Badania struktury i własnoci magnetycznych stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w postaci proszku*

Transkrypt

1 AMME th Badania struktury i własnoci magnetycznych stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w postaci proszku* P. Gramatyka, S. Griner, R. Nowosielski Zakład Materiałów Funkcjonalnych, Nanokrystalicznych i Zrównowaonych Technologii Proekologicznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy badano wpływ kolejno nastpujcej po sobie nanokrystalizacji termicznej i mechanicznej szkła metalicznego Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 na proces wytwarzania nanokrystalicznych materiałów proszkowych. Przeprowadzone badania pozwoliły okreli wpływ czasu mielenia, temperatur wstpnej obróbki cieplnej tamy szkła metalicznego Finemet na przebieg nanokrystalizacji i struktur materiału proszkowego, redni rednic ziaren proszku oraz jego własnoci magnetyczne. 1. WPROWADZENIE Nanokrystaliczny stop Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 znany pod nazw handlow Finemet, ze wzgldu na swoje znakomite mikkie własnoci magnetyczne (bardzo mała koercja H c i dua warto pocztkowej przenikalnoci magnetycznej µ i ) był w ostatnich latach obiektem wielu szczegółowych analiz. Wikszo z bada przeprowadzano na stopach w postaci cienkich tam szkieł metalicznych [1-3], które w wyniku nanokrystalizacji termicznej charakteryzuj si jednak du kruchoci, co w znacznym stopniu ogranicza ich praktyczne zastosowanie. Dlatego te, ostatnio obserwuje si coraz wiksze zainteresowanie materiałami nanokrystalicznymi w postaci proszków [4-7], które przez rónego rodzaju konsolidacj mona dowolnie kształtowa w okrelone wyroby. Do najczciej stosowanych technik konsolidacji materiałów proszkowych mona zaliczy m.in. spiekanie [8], prasowanie pod wysokim cinieniem (nawet do 5GPa) [9], prasowanie na ciepło [10,11], zagszczanie wybuchowe [12,13] oraz zestalenie za pomoc polimerów, spoiwami mineralnymi lub niskotopliwymi metalami (np. cynkiem) [14]. Celem niniejszej pracy jest uzyskanie proszkowego materiału magnetycznie mikkiego ze szkła metalicznego Finemet, w wyniku kombinacji nanokrystalizacji termicznej i wysokoenergetycznego mielenia oraz okrelenie jego struktury i własnoci magnetycznych. * Cz bada została sfinansowana w ramach projektu KBN Nr PBZ/KBN-013/T08/46.

2 206 P. Gramatyka, S. Griner, R. Nowosielski 2. PRZEBIEG BADA Badania przeprowadzono na tamach ze stopu amorficznego Finemet o składzie chemicznym Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9. Tamy szkła metalicznego otrzymane metod cigłego odlewania na powierzchni wirujcego walca miały grubo 0,029 mm i szerokoci 9 mm. W celu uzyskania struktury nanokrystalicznej, stop Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 poddano wygrzewaniu izotermicznemu w temperaturze 550 C przez 1 godzin w piecu elektrycznym komorowym firmy Thermolyne typu F6020C w atmosferze argonu. Obrobione cieplnie tamy zostały wstpnie pocite na odcinki o długoci 5 mm, a nastpnie poddane wysokoenergetycznemu mieleniu w czasie 1, 2, 3, 4 i 5 godzin. Proces mielenia realizowany był w młynku typu sheaker (8000 SPEX CertiPrep Mixer/Mill). Otrzymane w ten sposób proszki odprono w temperaturze 350 C w atmosferze argonu. Zmiany struktury towarzyszce nanokrystalizacji termicznej oraz mechanicznej, badano na dyfraktometrze rentgenowskim DRON-2 z zastosowaniem lampy o anodzie kobaltowej oraz w transmisyjnym mikroskopie elektronowym Tesla BS 540. Cienkie folie z tam oraz materiału proszkowego uzyskano poprzez cienianie elektrochemiczne i cienianie jonowe. Obserwacje mikroskopowe kształtu i wielkoci materiału proszkowego przeprowadzono w elektronowym mikroskopie skaningowym OPTON DS 540. Pomiar wielkoci ziarna otrzymanych proszków wykonano przy uyciu zbienego strumienia laserowego Analysette 22 firmy FRITSCH. W celu zbadania własnoci magnetycznych, wytworzony materiał proszkowy zestalono w formie, dodajc 5% (objtociowych) PV (poliwinylu). W wyniku tego procesu otrzymano toroidalny rdze o rednicy wewntrznej 28 mm, zewntrznej 34 mm i wysokoci 7 mm. Pomiar własnoci magnetycznych tam (w stanie bezporednio po odlaniu i po obróbce cieplnej), oraz zestalonych proszków przeprowadzono przy uyciu systemu pomiarowego FERROMETR. 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Badania rentgenowskie pokazały, e struktura stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w stanie wyjciowym była całkowicie amorficzna, co na dyfraktogramie ujawnia si jako szeroko ktowy pik pochodzcy od fazy amorficznej (rys. 1A). Po obróbce cieplnej w 550 C zaobserwowano krystalizacj amorficznej osnowy, o czym wiadcz wski i wysoki pik o duej intensywnoci dla kta 2θ = 52,8 oraz piki (200) i (211) pochodzce od fazy α-fe (rys.1a). Po procesie wysokoenergetycznego mielenia tam na dyfraktogramach materiału proszkowego (rys. 1B) zaobserwowano poszerzenie linii dyfrakcyjnych i stopniowe zmniejszanie ich intensywnoci, wskazujce na zmiany struktury nanokrystalicznej stopu, czego powodem jest wzrost udziału fazy amorficznej. We wszystkich analizowanych przypadkach najbardziej wyrane zmiany wysokoci i szerokoci prka dyfrakcyjnego wystpuj dla promieniowania rentgenowskiego odbitego od płaszczyzny (110) α-fe. Po wydłueniu czasu mielenia na dyfraktogramach proszków, odnotowano stopniowe zmniejszanie si intensywnoci wszystkich pików pochodzcych od fazy α-fe. Z przeprowadzonych bada w transmisyjnym mikroskopie elektronowym wynika, e badany stop Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w stanie bezporednio po odlaniu wykazuje struktur amorficzn, o charakterystycznym kontracie rozproszeniowym. Po wygrzaniu tamy w 550 C przez 1 godzin (rys. 2A), zaobserwowano powstanie nanokrystalicznej struktury składajcej si z licznych sferycznych nanokryształów α-fe w osnowie amorficznej.

