, S. Griner a, J. Konieczny a,#

Transkrypt

1 AMME th Własnoci magnetyczne i struktura nanokrystalicznych materiałów proszkowych magnetycznie mikkich otrzymanych na drodze kombinowanej nanokrystalizacji termicznej i wysokoenergetycznego mielenia R. Nowosielski a, L.A. Dobrzaski b, #, S. Griner a, J. Konieczny a,# a Zakład Materiałów Funkcjonalnych, Nanokrystalicznych i Zrównowaonych Technologii Proekologicznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland b Zakład Technologii Procesów Materiałowych i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy przedstawiono wpływ izotermicznego wygrzewania oraz parametrów wysokoenergetycznego mielenia szkieł metalicznych na bazie kobaltu na własnoci magnetyczne oraz struktur materiału proszkowego. Przeprowadzono proces wysokoenergetycznego mielenia szkła metalicznego Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 w rónych czasach a nastpnie zmielon tam poddano nanokrystalizacji termicznej w zakresie temperatury C. Wykazano, e stosujc kombinacj izotermicznego wygrzewania i wysokoenergetycznego mielenia moliwe jest uzyskanie nanokrystalicznego proszku ze szkła metalicznego stanowicego materiał wyjciowy do dalszych bada. 1. WPROWADZENIE Pocztki bada nad materiałami nanokrystalicznymi otrzymanymi na drodze krystalizacji szkieł amorficznych datuje si na rok 1988, w którym to Yoshizawa i in., opublikowali wyniki swoich prac [1]. Dziki bardzo dobrym własnociom magnetycznym w cigu ostatnich lat obserwuje si cigły wzrost zainteresowania tymi materiałami [2]. Proces nanokrystalizacji moe by zrealizowany na kilka sposobów. Najczciej zastosowanie znajduje naonokrystalizacja termiczna lub proces mechanicznego mielenia szkieł metalicznych, przy czym własnoci fizykochemiczne produktu mechanicznego mielenia zale od wielu parametrów i warunków procesu, takich jak: wielko i materiał mielników, stosunek masy mielników do masy mielonego materiału, temperatura procesu, dynamika układu zalena od rodzaju młynka oraz skład chemiczny materiału wyjciowego i atmosfera mielenia [3, 4, 5]. praca finansowana przez KBN grant PBZ/KBN-013/T08/46 # autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS Nr PL-013/02-03 kierowanego przez prof. L.A. Dobrzaskiego.

2 364 R. Nowosielski, L.A. Dobrzaski, S. Griner, J. Konieczny Nanokrystaliczne materiały metalowe ze wzgldu na sposób otrzymywania najczciej dostpne s tylko w postaci bardzo cienkich tam. Dlatego stosowanie tych materiałów w stanie sypkim jest bardzo interesujcym zagadnieniem dla technologii [7, 8, 9]. Otrzymywanie proszkowych materiałów nanokrystalicznych bezporednio w wyniku mielenia szkieł metalicznych w wysokoenergetycznym młynku wymaga długich czasów mielenia (ponad 100h) zazwyczaj przy niewielkich masach proszku jakie jednorazowo mona uzyska. Badania wykazały, e w wyniku kombinowanej nanokrystalizacji termicznej i mechanicznej szkła metalicznego moliwe jest otrzymanie w krótszym czasie identycznego nanokrystalicznego materiału proszkowego jak po długotrwałej nanokrystalizacji mechanicznej [10, 11]. Nanokrystaliczne materiały proszkowe otrzymane w procesie mielenia amorficznych tam ciesz si szerokim zainteresowaniem. Powicono temu zagadnieniu wiele prac, których celem było otrzymanie nanokompozytów ferromagnetycznych, których wymiary i kształt mona dowolnie formowa [12, 13, 14, 15, 16]. Celem niniejszej pracy jest wytworzenie proszkowego materiału nanokrystalicznego ze szkła metalicznego w wyniku kombinacji wysokoenergetycznego mielenia i nanokrystalizacji termicznej oraz korygowanie własnoci magnetycznych otrzymanego proszku. 2. PRZEBIEG BADA Badania wykonano na próbkach ze szkła metalicznego Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 w postaci tamy o gruboci 0,026 mm i szerokoci 10,2 mm. W pierwszej serii eksperymentu tamy zostały wygrzane izotermicznie w zakresie temperatury C przez 1 godzin w argonie. Nastpnie obrobione cieplnie tamy zmielono w wysokoenergetycznym młynku w czasie 2 godzin. W drugiej serii eksperymentu amorficzne tamy poddano wysokoenergetycznemu mieleniu przez 2 godziny a nastpnie uzyskane proszki wygrzano izotermicznie w zakresie temperatury C. Mielenie tam w stanie as quenched oraz tam obrobionych cieplnie wykonano przy uyciu wysokoenergetycznego młynka 8000 SPEX CertiPrep Mixer/Mill, stosujc czas operacji 2, 5, 10, 15, 20, i 25 godzin. Wygrzewanie izotermiczne tamy amorficznej oraz proszku przeprowadzono w piecu muflowym, oporowym w temperaturze C ze stopniowaniem co 50 C w atmosferze argonu. Badania rentgenograficzne przeprowadzono na dyfraktometrze DRON-2 z goniometrem HZG-3 i komputerowym systemem rejestracji promieniowania odbitego, wykorzystujc moduł sterujcy DRONEK-2 z zastosowaniem lampy o anodzie kobaltowej o napiciu 40 kv i prdzie arzenia 20 ma. Badania dyfrakcyjne przeprowadzono w zakresie któw 2θ od 40 do 120, o długoci kroku pomiarowego 0,1 a czas zlicze impulsów wynosił 3 s. Badania własnoci magnetycznych przeprowadzono na próbkach toroidalnych na urzdzeniu FERROMETR-1 przy nastpujcych parametrach pomiarowych: AC=5 V, f=50 Hz, amplituda 1V. Proszek zasypano luno do toroidalnego karkasu a nastpnie nawinito uzwojenie. Liczba zwojów n 1 =n 2 =180. System składał si z komputera PC, wyposaonego w kart akwizycji danych PC-LAB firmy Advantech (PCL-812 PG) oraz programu komputerowego do obsługi tego urzdzenia. Analiz graficzn uzyskanych rentgenogramów oraz zalenoci H C =f(t A ) przeprowadzono przy pomocy programu MICROCAL ORIGIN 4.1.

