Novel amorphous and nanocrystalline Fe-based soft magnetic powders produced by gas atomisation

Autor: Alvarez-Chavez, K.L.(Kenny Lynn), Martín-García, J.M. (José Manuel), Gonzalez-Estevez, J.M. (Julián María)
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Dadun. Depósito Académico Digital de la Universidad de Navarra
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Popis: Industry is currently facing increasing challenges related to resources and the environment, and some sectors have been going to great lengths to control them. Two of the biggest concerns are using materials more efficiently while simultaneously reducing the amount of energy consumed and the amount of pollutant gases emitted. Within this context, soft magnetic materials have been broadly studied because they are widespread in many industrial sectors and can be found in numerous applications. In fact, this group of materials comprise about 40 % of the total market of magnetic materials and they are present in electrical and electronic devices, telecommunication industry, energy conversion and transportation, and the automotive sector, among other. In the last decade, the electrical and electronic industry has exponentially increased its production due to the massive use of technological devices and the worldwide tendency to be fully connected, triggering a high demand for soft magnetic materials. This high demand, together with a tendency to miniaturise devices, have led researchers and industries to search for novel and more efficient soft magnetic materials. Fe-based amorphous and nanocrystalline alloys are one of the major soft magnetic materials, because they exhibit superior soft magnetic properties, including high saturation magnetisation, extremely low coercivity and excellent power loss performance. However, the preparation of Fe-based amorphous materials is challenging; it consists of a rapid solidification process, requiring in some cases cooling rates higher than 104 K/s. For that reason, for many years the main fabrication process has been melt-spinning. This process produces thin ribbons that are extensively used to manufacture electronic devices, as well as other components. Nevertheless, there are some difficulties that must be addressed; the geometry of thin ribbons makes difficult the manufacturing of finished or semi-finished part, especially when complex geometries are required. This problem has led several researchers to explore novel materials and new fabrication processes. One of the promising technologies that has been recently used to produce amorphous materials is the gas atomisation process. Gas atomisation is a mass production process that turns a metallic molten stream into small droplets, which later solidify in a spherical form. The high cooling rates achieved during the solidification process, the elevated production rates and the product characteristics make this process a very attractive way to produce amorphous materials. In fact, it is now being considered as a substitute for melt-spinning in some applications. In order to address the problem described above and increase the knowledge in this field, this thesis presents interesting results with regard to the production of novel Fe-based amorphous alloys. Based on amorphous forming ability studies, various amorphous Fe-based compositions are produced by gas atomisation. The as-quenched powders are submitted to different heat treatments in order to study relaxation and crystallisation phenomena. In addition, after optimising the annealing process, the as-quenched, relaxed and nanocrystalline powders are used as raw materials in the manufacturing of soft magnetic cores, which are characterised in their working conditions. The as-quenched powders exhibit excellent soft magnetic properties, which are further improved by proper heat treatments. The soft magnetic cores reveal extraordinary behaviour at high-frequency, which in other words means that the power loss at high-frequency is comparatively lower than for other reported materials. Furthermore, the analysis of the results allow the author of this thesis to establish three conditions for the formation of amorphous structure of Fe-Si-B alloys. All these results are presented and proposed with the aim of considering gas atomisation as an excellent alternative to produce amorphous materials. En la actualidad, el sector industrial se está enfrentando a desafíos cada vez más grandes con respecto a la explotación de recursos naturales y el problema medioambiental. Dos de las mayores preocupaciones son el uso más eficiente de materiales y la reducción simultánea de la cantidad de energía consumida y gases contaminantes. En este contexto, los materiales magnéticos blandos han sido ampliamente estudiados debido a que son utilizados en diversos sectores industriales y en numerosas aplicaciones; la producción de estos materiales alcanza el 40% del mercado total de materiales magnéticos y están presentes en: aparatos eléctricos y electrónicos, la industria de telecomunicaciones, la conversión y transporte de energía, el sector automotriz, entre otros. En la última década, el sector eléctrico y electrónico ha aumentado exponencialmente su producción debido al uso masivo de dispositivos tecnológicos, así como la tendencia a estar totalmente conectado. Esto ha motivado a investigadores e industrias a buscar nuevos y más eficientes materiales magnéticos blandos. Dentro de este grupo de materiales, las aleaciones amorfas y nanocristalinas ricas en Fe son una de las más utilizadas debido a que exhiben superiores propiedades magnéticas blandas (elevada magnetización de saturación y coercitividades y pérdidas muy bajas). Sin embargo, la producción de materiales amorfos basados en Fe no es sencilla; consiste en un proceso de solidificación rápida, que requiere en algunos casos velocidades de enfriamiento superiores a 104 K/s. Por esta razón, durante muchos años el principal proceso de fabricación ha sido el hilado por fusión. Este proceso produce cintas delgadas que se utilizan masivamente para fabricar dispositivos electrónicos, así como otros componentes. No obstante, existen algunas dificultades que deben ser abordadas; la geometría de las cintas delgadas dificulta la fabricación de componentes, especialmente cuando se requieren geometrías complejas. Este problema ha llevado a investigadores a explorar nuevos materiales y nuevos procesos de fabricación, siendo una de ellas la atomización con gas. La atomización con gas es un proceso de producción que convierte un flujo de metal fundido en pequeñas gotas, que luego son solidificadas en forma de partículas esféricas. Las altas velocidades de enfriamiento alcanzadas durante el proceso de solidificación, las elevadas tasas de producción y las características del producto hacen que este proceso sea muy atractivo a la hora de producir materiales amorfos. De hecho, hoy en día se está considerando como un posible sustituto de los procesos convencionales. Con el fin de abordar el problema descrito anteriormente y aumentar los conocimientos en esta materia, esta tesis presenta interesantes resultados relacionados con la producción de nuevas aleaciones amorfas base Fe mediante atomización con gas. Los polvos atomizados son sometidos a diferentes recocidos fin de estudiar los fenómenos de relajación y cristalización. Además, tras optimizar el proceso de recocido, los polvos nanocristalinos, relajados y atomizados son utilizados como materias primas para la fabricación de núcleos magnéticos, que posteriormente son caracterizados en condiciones reales funcionamiento. Los polvos atomizados revelan excelentes propiedades magnéticas blandas, que son mejoradas aún más con adecuados tratamientos térmicos. Los núcleos magnéticos exhiben un comportamiento extraordinario a alta frecuencia, lo que en otras palabras significa que las pérdidas a altas frecuencias son comparativamente menores que la de otros materiales estudiados por otros autores. Además, el análisis de los resultados obtenidos ha permitido al autor de esta tesis establecer tres condiciones para la formación de estructuras amorfas en aleaciones de Fe-Si-B. Todos estos resultados se presentan y proponen con el objetivo de considerar el proceso de atomización con gas como una excelente alternativa para producir materiales amorfos.
Databáze: OpenAIRE
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