一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其製備方法

2023-10-10 11:39:39

專利名稱：一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及磁性材料領域，特別涉及一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其製備方法。
背景技術：
鐵磁體在外磁場中被磁化時，其長度及體積均發生變化，這個現象被稱為磁致伸縮。磁致伸縮材料通常是指沿某一方向具有較大磁致伸縮應變的材料。線磁致伸縮應變通常用λ表示，X=AL/L (L為材料原始長度，Λ L為磁化狀態改變時樣品長度的變化量)。單晶體的磁致伸縮應變具有晶體學方向性，通常沿不同的晶體學方向具有不同的磁致伸縮應變值。因此，對於多晶磁致伸縮材料來說，總是希望得到沿具有最大磁致伸縮應變晶體學方向的取向多晶材料。 金屬磁致伸縮材料的一個主要應用就是製作換能器。以Tb-Dy-Fe為代表的超磁致伸縮材料雖然具有磁致伸縮應變大、能量轉換效率高等優良的性能，但由於其質地較脆，塑性很差，加工性差，原材料成本高等，限制了該材料的應用；新興的Fe-Ga磁致伸縮合金薄片也存在成本較高、磁致伸縮性能不均勻的劣勢；傳統的金屬磁致伸縮材料包括鎳、鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷合金等，雖然其磁致伸縮應變值較低，但由於其力學性能好、成本低廉，在磁致伸縮換能器中仍有廣泛的應用；而這其中鐵鋁合金具有最誘人的應用空間，其原材料成本低廉、磁致伸縮應變值較高(單晶體沿〈100〉晶體學方向可達IlOX 10_6)、能量轉換效率高。早在20世紀四五十年代，人們就發現鋁的質量分數為9%到13%的鐵鋁合金(原子百分數約為16. 1%到23. 6%)具有較高的磁致伸縮應變值，美國、日本、蘇聯更是組織了大量研究人員對該材料進行研究。不過稍後興起的壓電陶瓷材料由於具有更高的應變和能量轉換效率，使得鐵鋁合金逐漸淡出了人們的視野。近年來，隨著超聲學的逐漸發展，人們希望能夠做出大功率甚至是超大功率的超聲換能器，而壓電陶瓷材料由於其機械性能差、易發熱失效等缺點而難以勝任，於是人們又將目光轉向了磁致伸縮材料。作為磁致伸縮材料的Fe-Al合金通常含鋁10%或13% (原子百分數約為18. 7%或23. 6%);前者飽和磁致伸縮應變值較大，後者各項異性常數K1較小。已有的研究資料表明，Al原子分數約為19%的鐵鋁合金單晶的磁致伸縮應變λ 100約為95Χ10_6，(R.C. Hall, Magnetostriction of AluminumIron Single Crystals in the Region of 6to 30 Atomic Percent Aluminum. Journal of Applied Physics,1957，28 (6):707-713.)。通過適當退火處理後其磁致伸縮應變值還有進一步的提高，約為110X 10—6。(R.C. HalI, Single Crystal Anisotropy and Magnetostriction Constants ofSeveral Ferromagnetic Materials Including Alloys of NiFej SiFej AlFej CoNij andCoFej Journal of Applied Physics，1959，30 (6) :816-819.)。無織構的鐵銀合金多晶磁致伸縮應變值低，人們通常通過控制織構的方法來提高鐵鋁多晶合金的磁致伸縮性能。鐵鋁合金單晶沿〈100〉方向具有最大的磁致伸縮應變值，因此，可以通過獲得高斯織構{110}〈001〉或立方織構{100}〈001〉來提高鐵鋁多晶合金的磁致伸縮性能。二十世紀六十年代，Borodkina和Bulycheva等人曾詳細探討了通過織構控制來改善Fe_10%Al合金多晶薄片磁致伸縮性能的可能性。他們採用冷軋、中間退火、冷軋的工藝來獲得薄片材料，冷軋變形量控制在50%飛0%。