磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法

摘要

一种磁性材料技术领域的基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，采用修正的瑞利数来描述各种冷却速率下的熔体湍流程度，由修正的瑞利数来判断熔体磁场作用下的临界瑞利数，再通过临界瑞利数得到临界条件所需的磁场强度，从而获得在各种冷却速率下湍流被抑制的相对应的磁场强度，然后根据实际情况和对晶体组织的要求拟定相应的磁场强度和熔体冷却速率的技术参数的组合，实现抑制湍流，并在这过程中实现晶体各向异性能对热扰动的克服，完成晶体的取向生长。本发明可以有效地实现晶体的沿易轴取向，从而大大地降低了设备投资的成本，使在磁场中凝固取向的这一新技术的实际应用成为可能，可以用来指导包括深过冷材料在磁场中凝固取向的工艺制定。

权利要求

1.一种磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，其特征在于，采用修正的瑞利数来描述各种冷却速率下的熔体湍流程度，由修正的瑞利数来判断熔体磁场作用下的临界瑞利数，再通过临界瑞利数得到临界条件所需的磁场强度，从而获得在各种冷却速率下湍流被抑制的相对应的磁场强度，然后根据实际情况和对晶体组织的要求拟定相应的磁场强度和熔体冷却速率的技术参数的组合，实现抑制湍流，并在这过程中实现晶体各向异性能对热扰动的克服，完成晶体的取向生长，具体包括如下步骤：(1)测量熔体的物性参数，包括：运动黏度，体积膨胀系数，热扩散系数，熔体内部的温度差；

(2)引入冷却速率vx对平衡凝固的冷却速率ve的相对冷却速率作为参数，用如下修正的瑞利数Ram来模拟熔体在各种冷却速率下的湍流状态：${\mathrm{Ra}}^m\approx \mathrm{Ra}(1+a{\left(\frac{v_x}{v_e}\right)}^{f\left(v_x\right)})$其中$f\left(v_x\right)=b+\frac{v_x}{v_e}\times {10}^{-6}-3{(\frac{v_x}{v_e}\times {10}^{-6})}^2$$\mathrm{Ra}=\frac{\mathrm{g\beta }{d}^3}{\mathrm{k\eta }}\mathrm{\Delta T}$在上式，a＝0.25，b＝0.62，d坩埚直径，η运动黏度，β是体积膨胀系数，k是热扩散系数，ΔT是熔体内部的温度差；

当磁场作用于导电熔体时，湍流和层流转换的临界瑞利数，表示如下：

Rac≈π2(Ha)2，其中Ha＝Bd(σ/ρη)1/2，B＝μH是磁场强度，μ＝1，σ是电导率；

当Ram＝Rac时的冷却速率和磁场强度是晶体取向的临界条件，当Ram＜Rac时，获得沿易轴取向的晶体；

(3)熔化磁性材料，在熔点附近减慢加热速率以利于温度场均匀，施加静磁场强度并保温，然后在满足条件Ram＜Rac时相应的磁场强度和冷却速率下凝固直至凝固结束。

2.根据权利要求1所述的磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，其特征是，所述的平衡凝固的冷却速率，取1℃/h。

3.根据权利要求1所述的磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，其特征是，当计算抑制湍流的磁场强度小于0.1T时，实际强度取0.1T。

4.根据权利要求1所述的磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，其特征是，步骤(3)中，施加静磁场强度，在高于熔点的温度保温3-10分钟。

5.根据权利要求1所述的磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，其特征是，调节冷却速率和磁场强度，增大熔体的临界瑞利数Rac和瑞利数Ram的比值，从而进一步提高晶体的取向度和晶体组织的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种磁性材料技术领域的方法，具体是一种磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法。

