Wpływ temperatury wyarzania na struktur i właciwoci magnetyczne nanokompozytowych magnesów Nd 10 Fe 84-x W x B 6 (0 < x < 33 %at.)

Transkrypt

1 AMME 23 12th Wpływ temperatury wyarzania na struktur i właciwoci magnetyczne nanokompozytowych magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6 ( < x < 33 %at.) A. Przybył, J.J. Wysłocki Instytut Fizyki, Wydział Inynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Politechnika Czstochowska Al. Armii Krajowej 19, 42-2 Czstochowa W pracy przedstawiono wpływ temperatury wyarzania proszków na struktur fazow i właciwoci magnetyczne nanokompozytowych magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6, wytworzonych metod mechanicznej syntezy, w których zawarto wolframu zmieniała si w szerokim zakresie od do 33%at. 1. WPROWADZENIE Materiały magnetycznie twarde s coraz szerzej stosowane w wielu dziedzinach ycia (np.: przemysł elektroniczny głowice, przetworniki, czujniki; przemysł motoryzacyjny wskaniki, rozruszniki, silniki napdowe; przemysł lotniczy i kosmiczny sprzgła, magnetrony, łoyska beztarciowe; medycyna separatory komórek nowotworowych, elementy sztucznego serca; jak równie artykuły powszechnego uytku magnetowidy, zegary, głoniki itp.). Prawdziwym przełomem w rozwoju materiałów magnetycznie twardych okazało si odkrycie w 1984 roku zwizku Nd 2 Fe 14 B, charakteryzujcego si siln anizotropi magnetokrystaliczn [1, 2]. Właciwoci magnetyczne zwizków R 2 Fe 14 B (R pierwiastek ziem rzadkich) wynikaj z ferromagnetycznego sprzenia momentów magnetycznych podsieci metali z grupy ziem rzadkich i elaza dla lekkich lantanowców i antyferromagnetycznego sprzenia dla cikich. Mechanizm koercji w tych magnesach zwizany jest z zarodkowaniem i rozrostem domen przeciwnego namagnesowania [3]. Bardzo dobre właciwoci magnetyczne, przy stosunkowo niskich kosztach wytwarzania, s niewtpliwie zalet magnesów neodymowych. Magnesy te jednak maj nisk - w porównaniu z magnesami samarowymi - temperatur Curie T c =588 K [4] oraz mał odporno korozyjn [5], co znacznie ogranicza moliwoci zastosowania tych magnesów w praktyce. Podejmowano wic próby modyfikacji składu podstawowego, zastpujc np. neodym innymi pierwiastkami ziem rzadkich, a elazo kobaltem, glinem, galem, i innymi metalami przejciowymi, otrzymujc cał rodzin nowych magnesów typu R-(Fe,M)-B, gdzie R jest pierwiastkiem ziemi rzadkiej, a M jest metalem przejciowym [6]. Poszukiwano równie drogi udoskonalenia mikrostruktury poprzez optymalizacj procesu technologicznego. Uzyskane dziki temu nanokompozytowe magnesy Nd-Fe-B stanowi now grup materiałów magnetycznie twardych charakteryzujcych si rekordowo wysokimi właciwociami magnetycznymi [7].

2 744 A. Przybył, J.J. Wysłocki Ze wzgldu na swoje właciwoci bardzo interesujcym pierwiastkiem badanym jako dodatek stopowy jest wolfram [8-12]. Celem niniejszej pracy jest okrelenie wpływu temperatury wyarzania proszków na struktur i właciwoci magnetyczne nanokompozytowych magnesów Nd-Fe-B, w których cz atomów elaza została zastpiona atomami wolframu. 2. MATERIAŁ I METODY DOWIADCZALNEPRZEBIEG BADA Badania przeprowadzono na nanokompozytowych magnesach o podstawowym składzie Nd 1 Fe 84 B 6, w których cz atomów elaza została zastpiona wolframem. Zawarto wolframu w próbkach zmieniana była w szerokim zakresie od % at. do 33 % at. Magnesy do bada wytworzone zostały metod mechanicznej syntezy z proszków Nd, Fe, FeB i W. Proszki poddane były długotrwałemu mieleniu w czasie 9 h w młynach wibracyjnych. Aby zapobiec niepodanym reakcjom proces mielenia zachodził w ochronnej atmosferze argonu. Nastpnie przemielone proszki poddane zostały wygrzewaniu w piecu próniowym w czasie,5 h w temperaturach 923K i 1123K. Badania rentgenowskie wykonano za pomoc skomputeryzowanego dyfraktometru rentgenowskiego DRON 2. Jakociow analiz fazow przeprowadzono przy zastosowaniu standardowej metody rentgenowskiej analizy strukturalnej Właciwoci magnetyczne materiału badane były przy zastosowaniu magnetometru wibracyjnego firmy LakeShore w polu magnetycznym do 1,67 MA/m oraz przy uyciu histerezografu impulsowego w polu magnetycznym 4,8 MA/m na magnesach Nd 1 Fe 84-x W x B 6 prasowanych pod cinieniem 15 MPa. Próbki do bada otrzymano w ramach współpracy z Wydziałem Inynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADA W wyniku przeprowadzonej analizy składu fazowego magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6 stwierdzono, e temperatura wyarzania proszków wywiera znaczcy wpływ na struktur fazow badanych materiałów. Na rys.1a przedstawiono przykładowe dyfraktogramy uzyskane dla stopów wyarzanych w temperaturze 923K o rónej zawartoci wolframu odpowiednio ; 1; i 28% at. W stopie nie zawierajcym wolframu obok magnetycznie twardej fazy Nd 2 Fe 14 B wystpuj fazy magnetycznie mikkie Fe i niewielka ilo Fe 2 B. Zastpienie czci atomów elaza atomami wolframu powoduje pojawienie si na dyfraktogramie nowych, wyranych refleksów o układzie i intensywnociach odpowiadajcych wolnemu wolframowi. W miar wzrostu zawartoci wolframu intensywno linii widmowych pochodzcych zarówno od fazy magnetycznie twardej Nd 2 Fe 14 B, jak i magnetycznie mikkiej -Fe ulega znacznemu osłabieniu, co wskazuje na zmniejszenie udziału objtociowego tych faz. I tak, np. dla stopu o zawartoci 28% at. W refleksy pochodzce od fazy magnetycznie mikkiej α-fe nie s rejestrowane. Natomiast na rys.1b przedstawiono widma rentgenowskie obserwowane w stopach Nd 1 Fe 84-x W x B 6 (gdzie x = ; 1; 16% at. W) wyarzanych w temperaturze 1123 K. Dyfrakcyjna analiza fazowa wykazała, e skład fazowy stopu nie zawierajcego wolframu (Nd 1 Fe 84 B 6 ) nie zaley, w badanym zakresie temperatur, w istotny sposób od temperatury

