一种具有 Wiedemann 效应的合金丝及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种具有 Wiedemann 效应的合金丝及其制备方法。背景技术 铁磁性材料同时受到轴向磁场和周向磁场作用时， 会引起材料发生扭转， 这种现 象称为 Wiedemann 效应。Wiedemann 效应是反映材料在磁场作用下的一种磁机械效应。具 有 Wiedemann 效应的材料可以制造各种传感器， 并广泛用于国防、 航天、 通讯、 机械工业等 众多领域， 有着重要的应用价值。
很多工业用的传感器和位移传感器正是使用具有 Wiedemann 效应的波导丝作为 敏感材料。 该类传感器的工作原理就是通过测量扭转波在波导丝上的传输时间来确定波源 位置， 从而确定位移。 实践中常用换能器将扭转波转变成电信号以便拾取， 而扭转波电信号 的强弱取决于扭转效应的大小。因此， 波导丝的扭转效应大小 (Wiedemann 效应 ) 是传感器 的性能优劣的关键因素。
目前， 已有波导丝的主要成分为 Fe-Ni-Cr。该类合金优点是机械性能好， 弹性模 量高且容易制造成细丝。缺点是 ： 合金中加入了元素 Cr， 导致居里点降低， 缩小了它的使用 温度范围 ； 元素 Cr 降低了合金的磁性能， 使得合金的 Wiedemann 效应变小， 导致波导信号较 弱， 限制了传感器的量程和分辨率。
因而， 需要提供一种具有较大 Wiedemann 效应的合金丝， 及其制备方法。
发明内容 本发明的目的提供一种具有 Wiedemann 效应的合金丝， 以克服现有的波导丝 Wiedemann 效应小、 信号弱以及工作温度不高的缺点。
本发明是通过以下技术方案而实现的。
一方面， 本发明提供一种具有 Wiedemann 效应的合金丝， 其中， 所述合金丝中， 以 质量百分比计 ： 镍占 41 ～ 44％， 铼占 0.01 ～ 1.50％， 余量为铁。
又一方面， 本发明提供一种具有 Wiedemann 效应的合金丝的制方法， 所述方法包 括： 将合金丝原料中按质量百分比计 41 ～ 44％的镍、 0.01 ～ 1.50％的铼和余量的铁这种 原料组分进行配料并熔炼成合金棒 ；
将合金棒表面层去除 ；
对去除表面层后的合金棒进行热锻及热轧 ； 以及
进行冷拔， 即可得到具有 Wiedemann 效应的合金丝。
优选地， 所述熔炼合金棒的步骤包括 ： 将所述配料进行真空冶炼， 并浇注成合金 棒。
优选地， 所述热锻及热轧的步骤包括 ： 对去除表面层后的合金棒加热， 然后进行锻 造加工， 再进行热轧， 轧成盘条。
优选地， 所述冷拔步骤包括 ： 将热轧后的所述盘条进行软化退火， 而后进行拉拔，
从而拉制成合金丝。
优选地， 所述热锻及热轧的步骤还包括 ： 对所述去除表面层后的合金棒热锻加热 温度为 1210±50℃， 热轧开轧温度为 1120±50℃， 终轧温度为 1000±50℃ ； 去除的表面层 的厚度为 3 ～ 5mm。
优选地， 所述冷拔步骤还包括 ： 所述软化退火的温度为 850 ～ 930℃， 软化退火时 间为 180 ～ 300min， 所述软化退火后进行拉拔的总拉拔道次为 3 ～ 5 次， 在每道次拉拔之 后并对拉长的合金盘条进行中间退火， 所述中间退火温度 900 ～ 950 ℃， 中间退火时间为 150 ～ 240min， 从而获得直径为 0.5 ～ 1.0mm 的合金丝。
优选地， 所述方法在所述冷拔的步骤之后进一步包括退火步骤。
优选地， 所述冷拔之后的退火步骤包括 ： 对从冷拔步骤得到合金丝进行真空下退 火处理， 其中， 退火温度为 490 ～ 900℃， 保温 1 ～ 4h 后， 炉冷或水冷至室温。
本发明的设计要点是在 Fe-Ni 合金中添加元素 Re， 使所形成的以铁镍为基体的合 金具有良好的加工性能和成熟的加工工艺， 可以很容易地拉拔出组织结构和性能都很均匀 的细丝。本发明中由于添加微量元素 Re， 一方面可以代替元素 Cr 强化合金， 使合金保持一 定的强度 ； 另一方面可以保证合金丝具有较大的 Wiedemann 效应 ； 另外， 所述合金中由于不 含元素 Cr， 可以防止合金的居里点过低， 提高了合金的使用温度。 本发明方法制得合金丝具有以下优点 ：
(1) 所制成的合金丝具有很大的 Wiedemann 效应， 最高达到 78 ～ 212″ /cm， 波导 信号强， 传输距离远， 很适合用于制作传感器 ；
