varianta scurta
TRANSCRIPT
Obținerea și caracterizarea aliajelor amorfe de tipul Fe75Si20-xB5Mx
(M = Ti, Ta, Zr; x = 0, 2.5, 5)
Conducător științific Masterand
S.L.dr.ing. Bogdan Viorel NEAMȚU Ing. Horea-Florin CHICINAȘ
OBIECTIVE
Schema de funcționare a unei mori planetare
Schema de funcționare a unei instalații de răcire rapidă
• Obținerea aliajelor amorfe de tipul Fe75Si20-xB5M5 (M= Ti, Ta sau Zr și x = 0, 2.5 sau 5) • Aliere mecanică • Răcire rapidă
STADIU ACTUAL
Principalele clase de materiale magnetice moi
Temperatura (°C)
Mom
ent m
agne
tic
H. Okumura et. all, J. Magn. Magn. Mater. 267 (2003) 347–356.
P. Kollar et. all, J. Magn. Magn. Mater., 215-216 (2000) 560-562.
Difractograma corespunzătoare aliajului FINEMET supus tratamentului termic.
Detaliu asupra celor două maxime caracteristice superstructurii DO3
Curbe termomagnetice înregistrate la diferite durate de măcinare
Fe75Si20-xB5MxM = Ti M = Ta M = Zr
X = 0 x x x
X= 2.5 x x x
X = 5 x x x
Aliere mecanică
BPR – 16:1
Grad de umplere – 60%
Atmosferă de măcinare – Ar
Turație – 350 rpm
Mediu de măcinare – umed (benzen – C6H6)
Răcire rapidă (IFT Iași)
Atmosferă de lucru - Ar
Disc răcire - Cu
Viteză disc – 25 si 32 m/s
Dimensiune orificiu duză – 200 μm
Distanța duză – disc – 200 μm
METODICA EXPERIMENTALĂ
Caracterizarea aliajelor
• Caracterizarea structurală (UTCN) : Difracție de raze X (DRX) – (2 theta = 20 – 110 °; λ = 1.788965 Å)
• Caracterizarea morfologică și compozițională (UTCN)Distribuții granulometriceMicroscopie electronică de baleiaj (SEM)Microanaliză chimică de raze X (EDX)
• Stabilitatea termică (UTCN) :Analize calorimetrice diferențiale (DSC) – (20 – 900 °C; 20 °C/min; flux de Ar)Analize termogravimetrice (TG) – (20 – 700 °C; 20 °C/min; flux de H2)
• Proprietăți magnetice (CNRS Grenoble, stagiu de măsurători)Măsuratori de magnetizare - M=f(H) – ( 0 – 7 T, 300 K)Măsuratori termomagnetice - M=f(T) (20 – 900 °C; 10 °C/min; Ar)
METODICA EXPERIMENTALĂ
OBȚINEREA ALIAJELOR AMORFE PRIN ALIERE MECANICĂ UMEDĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII Pulberi amorfe
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
40 h
20 h
10 h
5 h
2 h
SS
2theta ()
Inte
nsi
tate
(u.a
.)
Si
60 h
FeFe75
Si20
B5
Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 măcinat până la 60 de ore.
Aliaj Referință - Fe75Si20B5
CARACTERIZARE STRUCTURALĂ ȘI COMPOZIȚIONALĂ
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
REZULTATE ȘI DISCUȚII Pulberi amorfe
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
40 h
20 h
10 h
5 h
2 h
SS
2theta ()
Inte
nsi
tate
(u.a
.)
Si
60 h
FeFe75
Si20
B5
Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 măcinat până la 60 de ore.
Aliaj Referință - Fe75Si20B5
CARACTERIZARE STRUCTURALĂ ȘI COMPOZIȚIONALĂ
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
AMORF DUPĂ 20 h DE ALIERE MECANICĂ UMEDĂ
Pulberi amorfe
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
40 h
20 h
10 h
5 h
2 h
SS
2theta ()
Inte
nsita
te (
u.a.
)
Si
60 h
FeFe75
Si20
B5
CRISTALIZAREA INDUSĂ MECANIC
FORMAREA BORURILOR
Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 măcinat până la 60 de ore.
Deconvoluția maximelor de difracție pentru aliajul ternar Fe75Si20B5 măcinat 60 de ore.
CARACTERIZARE STRUCTURALĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Fe3Si
Fe2B
2theta ()
Inte
nsi
tate
(u.a
.)
