Struktura i własnoci metalowych proszków Co 78 Si 11 B 11 otrzymanych metod mechanicznej syntezy*

Transkrypt

1 AMME th Struktura i własnoci metalowych proszków Co 78 Si 11 B 11 otrzymanych metod mechanicznej syntezy* R. Nowosielski, W. Pilarczyk Zakład Materiałów Nanokrystalicznych i Funkcjonalnych oraz Zrównowaonych Technologii Proekologicznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice. W pracy przedstawiono wyniki bada procesu mechanicznej syntezy proszkowego materiału Co 78 Si 11 B 11. Zbadano wpływ czasu mielenia na zmiany w strukturze i własnociach magnetycznych powstałego materiału. W ramach bada przeprowadzono rentgenowsk analiz fazow otrzymanego stopu oraz obserwacje mikroskopowe kształtu i wielkoci ziaren na elektronowym mikroskopie skaningowym. 1. WPROWADZENIE Metoda mechanicznej syntezy (MA - Mechanical Alloying) jest stosunkowo now metod otrzymywania stopów, polegajc na mieleniu proszków czystych metali w wysokoenergetycznych młynkach. Mechaniczna synteza zwana take mechanicznym stopowaniem jest procesem złoonym, opartym na zjawiskach mechanochemicznych zachodzcych w materiałach (tzn. dostarczanie energii mechanicznej i wydzielanie energii cieplnej). W procesie tym wystpuje rozdrobnienie mikrostruktury i generowanie duej liczby defektów, czego wynikiem jest to, e powstały stop moe mie charakter roztworu stałego, mieszaniny składników bd materiału amorficznego. Podczas MA ma miejsce: lokalne odkształcenie plastyczne, dyfuzyjne przemieszczanie si składników, rozdrabnianie i łczenie oraz chemiczne oddziaływanie trcych si powierzchni materiałów. Dziki tej metodzie moliwe jest wytworzenie m.in. struktur krystalicznych, amorficznych czy nanometrycznych. Mechaniczna synteza umoliwia uzyskanie materiałówo zrónicowanych własnociach fizycznych, chemicznych, mechanicznychi wytrzymałociowych [1]. Na to zrónicowanie maj wpływ nastpujce czynniki [2,3]: skład chemiczny materiału przeznaczonego do procesu mechanicznej syntezy, typ młynka, rodzaj materiału pojemnika, amplituda i czsto drga (dla młynów wibracyjnych) oraz prdko obrotowa (dla młynów planetarnych), czas mielenia, typ i wielko rodków mielcych, stosunek masy mielników do masy mielonego proszku, stopie wypełnienia pojemnika, atmosfera mielenia, czynniki kontrolujce proces oraz temperatura mielenia. * Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS Nr PL-013/03-04 kierowanego przez Prof. L.A. Dobrzaskiego.

