AMME 2003 12th Ferromagnetyczne kompozytowe rdzenie nanokrystaliczne R. Nowosielski a, S. Griner a, I. Wnuk b, P. Sakiewicz a, P. Gramatyka a a Zakład Materiałów Funkcjonalnych, Nanokrystalicznych i Zrównowaonych Technologii Proekologicznych, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice b Instytut Fizyki, Wydział Inynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej, Politechnika Czstochowska, Al. Armii Krajowej 19, 42-200 Czstochowa W pracy przedstawiono niektóre wyniki bada dotyczce opracowania materiału kompozytowego o regulowanych właciwociach ferromagnetycznych, opartego na kompozycji silikonowej osnowy i nanokrystalicznych proszków Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9. Okrelono wpływ wielkoci czstek proszku oraz jego udział masowy w osnowie na właciwoci kompozytu. 1. WPROWADZENIE Nanokrystaliczne stopy na osnowie elaza, otrzymywane na drodze kontrolowanej krystalizacji szkieł metalicznych, charakteryzuj si dobrymi właciwociami magnetycznymi, jednak wad jest ich znaczna krucho utrudniajca ich praktyczne zastosowanie [1, 2]. Wykorzystujc procesy technologiczne, takie jak wysokoenergetyczne mielenie uzyskuje si proszki stopów magnetycznych [3, 4], które przez rónego rodzaju konsolidacj mona dowolnie kształtowa w okrelone wyroby znajdujce szerokie zastosowanie m.in. w elektronice i elektrotechnice. Metastabilny charakter materiałów nanokrystalicznych w pewnym stopniu ogranicza stosowanie technik spajania proszków wykorzystujcych działanie wysokiej temperatury np. spiekania, czy prasowania na gorco. Nastpujcy w podwyszonej temperaturze wzrost ziaren prowadzi do utraty własnoci magnetycznych charakterystycznych dla tych materiałów. Dlatego te do najczstszych metod spajania proszków zalicza si wizanie materiałem polimerowym, termo lub chemoutwardzalnym [5]. Wytworzone w ten sposób proszkowe rdzenie magnetyczne charakteryzuj si m.in. du stabilnoci czasow, moliwoci zmiany wartoci współczynnika temperaturowego przenikalnoci materiału poprzez odpowiedni dobór materiału ferromagnetycznego oraz moliwoci regulowania właciwoci magnetycznych rdzenia przez zmian wielkoci czstek, materiału magnetycznego i polimerowej osnowy [6]. Wielko czstek proszku dobiera si majc głównie na uwadze zakres czstotliwoci pracy (straty na prdy wirowe rosn z kwadratem czstotliwoci), jak równie warto Cz bada została sfinansowana w ramach projektu KBN Nr PBZ/KBN-013/T08/46
670 R. Nowosielski, S. Griner, I. Wnuk, P. Sakiewicz, P. Gramatyka przenikalnoci magnetycznej (w przypadku małych czstek wystpuje wewntrzne odmagnesowanie) [7]. Celem niniejszej pracy jest okrelenie właciwoci magnetycznych wytworzonych kompozytów, w zalenoci od wielkoci czstek nanokrystalicznego proszku Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 oraz ich udziału objtociowego w silikonowej osnowie. 2. PRZEBIEG BADA Do bada wykorzystano amorficzne tamy szkła metalicznego Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 o gruboci 0,029 mm i szerokoci 9 mm, otrzymane metod cigłego odlewania stopu na powierzchni wirujcego walca. W celu uzyskania struktury nanokrystalicznej, stop Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 poddano wygrzewaniu izotermicznemu w temperaturze 823 K 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 młynku typu sheaker (8000 SPEX CertiPrep Mixer/Mill). Otrzymany w ten sposób proszek rozdzielono na sitach na trzy frakcje: drobne 25 75 m, rednie 300 500 m oraz due czstki 750 1200 m, które