REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 4, 2006 PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE ALEACIONES BASADAS EN FeCoNbBSiCu Z. Caamaño1, M.D. Baró2, S. Suriñach2, J. Muñoz2 Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia 2 Universidad Autónoma de Barcelona, Bellaterra, España (Recibido 09 de Sep.2005; Aceptado 20 de Jun. 2006; Publicado 20 de Nov. 2006) 1 RESUMEN Se prepararon aleaciones de composición Fe73-xCoxNb6B11Si10 (x = 35 at.%) y Fe72(x = 35, 30 y 40 at.%) por la técnica del melt spinning. Se estudió la influencia del Co en la temperaura de Curie y en la estabilidad térmica del material amorfo obtenido, en función de las variaciones de (Fe-Co) manteniendo constante la suma de las proporciones de estos elementos (72 at.%) y los demás elementos de la aleación. Se realizó este estudio mediante la técnica de termogravimetría magnética y la técnica de calorimetría diferencial de barrido. El aumento de contenido de Co provocó un aumento en la temperatura de Curie del material amorfo y en las temperaturas de los picos de cristalización del material, para las muestras con mayor contenido de Co variando las proporciones de (Fe-Co) en 12 y 8 at.%. Sin embargo, cuando el contenido de Co es mayor que 35 at.%, no se observó ningún cambio en la temperatura de Curie del material. Con el aumento de contenido de Co se estabiliza térmicamente el material amorfo. xCoxNb6B11Si10Cu1 Palabras claves: Aleaciones ferrosas, Propiedades magnéticas. ABSTRACT Fe73-xCoxNb6B11Si10 (x = 35 at.%) and Fe72-xCoxNb6B11Si10Cu1 (x = 35, 30 y 40 at.%) alloys were prepared by melt spinning technique. The influence of Co content on the Curie temperature and in the thermal stability of the amorphous material, with the (Fe-Co) variations where the proportions sum of these elements and the rest elements of the alloy are maintained constant, was studied. Magnetic thermogravimetric and differential scanning calorimetry techniques were used in this study. The increase of Co content provoked an increase on the Curie temperature of the amorphous material and an increase on the crystallization peaks temperatures for the samples with higher Co content changing the (Fe-Co) proportions in 12 and 8 at.%. Nevertheless, when the Co content is higher than 35 at.%, any change on the Curie temperature was observed. Increasing Co content the amorphous material is thermally stabilized. Key words: Airon based alloys, magnetic properties. 1. Introducción A partir de 1988, cuando Yoshizawa et al. [1], descubrieron las primeras aleaciones nanocristalinas (las llamadas FINEMET), ha habido un creciente interés en la investigación de los materiales nanocristalinos magnéticos a base de Fe. Su interés radica en que la fase nanocristalina que se obtiene a partir de la cristalización controlada de sus precursores amorfos, preparados por métodos de solidificación rápida como el “melt spinning”, presenta buenas propiedades magnéticas blandas, tales como una elevada magnetización de saturación, alta permeabilidad magnética, valores casi nulos de magnetostricción y valores de campos 1483 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 4, 2006 coercitivos bajos, que resultan de fundamental importancia en el diseño de nuevos materiales magnéticos a nivel tecnológico. Las aleaciones FINEMET (Fe73.5Si13.5Nb3B9Cu1) y NANOPERM (FeMB con M= Zr, Hf, Nb) están entre las aleaciones que muestran el mejor comportamiento magnético blando a temperatura ambiente. Sin embargo, las excepcionales propiedades magnéticas blandas que presentan estas aleaciones se reducen drásticamente por encima de la temperatura de Curie de la fase amorfa y su aplicabilidad no puede ser extendida por encima de 600 K [2]. La investigación en la aplicación de estos sistemas a elevadas temperaturas condujo al descubrimiento de las aleaciones nanocristalinas HITPERM (FeCoMBCu) en 1998 [3]. En estas aleaciones, la