2 676 R. Nowosielski, W. Pilarczyk W celu wytworzenia materiałów o zadanej strukturze i własnociach oraz wskazania dziedzin ich zastosowania naley okreli zalenoci pomidzy struktur proszków a własnociami mechanicznymi i eksploatacyjnymi wytwarzanych z nich materiałów. 2. CEL PRACY Celem pracy było okrelenie wpływu czasu prowadzania procesu mechanicznej syntezy na własnoci proszków Co 78 Si 11 B 11. Zakres bada obejmował: przeprowadzenie procesu mechanicznej syntezy, okrelenie przemian zachodzcych w badanym stopie oraz pomiar własnoci magnetycznych proszku. Wyniki pracy pozwol okreli optymalny czas prowadzenia procesu mechanicznej syntezy dla uzyskania materiału o zadanych własnociach magnetycznych i wymaganej strukturze. 3. PRZEBIEG BADA Badania przeprowadzono na mieszaninie proszków pierwiastków o nastpujcym składzie chemicznym Co 78 Si 11 B 11. Materiał ten uzyskano poprzez zmieszanie proszków kobaltu o steniu wagowym 91,4846, boru o steniu wagowym 2,3667 oraz krzemu o steniu wagowym 6,1485. Proszek kobaltu miał ziarna wielkoci 40 µm, proszek boru o wielkoci 80 µm, a krzemu poniej 100 µm. Czysto kobaltu i krzemu wynosiła 99,8%, natomiast czysto boru wynosiła 95 97%. Proszki te poddano mieleniu w nastpujcych przedziałach czasu 25, 50, 75, 100 godzin. Proces mechanicznej syntezy przeprowadzono w wysokoenergetycznym młynie typu sheaker 8000 SPEX CertiPrep Mixer/Mill, w atmosferze gazu obojtnego - argonu. Zmiany struktury proszków badano na dyfraktometrze rentgenowskim DRON 2 z goniometrem HZG 3. Zastosowano komputerowy system rejestracji promieniowania odbitego. Do bada uyto filtrowane promieniowanie lampy o anodzie kobaltowej o napiciu U = 40kV i prdzie arzenia 20mA. Długo promieniowania λ Kα = 0,17902 nm. Rejestracj danych linii dyfrakcyjnych prowadzono metod krokow w zakresie ktowym od 30 do 120 2Θ co 0,2. Czas zlicze w punkcie pomiarowym wynosił 1 s. Na podstawie uzyskanych zapisów dyfrakcyjnych, w oparciu o metod Scherrera, przeprowadzono pomiary wielkoci krystalitów. Obserwacje mikroskopowe kształtu i wielkoci ziaren materiału proszkowego przeprowadzono na elektronowym mikroskopie skaningowym OPTON DS 540, z komputerow rejestracj obrazu wykorzystujc program ISIS, w zakresie powiksze razy. Pomiar własnoci magnetycznych proszków uzyskanych w procesie mechanicznej syntezy oraz po zastosowaniu obróbki cieplnej przeprowadzono za pomoc systemu pomiarowego Ferrometr 1. System współpracował z komputerem osobistym PC, wyposaonym w kart akwizycji danych PC-LAB firmy Advantech (PCL 812 PG) oraz z odpowiednim programem komputerowym. Do pomiarów własnoci magnetycznych wykorzystane zostały toroidalne karkasy, w których umieszczono proszek, nastpnie nawinito na nie dwa uzwojenia: magnesujce i pomiarowe. Równomiernie nawinite uzwojenia minimalizuj rozproszenia strumieni magnetycznych. Z uwagi na wymagania narzucone parametrami technicznymi karty pomiarowej, system wymagał zastosowania przetwornika prd napicie (I/U), a take wzmacniacza mocy sygnału zasilajcego (PA) [4].

3 Struktura i własnoci metalowych proszków Co 78 Si 11 B WYNIKI BADA Po przeprowadzeniu bada rentgenowskich przeanalizowano zmiany struktury proszku otrzymanego po 25, 50, 75 i 100 godzinach mechanicznej syntezy. W przeprowadzonym badaniu czas mielenia był krótki jak na proces mechanicznej syntezy, w zwizku z tym przemiany zachodzce podczas mielenia s trudne do zidentyfikowania. Zmiana składu fazowego w czasie jest trudna do okrelenia, a hipotetycznie mona j przedstawi nastpujco: 1. Dyfraktogram zarejestrowany dla proszku mielonego przez 25 godzin pokazał linie charakterystyczne dla RSC-Co, Hz-Co i Co 4 B. Prawdopodobnie wystpuj równie inne fazy w mniejszych ilociach np. Co 2 B, Co 2 Si. 2. Po 50 godzinach mechanicznej syntezy wystpiły piki charakterystyczne dla Hz-Co i Co 4 B oraz istnieje due prawdopodobiestwo wystpienia fazy CoSi Po mieleniu przez 75 oraz 100 godzin wystpiły nadal fazy Hz-Co oraz Co 4 B i prawdopodobnie Co 2 Si. Rys. 1. Zapis dyfrakcyjny otrzymany dla stopu Co 78 B 11 Si 11 po 25 godzinach mechanicznej syntezy. Rys. 2. Zapis dyfrakcyjny otrzymany dla stopu Co 78 B 11 Si 11 po 50 godzinach mechanicznej syntezy

