一種高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于精密合金功能材料領(lǐng)域，特別涉及一種高磁致伸縮系數(shù)高塑性易加工的FeAl軟磁合金，可用作高頻變壓器、磁頭以及磁致伸縮換能器、水聲和超聲加工用的振蕩器部件等。該合金的化學(xué)組成成分(重量％)為Al?11.6-16.3％，Mg?0.002-0.010％，Tb?5.0-6.8％，Mn≤0.10，Si≤0.15，C≤0.03，P≤0.010，S≤0.010，余為Fe。通過Tb、Mg元素的添加以及采用相應(yīng)的合金處理工藝，合金磁致伸縮系數(shù)最高可達(dá)52，室溫延伸率和面縮率最高可提高1倍，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高18-20％。合金磁致伸縮性能優(yōu)異，塑性好易加工，又具有較好的高溫抗氧化、抗硫化及耐腐蝕性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，F(xiàn)eAl軟磁合金的綜合性能有明顯改善，加工性能的提高促進(jìn)了現(xiàn)代化器件小型化輕量化的發(fā)展，進(jìn)一步滿足了應(yīng)用需求。
【專利說明】一種高磁致伸縮系數(shù)的FeAI軟磁合金

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密合金功能材料領(lǐng)域，特別涉及一種高磁致伸縮系數(shù)塑性好易加工的FeAl軟磁合金，可用作高頻變壓器、磁頭、磁致伸縮換能器、水聲和超聲加工用的振蕩器部件等。

【背景技術(shù)】
[0002]FeAl合金由于不含Ni和Co貴重金屬，因此價(jià)格低廉，同時(shí)其可隨Al含量的變化得到一系列良好的軟磁性能。其中，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.6-16.3%的FeAl軟磁合金具有高電阻率、低密度和高硬度等性能。
[0003]FeAl合金是具有體心立方晶體的單相固溶體(α相)，A1含量12.8-14.0wt.%的FeAl軟磁合金，在600-300°C溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)，傾向于形成有序的結(jié)構(gòu)。在形成有序組織時(shí)，磁致伸縮和矯頑力增加，而電阻率則減少，具有絕對(duì)值比純鎳更高的正磁致伸縮系數(shù)，合金的電阻率比純鎳高12倍，因而FeAl軟磁合金主要用作磁致伸縮換能器元件材料。此合金合適在特殊環(huán)境(如核輻射、沖擊、加速度等)條件下使用，而且耐腐蝕和抗氧化性能均比鐵鎳系軟磁合金和硅鋼好。此外，鐵鋁系合金易于熔煉，又兼具高溫抗氧化、抗硫化及耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。因此，在航空、航天、航海等軍事工業(yè)以及民用工業(yè)方面獲得了廣泛應(yīng)用。
[0004]但當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%以上時(shí)，F(xiàn)eAl合金脆性大，斷裂韌性低，沖擊抗力和高溫抗蠕變力均很小，成為阻礙FeAl合金使用的主要因素之一。為改善合金加工性能，人們做了大量的研究，其主要方法包括合金化以及制定相應(yīng)的熱處理制度等，如加入微量的Mo,Nb和Mn，通過產(chǎn)生的第二相強(qiáng)化增大了合金的硬度；加入Cr和V，可有效提高合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和塑性。
[0005]在FeAl合金中加入少量的B，一部分B原子以間隙方式固溶到基體中，增加基體的價(jià)電子密度，另一部分B原子偏聚到FeAl合金的晶界上，也增加了晶界處的價(jià)電子密度。在FeAl合金中加入Zr，增加了合金中的金屬鍵成分，使基體中的價(jià)電子密度增加，增強(qiáng)了基體中金屬鍵合力。Zr原子的加入還降低了合金的有序度，使合金晶界容易弛豫，晶界缺陷的開空間變小。因此，在FeAl中加入B或者Zr有利于提高合金的韌性。但第三組元元素的摻雜均不同程度的降低了合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁致伸縮性能。
[0006]中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN1170941A公開了一種“高磁感應(yīng)強(qiáng)度高磁導(dǎo)率高電阻率低矯頑力低剩磁低材料密度軟磁合金棒材料”，它采用ll_14wt% Al,0-5wt% M-Fe，其中M選自Si，Mn，Ti，V，Cr, Mo, Nb, Ge，R(稀土)一種或多種元素，獲得了一種具有高磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、高電阻率、低矯頑力、低剩磁以及低密度的軟磁合金棒材料，比使用原有軟磁合金材料產(chǎn)生更良好的效果，且成本更低。但照此方法制備的FeAl軟磁合金經(jīng)過測(cè)試，無法滿足材料磁致伸縮性能的需求，此外，材料的加工性能也并不理想。