Produção e processamentos de ligas Fe1+xNi1-x nanoestruturadas

Abstract

A liga de ferro e níquel em sua estequiometria próximo de 50-50 exibe, em especial, duas fases cristalinas distintas, taenita e tetrataenita, ambas ferromagnéticas. A primeira apresenta estrutura fcc (cúbica de face centrada) com os átomos de ferro e níquel aleatoriamente distribuídos nos sítios da rede cristalina. Já a tetrataenita apresenta rede cristalina tetragonal onde os planos de átomos de ferro estão intercalados com planos de átomos de níquel; e apresenta valores altos de magnetização remanente e coercividade sendo uma boa opção para imãs de alta performance. Contudo, a fase fct-tetrataenita (tetragonal de face centrada) é observada na natureza apenas em amostras meteoríticas. Trabalhos recentes desenvolveram diversas rotas de síntese para a obtenção desta fase porém sempre aparecendo consorciada com a taenita e em pequenas quantidades. Neste estudo, produzimos a liga taenita na forma de pó nanoestruturado ferromagnético via precipitação química ultra-rápida dos metais de transição utilizando hidrazina hidrato como agente redutor no método conhecido como electroless. Neste método, a razão estequiométrica da liga precipitada é controlada diretamente pela concentração molar dos sais utilizados nos banhos. Tal liga foi caracterizada via difração de raios - X como taenita com tamanho médio de cristalito de 10 nm. A taenita nanoestruturada foi usada como material precursor em diversos tratamentos térmicos para cristalizar a fase química e magneticamente ordenada tetrataenita. Realizamos também medidas de microscopia eletrônica de varredura as quais mostraram partículas quase esféricas com uma fração coalescida e diâmetro médio de 120 nm. Magnetometria de amostra vibrante apresentou um típico comportamento ferromagnético. A espectroscopia de absorção atômica exibiu concentrações atômicas médias de 54.8 at. % de Fe e 45.2 at. % de Ni. Foram realizadas três rotas térmicas para transformar a fase fcc-taenita nanoestruturada na fct-tetrataenita: (i) tratamento térmico de longa duração por 2, 3 e 4 meses; (ii) tratamento térmico em fluxo de hidrogênio em três temperaturas distintas (360 ºC, 400 ºC e 420 ºC) por 2 horas e (iii) um protocolo baseado na nitretação com ureia seguida da denitretação (hidrogenação). O tratamento térmico de longa duração das amostras mostrou a presença significativa de magnetita de níquel, evidenciando a contaminação por oxigênio o que prejudicou o objetivo proposto. O segundo tratamento com fluxo de hidrogênio apresentou a fase fcc-taenita com um significativo estreitamento nas linhas no difratograma de raios - X e um aumento na coercividade e na magnetização remanente e de saturação para este conjunto de amostras. No protocolo baseado em nitretação seguida da hidrogenação conseguimos inserir os átomos de nitrogênio na amostra e a denitretação foi capaz de removê-los. Entretanto, análises de DRX mostraram somente a fase taenita com um pequeno aumento no seu tamanho de cristalito e diminuição de sua microdeformação, ambos esperados devido ao tratamento térmico; estes perfis devem ser repetidos com maior acurácia. Análise magnética desta amostra mostrou uma diminuição da magnetização de saturação levantando a hipótese de existir uma fração da fase tetrataenita na amostra.

Abstract: The iron and nickel alloy in stoichiometry around 50-50 exhibits, in particular, two distinct crystalline phases, taenite and tetrataenite, both ferromagnetic. The first has a fcc structure (face-centered cubic) with the atoms of iron and nickel randomly distributed in the sites of the crystal lattice. Tetrataenite, on the other hand, exhibit a face centered tetragonal lattice, where the planes of iron atoms are interspersed with planes of nickel atom; and presents high values of remanent magnetization and coercivity being a good option for high performance magnets. However, in nature the fct-tetrataenite (face-centered tetragonal) phase is observed only in meteorites samples. Recent work has developed several synthesis routes to achieve this phase, but always appearing in association with taenite and in small quantities. In this study, we produced the taenite alloy in the form of nanostructured ferromagnetic powder by ultra-rapid chemical precipitation of transition metals using hydrazine hydrate as a reducing agent in the method known as electroless deposition. In this method, the stoichiometric ratio of the precipitated alloy is controlled directly by the molar concentration of the salts used in the baths. Such an alloy was characterized by X - ray diffraction as taenite with an average crystallite size of 10 nm. Nanostructured taenite was used as precursor material in several heat treatments to crystallize the chemical and magnetically ordered tetrataenite phase. We also performed scanning electron microscopy measurements that showed quasi-spherical particles with a coalesced fraction and an average diameter of 120 nm; vibrant sample magnetometry showing a typical ferromagnetic behavior and atomic absorption spectroscopy showing average atomic concentrations of 54.8 at. % Fe and 45.2 at. % of Ni. Three thermal routes were carried out to transform the nanostructured fcc-taenite phase into fct-tetrataenite phase in the samples: (i) long-term heat treatment for 2, 3 and 4 months; (ii) heat treatment in hydrogen flow at three different temperatures (360 ºC, 400 ºC and 420 ºC) for 2 hours and (iii) a protocol based on nitriding the sample with urea followed by its hydrogenation. The long-term heat treatment of the samples showed a significant presence of nickel magnetite, showing oxygen contamination, which jeopardized the proposed objective. The second treatment with hydrogen flow presented the fcc-taenite phase with a significant narrowing of the lines in the X-ray diffractogram and an increase in coercivity and in saturation and remanent magnetizations for this set of samples. In the protocol based on nitriding followed by hydrogenation of the sample, we were able to insert nitrogen atoms into the sample and remove them thereafter. However, XRD analyzes showed only the taenite phase with a small increase in the crystallite size and a decrease in the microstrain, both expected due to the heat treatment; these profiles must be repeated with better accuracy. Magnetic analysis of this sample showed a decrease in the saturation magnetization, raising the hypothesis that there is a fraction of the tetrataenite phase in the sample.