專利名稱：磁彈性非晶絲材料及其磁彈性位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁彈性效應(yīng)的新型材料及其生產(chǎn)方法，以及利用該材料 制作的磁彈性位移傳感器，屬于制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物位測量傳感器是工業(yè)控制過程中不可缺少的重要器件。國內(nèi)物位傳感 器生產(chǎn)廠家眾多，但產(chǎn)品大多技術(shù)含量較低。高檔的現(xiàn)代新型傳感器大多進(jìn) 口，特別是大型企業(yè)用的物位傳感器基本都是進(jìn)口傳感器。因此，開發(fā)、生 產(chǎn)高檔先進(jìn)的物位傳感器是占領(lǐng)國內(nèi)物位傳感器市場的關(guān)鍵。其中罐區(qū)儲罐 由于其容積很大，要求液位傳感器量程大、精度高，傳統(tǒng)的液位傳感器安裝 復(fù)雜、易受溫度影響、壽命和可靠性低，且存在著量程小、精度低和價格偏 高的缺點(diǎn)。磁彈性液位傳感器由于其大量程、高精度、高穩(wěn)定、高可靠及長 壽命而更適于罐區(qū)儲罐液位測量。目前普遍采用的磁彈性液位傳感器存在著 量程不高、精度低、尤其是價格昂貴等缺點(diǎn)，不利于國產(chǎn)化。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)工藝簡單、成絲率高、 工藝重復(fù)性好，特別適用于制作大量程、高精度的磁彈性傳感器的非晶絲及 其生產(chǎn)方法。
為此，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種磁彈性非晶絲材料，其特征在于它由FexReySiA組成，其中Re是La、 Sm、 Tb、 Dy、 Y的一種或兩種以上，x， y， z，m以原子百分?jǐn)?shù)表示，且成分滿足
Fe8。+yLaxSiyB2。(x=l—15 at%， y=l—12. 5 at%)
Fe^x-ySmxSiyB2n(x=l—15 at%， y==l—12. 5 at%)
Fe80-x-yTbxSiyB20(x=l—15 at%, y=l—12. 5 at%)
Fe80—x—yDyxSiyB2。(x=l—15 ato/o， y=l—12. 5 at%)
Fe8?！獂_yYxSiyB2。(x=l—15 at%, y=l—12. 5 at%)
Fe80+y (Tb,JDyz)xSiyB2。(x=l—15 at%, y=l—12. 5 at%, z=l—85 at%) Fe80—x—y (Tb—zYz)xSiyB2()(x=l—15 at%， y=l_12. 5 at%， z=l—85 at%) Fe80—x—y (Dy100Jz)xSiyB2 (x=l—15 at%， y二l一12. 5 at%, z=l—85 at%) Fe8()+y (Sm脅zY丄SiyB加(x二l一15 at%, y=l—12. 5 at%, z=l一85 at%)
生產(chǎn)上述磁彈性非晶絲材料的工藝方法是利用特殊的生產(chǎn)裝置，該裝置 利用感應(yīng)線圈加熱坩堝中的合金材料，采用快速增壓裝置在坩堝中充入Ar 或N2等氣體，將合金熔體射入高速旋轉(zhuǎn)的冷卻液中，噴制成絲。其工藝條 件為噴射氣壓為0.05 3.5MPa，噴口直徑為0.03~0.6mm，熔體過熱度為 50 120K，噴口內(nèi)頂角80°~150°，射流與液面的夾角30°~100°，噴口至液面 距離0.5 5mm，轉(zhuǎn)鼓速度150 650轉(zhuǎn)/分。
本發(fā)明噴制非晶絲的工藝過程是用變頻電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓，將 冷卻液注入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動時，冷卻液由于離心力作用在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成
液體柱。坩堝中加入合金原料，啟動感應(yīng)電源，通過感應(yīng)線圈加熱坩堝中的 合金，使之達(dá)到設(shè)定的溫度(通過紅外測溫傳感器測控)。將柑堝從加熱位置提起并推到噴絲位置，調(diào)整坩堝傾斜角度、距冷卻液面距離等參數(shù)。按設(shè)定氣壓快速向坩堝中充入Ar或N2氣，熔融合金流將快速射入冷卻液中冷卻固化形成細(xì)絲。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)與積極效果
(1)利用本發(fā)明制造磁彈性非晶絲的工藝方法和工藝流程，生產(chǎn)工藝 簡單，成本低，噴制非晶絲成絲率高，重復(fù)性與穩(wěn)定性好，適用于工業(yè)化生 產(chǎn)。
(2) 添加有利于材料性能的多種高熔點(diǎn)稀土元素，延長了絲的磁彈性 波傳播距離、減少磁彈性波的衰減系數(shù)和增強(qiáng)了磁彈性波的變化幅值。
