一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及其制备方法
【专利摘要】本发明属于磁性材料领域，特别涉及一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及其制备方法。其特征在于，该Fe-Ga基磁致伸缩材料的成分为Fe100-x-y-zGaxRyMz，其中R为La系稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho中的一种或多种,M为B、Cr中的一种或者两种。按原子比计算，其中x=15～30，y=0.01～10，z=0.1～1.0，余量为铁。在Fe-Ga合金中同时添加稀土元素、硼和铬，不仅大大改善合金的可加工性；而且稀土元素净化钢液，并固定钢液中的残余杂质，形成细小的富稀土相粒子分布于Fe-Ga基体上，在轧制薄片的最终热处理时，该弥散析出的细小粒子可以控制Fe-Ga基体内相的转化过程、晶粒异常长大过程和织构形成过程，从而获得具有良好高斯织构和立方织构的Fe-Ga基合金薄片，该薄片具有较高的磁致伸缩性能。
【专利说明】一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁性材料领域，特别涉及一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及制备方法
【背景技术】
[0002]磁致伸缩材料作为一种智能材料，在换能器、传感器、执行器上都有重要的应用。2000年,美国Guruswamy等人发现Fe-Ga合金具有较高的磁致伸缩系数,兼具机械性能好、饱和磁场低、居里温度高、耐腐蚀、低滞后，表现良好的环境适应性，被认为是新一代超磁致伸缩材料。过去十多年，材料研究者们对Fe-Ga合金的组织结构和磁致伸缩性能做了大量的研究，并取得了较大的进展。
[0003]由于Fe-Ga合金电阻率低，使用过程中将产生严重的涡流损耗。把Fe-Ga合金制成薄片材料可有效降低润流损耗，改善高频特性。但Fe-Ga 二元合金脆性大,不易轧制成薄片材料。研究表明通过添加B、Cr等合金元素可大大改善Fe-Ga合金的塑性，可轧制加工得到
0.3mm以下的薄片材料,但与单晶和定向凝固Fe-Ga合金相比,轧制Fe-Ga薄带的磁致伸缩系数等性能还有较大差距。(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合金薄片的磁致伸缩性能与织构密切相关。2007年，S M Na等人报道了在轧制Fe81.3Ga18.7中添加少量的B和S，获得了近似立方织构或近似高斯织构，最高磁致伸缩性能为 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 等人还报道了在轧制 Fe-Ga 中添加 lat%NbC,在含0.5%H2S的Ar气中通过高温处理及表面能诱导获得了强烈的高斯织构，磁致伸缩系数达至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)。可见具有高斯织构和立方织构的Fe-Ga合金薄片具有较高的磁致伸缩性能。
[0005]国内申请号为200710101498.0的专利公布了 Fe-Ga基合金中添加少量的稀土，通过定向凝固可获得〈100〉和〈110〉取向棒，并有较高的磁致伸缩系数。于全功等人研究发现,Fe-Ga合金铸锭的磁致伸缩系数由未添加的129ppm提高到添加Tb的222ppm和添加Dy的300ppm，并且少量Tb、Dy的添加在晶内析出点状的析出相，使Fe-Ga合金在〈100〉晶向择优生长，他们认为这是提高Fe-Ga合金铸锭的磁致伸缩系数的主要原因(于全功，江丽萍，张光睿，郝宏波，吴双霞，赵增祺.稀土 ，2010，31(4): 21)。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是在Fe-Ga合金中同时添加稀土、硼和铬元素，不仅大大改善合金的可加工性；而且稀土元素净化钢液，并固定钢液中的残余杂质，使杂质以稀土硫化物为核心的细小粒子的形式分布于Fe-Ga基体上，在轧制薄片的最终热处理时，该弥散析出的细小粒子作为抑制剂，可控制Fe-Ga基体内相的转化、晶粒长大和织构形成过程，从而获得具有良好高斯织构和立方织构的Fe-Ga基合金薄片材料。