(2) 合理的成分设计使得合金的居里点较高， 最高可达 384℃， 所制成的合金丝的 工作温度范围增大， 在 -20 ～ 340℃ ；
(3) 合金丝的机械性能好， 抗拉强度较高， 最大可达 700 ～ 730Mpa ；
(4) 合理的选用热锻、 热轧和拉拔工艺参数， 拉制出的合金丝组织结构和性能很均 匀。
附图说明
图 1 是本发明实施例 1 中冷拔后的合金丝在经历不同的退火温度后的拉伸曲线 图。
图 2 是本发明实施例 1 中冷拔后的 Fe-Ni-Re 合金丝在经历不同的退火温度后的 Wiedemann 效应测量曲线图。
图 3 是将本发明实施例 1 的 Fe-Ni-Re 合金丝与现有的综合效果最佳的 Fe-Ni-Cr 合金丝进行比较的 Wiedemann 效应曲线图。
图 4 是将本发明实施例 1 的 Fe-Ni-Re 合金丝与现有的综合效果最佳的 Fe-Ni-Cr 合金丝进行比较的 M-T 图。 具体实施方式
下面结合实施例对本发明的合金丝的制备方法及由其制备出的铁镍铼合金丝作 进一步的说明。
实施例 1 ：(1) 冶炼合金
将 43.20wt ％纯度为 99.99 ％的 Ni， 0.05wt ％纯度为 99.99 ％的 Re， 余量纯度为 99.99％的 Fe 原料装入 10Kg 真空感应炉内 ； 真空度为 1Pa， 通入氩气开始冶炼合金， 冶炼时 间为 1 小时 ； 冶炼结束浇注成直径 (Φ) 为 80mm 的合金棒。
(2) 去除表面层
经过步骤 (1) 处理后的合金棒表面容易出现一些缺陷 ( 主要是砂眼、 毛刺等缺 陷 )， 可在车床上车削加工， 使表面光洁， 表面层去除厚度为 4mm。
消除表面缺陷是为了防止合金在锻造和拉拔加工过程中出现裂纹， 或者拉断的现 象， 保证合金丝的组织均匀性。
(3) 热锻及热轧
经过 (2) 处理后的合金棒送入加热炉中加热到 1230℃， 然后进行锻造加工， 锻造 后呈 40×40mm 方坯 ； 再将方坯放入加热炉加热到 1100℃， 在轧机上开始进行热轧， 控制终 轧温度在 1000℃， 最后轧成 Φ14mm 的盘条。
(4) 冷拔
将过程 (3) 轧好的盘条进行 900℃软化退火， 软化退火时间为 240min ； 然后进行酸 洗， 再用水冲洗 ； 采用拉拔机拉拔， 总拉拔道次 4 次， 在每道次之后对拉长的合金盘条进行 中间退火， 退火温度 920℃， 退火时间为 180min ； 最后拉制成 Φ0.8mm 的细丝。
(5) 退火
将步骤 (4) 拉制好的细丝在真空热处理炉中进行退火， 退火温度为 625℃， 保温 3 小时后， 炉冷至室温。
经过以上加工和热处理工艺后的合金丝， 其 Wiedemann 效应达到 150″ /cm。
参照图 1， 其为本发明实施例 1 中冷拔后的合金丝在经历不同的退火温度后的拉 伸曲线图。从图中可以看出， 未退火时， 铁镍铼合金丝的抗拉强度为 793MPa ； 在 550 ℃～ 650 ℃的温度区间退火时， 随着退火温度的增大， 铁镍铼合金丝的抗拉强度逐渐下降， 在 720MPa ～ 470MPa 之间变化。 根据合金丝的实际使用情况可知， 此时的铁镍铼合金丝的抗拉 强度完全符合使用要求。因此， 合理的退火温度为 550℃～ 650℃。
参照图 2， 其为本发明实施例 1 中冷拔后的 Fe-Ni-Re 合金丝在经历不同的退火 温度后的 Wiedemann 效应测量曲线图。从图中可以看出， 在未退火时， 冷拔后的合金丝的 Wiedemann 效应值可达 28.6″ /cm， 随着退火温度的不断增加， 合金丝 Wiedemann 效应也会 逐渐增强， 在退火温度达 900℃时达 212″ /cm。 然而， 综合考虑合金丝在退火后的抗拉强度 可发现， 625℃是最佳退火温度， 此时的抗拉伸强为 572MPa， Wiedemann 效应值为 150″ /cm， 远远高于综合效果最佳 ( 指在抗拉强度和居里点符合常规应用要求的情况下 Wiedemann 效 应最大 ) 的 Fe-Ni-Cr 合金丝的 Wiedemann 效应值， 如图 3 所示。
图 3 是将本发明实施例 1 的 Fe-Ni-Re 合金丝与现有的综合效果最佳的 Fe-Ni-Cr 合金丝进行比较的 Wiedemann 效应曲线图。其示出了 Fe-Ni-Cr 与 Fe-Ni-Re 合金丝均未退 火和均退火后的 Wiedemann 效应值， 可以看出， 本发明的两种状态下的 Fe-Ni-Re 合金丝都 具有更大的 Wiedemann 效应值， 尤其是在退火后， Fe-Ni-Re 合金丝的 Wiedemann 效应值显 著增大。
