主要成分的合金材料。这样的合金材料可含有其它成分，这些成分的含量可以理想地或可以没有实质上并不利地影响主成分合金材料的磁性能或电学性能。通常来说，微量成分不会对主成分合金所要求的性能造成不利影响，这样的成分可以以小于约0.1wt％的含量存在。例如，这样的合金材料可以含有一些在铁或铝的生产方法中不可避免的其它搀杂成分。因而，在此所述的合金材料只列出了其主要成分。
按照本发明的另一方面，该材料包括Fe-Al-Co合金、Fe-Al-Ni合金或Fe-Al-Co-Ni合金。
按照本发明的又一个方面，该材料含有铁、铝以及至少一种有利地改善了合金材料的磁性能或电阻率的第三成分。
按照本发明的另一方面，MRI系统的磁极片包括许多层压在一起的薄板，所述薄板由含铁和铝、含铁、铝和钴或含铁、铝和镍的合金制成。
按照本发明的另一方面，MRI系统具有至少一个包括多片Fe-Al合金、Fe-Al-Co合金或Fe-Al-Ni合金制成的层压薄板的磁极片。
按照本发明的另一方面，制造由含铁和铝的合金制成的薄板的制造方法包括将该合金热轧及冷轧到规定厚度的工序。该制造方法进一步包括在轧制前或轧制后的至少一次退火热处理工序。
通过仔细阅读以下对本发明的具体说明和附图，将清楚地了解到本发明的其它特征和优点，在附图中，相同数字表示同样的部件。
磁性能材料的一个重要性能就是铁心损耗(以下称为铁损)低。铁心损耗被定义为磁滞损耗与涡流损耗之和，单位为W/kg(瓦特/千克)。同样，具有低铁损的磁性能材料适合制作MRI系统的磁极片。磁滞损耗是一种在磁性能材料反向磁化过程中产生的不可逆的能量损耗。磁滞损耗主要受材料成分的影响。涡流损耗是一种由于磁性能材料内部产生感应电流而造成的不可逆的能量损耗，它以热量方式体现。除不理想的能量损耗外，大的涡电流还会不利地影响到MRI系统的磁场均匀性并同时延缓磁场强度达到最大值并因此降低所检测实物的影像质量。实际应用中，将具有较高电阻率的磁性能材料加工成薄板状可减少涡流损耗。采用具有较低矫顽力的磁性能材料和/或通过改变晶粒取向，比如在薄板平面上存在两个晶体学“易”磁化方向，可进一步降低铁损。
非晶态铁和非取向硅钢等材料通常被用来制造MRI系统的磁极片。上述材料均存在一定的缺点。非晶态铁价格昂贵。含有少量硅的钢材可以被制成薄板，但是，当试图通过以高于3.5wt％的含量添加硅的方式增大材料电阻率时，硅钢变脆并失去韧性，由此丧失了其被加工成薄板材料的能力。此外，向已成型的硅钢薄板中添加硅元素的方法费用昂贵。
本发明提供了具有理想的韧性和电阻率的含铁和铝的且适于制造MRI系统磁极片的合金材料以及采用该种合金材料的MRI系统磁极片。用于MRI磁极片的本发明的Fe-Al合金材料含有铝0.5wt％-17wt％。铝含量最好小于或等于10wt％。具有较高铝含量(铝含量小于或等于17wt％)的合金材料可通过将适量的高纯铁与铝含量如此高的铁铝合金混合熔炼而获得。可以添加其它元素以便改善合金显微组织结构，而同时又不会破坏其可加工成薄板的可加工性。只要不损害最终合金产品的性能，用于制造MRI系统磁极片Fe-Al合金材料就可以含有其它夹杂的为量成分，这些成分不可避免地在铁或铝的生产方法中伴随产生，或者它们在合金原材料中。例如，这些微量成分可能是磷、硫、碳、氢、氧、氮、稀土金属或其它一些金属材料如锰、铜、铬或钼。通常，这些微量成分在合金材料中的含量应小于0.1wt％，最好小于0.05wt％，小于0.01wt％更好，小于0.005wt％最佳。
在本发明的另一方面中，Fe-Al合金材料可进一步含有至少一种能至少改善初始Fe-Al合金的磁性能或电学性能的元素。例如，在本发明的一个具体实施例中，MRI磁极片由含有铁、铝和钴的合金制造。钴的添加抵消了由于铝含量增加而造成的合金材料饱和磁化的损失。在另一实施例中，可以向初始Fe-Al合金中添加镍，以便改善初始铁铝合金的磁导率。在上述Fe-Al-Co或Fe-Al-Ni合金中，钴或镍的含量可以在从0.1wt％至接近10wt％的范围内。只要不损害所需的合金产品性能，上述的其它微量成分就可存在于Fe-Al-Co合金中。
在本发明的另一实施例中，Fe-Al合金可含有约0.1wt％-约4wt％的硅。在本发明的另一实施例中，合金材料中按上述比例地含有铁、铝、硅和钴或镍。
