阅读说明：本技术 一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法 (NiMn-doped CoFe-based polycrystalline soft magnetic alloy and preparation method thereof ) 是由 聂志华 金昊 谭成文 于晓东 宁先进 刘影夏 赵修臣 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法,属于磁性材料技术领域。本发明通过在Co<Sub>70</Sub>Fe<Sub>30</Sub>合金中加入NiMn合金基团,在保持了Co<Sub>70</Sub>Fe<Sub>30</Sub>合金本身优异的合金软磁性能、磁致伸缩性能、低廉的成本等优势的同时,大大提高了合金的力学性能；另外,制备所述合金的原料成本低廉,制备过程简单便捷,成品率高,绿色环保,不需要使用昂贵的大型仪器设备,可以快速低成本地在工业生产中推广应用。(The invention relates to a NiMn-doped CoFe-based polycrystalline soft magnetic alloy and a preparation method thereof, belonging to the technical field of magnetic materials. The invention is realized by adding Co 70 Fe 30 NiMn alloy group is added into the alloy, and Co is maintained 70 Fe 30 The alloy has the advantages of excellent alloy soft magnetic property, magnetostriction property, low cost and the like, and the mechanical property of the alloy is greatly improved; in addition, the raw materials for preparing the alloy are low in cost, the preparation process is simple and convenient, the rate of finished products is high, the green and environment-friendly effects are achieved, expensive large-scale instruments and equipment are not needed, and the alloy can be rapidly popularized and applied in industrial production at low cost.)

一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金及其制备方法，属于磁性材料技术领域。

背景技术

CoFe基软磁合金，其系列合金又名“Permendur”，由于其具有稳定的磁化率、极高的磁导率、优异的磁致伸缩性能、优异的能量吸收性能以及低廉的成本优势而在传感器、换能器、微位移驱动、减噪、减振、智能机器人、燃油喷射、波动采油等领域具有重要的应用前景。

但由于CoFe基软磁合金本身的力学性能较差，这也限制了其在很多工程应用领域的应用。因此在保持CoFe基软磁合金本身优异的性能同时，开发出兼具优异力学性能的新系列CoFe基软磁合金是非常必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，通过在Co₇₀Fe₃₀合金中加入NiMn合金基团，在保持了Co₇₀Fe₃₀合金本身优异的合金软磁性能、磁致伸缩性能、低廉的成本等优势的同时，大大提高了合金的力学性能；

本发明的目的之二在于提供一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，该方法过程简单便捷，成品率高，绿色环保，不需要使用昂贵的大型仪器设备，可以快速低成本地在工业生产中推广应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金，所述合金的化学式表达式记为(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x，x＝2.5～20。

其中，2.5≤x≤10时，(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金兼具高强度、高饱和磁化强度及优异的磁致伸缩性能；10＜x≤20时，(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金兼具高延伸率及较高的饱和磁化强度。

本发明所述NiMn掺杂的CoFe基多晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.Ni和Mn按照1:1的原子比配料，并在真空条件下熔炼，得到NiMn合金锭；

步骤2.按照(30-0.3x)：(70-0.7x)：x的原子比将Fe、Co及NiMn合金锭放入高真空电弧熔炼炉的坩埚中，然后进行熔炼，得到本发明所述的合金。

进一步地，选用纯度大于99.9％的Fe、Co、Ni以及Mn单质作为原料；另外，使用前先将其表面的氧化皮打磨干净，然后在丙酮溶液中超声清洗，最后烘干备用。

进一步地，采用高真空感应熔炼炉熔炼制备NiMn合金锭，具体操作如下：先对高真空感应熔炼炉抽真空至2×10^-2Pa以下，然后充入氩气至炉内气压达到0.05MPa～0.06MPa，再利用感应加热将纯镍及纯锰熔炼成金属液，待金属原料完全熔化后，将熔化的金属液倒入模具内进行冷却凝固，得到NiMn合金锭。

