CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere a un método para el estudio de la evolución de las propiedades magnéticas y estructurales de materiales magnéticos blandos amorfos y nanocristalinos y el aparato que emplea dicho método.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Usualmente, las medidas de Magnetización en temperatura y de campo coercitivo de llevan a cabo en equipos llamados VSM (Vibrating Sample Magnetometer) con la incorporación de un horno para proporcionar temperatura.

Estos equipos suelen producir campos magnéticos más potentes que los del presente equipo porque se usan también para materiales magnéticos duros (imanes) y pueden tener implementos para baja temperatura, por ej. [4] [5]. Las diferencias fundamentales son que la presente invención permite el estudio magnético en frecuencias, permite la medición de la resistividad eléctrica de la muestra y permite medir un punto a alta temperatura y el siguiente a temperatura ambiente, debido a la baja inercia del sistema, todas estas medidas en forma casi simultánea, y, de esta forma, se obtiene mucha más información sobre una sola muestra. La patente US 5069428, relacionad con "A: Method and apparatus of continuous dynamic joule heating to improve magnetic properties and to avoid annealing embrittlement of ferro-magnetic amorphous alloys", propone un equipo y método para realizar recocidos a cintas amorfas y nanocristalinas por la técnica de Joule heating que a la vez proporciona una mejora en las propiedades magnéticas y mecánicas.

Respecto a la técnica de tratamiento térmico por efecto "Joule Heating" sobre estos materiales, los primeros trabajos comenzaron a desarrollarse en 1983 [1] aplicando a las cintas corrientes de hasta 5 A por tiempos de hasta 20 s, con el objeto de relajar las tensiones del material aún en estado amorfo y mejorar así sus propiedades magnéticas. Posteriormente, comenzaron a desarrollarse nuevos trabajos con este tipo de tratamiento, a distintas corrientes y tiempos de aplicación, que también se usaron para lograr la nanocristalización de algunos materiales. En 1987, se comenzó a usar esta técnica, ya no sólo para obtener alguna relajación estructural o la cristalización, sino para estudiar la evolución de la estructura con la temperatura generada por el calentamiento Joule mediante la medición de la resistencia eléctrica a medida que se incrementaba linealmente la corriente aplicada sobre la muestra [2]. Este tipo de tratamientos es muy escaso en la literatura y particularmente sólo se han encontrado dos artículos sobre sistemas amorfos [2], [3], y otros dos en sistemas nanocristalinos [4], [5].

Por otra parte, y en relación al uso combinado de varias técnicas o experimentos para el estudio de los materiales, es particularmente común en estas aleaciones metálicas amorfas y nanocristalinas el determinar la variación de dos o más propiedades con la temperatura de recocido (y con distintos tipos de recocidos) y compararlas en un único gráfico ya sea para identificar los cambios o reordenamientos estructurales o para determinar las condiciones óptimas de recocido de dichas propiedades. La literatura científica está llena de dichos ejemplos como ser, los tres artículos a los que nos referiremos brevemente a continuación:

(1) En la referencia [6], los autores midieron en forma separada con técnicas tradicionales las propiedades de permeabilidad magnética (□r ^Amb ) y resistencia eléctrica (R ^Amb ), ambas a temperatura ambiente, sobre cintas nanocristalinas, luego de varios recocidos. Luego realizan una confrontación de ambas en la Fig. 2 de dicha referencia.

(2) En la Referencia [7], los autores comparan, sobre una misma aleación, curvas de magnetización en temperatura (Ms ^Temp ) y de resistencia eléctrica a temperatura (R ^Temp ) obtenidas en distintos trabajos (y, en consecuencia, no en forma simultánea sobre la misma cinta). Dicha comparación se encuentra en la Fig. la de dicha referencia.

La diferencia experimental entre estos dos artículos mencionados es que, además de determinar propiedades distintas para compararlas con la resistencia eléctrica, el primero lleva a cabo las mediciones en temperatura ambiente mientras que en el segundo las mediciones son a temperatura.

