Struktura i wybrane własnoci fizyczne nanokrystalicznego stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4

Transkrypt

1 AMME th Struktura i wybrane własnoci fizyczne nanokrystalicznego stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 D. Szewieczek, S. Lesz Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, Gliwice, Poland W pracy przedstawiono wyniki bada wpływu obróbki cieplnej na struktur i własnoci stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4. Stwierdzono, e obróbka cieplna wyjciowego stopu prowadzi do zmian struktury oraz własnoci fizycznych. 1. WSTP Ferromagnetyki nanokrystaliczne stanowi najnowsz generacj materiałów magnetycznie mikkich i s obiektem bada prowadzonych w wielu orodkach badawczych. Wraz z osigniciami w dziedzinie otrzymywania i aplikacji materiałów nanokrystalicznych pojawiaj si okrelone bariery i problemy do rozwizania. Istotnym problemem w przypadku stopów nanokrystalicznych s wymagania odnonie technologii ich wytwarzania. Struktur nanokrystaliczn mona uzyska przez chłodzenie cieczy metalicznej z szybkoci dobran dowiadczalnie dla danego stopu, albo z szybkoci chłodzenia cieczy metalicznej zapewniajc utworzenie struktury amorficznej i nastpnie kontrolowan krystalizacj. Otrzymany w ten sposób materiał w postaci tamy jest stopem dwufazowym, złoonym z amorficznej osnowy i kryształów o rozmiarach od kilku do kilkudziesiciu nanometrów [1]. Dziki dwufazowoci, nanometrycznej wielkoci fazy krystalicznej i niewystpowaniu w niej tekstury, materiał taki wykazuje bardzo dobre własnoci magnetyczne. Interesujc grup wród ferromagnetyków nanokrystalicznych stanowi stopy typu Fe-M- B, gdzie M=Zr, Hf, Nb [1,2]. Do najmniej zbadanych wród wymienionej grupy nale stopy z zawartoci Hf. W pracy podjto badania wpływu obróbki cieplnej na struktur i własnoci stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 wytworzonego w postaci tam w procesie planar flow casting z szybkoci chłodzenia 30 m/s. 2. PRZEBIEG BADA Struktur i własnoci nanokrystalicznego stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 wywołane obróbk ciepln obserwowano na tamach o gruboci 0,03 mm i szerokoci 8,0 mm. Badania wykonano dla próbek grzanych izotermicznie w czasie 1 h w zakresie temperatur T a = K.

