SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati,Morteza Mozaffari
محمدحسین عنایتی (استاد راهنما) مرتضی مظفری (استاد مشاور)
STUDENT
Esmat Dastanpour Hosseinabadi
عصمت داستانپورحسین آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
TITLE
Synthesis and evaluation of Fe-based amorphous- nanocrystalline magnetic alloys
Fe-based amorphous-nonocrystalline soft magnetic alloys with high magnetic permeability ( ? i ), low coercivity (Hc), high magnetic flux density (Bs), near-zero magnetostriction, and low core loss are in great demand for electromagnetic device applications, such as transformers, sensors, and electric motors. Recently, a new Fe-based nanocrystalline material, known as Nanomet (Fe–Si–B–P–Cu), with the high B S , and low cost has been attracted. However, these alloys have two limitations, their low glass forming ability (GFA) and the lack of plasticity, which restricted their engineering applications. One method to overcome these restrictions is the alloying of minor elements. The present study was aimed to investigate the effect of substitiution of Fe with varios alloying elements of Co, C, Mo, and Ni on the glass forming ability (GFA), nanocrystallization behavior, soft magnetc properties and mechanical properties of Nanomet alloy. Amorphous ribbons of Fe 83.3-x -(Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 )-M x (M=Co, C, Mo, Ni 0?x?8) alloys were synthesised by induction melting and melt spinning process. Microstructural characterization using X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and thermal behavior using differential scanning calorimetry (DSC) shows that distribution of pre-existing nuclei in the amorphous structure of Fe 83.3 Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 led to the anomalous crystallization, and hence, to a nonlinear Avrami plot with lowered localized Avrami exponents, and the significant increase in the coercivity (Hc) at low heating rates (?100°C/min). The presence of these nuclei was confirmed by non-zero magnetization in Curie point of Fe 83.3 Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 alloy in magneto-thermo-gravimetry (MTG) test. The determination of saturation magnetization (M S ) and coercivity (H C ) using vibrating sample magnetometer (VSM) and B-H looper, respectively shows that the optimum amount of varios alloying elements are 4 %at. Co, 1 %at. C, 1 %at. Mo and 4 %at. Ni. Then, with the simultaneous substitution of Fe with optimal amounts of Co, C, Mo, and Ni elements, CoCMo and CoCNi alloys were synthesized. The M S and H C were 176 Am 2 /kg and 20.8 A/m for CoCMo alloy, and 182.45 Am 2 /kg and 16.8 A/m, for CoCNi alloy after annealing at 450 °C for 5 min. The hardness and yYoung modulus obtaind by nanoindentation test showed that the substitiution of Fe with Co, C, Mo, and Ni decreased the hardness. The calculated thermodynamic parameters, P HS and P HSS , indicated that the addition of alloy elements, especially C and Mo elements improved the GFA and thermal stability of Nanomet alloy. As a result, the thickness of amorphous ribbons of CoCMo alloy increased by 33% in comparision with Nanomet alloy. With reduction of the rotational speed of melt spinner wheel from 3500 rpm to 1500 rpm, the M S improved duo to the surface crystallization and formation of ?-Fe crystalline phase, while the H C increased due to the magnetic anisotropy. This surface crystallization in amorphous structure decreased the harde of Nanomet and CoCMo alloys prepared at 1500 rpm.