(3) En la Referencia [8], los autores desarrollan un dispositivo para determinar los ciclos de histéresis de cintas nanocristalinas en función de la temperatura y del tiempo de recocido obteniendo los valores de Imanación de Saturación (Ms ^Temp ), Campo Coercitivo (Hc ^Temp ) y la relación de Imanación de Saturación sobre la Imanación remanente. Dichos resultados están graficados en la Fig. 5 de dicha referencia.

La presente invención, puede determinar en un solo experimento estas cuatro propiedades mencionadas, y en las condiciones de temperatura ambiente (Dr ^Amb , R ^Amb , Ms ^Amb y Hc ^Amb ) y en temperatura del ensayo (Dr ^Temp , R ^Temp , Ms ^Temp y Hc ^Temp ) en forma casi simultánea. RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Es entonces un objeto de la presente invención proveer un método para el estudio de la evolución de las propiedades magnéticas y estructurales de materiales magnéticos blandos amorfos y nanocristalinos, que permita medir en forma casi simultánea varias propiedades (en la actualidad podemos mencionar tres propiedades magnéticas y una eléctrica a temperatura ambiente y a alta temperatura en forma casi simultánea).

Es por lo tanto un objeto de la presente invención proveer un dispositivo para el estudio de la evolución de las propiedades magnéticas y estructurales de materiales magnéticos blandos amorfos y nanocristalinos, estando el dispositivo caracterizado porque comprende al menos un primer conjunto de de, al menos un segundo conjunto de bobinas, una disposición de sujeción de la muestra en forma de cinta, una fuente de energía para los recocidos, un amplificador de corriente, un hardware asociado y un software.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para mayor claridad y comprensión del objeto de la presente invención, se lo ha ilustrado en varias figuras, en las que se ha representado el mismo en una de las formas preferidas de realización, todo a título de ejemplo, en donde:

La figura 1 es un esquema eléctrico del equipo empleado con el método objeto de la presente invención;

Las figura 2a y 2b son imágenes esquemáticas.

La figura 3 representa los gráficos a - e que muestra los resultados obtenidos mediante el método de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DEL EJEMPLO DE REALIZACION Haciendo referencia a la figura 1, el equipo consta de:

a) Un primer sistema de bobinas para determinar las propiedades de ciclos de histéresis realizados a 50 Hz (por métodos tradicionales) con un bobinado primario o inductor y otro secundario o inducido dispuestos el segundo dentro del primero en forma co-lineal. La muestra se coloca dentro de este segundo bobinado (sistemas de bobinas mostrado en la Fig. 1).

b) Un segundo sistema de bobinas para determinar la permeabilidad magnética a alta frecuencia (50 a 5000 kHz, por ejemplo) por métodos tradicionales con un bobinado primario o inductor y otro secundario o inducido dispuestos el segundo dentro del primero en forma co-lineal, como en el caso (a), pero de características eléctricas distintas, optimizadas para este tipo de medidas. La muestra se coloca dentro de este segundo bobinado (no se muestra el sistema de bobinas en la Fig. 1 por cuestiones de claridad del gráfico, pero resulta algo análogo al sistema (a)).

c) Un sistema de sujeción de la muestra en forma de cinta, que provee los contactos eléctricos para el recocido por efecto Joule y provee (o no) también las tensiones mecánicas para recocidos bajo tensiones (se muestra en la Fig. 2).

d) Una fuente de corriente para los recocidos (100 o 200 W de potencia) e) Un amplificador de corriente y/o voltaje para la generación del campo magnético.

f) Un hardware compuesto de una tarjeta adquisidora de datos. g) Un software basado en la arquitectura Labview de instrumentación virtual.

Los dos juegos de bobinas (para realizar los ciclos de histéresis y para determinar la permeabilidad magnética) se colocan en forma vertical, se hace pasar la muestra de unos 12 cm de largo (la muestra debe ser en forma de cinta o hilo) por el interior de las bobinas secundarias y se sujeta la muestra fuertemente en los dos extremos con contactores eléctricos (electrodos) (Fig.2). Para evitar que el peso de los electrodos afecte ya sea las medidas como a la estructura de dominios durante los tratamiento térmicos (en muestras sensibles a tensiones mecánicas), el electrodo inferior se coloca sobre un extremo de una balanza de palanca y se compensa su peso con pesas en el otro extremo (Fig.2a).