3 Własnoci magnetyczne i struktura nanokrystalicznych materiałów proszkowych OMÓWIENIE WYNIKÓW BADA Analiza przeprowadzona na dyfraktometrze wykazała, e po wygrzaniu w temperaturze 200 C przez godzin tama nadal była w stanie amorficznym (rys. 1). Struktur nanokrystaliczn uwidoczniły obserwacje na mikroskopie transmisyjnym po wygrzaniu tamy w temperaturze 300 C przez godzin (rys. 2). 700 intensywno θ Rysunek 1. Dyfraktogram amorficznej tamy Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 po wygrzaniu w temperaturze 200 C/1h Rysunek 2. Struktura tamy Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 po wygrzaniu w temperaturze 300 C/1h, mikroskop transmisyjny, pow Badania magnetyczne wykonane po izotermicznym wygrzaniu tamy Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 wykazały, e po wygrzaniu w temperaturze 200 C warto koercji w stosunku do stanu as quenched ronie i wynosi H C =46,1 A/m. Jednak wraz ze zwikszeniem temperatury wygrzewania warto koercji spada. Optymalne własnoci magnetyczne uzyskuje tama o strukturze nanokrystalicznej (rys. 3) po wyarzaniu w temperaturze 450 C przez godzin w argonie (rys. 4.). 60 tama Co68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13, Rysunek 3. Struktura tamy Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 po wygrzaniu w temperaturze 450 C/1h, mikroskop transmisyjny, pow temperatura wygrzewania T A [ C] Rysunek 4.Wpływ temperatury wygrzewania T A na warto koercji H C Po zwikszeniu temperatury wygrzewania powyej 450 C zaobserwowano wzrost wartoci koercji i dla próbki wygrzanej w temperaturze 600 C/1h warto H C =56 A/m. Wyniki bada własnoci magnetycznych przedstawiono w tablicy 1.

4 366 R. Nowosielski, L.A. Dobrzaski, S. Griner, J. Konieczny Tablica 1 Własnoci magnetyczne tamy Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 w stanie as quenched i po obróbce cieplnej Wielko Tama po wygrzaniu izotermicznym w temperaturze [ C]: as quenched H C 15, ,1 21,02 19,7 17,5 22,9 56 B R 0,25 0,54 0,44 0,63 0,7 0,75 0,69 0,005 B max 0,54 1 0,89 1,08 1,01 1,08 1,04 0,05 H max Nastpnie w wyniku mielenia przez 2 godziny obrobionych wczeniej cieplnie tam otrzymano proszek w postaci płatków. Po przeprowadzeniu bada własnoci magnetycznych stwierdzono, e proces wysokoenergetycznego mielenia znacznie pogarsza własnoci magnetyczne materiału. Najlepsze własnoci wykazuje proszek z tamy wygrzanej uprzednio w temperaturze 500 C (rys. 5). W drugiej serii eksperymentu amorficzne tamy poddano procesowi wysokoenergetycznego mielenia przez 2 godziny a nastpnie otrzymany proszek wygrzano izotermicznie przez godzin w zakresie temperatury C. Z przeprowadzonych bada własnoci magnetycznych wynika, e po izotermicznym wygrzaniu proszku w atmosferze argonu przez godzin własnoci magnetyczne materiału proszkowego ulegaj poprawie. Sporód proszków poddanych obróbce cieplnej najlepsze własnoci magnetyczne wykazuje proszek wygrzany w temperaturze 300 C przez 1h (H C =49 A/m) oraz proszek wygrzany w temperaturze 500 C przez 1h (H C =66,4 A/m). Proszek wygrzany w temperaturze 400 C przez 1h cechuje si zdecydowanie gorszymi własnociami magnetycznymi (H C = 113,5 A/m). Porównanie wartoci koercji proszków wygrzewanych w rónej temperaturze przedstawiono na rysunek proszek Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13, temperatura wygrzewania T A [ C] Rysunek 5. Wpływ temperatury wygrzewania tamy Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 na koercj H C po mieleniu przez 2 godziny proszek Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13, temperatura wygrzewania T A [ C] Rysunek 6. Wpływ temperatury wygrzewania proszku otrzymanego po 2 godzinach mielenia Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 na warto koercji H C W ostatnim etapie eksperymentu z otrzymanego materiału proszkowego, który wykazywał najlepsze własnoci magnetyczne wykonano ferromagnetyczny nanokompozyt. Do tego celu jako lepiszcza uyto polichlorku winylu rozpuszczonego eterem i zmieszano z nanokrystalicznym proszkiem Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 w stosunku objtociowym 1:5.

