Horea licenta

Obţinerea pulberilor şi compactelor amorfe/nanocristaline de Vitroperm prin

măcinare mecanică şi sinterizare în plasmă

Student: CHICINAŞ Horea FlorinConducător Ştiinţific: As.dr.ing NEAMŢU Bogdan Viorel

Obiective

Obţinerea prin măcinare mecanică a pulberilor amorfe din benzi amorfe

Obţinerea prin sinterizare în plasmă (SPS) a compactelor amorfe/nanocristaline

Obţinerea pulberilor şi compactelor amorfe/nanocristaline de Vitroperm prin măcinare mecanică şi sinterizare în plasmă

Indu

cţie

Câmp

(BH

) ma

x

Material magnetic durProdus energetic mare ((BH) max)Inducţie la saturaţie mare (Bs)Câmp coercitiv mare (Hc)

Material magnetic moaleCâmp coercitiv mic (Hc)Permeabilitate mare (μr )

I – curbă de primă magnetizare;II – curbă de demagnetizare;Bm, Br – inducţie maxima, inducţie remanentă;Hc, Hm – câmp coercitiv, câmp maxim;(BH) max - Produs energetic maxim;

Materiale magnetice - Mărimi magnetice

Vitroperm 800

VITROPERM 800

Compozitie chimica

Fe Cu Nb Si B

%at

Vitroperm 800

73.5 1 3 15.5 7

Densitate Temperatura Curie Temperatura cristalizare

g/cm3 ⁰C

7.35 600 500

6~ DHC

Proprietăţi excelente de material magnetic moale 6/1~ Di

µ

Mediere anizotropiei pe mai multe unitati structurale

Valoare netă nulă a anizotropiei magnetocristaline

Materiale amorfe magnetic moi

Prepararea pulberilor

Măcinare mecanică umedă• Benzi amorfe de Vitroperm 800• Moară planetară Fritsch, Pulverisette 4, - (UTCN - Cluj) • BPR 30:1• Ω = 400• ω = 800 • Grad de umplere ≈ 40 %• Agent de control al procesului – Benzen

Metodică experimentală

Elaborarea compactelor

Sinterizare în plasmă• Pulbere amorfă de Vitroperm 800• Instalaţie experimentală SPS - (UTCN - Cluj) • Presiune de compactizare = 30 MPa

Tăierea probelor cu fir prin electroeroziune

• Compacte sinterizate în plasmă• SP - (UTCN - Cluj) • Diametru fir – 0.25 mm

Bobinarea torurilor• Înfăşurare primară N1=39• Înfăşurare secundară N2=42

Măcinare mecanică

Sinterizare în plasmă

Măsurători de magnetizare - pulbere (M(H))• Câmp maxim 8 T, temperatura ambiantă (CNRS - Grenoble)

Caracterizarea morfologică și compozițională SEM şi EDX• electroni secundari• măriri – 35x – 10000x – (UTCN - Cluj) Caracterizare structurală: difracție de raze X • difracții de raze x – (UBB – Cluj) - interval unghiular 10 – 120 °• lungimi de undă folosite: Co Kα, λ1 = 1.788965 Å • difracții de raze x – (UTCN - Cluj) - interval unghiular 20 – 110 °• lungimi de undă folosite: Cu Kα, λ1 = 1,5406 Å

Analize calorimetrice diferenţiale• DSC – interval temperatură 20 - 800 oC (UTCN - Cluj) - viteza de incalzire 10 oC/min

Măsurători termomagnetice • interval temperatură 20 - 800 oC (CNRS - Grenoble)

Metodică experimentală

Caracterizarea pulberilor și a compactelor

Distribuție granulometrică• Laser Particle Size Analyzer (Fritsch Analysette 22 – Nanotec) - (UTCN - Cluj)

Măsurători de magnetizare - toruri (B(H))• Regim alternativ (10 Hz – 10 kHz) Bmax=0.05 T• regim cvasi–static (0.1 Hz) (UTCN - Cluj)