2 532 D. Szewieczek, S. Lesz Zmiany struktury tam stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 w wyniku obróbki cieplnej badano metod rentgenografii dyfrakcyjnej, stosujc filtrowane promieniowanie anody, Co oraz z wykorzystaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego JEM-3010 firmy JEOL. Pomiary konwencjonaln metod spektroskopii mössbauerowskiej wykonano przy uyciu spektrometru pracujcego w układzie stałego przyspieszenia absorbenta. ródłem mössbauerowskim był 57 Co(Rh) o aktywnoci około 20 mci. Analiza widm mössbauerowskich umoliwiła okrelenie redniej wartoci pól nadsubtelnych oraz udziału krystalicznej fazy αfe. rednia warto pola nadsubtelnego została okrelona z rozkładu magnetycznych pól nadsubtelnych P(H) uzyskanych metod Hesse-Rübartscha [3]. Pomiary przenikalnoci magnetycznej pocztkowej µ i (T a ) (pomiar w polu 0,5 A/m przy czstotliwoci 1000 Hz) oraz natenie zmian przenikalnoci magnetycznej po rozmagnesowaniu µ/µ(t 1 ) ( µ=µ (t 1 =30 s)- µ (t 2 =1800 s), gdzie µ(t) jest przenikalnoci mierzon w czasie t po rozmagnesowaniu), dla próbek w stanie as quenched oraz wygrzewanych przez 1 h w zakresie temperatur K, wykonano na automatycznym urzdzeniu do pomiarów przenikalnoci. Temperatur Curie wyznaczono korzystajc z pomiarów wzgldnej przenikalnoci magnetycznej in situ w funkcji temperatury wygrzewania stosujc grzanie liniowe z prdkoci 0,083 K/s. Zmiany pola koercji H c (T a ) tam wygrzewanych przez 1 h w podanym wyej zakresie temperatur badano za pomoc koercjometru z zastosowaniem kompensacji ziemskiego pola magnetycznego. Badano take krzywe pierwotne indukcji magnetycznej za pomoc układu wyposaonego w strumieniomierz dla stopu w stanie as qunched oraz po obróbce cieplnej optymalizujcej rozumianej jako jednogodzinne wygrzewanie w temperaturze, dla której µ w słabych polach magnetycznych osiga maksimum [4,5,6]. 3. WYNIKI BADA I ICH DYSKUSJA W oparciu o wyniki bada struktury prowadzone metodami rentgenografii dyfrakcyjnej, mikroskopii elektronowej, spektroskopii mössbauerowskiej stwierdzono, e stop Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 w stanie wyjciowym miał struktur: amorficzn z udziałem w iloci 4,6 % nanokrystalicznej fazy αfe o wielkoci ziarn od 5 do 10 nm (rys. 1, 2 a, b, tablica 1). Badany stop charakteryzujcy si w stanie wyjciowym jest ferromagnetyczny w temperaturze pokojowej a jego temperatura Curie wynosi 480K (rys. 3). Własnoci magnetyczne, to jest µ i =401 (tablica 1) pozwalaj zakwalifikowa badany stop w stanie as quenched do materiałów o własnociach magnetycznie mikkich. Uzyskane niezbyt due wartoci µ i prawdopodobnie naley powiza z nierównomiernociami powierzchni tam oraz mikropustkami zamroonymi podczas szybkiego chłodzenia w procesie ich otrzymywania, które s ródłem napre prowadzcych do wytworzenia orodków hamujcych ruch cianek domenowych podczas procesów magnesowania [7]. Biorc pod uwag nieznaczny udział (4,6%) fazy αfe (rys. 2b) o wielkoci ziarn od 5 do 10 nm (rys. 1) w wyjciowej amorficznej strukturze stopu przeprowadzono jego obróbk ciepln celem zwikszenia udziału fazy αfe w strukturze oraz poprawienia jego własnoci magnetycznie mikkich.

3 Struktura i wybrane własnoci fizyczne nanokrystalicznego stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 533 a) A αfe b) Rys. 1. Obraz elektronowy (HRTEM) stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 w stanie wyjciowym Tablica 1 Parametry obróbki cieplnej oraz skład fazowy, przenikalno magnetyczna pocztkowa µ i, pole koercji H c i dezakomodacja µ/µ stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 Temperatura wygrzewania Skład fazowy Własnoci magnetyczne T a, K µ i µ µ % H c, A/m as quenched A+αFe αfe FeB HfB 2, αfe, FeB, HfB 2, Fe 2 B, Fe 2 Hf Rys. 2. Widmo mössbauerowskie otrzymane dla stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 w stanie wyjciowym as quenched (a) oraz wyznaczony z tego widma rozkład magnetycznych pól nadsubtelnych P(H) (b) Rys. 3. The relative magnetic permeability as a function of annealing temperature for Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 alloy.