該薄片材料於900°C退火兩小時後，材料具有弱的高斯織構{110}〈001〉和立方織構{100}〈001〉，其磁致伸縮應變值約為42X10' (E. P. Wohlfarth主編，劉增民等譯，鐵磁材料磁有序物質特性手冊卷II，電子工業出版社，北京，1993:81)。Fe-13%A1合金磁致伸縮應變值較大，，磁各向異性常數K1小，也是一種常用的磁致伸縮材料；不過隨著鋁含量的增大，該材料塑性差，冷軋非常困難。鐵招合金作為軟磁材料的一個體系,20世紀七八十年代,在我國進行了較為詳細的研究，並給出了相應的國家標準，(GB/T 14986-2008，高飽和、磁溫度補償、耐蝕、鐵鋁、恆磁導率軟磁合金)。其中給出的lJ13(Fe-13%Al)溫軋帶材的磁致伸縮應變值約為35X10_6，但鐵鋁合金作為一種磁致伸縮材料在我國未進行詳細的研究。近年來，隨著超聲波應用的不斷拓展，低頻大功率超聲換能器顯示出了廣闊的應用前景，而鐵鋁合金作為一種低成本的磁致伸縮材料，其用量也有逐年增加的趨勢。而現階段我國幾乎沒有廠家生產這種材 料，少數換能器廠家主要是靠從國外進口來滿足生產需求，進口材料的磁致伸縮應變值也通常僅為40X 10_6左右。鐵鋁合金薄片的生產過程包括熱軋、溫軋、冷軋、中間退火及最後的再結晶退火，其中冷軋總變形量及最後的再結晶退火是生產過程中主要控制的工藝過程。其冷軋總變形量控制在509Γ70%，再結晶退火在幹氫氣氣氛中進行，退火溫度通常低於900°C。其主要原理是控制軋制變形量和隨後的熱處理工藝，通過再結晶及隨後晶粒的正常長大來獲得一次再結晶織構。然而這樣獲得的織構強度不高，並且對於Al原子百分數大於22% (質量分數約為12%)的Fe-Al 二元合金，其塑性很差，軋制非常困難，軋制道次多，需要反覆中間退火。有必要提供一種具有強高斯織構、磁致伸縮性能優良的鐵鋁合金磁致伸縮薄片材料以及一種簡易的製備方法。

發明內容
一方面，本發明的目的是提供一種製備Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料的方法，其中，所述材料的成分(原子分數)滿足通式FeiQQ_x_yAlxBy，其中，x=15^26, y=0. 03、. 5，餘量為Fe,該法包括以下步驟(I)按照所述材料的成分進行配料，在真空保護氣氛下將配料冶煉澆注成鑄態合金徒;(2)將鑄態合金錠在1000°C 1200°C的溫度下進行鍛造，形成矩形鍛坯；(3)將鍛造後的鍛坯在900°C 1200°C的溫度下進行熱軋形成熱軋板；(4)將熱軋板在450°C飛00°C的溫度下進行溫軋形成溫軋板，溫軋板的厚度在
O.5 O. 9mm之間；(5)將溫軋板在600°C 800°C的溫度下退火O. 5^3小時；(6)將退火後的溫軋板進行酸洗，酸洗後在100°C以下進行冷軋；(7)對冷軋板進行退火，其中升溫至退火溫度850°C 1200°C，保溫廣8小時後冷卻
至室溫。
優選地，熱軋單道次變形量在25°/Γ35%之間；溫軋單道次變形量在20°/Γ30%之間；冷軋總變形量為60°/Γ90%，冷軋單道次變形量在15°/Γ40%之間。優選地，在對冷軋板進行退火的步驟中，所述退火溫度為1000°C 1200°C，在升溫至所述退火溫度之前，抽真空至O. IPa以下，以混有氮氣的氬氣為保護氣體。可選地，在對冷軋板進行退火的步驟中，所述退火溫度為850°C 1000°C，所退火
過程在非真空或流動氣氛下進行。可選地，在對冷軋板進行退火的步驟中，在所述退火溫度保溫廣8小時之後，快速冷卻至400°C 650°C，保溫O. 5 3小時後快冷至室溫。優選地，x=19,y=0. 05。