Obţinerea prin măcinare mecanică a pulberilor amorfe din benzi amorfe de Vitroperm 800

D50 Cantitate PCA

22,5 µm 5 ml

26,3 µm 2 ml

Distribuţie granulometrică

Vitroperm 800 - 1 h MM – 5 ml C6H6

Vitroperm 800 - 1 h MM – 2 ml C6H6

5 ml

Dimensiunea particulelor (µm)

Trec

ere

cum

ulat

a(%

)

Pond

erea

gran

ulom

etric

a(%

)

2 ml

Dimensiunea particulelor (µm)

Trec

ere

cum

ulat

a(%

)

Pond

erea

gran

ulom

etric

a(%

)

Rezultate şi discuţii - Pulberi

Morfologia pulberilorBandă amorfă măcinată 30 min

Bandă amorfă măcinată 1 oră

x200

x200

x2000

x2000 x10000

Pulberi aplatizate

Pulberi poliedrale


Investigarea structurii materialului - Difracţie de raze X

Măcinarea mecanică (timp de o oră) nu induce modificări structurale.

Position [°2Theta]

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Counts

0

100

200

Vitroperm Banda

Position [°2Theta]40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Counts

0

100

200

Vitroperm 800 – banda amorfa

Vitroperm 800 – macinat mecanic 1h

Inte

nsita

te(u

.a.)

2θ (⁰)

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130


Analiza compoziţională a pulberilor – Analiza EDX

Distribuţie omogenă a elementelor chimice după măcinare.

Bor Cupru

Siliciu Fier Niobiu


Investigarea stabilităţii termice a materialului

• Temperatura Curie a aliajului amorf este în jur de 330 C;⁰

• 500 – 700 C cristalizeaz⁰ ă α-Fe(Si) şi boruri.

S. Chikazumi, Physics of Ferromagnetism, Oxford University Press, 1997

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

7

14

HeatF

low

(/µ

V)

Temperatura (oC)

HeatFlow

Tc Vitroperm

α-Fe(Si)

Tc α-Fe(Si)

Fe2B

Detensionare

Exot

erm

Flu

x te

rmic

(mW

/mg) Tc Fe2B

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0

3

6

9

LVdT

(V)

Temperatura (oC)

Tc Vitroperm

α-Fe(Si)

Tc α-Fe(Si)

Fe2BTc Fe2B


30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110

Inte

nsi

tate

(u.a

.)

2(o)

FeCu4

Fe5Si

3

Nb5Si

3

Fe2B

Fe3Si

Fe16Nb

6Si

7

0 3 60

20

40

60

80

100

120

140

160

M (A

m/k

g)

H(Tesla)

Vitroperm 800 - banda amorfa Vitroperm 800 - 1h MM - 5 ml C

6H

6

Măsuratori de magnetizare

Prezenţa benzenului în pulbere duce la diminuarea magnetizării la saturaţie a acesteia.


B.V. Neamţu, I. Chicinas, O. Isnard, F. Popa, V. Pop, Intermetallics, 19 (2011) 19-25.

Obţinerea prin sinterizare în plasmă (SPS) a compactelor amorfe/nanocristaline de Vitroperm 800

Program experimental SPS

Rezultate şi discuţii – Compacte sinterizate

Temperatură [ºC]

Durată de

sinterizare

[min]

550 600 700 750 800 900

1 X X

ρr=78.9%

2 X X

ρr=69.4%

X

ρr=89.7%

X

ρr=96.6%

5 X

ρr=92.6%

20 X

Creşterea duratei de sinterizare şi a temperaturii duce la o compactitate mai bună

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

- FeCu4

Fe5Si

3

Nb5Si

3

Fe2B

900 oC/2 min

800 oC/5 min800 oC/2 min800 oC/1 min750 oC/2 min700 oC/1 min600 oC/2 min550 oC/20 min

Inte

nsi

tate

(u.a

.)