4 534 D. Szewieczek, S. Lesz Przeprowadzone badania wpływu temperatury wygrzewania w zakresie od K w czasie jednej godziny badanego stopu wykazały, e w analizowanym zakresie zachodz istotne zmiany struktury i własnoci. Wygrzewanie stopu do temperatury 623 K nie wywołuje zmian jakociowych w strukturze stopu w stosunku do stanu as quenched (tablica 1). Poczwszy od temperatury wygrzewania 673 K zmienia si struktura i własnoci badanego stopu. W strukturze stopu pojawiaj si fazy typu: FeB, HfB 2 (tablica 1). Z kolei w zakresie temperatur K oprócz wymienionych faz pojawiaj si fazy: Fe 2 B, Fe 2 Hf (tablica 1). Pole koercji badanego stopu w stanie as quenched ma warto H c =87,5 A/m (tablica 1). Ze wzrostem temperatury obróbki cieplnej warto H c maleje osigajc minimum w temperaturze 523 K, co moe wskazywa na optymaln zawarto fazy nanokrystalicznej w stopie [8]. Dalsze wygrzewanie stopu prowadzi do silnego wzrostu pola koercji, które nastpuje w zakresie temperatur wygrzewania od 673 do 1023 K (H c wynosi od 511,3 do 1400,6 A/m, tablica 1). Utrata mikkoci magnetycznej wie si z pojawieniem borków (FeB, Fe 2 B, HfB 2 ) w strukturze stopu (tablica 1). Przenikalno magnetyczna pocztkowa µ i (T a ) badanego stopu po obróbce cieplnej zmienia si w kilku etapach (tablica 1). Od stanu as quenched do temperatury wygrzewania T a =473 K nastpuje wzrost przenikalnoci magnetycznej pocztkowej co mona tłumaczy koagulacj mikropustek [9]. Efekt ten powoduje wzrost dezakomodacji przenikalnoci magnetycznej µ µ (tablica 1). Drugi etap charakteryzuje si dalszym wzrostem przenikalnoci magnetycznej pocztkowej (tablica 1) i spadkiem µ µ i ma on miejsce w zakresie temperatur wygrzewania tam stopu od K (tablica 1). Efekt ten wie si z wygrzewaniem objtoci nadmiarowej wprowadzonej do materiału podczas produkcji oraz tworzeniem si nanokrystalicznej fazy (αfe) w osnowie amorficznej (tablica 1). W nastpnym etapie nastpuje spadek wartoci przenikalnoci magnetycznej pocztkowej (tablica 1). Zjawisko to odpowiednio w zakresie temperatur wygrzewania od 573 K do 673 K mona tłumaczy wzrostem udziału fazy nanokrystalicznej oraz tworzeniem si borków. Dalej ponownie wzrasta warto przenikalnoci magnetycznej pocztkowej i drugie maksimum wystpuje w temperaturze 723 K dla badanego stopu (tablica 1). Ostatni etap zmian przenikalnoci magnetycznej pocztkowej w zakresie temperatur od K charakteryzuje si stosunkowo niewielkim wzrostem µ i, czemu towarzyszy spadek dezakomodacji badanego stopu (tablica 1). Biorc pod uwag maksymaln warto przenikalnoci magnetycznej pocztkowej µ i =957 oraz minimaln warto pola koercji H c =57 A/m (tablica 1) jako optymaln temperatur obróbki cieplnej badanego stopu przyjto temperatur wygrzewania 523 K []. Wygrzewanie w temperaturze optymalnej T op powoduje wzrost udziału objtociowego krystalicznej fazy αfe do wartoci 5,9% (rys. 4b). rednia warto pola magnetycznego H stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 poczwszy od stanu wyjciowego as quenched do temperatury wygrzewania 523 K oscyluje wokół wartoci 23 T, charakterystycznej dla fazy amorficznej (rys. 2b, 4b). Wielko ziarn fazy αfe po wygrzewaniu w temperaturze T op mieci si w zakresie od nm (rys. 5). Przebieg zmian przenikalnoci maksymalnej uzyskanej z krzywych pierwotnych magnesowania dla badanego stopu w stanie wyjciowym oraz po obróbce cieplnej optymalizujcej (rys. 6) wskazuje, e wygrzewania w temperaturze T op pozwala na uzyskanie maksymalnej wartoci przenikalnoci magnetycznej µ max = Uzyskane własnoci magnetyczne (µ i =957 oraz H c =56,9 A/m) badanego stopu s zwizane z udziałem