本发明提供了MRI系统的磁极片。本发明的磁极片包括多个Fe-Al、Fe-Al-Co或Fe-Al-Ni合金的薄板，所述薄板通过使用粘结剂如聚合材料被层压成一堆。每块合金薄板的厚度小于0.5mm，最好小于0.3mm，小于0.2mm更好。在生产层压磁极片过程中，可使用有机或无机的粘结剂。适用的有机粘结剂是环氧树脂和丙烯酸树脂。适用的无机粘结剂包括硅酸盐或有机金属化合物的分解残留物。例如，聚有机硅烷或聚有机硅氧烷可以留下含碳化硅或碳氧化硅的残留物。聚硅氨烷及含{-Si-N-}键的硅聚合物可以留下含氮化硅或碳氮化硅的残留物。上述这些粘结剂或其残留物最好具有电绝缘性。
在本发明中，为了制造MRI系统磁极片而使用了含铝的非取向或取向铁合金板材。在本发明的一个方面中，一板材可包含双取向合金材料，其中晶粒取向为单胞立方晶面与薄板表面平行。
厚度小于约0.5mm的合金薄板可以通过这样的制造方法来制造，它包括一步或多步将合金铸坯或合金锭热轧和冷轧成所需厚度的工序。每一步热轧或冷轧工序可以包括使工件多次经过轧机，以便每道压下量为10％-20％地减小厚度。在热轧或冷轧工序之前或之后，该方法可以还包括至少一次退火。通常，退火工序在还原气氛如氢气或惰性气体气氛如氩气、氖气、氦气、氪、氙气或以上混合气氛中进行的。也可以在真空环境下进行退火热处理。退火后，通常在相同气氛中，基本上将合金制品缓慢冷却至室温。
在本方法的一个实施例中，如此制得一种Fe-Al合金，即在真空、还原性气氛如氢气或惰性气体气氛如氩气、氖气、氦气、氪、氙气或以上混合气氛条件下，在电炉中混合熔炼按适当比例的纯铁和纯铝。首先熔化纯铁，再向其中添加纯铝。或者，可以熔化具有高铝含量的Fe-Al合金，如铝含量超过17wt％的铁铝合金，并将高纯铁加入其中以获得所需的成分。
本发明人偶然发现，尽管硅含量大于或等于4wt％的铁合金很脆，但铁铝合金具有非常好的韧性，即便在液氮温度条件下。例如，使用颚式粉碎机和盘磨机，可很容易将含约6wt％硅的铁合金和含约4wt％的硅和6wt％的铝的铁合金进行破碎成粗大颗粒。与此相反，其铝含量为6.5wt％的铁合金在室温条件下就不易破碎。由相同的Fe-Al合金构成的另一产品在冷却至液氮温度1小时并用圆头锤敲击后只留下一凹痕。因此，可使用Fe-Al合金制造出超薄的磁性能材料片。可依据具体用途向合金添加其它成分，以改善合金材料的基本性能。如此生产铝含量为6.5wt％的Fe-Al合金薄板，即长约91cm，厚度约为0.25mm，并且表面有MgO涂层。该薄板的电阻率为70μΩ-cm。用薄板制成线圈，所述薄板未经退火处理或在约760℃下在氮气(N2)气氛中经过四小时退火，然后以55℃/h的速度冷却至370℃。该板材被制成直径约为7.6cm的线圈。图2为该线圈的磁化曲线。
制造出宽约为5cm、厚约为0.2mm的且由另一个铝含量为6.5wt％的Fe-Al合金样品制成的薄板并使薄板在含氢的还原性气氛中接受不同的退火温度。退火工序包括快速升温至约750℃，然后以约50℃/h的速度升至退火温度，并在退火温度条件下保持一定退火时间，随后以约50℃/h的速度冷却至750℃，随后，使炉温以不受控制的速率进一步降低至接近室温。测量经退火处理的薄板矫顽力并且在表1中示出测量结果。退火时间可延长至超过8小时，如可达24小时以上，以进一步降低矫顽力。
表1
实施例将具有所需成分(铝含量约为4wt％，6wt％，8wt％和10wt％)的Fe-Al合金铸锭切断成约23cm高、各边长约为9cm的合金块，并接受热加工以破坏铸造晶粒组织结构。热加工包括在1300℃-900℃温度范围内进行热锻和轧制，温度逐渐降低到产生细化晶粒组织。热轧板材的最终厚度为3mm。随后，板材被冷轧至厚度小于0.5mm，每道压下量为10％-20％。可想象到的是，可以采用接近50％的每道压下量。在冷轧之前，将铝含量约为8wt％和10wt％的Fe-Al合金在约900℃条件下退火处理1小时。对于一些具体情况，可采取较长时间退火，如退火时间为24小时或更长。也可以采用900℃-1050℃的退火温度范围。该退火顺利地使得以每道轧制压下量10％将薄板冷轧到约0.8mm或约0.4mm厚成为可能。随后，将合金薄板分别机加工成符合ASTM E8-99抗拉强度测试的抗拉试样以及用于铁损测试的环(外径约为5cm、内径约为4cm)以及磁损测试用Epstein长条(约3cm宽、约30cm长)。在进行性能测试前，在所有的抗拉试样、环形样品和Epstein长条状样品上手工涂敷MgO涂层并进行热处理。所使用的MgO涂层与商业用的C-2无机研磨涂层相似。在900℃-1050℃之中的温度下，对环形样品进行1-5小时的多种热处理。其余的由铝含量约为4wt％和8wt％的Fe-Al合金构成的环也在1200℃条件下进行5小时热处理。测试前，抗拉试样和Epstein长条在975℃条件下进行3小时热处理。硅钢样品(硅含量约为3.6wt％)同样进行处理并测试对比。