Fe75
Si20
B5
Difractograma corespunzătoare aliajului Fe75Si20B5 amorf supus
tratamentului termic B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfe
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
40 h
20 h
10 h
5 h
2 h
SS
2theta ()
Inte
nsita
te (
u.a.
) 60 h
Fe75
Si15
B5Ti
5
SiTiFe
Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si15B5Ti5 măcinat până la 60 de ore.
CARACTERIZARE STRUCTURALĂ
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Si
Ta
60 h
40 h
20 h
10 h
5 h
2 h
Inte
nsita
te (
u.a.
)
2theta ()
SS
FeFe75
Si15
B5Ta
5
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Inte
nsita
te (
u.a.
)
2theta ()
SS
2 h
5 h
10 h
20 h
40 h
60 h
Fe75
Si15
B5Zr
5
Si
ZrFe
Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si15B5Ta5 măcinat până la 60 de ore.
Difractogramele corespunzătoare aliajului Fe75Si15B5Zr5 măcinat până la 60 de ore.
Fe75Si15B5Ti5Fe75Si15B5Ta5 Fe75Si15B5Zr5
ALIAJELE CUATERNARE AMORFIZEAZĂ LA DURATE MAI MARI DE PROCESARE
REZULTATE ȘI DISCUȚII
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfeCARACTERIZAREA MORFOLOGICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfe
1. Detensionare2. Tx – Cristalizarea aliajului3. TC – Fe3Si
Curba DSC la încălzire înregistrată pe proba amorfă de Fe75Si20B5 obținută prin
aliere mecanică umedă. Proba a fost încălzită cu 20 °C/min sub atmosferă de
argon.
B.V. Neamţu et al. J. Alloys Compd., 600 (2014) 1–7.
J. Füzer et al. J Magn. Magn. Mater, 316 (2007) e834-e837.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pulberi amorfe
540 °C
485 °C
în intervalul de temperatură 100 – 250 °Care loc detensionarea probelor
Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la : 485 °C – Fe75Si20B5
540 °C – Fe75Si15B5Ti5
Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si
sau Ti) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20
°C/min sub atmosferă de argon.
STABILITATEA TERMICĂ
H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)
REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pulberi amorfe
485 °C
540 °C
590 °C
în intervalul de temperatură 100 – 250 °Care loc detensionarea probelor
Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la : 485 °C – Fe75Si20B5
540 °C – Fe75Si15B5Ti5
590 °C – Fe75Si15B5Ta5
Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,
Ti sau Ta) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20
°C/min sub atmosferă de argon.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfe
485 °C
540 °C
590 °C
600 °C
în intervalul de temperatură 100 – 250 °Care loc detensionarea probelor
Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la : 485 °C – Fe75Si20B5
540 °C – Fe75Si15B5Ti5
590 °C – Fe75Si15B5Ta5
600 °C – Fe75Si15B5Zr5
Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,
Ti, Ta sau Zr) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20
°C/min sub atmosferă de argon.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfe
485 °C
540 °C590 °C
600 °C
Curba DSC încălzire/răcire înregistrată pe proba amorfă de Fe75Si15B5Zr5 în
intevalul de temperatură 480 – 690 °C, obținută prin aliere mecanică umedă.
Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,
Ti, Ta sau Zr) obținute prin aliere mecanică umedă.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
ΔTX – INTERVAL OPTIM DE TEMPERATURĂ
PENTRU SINTERIZARE ÎN PLASMĂ
H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfe
485 °C
540 °C
590 °C
600 °C
Cristalizarea aliajelor amorfe are loc la: 485 °C – Fe75Si20B5
540 °C – Fe75Si15B5Ti5
590 °C – Fe75Si15B5Ta5
600 °C – Fe75Si15B5Zr5
De ce?Curbele DSC la încălzire înregistrate pe probele amorfe de Fe75Si15B5M5 (M=Si,
Ti, Ta sau Zr) obținute prin aliere mecanică umedă. Probele au fost încălzite cu 20
°C/min sub atmosferă de argon.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
H.F. Chicinaş et al. Adv. Eng. Forum 13 (2015) 54–58.B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş et al. Powder Technology (under review)
Pulberi amorfe
reprezentare schematică - structura amorfă
Relația dintre temperatura de cristalizare a aliajelor amorfe și valorile razelor
atomice, legătură de valenței și configurația electronică pentru aliajele cuaternare
Fe75Si15B5M5 (M=Ti, Ta sau Zr)M.D. Dolan et al. J. Membr. Sci. 285 (2006) 30–55.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pulberi amorfe
reprezentare schematică - structura amorfă
Relația dintre temperatura de cristalizare a aliajelor amorfe și valorile razelor
atomice, legătură de valenței și configurația electronică pentru aliajele cuaternare
Fe75Si15B5M5 (M=Ti, Ta sau Zr)M.D. Dolan et al. J. Membr. Sci. 285 (2006) 30–55.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pulberi amorfe
reprezentare schematică - structura amorfă
Relația dintre temperatura de cristalizare a aliajelor amorfe și valorile razelor
atomice, legătură de valenței și configurația electronică pentru aliajele cuaternare
Fe75Si15B5M5 (M=Ti, Ta sau Zr)M.D. Dolan et al. J. Membr. Sci. 285 (2006) 30–55.