آلیاژهای آمورف- نانوبلور مغناطیسی پایه آهن به علت خواص مغناطیس نرم قابل توجه مانند تراوایی مغناطیسی ) (? i بالا، وادارندگی (H C ) کم، مغناطش اشباع (M S ) بالا، مغناطوتنگش نزدیک صفر و تلفات هسته پایین در وسایل الکترومغناطیس مختلف به خصوص هسته ترانسفورماتورها، سنسورها و موتورهای الکتریکی کاربرد پیدا کردهاند. اخیراً آلیاژهای آمورف- نانوبلور Fe-Si-B-P-Cu با نام نانومت با مغناطش اشباع زیاد و قیمت کم مورد توجه محققان قرار گرفتهاند. با این وجود، این آلیاژها دو محدودیت اصلی دارند که یکی قابلیت کم تشکیل ساختار آمورف و دیگری تردی بالای آن ها است که کاربردهای مهندسی این مواد را محدود میکند. برای رفع این محدودیتها معمولاً از افزودن عناصر آلیاژی مختلف استفاده میشود. در این پژوهش سعی بر آن است تا تاثیر افزودن عناصر آلیاژی مختلف کبالت، کربن، نیکل و مولیبدن بر قابلیت تشکیل ساختار آمورف، رفتار نانوکریستالیزاسیون، خواص مغناطیس نرم و خواص مکانیکی آلیاژ Fe 83.3 Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 (Nanomet) مورد بررسی قرار گیرد. به این منظور با استفاده از ذوب القایی و در ادامه ریسندگی مذاب، نوارهای آمورف آلیاژ Fe 83.3-x -(Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 )-M x (M=Co, C, Mo, Ni 0?x?8) تولید شدند. مشاهدات ریزساختاری با استفاده از پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و پایداری حرارتی با استفاده از آنالیز DSC نشان داد حضور خوشههای آهن در زمینه آمورف آلیاژ Nanomet نه تنها بر جوانهزنی غیرهمگن آلیاژ و تغییر ضریب اورمی در طول کریستالیزاسیون تاثیر دارد بلکه منجر به افزایش شدید وادارندگی در نرخ گرمایش کمتر از ?/min100 میشود. حضور این جوانهها در آلیاژ Fe 83.3 Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 منجر به مشاهده مغناطش کم در دمای کوری در آزمون توزین حرارتی مغناطیسی (MTG) شد. تغییرات مغناطش اشباع (M S ) و وادارندگی (H C ) بدست آمده با استفاده از مغناطیسسنج با نمونه ارتعاشی (VSM) و آزمون تعیین حلقه پسماند (B-H looper) نشان داد که آلیاژ حاوی 4% اتمی کبالت، 1% اتمی کربن، 1% اتمی مولیبدن و 4% اتمی نیکل به عنوان آلیاژهای بهینه هستند. در ادامه با افزودن همزمان عناصر آلیاژی، آلیاژ حاوی مقادیر بهینه کبالت، کربن، مولیبدن (CoCMo) و آلیاژ حاوی مقادیر بهینه کبالت، کربن و نیکل (CoCNi) ساخته شدند. مغناطش اشباع و وادارندگی برای آلیاژ CoCMo برابر Am 2 /kg176و A/m8/20 برای آلیاژ CoCNi برابر Am 2 /kg45/182 و A/m8/16 بعد از آنیل در دمای ?450 به مدت min5 بود. سختی و مدول یانگ بدست آمده با آزمون نانوفرورونده نشان داد که افزودن عناصر کربن، مولیبدن و نیکل منجر به کاهش سختی آلیاژ Nanomet میشود. محاسبات پارامترهای ترمودینامیکی P HS و P HSS نشان داد که افزودن عناصر آلیاژی به خصوص کربن و مولیبدن منجر به بهبود قابل توجه قابلیت تشکیل شیشه و پایداری حرارتی آلیاژ Nanomet میشود به طوری که ضخامت آلیاژ آمورف CoCMo در مقایسه با آلیاژ Nanomet به میزان 33% افزایش یافت. برای آلیاژ Nanomet و CoCMo با کاهش سرعت ریسندگی مذاب از rpm3500 به rpm1500، به علت کریستالیزاسیون سطحی و تشکیل مقدار کم از فاز بلوری ? -Fe، مغناطش اشباع بهبود مییابد در حالی که وادارندگی آلیاژ به علت ناهمسانگردی مغناطیسی افزایش مییابد. همچنین با کاهش سرعت ریسندگی مذاب تا rpm1500 و تشکیل مقدار کمی از فاز بلوری در زمینه آمورف، سختی آلیاژهای Nanomet و CoCMo کاهش پیدا کرد.