Investigation of Structural and Magnetic Properties of the FeCoNi Nanocrystalline Powder Alloys

Abstract

In this study, (FeCo)90Ni10, (FeCo)70Ni30 ve (FeCo)50Ni50 (% wt.) nanocrystalline powder alloys are produced by mechanical alloying, where milling duration set for 5 h. The structural and morphological properties of the as-produced alloys are performed using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy/ energy dispersive spectroscopy (SEM/EDS). As a results of the XRD analysis of the alloys, fcc and bcc phases were determined. After 5 h of milling durations the crystallite sizes lattice strain of the (FeCo)90Ni10, (FeCo)70Ni30 ve (FeCo)50Ni50 alloys are calculated as 24.7, 23.2 ve 16.5 nm and 0.308 %, 0.404 % ve 0.563 %, respectively. Vibrating Sample Magnetometer (VSM) results show that the samples have soft magnetic properties with low coercivity and relatively high saturation magnetization. The high saturation magnetization of 127 emu/g and low coercivity of 18 Oe of the (FeCo)70Ni30 nanocrystalline alloy show that the alloy is a good candidate for applications that require soft magnetic properties, especially for power generation, distribution, and conversion.

Keywords

• FeCoNi
• Mechanical Alloying
• Nanocrystalline
• Magnetic Properties.

FeCoNi Nanokristal Toz Alaşımların Yapısal ve Manyetik Özelliklerinin İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada, (FeCo)90Ni10, (FeCo)70Ni30 ve (FeCo)50Ni50 (% ağ.) toz alaşımları, 5 saatlik mekanik alaşımla işlemi sonucunda nanokristal yapıda üretilmiştir. Elde edilen alaşımların yapısal ve morfolojik incelemeleri X-ışını kırınım yöntemi (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu/ enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (SEM/EDS) ile analiz edilmiştir. Alaşımların XRD analizi sonucunda yüzey merkezli kübik ve hacim merkezli kübik katı çözelti fazları tespit edilmiştir. (FeCo)90Ni10, (FeCo)70Ni30 ve (FeCo)50Ni50 alaşımlarının kristalit boyutları 5 saatlik öğütme sonucunda sırasıyla 24.7, 23.2 ve 16.5 nm olarak, örgü gerinimleri ise sırasıyla % 0.308, % 0.404 ve % 0.563 olarak hesaplanmıştır. Titreşimli Örnek Manyetometresi (VSM) sonuçları, örneklerin düşük koerzivite ve görece yüksek doyum mıknatıslanması ile yumuşak manyetik özelliğe sahip olduğunu göstermektedir. (FeCo)70Ni30 nanokristal alaşımının sahip olduğu 127 emu/g değerindeki yüksek doyum mıknatıslanması ve 18 Oe’lik düşük koerzivitesi, alaşımın özelilkle güç üretimi, dağıtımı ve çevrimi gibi yumuşak manyetik özellik gerektiren uygulamalar için iyi bir aday olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• FeCoNi
• Mekanik Alaşımlama
• Nanokristal
• Manyetik Özellikler.

Kaynakça

1. Avar, B. (2019). Nanokristal Co70Si15B15 Toz Alaşımların Yapısal, Termal ve Manyetik Özelliklerinin İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23(1), 83-89.
2. Herzer, G., Vazquez, M., Knobel, M., Zhukov, A., Reininger, T., Davies, H. A., ... & Ll, J. S. (2005). Round table discussion: Present and future applications of nanocrystalline magnetic materials. Journal of magnetism and magnetic materials, 294(2), 252-266.
3. Herzer, G. (2013). Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials. Acta Materialia, 61(3), 718-734.
4. Jayaraman, T. V., Rathi, A., & Thotakura, G. V. (2020). Evaluation of the suitability of Fe40Co30Ni30 as a precursor for Fe-rich FeCoNi-based high-entropy semi-hard magnets. Intermetallics, 119, 106715.
5. Obaidat, I. M., Issa, B., Albiss, B. A., & Haik, Y. (2015, August). Temperature dependence of saturation magnetization and coercivity in Mn0. 5Zn0. 5Gd0. 02Fe1. 98O4 ferrite nanoparticles. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 92, No. 1, p. 012012). IOP Publishing.
6. Prasad, N. K., & Kumar, V. (2016). Structure–magnetic properties correlation in mechanically alloyed nanocrystalline Fe–Co–Ni–(Mg–Si) x alloy powders. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 27(10), 10136-10146.
7. Paul, A. A., Rathi, A., Thotakura, G. V., & Jayaraman, T. V. (2021). Influence of milling atmosphere on the structure and magnetic properties of mechanically alloyed Fe40Co30Ni30. Materials Chemistry and Physics, 258, 123897.
8. Raanaei, H., & Mohammad-Hosseini, V. (2016). Morphology and magnetic behavior of cobalt rich amorphous/nanocrystalline (Co–Ni) 70Ti10B20 alloyed powders. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 414, 90-96.

9. Suryanarayana, C. (2004). Mechanical alloying and milling. Marcel Dekker Inc.
10. Shokrollahi, H. (2009). The magnetic and structural properties of the most important alloys of iron produced by mechanical alloying. Materials & Design, 30(9), 3374-3387.
11. Şimşek, T., Avar, B., Şimşek, T., Yıldız, B., Chattopadhyay, A. K., & Özcan, Ş. (2021). A Single Step Synthesis By Mechanical Alloying and Characterization of Nanostructured Fe2B of High Magnetic Moment. Ceramics International.