进一步地，采用高真空电弧熔炼炉熔炼的具体操作如下：先对高真空电弧熔炼炉抽真空至2.5×10^-3Pa以下，然后充入氩气至炉内气压达到0.05MPa～0.06MPa，再在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼3～5次，每次熔炼的时间为4min～6min，除第一次以及最后一次外其余熔炼时进行搅拌。

有益效果：

(1)本发明所述(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金，在保持Co₇₀Fe₃₀合金优异的软磁性能及磁致伸缩性能、低廉的成本等优势的同时，还兼具优异的力学性能，尤其是2.5≤x≤10时，该合金具有极高的强度，并且延伸率相比其他CoFe基软磁合金也有较大提高，对于服役环境要求更低，且服役时间更长；而10＜x≤20时，该合金具有极高的延伸率，相对于其他种类CoFe基软磁合金，当需要对其进行拉拔、冷轧等变形加工时具有极大的优势；

(2)本发明所述(Co₇₀ Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金，选用的原料成本低廉，制备过程简单便捷，缺陷率低，成品率高，并且制备过程中不会产生污染。

附图说明

图1为实施例1～5制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金的真应力-应变曲线对比图。

图2为实施例1～4制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金沿磁场方向的磁致伸缩曲线对比图。

图3为实施例1～5制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金的磁化曲线对比图。

图4为实施例1制备的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的透射电子显微镜衍射斑点图。

图5为对比例1制备的Co₇₀Fe₃₀合金的反极图(IPF图)。

图6为实施例1制备的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的IPF图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

以下实施例中所提到的主要试剂信息详见表1，主要仪器设备信息详见表2。

表1

表2

采用应变片电阻测量法测试实施例中所制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及Co₇₀Fe₃₀合金的磁致伸缩系数，测试试样为8mm×6mm×2mm的平板状，具体测试步骤如下：

(1)选择好确定的方向，并且所有样品的测试面和方向相同，粘贴上电阻应变片；

(2)将样品与应变仪连接成一个电流回路，放置于电磁铁中央区域，再把高斯计安装在样品表面上面1mm处，设置磁场从0Oe至5000Oe，从5000Oe至-5000Oe，从-5000Oe至0Oe，连通电源开始进行测试；

(3)在磁场变化的过程中，块体样品长度发生变化引起电阻应变片长度的变化，进而导致应变片的电阻发生变化，应变仪测量得到应变片电阻的变化，经过计算机软件的换算得到样品的形变量，即磁致伸缩应变值的大小。

使用电子万能材料试验机测试实施例中所制备的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金以及Co₇₀Fe₃₀合金的力学性能，测试试样为平板状，标距为10mm，截面尺寸为3mm×1mm，具体测试步骤如下：

(1)将拉伸试样安装在拉伸卡具上，并将卡具接头安装在电子万能材料试验机对应接口处，并在样品标距两端各画一个点作为标记；

(2)预紧试样，定位视频引伸计标距，并设置拉伸速率为0.01mm/s；

(3)调零后开始拉伸试验，直至样品断裂后结束试验，计算机记录下的数据即为所测材料的力学性能数据。

实施例1

(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的具体制备步骤如下：

(1)先将Fe、Co、Ni以及Mn单质表面的氧化皮打磨干净，然后放入含有丙酮溶液的烧杯中，并将烧杯置于超声波清洗机中震动清洗5min，随后取出放置于滤纸上用吹风机烘干备用；

(2)将表面打磨干净的Ni和Mn按照1:1的原子比配料，并按照从从下至上依次为底Ni、Mn的顺序在高真空熔炼浇铸系统的氧化铝坩埚中布置原料；然后，先对高真空熔炼浇铸系统抽真空至2×10^-2Pa以下，再充入氩气(纯度为99.99vol％)至内部气压达到0.05MPa，随后利用感应加热将Ni和Mn熔炼成金属液，待金属原料完全熔化后，立即翻转氧化铝坩埚，将金属液倒入下面的铜模具内，待金属液冷却凝固后，得到NiMn合金锭；