優選地，χ=23·5, y=0. 4。另一方面，本發明提供一種根據上述方法製備的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料。優選地，該材料沿軋向的飽和磁致伸縮應變值大於50 X 10_6。為了獲得高強度的織構，提高鐵鋁合金的磁致伸縮性能，本發明的方法藉助了晶粒反常長大的二次再結晶過程，開發出了製備具有強高斯織構、磁致伸縮優良的鐵鋁基磁致伸縮合金薄片，其中主要通過B的添加形成Fe2B相以抑制晶粒的正常長大，同時通過控制退火工藝實現晶粒反常長大的二次再結晶，由此得到具有強高斯織構、磁致伸縮優良的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料。在本發明的技術方案中，鐵鋁合金中加入B主要有以下兩方面作用首先，少量B會在熱軋後的冷卻過程中不均勻析出，晶界、位錯都可能作為其析出核心，這些析出的B大都以Fe2B相的形式存在，會在冷軋後的再結晶退火過程中起到抑制劑的作用，阻止大部分晶粒的正常長大，使少數晶粒優先長大，利於二次再結晶過程的進行；其次，當B含量超過一定值時，會起到顯著的細化晶粒的作用，還會在晶界形成Fe2B相，這會顯著改善合金的塑性，從而可以簡化軋制過程，提高成材率。本發明具有如下優點I、FeiQQ_x_yAlxBy薄片磁致伸縮性能優良。對於Fe_10%Al (原子分數為18. 7%)合金，其磁致伸縮應變值超過65 X 10_6，對於Fe-13%A1 (原子分數為23. 6%)合金，其磁致伸縮應變值大於50X10_6。合金磁致伸縮應變值的提高，有利於提高換能器輸出超聲波的聲強和電聲效率(電磁能轉換為聲能的效率)。2、製造工藝簡單。由於添加了少量硼，合金的塑性有所提高，使得合金的軋制工藝簡單，可以減少軋制道次數和軋制過程中的回爐次數。


圖I為Fe8a95Al19Batl5薄片沿軋向的磁致伸縮應變曲線；圖2 為 Fe8a95Al19Ba05 薄片的 ODF ( φ2=45° )圖；圖3為Fe7f^1Al2I5Ba4薄片沿軋向的磁致伸縮應變曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明的高性能磁致伸縮薄片材料的成分為Fe1(l(l_x_yAlxBy。
實施例I =Fe8a95Al19Batl5磁致伸縮薄片材料的製備用電子天平稱取所需的原料，按照即將製備的材料成分進行配料，其中使用的原料為純度大於99. 99%的Fe、純度大於99. 99%的Al和純度大於99. 9%的硼鐵中間合金。採用真空感應熔煉煉製母合金，其中抽真空至8 X 10_2Pa，通入氬氣保持真空度至5 X IO4Pa後加熱，原料熔化後精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻性，將精煉後的合金澆注成合金錠。將合金錠在1100°C鍛造成厚度約為18mm的矩形鍛坯，以便適宜於熱軋。在實際中，對此厚度無需特別要求，鍛造的目的主要在於形成合適形狀的鍛坯以便適於軋制，如果合金錠本身形狀適於軋制，甚至無需鍛造步驟。將鍛造後的合金鍛坯進行熱軋，熱軋溫度為1100°C，共熱軋5個道次，單道次變形量在28°/Γ35%之間，形成熱軋板厚約3mm ;將熱軋板在550°C溫軋，溫軋道次數為4，單道次變形量為25°/Γ30%，形成溫軋板厚約O. 9mm ;將溫軋板在650°C退火I小時，冷至室溫後用濃度為5%的鹽酸酸洗，然後在室溫下冷軋，單道次變形量為20°/Γ30%，冷軋道次數為5，冷軋變 形量約為87%，形成冷軋板厚度為O. 15mm。將冷軋後的合金薄帶裝入真空爐中，抽真空至O. OlPa,以混有氮氣的氬氣作為保護氣氛，以15°C /min升溫至1050°C保溫4小時，隨爐冷卻至550°C保溫I小時後風冷至室溫。本領域技術人員明白，此處也可採用水淬、油淬等。圖I為Fe8tl.95Α119Βα%薄片沿軋向的磁致伸縮應變曲線，其飽和磁致伸縮應變值約為66Χ10_6 ;圖2為薄片的取向分布函數(ODF)圖(φ2=45° )，可以看出材料具有強的高斯織構。實施例2 =Fe76. ^123.5Β0.4磁致伸縮薄片材料的製備用電子天平稱取所需的原料，按照即將製備的材料成分進行配料，其中使用的原料為純度大於99. 99%的Fe、純度大於99. 99%的Al和純度大於99. 9%的硼鐵中間合金。採用真空感應熔煉煉製母合金，其中抽真空至8 X 10_2Pa，通入氬氣保持真空度至5 X IO4Pa後加熱，原料熔化後精煉3分鐘，以保證合金成分的均勻性，將精煉後的合金澆注成合金錠。將鑄態合金錠在1200°C鍛造成厚度約為18mm的矩形鍛坯，以便適宜於熱軋。