[发明专利]磁硬化FeGa合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁硬化FeGa合金及其制备方法，更具体地说，是涉及兼具磁致伸缩特性和矩磁特性的FeGa合金以及能够生产该种合金的制备方法，该技术可应用于电力设备高压断路器的磁操作机构。

背景技术

永磁材料是一类重要的功能材料，简单的说永磁材料是一经磁化即能保持恒定磁性的材料。目前在工业和现代科学技术广泛应用的永磁材料有四大类:（1）铸造Al-Ni系和Al-Ni-Co系永磁材料，简称铸造永磁材料；（2）铁氧体永磁材料；（3）稀土永磁材料；（4）其它永磁材料。

近年国内外众多厂家相继推出永磁机构断路器，其动作过程简单，机构零件比弹簧机构减少80%以上，大大降低了断路器的机械故障率，基本可达到免维护。但是以钕铁硼合金为永磁体的机构存在合分闸电流高、高温易失效、退磁率高等问题。

随着电子技术向小型化、多功能方向发展，开发多功能复合的磁性材料十分重要。FeGa合金是在2000年由美国Clark等人开发出的新型磁致伸缩材料（Clark A E, RestorffJ B, Wun-Fogle M, et al. Magnetostrictive properties of body-centered cubic Fe-Ga and Fe-Ga-Al alloys. IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(5):3238-3240）。相比于传统的FeNi磁致伸缩合金和巨磁致伸缩材料Terfenol-D来说，FeGa合金兼有成本低、力学性能好、低场大应变等特征，成为磁致伸缩领域被关注的重点。如果能将FeGa合金的低场大磁致伸缩、高居里温度和高响应频率用在高压开关的磁路机构中将会明显降低分合闸电流(更节能)、高温不失效(更可靠)，应用前提是找到FeGa合金的磁硬化途径。

现有的FeGa磁致伸缩合金无矩磁特性，目前的各种元素添加只是为了提高FeGa合金磁致伸缩性能或改善FeGa合金的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具磁致伸缩性能和矩磁性质的磁性合金以及制备这种合金的工艺方法，使相应的新型复合材料适合用于高压开关操作机构磁路中，以降低分合闸电流和保持高温下工作可靠。

本发明的技术方案是：

一种磁硬化FeGa合金，其中加入了Mn、C元素。

所述磁硬化FeGa合金中各元素及其所占的质量百分比为：

Ga：0.1～22.65wt%，C：0.40～0.50wt%，Mn：0.50～1.0wt%，Fe：余量。

作为进一步的优选配比，所述的磁硬化FeGa合金中各元素及其所占的质量百分比可以是：

（1）Ga：1.00～10.00wt%，C：0.40～0.50wt%，Mn：0.50～0.80wt%，Fe：余量；（2）Ga：3.00～8.00wt%，C：0.40～0.50wt%，Mn：0.55～0.75wt%，Fe：余量；或（3）Ga：11.75～22.65wt%，C：0.40～0.50wt%，Mn：0.80～1.0wt%，Fe：余量。

所述磁硬化FeGa合金的矫顽力Hc可达5～30kA/m，具有Z型磁化曲线，室温磁致伸缩系数可达20～300×10^-6。

一种磁硬化FeGa合金的制备方法，包括如下步骤：

（1）   冶炼和铸造：对Ga、C、Mn和Fe原料进行真空感应熔炼，定向铸造成FeGa合金坯料，合金组分中上述各元素的质量百分比分别为：Ga：0.1～22.65wt%，C：0.40～0.50wt%，Mn：0.50～1.0wt%，Fe：余量；

（2）   退火：对所述FeGa合金坯料在真空热处理炉中以80～90℃/小时的速度升温至1050～1100℃保温8～10小时，随炉冷却至300℃出炉;

（3）   超导充磁：将退火后的所述FeGa合金坯料在超导永磁体中反复充磁。

所述步骤（3）中充磁次数可以为3-5次，超导永磁体的磁场强度优选为4-8T。

在进行所述步骤（1）、（2）时，优选调节真空度到2×10^-3Pa～4×10^-3Pa，再通入惰性气体作为保护气体。保护气体压力优选为（4～5）×10⁴Pa。