(3) 本發(fā)明的非晶絲具有良好的磁彈性能，其特征在于，在制備細(xì)絲過 程中，金屬液通過冷卻液后以一種非平衡過程快速冷卻和凝固，形成非晶或 納米晶組織。該材料在幾十米的距離內(nèi)，磁彈性波傳播線性極好，在頻率 500kHz 5000kHz范圍內(nèi)具有很小的衰減系數(shù)，它傳播的500KHz—5000KHz 頻率磁彈性波的衰減系數(shù)《0. lm—1 。
用本發(fā)明的非晶金屬絲的縱向彈性波的傳播可以制作磁彈性位移傳感 器。絲的一端接脈沖電流發(fā)生器，另一端接定位傳感器，在絲的一旁放一可 移動永磁鐵。永磁鐵脈沖電流發(fā)生變化，從而獲得位置移動量的數(shù)值。利用 磁彈性傳感器可以制造磁彈性液位計。原理是利用磁場脈沖波，測量時液位 計的頭部(罐的上部)發(fā)出電流"詢問脈沖"，此脈沖同時產(chǎn)生一磁場，沿著 波導(dǎo)管內(nèi)的感應(yīng)線向下運(yùn)行，在液位計管外配有浮子，浮子可隨液位、沿側(cè) 桿上下移動，浮子內(nèi)藏有一組磁鐵，并產(chǎn)生一個磁場，兩個磁場相遇則產(chǎn)生 一個新的變化磁場，隨之產(chǎn)生新的"返回脈沖"，測出"詢問脈沖"和"返回
脈沖"的周期便可知道液體的變化位置。該液位計可動部分只有浮子，故維 護(hù)工作量小、安裝比較簡單、精度也比較高。該液位計與現(xiàn)有最先進(jìn)的國外
磁致伸縮材料液位計相比，探測深度大、探測波衰減極小(在大于20m的深 度處)、精度高；抗振能力遠(yuǎn)大于磁致伸縮材料液位計。
具體實(shí)施例方式
一種磁彈性非晶絲材料，其組分滿足FefHLa7.25Sk75B2。，按原子百分比混合 原料，并將原料放入磁懸浮爐或真空感應(yīng)電爐中熔煉成母合金。用變頻電機(jī) 按380轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓，將冷卻液注入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動時，冷卻液 由于離心力作用在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成液體柱。在坩堝中加入合金原料，啟動感應(yīng)電 源，通過感應(yīng)線圈加熱坩堝中的合金，使之達(dá)到350 °C (通過紅外測溫傳感 器測控)。將坩堝從加熱位置提起并推到噴絲位置，調(diào)整噴口直徑為0.28mm、 噴口內(nèi)頂角為98。、射流與液面的夾角45。、噴口至液面距離0.25mm。 按1.8 MPa氣壓快速向坩堝中充入Ar或N2氣，熔融合金流將快速射入冷卻 液中冷卻固化形成直徑125um的非晶絲。其中冷卻液發(fā)射器發(fā)射冷卻液對金 屬細(xì)絲快速冷卻后由冷卻液收集器收集。金屬細(xì)絲通過冷卻液后以一種非平 衡過程快速冷卻和凝固，出現(xiàn)一種亞穩(wěn)相狀態(tài)，形成非晶絲。再經(jīng)過冷拉和 退火處理，得到直徑為50Pm的非晶絲，提高了絲的磁彈性。它傳播的500KHz 頻率磁彈性波的衰減系數(shù)為0.167m-1、
利用該材料制作的磁彈性位移傳感器，主要包括非晶絲、可移動磁環(huán)、 檢測線圈、電子系統(tǒng)、可移動部件、固定部件。當(dāng)傳感器工作時，電子系統(tǒng) 發(fā)送時間間隔為T的激勵脈沖，圍繞非晶絲將產(chǎn)生一個磁場，而可移動磁環(huán) 也產(chǎn)生一個固定的磁場。在2個磁場的作用下，在該點(diǎn)產(chǎn)生磁彈性波。該磁
彈性波沿非晶絲以一定的速度向兩邊傳播。在檢測線圈處被轉(zhuǎn)換成電信號。
通過測量磁彈性波從可移動磁環(huán)到檢測線圈之間的傳播時間就可以確定兩者 之間的距離。當(dāng)可移動部件(帶移動磁環(huán))和固定部件相對運(yùn)動時，通過磁 彈性傳感器測量就可以確定可移動部件的位置與速度。該傳感器的測量范圍0-30m，測量精度土lmm。
利用本發(fā)明的新型磁彈性非晶絲材料制作的位移傳感器，具有大量程、 高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诤教?、加油站 油庫管理，化工油位控制指示及過程控制等領(lǐng)域。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，不應(yīng)被視為對本發(fā)明范圍的限 制，而且本發(fā)明所主張的權(quán)利要求范圍并不局限于此，凡熟悉此領(lǐng)域技藝的 人士，依照本發(fā)明所披露的技術(shù)內(nèi)容，可輕易思及的等效變化，均應(yīng)落入本 