可在基本恒定温度下进行一个退火工序，或者该温度可以从室温升至最终温度，试样在最终温度下保温所需的时间。测试程序将绝缘胶带和线圈缠绕在层压好的环形样品上(样品高约8mm)，使用SMT-600型磁性能测试仪(KJS Associates Inc.，Indianapolis，Indiana)按照ASTM A912-3(1998)标准要求测试样品的铁损和磁导率。
分别按照ASTM E8-99(1998)和ASTM E18-98(1999)标准要求对样品进行抗拉强度和洛氏硬度(“HRB”)测试。在室温和环境温度条件下且以5mm/min的拉伸速度进行抗拉强度测试。
在使用MgO涂层处理前，使用Keithley 580型四探针微欧计按照ASTM A712-97(1997)标准要求对机加工态Epstein长条状样品的电阻率进行测试。
合金样品的机械性能和电阻率测试结果如表2所示。
表2
磁性能测试结果如表3所示。
表3
将每片厚度小于0.5mm、最好小于0.3mm、小于0.2mm更好且小于0.1mm效果最佳的Fe-Al合金薄板通过粘结剂层压制成改进型MRI系统磁极片。层压方法可在室温或在不会对薄板处理产生不利影响的温度条件下进行。若使用固体有机粘结剂，一个温度如其熔化温度可用于层压法。同时，层压温度也可是能够促进有机树脂粘结剂发生聚合反应的温度。此外，层压合金制品有可能需要在某一温度条件下进行热处理，从而使有机或有机-金属粘结剂发生分解反应产生耐高温的陶瓷或无机残留物。需要对层压合金制品进行切割或按照要求形状和尺寸成型，以便用在MRI系统里。在层压方法中，施加压力可达100MPa。层压成型后，将层压合金制品在900℃-1300℃并最好在1000℃-1200℃温度范围内进行退火处理以消除应力。美国专利5,283,544；6,150,818和6,150,819中公开的磁极片制造方法在此作为参考被引入本文，本发明所公开的合金材料使用该种方法可制造改进型MRI系统磁极片。本发明磁极片的一个具体实施例中包括多个层压成型制品。层压成型制品相互连接在一起形成一个完整的磁极片，其中相邻层压成型制品中合金薄板的轧制方向互成一定角度。在其中一个具体实施例中，该角度为90°。
虽然在此描述了各实施例，但应该根据说明书认识到，本领域技术人员可以对实施例中的要素、变型方式、等同或改进特征进行各种组合，这些组合方案仍然在如后续权利要求书所限定的本发明范围里。
权利要求
1.磁共振成像系统(MRI)系统的磁极片，所述磁极片包括由一摞多片由含铁和铝的合金构成的薄板，所述薄板被层压在一起。
2.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述合金材料含有0.5wt％-17wt％的铝。
3.如权利要求2所述的MRI系统磁极片，其中所述合金材料还含有0.1wt％-10wt％的钴。
4.如权利要求2所述的MRI系统磁极片，其中所述合金材料还含有0.1wt％-10wt％的镍。
5.如权利要求2所述的MRI系统磁极片，其中所述合金材料还含有0.1wt％-4wt％的硅。
6.如权利要求3所述的MRI系统磁极片，其中所述合金材料还含有0.1wt％-4wt％的硅元素。
7.如权利要求4所述的MRI系统磁极片，其中所述合金材料还含有0.1wt％-4wt％的硅元素。
8.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述每块合金薄板厚度均小于约0.5mm。
9.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述每块合金薄板厚度均小于约0.3mm。