posłuyły do wykonania kompozytów. Jako rodek wicy wykorzystano dwuskładnikow mas silikonow Dublisil 20 wyprodukowan przez Dreve-Dentamid GMBH. Komponenty po zmieszaniu i umieszczeniu w formie poddano zagszczaniu na wibratorze elektromechanicznym. W wyniku tego procesu uzyskano toroidalne rdzenie o rednicy zewntrznej 34 mm, wewntrznej 28 mm i wysokoci 8,0 mm o nastpujcych udziałach masowych proszku: 85, 80 i 75 %. Zmiany struktury towarzyszce nanokrystalizacji termicznej oraz mechanicznej, badano na dyfraktometrze rentgenowskim XRD 7 firmy SEIFERT-FPM z zastosowaniem lampy o anodzie miedziowej oraz w transmisyjnym mikroskopie elektronowym Tesla BS 540. Cienkie folie z 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 właciwoci magnetycznych (ptle histerezy) proszków oraz uzyskanych kompozytów przeprowadzono na magnetometrze wibracyjnym VSM firmy Lake Shore Cryotronics Inc., natomiast pomiar przenikalnoci magnetycznej w funkcji indukcji magnetycznej i natenia pola wykonano przy uyciu systemu pomiarowego FERROMETR. 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Badania rentgenowskie pokazały, e struktura szkła metalicznego 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. 1). Po procesie wysokoenergetycznego mielenia obrobionej cieplnie tamy na dyfraktogramie materiału proszkowego (rys. 1) zaobserwowano nanokrystalizacj amorficznej osnowy, o czym
Ferromagnetyczne kompozytowe rdzenie nanokrystaliczne 671 wiadcz wski i wysoki pik (110) od fazy α-fe o duej intensywnoci dla kta 2θ = 52,8 oraz piki (200) i (211) pochodzce równie 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 temperaturze 823 K przez 1 godzin, a nastpnie rozdrobnieniu materiału w procesie wysokoenergetycznego mielenia zaobserwowano powstanie nanokrystalicznej struktury składajcej si z licznych sferycznych nanokryształów α-fe w osnowie amorficznej (rys. 2). W oparciu o metod Scherrera, wyznaczono redni wielko krystalitów α-fe w otrzymanym proszku, która wynosi 20 nm. (110) A - as quen ched B - 823 K + m ielenie Intensywno (200) (211) B A 20 40 60 80 100 120 2θ Rys.1. Dyfraktogramy rentgenowskiej analizy fazowej stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 Rys.2. Struktura oraz dyfraktogram proszku Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9, TEM Obserwacje w elektronowym mikroskopie skaningowym materiału proszkowego, rozdzielonego uprzednio na trzy frakcje, wykazały wyra ne rónice w wielkoci i kształcie czstek proszku (rys. 3). A) B) C) Rys.3. Zdjcia SEM proszku Finemet rozdzielonego na sitach na frakcje: A) 750 1200 m, B) 300 500 m, C) 25 75 m. Najwiksze czstki proszku badane w eksperymencie maj kształt wydłuonych płatków oraz płytek o ostrych krawdziach, których grubo jest znacznie mniejsza od wymiarów w
672 R. Nowosielski, S. Griner, I. Wnuk, P. Sakiewicz, P. Gramatyka dwóch pozostałych kierunkach. Proszki o czstkach 25 75 m charakteryzuj si bardzo zrónicowanym kształtem - od nieregularnych czstek po sferyczne o gładkiej powierzchni. Badania właciwoci magnetycznych proszków Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13, 5B 9 oraz uzyskanych kompozytów, analizowano na podstawie charakterystyk ptli histerezy (rys. 4). Porównanie własnoci proszków o rónych frakcjach (tablica 1) wskazuje, e najkorzystniejsze wartoci uzyskuje materiał o duych czstkach. Natenie pola koercji oraz indukcja nasycenia wynosi H C = 13,75 [A/m], B S = 1,21 [T], natomiast materiał o czstkach z przedziału 25 75 m charakteryzuj si