5 Struktura i wybrane własnoci fizyczne nanokrystalicznego stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 535 i wielkoci ziarn krystalicznej fazy αfe w strukturze stopu po wygrzewaniu w temperaturze optymalnej T op (rys. 6 ). a) αfe b) A Rys. 6. Obraz elektronowy (HRTEM) stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 po wygrzewaniu w temperaturze T op =523 K Rys. 4. Widmo mössbauerowskie otrzymane dla stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 po obróbce cieplnej w temperaturze 523 K/1 h (a) oraz wyznaczony z tego widma rozkład magnetycznych pól nadsubtelnych P(H) (b) Udział krystalicznej fazy αfe jest prawdopodobnie niewystarczajcy, aby mógł zaj efekt uredniania si anizotropii magnetokrystalicznej. Wynikiem tego jest wysoka warto pola koercji w badanych stopach. Zbyt mały udział krystalicznej fazy Rys. 7. Wzgldna przenikalno magnetyczna stopu Fe 92,4 Hf 4,2 B 3,4 w stanie wyjciowym as quenched oraz po obróbce cieplnej optymalizujcej w temperaturze T op =523K w funkcji natenia pola magnetycznego H αfe warunkuje równie stosunkowo du magnetostrykcj. Przyczynek do magnetostrykcji pochodzcy od fazy krystalicznej moe by zbyt mały, aby nastpiła kompensacja wkładu wnoszonego przez amorficzn osnow [9]. Celem uzyskania wyszego stopnia

6 536 D. Szewieczek, S. Lesz skrystalizowania fazy amorficznej badanych stopów w temperaturach przyjtych za optymalne naleałoby wygrza tamy w czasie innym anieli standardowo stosowany 1 godziny. 4. PODSUMOWANIE W wyniku zastosowanej obróbki cieplnej badanego stopu zmieniła si jego struktura i własnoci magnetyczne w porównaniu do stanu wyjciowego as quenched. W badanym stopie istnieje moliwo poprawy (optymalizacji) własnoci magnetycznych przez zastosowanie obróbki cieplnej. Wygrzewanie stopu w temperaturze optymalnej T op =523 K powoduje niewielki wzrost udziału objtociowego fazy αfe w strukturze stopu tj. z 4,6% do 5,9%, jednak pozwala uzyska korzystniejsze własnoci magnetycznie mikkie (µ i =957, H c =56,9 A/m, µ max =52200) w porównaniu ze stanem wyjciowym (µ i =401, H c =87,5 A/m) badanego stopu. BIBLIOGRAFIA 1. A. Makino, T. Hatanai, A. Inoue, T. Masumoto: Mater. Sci. Eng. A (1997) I. Škorvánek, C. G. Kim, K. Ková, P. Švec, R. Sato-Turtelli: J. of Magn. and Magn. Mater (2000) J. Hesse, A. Rübartsch: J. Phys. E 7 (1974) Kwapuliski, J. Rasek, Z. Stokłosa, G. Haneczok: 9-th Int. Sci. Conf. AMME 2000, Gliwice-Sopot-Gdask (2000) P. Kwapuliski, J. Rasek, Z. Stokłosa, G. Haneczok: J. of Magn. & Magn. Mater. 234 (2001) D. Szewieczek, S. Lesz: Proc. of the 10 th Jubilee Int. Sci. Conf. AMME 2001 (2001) J. Rasek: Wybrane zjawiska dyfuzyjne w metalach krystalicznych i amorficznych, WU, Katowice (2000). 8. A. Makino, T. Bitoh, J. T. Murakami, T. Hatanai, A. Inoue, T. Masumoto: J. De Physique IV, 8,(1998) R. Grössinger R. Sato Turtelli: IEEE Trans. On Magn., 30 2 (1994) 455.