STABILITATEA TERMICĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pulberi amorfe
0 10 20 30 40 50 60
90
120
150
180
Ms (A
m2 /k
g)
Durata de macinare (h)
Fe75
Si15
B5Ta
5
Fe75
Si15
B5Zr
5
Fe75
Si15
B5Ti
5
Fe75
Si20
B5
1.5 μB/atom de Fe (aliaj amorf)
1.56 μB/atom de Fe (aliaj amorf)
1.3 μB/atom de Fe (aliaj amorf)
1.37 μB/atom de Fe (aliaj amorf)
Variația valorii magnetizării la saturație a aliajelor cuaternare și a aliajului de
referință în funcție de durata de măcinare.
PROPRIETĂȚI MAGNETICE – M = f(H) DIZOLVAREA METALOIZILOR Si, B ȘI C DIMINUEAZĂ INTERACȚIUNEA MAGNETICĂ
.
C. Chacon et al. J. Appl. Phys. 89 (2001) 71–75.
O. Isnard et al. J. Alloys Comp. 205 (1994) 1–15
REZULTATE ȘI DISCUȚII
Pulberi amorfe
analiza termomagnetică realizată pe proba
amorfă de referință încălzită până la 900 °C
Difractograma corespunzătoare probei
Fe75Si20B5 încălzite până la 900 °C
PROPRIETĂȚI MAGNETICE – M = f(T)
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
M = Zr
M = Ta
TiB
Fe2B
FeTi
- Fe(Si)Fe
3Si
Fe3B
0.7C
0.3
TaC
Fe3B
ZrB
M = Ti
Inte
nsita
te (
u.a.
)
2theta ()
În cazul substituțiilor cristalizează și alte faze:FeTi, TiB, TaC, ZrB si Fe2B0.7C0.3
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Fe3Si
Fe2B
2theta ()
Inte
nsi
tate
(u.a
.)
Fe75
Si20
B5
REZULTATE ȘI DISCUȚII
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
200 300 400 500 600 700 800 900
Sem
nal(u.a
.)
Temperatura()
TC faza amorfa
TC Fe
3Si
Tc Fe
2B
TC aliaj cristalizatFe
75Si
20B
5
incalzire
racire
TC Fe3Si
TC Fe2B
TC Fe3Si
TC aliaj amorf
OBȚINEREA ALIAJELOR AMORFE PRIN RĂCIRE RAPIDĂ
Benzi amorfe
Difractogramele corespunzătoare benzilor obținute prin răcire rapidă din topitură
pentru amestecul din pulbere elementală, notat cu SS, la diferite viteze de rotație
ale discului (32, 25 m/s).
VITEZE MAI MARI DE RĂCIRE
ORDONARE PREFERENȚIALĂ
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
SS 25 m/s
SS 32 m/s
2theta ()
Inte
nsita
te (
u.a.
)
Fe75
Si20
B5
CARACTERIZARE STRUCTURALĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
SS 25 m/s
SS 32 m/s
Fe3Si
Fe2B
2theta ()
Inte
nsita
te (
u.a.
) Fe75
Si20
B5
Al
Benzi amorfe
Difractogramele corespunzătoare benzilor obținute prin răcire rapidă din topitură
pentru aliajul amorf sub formă de pulbere (20 h MA) și pentru amestecul din
pulbere elementală de aceeași compoziție, notat cu SS, la diferite viteze de rotație
ale discului (32, 25 m/s).