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN1718827A在CN1170941基礎(chǔ)上介紹了一種“軟磁合金棒狀材料及其制造工藝”，采用真空或者保護(hù)氣體在1530°C -1600°C高溫下熔煉，通過1100_125(TC鍛造或者熱軋成合金棒狀材料后，再經(jīng)熱處理900-1200°C高溫空氣中保溫1-2小時(shí)，然后以50-400°C /h的冷卻速度冷卻至室溫。利用該制備工藝制造的軟磁合金棒狀材料可廣泛應(yīng)用于快速超快速大行程電磁鐵(閥)、高精度陀螺力矩器、微電機(jī)、繼電器、磁流變液減震器等方面。但合金很脆，機(jī)械加工困難，阻礙了現(xiàn)代化器件小型化輕量化的發(fā)展，無法滿足應(yīng)用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有FeAl (Al:11.6-16.3wt% )軟磁合金的不足,通過Mg、Tb元素的添加并采用相應(yīng)的熱處理制度，得到一種低成本高磁致伸縮系數(shù)塑性好易加工的FeAl軟磁合金。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金，該合金的化學(xué)組成成分(wt.% )為Al 11.6-16.3%, Mg 0.002—0.010%, Tb 5.0-6.8%, Mn ^ 0.10，Si ( 0.15，C 彡 0.03，P 彡 0.010，S 彡 0.010，余為 Fe。
[0010]該軟磁合金采用如下步驟制備:真空感應(yīng)熔煉合金一鍛造方坯一熱軋一溫軋一軟化處理一加工取樣一真空磁場(chǎng)熱處理一性能檢測(cè)。
[0011]該合金具有以下磁性能和力學(xué)性能的組合:
[0012]磁致伸縮系數(shù)為40-52，抗拉強(qiáng)度為910_940MPa，屈服強(qiáng)度為680_710MPa，室溫延伸率為8.0-11%，面縮率為13.0-16.0%。
[0013]該合金具有Al與Fe形成的Fe3Al的D03型結(jié)構(gòu)，該D03型結(jié)構(gòu)是一種以體心立方結(jié)構(gòu)為基的超結(jié)構(gòu)。
[0014]該合金中的Mg元素大部分固溶于合金中，少部分在晶界偏聚，且不以第二相的形式析出。
[0015]一種FeAl軟磁合金的制備方法，包括如下步驟:
[0016]a)將原料進(jìn)行配比，采用真空感應(yīng)爐熔煉合金，其中，原料配比(wt.% )為Al 11.6-16.3%, Mg 0.002—0.010%, Tb 5.0-6.8%, Mn ^ 0.10，Si ( 0.15，C 彡 0.03，P 彡 0.010，S 彡 0.010，余為 Fe ；
[0017]b)高溫鍛造；
[0018]c)對(duì)鍛造塊材進(jìn)行連續(xù)熱軋至2.5-3.5mm ；
[0019]d)溫軋加工板材至0.2-0.4mm ；
[0020]e)對(duì)合金進(jìn)行軟化處理，然后油淬；
[0021]f)加工取樣；
[0022]g)將合金真空熱處理，保溫，同時(shí)，加直流磁場(chǎng)；
[0023]h)將按照a-g步處理過的合金試樣進(jìn)行相應(yīng)的性能檢測(cè)。
[0024]步驟b中，鍛造溫度為1150±20°C。
[0025]步驟e中，軟化溫度為650±20°C，保溫時(shí)間為120±10min。
[0026]步驟g中，真空熱處理溫度為950±20°C，保溫時(shí)間為120± lOmin，磁場(chǎng)強(qiáng)度為40±50e。
[0027]步驟b中，鍛造溫度優(yōu)選為1148-1165 °C。
[0028]步驟e中，軟化溫度優(yōu)選為640_668°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為115_120min。
[0029]步驟g中，真空熱處理溫度優(yōu)選為950-961°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為115_120min，磁場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)選為39-420e。
[0030]本發(fā)明的有益效果在于:
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比綜合性能有明顯改善，合金磁致伸縮系數(shù)最高可達(dá)52，且具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、低剩磁、高磁導(dǎo)率，磁性能優(yōu)異。此外，本發(fā)明合金具有良好的機(jī)械加工性能，強(qiáng)度高，塑性好，室溫延伸率和面縮率最高可提高I倍，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高18-20%，具有良好的機(jī)械加工性能，高溫抗氧化、抗硫化及耐腐蝕性能，比現(xiàn)有的可用作高頻變壓器、磁頭以及磁致伸縮換能器、水聲和超聲加工用的振蕩器部件的FeAl軟磁合金的綜合性能有明顯改善，加工性能的提高促進(jìn)了現(xiàn)代化器件小型化輕量化的發(fā)展，進(jìn)一步滿足了應(yīng)用需求。該合金在室溫和高溫環(huán)境條件下均具有良好的加工性能，且磁致伸縮等磁性能有所增加，進(jìn)一步滿足實(shí)際應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1本發(fā)明不同成分的FeAl軟磁合金的室溫磁致伸縮系數(shù)隨外磁場(chǎng)變化曲線。