Si por el contrario se requiere aplicar una tensión para estudiar su efecto, se colocan las pesas en el electrodo inferior (Fig.2b.)- Si se requiere realizar tratamientos con campo magnético aplicado en forma co-lineal a la cinta, se puede usar la bobina primaria para generar ese campo. En caso de requerir un campo transversal a la cinta, fácilmente se puede implementar una bobina (de Helmholtz, por ejemplo) adicional para ello. Estos dos tipos de experimentos, con tensiones aplicadas y con campo magnético aplicado, son muy comunes en estos tipos de materiales (por ej. [1],[2]).

El principio de funcionamiento consta en hacer pasar una corriente por la muestra durante unos segundos (6 segundos aprox.). Durante ese tiempo, la muestra llega a calentarse a una temperatura que dependerá de la corriente suministrada; a esta temperatura se miden la resistencia eléctrica, el campo coercitivo, la imanación de saturación y la permeabilidad magnética. Seguidamente, se deja reposar la muestra a temperatura ambiente para volver a tomar las medidas de esas cuatro cantidades. El proceso se repite a una corriente mayor (mayor temperatura) y se van registrando los eventos.

Haciendo referencia a la figura 3, se observan los resultados obtenidos en un ciclo de calentamiento de una cinta inicialmente amorfa de composición química de Fe ₇ 3 SÍ16.5 B Nb ₃ Cuj, de dimensiones de 12 cm de largo y sección transversal de 0,5 x 0.026 mm2. El ciclo de calentamiento comenzó aplicándosele a la cinta una corriente de 0.2 A. Fue comprobado con anterioridad que, con este valor de corriente, que no produce ningún cambio estructural en la muestra.

De 0.2 A se subió la corriente hasta 0.22 en cuatro etapas de 0.05A cada una

(es decir: 0.205, 0.21, 0.215 y 0.22 A) con una duración de 1.5 s en cada etapa. Seguidamente, se bajó la corriente a 0 A. En cada una de las etapas, incluida la de 0 A, se determinaron los valores de: Imanación de Saturación (Ms), Campo coercitivo (He, 50Hz), Permeabilidad magnética (ur, 100kHz) y resistencia eléctrica (R). Seguidamente, una vez alcanzada la temperatura inicial del sistema, se continuó hacia un segundo punto hasta los 0.24 A en cuatro etapas (ídem anterior) y seguidamente a 0 A (ídem anterior). De esta forma se pudieron construir las curvas de la Fig. 3, en donde sólo se colocaron los valores obtenidos en las etapas de máxima corriente y de 0 corriente en cada paso (por una cuestión de claridad de las figuras, entendiendo que las primeras etapas son transitorias, y que no aportarían más información) pero todas las informaciones quedan grabadas en archivos individuales para su posterior análisis si se desea.

Propiedades obtenidas:

1. Ms a alta temperatura, Ms ^Temp , en Graf. (a)

2. Ms a temperatura ambiente, Ms ^Amb , en Graf. (a)

3. He a alta temperatura, Hc ^Temp , en Graf.(b)

4. He a temperatura ambiente, Hc ^Amb , en Graf. (c)

5. R a alta temperatura, R ^Tem P _{5 e} n Graf. (d)

6. R a temperatura ambiente, R ^m , en Graf. (d)

7. _μ - a alta temperatura, Temp , en Graf (e)

Amb

8. μτ a temperatura ambiente. ', en Graf. (e)

