Fe-Co基磁致伸缩合金及其合金丝的制备方法与流程

本发明涉及一种磁致伸缩材料，具体说，涉及一种Fe-Co基磁致伸缩合金及其合金丝的制备方法。

背景技术：

磁致伸缩材料具有在外加磁场存在时可回复变形和在施加应力时会改变磁性能的特性，是一种重要的能量与信息转换功能材料。目前应用于工程的磁致伸缩材料大致上主要有四大类：一是具有磁致伸缩效应的金属与合金，如镍基合金和铁基合金，其饱和磁化强度高，力学性能好，具有可变形的特点；二是铁氧体(如Ni-Zn，Ni-Co-Cu等)，其饱和磁化强度低、价格低廉、高频特性好；三是以Tb-Dy-Fe材料为代表的稀土金属间化合物，其磁致伸缩性能远高于传统磁致伸缩材料，但其脆性大，不能加工成丝，且原材料价格昂贵；四是Fe-Ga巨磁致伸缩材料，具有较好的磁致伸缩性能和力学性能。

磁致伸缩材料作为一种智能材料，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仪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。因此，一种制备工艺简单，兼具有大磁致伸缩和良好的机械性能的磁致伸缩合金丝成为人们关注的重点。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是提供一种Fe-Co基磁致伸缩合金及其合金丝的制备方法，解决了现有磁致伸缩合金丝磁性能和力学性能不稳定的难题。

技术方案如下：

一种Fe-Co基磁致伸缩合金，其特征在于：合金成分的重量百分比为Fe_100-x-y-zCo_xM_yRE_z，M为Mn、V、Cu、Ti、Al中的一种或多种，RE为La、Ce、Pr、Tb、Dy、Y、Er中的一种或多种，其中x＝60-80，y＝0-10，z＝0.1-1.0，余量为Fe。

进一步：x＝65-75，y＝0，z＝0.1-1.0，余量为Fe。

进一步：x＝65-75，y＝0-5，且65≤x+y≤80，z＝0.1-1.0，余量为Fe。

一种Fe-Co基磁致伸缩合金丝的制备方法，包括：

按照合金成分的质量百分比进行配料，并加入适量的烧损量；将配料放入真空感应炉中，抽真空至5-10Pa，通入氩气保护进行熔炼，熔炼完毕后浇铸成圆柱形Fe-Co合金铸锭；合金成分的重量百分比为Fe_100-x-y-zCo_xM_yRE_z，M为Mn、V、Cu、Ti、Al中的一种或多种，RE为La、Ce、Pr、Tb、Dy、Y、Er中的一种或多种，其中x＝60-80，y＝0-10，z＝0.1-1.0，余量为Fe；

将Fe-Co合金铸锭加热至600-900℃，保温1-3小时后进行锻造，最终锻造至直径30-35mm的Fe-Co合金圆棒；

将经过Fe-Co合金圆棒加热至800-1000℃进行热轧，其中，总轧制道次为7-10次，制备出直径7.0-8.0mm的Fe-Co合金盘条；

将Fe-Co合金盘条加热至800-1000℃进行热拉拔，其中，总拉拔道次为8-10次，制备出直径2.5-3.5mm的Fe-Co合金丝；

将Fe-Co合金丝进行表面处理，进行冷拉拔，其中，总拉拔道次20-25次，直径0.5-1.0mm的Fe-Co基磁致伸缩丝；

将Fe-Co基磁致伸缩丝在真空加热炉中进行700-900℃的热处理，保温0.5-1小时，采用水淬或空冷冷却至室温。

优选的：对Fe-Co合金铸锭进行表面进行打磨处理，去除表面氧化层和缺陷。

优选的：锻造过程中，控制终锻温度不低于500℃，低于500℃时终止锻造，回炉保温10-30分钟后继续锻造。

优选的：完成锻造后对Fe-Co合金圆棒表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金圆棒的表面氧化层和缺陷。

优选的：热轧过程中，控制终轧温度不低于700℃，低于700℃时终止热轧，回炉保温10-20分钟后继续热轧。

优选的：热拉拔Fe-Co合金盘条前进行酸洗和碱洗处理，冷拉拔完成后对Fe-Co合金丝进行酸洗和碱洗处理，去除表面氧化层。

优选的：冷拉拔过程中进行固溶处理，处理温度500-700℃，处理时间1-3小时，冷却方式为水冷或空冷。

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1、本发明解决了现有磁致伸缩合金丝磁性能和力学性能不稳定的难题。Fe-Co磁致伸缩材料的制备工艺简单易行，磁性能和力学性能稳定，磁致伸缩系数达到80×10^-6，较之传统铁镍合金的磁致伸缩性能高出近5倍之多，且不会对其它磁性能产生负面影响。

