[发明专利]一种磁场控制劲度系数的弹簧及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于金属制品新材料领域，特别涉及一种劲度系数可变的Fe-Ga基弹簧及其制备方法。

背景技术

当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，这种现象成为磁致伸缩效应。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。当这种材料受到外力作用时，其磁化状态亦发生改变，这称之为逆磁致伸缩效应。磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应是铁磁性及亚铁磁性材料内磁力相互耦合作用的结果。磁致伸缩材料能够实现电磁能和机械能的相互转换，是重要的能量与信息转换功能材料，目前已广泛应用于水声换能器技术、电声换能器技术、海洋探测与开发技术等领域。

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(S. Guruswamy, et atl. Strong, dutile, and low-field-magnetostrictive alloys based on Fe-Ga. Scripta Mater. 2000, 43: p239-244 )，即Fe-Ga合金。Fe-Ga合金具有较高的磁致伸缩值，单晶可达400ppm，采用定向凝固制备的取向多晶磁致伸缩性能可达318ppm，同时Fe-Ga合金还具有强度高、磁滞小、成本较低、高相对磁导率、低磁晶各向异性，以及低磁致伸缩温度系数等优点，是一种新型的磁致伸缩材料。该材料在换能、驱动、传感等领域都具有良好的应用前景。

经过近些年的研究，Fe-Ga合金已在相关制备技术及磁致伸缩性能影响因素方面取得了很大的进步。2007年中国专利申请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年中国专利申请CN101262039A公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝，其材料成分为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。2009年中国申请专利CN 101812628A 公开了一种Fe-Ga基磁致伸缩丝的制备，其磁致伸缩性能达180ppm。

基于Fe-Ga合金本身存在的磁致伸缩效应，本发明提出一种用磁场控制弹簧劲度系数的设想。另外，由于Fe-Ga合金属于难变形合金，为了改善其塑性以便制备丝材，本发明中将添加其他元素。通过本方法和材料制备的弹簧，当其置于磁场环境中时，其弹性系数、力学行为将受到磁场的影响而发生一定程度的变化。基于此种变化，该类弹簧可用于精密控制、传感器、减振等领域。如在精密加工中，采用此种磁控劲度系数的弹簧，由于弹簧的伸长量或缩短量受磁场控制，可以更有效地调节位移，从而提高精度。在传感器中，通过磁场无极控制弹簧的劲度系数，可以获得连续感知信号与反馈。在减振领域中，采用磁控劲度系数弹簧，可以实现减振的智能控制等等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种磁场控制劲度系数的弹簧及其制备方法。

本发明的目的是通过以下方面实现的。

一种磁场控制劲度系数的弹簧，使用的原料成分（原子分数）为：Fe_100-x-yGa_xM_yN_z，M为Nb、B、Be、Al、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Pb、Co、Se中的一种或多种，N为C、Cr、Mn、Cu、Ni、Ti、Si、Zr或Mo，其中x=10～30，y=0.1～6，z=0～3，余量为Fe。添加合金元素的主要作用是改善Fe-Ga合金的塑性。所述方法包括以下步骤：

（1）按照所述原料成分配料并加入1-5%的Ga烧损量；

（2）将该配料进行真空冶炼，并浇注成合金锭，将铸态合金锭表面的氧化皮去掉，然后经过热锻、旋锻和拉拔步骤，获得直径0.1-2mm的丝材；

（3） 将拉拔后的合金丝材在卷簧机上卷制弹簧；

（4） 将弹簧在150-500℃的温度下保温10-180分钟，然后冷却到室温得到所述磁场控制劲度系数的弹簧。