substitución parcial de Co por Fe trae como consecuencia un aumento en la temperatura de Curie de las fases amorfa y cristalina [4], y en las propiedades magnéticas blandas [5,6], extendiendo la aplicabilidad de estas aleaciones a temperaturas más altas que para el caso de las aleaciones tipo FINEMET y NANOPERM. En este trabajo se estudiará principalmente, la influencia del Co en la estabilidad del material amorfo obtenido por el método de melt spinning, en función de las variaciones de (FeCo), manteniendo constante la suma de las proporciones de estos elementos (72 at. %). Este estudio se realizará mediante la caracterización térmica y magnética de las muestras, utilizando la técnica de calorimetría diferencial de barrido y la técnica de termogravimetría magnética (TGM). 2. Procedimiento experimental Se prepararon aleaciones de composición Fe73-xCoxNb6B11Si10 (x = 35 at.%) y Fe72xCoxNb6B11Si10Cu1 (x = 35, 30 y 40 at.%) a partir de los elementos metálicos de Fe, Co, Nb, B, Si y Cu, de 99.5-99.8 % de pureza. De la aleación patrón así preparada, se obtuvieron cintas amorfas de 2 mm de ancho y de ~ 15-20 µm de espesor por la técnica del melt spinning. Se comprobó el estado amorfo de las cintas y la dependencia de la magnetización con la temperatura, utilizando un analizador termogravimétrico (Perkin Elmer TGA-7) adaptado a un imán (~ 12 mT) colocado a la muestra de estudio. Se obtuvieron los registros calorimétricos de las muestras utilizando un calorímetro diferencial de barrido (Perkin Elmer DSC-7), con el fin de observar el rango de temperaturas de estabilización del material amorfo y del proceso de cristalización del material. 3. Resultados y discusión 3.1. TGM La figura 1(a) muestra las curvas de termogravimetría magnética obtenidas a la velocidad de calentamiento de 20 K/min para las diferentes composiciones. En ella se observa la disminución en la magnetización hasta el valor de cero en el intervalo de temperaturas de 620 K a 660 K para cada una de las muestras de estudio. Esta disminución está asociada con la transición ferroparamagnética característica de un material ferromagnético amorfo; lo cual nos indica que las aleaciones obtenidas por el método de la rueda fría son amorfas. Luego de la transición ferro-paramagnética del material amorfo, se observa un aumento en la magnetización a partir de 800 K, que corresponde al comienzo de la cristalización del material. 1484 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 4, 2006 En la tabla No.1 aparecen los valores de la temperatura de Curie de las aleaciones amorfas obtenidas, y las temperaturas de los picos de cristalización calculadas a partir de las curvas de DSC. (a ) (b ) x x x x 80 = = = = 3 5 (s in C u ) 35 30 40 x = 40 dH/dT (W/g) Magnetización (u.a) 100 60 40 x = 30 0 ,5 20 x = 35 x = 3 5 ( s in C u ) 0 400 500 600 700 800 900 T e m p e r a tu ra ( K ) 800 1000 1100 850 900 950 T e m p e ra tu ra ( K ) Fig.1. (a) Curvas de TGM y (b) curvas de DSC obtenidas a la velocidad de calentamiento de 20 K/min para las muestras de composición Fe73-xCoxNb6B11Si10 (x = 35 at.%) y Fe72-xCoxNb6B11Si10Cu1 (x = 35, 30 y 40 at.%). Tabla No.1. Temperatura de Curie, TC (K) de la fase amorfa y temperatura de pico de cristalización, TP (K) para las aleaciones de composición Fe73-xCoxNb6B11Si10 (x = 35 at.%) y Fe72-xCoxNb6B11Si10Cu1 (x = 35, 30 y 40 at.%). Composición TC ± 2 TP ± 0.5 x = 35 (sin Cu) 655 846 x = 35 643 851 x = 30 628 856 x = 40 643 866 De los valores de la temperatura de Curie obtenidos, se observa un aumento en la temperatura de Curie del amorfo con el aumento del contenido de Co para las muestras de composición x = 30 y x = 35. Cuando el contenido de Co es mayor que 35 at.