液位传感器用磁致伸缩 FeCo 合金特性研究

液位传感器用磁致伸缩 FeCo 合金特性研究
作者：郭卫民；谭军；黄水清






       磁致伸缩液位传感器是新一代传感器 ,传感器为非接触式 ,能在恶劣的工业环境下工作 ,可承受高温、高压、高振荡及辐照。它具有高精度、高稳定性、高可靠性及长寿命等特点 ,广泛应用于石油、化工、制药、食品饮料、大坝、饮用水和污水处理、船舶及航天火箭等液位及位移测量和监控。

应用磁致伸缩效应制造液位和位移传感器 ,要求磁致伸缩材料具有大的磁致伸缩效应。因此 ,近年来磁致伸缩材料的研究开发较为活跃 ,特别是稀土铁巨磁致伸缩材料的研究 。

      磁致伸缩材料大体可分为 3 大类 : (1) 金属磁致伸缩材料。已开发的主要有 3 个系列合金为 FeNi 系、 FeAl 系及 FeCo 系 。金属磁致伸缩材料具有可变形的特点 ,能拉成细丝、可轧成薄带。(2) 铁氧体磁致伸缩材料。典型代表材料为 NiZn 铁氧体。这类材料价格低廉、电阻率高、高频特性好 。(3) 稀土铁磁致伸缩材料。它具有很大的饱和磁致伸缩系数 ,亦称巨磁致伸缩材料。典型商品牌号为 Terfenol2D , 成分为Tb0. 3 Dy0. 7 Fe2 ,λs 达 1. 6 ×10 - 3 。这类材料广泛用于各类传感器 ,是目前磁致伸缩材料研究开发的重点。但其价格昂贵、磁化磁场高、性脆 。

       金属磁致伸缩材料由于其饱和磁致伸缩系数λs较低 (2. 00 ×10 - 5 ～1. 00 ×10 - 4 ) ,应用受到限制 ,多年来很少研究。近年来 ,由于磁致伸缩液位传感器的研究和发展 ,带动了金属磁致伸缩材料的研究和发展。液位的测量和监控要求液位传感器有很大的量程 (几米到几十米) ,也就是说要求磁致伸缩材料细长。铁氧体和稀土铁类磁致伸缩材料不可能制成细长的产品 ,只有金属磁致伸缩材料可加工成细长的产品 ,本研究就是为适应液位传感器要求 ,研制开发了 FeCo 合金磁致伸缩材料。

2 　试验研究

       FeCo 合金的 Co 含量在很宽的范围内形成具有体心立方结构的单相固溶体[5 ] 。随着 Co 含量的增加 ,其饱和磁致伸缩系数λs 随之增加 ,在 50 %～70 %Co 含量时 ,FeCo 合金具有较高的饱和磁致伸缩系数 (λs 为6. 0 ×10 - 5 ～9. 0 ×10 - 5 ) ,是目前已知的金属磁致伸缩材料中最高的 。因此我们选用 60 %～65 %Co 含量的 FeCo 合金进行了研究。

       合金经真空感应炉冶炼成电渣棒 ,砂磨后进行电渣 ,电渣锭在柴油炉中加热致 (1200 ±30) ℃,热锻成60mm ×60mm 方坯 ,砂磨后的方坯热轧成 8mm 的盘条 ,再经 (1100 ±30) ℃固溶处理、酸洗后冷拉成成品丝材 ,经最终热处理后 ,进行性能检测。工艺流程如下 :配料 →真空冶炼 →化学分析 →电渣 →热锻 →热轧 →固溶热处理 →酸洗 →拉丝 →成品 →热处理 →性能检测试样经最终热处理后 ,测量其饱和磁致伸缩性能 ,采用静态应变法测量磁致伸缩。居里温度用STA449C 热分析仪进行热分析得出。

