專利名稱：一種磁場控制勁度系數(shù)的彈簧及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬制品新材料領(lǐng)域，特別涉及一種勁度系數(shù)可變的！^-fei基彈簧及其制備方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)鐵磁性及亞鐵磁性物質(zhì)在磁化狀態(tài)發(fā)生改變時，其自身的長度及體積發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象成為磁致伸縮效應(yīng)。其中，體積的變化稱為體積磁致伸縮；長度的變化稱為線磁致伸縮。當(dāng)這種材料受到外力作用時，其磁化狀態(tài)亦發(fā)生改變，這稱之為逆磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)是鐵磁性及亞鐵磁性材料內(nèi)磁力相互耦合作用的結(jié)果。磁致伸縮材料能夠?qū)崿F(xiàn)電磁能和機械能的相互轉(zhuǎn)換，是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料，目前已廣泛應(yīng)用于水聲換能器技術(shù)、電聲換能器技術(shù)、海洋探測與開發(fā)技術(shù)等領(lǐng)域。2000年美國的S. Guruswamy等人報道了一種由!^e和&1組成的二元合金(S. Guruswamy, et atl. Strong, dutile, and low-field-magnetostrictive alloys based on Fe-Ga. Scripta Mater. 2000，43: p239_244 )，即 i^e-Ga合金。Fe-Ga合金具有較高的磁致伸縮值，單晶可達400ppm，采用定向凝固制備的取向多晶磁致伸縮性能可達318ppm， 同時!^e-Ga合金還具有強度高、磁滯小、成本較低、高相對磁導(dǎo)率、低磁晶各向異性，以及低磁致伸縮溫度系數(shù)等優(yōu)點，是一種新型的磁致伸縮材料。該材料在換能、驅(qū)動、傳感等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。經(jīng)過近些年的研究，F(xiàn)e-Ga合金已在相關(guān)制備技術(shù)及磁致伸縮性能影響因素方面取得了很大的進步。2007年中國專利申請CN101003117A公開了一種i^e-fei磁致伸縮絲的制備方法，涉及一種通過熱旋鍛和冷拔的制備工藝。2008年中國專利申請CN101262039A公開了一種!^e-Ga基磁致伸縮絲，其材料成分為狗^GaxMy，M為除狗以外的過渡族金屬元素及 Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se 中的一種或幾種，x=5 30%, y=0 15%，余量為Fe。2009年中國申請專利CN 101812628A公開了一種i^e-fei基磁致伸縮絲的制備，其磁致伸縮性能達180ppm?；?^-( 合金本身存在的磁致伸縮效應(yīng)，本發(fā)明提出一種用磁場控制彈簧勁度系數(shù)的設(shè)想。另外，由于i^e-Ga合金屬于難變形合金，為了改善其塑性以便制備絲材，本發(fā)明中將添加其他元素。通過本方法和材料制備的彈簧，當(dāng)其置于磁場環(huán)境中時，其彈性系數(shù)、力學(xué)行為將受到磁場的影響而發(fā)生一定程度的變化。基于此種變化，該類彈簧可用于精密控制、傳感器、減振等領(lǐng)域。如在精密加工中，采用此種磁控勁度系數(shù)的彈簧，由于彈簧的伸長量或縮短量受磁場控制，可以更有效地調(diào)節(jié)位移，從而提高精度。在傳感器中，通過磁場無極控制彈簧的勁度系數(shù)，可以獲得連續(xù)感知信號與反饋。在減振領(lǐng)域中，采用磁控勁度系數(shù)彈簧，可以實現(xiàn)減振的智能控制等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種磁場控制勁度系數(shù)的彈簧及其制備方法。
本發(fā)明的目的是通過以下方面實現(xiàn)的。一種磁場控制勁度系數(shù)的彈簧，使用的原料成分(原子分?jǐn)?shù))為Fei(l(l_x_yGaxMyNz，M 為 Nb、B、Be、Al、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、Se 中的一種或多種，N 為 C、Cr、Mn、Cu、Ni、Ti、 Si、^ 或Mo，其中x=10 30，y=0. 1 6，z=0 3，余量為佝。添加合金元素的主要作用是改善!^-( 合金的塑性。所述方法包括以下步驟
(1)按照所述原料成分配料并加入1-5%的( 燒損量；
(2)將該配料進行真空冶煉，并澆注成合金錠，將鑄態(tài)合金錠表面的氧化皮去掉，然后經(jīng)過熱鍛、旋鍛和拉拔步驟，獲得直徑0. l"2mm的絲材；
(3)將拉拔后的合金絲材在卷簧機上卷制彈簧；