發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種磁彈性非晶絲材料，其特征在于它由FexReySizBm組成，其中Re是La、Sm、Tb、Dy、Y的一種或兩種以上，x，y，z，m以原子百分?jǐn)?shù)表示，且成分滿足Fe80-X-yLaxSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％)；Fe80-X-ySmxSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％)；Fe80-X-yTbxSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％)；Fe80-X-yDyxSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％)；Fe80-X-yYxSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％)；Fe80-X-y(Tb100-zDyz)xSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％，z＝1-85at％)；Fe80-X-y(Tb100-zYz)xSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％，z＝1-85at％)；Fe80-X-y(Dy100-zYz)xSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％，z＝1-85at％)；Fe80-X-y(Sm100-zYz)xSiyB20(x＝1-15at％，y＝1-12.5at％，z＝1-85at％)。
2、 權(quán)利要求1所述的磁彈性非晶絲材料的制備方法，其特征在于，工藝方法是利用"軍用巨磁阻抗非晶絲及其生產(chǎn)方法和裝置"(申請?zhí)?00610055266.7)發(fā)明設(shè) 計的裝置，利用感應(yīng)線圈加熱坩堝中的合金材料，采用快速增壓裝置在坩堝中充 入Ar或N2等氣體，將合金熔體射入高速旋轉(zhuǎn)的冷卻液中，噴制成絲。其工藝條 件為噴射氣壓為0.05~3.5MPa，噴口直徑為0.03~0.6mm，熔體過熱度為50~120K， 噴口內(nèi)頂角80°~150°，射流與液面的夾角30° 100°，噴口至液面距離0.5 5mm， 轉(zhuǎn)鼓速度150~650轉(zhuǎn)/分。
3、 權(quán)利要求1所述的磁彈性非晶絲材料，其特征在于，添加有利于材料性能的多種 高熔點(diǎn)稀土元素，延長了絲的磁彈性波傳播距離、減少磁彈性波的衰減系數(shù)和增強(qiáng)了磁彈性波的變化幅值。
4、 權(quán)利要求1所述的磁彈性非晶絲材料的制備工藝流程，其特征在于，用變頻電機(jī) 按設(shè)定轉(zhuǎn)速驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓，將冷卻液注入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動時，冷卻液由于離心力作用在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成液體柱。坩堝中加入合金原料，啟動感應(yīng)電源，通過感應(yīng)線 圈加熱坩堝中的合金，使之達(dá)到設(shè)定的溫度(通過紅外測溫傳感器測控)。將坩堝 從加熱位置提起并推到噴絲位置，調(diào)整坩堝傾斜角度、距冷卻液面距離等參數(shù)。 按設(shè)定氣壓快速向坩堝中充入Ar或N2氣，熔融合金流將快速射入冷卻液中冷卻 固化形成細(xì)絲。
5、 權(quán)利要求4中所述的制備工藝流程，其特征在于，在制備磁彈性非晶絲材料過程中，金屬液通過冷卻液后以一種非平衡過程快速冷卻和凝固，形成非晶或納米晶組織。
6、 權(quán)利要求1所述的磁彈性非晶合金材料，其特征在于，這種材料具備大磁致伸縮系 數(shù)，在幾十米范圍內(nèi)，磁彈性波傳播線性極好，在頻率500kHz 5000kHz范圍內(nèi)具 有很小的衰減系數(shù),它傳播的500KHz—5000KHz頻率磁彈性波的衰減系數(shù)《 0. lm'，利用該材料制作的磁彈性位移傳感器包括非晶絲、可移動磁環(huán)、檢測 線圈、電子系統(tǒng)、可移動部件、固定部件。通過測量磁彈性波從可移動磁環(huán)到檢測 線圈之間的傳播時間就可以確定兩者之間的距離。
全文摘要
一種磁彈性非晶合金材料及其制備方法，它由Fe_xRe_yB_z組成，其中Re是La、Sm、Tb、Dy、Y的一種或兩種以上。制備方法是將Fe_xRe_yB_z按原子百分比混合熔煉成母合金，在自研噴絲設(shè)備上制作非晶絲，通過拉拔使絲增加內(nèi)應(yīng)力，提高絲的磁彈性能。具備10^-3縱向大磁致伸縮系數(shù)，并且，由于急冷速凝的制備方法，造成絲表面到絲芯部異常大的內(nèi)應(yīng)力梯度，具備大的內(nèi)應(yīng)力各向異性能，產(chǎn)生部分磁彈性能；絲的幾十nm～幾百nm厚的表面結(jié)晶層與非晶基體產(chǎn)生磁晶各向異性能，增強(qiáng)了絲的磁彈性能。這種材料具有縱向大磁致伸縮系數(shù)，利用其研制的位移傳感器及測量儀器，與現(xiàn)有的進(jìn)口超磁致伸縮位移傳感器相比，具有探測深度大、精度高、抗振動能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C22C45/00GK101200792SQ20061016740
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者勇 余, 淵 吳, 崔計苓, 教曉冬, 昊 楊, 梁乃茹, 胡滿珠, 閆惠波, 雷衛(wèi)武, 躍 韓 申請人:北京國浩微磁電子智能傳感器技術(shù)研究所