[0007]本发明的具体实施步骤:
[0008]1.设计合金成分为 Fe1QQ_x_y_zGaxRyMz，R 为 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho 中的一种或多种，M为B、Cr中的一种或者两种。其中x=15~30，y=0.01~10，ζ=0.I~1，余量为铁。
[0009]2.通过感应熔炼成锭、锻造、热轧、温轧、冷轧，获得0.3mm以下的磁致伸缩薄片。按设计成分配料，并适当考虑镓元素和稀土元素的烧损；用真空感应炉熔炼母合金；均匀化处理后，根据铸锭比表面大小在900°C -1250°C保温0.5~3h后，出炉经多道次锻成适合热轧的近长方体形坯料；将锻后的合金锭分别在1000°C~1250°C热轧、350°C~650°C温轧以及常温下冷轧，总道次< 40，总变形量为90%~99.9%，获得0.3mm以下的薄片。
[0010]3.对轧制薄片进行热处理:
[0011]方法一:以氩气为保护气体，在1000°C~1300°C保温0.5~24h，然后随炉冷却至650°C~900°C保温I~6h水淬至室温。
[0012]方法二:Ar气中混合20~IOOppm的H2S气体，在1000°C~1300°C保温0.5~24h，然后随炉冷却至650°C~900°C保温I~6h水淬至室温。
[0013]通过热处理，得到具有大量高斯织构和立方织构的Fe-Ga基磁致伸缩薄片。
[0014]稀土元素作为一种`微合金化元素，少量溶入Fe-Ga基体，而在晶界和晶内析出，能降低铸态晶粒的晶粒度，提高锻轧能力；稀土元素为吸氧元素，在合金中优先氧化脱落，有效阻止基体氧化；该合金中B、Cr为辅助元素，主要是为了提高材料塑性和晶界强度，抑制轧制过程中的沿晶断裂。稀土元素固定钢液中的残余杂质，使杂质形成富稀土相的细小粒子分布于Fe-Ga基体上，在轧制薄片的最终热处理时，该弥散析出的细小粒子作为抑制剂，控制Fe-Ga基体内相的转化过程、晶粒长大过程和织构形成过程，从而获得具有良好高斯织构和立方织构的Fe-Ga基合金薄片。该Fe-Ga基薄片材料具有明显{100}〈001〉立方织构或{110}〈001〉高斯织构，具有较高的磁致伸缩性能。
[0015]本发明通过在Fe-Ga合金中同时添加稀土兀素、硼和铬,一方面提高Fe-Ga基合金的可加工性能；另一方面，用析出相夹杂粒子诱导Fe-Ga基体组织、晶粒长大和织构的形成过程，获得具有较高立方织构和高斯织构体积分数的Fe-Ga基磁致伸缩薄片材料。
[0016]本发明的优点:⑴发明Fe1(l(l_x_y_zGaxRyMz合金，并将其应用于磁致伸缩薄片生产，获得具有较高磁致伸缩性能的Fe-Ga薄片；(2)成型性好，生产工艺为传统工艺，制作简单，成本低，有利于大功率磁致伸缩器件的推广与应用。
【具体实施方式】
[0017]实施例1:高磁致伸缩系数(Fe83Ga17) 99.3Tb0.2B0.5合金薄片材料及其制备方法
[0018]使用纯度大于99.9%的Fe、99.99%的Ga和99.99%Tb，Ga和Tb均考虑3%的烧损，B以硼铁合金的形式加入，按原子百分比配料。将配好的原料放入真空感应炉，抽真空后通入Ar气作为保护气体，感应加热至完全熔化后浇注成锭；合金锭经均匀化热处理后，在1200°C锻成厚度为IOmm适于热轧的近长方体形坯料；将锻后的合金在11501:热轧，6501:、400°C分别温轧，常温下冷轧，总压下量为97. 2%，总道速为32，获得0. 28mm厚度的薄片。将 冷轧后的薄片放在密闭环境中，用Ar气做保护气体，在1150°C保温3h，然后随炉冷却至 800°C保温2h水淬至室温。获得具有较高立方织构和高斯织构的Fe-Ga基合金薄片，其磁 致伸缩系数高达230ppm。
[0019]实施例2 ：高磁致伸缩系数（Fe83Ga17) 98.7Ce0.合金薄片材料及其制备方法