3 Wpływ temperatury wyarzania na struktur i właciwoci 745 wyarzania. W obu przypadkach badanych magnesów wystpuj dwie fazy: magnetycznie twarda Nd 2 Fe 14 B oraz magnetycznie mikka α Fe. Dopiero wprowadzenie wolframu do składu podstawowego powoduje rónice w strukturze fazowej stopów. I tak, w magnesach wyarzanych w temperaturze 1123 K obserwowane s szerokie refleksy pochodzce od faz: FeWB oraz Fe 7 W 6, a nie od czystego wolframu, jak to było w przypadku stopów wyarzanych w temperaturze 923 K. Wysza temperatura wyarzania proszków powoduje zwizanie wolframu z elazem, tworzc dwie fazy: FeWB i Fe 7 W 6. Cz elaza pozostaje jednak w stanie wolnym nawet w stopie o zawartoci 3% at. W. Refleksy te nie były obserwowane w stopach o wyszej zawartoci wolframu, wyarzanych w temperaturze 923 K. a) 923 K b) 1123 K %at. W %at. W 1 %at.w 1 %at.w %at. W 16 %at. W ++ 2 θ [deg] 2 θ [deg] - Nd2Fe14B α-fe - Nd2Fe14B α-fe - Fe 2 B - W FeWB Rys.1. Dyfraktogramy rentgenowskie magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6 o rónej zawartoci wolframu wyarzanych odpowiednio w temperaturze 923K (a) i 1123K (b).

4 r 746 A. Przybył, J.J. Wysłocki Przeprowadzone badania właciwoci magnetycznych magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6 o rónej zawartoci wolframu (<x<33% at.) wyarzanych w temperaturach odpowiednio 923K i 1123 K wykazały, e temperatura wyarzania w istotny sposób wpływa równie na parametry magnetyczne tych magnesów. Na rys.2a przedstawiono wpływ wolframu na warto koercji JH C stopów wyarzanych w temperaturze 923K (krzywa A) oraz 1123K (krzywa B). W magnesach wyarzanych w temperaturze 923 K zaobserwowano ponad piciokrotny wzrost wartoci koercji J H c w stopie zawierajcym 28% at. wolframu w porównaniu ze stopem bez tego pierwiastka. Natomiast w magnesach wyarzanych w temperaturze 1123K wzrost koercji był niszy, a maksymalna jej warto wynosiła 117 ka/m dla zawartoci 16% at. wolframu w stopie. Natomiast na rys. 2b przedstawiono wpływ wolframu na warto pozostałoci magnetycznej B r magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6. Widoczny jest stały spadek remanencji w całym zakresie zawartoci wolframu, niezalenie od temperatury wyarzania. Ponadto stwierdzono, e stopy wyarzane w wyszej temperaturze (1123 K) wykazuj nisze wartoci remanencji w całym zakresie zawartoci wolframu. I tak w miar wzrostu zawartoci wolframu, remanencja magnesów wyarzanych w temperaturze 923 K maleje od wartoci maksymalnej B r =,95 T (dla próbki nie zawierajcej wolframu) do wartoci B r =,16 T (dla stopu zawierajcego 33% at. wolframu), natomiast dla wyszej temperatury wyarzania (1123 K) wartoci te wynosz,84 T i,1 T dla magnesów zawierajcych odpowiednio i 33% at. W. a) b) Koercja H [ka/m] J C A B Remanencja B [T] 1 A B Zawarto wolframu x [%at.] Zawarto wolframu x [%at.] c) (BH) [kj/m ] max 3 B A Zawarto wolframu x [%at.] Rys.2 Wpływ temperatury wyarzania na właciwoci magnetyczne nanokompozytowych magnesów Nd 1 Fe 84-x W x B 6 ( 923K, 1123K): a) koercja, b) remanencja, c) (BH) max.

