[发明专利]高机械强度大磁致伸缩合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金的制备方法，尤其涉及一种磁致伸缩材料及其制备方法。

背景技术

磁致伸缩材料是七十年代逐渐发展起来的一种新型功能材料。它具有电磁能与机械能的转换功能，是重要的能量与信息转换功能材料，特别是声纳转换器的重要材料。

磁致伸缩是由于施加外场时，磁畴畴壁移动和磁矩旋转引起的。目前被广泛应用的磁致伸缩材料主要有稀土基的Tb-Dy-Fe合金以及Fe-Ga合金。这两种合金只有在取向单晶状态下才能获得大的磁致伸缩，其中前者可达到的饱和磁致伸缩值为1700ppm，后者为400ppm。Tb-Dy-Fe合金虽然有大的磁致伸缩，但所需要的饱和磁化场大，很脆，机械性能差。Fe-Ga合金的饱和磁化场只有Tb-Dy-Fe合金的十分之一，力学强度高，韧性好，但是磁致伸缩又较低。同时，这两种合金的单晶制备都比较困难，能耗大，成分中都含有贵金属元素，Tb，Dy和Ga，这些都严重制约了磁致伸缩材料的应用。因此获得一种价格低廉，机械性能优良，而且低场大磁致伸缩的合金材料成了人们关注的重点。

中国专利CN1441072A公开了Mn-Fe基系的反铁磁磁形状记忆合金。但是，磁形状记忆合金和磁致伸缩材料从磁应变机制及应用上讲是不同的。Mn-Fe合金作为磁形状记忆合金要求室温下具有面心四方马氏体孪晶界或存在孪晶反铁磁畴界。马氏体转变温度(M_s)以下，在磁场作用下马氏体孪晶界面或马氏体-母相界面移动，最终转向外场方向引起形状改变，取消外场形状回复的这类材料是磁形状记忆合金。从热力学角度看这个过程是一级相变，应变对磁场往往有大的滞后。磁致伸缩是由于施加外场时，磁畴畴壁移动和磁矩旋转导致的，是二级相变，应变对磁场的滞后是相当小甚至是无滞后的。正是基于这一点，磁致伸缩材料才被用于液位传感器，实现对液位的高精度无滞后计量。Mn-Fe合金作为磁致伸缩材料室温下要求为单一面心立方奥氏体。

Mn-Fe合金价格低廉，多晶合金的磁致伸缩相对较低，只有Tb-Dy-Fe合金的四分之一左右。但是可以利用Mn-Fe合金良好的塑性和加工性能获得大磁致伸缩的取向多晶，不仅提高了低场下合金的磁致伸缩性能，同时由于其厚度可调，更能适应不同器件设计的要求。冷轧是改善合金磁致伸缩材料的一种方法，是把金属材料在再结晶温度以下进行轧制，也即室温轧制。与热轧相比，冷轧能耗低，尺寸精度高，表面好，组织性能好，有利于生产性能均一的产品。Fe-Mn合金冷轧前晶体的取向是各向均匀分布的，磁致伸缩也是各向同性的。冷轧后形成特定方向的织构组织，其中轧制面沿晶体学的(110)面，而轧制方向则沿晶体学[100]方向。之后在再结晶温度以上对合金进行再结晶退火，合理控制再结晶温度和时间，不仅可以消除冷加工造成的内应力，晶粒细化，而且使(011)[100]织构进一步增强，获得取向多晶，使合金沿轧制方向的磁致伸缩性能比普通多晶合金提高了至少两倍，机械强度由于再结晶后晶粒细化也得到了不同程度的改善。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高机械强度大磁致伸缩合金及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

高机械强度大磁致伸缩合金成分及原子百分比为：Mn：40-60％；Fe：60-40％，室温下该合金为单一面心立方的奥氏体；合金具有(011)[100]取向织构。

所述的的锰铁合金的磁致伸缩在1600kA/m磁场下大于1500ppm，磁滞低于1‰，抗拉强度大于350MPa。

高机械强度大磁致伸缩合金的制备方法包括如下步骤：

1)采用纯度大于99.5wt％的Mn和Fe为原料，按用量比例称量后放入石英坩锅内，调节真空室的真空度达到5×10^-2～2×10^-3Pa，通入高纯氩气作保护气体，中频感应加热熔炼并在水冷铜模中铸造成截面为10mm厚×12mm宽的棒状锰铁合金铸锭，Mn和Fe的原子百分比为：Mn：40-60％；Fe：60-40％；

2)将熔炼好的棒状锰铁合金铸锭在900-1200℃的真空管式炉中进行24-100h保温使成分均匀化，之后缓慢炉冷到室温；

3)对均匀化后的棒状锰铁合金铸锭进行10-19道次冷轧和1-2次去应力退火，退火条件为300-400℃进行0.5-5h保温并炉冷，获得50-95％轧制率的锰铁合金冷轧板；

4)对最终的锰铁合金冷轧板在真空管式炉中进行500-700℃，1-5h再结晶退火。

所述锰铁合金冷轧板厚度为0.5～5mm。