CARACTERIZARE STRUCTURALĂ
REZULTATE ȘI DISCUȚII
B.V. Neamţu, H.F. Chicinaş, et al. Powder Technology (under review)
ALIERE MECANICĂ UMEDĂ
DESCOMPUNEREA PCA
CANTITATE ADIȚIONALĂ DE CARBON
BANDA AMORFĂ
pulbere elementală
topită
pulbere măcinată
topită
CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE
• Au fost obținute aliaje de tipul Fe75Si20-xB5Mx în stare amorfă, unde M poate fi Ta, Ti sau Zr, iar x poate fi 0, 2.5
sau 5, prin aliere mecanică umedă pornind de la pulberi elementale.
• Substituția Si cu oricare din metalele de tranziție menționate anterior, duce la o creștere a duratei de măcinare
necesară pentru a obține amorfizarea aliajului.
• Temperatura de cristalizare a aliajelor cuaternare în care x=5, a crescut cu 12 % pentru M=Ti (540 °C), cu 21 %
pentru M=Ta (590 °C) și cu 24% pentru M=Zr (600 °C)
• S-au obțintut benzi amorfe din probele măcinate mecanic
• A fost cuantificată cantitatea adițională de metaloid (CARBON) necesară pentru a obține amorfizarea aliajelor
• 1 ISI – (Sub recenzie) Powder Technology
• 2 ISI proceedings - Advanced Engineering Forum
• Rezultatele obtinute au facut obiectul a 3 lucrari stiintifice
CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE
• Au fost obținute aliaje de tipul Fe75Si20-xB5Mx în stare amorfă, unde M poate fi Ta, Ti sau Zr, iar x poate fi 0, 2.5
sau 5, prin aliere mecanică umedă pornind de la pulberi elementale.
• Substituția Si cu oricare din metalele de tranziție menționate anterior, duce la o creștere a duratei de măcinare
necesară pentru a obține amorfizarea aliajului.
• Temperatura de cristalizare a aliajelor cuaternare în care x=5, a crescut cu 12 % pentru M=Ti (540 °C), cu 21 %
pentru M=Ta (590 °C) și cu 24% pentru M=Zr (600 °C)
• S-au obțintut benzi amorfe din probele măcinate mecanic
• A fost cuantificată cantitatea adițională de metaloid (CARBON) necesară pentru a obține amorfizarea aliajelor
• Rezultatele obtinute au facut obiectul a 3 lucrari stiintifice
• 1 ISI – (Sub recenzie) Powder Technology
• 2 ISI proceedings - Advanced Engineering Forum
VĂ MULȚUMESC PENTRU ATENȚIE !
PCA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60-1
0
1
2
3
4
5
6
7
pier
dere
de
mas
a (%
)
Benzen Acid Oleic Etanol
durata de macinare(h)
2.3 %
0 10 20 30 40 50110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
MS (A
m2 /k
g)
durata macinare (h)
Etanol Acid Oleic Benzen Macinare uscata
Pierderea de masă înregistrată în urma încălzirii până la 750 °C în
atmosferă decarburantă (H2) în funcție de durata de măcinare pentru
diferiți agenți de control ai procesului.
Variația valorii magnetizării la saturație a aliajului de referință în funcție
de durata de măcinare pentru diferiți agenți de control ai procesului.
REZULTATE ȘI DISCUȚII
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Carbon Echivalent
Benzen
20 h
15 h
10 h
5 h
Inte
nsita
te (u.
a.)
2 theta ()
Carbon Echivalent
Benzen
Carbon Echivalent
Benzen
Carbon Echivalent
Benzen
PCA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60-1
0
1
2
3
4
5
6
7
pier
dere
de
mas
a (%
)
Benzen Acid Oleic Etanol
durata de macinare(h)
2.3 %
0 10 20 30 40 50110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
MS (A
m2/k
g)
durata macinare (h)
Etanol Acid Oleic Benzen Macinare uscata
Difractogramele corespunzătoare probelor măcinate umed folosind benzen ca și PCA (culori deschise) și
a probelor măcinate uscat la care a fost adăugată cantitatea de carbon echivalent calculată.
Pierderea de masă înregistrată în urma încălzirii
până la 750 °C în atmosferă decarburantă (H2) în
funcție de durata de măcinare pentru diferiți
agenți de control ai procesului.
Variația valorii magnetizării la saturație a aliajului de referință în
funcție de durata de măcinare pentru diferiți agenți de control ai
procesului.
REZULTATE ȘI DISCUȚII