5 Własnoci magnetyczne i struktura nanokrystalicznych materiałów proszkowych 367 Uzyskany kompozyt w kształcie toroidu poddano badaniom własnoci magnetycznych. Stwierdzono, e w miar wzrostu czstotliwoci prdu f podczas bada własnoci magnetyczne ulegały poprawie (rys. 7). Struktur kompozytu przedstawia rysunek PV A) f [Hz] B) Rysunek 7. Wpływ czstotliwoci f na koercj H C nanokompozytu Rysunek 8. Struktura ferromagnetycznego nanokompozytu, mikroskop wietlny pow. 200 Wyniki bada własnoci magnetycznych w zalenoci od czstotliwoci prdu podczas bada przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2 Wyniki bada własnoci magnetycznych ferromagnetycznego nanokompozytu w zalenoci od czstotliwoci f Wielko Czstotliwo [Hz] Koercja H C ,9 2,9 Remanencja B R 0, ,005 [T] B max [T] 0,1 0,11 0,11 H max PODSUMOWANIE Wyniki bada wskazuj, e stosujc kombinacj nanokrystalizacji termicznej i wysokoenergetycznego mielenia moliwe jest uzyskanie proszku bdcego materiałem wyjciowym do dalszych bada oraz do prac nad materiałami nanokompozytowymi. W wyniku przeprowadzonych bada stwierdzono, e kombinowany proces wysokoenergetycznego mielenia i krystalizacji termicznej stopu Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 umoliwia uzyskanie nanokrystalicznego materiału proszkowego, którego struktura i własnoci magnetyczne mog by polepszane przez odpowiedni dobór parametrów tych procesów. Kompozyt otrzymany przez zestalenie nanokrystalicznego proszku Co 68 Fe 4 Mo 1 Si 13,5 B 13,5 z polichlorkiem winylu wykazuje własnoci magnetyczne, które rosn ze zwikszeniem czstotliwoci.

6 368 R. Nowosielski, L.A. Dobrzaski, S. Griner, J. Konieczny LITERATURA 1. Y. Yoshizawa, S. Oguma, K. Yamauchi, J. Appl. Phys. 64 (1988) Z. Bałaga, Z. Nitkiewicz, XXIX Szkoła In. Mater. Kraków-Wisła 2-5.X.2001., T. Kulik, Nanokrystaliczne materiały magnetycznie mikkie otrzymywane przez krystalizacj szkieł metalicznych, oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa M. Jurczyk, Nanomateriały, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej Pozna M. Leonowicz, Nanokrystaliczne materiały magnetyczne, WNT, Warszawa J. Szczygłowski, Modelowanie obwodu magnetycznego o jednorodnej i niejednorodnej strukturze materiałowej, Monografie nr 80, Czstochowa T. Yu. Mochalova, S. D. Kaloshkin, I. A. Tomilin, E. V. Obrucheva, B. V. Jalnin, Mater. Sci. Forum, vol (1996) s E. Fechova, J. Kovac, P. Kollar, J. Fuzer, M. Konc, Mater. Sci. Forum, vol (2001) s H. Chiriac, A.E. Moga, M. Urse, F. Necula, J.M.M.M., 203 (1999) s R. Nowosielski, P. Gramatyka, S. Griner, J. Konieczny, L. A. Dobrzaski, Proc. 10th Intern. Scientific Conf. AMME 2001, Gliwice-Kraków-Zakopane, 2001, s R. Nowosielski, P. Gramatyka, S. Griner, J. Konieczny, L. A. Dobrzaski, Proc. 10th Intern. Scientific Conf. AMME 2001, Gliwice-Kraków-Zakopane, 2001, s P.G. Bercoff, H.R. Bertorello, J.M.M.M., 187 (1998) s B. Daniel, J. Materials Proc. Technology 54 (1995) s D. Nuetzel, G. Rieger, J. Wecker, J. Petzold, M. Mueller, J.M.M.M, (1999) s M. Mueller, A. Novy, M. Brunner, R. Hilzinger, J.M.M.M., (1999) s V. Leger, C. Ramiarinjaona, R. Barrue, R. Lebourgeois, J.M.M.M., 191 (1999) s. 169