图 4 是将本发明实施例 1 的 Fe-Ni-Re 合金丝与现有的综合效果最佳的 Fe-Ni-Cr合金丝进行比较的 M-T( 磁化强度 - 温度 ) 图。 从图中可以看出本发明实施例 1 的 Fe-Ni-Re 合金丝的居里点是 370℃， 明显高于 Fe-Ni-Cr 合金丝的 175℃居里点。因此， 本发明的合金 丝可以在更高的温度环境下工作。
进一步对按本发明方法制备的但未添加 Re 的 Fe-Ni 合金丝进行如上的效果测试， 发现在 900℃真空退火后， 得到其最大 Wiedemann 效应值为 109″ /cm， 也远小于本发明的合 金丝的最大值 212″ /cm， 因而可知， 添加 Re 是非常重要的。根据试验结果分析， 添加 Re 的 量不能太多， 在 0.01％～ 1.5％之间的 Wiedemann 效应值增加比较明显。
以下两个实施例中主要因铁镍铼合金中各成分含量不同而致使在其制备方法中 相应各参数不同， 但主要步骤大体相同。 其中为了清楚起见， 在制备方法中相同的部分仅作 简述。
实施例 2 ：
(1) 冶炼合金
选取合金的成分含量为 ： 43.18wt ％ 纯 度 为 99.99 ％ 的 Ni， 0.02wt ％ 纯 度 为 99.99％的 Re， 余量纯度为 99.99％的 Fe。真空感应炉内冶炼 ； 真空度为 1Pa， 冶炼时间为 1 小时 ； 冶炼结束浇注成 Φ80mm 的合金棒。 (2) 去除表面层
表面层去除厚度为 3mm。
(3) 热锻及热轧
经过 (2) 处理后的合金棒送入加热炉中加热到 1210℃， 然后进行锻造加工， 锻造 后呈 40×40mm 方坯 ； 再将方坯放入加热炉加热到 1090℃， 在轧机上开始进行热轧， 控制终 轧温度在 970℃， 最后轧成 Φ14mm 的盘条。
(4) 冷拔
将过程 (3) 轧好的盘条进行 850℃软化退火， 软化退火时间为 200min ； 然后进行酸 洗， 再用水冲洗 ； 采用拉拔机拉拔， 总拉拔道次 4 次， 在每道次之后对拉长的合金盘条进行 中间退火， 退火温度 900℃， 退火时间为 150min ； 最后拉制成 Φ0.8mm 的细丝。
(5) 退火
将步骤 (4) 拉制好的细丝在真空热处理炉中进行退火， 退火温度为 600℃， 保温 2 小时后， 炉冷至室温。
冷拔后抗拉伸强度为 780MPa ； 在 550℃～ 650℃的温度区间退火后， 合金丝抗拉强 度有所下降， 在 700MPa ～ 450MPa 之间变化。
测量合金丝不同退火温度下 Wiedemann 效应值， 600 ℃退火后最大， 达到 135 ″ / cm。合金丝的居里点为 362℃。
实施例 3 ：
(1) 冶炼合金
选取合金的成分含量为 ： 43.22wt％纯度为 99.99％的 Ni， 1.4wt％纯度为 99.99％ 的 Re， 余量纯度为 99.99％的 Fe。 真空感应炉内冶炼 ； 真空度为 1Pa， 冶炼时间为 1 小时 ； 冶 炼结束浇注成 Φ80mm 的合金棒。
(2) 去除表面层
表面层去除厚度为 5mm。
(3) 热锻及热轧
经过 (2) 处理后的合金棒送入加热炉中加热到 1250℃， 然后进行锻造加工， 锻造 后呈 40×40mm 方坯 ； 再将方坯放入加热炉加热到 1120℃， 在轧机上开始进行热轧， 控制终 轧温度在 1020℃， 最后轧成 Φ14mm 的盘条。
(4) 冷拔
将过程 (3) 轧好的盘条进行 930℃软化退火， 软化退火时间为 250min ； 然后进行酸 洗， 再用水冲洗 ； 采用拉拔机拉拔， 总拉拔道次 4 次， 在每道次之后对拉长的合金盘条进行 中间退火， 退火温度 950℃， 退火时间为 200min ； 最后拉制成 Φ0.8mm 的细丝。
(5) 退火
将步骤 (4) 拉制好的细丝在真空热处理炉中进行退火， 退火温度为 650℃， 保温 3 小时后， 炉冷至室温。
冷拔后抗拉伸强度为 808MPa ； 在 550℃～ 650℃的温度区间退火后， 合金丝抗拉强 度有所下降， 在 750MPa ～ 550MPa 之间变化。
测量合金丝不同退火温度下 Wiedemann 效应值， 650 ℃退火后最大， 达到 140 ″ / cm。合金丝的居里点为 384℃。