2、本发明通过添加Mn、V、Cu、Ti、Al等元素提升磁致伸缩线材的韧性和抗拉性能，使合金丝的直径达到0.5-1.0mm。

3、对Fe-Co系合金磁致伸缩线材的制备优化和改善降低了制备成本，而且可以提升材料制备的稳定性，便于进行大规模批量化生产。进而实现Fe-Co系合金磁致伸缩合金丝在传感器中的广泛应用。

附图说明

图1是本发明中Fe_26.5Co₇₃Y_0.5磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图；

图2是本发明中Fe₂₀Co₇₉Mn_0.8Tb_0.2磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图；

图3是本发明中Fe_23.2Co₇₆Cu_0.5Ce_0.3磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图。

具体实施方式

下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

Fe-Co基磁致伸缩合金丝的制备方法，采用热拉拔法制备，具体如下：

步骤1：按照合金成分的质量百分比进行配料，并加入适量的烧损量；将配料放入真空感应炉中，抽真空至5-10Pa，通入氩气保护进行熔炼，熔炼完毕后浇铸成圆柱形Fe-Co合金铸锭；

Fe-Co基磁致伸缩合金，合金成分的重量百分比为：Fe_100-x-y-zCo_xM_yRE_z，M为Mn、V、Cu、Ti、Al中的一种或多种，RE为La、Ce、Pr、Tb、Dy、Y、Er中的一种或多种，其中x＝60-80，y＝0-10，z＝0.1-1.0，余量为Fe。

Fe-Co合金铸锭进行表面进行打磨处理，去除表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金铸锭。

步骤2：将Fe-Co合金铸锭加热至600-900℃，保温1-3小时后进行锻造，最终锻造至直径30-35mm的Fe-Co合金圆棒；

控制终锻温度不低于500℃，低于500℃时终止锻造，回炉保温10-30分钟后继续锻造。完成锻造后对Fe-Co合金圆棒表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金圆棒的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金圆棒。

步骤3：将经过Fe-Co合金圆棒加热至800-1000℃，采用四辊轧机进行热轧，其中，总轧制道次为7-10次，制备出直径7.0-8.0mm的Fe-Co合金盘条；

需控制终轧温度不低于700℃，低于700℃时终止热轧，回炉保温10-20分钟后继续热轧。

步骤4：将Fe-Co合金盘条加热至800-1000℃，采用卧式拔丝机进行热拉拔，其中，总拉拔道次为8-10次，制备出直径2.5-3.5mm的Fe-Co合金丝；

热拉拔Fe-Co合金盘条前进行酸洗和碱洗处理，去除表面氧化层。

步骤5：将Fe-Co合金丝进行表面处理，采用卧式拔丝机进行冷拉拔，其中，总拉拔道次20-25次，直径0.5-1.0mm的Fe-Co基磁致伸缩丝；

冷拉拔完成后对Fe-Co合金丝进行酸洗和碱洗处理，去除表面氧化层。冷拉拔过程中需进行固溶处理，处理温度500-700℃，处理时间1-3小时，冷却方式为水冷或空冷。

步骤6：将Fe-Co基磁致伸缩丝在真空加热炉中进行700-900℃的热处理，保温0.5-1小时，采用水淬或空冷冷却至室温，得到Fe-Co基磁致伸缩合金丝。

本发明实施例中所选原料纯度均为99.95％以上。本发明实施例中磁致伸缩应变采用标准电阻应变片法在平行方向测得。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

实施例1：

步骤1：按照重量百分比称取Fe 26.5％、Co 73％、Y 0.5％的原料，上述各组分的重量百分比之和为100％，将原材料放入真空感应炉中，抽真空至8Pa，通入氩气保护进行熔炼，熔炼完毕后浇铸成圆柱形铸锭；然后对合金表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金铸锭的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金铸锭；

步骤2：将Fe-Co合金铸锭加热至850℃，保温1小时后进行锻造，终锻温度700℃，最终锻造至直径31mm的合金圆棒，在此过程中需控制，低于700℃时终止锻造，回炉保温20分钟后继续锻造；完成锻造后对合金表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金棒的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金圆棒；

步骤3：将Fe-Co合金圆棒加热至1000℃，采用四辊轧机进行热轧，控制终轧温度900℃，低于900℃时终止热轧，回炉保温15分钟后继续热轧，经过10道次轧制，制备出直径为8.0mm的Fe-Co合金盘条；

步骤4：将Fe-Co合金盘条进行酸洗和碱洗处理，去除表面氧化层后加热至1000℃，采用卧式拔丝机进行热拉拔，经过10道次拔丝，制备出直径3.5mm的Fe-Co基磁致伸缩丝；

步骤5：将Fe-Co合金丝进行表面处理，采用卧式拔丝机进行冷拉拔，总拉拔道次20次，制备出直径0.8mm的Fe-Co基磁致伸缩丝，进行过程中需进行固溶处理，处理温度700℃，处理时间1.5小时，冷却方式为水冷；