4 678 R. Nowosielski, W. Pilarczyk Rys. 3. Zapis dyfrakcyjny otrzymany dla stopu Co 78 B 11 Si 11 po 75 godzinach mechanicznej syntezy. Uzyskane na podstawie rentgenowskiej analizy fazowej dyfraktogramy, pozwoliły w oparciu o metod Sherrera, wyznaczy wielko krystalitów w otrzymanym proszku przed wygrzewaniem i po wygrzewaniu. Wyniki oblicze przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Wielko krystalitów w funkcji czasu mielenia. Wielko krystalitów stopu Co 78 B 11 Si 11 powstajcego w miar zwikszania czasu prowadzenia procesu mechanicznej syntezy systematycznie maleje. Po 25 godzinach mielenia wielko krystalitów oszacowano na 83 nm, a po 75 godzinach na 45 nm. W tym zakresie obróbka cieplna powoduje zwikszenie wielkoci krystalitów o ok. 16 nm natomiast po 125 godzinach mielenia wielko krystalitów osigła warto ok. 31 nm, a po obróbce cieplnej zwikszyła si do ok. 58 nm. Z przeprowadzonych bada na elektronowym mikroskopie skaningowym wynika, e rednia wielko ziaren proszku Co 78 B 11 Si 11 maleje wraz z wydłueniem czasu mielenia. Zaleno t mona zaobserwowa na rys. 5.

5 Struktura i własnoci metalowych proszków Co 78 Si 11 B Rys. 5. Struktura proszku Co 78 B 11 Si 11 po: a) 25, b) 50, c) 75, d) 100 godzinach mechanicznej syntezy. W miar wydłuania czasu mechanicznej syntezy powstaje coraz wicej drobnych agregatów, które skupiaj si wokół duych agregatów. Due agregaty podlegaj procesowi kruszenia, natomiast mniejsze zdolne opiera si deformacjom bez pkania, łcz si w wiksze układy. Podczas procesu mechanicznej syntezy krystality s wielokrotnie: spłaszczane, łczone, kruszone i ponownie łczone. Powoduje to znaczne zmiany mikrostruktury materiału oraz składu chemicznego. Najlepsze mikkie własnoci magnetyczne badany stop Co 78 B 11 Si 11 uzyskuje po 25 godzinach mechanicznej syntezy. Indukcja remanencji tego stopu wynosi B r =0,00114 T, natenie pola koercji H c =44,3 A/m, przenikalno magnetyczna µ=2,06, a stratno P/m=1,33 W/kg. Uzyskanie niskich własnoci magnetycznie mikkich jest spowodowane wystpowaniem zjawiska odmagnesowania i superparamagnetyzmu, a take napreniami powstajcymi w strukturze mielonego proszku. 4. WNIOSKI Uzyskane wyniki bada pokazuj, e zastosowanie procesu mechanicznej syntezy do mielenia mieszaniny proszków kobaltu, boru i krzemu, umoliwia wytworzenie proszku o strukturze nanokrystalicznej. W miar zwikszania czasu procesu mechanicznej syntezy zmniejsza si wielko krystalitów oraz nastpuje stopniowa amorfizacja stopu.

6 680 R. Nowosielski, W. Pilarczyk Prowadzenie mechanicznej syntezy powyej 50 godzin powoduje pogorszenie mikkich własnoci magnetycznych. Najlepsze własnoci magnetyczne otrzymane nanokrystaliczne materiały proszkowe uzyskuj dla prdów o wysokich czstotliwociach. LITERATURA 1. M. Jurczyk, Nanomateriały. Wybrane zagadnienia., Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2001, s M. Jurczyk, Mechaniczna synteza, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2003, s C. Suryanarayana: Mechanical alloying and milling, Progress in Materials Science 46, 2001, s J. Kwiczala, System pomiarowy do wyznaczania parametrów magnetycznych, Ferrometr, Gliwice 1999, s W. Pearson, A Handbook of Lattice Spacings and Structures of Metals and Alloys, Pergamon, Oxford, M. Pkała, M. Jachimowicz, V.I. Fadeeva, H. Matyja, Phase transformations in Co-B-Si alloys induced by high-energy ball milling, Journal of Non-Crystalline Solids 287 (2001)