%, el valor de la temperatura de Curie se mantiene constante, indicando que la transición ferro-paramagnética del amorfo es independiente del contenido de Fe. Para las aleaciones con igual contenido de Co, el valor de la temperatura de Curie es mayor para la muestra de composición x = 35 (sin Cu). Resultados similares se obtuvieron para las aleaciones con mayor contenido de Co del sistema Fe73.5xCoxSi13.5B9Cu1Nb3 [7], en donde la TC es 40 K más alta que la de las aleaciones con mayor contenido de Fe y en las aleaciones del sistema Fe76.5-xSi15.5B7Cu1Nb3Cox [8], donde además, por encima de 40 at.% de Co, la TC disminuye. 3.2. DSC Se obtuvieron los registros calorimétricos por DSC a la velocidad de calentamiento de 20 K/min para cada una de las aleaciones de estudio, como se muestra en la figura 1(b). Se observa que el proceso de cristalización de las muestras comienza a partir de 820 K, el cual se evidencia por los picos exotérmicos de la figura. Se observa además, un desplazamiento de los picos de cristalización hacia temperaturas más elevadas, a medida que aumenta el contenido de Co para las aleaciones en donde la proporción relativa de (Fe-Co) es mayor, para x = 30 y 40. Mientras que para las aleaciones en donde las proporciones relativas de (Fe-Co) es menor, con igual 1485 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 4, 2006 contenido de Co, los picos de cristalización aparecen a temperaturas ligeramente más bajas. En la tabla No.1 aparecen indicadas las temperaturas de los picos de cristalización referidas anteriormente. Estos resultados confirman el efecto estabilizador del Co en la fase amorfa, indicado por un aumento en la temperatura del comienzo de la etapa de cristalización del material, reportado en [7]. Conclusiones Se prepararon aleaciones del sistema FeCoNbBSiCu por el método de la rueda fría, comprobándose el estado amorfo de las mismas mediante la técnica de termogravimetría magnética. Se estudió la influencia del contenido de Co variando las proporciones relativas de (Fe-Co) y manteniendo constante la suma de las cantidades en at. % de estos elementos, mediante el análisis de los registros calorimétricos obtenidos por TGM y por DSC. Se observó que el aumento de contenido de Co, incrementa la temperatura de Curie del material amorfo hasta 35 at.% de Co en las aleaciones de composición Fe72-xCoxNb6B11Si10Cu1 (x = 35, 30 y 40 at.%). Por encima de este valor no se observaron cambios en la temperatura de Curie del amorfo. Por otro lado, la temperatura del inicio del proceso de cristalización y del pico de cristalización se desplaza a temperaturas más elevadas a medida que aumenta el contenido de Co en la proporción (Fe-Co), favoreciendo de este modo la estabilidad térmica del material amorfo. Por lo tanto, se deduce que el Co tiene un efecto estabilizador en la fase amorfa del material, para las aleaciones con mayor contenido de Co que Fe. Agradecimientos: Este trabajo fue realizado gracias a la ayuda y colaboración de la Dra. María Dolores Baró, directora del grupo de investigación: Física de Materiales II, de la Universidad Autónoma de Barcelona, del Dr. Santiago Suriñach y del Dr. Juan Muñoz, quienes me proporcionaron los elementos y equipos necesarios para la preparación y caracterización de las muestras. REFERENCIAS [1] Y. Yoshizawa, S. Oguma, K. Yamauchi, J. Appl. Phys, 64, 1988, 6044 [2] J. S. Blázquez, J. M Borrego, C. F. Conde, A. Conde y J. M. Grenéche, J. Phys. Condens. Matter, 15, 2003, 3957 [3] M. A. Willard, D. E. Laughlin, M. E. McHenry, D. Thoma, K. Sickafus, Jo. O. Cross, V. G. Harris, J. Appl. Phys, 84, 1998, 6773 [4] H. Iwanabe, B. Lu, M. E. McHenry, D. E. Laughlin, J. Appl. Phys, 85, 1999, 4424 [5] J. S. Blázquez, V. Franco, A. Conde, J. Phys: Condens. Matter 14, 2002, 11717 [6] J. Zbroszczyc, K. Narita, J. Olszewski, W. Ciurzynska, W. Lijun, B. Wyslocki, S. Szymura, M. Hasiak, J. Magn. Magn. Mater, 160, 1996, 281-283 [7] J. Borrego, C. F. Conde, A. Conde, J. M. Greneche, J. Non-Cryst. Solids, 287, 2001, 120-124 [8] M. Müller, H. Grahl, N. Mattern, U. Kühn, B. Schnell, J. Magn. Magn. Mater, 160, 1996, 284-226 1486