3 Badania struktury i własnoci magnetycznych stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B Przeprowadzony proces wysokoenergetycznego mielenia takiej tamy o strukturze nanokrystalicznej spowodował równie zmiany obrazu struktury proszku obserwowanej w TEM. Porównanie struktur nanokrystalicznej tamy oraz proszku, sprawia wraenie, e ilo i wielko krystalitów fazy α-fe jest mniejsza w materiale proszkowym (rys. 2B). Uzyskany dyfraktogram struktury proszku charakteryzuje si obok słabych prków struktury krystalicznej, szerokim, rozmytym prkiem struktury amorficznej. Takie wyniki bada mog wiadczy o zmianie wzajemnego udziału objtociowego fazy amorficznej i fazy krystalicznej po mieleniu, w kierunku zwikszania si udziału fazy amorficznej. A) B) Rys. 1. Dyfraktogramy rentgenowskiej analizy fazowej stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 A) w stanie amorficznym, po wygrzaniu oraz po 1h mielenia B) mielonego w czasie, od 1h do 5h A) B) Rys. 2. Struktura oraz dyfraktogram stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 A) po wygrzaniu w temperaturze 550 C, TEM B) po wysokoenergetycznym mieleniu przez 1godzin, TEM W oparciu o metod Scherrera, wyznaczono wielko krystalitów α-fe w otrzymanym proszku. Wyniki oblicze przedstawiono w tabeli 1. Stwierdzono, e ze wzrostem czasu mielenia nanokrystalicznej tamy szkła metalicznego, wielko krystalitów α-fe maleje zarówno w materiale proszkowym nie odpronym oraz odpronym w temperaturze 350 o C.

4 208 P. Gramatyka, S. Griner, R. Nowosielski Tabela 1 Wielko krystalitów α-fe w wytworzonym proszku nanokrystalicznym Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 Czas mielenia [h] Wielko krystalitów bez odprania 10,30 9,82 9,02 8,87 7,98 [nm] odpranie w 350 o C 12,52 11,23 10,42 10,27 9,16 Obserwacje w elektronowym mikroskopie skaningowym materiału proszkowego, otrzymanego w wyniku rónych czasów wysokoenergetycznego mielenia (rys. 3), wykazały, e wraz ze zwikszaniem czasu mielenia, wielko proszku wyranie maleje (rys. 4) osigajc po piciu godzinach mielenia redni rednic 3-4 [µm]. A) B) C) D) E) Rys.3. Zdjcia SEM proszku Finemet z tamy wygrzewanej w temp. 550 C przez 1h, a nastpnie mielonej przez: A) 1h, B) 2h, C) 3h, D) 4h, E) 5h. Badania własnoci magnetycznych tam stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13, 5B 9 oraz zestalonego materiału proszkowego, analizowano na podstawie charakterystyki ptli histerezy (tabela 2). Wygrzanie stopu w temperaturze 550 C przez 1 godzin powoduje, w porównaniu do stanu bezporednio po odlaniu, uzyskanie najlepszych własnoci magnetycznych. Dla tego wariantu obróbki cieplnej uzyskano warto pozostałoci magnetycznej 0,879 [T], natenia pola koercji 16 [A/m] oraz indukcji maksymalnej 1,2 [T].