(4)將彈簧在150-500°C的溫度下保溫10-180分鐘，然后冷卻到室溫得到所述磁場控制勁度系數(shù)的彈簧。所述步驟(2)中真空冶煉的條件為真空度保持在5X KT3Pa以上，電磁攪拌廣5 分鐘；澆注溫度為145(T160(TC，澆注到鐵模中；在所述熱鍛過程中，先在950-1200°C保溫 0. 5-3小時，然后在800-1150°C下鍛造，變形量為50-80% ；旋鍛的溫度為500-800°C，變形量為40-90% ；拉拔的溫度為200-400°C，變形量為40_85%。彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)包括彈性系數(shù)D/d，其中D為彈簧平均圈徑大小，d為彈簧線徑；彈簧的工作圈數(shù)；總?cè)?shù)；以及彈簧節(jié)距。所述步驟(3)中，在卷簧機上卷制彈簧時，彈簧的圈徑D與彈簧的線徑d的比D/d為壙12。進一步的，通過所述步驟2鍛造后得到的是直徑8_15mm的合金棒；通過拉拔得到直徑0. l-2mm的絲材；
進一步的，所述步驟(4)中，彈簧的去應(yīng)力退火溫度為150-500°C，保溫時間為10-180 分鐘，或在退火時引入外加磁場，空冷至室溫。本發(fā)明所述磁場控制勁度系數(shù)的彈簧的測定方法是在磁場中，采用施加等質(zhì)量無磁不銹鋼砝碼的方式，測試彈簧的伸長量與載荷的關(guān)系，計算彈簧的勁度系數(shù)。由于!^e-Ga基合金本身存在的磁致伸縮效應(yīng)，另外，由于!^-( 合金屬于難變形合金，為了改善其塑性以便制備絲材，本發(fā)明中將添加其他元素。因此通過本方法和材料制備的彈簧，當(dāng)其置于磁場環(huán)境中時，其彈性系數(shù)、力學(xué)行為將受到磁場的影響而發(fā)生一定程度的變化?；诖朔N變化，該類彈簧可用于精密控制、傳感器、減振等領(lǐng)域。如在精密加工中， 采用此種磁控勁度系數(shù)的彈簧，由于彈簧的伸長量或縮短量受磁場控制，可以更有效地調(diào)節(jié)位移，從而提高精度。在傳感器中，通過磁場無極控制彈簧的勁度系數(shù)，可以獲得連續(xù)感知信號與反饋。在減振領(lǐng)域中，采用磁控勁度系數(shù)彈簧，可以實現(xiàn)減振的智能控制，等等。


圖1是拉伸彈簧的示意圖2是不同磁場下拉伸彈簧伸長量與載荷的關(guān)系示意圖； 圖3是壓縮彈簧的示意圖； 圖4是錐形彈簧的示意圖。
具體實施方式
實施例1 制備!^e82.6Ga16.9B0.5 彈簧
用電子天平稱取設(shè)計所需的原料，其中使用純度大于99. 5%的i^e、99. 99%Ga和晶體B， 并多加3%的( 燒損量，將配好的原料放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，抽真空到5X10_3!^后充氬氣到0. 5MPa,以保護原料不被氧化，開始熔煉，待原料完全熔化后精煉3分鐘，隨后在爐內(nèi)澆鑄成直徑為70mm合金棒。用線切割的方法切去合金錠的縮孔端，用車床車去合金錠表面的氧化層、在 1050°C下保溫2小時，然后鍛造，變形量為50%，得到直徑12mm的合金棒；將鍛造后的合金在800°C下進行旋鍛，變形量為75%，使絲材直徑達到3mm ；最后在200°C下進行拉拔，經(jīng)過 10道次，變形量為82%，得到直徑0. 5mm的絲材。將拉拔后的合金絲材在卷簧機上制成彈簧。制備的拉伸彈簧實物如圖1所示。將彈簧置于300°C的溫度下保溫30分鐘，冷卻到室溫。將拉伸彈簧懸掛于通電螺線管中，逐步增加載荷，測試彈簧的伸長量。當(dāng)通過螺線管的磁場分別為OOe和1350e時，測得彈簧的伸長量與載荷的關(guān)系如圖2所示，計算可得到彈簧的勁度系數(shù)分別為115. 2N/m和110. 5N/m。彈簧勁度系數(shù)變化為4%。實施例2 制備!^e82.2Ga16. Jb1C1 彈簧
用電子天平稱取設(shè)計所需的原料，其中使用純度大于99. 5%的狗、99. 99%Ga、含Nb量 60%的鈮鐵和石墨碳，并多加m的( 燒損量，將配好的原料放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，抽真空到5 X10_3I^后充氬氣到0. 5MPa,以保護原料不被氧化，開始熔煉，待原料完全熔化后精煉3分鐘，隨后在爐內(nèi)澆鑄成直徑為70mm合金棒。用線切割的方法切去合金錠的縮孔端，用車床車去合金錠表面的氧化層，在 1080°C下保溫1. 5小時，然后鍛造，變形量為50%，得到直徑12mm的合金棒；將鍛造后的合金在800°C下進行旋鍛，變形量為75%，使絲材直徑達到3mm ；最后在200°C下進行拉拔，經(jīng)過10道次，變形量為80%，得到直徑0. 6mm的絲材。將拉拔后的合金絲材在卷簧機上制成彈簧。制備的壓縮彈簧實物如圖3所示。將彈簧置于300°C的溫度下保溫35分鐘，冷卻到室溫。實施例3 制備 F^1Gei16. 5Cr2B0.5 彈簧