10.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述每块合金薄板厚度均小于约0.1mm。
11.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述薄板之间通过一电绝缘材料相互分离。
12.如权利要求10所述的MRI系统磁极片，其中所述电绝缘材料可从有机电绝缘材料和无机电绝缘材料中选择。
13.如权利要求10所述的MRI系统磁极片，其中所述电绝缘材料为硅酸盐。
14.如权利要求10所述的MRI系统磁极片，其中所述电绝缘材料是从环氧树脂、丙烯酸树脂、聚有机硅烷、聚有机硅氧烷、聚硅氨烷及有{-Si-N-}键的硅聚合物及其混合物中选出的有机聚合材料。
15.如权利要求10所述的MRI系统磁极片，其中所述电绝缘材料为包括聚有机硅烷、聚有机硅氧烷、聚硅氨烷及有{-Si-N-}键的硅聚合物及其混合物材料的聚合物经经热处理后产生的残留物。
16.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述薄板的按照ASTM A712-97(1997)标准测得的电阻率高于60μΩ-cm。
17.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述薄板层压成型压力达约100MPa。
18.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述薄板层压方法中使用有机粘结剂且在其熔化温度下进行压制。
19.如权利要求18所述的MRI系统磁极片，其中所述薄板在层压前已进行退火热处理。
20.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述层压品在900℃-1300℃范围内进行退火热处理。
21.如权利要求1所述的MRI系统磁极片，其中所述层压品在1000℃-1200℃范围内进行退火热处理，退火热处理环境可从真空、还原型气氛、惰性气体气氛以及以上气氛组合中进行选择。
22.一种MRI系统磁极片，所述磁极片包括多个层压品，每个层压制品中均包含多个含有铁和铝的合金薄板，所述合金薄板通过层压成型，所述层压品如此相邻布置，即一个层压品的薄板的与一相邻层压品的薄板成一角度。
23.一种MRI系统磁极片，所述磁极片包括多个层压品，其中每个层压品均包含多个含有铁和铝的合金的薄板，所述薄板通过层压成型，每块薄板经以下方法成型，该方法包括在1000℃-1300℃范围内对所述合金材料进行锻造，得到锻造合金；在约1300℃条件下对所述锻造合金进行热轧，得到热轧合金；以10％-50％的每道压下量对所述热轧合金进行冷轧，得到所述薄板。
24.如权利要求23所述的MRI系统磁极片，它还包括在所述冷轧工序前在900℃-1050℃范围内对该热轧合金进行第一次退火热处理。
25.如权利要求24所述的MRI系统磁极片，其中所述退火时间为约1小时至约24小时之间。
26.如权利要求23所述的MRI系统磁极片，它还包括在所述冷轧工序后对所述薄板进行第二次退火热处理，所述退火热处理的环境可从真空、还原气氛、惰性气体气氛以及以上气氛组合中进行选择。
27.如权利要求26所述的MRI系统磁极片，它还包括在第二次退火热处理后进行第二次冷轧。
28.一MRI系统，它包括至少一个磁极片，该磁极片包含一摞的多片含铁和铝的合金的薄板，所述薄板被层压在一起。
29.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述合金材料的铝含量范围为0.5wt％-17wt％。
30.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述合金材料的铝含量范围为0.5wt％-10wt％。
31.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述的每块薄板的厚度均小于约0.5mm。
32.如权利要求29所述的MRI系统，其中所述合金材料还包含含量为0.1wt％-10wt％的钴。
33.如权利要求29所述的MRI系统，其中所述合金材料中还包含含量为0.1wt％-10wt％的镍。