koercj H C = 163,2 [A/m] oraz indukcj maksymaln B S = 0,64 [T]. Pomiary przenikalnoci magnetycznej równie wskazuj na lepsze własnoci proszków płatkowych (tablica 1). Warto przenikalnoci maksymalnej przy nateniu pola magnetycznego H = 3 [ka/m] dla proszków o duych i rednich czstkach wynosi odpowiednio µ max = 175 i µ max = 143. Tablica 1 Własnoci magnetyczne proszków Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 B Wielko czstek proszku [m] S Br [T] [T] Hc [A/m] H max [ka/m] µ max przy H=3 [ka/m] 750 1200 1,21 0,0070 13,75 800 175 300 500 1,06 0,0061 115,3 800 143 25 75 0,64 0,0038 163,2 800 74 Analiza własnoci magnetycznych wytworzonych rdzeni (tablica 2) pozwala stwierdzi, e kompozyty zbrojone czstkami o frakcji 750 1200 m charakteryzuj si du indukcj nasycenia oraz nateniem pola koercji porównywalnym z niezestalonymi proszkami. W zalenoci od udziału wagowego spoiwa indukcja wynosi od 1,09 do 0,98 [T], natomiast koercja 83,2 110,8 [A/m] (rys. 5). B [T] 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00-800 -600-400 -200 0 20 0 400 600 80 0-0,25-0,50-0,75-1,00-1,25 H [ka/m] proszek 750-1200 µm proszek 300-500 µ m proszek 25-75 µm Rys.4. Ptle histerezy magnetycznej proszków wykorzystanych do zbrojenia kompozytu natenie pola koercji H C [A/m] 300 250 200 150 100 silikon + proszek 750-1200 µ m silikon + proszek 300-500 µ m silikon + proszek 25-75 µ m 75 80 85 udział masowy proszku [%] Rys.5. Wpływ udziału masowego proszku na natenie pola koercji kompozytów
Ferromagnetyczne kompozytowe rdzenie nanokrystaliczne 673 Tablica 2 Własnoci magnetyczne wytworzonych kompozytów Charakterystyka kompozytów Wielko czstek proszku [m] 750 1200 300 500 25 75 Udział masowy proszku [%] B S [T] Br [T] Hc [A/m] H max [ka/m] µ max przy H=3 [ka/m] 85 1,09 0,0058 110,8 800 123 80 1,02 0,0053 98,7 800 114 75 0,98 0,0052 83,2 800 98 85 0,87 0,0054 194,1 800 106 80 0,82 0,0052 168,5 800 85 75 0,81 0,0052 164,2 800 70 85 0,55 0,0032 238,1 800 38 80 0,51 0,0032 232,7 800 36 75 0,43 0,0028 261,3 800 27 Kompozyty wytworzone z drobnych czstek proszku charakteryzuj si znacznie mniejsz ni pozostałe rdzenie, indukcj nasycenia B S = 0,43 0,55 [T] oraz remanencj, której warto wynosi B r = 0,0028 0,0032 [T] (rys. 6). Ponadto zaobserwowano zwikszenie wartoci natenia pola koercji, która osiga warto w przedziale od 232,7 do 261,3 [A/m]. Zwikszenie udziału ferromagnetycznych czstek w osnowie silikonu prowadzi do uzyskania we wszystkich próbkach wikszych wartoci przenikalnoci. Najkorzystniejsz warto przenikalnoci magnetycznej maksymalnej przy nateniu pola H = 3 [ka/m] uzyskano dla kompozytu zbrojonego najwikszymi czstkami proszku oraz o najmniejszym udziale masowym silikonu i wynosiła µ max = 123 (rys. 7). indukcja nasycenia B S [T] 1,4 silikon + proszek 750-1200 µ m 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 silikon + proszek 300-500 µ m silikon + proszek 25-75 µ m 75 80 85 udział masowy proszku [%] Rys.6. Wpływ udziału masowego proszku na indukcj nasycenia kompozytów przenikalno magnetyczna µ 160 140 120 100 80 60 40 20 silikon + proszek 750-1200 µ m silikon + proszek 300-500 µ m silikon + proszek 25-75 µ m 75 80 85 udział masowy proszku [%] Rys.7. Wpływ udziału masowego proszku na przenikalno magnetyczn przy H=3 [ka/m] Kompozyt zbrojony drobnymi czstkami proszku, który zawierał najmniejszy udział materiału magnetycznie mikkiego charakteryzuje si przenikalnoci magnetyczn maksymaln µ max = 27 mierzon przy nateniu pola H = 3 [ka/m].