背景技术

磁场用于对温度远高于居里点的熔体中晶体生长进行织构控制是近来得到探索的新型技术。一般定义，在温度超过居里点以后，磁性材料的磁晶各向异性随磁性的消失而消失，而在近来的实际观测中，即使在远高于居里点的熔点附近，残余的磁晶各向异性仍是存在的。因此在磁场作用下，如果ΔE＝u0ΔxVHA2/2＞kT得到满足，u0为真空磁导率，Δx＝x丨-x⊥为顺磁磁化率的各向异性，V是熔体中晶粒的体积，HA是磁场强度，k是波尔兹曼常量，T是绝对温度，ΔE代表磁晶各向异性能，kT代表热扰动因素，凝固过程中晶体的易轴取向可以获得。
经对现有技术的文献检索发现，B.A.Legrand等人在《Journal of Magnetismand Magnetic Materials》(磁性及磁性材料)，173(1997)20-28上发表有“Orientation by solidification in a magnetic field——A new process totexture SmCo compounds used as permanent magnets”(《在磁场中的凝固取向——一种新的钐钴永磁化合物的织构生长方法》)。在该文中合金被充分熔化后，在2.5T的磁场中迅速凝固(数秒钟内完成凝固)而获得高取向度的多晶组织。在低于2T的磁场中凝固取向度下降，在大于2.5T的磁场中凝固，取向度没有变化。因此在2T的磁场中迅速凝固构成取向的临界条件。但在该文中仅对各向异性能与热扰动的关系予以强调，而影响晶体取向生长的湍流及对湍流的影响因素却被忽视。这使得该研究不能全面地指导实际的工业应用。
磁晶各向异性能与热扰动的对比反映了材料在凝固中取向的内在趋势。而熔体的湍流状态则是影响晶体取向的重要的外在原因。磁晶各向异性能克服热扰动从而实现沿易轴取向必须以抑制湍流为前提，而在克服湍流状态的同时，磁晶各向异性能对热扰动的克服能同步实现。因而在磁场作用下，熔体由湍流状态向层流转变的凝固条件和磁场强度应是磁场中凝固获得沿易轴取向的临界条件。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种磁性材料基于临界条件在磁场中凝固取向的方法，使其大大地降低了设备投资的成本，为磁场中的凝固取向的工艺制定提供一个定量的参考方法，从而有助于实现该技术的工业化应用。
本发明是通过以下技术方案实现的.本发明采用修正的瑞利数来描述各种冷却速率下的熔体湍流程度，由修正的瑞利数来判断熔体磁场作用下的临界瑞利数，再通过临界瑞利数得到临界条件所需的磁场强度，从而获得在各种冷却速率下湍流被抑制的相对应的磁场强度.然后根据实际情况和对晶体组织的要求拟定相应的磁场强度和熔体冷却速率的技术参数，实现抑制湍流，并在这过程中实现晶体各向异性能对热扰动的克服，完成晶体的取向生长.
本发明是基于以下原理提出的：当反映熔体紊乱程度的瑞利数小于磁场作用下的临界瑞利数时，熔体的内部扰动被磁场抑制，生长中的晶体将克服热无序作用平行于磁场沿易磁化轴取向。熔体的瑞利数和临界瑞利数接近时的冷却速率和磁场参数可作为晶体生长取向控制的临界条件。晶体生长的临界条件，是晶体取向由无序到定向有序的转变条件。在满足临界条件的基础上，进一步调节冷却速率和磁场强度以增大临界瑞利数和熔体对流瑞利数的比值可获得高取向度的沿易轴取向的织构。
以下对本发明作进一步的说明，具体步骤如下：
(1)测量熔体的运动黏度，体积膨胀系数，热扩散系数，熔体内部的温度差等物性参数；
(2)考虑到冷却速率对熔体扰动的影响，引入冷却速率(vx)对平衡凝固的冷却速率(ve)的相对冷却速率作为参数，用如下修正的瑞利数Ram来模拟熔体在不同的冷却速率下的湍流状态：
${\mathrm{Ra}}^m\approx \mathrm{Ra}(1+a{\left(\frac{v_x}{v_e}\right)}^{f\left(v_x\right)})$
其中$f\left(v_x\right)=b+\frac{v_x}{v_e}\times {10}^{-6}-3{(\frac{v_x}{v_e}\times {10}^{-6})}^2$
$\mathrm{Ra}=\frac{g{\mathrm{\beta d}}^3}{\mathrm{k\eta }}\mathrm{\Delta T}$
在上式，a＝0.25，b＝0.62，d坩埚直径，η运动黏度，β是体积膨胀系数，k是热扩散系数，ΔT是熔体内部的温度差。平衡凝固的冷却速率一般可取1℃/h。
(3)磁场作用于导电熔体时，湍流和层流转换的临界瑞利数，表示如下：
Rac≈π2(Ha)2
其中
Ha＝Bd(σ/ρη)1/2
B＝μH是磁场强度，(μ＝1)，σ是电导率。
(4)Ram＝Rac时的冷却速率和磁场强度是晶体取向的临界条件。当Ram≤Rac时，可获得沿易轴取向的晶体。如果磁场强度的调节范围是一定的，由此应按相应的冷却速率控制晶体生长；反之必须保证相应的磁场强度。
(5)熔化磁性材料，在熔点附近减慢加热速率以利于温度场均匀，施加静磁场强度，在略高于熔点的温度保温3-10分钟，然后在满足条件Ram≤Rac时相应的磁场强度和冷却速率下凝固直至凝固结束。
(6)增大熔体的临界Rac数和Ram数的比值可以进一步提高晶体的取向度和晶体组织的质量。结合增加磁场强度和控制冷却速率可以很容易地做到这一点。
以上的结论是基于与重力方向平行的轴向磁场。如重力方向与磁场方向垂直，要获得同样的取向度，显然需要更强的磁场。另如采用电阻加热，应更易获得温度场均匀的熔体，从而有利于获得高质量的沿易轴取向的晶体。
当计算抑制湍流的磁场强度小于0.1T时，建议实际强度取0.1T.因为磁场强度过小，熔体中的晶粒需要较大的体积才能克服热扰动能，那么在慢凝的过程中未取向的晶粒相互作用的可能性加大，从而影响晶体取向.
本发明与现有技术相比，具有以下优点：1)对影响磁性材料在磁场中凝固取向的主要要素给予了考虑，给出了控制模型，这可对拟定合理的工艺以定量的指导。2)在较低的磁场通过对冷却速率的控制可以有效地实现晶体的沿易轴取向，从而大大地降低了设备投资的成本，使在磁场中凝固取向的这一新技术的实际应用成为可能。3)可以用来指导包括深过冷材料在磁场中凝固取向的工艺制定。

