24/42 Solidification of Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Meta li i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN- Katowice, PL ISSN 0208-9386 WPŁ YW OBRÓBKI LASEROWEJ NA MIKROSTRUKTURĘ I WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE STOPU AMORFICZNEGO FeSiB Anna SYPIEŃ, Jan KUSIŃSKI Wydział Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków l. STRESZCZENIE W pracy prezentowane są wyniki eksperymentalnych badań wpływu obróbki laserowej na mikrostrukturę, proces krystalizacji i własności magnetyczne amorficznych taśm Fe 80 Si 9 B 11. Dla zrozumienia zmian morfologicznych zastosowano mikroskop skaningowy i transmisyjny mikroskop elektronowy. 2. WSTĘP Stopy amorficzne Fe-Si-B wykazują duże zainteresowanie techniczne z uwagi na ich zastosowanie na płytki transformatorów i generatorów. Wiele badal1 wskazuje, że właściwa obróbka cieplna tych stopów poprawia ich przenikalność magnetyczną oraz siłę koercji. Podstawowym problemem pojawiającym się w czasie wyżarzania stopów amorficznych (szkieł metalicznych) jest ich duża kruchość, która występuje tuż przed lub przy temperaturze przejścia w stan krystaliczny[!]. Proces przemiany metalu ze stanu szklistego w stan krystaliczny obejmuje cały szereg procesów przygotowawczych, jak i właściwy proces krystalizacji. Ze wzrostem temperatury można zaobserwować początkowo wzrost stopnia i zasięgu uporządkowania, następnie powstawanie zarodków krystalizacji, ich rozrost kosztem materiału amorficznego, powstanie granic ziaren i całkowity zanik metastabilnej struktury szkła. Początkowo mogą tworzyć się metastabilne fazy krystaliczne, które następnie przechodzą w układy coraz bardziej zbliżone do stanu równowagi, aż do osiągnięcia struktur stabilnych [2]. Dotychczas brak jest jednoznacznych informacji dotyczących wyjaśnienia zmian strukturalnych zachodzących w stopach amorficznych w czasie wyżarzania, którym towarzyszą z jednej strony korzystne zmiany własności magnetycznych
218 i elektrycznych, a z drugiej duża kruchość stopu. Wysoka kruchość powoduje znaczne ograniczenia przy potencjalnym stosowaniu takich (drobnokrystalicznych) stopów Fe-Si-B. Kruchość wyżarzania szkieł metalicznych może być również powodowana przez pierwsze stadia procesu krystalizacji. Na przestrzeni ostatnich lat opracowanych zostało kilka modeli procesu odkształcenia materiałów amorficznych [3-5]. Najbardziej prawdopodobnym jest model uwzględniający zmiany objętości właściwej stopu, tzn. uwolnienie tzw. nadmiarowej objętości właściwej. Za nadwymiarową objętość właściwą uważa się różnicę objętości właściwej stanu amorficznego i stanu krystalicznego o tym samym składzie chemicznym [3]. Szkła metaliczne podczas chłodzenia ze stanu ciekłego zachowują się inaczej niż materiały krystaliczne. Podczas obniżenia temperatury lepkość szkieł metalicznych rośnie w sposób ciągły; szkła nie mają ściśle określonej temperatury, w której przechodzą ze stanu ciekłego w stan stały tak, jak to się dzieje w przypadku materiałów krystalicznych. Na przykład materiały krystaliczne doznają w temperaturze krystalizacji (Ti) nieciągłej zmiany objętości (zwykle od l do 6%), natomiast szkła w miarę obniżania temperatury zmniejszają swoją objętość w sposób ciągły. Jedynie w temperaturze zwanej temperaturą zeszklenia lub temperaturą przejścia w stan szklisty (T g) występuje niewielka zmiana pochylenia krzywej zależności objętości od temperatury (Rys. l). Poniżej T g materiał jest szkłem, między T g i T 1 przechłodzoną cieczą a powyżej T 1 cieczą. Ciecz prze chłodzona ciecz S zkło Krystalizacja."".."". """"..._.""..""..,. Krystalicząe ciało stałe Tg Tt Ternneratura Rys. l. Zmiana objętości materiału krystalicznego i niekrystalicznego przy zmianie temperatury. W przypadku materiału niekrystalicznego ważna jest temperatura przejścia w stan szklisty (T g). [6]
219 W oparciu o analizę literatury i dotychczasowe własne doświadczenie można wnioskować, że zastosowanie punktowego laserowego nagrzewania powierzchni taśm amorficznych pozwoli na krystalizację określonych obszarów (wysp) regularnie rozmieszczonych, w pozostałej w stanie amorficznym, reszcie materiału stanowiącej ciągliwą sieć. Należy zatem przypuszczać, że po takiej obróbce cieplnej nastąpi poprawa własności magnetycznych tj. przenikalności magnetycznej oraz koercji [7] z zachowaniem relatywnie dobrej ciągliwości stopu. a 7. X b T m - temperatura topnienia To- temperatura otoczenia Rys 2. Schemat pokazujący: a) rozkład energii w wiązce promieniowania laserowego, b) rozkład temperatury na powierzchni próbki
220 3. METODYKA BADAŃ Przedmiotem badal'l był amorficzny stop Fe 78 Si 9 B 13 wytworzony metodą "melt- spining" przez Allied SignaJ Corp, New Jersey. Próbki były dostarczone w formie odlanej taśmy o szerokości 2 mm i 70 )J.m grubości. Zastosowana metoda rafinacji domen magnetycznych polegała na wprowadzeniu w blachę krzemową naprężet'j rozciągających (stycznych do jej powierzchni) przy pomocy impulsowego laserowego promieniowania lasera rubinowego LMA 10. Badan i a struktury po laserowej obróbce przeprowadzono za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego, mikroskopu skaningowego HIT ACHI S- 3500N. Natomiast identyfikację faz przeprowadzono za pomocą rentgenowskiej analizy fazowej oraz znajdując rozwiązanie dyfrakcyjne obrazów. Rys. 3. Mikrofotografia pokazująca w powiększeniu miejsca nagrzane na powierzchni cienkiej folii po obróbce laserowej.
