[发明专利]稀土超磁致伸缩合金棒的制造工艺

说明书

本发明涉及一种稀土铁超磁致伸缩合金棒材的制造工艺一悬浮漏注定向凝固法。

稀土铁超磁致伸缩合金是一种能显示巨大磁致伸缩性能的功能材料，早在本世纪60年代初就发现稀土元素Tb和Dy具有高达1％的大磁致伸缩应变量，由于这种特性仅发生在低温而未能付诸应用。70年代初A.E.Clark等人发现稀土与铁的金属间化合物RFe2立方Laves相在室温下具有极大的磁致伸缩系数λ(lambda)，达到传统磁致伸缩材料镍钴等的几十倍、上百倍，电致伸缩PZT的五至二十五倍，这一发现得到了科技届的高度重视，从而开拓出稀土功能材料崭新的应用领域。

RFe2合金拥有大的磁晶各向异性，从而使其在常用的低场下获得大的磁致伸缩系数遇到了困难，利用具有正向磁致伸缩系数RFe2(TbFe2、DyFe2、HoFe2)中的磁晶各向异性常数(K)的正负极性区别，成功地组合出具有K≈0的较低磁场下显示大磁致伸缩系数的稀土三元合金，其典型的代表为TbxDyl-xFey(x＝0.27～0.37，y＝1.9～2)，驰名的注册商标为美国的ETI公司的“Terfenol-D”。

由于这类材料除具有超磁致伸缩特性外，还具有磁机械耦合系数大，能量密度高和机械响应速度快等优异特性，使它在高科技领域中作为执行元件、控制元件和敏感元件得到了越来越广泛的应用。

80年代以来，美国、瑞典、英国、日本、中国、德国等一些国家对提高稀土超磁致伸缩材料的材质和批量生产的制备工艺进行了系统的研究，出现了多种可行的方案。90年代始此种材料的多种规格包括较大尺寸的棒材开始在市场上出售，从而为这种稀土功能材料的应用开发提供了优质元件的基础。

自1971年发现RFe2立方Laves相具有室温超磁致伸缩应变以来，直到1990年才基本上完成Terfenol-D多种规格的商品化生产，近20年的过程说明  这种功能材料的工业化生产难度较大，特别是规模化生产的难度更大，主要原因是生产工艺要求条件较高，冶炼、成形、定向结晶技术比较复杂，要生产出成分准确、纯洁度高、晶向好的高性能稀土超磁致伸缩材料，其中心问题是必须在较长时间的高温冶炼过程中，严格地解决好活泼性稀土合金的精炼除渣问题，最大限度地降低容器与空间环境对合金的污染；以及在结晶过程中，实现固-液分界面的法向导热，优化控温，保持晶体定向长大的最佳温度梯度。实践说明，与制备稀土超磁致伸缩材料有关的各种工艺方法无不受此中心问题的牵制或为解决这一中心问题而出现的工艺改进、更新。

如晶体悬空长大方法中的提拉法(CZ)及悬浮区熔法(FSZM)，其金属熔体定向结晶过程中不与容器接触，从而避免了容器污染。但因需要高纯原料和极高的熔炼环境(CZ)或仅适于生产＜8mm的圆形棒材(FSZM)等原因，致使其适用范围有限。

为适应市场的需求，众多国家重视开发研究晶体在容器中长大的定向凝固工艺。其原理都是在真空或惰性气体的保护环境下，通过熔体合金的定向良好导热，形成固液分界面和最佳的温度梯度自下而上地逐渐凝固、定向结晶，形成平行于棒材轴线长大的多晶或单晶体，晶粒大都为(112)取向。但其具体工艺过程的改进和创新形式各异。

其一是改进的布里奇曼法(MB)，即感应熔炼，坩埚底部漏注成型，连续定向凝固法。其二是熔炉温差法，即柱状加热炉自上而下形成高温、中温、低温区，装有合金的坩埚在炉中自上而下的移动过程即是合金熔化并逐渐凝固结晶的过程。其三是等离子电弧熔炼法，即利用下垂的等离子电弧抢火焰，将连续送入炉中的原材料熔化在向下延伸的铸模中，并借助铸模中的水冷底座的下移而使熔体合金逐渐凝固，完成定向结晶。其四是非悬浮式区熔法，即将成型坯棒插入石英管中，并置于水冷结晶器上，借助真空室外的高频感应加热圈使坯棒自下而上局域熔化，定向结晶。最后是本发明专利所实施的悬浮漏注定向凝固法。本发明的目的是创新生产工艺，进一步降低染，优化结晶过程。它在悬浮合料、优化控温、精炼除渣、变速拉晶等方面与上述方法有所不同，其主要工艺特征如下：

1.悬浮合料。本炉设有分瓣式抛物线埚底的水冷铜质半悬浮式坩埚。熔炼时，被感应熔化的稀土金属材料与坩埚壁保持非接触状态，分瓣切割线贯穿到抛物线埚底的下部，使得外磁场能够延伸到熔池底面，埚底炉料也能够被感应加热，形成坩埚底部与熔体合金的置换型接触，热损耗小，效率高，熔炼功率大，具有强烈的电磁力搅拌作用，十分钟左右数公斤的稀土-铁合金就能沸腾成山峰状，缩短了熔炼时间，降低了环境对材料的污染，提高了合金的均匀化程度。然后通过降功率阶段的最后微悬浮可有效地将熔体中的气体和微量杂质漂浮在合金的上表面上，悬浮合料后的稀土磁致伸缩材料相当纯净均匀。