2

Fe3Si

450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

10

20

30

40

50

60 550 oC/20 min

600 oC/2 min

700 oC/1 min

750 oC/2 min

800 oC/1 min

800 oC/2 min

800 oC/5 min

900 oC/2 min

Dim

ensi

unea g

rauntil

or

cris

talin

i (nm

)

Temperatura de sinterizare (oC)

Investigarea structurii materialului - Difracţie de raze X

Odată cu creşterea temperaturii de sinterizare, apar faze noi, şi creşte dimensiunea grăunţilor cristalini (12-33 ±2 nm)


0 1 2 3 4 5 6 7 80,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

750 oC/2 min.

800 oC/1 min.

800 oC/5 min.

B (T)

H (kA/m)

900 oC/2 min.

Măsurători de magnetizare în regim static

Creşterea temperaturii de sinterizare duce la o imbunătăţire a proprietăţilor magnetice


70 80 90 1000,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Indu

ctie

la s

atur

atie

(T)

Compactitate (%)

70 80 90 100

100

200

300

Per

mea

bilit

ate

rela

tiva

max

ima

Compactitate (%)

Măsurători de magnetizare în regim static

Fier

Inducţia la saturaţie şi permeabilitatea depind de densitatea torurilor, dar şi de contaminarea acestora cu carbon


SPS - 800 ᵒC/2 min

92% din valoarea de catalog

Măsurători de magnetizare în regim dinamic

-750 -500 -250 0 250 500 750

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

Bmax

= 0,05 T

10 Hz 50 Hz 100 Hz 500 Hz 1000 Hz 5000 Hz10000 Hz

B (T)

H (A/m)

Creşterea frecvenţei duce la o scădere a permeabilităţii magnetice relativeVariaţiile proprietăţilor magnetice odată cu frecvenţa sunt mai mici pentru compactul obţinut la 750 oC


Măsurători de magnetizare în regim dinamic

100 1000 10000

0

50

100

Pier

deri

tota

le (W

/kg)

Frecventa (Hz)

750 oC/2 min

900 oC/2 min

Bmax

= 0,05 T

100 10000

1

2

3

4

Pier

deri

tota

le (W

/kg)

Frecventa (Hz)

La frecvenţe de până la 1 kHz predomină pierderile prin histerezis, faţă de cele prin curenţi turbionariTorul sinterizat la 900 oC îşi atinge frecvenţa de limitare în timp ce torul obţinut la 750 oC poate fii folosit pe tot intervalul de frecvenţă


Frecventa de limitare

Concluzii şi perspective

• măcinare mecanică umedă este o tehnică potrivită pentru obţinerea de pulberi amorfe;

• analizele SEM şi DRX au arătat că măcinarea mecanică practicată nu induce modificări structurale sau

compoziţionale materialului investigat;

• temperatura curie a aliajului este de 330 ᵒC, iar în intervalul 500 – 800 ᵒC cristalizează diverse faze (Fe3Si - fază

majoritară)

• măcinarea mecanică umedă induce o uşoară diminuare a magnetizării pulberilor;

• densitatea relativă a compactelor obţinute variază între 70% şi 96.6%, iar dimensiunea medie a grăunţilor cristalini

este cuprinsă între 13 şi 33 de nm;

• analizele EDX au evidenţiat contaminarea compactelor cu carbon;

• măsurătorile în regim de magnetizare dinamică au evidenţiat faptul că sinterizatele cu densitate mare au

permeabilitate magnetică mare, dar sunt utilizabile la frecvente de pana la 1 kHz.

•prin măsurători în regim de magnetizare statică s-a determinat că valoarea maximă a inducţiei la saturaţie este 1.1

T, ceea ce reprezintă 92% din valoarea dată de producător;

o determinarea parametrilor optimi de măcinare

o minimizarea contaminării cu carbon si efectului acesteia asupra compactelor

Vă mulţumesc pentru atenţie !!!

Documents

Horea licenta