[发明专利]一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于磁性材料领域，涉及一种Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法。

背景技术

铁磁性及亚铁磁性物质在磁化状态发生改变时，其自身的长度及体积发生微小的变化，这种现象叫做磁致伸缩。其中体积的变化称为体积磁致伸缩；长度的变化称为线磁致伸缩。实用的磁致伸缩材料即是指具有线磁致伸缩特性的材料。铁磁性材料同时受到轴向磁场和周向磁场作用时，会产生一个扭转，这种现象称为威德曼效应(Wiedemanneffect)。威德曼效应是铁磁性材料的一种磁机械效应，一直被认为与材料的磁致伸缩性质有关，属于特殊的磁致伸缩现象。

磁致伸缩材料作为一类智能材料，被广泛应用于换能、驱动、传感等技术领域。利用磁致伸缩材料的威德曼效应开发的液位传感器在现代工业有着广泛的应用。其中的核心敏感元器件波导丝多为Fe-Ni合金丝，但Fe-Ni合金丝的磁致伸缩性能较低，限制了传感器的精度和测量范围。在其他传感器领域应用的磁致伸缩丝也多为Fe-Ni、Fe-Ni-Co等合金丝，非晶丝，但这些丝磁致伸缩性能也较低，难以满足大量程，高精度的要求。稀土超磁致伸缩材料TbDyFe合金具有大的磁致伸缩应变，但其脆性大，不能加工成丝，且原材料价格昂贵。因此，迫切需要开发一种既具有较高磁致伸缩性能，又能加工成丝的新型材料，以推动该产业的发展。

2000年美国的S.Guruswamy等人报道了一种由Fe和Ga组成的二元合金，即Fe-Ga合金。单晶Fe-Ga合金的λ值可高达400×10^-6，比传统的磁致伸缩材料高出至少几倍以上，强度与磁导率比超磁致伸缩材料高很多，是一种新型的磁致伸缩材料。虽然Fe-Ga合金比超磁致伸缩材料的磁致伸缩低很多，但比传统磁致伸缩材料的磁致伸缩系数高很多，并且克服了超磁致伸缩材料在强度、导磁率等方面的缺点。因此，Fe-Ga合金在换能、驱动、传感等领域都具有良好的应用前景。

2007年中国专利CN101003117A公开了一种Fe-Ga磁致伸缩丝的制备方法，涉及一种通过热旋锻和冷拔的制备工艺。

2008年中国专利CN101262039A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其特征在于材料成分为Fe_1-x-yGa_xM_y，M为除Fe以外的过渡族金属元素及Be、B、Al、In、Si、Ge、Sn、Pb、Bi、N、S、Se中的一种或几种，x＝5～30％，y＝0～15％，余量为Fe，并且也采用了热旋锻和冷拔的制备工艺。

上述关于Fe-Ga磁致伸缩丝的专利中所涉及制备方法都为传统的塑性加工方法，其中包括热旋锻和冷拔。由于Fe-Ga合金塑性较低，使得在成形过程中要经过打磨以减少表面缺陷，反复去应力退火等工艺，增加了工艺的复杂性和制造成本。而且制备出的丝连续性不好，表面质量不高。

发明内容

本发明的目的是获得一种磁致伸缩系数高的Fe-Ga基磁致伸缩丝及其制备方法，采用旋转水纺法(也称速凝纺丝法)，进一步简化工艺，提高成丝率，提高工艺的重复性和稳定性，并且可以连续制造数十米至几百米的合金丝。

本发明的目的是通过以下方面实现的。

一方面提供磁致伸缩丝的成分范围，合金成分的原子分数为：Fe_1-x-y-zGa_xAl_yM_z，M选自Co、B、Cr，V、Nb、Zr、Be、Y、Ti中的一种或多种，其中x＝0.10～0.30，y＝0.01～0.15，z＝0.000～0.1，余量为Fe。

一方面提供制备Fe-Ga基磁致伸缩丝的方法，其制备步骤为：

1)熔炼母合金

按上述合金成分进行配料，并加入1at％～3at％的Ga烧损量，将该配料进行电弧冶炼或感应冶炼，浇注成合金锭，并将合金锭分切成小块待用；

2)旋转水纺制丝

先启动电机，通入冷却水，加热放在石英管的合金材料，待合金熔融后，温度升到高于合金熔点100～150℃，将石英管从加热位置推到喷丝位置，调整石英管的垂直倾斜角度、距冷却水液面高度参数后，打开惰性气体，将熔融的液态合金喷入水层厚度为20～50mm的旋转冷却水中冷却成丝，得到直径范围为0.01～0.5mm的微晶或非晶丝。

所述石英管底部有直径为0.02～0.5mm的喷口，喷口内顶角为85～145°，喷口距冷却水液面距离为0.5～4mm。

所述调整石英管垂直倾斜角度的范围为40～70°。