Struktura i własnoci magnetyczne kompozytów typu nanokrystaliczny proszek stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - polimer *

Transkrypt

1 AMME th Struktura i własnoci magnetyczne kompozytów typu nanokrystaliczny proszek stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - polimer * B. Zibowicz a, D. Szewieczek b, L.A. Dobrzaski a a Zakład Technologii Procesów Materiałowych i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland b Zakład Zarzdzania Jakoci, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy przedstawiono wyniki bada struktury i własnoci magnetycznych nanokrystalicznych proszków stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 oraz kompozytów powstałych w wyniku ich połczenia z polietylenem (PEHD) - 5% masowo. Kompozyty otrzymano w procesie prasowania jednostronnego jednoosiowego w temperaturze 170 o C pod cinieniem 200 MPa. 1. WPROWADZENIE Proces nanokrystalizacji materiałów metalowych moe by realizowany w róny sposób. Najczciej znajduje zastosowanie nanokrystalizacja termiczna struktury amorficznej lub proces mielenia materiału amorficznego [1, 2]. Podstawow wad nanokrystalizacji termicznej s ograniczenia dotyczce postaci geometrycznej wyrobów (tama o gruboci nieprzekraczajcej 0,05 mm), która znacznie zawa zakres ich stosowania. W celu zwikszenia moliwoci aplikacyjnych nanomateriałów otrzymanych t metod z tam wytwarza si proszki, które nastpnie słu jako komponent kompozytów, w których rodkiem wicym s polimery chemo lub termoutwardzalne [3-5]. Celem niniejszej pracy jest połczenie procesu nanokrystalizacji termicznej i mechanicznej szkła metalicznego Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9, a nastpnie zbadanie struktury i własnoci uzyskanych w ten sposób proszków oraz kompozytów powstałych w wyniku ich połczenia z polietylenem (PEHD). 2. PRZEBIEG BADA Do bada wykorzystano amorficzne tamy szkła metalicznego Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 gruboci 0,04 mm i szerokoci 7 mm w stanie as quenched. Tamy obrobiono cieplnie * Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS Nr PL-013/02-03 kierowanego przez Prof. L.A. Dobrzaskiego.

2 632 B. Zibowicz, D. Szewieczek, L.A. Dobrzaski poprzez wygrzewanie w temperaturze 550 o C przez 1h w atmosferze argonu. Produktami obróbki cieplnej amorficznych tam szkła metalicznego Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 s fazy: krystaliczna αfe(si) i amorficzna midzyziarnowa - utworzone w wyniku krystalizacji pierwotnej [6]. Proszki z nanokrystalicznego stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 wytworzono poprzez mielenie, wstpnie pokruszonych tam, w młynku typu shaker 8000 SPEX CertiPrep Mixer/Mill przez 15 minut, 1 godzin oraz 5 godzin w powietrzu. Na podstawie bada rentgenowskich, w celu obliczenia wielkoci krystalitów tam i wytworzonych z nich proszków, zastosowano zaleno Scherrera [7], opart na pomiarze szerokoci linii dyfrakcyjnej: d = 0,9λ B cosθ B (1) gdzie: d rednica czstki krystalicznej [nm], poszerzenie linii dyfrakcyjnej mierzone w połowie jej B maksymalnego natenia [rad], λ długo fali uytego promieniowania rentgenowskiego [nm], θ B kt ugicia wizki promieniowania odpowiadajcy maksimum braggowskiemu [ o ]. Przygotowane proszki wykorzystano do wykonania kompozytu. Jako rodek wicy posłuył proszek polietylenu niskocinieniowego o duej gstoci PEHD o udziale 5% masowo. Komponenty zostały wymieszane w młynku typu shaker 8000 SPEX CertiPrep Mixer/Mill. Czas mieszania wynosił 20 minut. Kompozyty prasowano jednostronnie jednoosiowo w temperaturze 170 o C pod cinieniem 200 MPa przez 15 minut w powietrzu. W wyniku prasowania otrzymano próbki o rednicy d = 25 mm i wysokoci h = 3 mm, obliczono take ich gsto. Badania własnoci magnetycznych nanokrystalicznych proszków oraz kompozytów przeprowadzono na rdzeniach o rednicy zewntrznej 25 mm i wewntrznej 20 mm na urzdzeniu FERROMETR-1, które składa si z komputera PC, wyposaonego w kart aktywizacji danych PC-Lab, firmy Advantech (PCL 812 PG) oraz programu komputerowego umoliwiajcego jego obsług. Do bada proszków wykorzystano mikroskop skaningowy DSM 940 firmy OPTON stosujc powikszenie 3000x. Badania struktury nietrawionych zgładów przekrojów prostopadłych do kierunku prasowania kompozytów wykonano na mikroskopie wietlnym LEICA MEF4A stosujc powikszenie 200x. 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Wyniki oblicze wielkoci krystalitów dla obrobionej cieplnie tamy i wytworzonych z nich proszków przedstawiono w tablicy 1. W wyniku mielenia wielko krystalitów w proszkach praktycznie nie zmienia si w porównaniu z obrobion cieplnie tam.