5 Wpływ temperatury wyarzania na struktur i właciwoci 747 Istotnym parametrem, charakteryzujcym materiały magnetycznie twarde, z uwagi na ich zastosowanie, jest maksymalny iloczyn energii magnetycznej (BH) max. Na rys.2c przedstawiono zaleno (BH) max od zawartoci wolframu w magnesie. Iloczyn energii magnetycznej jest wielkoci cile zwizan z koercj i remanencj materiału. Przy niskich zawartociach wolframu w badanych stopach iloczyn energii magnetycznej nieznacznie wzrasta, osigajc maksimum przy zawartoci około od 2 do 3% at. wolframu. Natomiast dalszy wzrost udziału wolframu w tych magnesach prowadzi do obnienia wartoci energii magnetycznej (BH) max niezalenie od temperatury wyarzania. W tabeli 1 dla porównania podano wartoci koercji J H C, remanencji B r oraz iloczynu energii (BH) max magnesów Nd-Fe-W-B o zawartoci wolframu ; 16 i 28% at. dla dwu temperatur wyarzania. Tabela 5.1. Właciwoci magnetyczne wybranych stopów Nd 1 Fe 84-x W x B 6 Temperatura wyarzania [K] 923 Zawarto wolframu x [%at.] Koercja JH c [ka/m] Remanencja B r [T] Iloczyn energii (BH) max [kj/m 3 ] 26, , , , , ,9 2,4 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych bada stwierdzono, e temperatura wyarzania proszków wywiera znaczcy wpływ zarówno na struktur jak i na właciwoci magnetyczne magnesów Nd-Fe-W-B. Struktura fazowa stopów wyarzanych w temperaturze 923K składa si z faz: magnetycznie twardej Nd 2 Fe 14 B oraz magnetycznie mikkich α-fe i Fe 2 B. W stopach zawierajcych wolfram na dyfraktogramach widoczne s refleksy wskazujce na wystpowanie w tych stopach wolnego wolframu. Wyarzanie w temperaturze 1123K powoduje wizanie wolframu w zwizki z elazem i borem i tak w stopach zawierajcych wolfram nie stwierdzono wolnego wolframu lecz fazy: Fe 7 W 6 oraz FeWB. Magnesy wyarzane w temperaturze 923K charakteryzuj si znacznie lepszymi właciwociami magnetycznymi. W stopach tych zaobserwowano około piciokrotny wzrost koercji dla magnesu zawierajcego 28 %at. W stopach wyarzanych w temperaturze 1123K wzrost koercji był nieco mniejszy, i po osigniciu wartoci maksymalnej wynoszcej 117 ka/m w stopie zawierajcym 16%at. W, obserwowany był znaczcy spadek tego parametru.

6 748 A. Przybył, J.J. Wysłocki W całym zakresie prowadzonych bada stwierdzono spadek remanencji oraz po pocztkowym wzrocie z maksimum dla około 2%at. W stały spadek energii magnetycznej (BH) max, jednake stopy wyarzane w niszej temperaturze tj. 923K wykazywały wysze wartoci zarówno remanencji jak i energii magnetycznej (BH) max w całym zakresie bada zawartoci wolframu. BIBLIOGRAFIA 1. Sagawa M., Fujimura S., Togawa M., Yamamoto H., Matsuura Y., J. Appl. Phys. 55 (1984) Croat J. J., Herbst J. F., Lee R. W., Pinkerton F. E., J. Appl. Phys. 55 (1984) Kronmüller H.,Schrefl T., J. Magn. Magn. Mater. 129 (1994) Buschow K. H. J., Materials Science Reports 1 (1986) Bala H., Szymura S., Wysłocki J. J, Journal of Materials Science 24 (199) Stadelmaier H. H. Henig E. T. Petzof G., Zeitschrift für Metallkunde 82 (1991) Kaszuwara W.: Rola składu chemicznego i procesu wytwarzania w kształtowaniu właciwoci nanokrystalicznych magnesów typu RE-M, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Rodewald W, Schrey P, J. Magn. Magn. Mater. 83 (199) Bernardi J., Fidler J., Födermayr F., IEEE Trans. Magn. 28 (1992) Yan A., Song X., Wang X., IEEE Trans. Magn. 36 (2) Yan A., Song X., Song M., Wang X., J. Alloys and Compounds 257 (1997) Kaszuwara W., Leonowicz M., Kozubowski J, Proc. 16 th International Workshop on Rare Earth Magnets and Their Applications, Ed. H. Kaneko, M. Homma, M. Okada, Sendaj, 2, 711.