將鍛造後的合金板料進行熱軋，熱軋溫度為1150°C，共熱軋6個道次，單道次變形量在25°/Γ30%之間，形成熱軋板厚約3mm ;將熱軋板在600°C溫軋，溫軋道次數為6，單道次變形量為22°/Γ30%，形成溫軋板厚約O. 5mm ;將溫軋板在700°C退火I小時，冷至室溫後，用濃度為5%的鹽酸酸洗,然後將板料預熱到70°C後開始冷軋,冷軋道次數為7,冷軋單道次變形量在15°/Γ25%之間，冷軋總變形量約為70%，形成冷軋板厚度為O. 15mm。將冷軋後的合金薄帶裝入真空爐中，抽真空至O. OlPa,以混有氮氣的氬氣作為保護氣氛，以15°C /min升溫至1100°C保溫4小時，隨爐冷卻至500°C保溫2小時後風冷至室溫。圖3為Fe76. AU5Ba4薄片沿軋向的磁致伸縮應變曲線，其飽和磁致伸縮應變值約為 51X10'
權利要求
1.一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料的製備方法，其特徵在於，所述材料的成分(原子分數)滿足通式 Feioo-x_yAlxBy， 其中，x=15^26, y=0. 03、. 5，餘量為Fe，所述製備方法包括以下步驟 (O按照所述材料的成分進行配料，在真空保護氣氛下將配料冶煉澆注成鑄態合金錠； (2)將鑄態合金錠在1000°C 1200°C的溫度下進行鍛造，形成矩形鍛坯； (3)將鍛造後的鍛坯在900°C 1200°C的溫度下進行熱軋形成熱軋板； (4)將熱軋板在450°C飛00°C的溫度下進行溫軋形成溫軋板，溫軋板的厚度在O.5 O. 9mm之間； (5)將溫軋板在600°C 800°C的溫度下退火O.5^3小時； (6)將退火後的溫軋板進行酸洗，酸洗後在100°C以下進行冷軋； (7)對冷軋板進行退火，其中升溫至退火溫度850°C 1200°C，保溫f8小時後冷卻至室溫。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於熱軋單道次變形量在259Γ35%之間；溫軋單道次變形量在20°/Γ30%之間；冷軋單道次變形量在15°/Γ40%之間。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於在對冷軋板進行退火的步驟中，所述退火溫度為1000°c 1200°C，在升溫至所述退火溫度之前，抽真空至O. IPa以下，以混有氮氣的IS氣為保護氣體。
4.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於在對冷軋板進行退火的步驟中，所述退火溫度為850°C 1000°C，所退火過程在非真空或流動氣氛下進行。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於在對冷軋板進行退火的步驟中，在所述退火溫度保溫f 8小時之後，冷卻至400°C飛50°C，保溫O. 5^3小時後快冷至室溫。
6.根據權利要求5所述的方法,其特徵在於x=19,y=0. 05。
7.根據權利要求5所述的方法,其特徵在於x=23.5, y=0. 4。
8.一種根據上述權利要求I至7中任一項所述的方法製備的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料。
9.根據權利要求8所述的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料，其特徵在於所述材料沿軋向的飽和磁致伸縮應變值大於50X 10_6。
全文摘要
本發明涉及到一種Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料及其製備方法。其中材料的成分(原子分數)滿足通式Fe100-x-yAlxBy，x=15~26，y=0.03~0.5，餘量為Fe。所獲得的Fe-Al-B磁致伸縮薄片材料具有強的高斯織構，沿軋向具有優異的磁致伸縮性能。
文檔編號C22C38/06GK102943202SQ201210447228
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者李紀恆, 肖錫銘, 張茂才 申請人:無錫正一生源科技有限公司