[0020]使用纯度大于99. 9% 的 Fe、99. 99% 的 Ga、99. 99%Tb 和 99. 99%Cr, Ga 和 Ce 均考虑 3%的烧损，按原子百分比配所需质量的原料。将配好的原料放入真空感应炉，抽真空后充入 Ar气洗气两次后，再通入Ar气作为保护气体，感应加热至完全熔化后浇注成锭；合金锭经 均匀化热处理后，在1150°C锻成截面厚度为10mm适于热轧的近长方体形坯料；将锻后的合 金分别在1000°C热轧，600°C、400°C分别温轧，常温下冷轧，总压下量为97%，总道速为35， 获得0. 3mm厚度的薄片。将冷轧后的薄片放在密闭环境中，用Ar气中参杂50ppm的H2S气 体做保护气体，在1050°C保温6h，然后随炉冷却至800°C保温2h水淬至室温。获得具有较 高立方织构和高斯织构的Fe-Ga基合金薄片，其磁致伸缩系数高达246ppm。
[0021]实施例3 :高磁致伸缩系数（F^GaiUdMBuCi^合金薄片材料及其制备方法
[0022]使用纯度大于99. 9% 的 Fe、99. 99% 的 Ga,，99. 99%Nd、和 99. 99%Cr, Ga 和 Nd 均考 虑3%的烧损，B以硼铁合金的形式加入，按原子百分比配料。将配好的原料放入真空感应 炉，抽真空后充入Ar气洗气两次后，再通入Ar气作为保护气体，感应加热至完全熔化后浇 注成锭；合金锭经均匀化热处理后，在1250°C锻成截面厚度为15mm适于热轧的近长方体形 坯料；将锻后的合金分别在1150°C热轧，650°C、40(TC分别温轧，常温下冷轧，总压下量为 98. 3%，总道速为38，获得0. 25mm厚度的薄片。将冷轧后的薄片放在密闭环境中，用Ar气中 参杂50ppm的H2S气体做保护气体，在850°C保温0. 5h，升温到1200°C保温3h，然后随炉冷 却至650°C水淬至室温。获得具有较高立方织构和高斯织构的Fe-Ga基合金薄片，其磁致伸 缩系数高达223ppm。
【权利要求】
1.一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基薄片材料及其制备方法，其特征在于，具体实施步骤如下: 1).设计合金成分为Fe1QQ_x_y_zGaxRyMz，R 为 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Tb、Dy、Ho 中的一种或多种，M为B、Cr中的一种或者两种，其中x=15~30，y=0.01~10，ζ=(λ I~L 0，余量为铁； 2).通过感应熔炼成锭、锻造、热轧、温轧、冷轧，获得0.3_以下的磁致伸缩薄片；按设计成分配料，并适当考虑镓元素和稀土元素的烧损；用真空感应炉熔炼母合金；并均匀化处理；根据铸锭比表面大小在900°C -1250°C保温0.5-3h后，出炉经多道次锻成适合热轧的近长方体形坯料；将锻后的合金锭分别在1000°C~1250°C热轧、350°C~650°C温轧以及常温下冷轧，总道次< 40，总变形量为90%~99.9%，获得0.3mm以下的薄片，通过热处理，得到具有大量高斯织构和立方织构的Fe-Ga基磁致伸缩薄片。
2.根据权利要求1所述的一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基材料及其制备方法，其特征在于:对轧制薄片进行热处理的方法为: 以氩气为保护气体，在1000°C~1300°C保温0.5~24h，然后随炉冷却至650°C~900°C保温I~6h水淬至室温。
3.根据权利要求1所述的一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基材料及其制备方法，其特征在于:对轧制薄片进行热处理的方法为: 在Ar气中混合20~IOOppm的H2S气体为保护气体，在1000°C~1300°C保温0.5~24h，然后随炉冷却至650°C~900°C保温I~6h水淬至室温。
4.根据权利要求1所述的一种高磁致伸缩系数Fe-Ga基材料及其制备方法，其特征在于:该Fe-Ga基薄片材料具有明显{100}〈001〉立方织构或{110}〈001〉高斯织构，磁致伸缩系数高达220-250ppm。
【文档编号】C22C33/04GK103556046SQ201310571262
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】包小倩, 田喜蕾, 袁超, 高学绪, 李纪恒, 张文兰 申请人:北京科技大学