674 R. Nowosielski, S. Griner, I. Wnuk, P. Sakiewicz, P. Gramatyka 4. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki bada wskazuj, e moliwe jest opracowania materiału kompozytowego o regulowanych właciwociach ferromagnetycznych i elastycznych, opartego na kompozycji sprystej silikonowej osnowy i nanokrystalicznych proszków Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9. Regulacj tak mona prowadzi poprzez odpowiedni dobór czstek proszku oraz jego udział w kompozycie. Uzyskiwane w ten sposób róne wartoci własnoci magnetycznych prowadz do moliwoci zastosowania kompozytowych rdzeni magnetycznych w szerokim zakresie czstotliwoci prdu. Zaobserwowano, e kształt i wielko proszku w duej mierze decyduje o właciwociach magnetycznych rozdrobnionego stopu. Drobniejsze czstki materiału proszkowego powoduj pogorszenie własnoci, co wie si z procesem odmagnesowania. Zastosowanie masy silikonowej jako materiału zestalajcego proszek wie si z wprowadzeniem nowego, niemagnetycznego składnika. Zwikszenie udziału masowego silikonu prowadzi do wyra nego obnienia remanencji materiału, oraz w przypadku proszków płatkowych do nieznacznej poprawy natenia pola koercji, co moe wynika z lepszej izolacji magnetycznej czstek. Najlepsze właciwoci magnetycznie mikkie wykazuje rdze uzyskany z proszku o frakcji 750 1200 m i udziale wagowym proszku Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 85%. Kompozyt ten, charakteryzuje si du indukcj nasycenia B S = 1,09 [T], nateniem pola koercji porównywalnym z lu nym proszkiem H C = 83,2 [A/m] oraz przenikalnoci magnetyczn maksymaln µ max = 123 mierzon przy nateniu pola H = 3 [ka/m]. LITERATURA 1. R. Nowosielski, S. Griner, P. Gramatyka, J. Konieczny, L.A. Dobrzaski: Minimalizacja czasu wytwarzania proszkowego materiału nanokrystalicznego ze szkła metalicznego Fe- Si-B, Proc. 10th Intern. Sci. Conf. AMME 01, Gliwice 2001, s.373 2. R. Nowosielski, S. Griner, P. Gramatyka, J. Konieczny, L.A. Dobrzaski: Przemiany zachodzce podczas kombinowanej nanokrystalizacji termiczno mechanicznej szkła metalicznego Fe-Si-B, Proc. 10 th Intern. Sci. Conf. AMME 01, Gliwice 2001, s.379 3. R. Nowosielski, S. Griner, P. Gramatyka: Badania struktury i własnoci magnetycznych stopu Fe 73,5 Cu 1 Nb 3 Si 13,5 B 9 w postaci proszku, Proc. 11 th Intern. Sci. Conf. AMME 02, Gliwice 2002 4. R. Nowosielski, S. Griner, P. Gramatyka: Wpływ procesów nanokrystalizacji szkieł metalicznych typu FeCuNbSiB na własnoci magnetyczne, Archiwum Nauki o Materiałach, (w druku) 5. F. Mazaleyrat, L.K. Varga: J. of Magn. & Magn. Mater. 215-216 (2000) 253 6. M. Soiski: Materiały magnetyczne w technice, Biblioteka COSiW SEP, Warszawa 2000 7. R. Lebourgeois, S. Berenguer, C. Ramiarinjaona, T. Waeckerl: J. of Magn. & Magn. Mater. 254-255 (2003) 191