[0033]圖2本發(fā)明的FeAl軟磁合金的制備工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0035]本發(fā)明涉及的FeAl軟磁合金的整體技術(shù)方案為:在FeAl軟磁合金中，由于D03型的結(jié)構(gòu)中鐵鋁原子存在最近鄰位和次近鄰位的有序排列，無序態(tài)的合金是鐵磁性的，每個(gè)Fe原子的平均原子磁矩是1.4 μ _B據(jù)此本發(fā)明制定了相應(yīng)的合金處理制度。本發(fā)明的合金具有Al與Fe形成的Fe3Al的D03型結(jié)構(gòu)，該D03型結(jié)構(gòu)是一種以體心立方結(jié)構(gòu)為基的超結(jié)構(gòu)。此外，稀土元素Tb對(duì)于合金磁致伸縮性能的增強(qiáng)效果是顯而易見的，這是由于在稀土元素中，與磁致伸縮性能相關(guān)的4f電子被外層電子屏蔽。因此，稀土元素在與過渡金屬元素組成性能合金或化合物時(shí)，其4f電子受到的影響很小，能保持較大的磁致伸縮性能。本發(fā)明通過添加稀土元素Tb，在提高合金硬度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大了 FeAl軟磁合金的磁致伸縮系數(shù)，同時(shí)，稀土元素對(duì)氣體元素、硫、磷等有害雜質(zhì)元素有很強(qiáng)的親和力，在合金冶煉時(shí)可作為純凈劑去除氣體及雜質(zhì)，提高合金純度、改善合金晶界組織，起到強(qiáng)化晶界的微合金化作用；研究表明，少量的Mg添加不會(huì)改變基體的組織，Mg固溶于合金中而沒有以第二相的形式析出，只在晶界有偏聚。高溫時(shí)在合金中添加適量的Mg會(huì)使合金具有良好的塑性，進(jìn)而對(duì)于合金熱加工性能的改善具有重大意義。因此，我們采用Tb、Mg元素共摻雜并制定相應(yīng)的合金處理工藝，制備本發(fā)明涉及的兼顧磁性能和加工性能的高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金。
[0036]本發(fā)明的高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金，其化學(xué)組成成分(wt.% )為Al
11.6-16.3 %, Mg 0.002-0.010 %, Tb 5.0-6.8 %, Mn ^ 0.10，Si ( 0.15，C 彡 0.03，P 彡 0.010，S 彡 0.010，余量為 Fe。
[0037]上述各元素的作用及組成成分的依據(jù)如下:
[0038]Al:11.6-16.3%，A1作為基體元素，與基體元素Fe形成D03型的結(jié)構(gòu)。其中鐵鋁原子存在最近鄰位和次近鄰位的有序排列，無序態(tài)的合金是鐵磁性的，每個(gè)Fe原子的平均原子磁矩是1.4μΒ ;此外，F(xiàn)eAl組成的基體也可以固溶更多的合金元素。
[0039]Tb:5.0-6.8%,Tb是稀土元素，會(huì)與基體中的Fe形成少量TbFe合金，起到改善合金的磁致伸縮性能的作用。Tb等元素?zé)o法固溶在合金中，它們偏聚在晶界處，提高了合金的硬度。同時(shí)，稀土元素對(duì)氣體元素在合金冶煉時(shí)作為純凈劑去除氣體及雜質(zhì)，適量的添加稀土元素能夠提高合金純度、改善合金晶界組織，起到強(qiáng)化晶界的微合金化作用。
[0040]Mg:0.002-0.010%, Mg元素大部分固溶于合金中，少部分只在晶界有偏聚而不會(huì)以第二相的形式析出。高溫時(shí)在合金中添加適量的Mg會(huì)使合金具有良好的塑形，進(jìn)而對(duì)于合金熱加工性能的改善具有重大意義。
[0041]Mn、Si保持合金良好的加工性能，而雜質(zhì)元素C的含量控制在0.03wt.%以內(nèi)，S、P的含量控制在0.01Owt.%以內(nèi)，能夠保證合金具有良好的冶金質(zhì)量和純潔度。
[0042]如圖2所示，上述高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金制備方法的工藝流程包括真空感應(yīng)熔煉合金一鍛造方坯一熱軋一溫軋一軟化處理一加工取樣一真空磁場(chǎng)熱處理一性能檢測(cè)。
[0043]本發(fā)明的高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金的具體制備方法，包括如下步驟:
[0044]a)將原料進(jìn)行配比，采用真空感應(yīng)爐熔煉合金；
[0045]b)高溫鍛造，鍛造溫度1150 ± 20°C ;
[0046]c)對(duì)鍛造塊材進(jìn)行連續(xù)熱軋至2.5-3.5mm ；
[0047]d)溫軋加工板材至0.2-0.4mm ；
[0048]e)采用馬弗爐對(duì)合金進(jìn)行軟化處理，然后油淬，即將合金在空氣中隨爐加熱至650±20°C，保溫 120± 1min ；
[0049]f)加工取樣；
[0050]g)將合金在950±20°C真空熱處理，保溫120±10min，同時(shí)，加直流磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為 40±50e ；