(3)将NiMn合金锭与表面打磨干净的Fe以及Co与按照2.5:29.25:68.25的原子比配料，并按照NiMn合金锭在下Fe、Co在上的方式在高真空电弧熔炼及吸铸系统的铜坩埚中布置原料；然后，先对高真空电弧熔炼及吸铸系统抽真空至2.5×10^-3Pa以下，再充入氩气至炉内气压达到0.05MPa，随后在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼4次，每次熔炼的时间为5min，并在第2次和第3次熔炼时开启电磁搅拌，最后一次熔炼完成后，冷却，得到(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金。

如图1～3所示，本实施例所制备的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金的屈服强度可达732MPa，延伸率为4.64％，饱和磁化强度为205emu/g，磁致伸缩系数为86ppm。

实施例2～5

在实施例1的基础上，将步骤(3)中Fe、Co与NiMn合金锭的原子比由29.25:68.25:2.5依次修改成28.5:66.5:5、27:63:10、25.5:59.5:15及24:56:20，其他步骤及条件均不变，则依次得到(Co₇₀Fe₃₀)₉₅(NiMn)₅合金、(Co₇₀Fe₃₀)₉₀(NiMn)₁₀合金、(Co₇₀Fe₃₀)₈₅(NiMn)₁₅合金以及(Co₇₀Fe₃₀)₈₀(NiMn)₂₀合金，结合图1～3可知，其各自性能如表3所示。

表3

对比例1

Co₇₀Fe₃₀合金的具体制备步骤如下：

(1)先将Fe和Co单质表面的氧化皮打磨干净，然后放入含有丙酮溶液的烧杯中，并将烧杯置于超声波清洗机中震动清洗5min，随后取出放置于滤纸上用吹风机烘干备用；

(2)将表面打磨干净的Fe以及Co按照30:70的原子比配料，并加入高真空电弧熔炼及吸铸系统的铜坩埚中；然后，先对高真空电弧熔炼及吸铸系统抽真空至2.5×10^-3Pa以下，再充入氩气至炉内气压达到0.05MPa，随后在2A～4A的熔炼电流下进行反复熔炼4次，每次熔炼的时间为5min，并在第2次和第3次熔炼时开启电磁搅拌，最后一次熔炼完成后，冷却，得到Co₇₀Fe₃₀合金。

x＝2.5时，对应的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金为单相BCC结构(该合金体系BCC相与FCC相均为铁磁性相，但FCC相饱和磁化强度较低)；如图4所示，(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5沿{100}晶带轴存在(100)超点阵，这表明A2相基体中分布着B2相，因此(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金保持了CoFe基软磁合金优异的磁致伸缩性能。此外，加入NiMn合金基团后，(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5的晶粒明显发生了细化，如图5和图6所示，未加NiMn的Co₇₀Fe₃₀合金的组织为大晶粒尺寸的等轴晶，而加NiMn的(Co₇₀Fe₃₀)_97.5(NiMn)_2.5合金组织变为细小的条带状组织，这使得合金的强度和延伸率同时提高；同时由于合金中只存在BCC相，因此几乎对合金饱和磁化强度未造成影响。

x＝5和10时，对应的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金为BCC+FCC两相结构(主相依然为BCC相)，且不再存在B2相。FCC相的出现及B2相的消失共同导致了该范围内合金磁致伸缩性能的降低，但却使该范围内合金的延伸率明显提高；同时由于BCC相含量依然很高，因此合金饱和磁化强度也未有明显下降。

x＝15和20时，对应的(Co₇₀Fe₃₀)_100-x(NiMn)_x合金为BCC+FCC两相结构，但FCC相变为主导相，使得该范围内合金饱和磁化强度较之前有部分减弱，但该范围内合金依然为铁磁性，而且该范围内的合金兼具了BCC相高强度及FCC相高塑性的特点，对于需要进行大变形冷加工(如拉拔、冷轧等)的情况相比于其他软磁材料具有明显的性能优势。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。