SUPERVISOR
Mohammad Hossei Enayati,Morteza Mozaffari
محمدحسين عنايتي (استاد راهنما) مرتضي مظفري (استاد مشاور)
STUDENT
Esmat Dastanpour Hosseinabadi
عصمت داستانپورحسين آبادي
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.
آلياژهاي آمورف- نانوبلور مغناطيسي پايه آهن به علت خواص مغناطيس نرم قابل توجه مانند تراوايي مغناطيسي ) (? i بالا، وادارندگي (H C ) کم، مغناطش اشباع (M S ) بالا، مغناطوتنگش نزديک صفر و تلفات هسته پايين در وسايل الکترومغناطيس مختلف به خصوص هسته ترانسفورماتورها، سنسورها و موتورهاي الکتريکي کاربرد پيدا کردهاند. اخيراً آلياژهاي آمورف- نانوبلور Fe-Si-B-P-Cu با نام نانومت با مغناطش اشباع زياد و قيمت کم مورد توجه محققان قرار گرفتهاند. با اين وجود، اين آلياژها دو محدوديت اصلي دارند که يکي قابليت کم تشکيل ساختار آمورف و ديگري تردي بالاي آن ها است که کاربردهاي مهندسي اين مواد را محدود ميکند. براي رفع اين محدوديتها معمولاً از افزودن عناصر آلياژي مختلف استفاده ميشود. در اين پژوهش سعي بر آن است تا تاثير افزودن عناصر آلياژي مختلف کبالت، کربن، نيکل و موليبدن بر قابليت تشکيل ساختار آمورف، رفتار نانوکريستاليزاسيون، خواص مغناطيس نرم و خواص مکانيکي آلياژ Fe 83.3 Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 (Nanomet) مورد بررسي قرار گيرد. به اين منظور با استفاده از ذوب القايي و در ادامه ريسندگي مذاب، نوارهاي آمورف آلياژ Fe 83.3-x -(Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 )-M x (M=Co, C, Mo, Ni 0?x?8) توليد شدند. مشاهدات ريزساختاري با استفاده از پراش پرتو ايکس (XRD)، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و پايداري حرارتي با استفاده از آناليز DSC نشان داد حضور خوشههاي آهن در زمينه آمورف آلياژ Nanomet نه تنها بر جوانهزني غيرهمگن آلياژ و تغيير ضريب اورمي در طول کريستاليزاسيون تاثير دارد بلکه منجر به افزايش شديد وادارندگي در نرخ گرمايش کمتر از ?/min100 ميشود. حضور اين جوانهها در آلياژ Fe 83.3 Si 4 B 8 P 4 Cu 0.7 منجر به مشاهده مغناطش کم در دماي کوري در آزمون توزين حرارتي مغناطيسي (MTG) شد. تغييرات مغناطش اشباع (M S ) و وادارندگي (H C ) بدست آمده با استفاده از مغناطيسسنج با نمونه ارتعاشي (VSM) و آزمون تعيين حلقه پسماند (B-H looper) نشان داد که آلياژ حاوي 4% اتمي کبالت، 1% اتمي کربن، 1% اتمي موليبدن و 4% اتمي نيکل به عنوان آلياژهاي بهينه هستند. در ادامه با افزودن همزمان عناصر آلياژي، آلياژ حاوي مقادير بهينه کبالت، کربن، موليبدن (CoCMo) و آلياژ حاوي مقادير بهينه کبالت، کربن و نيکل (CoCNi) ساخته شدند. مغناطش اشباع و وادارندگي براي آلياژ CoCMo برابر Am 2 /kg176و A/m8/20 براي آلياژ CoCNi برابر Am 2 /kg45/182 و A/m8/16 بعد از آنيل در دماي ?450 به مدت min5 بود. سختي و مدول يانگ بدست آمده با آزمون نانوفرورونده نشان داد که افزودن عناصر کربن، موليبدن و نيکل منجر به کاهش سختي آلياژ Nanomet ميشود. محاسبات پارامترهاي ترموديناميکي P HS و P HSS نشان داد که افزودن عناصر آلياژي به خصوص کربن و موليبدن منجر به بهبود قابل توجه قابليت تشکيل شيشه و پايداري حرارتي آلياژ Nanomet ميشود به طوري که ضخامت آلياژ آمورف CoCMo در مقايسه با آلياژ Nanomet به ميزان 33% افزايش يافت. براي آلياژ Nanomet و CoCMo با کاهش سرعت ريسندگي مذاب از rpm3500 به rpm1500، به علت کريستاليزاسيون سطحي و تشکيل مقدار کم از فاز بلوري ? -Fe، مغناطش اشباع بهبود مييابد در حالي که وادارندگي آلياژ به علت ناهمسانگردي مغناطيسي افزايش مييابد. همچنين با کاهش سرعت ريسندگي مذاب تا rpm1500 و تشکيل مقدار کمي از فاز بلوري در زمينه آمورف، سختي آلياژهاي Nanomet و CoCMo کاهش پيدا کرد.