用電子天平稱取設(shè)計所需的原料，其中使用純度大于99. 5%的狗、99. 99%Ga、純度 99. 99%Cr和晶體B，并多加3%的( 燒損量，將配好的原料放入真空感應(yīng)爐的坩堝里，抽真空到5 X10_3I^后充氬氣到0. 5MPa,以保護原料不被氧化，開始熔煉，待原料完全熔化后精煉3分鐘，隨后在爐內(nèi)澆鑄成直徑為70mm合金錠。用線切割的方法切去合金錠的縮孔端，用車床車去合金錠表面的氧化層、在 1020°C下保溫2小時，然后鍛造，變形量為50%，得到直徑12mm的合金棒；將鍛造后的合金在800°C下進行旋鍛，變形量為70%，使絲材直徑達到3. 5mm ；最后在200°C下進行拉拔，經(jīng)過 10道次，變形量為84%，得到直徑0. 5mm的絲材。將拉拔后的合金絲材在卷簧機上制成錐形彈簧。制備的錐形彈簧實物如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種磁場控制勁度系數(shù)的彈簧，其特征在于，其中使用的原料成分(原子分?jǐn)?shù))為 Fe100_x_yGaxMyNz，M 為 Nb、B、Be、A1、Iη、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、k 中的一種或多種，N 為 C、Cr、 Mn、Cu、Ni、Ti、Si、Zr 或 Mo，其中 x=10 30，y=0. 1 6，z=0 3，余量為 Fe。
2.一種磁場控制勁度系數(shù)的彈簧的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)按照所述原料成分配料并加入1-5%的( 燒損量；(2)將該配料進行真空冶煉，并澆注成合金錠，將鑄態(tài)合金錠表面的氧化皮去掉，然后經(jīng)過熱鍛、旋鍛和拉拔步驟，獲得直徑0. l"2mm的絲材；(3)將拉拔后的合金絲材在卷簧機上卷制彈簧；(4)將彈簧在150-500°C的溫度下保溫10-180分鐘，然后冷卻到室溫得到所述磁場控制勁度系數(shù)的彈簧。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁場控制勁度系數(shù)的彈簧的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中真空冶煉的條件為真空度保持在5X 以上，電磁攪拌廣5分鐘；澆注溫度為 145(T160(TC，澆注到鐵模中；在所述熱鍛過程中，先在950-1200°C保溫0. 5_3小時，然后在 800-1150°C下鍛造，變形量為50-80% ；旋鍛的溫度為500-800°C，變形量為40-90% ；拉拔的溫度為200-400°C，變形量為40-85%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁場控制勁度系數(shù)的彈簧的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中，在卷簧機上卷制彈簧時，彈簧的圈徑D與彈簧的線徑d的比D/d為Γ12。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的磁場控制勁度系數(shù)的彈簧的制備方法，其特征在于所述步驟(4)中，可在退火時引入外加磁場，空冷至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求2飛所述的磁場控制勁度系數(shù)的彈簧的制備方法，其特征在于由所述方法制備的磁場控制勁度系數(shù)彈簧，包括可提供拉力的拉伸式彈簧、可提供壓力的壓縮式彈簧，以及既可以提供拉力也可提供壓力的錐形彈簧。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁場控制勁度系數(shù)的彈簧及其制備方法；所述磁場控制勁度系數(shù)的彈簧使用的原料成分為Fe100-x-y-zGaxMyNz，M為Nb、B、Be、Al、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、Se中的一種或多種，N為C、Cr、Mn、Cu、Ni、Ti、Si、Zr、或Mo等，其中x=10～30，y=0.1～6，z=0～3，余量為Fe。本發(fā)明采用鍛造和拉拔的方法制備直徑為0.1～2mm的Fe-Ga基絲材，然后制備拉伸彈簧、壓縮彈簧和錐形彈簧，其中徑比為4～12。彈簧在150～500℃下保溫10～180min。在無磁場和135Oe的磁場中，分別測得彈簧的勁度系數(shù)為115.2N/m和110.5N/m。彈簧勁度系數(shù)變化為4%。通過本方法和材料制備的彈簧，當(dāng)其置于磁場環(huán)境中時，其彈性系數(shù)、力學(xué)行為將受到磁場的影響而發(fā)生一定程度的變化；可用于精密控制、傳感器、減振等領(lǐng)域。
文檔編號C22C38/00GK102537162SQ20121000355
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者包小倩, 方美玲, 朱潔, 李紀(jì)恒, 高學(xué)緒 申請人:北京科技大學(xué)