Del análisis de estas curvas se puede ver que: Durante la primera etapa no existen cambios estructurales importantes ni relajación estructural hasta el valor de corriente de recocido de 0.5 A, que sea detectable por todas las propiedades medidas. A partir de ese valor de corriente de recocido, sí se puede detectar una relajación estructural, que es detectada principalmente por las medidas de ^ ^m , y en mucho menor grado, por el Hc ^Amb . La relajación estructural comprende las regiones 2 y 3 (R2 y R3, respectivamente). Estas dos regiones, están divididas por el inicio del desorden magnético indicado claramente por la Temperatura de Curie (T _c l) con Ms ^Temp en el graf. (a), y la caída de la ur ^Temp en el Graf (e). Es interesante notar que las otras seis propiedades que mide el equipo no detectan claramente el comienzo de la relajación estructural. De allí la importancia de tener la capacidad de medir todas estas propiedades. En el transcurso de la evolución, este hecho, de que algunas propiedades detectan algún cambio y las otras no, se repetirá continuamente.

Etapa II, de nanocristalización (R4). Esta etapa está marcada por la (nano)cristalización de parte del material que se observa claramente por la caída de la R ^Amb debido a que el material cristalino es mejor conductor eléctrico que el amorfo. En la R ^Temp también es posible notar un cambio en la pendiente justamente porque ya no es el mismo material amorfo sino que se trata de otro material (nanocristalizado). Las consecuencias de este cambio estructural en las propiedades magnéticas se observan claramente en el Hc ^Amb que llega a su valor mínimo, en el μτ^^ que llega su valor máximo. Esta es la etapa de mejores condiciones para un tratamiento térmico.

Etapa III de cristalización masiva (R5). A partir de aproximadamente los 0.9A de corriente de tratamiento térmico, el material comienza una cristalización masiva que hace perder las propiedades magnéticas blandas. Esto es confirmado por el incremento del Hc ^Amb y la disminución de ^ ^m . Etapa IV, monitoreo del regreso. Lo que se puede observar que durante la reversa del tratamiento térmico, el material continúa algunos cambios estructurales iniciados al final del ciclo (Le., a corrientes de 1A) ya que el Ms ^Amb muestra un incremento en su regreso y el Ms ^Temp deja ver claramente el pico de una nueva fase magnética hacia los 0.83 A, que no existía en el primer tratamiento térmico (la ida). Además se sigue observando la temperatura de Curie T _c 2 del material amorfo lo que nos indica que la cristalización no ha sido total.

Por lo expuesto, resulta que con una muestra hemos podido obtener una gran cantidad de datos acerca de su evolución estructural y magnética, que de otra manera hubiéramos tenido que usar al menos tres equipos, usando diferentes muestras y sin conocer los datos a temperatura ambiente.

A continuación se describen los pasos necesarios para llevar a cabo el experimento descrito en la presente invención.

1) Se corta un trozo de cinta (o hijo) del material a ensayar con una longitud de 12 cm aproximadamente.

2) Se coloca la cinta dentro del tubo portador de los dos juegos de bobinas como se muestra en la figura 2.

3) Se colocan los electrodos cada uno cerca de los extremos de la cinta (figura 2)

4) Se realiza una prueba de continuidad (prueba incorporada en el software), para asegurarse que pasa corriente por los electrodos y por la muestra.

5) El electrodo inferior es colocado en unos soportes a modo de un platillo de la balanza si es que se pretende realizar el ensayo sin tensiones mecánicas inducidas. Si se quisiera inducir tensiones, se adicionan al electrodo las pesas correspondientes para la tensión mecánica deseada.

6) En el software se colocan los datos para realizar el tratamiento térmico deseado y se comienza con el experimento.

Posibles usos y aplicaciones comerciales:

a) El equipo sirve para hacer estudios de respuesta magnética de materiales amorfos y nanocristalinos en función de recocidos (tratamientos térmicos) efectuados por la técnica de Joule heating. De esta forma, se puede determinar el tratamiento térmico correcto para obtener la óptima característica magnética deseada.

b) El equipo es capaz de determinar las propiedades magnéticas ya sea a temperatura ambiente o durante la ejecución de los recocidos (temperaturas > 1000 °C) durante cortos períodos de tiempo (lo suficiente para que el material se estabilice en temperatura y se tomen las medidas).