具体实施方式

结合本发明的内容提供具体实施例：
材料：Φ16mmTb0.3Dy0.7Fe1.90合金；将材料放于坩锅内，置于磁极中心，材料的轴向平行于磁场方向和重力方向；抽真空至＜5×1-2Pa，充氩气至0.08MPa；测出熔体在1240℃熔点的物性参数。对于Tb0.3Dy0.7Fe1.90合金定量计算时，取a＝0.25，b＝0.62时。具体实施如下：
实施例1
1、通过计算可得在快的冷却速率(约28℃/秒)凝固时Ram≈2.7×106；
2、取磁场中临界Rac≈3.1×106，可得磁场强度2T，在此Ram＜Rac；
3、加热母合金，到1230℃时缓慢升温至1260℃(2.5℃/分钟)；
4、温度保持在1260℃；施加静磁场2T，保温3分钟；
5、在上述静磁场中，停止保温，切断电源，让熔体冷却凝固，在熔点附近冷却速率约为28℃/秒。
实施例2
1、通过计算可得在冷却速率为1℃/秒凝固时Ram≈1.6×105；
2、取磁场中临界Rac≈1.95×105，可计算得所需磁场强度500mT，在此Ram＜Rac；
3、加热母合金，在1050-1240℃区间以15℃/分钟加热，到1240℃时缓慢升温至1260℃(2.5℃/分钟)；
4、温度保持在1260℃；施加静磁场500mT，保温5分钟；
5、然后在上述静磁场中以1℃/秒的冷却速率控制凝固过程；直至1150℃；
6、在温度降到1150℃以后，可停止对温度的控制，随炉冷却。
实施例3
1、通过计算可得在冷却速率为0.8℃/分钟凝固时，Ram≈1.45×104；
2、取磁场中临界Rac≈1.53×104，可计算得所需磁场强度140mT，在此Ram＜Rac；
3、加热母合金，在1050-1240℃区间以15℃/分钟加热，到1240℃时缓慢升温至1260℃(2.5℃/分钟)；
4、温度保持在1260℃；施加静磁场140mT，保温10分钟；
5、然后在上述静磁场中以0.8℃/分钟的冷却速率控制凝固过程；直至1150℃；
6、在温度降到1150℃以后，可停止对温度的控制，随炉冷却。
在以上3个实施例中，均能获得Tb0.3Dy0.7Fe1.95的平行于磁场方向按易轴[111]取向的晶体织构，取向度较高，微观结构无裂纹和微孔，无魏氏体针状析出相和挛晶组织(常出现在该材料的定向凝固组织中，对磁致伸缩性能不利).实施例2和实施例3的晶粒体积要粗大一些，这有利于磁致伸缩性能和磁性能.实施例1效率最高，但设备投资大.