[0051 ] h)將按照a-g步處理過的合金試樣進(jìn)行相應(yīng)的性能檢測(cè)。
[0052]實(shí)施例
[0053]采用本發(fā)明化學(xué)組成成分制備兼顧磁性能和加工性能的高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金，其化學(xué)成分如表1如示(實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3)。為了方便對(duì)比，將現(xiàn)有技術(shù)制備的FeAl合金(對(duì)比例)也同時(shí)列入表1中。
[0054]表1熔煉合金的化學(xué)成分(wt.% )
[0055]

【權(quán)利要求】
1.一種高磁致伸縮系數(shù)的FeAl軟磁合金，其特征在于: 該合金的化學(xué)組成成分(wt.% )為 Al 11.6-16.3 %, Mg0.002-0.010 %, Tb5.0-6.8%, Mn ^ 0.10，Si ( 0.15，C 彡 0.03，P 彡 0.010，S 彡 0.010，余為 Fe。
2.如權(quán)利要求1所述的FeAl軟磁合金，其特征在于: 該軟磁合金采用如下步驟制備:真空感應(yīng)熔煉合金一鍛造方坯一熱軋一溫軋一軟化處理一加工取樣一真空磁場(chǎng)熱處理一性能檢測(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的FeAl軟磁合金，其特征在于: 該合金具有以下磁性能和力學(xué)性能的組合: 磁致伸縮系數(shù)為40-52，抗拉強(qiáng)度為910-940MPa，屈服強(qiáng)度為680_710MPa，室溫延伸率為 8.0-11%，面縮率為 13.0-16.0%。
4.如權(quán)利要求1所述的FeAl軟磁合金，其特征在于: 該合金具有Al與Fe形成的Fe3Al的D03型結(jié)構(gòu)，該D03型結(jié)構(gòu)是一種以體心立方結(jié)構(gòu)為基的超結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的FeAl軟磁合金，其特征在于: 該合金中的Mg元素大部分固溶于合金中，少部分在晶界偏聚，且不以第二相的形式析出。
6.—種如權(quán)利要求1所述的FeAl軟磁合金的制備方法,其特征在于: 包括如下步驟:a)將原料進(jìn)行配比，采用真空感應(yīng)爐熔煉合金，其中，原料配比(wt.% )為Al11.6-16.3 %, Mg 0.002-0.010 %, Tb 5.0-6.8 %, Mn ^ 0.10，Si ( 0.15，C 彡 0.03，P 彡 0.010，S 彡 0.010，余為 Fe ； b)高溫鍛造； c)對(duì)鍛造塊材進(jìn)行連續(xù)熱軋至2.5-3.5mm ； d)溫軋加工板材至0.2-0.4mm ； e)對(duì)合金進(jìn)行軟化處理，然后油淬； f)加工取樣； g)將合金真空熱處理，保溫，同時(shí)，加直流磁場(chǎng)； h)將按照a-g步處理過的合金試樣進(jìn)行相應(yīng)的性能檢測(cè)。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于: 步驟b中，鍛造溫度為1150±20°C。
8.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于: 步驟e中，軟化溫度為650±20°C，保溫時(shí)間為120±10min。
9.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于: 步驟g中，真空熱處理溫度為950±20°C，保溫時(shí)間為120±10min，磁場(chǎng)強(qiáng)度為40±50e。
10.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于: 步驟b中，鍛造溫度優(yōu)選為1148-1165 °C。
11.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于: 步驟e中，軟化溫度優(yōu)選為640-668°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為115_120min。
12.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于: 步驟g中，真空熱處理溫度優(yōu)選為950-961°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為115-120min，磁場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)選為39-420e。
【文檔編號(hào)】C22C38/06GK104200946SQ201410412075
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】吳濱, 盧鳳雙, 張敬霖, 于一鵬, 李增, 張建生, 張建福 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院