c) Las propiedades magnéticas que puede determinar son: Imanación de Saturación, Campo Coercitivo y permeabilidad en frecuencia. Se está trabajando en mejoras para poder determinar además las pérdidas magnéticas. Estas medidas podrían ser efectuadas en bajas o altas frecuencias, dependiendo del instrumental usado para la generación y adquisición de datos y el juego de bobinas utilizado. En la actualidad, la imanación de saturación y el campo coercitivo está siendo determinado a una frecuencia de 50 Hz y la permeabilidad a 100 kHz, ambas frecuencias elegidas por las características de los materiales que estamos ensayando.

d) Tiene la posibilidad de realizar los recocidos con la aplicación de una campo magnético (en el caso del prototipo, el campo es solo aplicado co-lineal con la cinta, pero una segunda bobina puede ser dispuesta en forma transversal, por ejemplo, con una bobina de Helmholtz) o con tensiones mecánicas. Estos estudios son frecuentes para este tipo de materiales ya que cambian sus propiedades magnéticas para su aplicación comercial.

e) Además de las propiedades magnéticas, el equipo determina la resistencia eléctrica de la muestra en función de los recocidos, a alta temperatura y a temperatura ambiente.

f) Combinando la información de respuestas magnéticas y eléctricas se puede realizar interesantes estudios acerca de la evolución estructural (relajaciones estructurales, y cristalización, temperatura de Curie), datos muy interesantes para los laboratorios de investigación.

Referencias citadas en la presente descripción

[1]T. Jagielinski, Flash annealing of amorphous alloys, IEEE Trans. Magn. 19 (1983) 1925-1927. doi: 10.1109/TMAG.1983.1062629.

[2]P. Rougier, R. Krishnan, Stability studies in Fe-Ni based amorphous ribbons: Some refinement, IEEE Trans. Magn. 23 (1987) 2134—2135. doi: 10.1109/TMAG.1987.1065626.

[3]C. Djega-Mariadassou, P. Rougier, J.L. Dormann, H. Kadiri, A. Berrada, Joule heating method coupled with Móssbauer spectroscopy for the study of the crystallization of amorphous ribbons, Hyperfine Interact. 45 (1989) 343-350. doi:10.1007/BF02405898.

[4JF.C.S. da Silva, E.F. Ferrari, M. Knobel, I.L. Torriani, D.R. dos Santos, Controlling Fe nanocrystallization in amorphous Fe[sub 86]Zr[sub 7]Cu[sub l]B[sub 6] by linear varying current Joule heating, Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 1375. doi:10.1063/l.1290049. [5]J.A. Moya, V. Cremaschi, F.C.S. Silva, M. Knobel, H. Sirkin, Infuence of the heat treatment method on magnetic and mechanical properties of the Fe73.5Sil3.5B9Nb3Cul alloy, J. Magn. Magn. Mater. 226-230 (2001) 1522 } 1523. doi:http://dx.doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00945-8.

[6]P. Kwapulinski, J. Rasek, Z. Stoklosa, G. Haneczok, Optimisation of soft magnetic properties in Fe-Cu-X-Sil3B9 (X=Cr, Mo, Zr) amorphous alloys, J. Magn. Magn. Mater. 234 (2001) 218-226. doi: 10.1016/S0304-8853(01)00349-3.

[7]N. Mitrovic, S. Roth, S. Djukic, J. Eckert, Magnetic Softening of Metallic Glasses by Current Annealing Technique, in: B. Idzikowski, P. Svec, M. Miglierini (Eds.), Prop. Appl. Nanocrystalline Alloys Amorph. Precursors, Springer- Verlag, Berlin/Heidelberg, 2005: pp. 331-344. http://link.springer.com/10.1007/l-4020- 2965-9_30 (accessed September 24, 2015).

[8]F. Mazaleyrat, J.C. Faugiéres, J.F. Rialland, Thermomagnetic study of Finemet type nanocrystalline alloy by in situ hysteresis measurements, J. Magn. Magn. Mater. 159 (1996) L33-L38. doi: 10.1016/0304-8853(96)00372-l.