34.如权利要求29所述的MRI系统，其中所述合金材料中还包含含量为0.1wt％-4wt％的硅。
35.如权利要求32所述的MRI系统，其中所述合金材料还包含含量为0.1wt％-4wt％的硅。
36.如权利要求33所述的MRI系统，其中所述合金材料还包含含量为0.1wt％-4wt％的硅。
37.如权利要求28所述的MRI系统，其中每块薄板的厚度均小于约0.5mm。
38.如权利要求28所述的MRI系统，其中每块薄板的厚度均小于约0.3mm。
39.如权利要求28所述的MRI系统，其中每块薄板的厚度均小于约0.1mm。
40.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述合金薄板之间采用电绝缘材料相互分离。
41.如权利要求40所述的MRI系统，其中所述电绝缘材料可从无机电绝缘材料和有机电绝缘材料中进行选择。
42.如权利要求40所述的MRI系统，其中所述电绝缘材料为硅酸盐。
43.如权利要求40所述的MRI系统，其中所述电绝缘材料是从环氧树脂、丙烯酸树脂、聚有机硅烷、聚有机硅氧烷、聚硅氨烷及具有{-Si-N-}键的硅聚合物及其混合物中选出的一有机聚合材料。
44.如权利要求40所述的MRI系统，其中所述电绝缘材料为包括聚有机硅烷、聚有机硅氧烷、聚硅氨烷及具有{-Si-N-}键的硅聚合物及其混合物材料的聚合物的经热处理后产生的残留物。
45.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述薄板的按照ASTMA712-97(1997)标准测得的电阻率高于60μΩ-cm。
46.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述薄板层压成型压力达约100MPa。
47.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述薄板通过一有机粘结剂并在有机粘结剂熔化温度下进行被层压。
48.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述层压品在900℃-1300℃范围内进行退火热处理。
49.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述层压品在1000℃-1200℃范围内进行退火热处理。
50.如权利要求28所述的MRI系统，其中所述层压品的退火热处理环境可从真空、还原性气氛、惰性气体气氛以及以上气氛组合中进行选择。
51.含铁和铝的磁性能合金材料的薄板的制造方法，它包括在1000℃-1300℃范围内对所述合金材料进行锻造，得到锻造合金；在约1300℃条件下对所述锻造合金进行热轧，得到热轧合金；以10％-50％的每道压下量冷轧该热轧合金，得到所述薄板。
52.如权利要求51所述的含铁和铝的磁性能合金材料的薄板的制造方法，它还包括在所述冷轧工序前在900℃-1050℃范围内对所述热轧合金进行第一次退火热处理。
53.如权利要求52所述的含铁和铝的磁性能合金材料的薄板的制造方法，其中退火热处理时间为约1小时。
54.如权利要求52所述的合铁和铝的磁性能合金材料的薄板的制造方法，它还包括在所述冷轧工序后的对所述合金薄板进行第二次退火热处理。
55.如权利要求54所述的含铁和铝的磁性能合金材料的薄板的制造方法，它还包括在第二次退火热处理后进行第二次冷轧。
全文摘要
磁共振成像系统的磁极片包含由多片含铁和铝的合金的薄板的层压品。该合金材料的铝含量最高可达17wt％，并且还可含有钴、镍和/或硅元素。用于该磁极片的Fe－Al合金薄板的电阻率高于60μΩ－cm。Fe－Al合金薄板的制造方法包括热锻、热轧和冷轧工序。该制造方法还包括在冷轧工序之前和/或之后进行退火热处理。
文档编号G01R33/38GK1480098SQ0315221
公开日2004年3月10日 申请日期2003年7月29日 优先权日2002年7月29日
发明者J·S·马特, M·G·本茨, P·G·弗里斯曼, W·D·巴伯, H·R·小哈特, J·C·谢, L·E·伊奥里奥, B·阿克塞尔, J S 马特, 伊奥里奥, 小哈特, 巳, 巴伯, 弗里斯曼, 本茨, 谢 申请人:通用电气公司