5 Badania struktury i własnoci magnetycznych stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B Tabela 2 Własnoci magnetyczne stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 Charakterystyka próbek Temp. wygrzewania [ o C] Czas mielenia [h] Temp. odprania [ o C] f [Hz] Hmax [A/m] Bmax [T] Br [T] Hc [A/m] as quenched ,972 0,46 67, ,2 0, ,015 0, ,012 0,001 92,2 bez ,012 0, odprania ,012 0, ,014 0, ,022 0, ,019 0, , ,025 0, ,032 0, ,025 0, Wysokoenergetyczne mielenie nanokrystalicznej tamy znacznie pogarsza mikkie własnoci magnetyczne otrzymanego materiału proszkowego. Po godzinie mielenia natenie pola koercji zestalonego proszku wynosi 73 [A/m] i wraz z wydłueniem czasu mielenia zdecydowanie wzrasta osigajc po 5 godzinach warto 312 [A/m] (rys. 5). 50 rednia rednica proszku [µm] Koercja Hc [A/m] 300 proszek Finemet proszek Finemet po odpreniu Czas mielenia [h] Czas mielenia [h] Rys. 4. Wpływ czasu mielenia na redni rednic proszku stopu Finemet Rys. 5. Wpływ czasu mielenia na natenie pola koercji materiału proszkowego Zaobserwowano, e materiał proszkowy otrzymany po 1, 2 i 3 godzinach mielenia oraz ten sam materiał odprony w temperaturze 350 C przez 1 godzin, posiada dla stanu odpronego troch nisze wartoci natenia pola koercji (rys. 5). Odprenie proszku uzyskanego po 4 i 5 godzinach mielenia powoduje, w porównaniu z materiałem nieodpronym, korzystne zmniejszenie wartoci natenia pola koercji - dla próbki otrzymanej po mieleniu przez 4 godziny z 232 [A/m] do 122 [A/m] oraz dla próbki po 5 godzinach mielenia z 312 [A/m] do 131 [A/m] (rys. 5).

6 210 P. Gramatyka, S. Griner, R. Nowosielski 4. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki bada wskazuj, e stosujc kombinacj nanokrystalizacji termicznej i wysokoenergetycznego mielenia tamy szkła metalicznego Finemet, moliwe jest uzyskanie proszku o strukturze nanokrystalicznej. Ze wzrostem czasu mielenia nieznacznie maleje intensywno linii dyfrakcyjnych pochodzcych od fazy α-fe z równoczesnym poszerzeniem piku dyfrakcyjnego oraz zmniejszaniem si wielkoci krystalitów. Wskazuje to na procesy intensywnego rozdrabniania proszku na skutek mielenia, z równoczesnym rozpoczciem przemian zwikszajcych udział struktury amorficznej. Materiał w postaci proszku, w porównaniu z tam wygrzan w temperaturze 550 C przez 1 godzin wykazuje gorsze własnoci magnetyczne. Czas wysokoenergetycznego mielenia tamy Finemet ma bardzo istotny wpływ na warto natenia pola koercji uzyskanego proszku. Wraz ze zwikszaniem czasu mielenia, koercja zestalonych proszków (bez odprania) wzrosła prawie piciokrotnie. Zastosowana obróbka cieplna polegajca na odpreniu proszku w temperaturze 350 C w czasie 1 godziny, wywiera istotny, korzystny wpływ na warto koercji, zwłaszcza dla próbek otrzymanych po 4 i 5 godzinach mielenia. LITERATURA 1. M.E. McHenry, M.A. Willard, D.E. Laughlin: Progress in Mater. Sci. 44 (1999) S. Sabolek, E. Babic, S. Popovic, G. Herzer: Mater. Sci. & Eng. A (1997) M. Hasiak, W.H. Ciurzyska, Y. Yamashiro: Mater. Sci. & Eng. A293 (2000) H. Xu, K.Y. He, Y.Q. Qiu, Z.J. Wang, X.S. Xiao: Mater. Sci. & Eng. A286 (2000) P. Kollar, J. Kovac, J. Fuzer, P. Sovak, E. Pancurakova: JMMM (2000) M. Manivel Raja, N. Ponpandian, B. Majumdar: Mater. Sci. & Eng. A (2001) W. Wu, G. Jiang, R.H. Wagoner, G.S. Daehn: Acta. Mater. 48 (2000) J. Rawers: Nanostructured Mater. 11, 8 (1999) D. Nuetzel, G. Rieger, J. Wecker, J. Petzold, M. Mueller: JMMM (1999) M. Yagi, I. Endo, I. Otsuka, H. Yamamoto: JMMM (2000) J. Xu, R.M. McMeeking: Int. J. Mech. Sci. 37, 8 (1995) P. Ruuskanen, A. Deribas, A. Shtertser, T. Korkala: JMMM 182 (1998) S. Ando, Y. Mine, K. Takashima, S. Itoh, H. Tonda: JMMM 85 (1999) J. Slama, R. Vicen, P. Krivosik, A. Gruskova, R. Dosoudil: JMMM (1999) 359.