221 Rys.4. Mikrofotografia SEM pokazująca a) strefę przetopioną (zaznaczoną jako "a" na rys.3 Rys.5. Mikrofotografia SEM pokazująca część obszaru leżącego na granicy strefy wpływu ciepła i osnowy ( zaznaczonąjako "b" na rys.3)
222 Rys.6. Mikrofotografia TEM pokazująca strukturę amorficzną zaznaczoną na rys.3. jako "c" 50 IJnl Rys. 7. MikrofotografiaTEMpokazująca mikrostrukturę strefy przetopionej
223 4. WYNIKI BADAŃ I ICH DYSKUSJA Na rysunku 2 pokazano schematy rozkładu energu w wiązce lasera i temperatury na powierzchni nagrzewanej folii. Mikrostruktura po laserowej obróbce zmienia się w zależności od temperatury osiągniętej podczas nagrzewania. Rysunek 3 pokazuje miejsca na cienkiej folii (zaznaczone jako (a,b,c), które były badane za pomocą SEM i TEM. Na rysunku 6 przedstawiono mikrostrukturę i obraz dyfrakcyjny strefy amorficznej (obszar "c" na rys.3). Natomiast mikrostrukturę strefy przetopionej laserowo (a) pokazano na rysunku 4. Struktura ta charakteryzuje się ziarnami o średnicy około 5 )lm złożonymi z podziaren o rozmiarach mniejszych niż 0,5 Jlm. Rysunki 7 i 8 są obrazami z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiającymi strukturę strefy przetopionej. Badana struktura ukazuje włóknistą eutektykę złożoną z fazy a(fesi) i Fe 2 B o orientacji krystalograficznej włókien bliskiej <111> (Rys.9). Na rysunku 5 przedstawiono mikrostrukturę strefy wpływu ciepła (obszar "b" z rys.3) zmieniającą się w zależności od temperatury osiągniętej podczas nagrzewania. W obszarze blisko granicy ze strefą przetopioną materiał amorficzny jest całkowicie skrystalizowany. Obszar skrystalizowanego materiału zmniejsza się wraz z odległością od strefy przetopionej. Na rys.9 pokazano jasne i ciemne pole wraz z dyfrakcją i jej rozwiązaniem, które potwierdza obecność fazy krystalicznej w osnowie amorficznej. Na rysunku 10 przedstawiono wyniki z rentgenowskiej analizy fazowej strefy amorficznej (a) i strefy przetopionej (b) stopu Fe 80 Si 11 B 9. Przeprowadzone badania magnetyczne (zmian koercji He) wykazały, że taka obróbka laserowa pozwala zwiększyć siłę koercji materiału magnetycznego co jest pożądanym efektem. Rys.8. Mikrofotografia TEM pokazująca mikrostrukturę strefy wpływu ciepła a) jasne pole z dyfrakcją, b) ciemne pole
224 c Rys.9. Mikrofotografia TEM stopu Fe 80 Si 11 B 9 eo~azując~ a) jasne pole, b) dyfrakcje, c) rozwiązanie dyfrakcji, FezB [l l l] II [111] a FeSi
225 1750 1500 a 1250 1000 750 (.) en o 500 t:: ~?<;ll en t:: Q)... t:: 1750. 1500 1250 1000. - b a- (110) 750 500?<;ll 20, 40, 60,0 80,0 100,0 28 Rys. lo.. Dyfraktogram stopu Fe 80 Si11B 9 : a) materiał amorficzny, b) materiał po nagrzaniu Jaserowym 5. PODSUMOW ANIE Badania pokazują, że przy właściwym doborze energii promieniowania laserowego i rozogniskowaniu wiązki jest możliwe otrzymanie obszarów (wysepek) skrystalizowanego materiału wbudowanych w amorficzną matrycę. Skrystalizowane obszary złożone są z dwóch faz cx(fesi) i Fe 2 B. Może to dowodzić poprawy własności magnetycznych, które są gorsze w tych materialach amorficznych. 6. PODZIĘKOW ANIA Praca została wykonana a ramach umowy l 0.10. 11 0.125.
226 7. LITERA TURA l. Leonowicz M. : Nanokrystaliczne Materiały Magnetyczne, WNT Warszawa, 1998. 2. R. Zallen, Fizyka ciał amorficznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994. 3. A.S. Argon, Acta Metali. 27,47,1979. 4. J.C.M. Li in Chemistry and Physics of Rapidly Solidified Metais (eds, B.J. Berkowitz and R.O. Scattergood, AIME, Wan endale, Pa, 1983. 5. F. Spaepen, Acta Metali. 254. 40, 1977. 6. M. Blicharski, Wstęp do inżynierii materiałowej, Warszawa, 1998. 7. H.J. Guntherodt and H. Beck eds., Glassy Metais I, vol. 46, Springer- Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981.