步骤6：将Fe-Co基磁致伸缩丝在真空加热炉中进行800℃的热处理，保温0.5小时，采用水淬冷却至室温，得到Fe-Co基磁致伸缩合金丝。

如图1所示，是本发明中Fe_26.5Co₇₃Y_0.5磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图。

磁场在2000Oe时，磁致伸缩系数达到76×10^-6；磁场在4000Oe时，磁伸达到饱和，系数为81×10^-6。

实施例2：

步骤1：按照重量百分比称取Fe 20％、Co 79％、Mn0.8％、Tb0.2％的原料，上述各组分的重量百分比之和为100％，将原材料放入真空感应炉中，抽真空至10Pa，通入氩气保护进行熔炼，熔炼完毕后浇铸成圆柱形铸锭；然后对合金表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金铸锭的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金铸锭；

步骤2：将Fe-Co合金铸锭加热至700℃，保温1.5小时后进行锻造，终锻温度600℃，最终锻造至直径35mm的合金圆棒，在此过程中需控制，低于600℃时终止锻造，回炉保温15分钟后继续锻造；完成锻造后对合金表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金棒的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金棒；

步骤3：将Fe-Co合金圆棒加热至900℃，采用四辊轧机进行热轧，控制终轧温度700℃，低于700℃时终止热轧，回炉保温20分钟后继续热轧，经过8道次轧制，制备出直径为7.5mm的Fe-Co合金盘条；

步骤4：将Fe-Co合金盘条进行酸洗和碱洗处理，去除表面氧化层后加热至900℃，采用卧式拔丝机进行热拉拔，经过8道次拔丝，制备出直径3.0mm的Fe-Co基磁致伸缩丝；

步骤5：将Fe-Co合金丝进行表面处理，采用卧式拔丝机进行冷拉拔，总拉拔道次23次，制备出直径0.6mm的Fe-Co基磁致伸缩丝，进行过程中需进行固溶处理，处理温度700℃，处理时间1小时，冷却方式为空冷；

步骤6：将Fe-Co基磁致伸缩丝在真空加热炉中进行900℃的热处理，保温1小时，采用空冷方式冷却至室温，得到Fe-Co基磁致伸缩合金丝。

如图2所示，是本发明中Fe₂₀Co₇₉Mn_0.8Tb_0.2磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图。

磁场在2000Oe时，磁致伸缩系数达到78×10^-6；磁场在4000Oe时，磁伸达到饱和，系数为80×10^-6。

实施例3：

步骤1：按照重量百分比称取Fe 23.2％、Co 76％、Cu 0.5％、Ce0.3％的原料，上述各组分的重量百分比之和为100％，将原材料放入真空感应炉中，抽真空至10Pa，通入氩气保护进行熔炼，熔炼完毕后浇铸成圆柱形铸锭；然后对合金表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金铸锭的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金铸锭；

步骤2：将Fe-Co合金铸锭加热至800℃，保温2小时后进行锻造，终锻温度600℃，最终锻造至直径35mm的合金圆棒，在此过程中需控制，低于600℃时终止锻造，回炉保温10分钟后继续锻造；完成锻造后对合金表面进行打磨处理，去除Fe-Co合金棒的表面氧化层和缺陷，最终获得表面光洁的Fe-Co合金圆棒；

步骤3：将Fe-Co合金圆棒加热至900℃，采用四辊轧机进行热轧，控制终轧温度700℃，低于700℃时终止热轧，回炉保温20分钟后继续热轧，经过9道次轧制，制备出直径为7.0mm的Fe-Co合金盘条；

步骤4：将Fe-Co合金盘条进行酸洗和碱洗处理，去除表面氧化层后加热至900℃，采用卧式拔丝机进行热拉拔，经过9道次拔丝，制备出直径3.0mm的Fe-Co基磁致伸缩丝；

步骤5：将Fe-Co合金丝进行表面处理，采用卧式拔丝机进行冷拉拔，总拉拔道次25次，制备出直径0.5mm的Fe-Co基磁致伸缩丝，进行过程中需进行固溶处理，处理温度650℃，处理时间2小时，冷却方式为水冷；

步骤6：将Fe-Co基磁致伸缩丝在真空加热炉中进行900℃的热处理，保温1小时，采用空冷方式冷却至室温，得到Fe-Co基磁致伸缩合金丝。

如图3所示，是本发明中Fe_23.2Co₇₆Cu_0.5Ce_0.3磁致伸缩合金丝的磁致伸缩性能曲线图。

磁场在2000Oe时，磁致伸缩系数达到75×10^-6；磁场在3500Oe时，磁伸达到饱和，系数为80×10^-6。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。