3 Struktura i własnoci magnetyczne kompozytów typu nanokrystaliczny proszek Tablica 1 Wielko krystalitów badanych materiałów metalowych Rodzaj materiału Wielko krystalitów [nm] Tama Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 obróbka cieplna 550 o C/1h 22 Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 proszek - mielenie 15 min. 19 Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 proszek - mielenie 1 h 21 Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 proszek - mielenie 5 h 20 Wyniki oblicze gstoci kompozytów przedstawiono w tablicy 2. Rónica w gstoci kompozytów wynika z tego, e do ich wytworzenia wykorzystano proszki o rónej wielkoci czstek, co wpływa na udział porów w kompozycie (rys. 1). Najwiksz gsto 5,9 g/cm 3 posiada kompozyt z proszkiem mielonym przez 5 h, a najmniejsz 5,5 g/cm 3 kompozyt z proszkiem mielonym przez 15 min. Tablica 2 Gsto otrzymanych kompozytów Rodzaj kompozytu Gsto [g/cm 3 ] PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 15 min. PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 1 h PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 5 h 5,5 5,7 5,9 rednie wyniki pomiarów własnoci magnetycznych proszków Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 oraz kompozytów typu PEHD - proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 przedstawiono w tablicy 3. Własnoci magnetyczne badanych proszków i kompozytów z ich udziałem malej w porównaniu z własnociami stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w stanie as quenched i po obróbce cieplnej w temperaturze 550 o C przez 1 h. Czas mielenia wpływa na własnoci magnetyczne proszków i kompozytów z ich udziałem - im dłuszy czas mielenia, tym własnoci magnetyczne s gorsze. Koercja H c dla tam stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w stanie as quenched wynosi 36,68 A/m, remanencja B r 0,3153 T, natomiast przenikalno magnetyczna µ ma warto Własnoci magnetyczne dla tam stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 obrobionych cieplnie przez 550 o C/1h polepszaj si i wynosz: koercja, Hc 8,42 A/m, remanencja B r 0,9272 T, przenikalno magnetyczna µ Dla proszków stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 koercja H c wynosi od 16,12 A/m (proszek mielony przez 15 min.) do 45,21 A/m (proszek mielony przez 5 h). Wartoci remanencji B r zawieraj si w przedziale od 0,0001 T dla proszku mielonego przez 1 h do 0,0017 T dla proszku mielonego przez 15 min. Przenikalno magnetyczna µ zmienia si od 41 dla proszku mielonego przez 15 min. do 25 dla proszku mielonego przez 5 h. Własnoci magnetyczne otrzymanych kompozytów malej w porównaniu z własnociami proszków. Koercja wynosi od 26,16 A/m (kompozyt PEHD + proszek mielony przez 15 min.) do 157 A/m (kompozyt PEHD + proszek mielony przez 5 h). Wartoci remanencji B r zawieraj si w przedziale od 0,0037 T dla kompozytu PEHD + proszek mielony przez