3 　试验结果与分析

3. 1 　成分、夹杂及组织研究

       合金的化学成分经电子探针分析 ,合金经过电渣重熔后极大地提高了收得率 ,同时也降低了合金中夹杂物的含量 ,真空冶炼后夹杂物级别为 2. 5～3 级 ,电渣后夹杂物级别为 2 级。为了获得冷加工前良好的组织状态 ,即获得过冷的奥氏体γ相 ,减少α相 ,得到良好的冷加工性能 ,对固溶处理温度和冷却速度进行了试验。固溶处理温度选在 1050～1260 ℃范围内 ,冷却速度选择了空冷、水冷和冰盐水冷却 3 种介质中进行淬火。在 1100 ℃以下淬火 ,合金的硬度只有微小的波动 ,基本不变 ,继续增加淬火温度 ,硬度随之增加 ,1100 ℃是较为适宜的固溶温度。固溶冷却速度对合金硬度有较大影响 ,慢冷合金硬度显著增加 ,快冷合金硬度显著降低 ,水冷和冰盐水冷 ,合金硬度基本相近。

        根据以上试验 ,固溶工艺选用 1100 ℃固溶温度 ,冷却介质为水。随后冷加工拉丝试验也证明固溶工艺的合理性 ,合金从 8mm 盘园条直接冷拉到 0. 5mm丝材 ,冷形变量为 99. 6 % ,也表明合金具有良好的塑性。γ+α两相组织中 ,α相粗大且多 ,所以高温固溶的试样硬度要高于低温固溶的试样。γ+α两组织中α相的形貌和分布基本相同 ,其硬度也基本相当。说明水冷和冰盐水冷对α相析出影响不大。比较表明 ,α相数量多且粗大。这就是空冷比水冷硬度高的原因。

3. 2 　最终热处理对磁致伸缩性能的影响

       FeCo 合金中有 CsCe 型有序结构 ,资料介绍有序化转变温度约 730 ℃,有序化使λ100 降低 ,使λ111 升高 ,为了探讨有序化对λs 的影响 ,首先用热分析测定合金的有序化转变温度 ,热分析清楚地看出 ,63 %Co2Fe 合金的有序化温度为 653. 8 ℃。在高于有序化温度附近和不同的冷却速度进行试验 ,试验结果可看出 ,在高于有序化转变温度 850 ℃,以缓慢冷却 50 ℃/ h 速度冷却的试样 ,其λs 最高 ,λs 为6. 75 ×10 - 5 ,说明合金有序化程度最高 ,所以λs 值也最好。在 700 ℃的温度 ,以不同冷却速度冷却 ,慢冷比快冷的λs 稍高 ,从 6. 5 ×10 - 5 ～6. 3 ×10 - 5 ,差别不很大 ,都能保证获得 > 6. 0 ×10 - 5 技术要求值。FeCo 合金即使是采用淬火冷却也不能完全阻止其有序化转变的发生 。这也是从 700 ℃空冷到室温也能获得λs 为6. 3 ×10 - 5 值的原因。表明研制的 FeCo 磁致伸缩材料的磁致伸缩性能对最终热处理工艺不像高导磁材料对热处理工艺极其敏感 ,这就给用户使用材料带来了方便。

合金的居里温度 Tc 为 943 ℃。合金的居里温度由成份所确定 ,合金 Co 含量为 63 % ,保证了合金高居里点 ,也保证了合金在 600 ℃以下使用 ,性能不会发生大的变化。

4 　结 　论

(1) 本文所研制的是为应用威德曼 (Wiedeman)效应而制造的液位传感器用磁致伸缩材料 ,其名义成分为 Mn ≤0. 5 %、Ni ≤0. 5 %、Cr ≤0. 2 %、Co 为 60 %～65 %、Fe 为余量。

(2) 试验表明 ,所研制的 FeCo 磁致伸缩材料的磁致伸缩性能对最终热处理工艺不敏感 ,有利于合金材料的使用。

(3) 合金获得的最好饱和磁致伸缩λs 达 6. 75 × 10 - 5 ,其居里温度为 943 ℃,该合金具有良好的塑性及较强的饱和磁感应强度。

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