4 634 B. Zibowicz, D. Szewieczek, L.A. Dobrzaski 15 min. do 0,0050 T dla kompozytu PEHD + proszek mielony przez 5 h. Przenikalno magnetyczna µ zmienia si odpowiednio od 38 do 17. Tablica 3 Własnoci magnetyczne badanych materiałów Rodzaj materiału H c [A/m] B r [T] H max [A/m] Tama Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - as quenched 36,68 0, ,9 0, Tama Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 obróbka cieplna 550 o C/1h 8,42 0, ,9 1, Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 proszek - mielenie 15 min. 16,12 0, ,6 0, Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 proszek - mielenie 1 h 42,59 0, ,7 0, Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 proszek - mielenie 5 h 45,21 0, ,0 0, Kompozyt: PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 15 min. 26,16 0, ,1 0, Kompozyt: PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 1 h 116,53 0, ,8 0, Kompozyt: PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 5 h 157,56 0, ,6 0, Na rysunku 1 przedstawiono porównanie kształtu i wielkoci czstek proszku w zalenoci od czasu mielenia. Rysunek 2 przedstawia struktur otrzymanych kompozytów na zgładach prostopadłych do kierunku ich prasowania. Ujawnia ona nierównomierne rozłoenie proszków w kompozytach oraz rónice w ich wielkoci i kształcie. a) b) c) B max [T] µ Rys. 1. Porównanie kształtu i wielkoci czstek proszku Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 : a) po 15 minutach mielenia, b) po 1 godzinie mielenia, c) po 5 godzinach mielenia, powikszenie 3000x

5 Struktura i własnoci magnetyczne kompozytów typu nanokrystaliczny proszek a) b) c) Rys. 2. Struktura kompozytów przekrój prostopadły do kierunku prasowania: a) PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 15min., b) PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 1h, c) PEHD (5% masowo) + proszek Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 - mielenie 5h, powikszenie 200x 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono wpływ czasu mielenia tam na struktur i własnoci magnetyczne proszków wytworzonych ze stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 po obróbce cieplnej w temperaturze 550 o C przez 1h. Im dłuszy czas mielenia tam, tym własnoci magnetyczne proszków (koercja H c, remanencja B r, przenikalno magnetyczna µ) s gorsze. W wyniku mielenia wielko krystalitów w proszkach praktycznie nie zmienia si w porównaniu z obrobion cieplnie tam. Gsto kompozytów zaley od parametrów technologicznych otrzymywania proszków wykorzystanych do ich wytworzenia. Czstki proszków stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 maj kształt nieregularny, a ich rozłoenie w kompozycie jest nierównomierne. Własnoci magnetyczne kompozytów w stosunku do własnoci metalowego komponentu proszkowego ulegaj pogorszeniu. LITERATURA 1. T. Kulik, Nanokrystaliczne materiały magnetycznie mikkie otrzymywane przez krystalizacj szkieł metalicznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1998.

6 636 B. Zibowicz, D. Szewieczek, L.A. Dobrzaski 2. M. E. McHenry, M. A. Willard, D. E. Laughlin, Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnets, Progress in Materials Science, 44 (1999), M. Jurczyk, Nanomateriały, Wydawnictwo Polityki Poznaskiej, Pozna, D. Szewieczek, B. Zibowicz, L. A. Dobrzaski, Badania wstpne nad uzyskaniem kompozytów typu polimer-proszek szkła metalicznego, Proceedings 10 th International Scientific Conference AMME 2001, Gliwice-Kraków-Zakopane, 2001, M. Leonowicz, Nanokrystaliczne materiały magnetyczne, WNT, Warszawa, D Szewieczek, J. Tyrlik-Held, S. Lesz, Proceedings of the Scientific Conference M 3 E, Gliwice (2000) Z. Bojarski, E. Łgiewka, Rentgenowska analiza strukturalna, Wydawnictwo Uniwersytetu lskiego, Katowice, 1995.