CC BY
14
УДК 544.654.2
М. Е. Колпаков, А. Ф. Дресвянников, Р. А. Назипов
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ Fe-Al-Co, ПОЛУЧЕННОЙ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ
Ключевые слова: железо, алюминий, кобальт, соосаждение, магнитные свойства.
Образцы дисперсной системы Fe-Al-Co получены электрохимическим методом в водном растворе. Установлены фазовый состав и тонкая магнитная структура синтезированных образцов с помощью рентгеновской дифрактометрии и мёссбауэровской спектрометрии.
Keywords: iron, aluminum, cobalt, co-precipitation, magnetic properties.
The samples of Fe-Al-Co dispersed system obtained. by electrochemical method in aqueous solution. Phase composition and magnetic structure of synthesized samples have been established .by X-ray diffraction and Mossbauer spectroscopy.
Элементные кобальт и железо являются основой многих износостойких, коррозионностойких, жаропрочных сплавов и катализаторов. Металлы семейства железа полностью растворимы друг в друге в твердом состоянии, а их сплавы обладают магнитными свойствами [1].
Известен ряд физических и химических методов получения двухкомпонентных систем Fe-Co [2,3]. Наибольшей популярностью среди физических методов получения металлических систем пользуются методы испарения-конденсации металлов, нанодиспергирование компактных материалов; среди химических - термораспад и ультразвуковое разложение металлсодержащих органических и неорганических соединений, восстановление газами. Данные методы требуют наличия специального оборудования, многостадийны, трудо- и энергоемки, поэтому их внедрение в производство сдерживается технической
сложностью, высокой стоимостью, а получаемый продукт негомогенен по составу и содержит, в ряде случаев, значительное количество оксидов и гидроксидов. Требование же равномерности распределения элементного состава по объему материала во многом определяет их характеристические свойства (фазовый состав, дисперсность, пористость, форма и состояние поверхности).
В этом отношении перспективны способы получения металлических порошков с высокой степенью дисперсности совместным восстановлением ионов металлов в растворах, что делает возможным получение структур типа твердых растворов замещения непосредственно в процессе синтеза, а также регулирование в пределах требуемого диапазона, размеров и формы частиц путем изменения условий осаждения. Электрохимическими методами можно получать уникальные сплавы и системы, которые затруднительно или невозможно получить традиционными способами.
Электролитические сплавы отличаются от полученных металлургическими и прочими методами мелкозернистостью, наличием текстуры, а также фазовой и тонкой магнитной структурой.
Сплавы железо-кобальт обладают
высокодисперсной структурой, лучшими
антикоррозионными свойствами по сравнению с чистым железом [4]. Предыстория получения этих сплавов оказывает большое влияние на их физико-химические и физико-механические свойства.
Ранее в работе [5] описано получение в водных растворах путем восстановления на алюминиевой матрице образцов, содержащих элементные a-Fe, Al и Co, и проведено исследование электрохимических закономерностей формирования дисперсных прекурсоров системы Fe-Al-Co [5].
Проведенные ранее эксперименты позволяют [5] предположить, что реакции совместного восстановления ионов Fe(III) и Co(II) в растворе являются сопряженными: многостадийная реакция Fe(III)^Fe(II)^Fe(I)^Fe(ü) инициирует процесс восстановления Co(II)^Co(0). Одновременно с соосаждением элементных металлов имеет место выделение водорода. Водород частично поглощается и накапливается в осадке металлов семейства железа [2].
Высокие степени превращения железа и кобальта наблюдаются при одинаковых концентрациях водных растворов FeCl3 и CoCl2, при этом происходит практически синхронное осаждение обоих металлов и электролитическое сплавообразование [5]. Синтезированные образцы характеризуются четко определяемыми рефлексами, соответствующими FeCo и Al, без проявления оксидных фаз (рис.1).
X
л
Рис. 1 - Рентгеновская дифрактограмма синтезированного в водном растворе дисперсного образца Ре-А1-Со
Микрофотография синтезированной системы Ре-А1-Со представлена на рис.2. Частица представляют собой пористую структуру микронных размеров, которая состоит из сферических зародышей, расположенных на криволинейной поверхности матрицы и объединенных в линейные и планарные образования.
Рис. 2 - Микрофотография поверхности дисперсного образца системы Fe-Al-Co
Мёссбауэровский спектр синтезированного образца Fe-Al-Co представлен на рис.3 Анализ ЯГР -спектра исследуемого образца показал, что основной вклад вносит магнитоупорядоченное соединение со сверхтонким полем с параметром 348 кЭ, вероятнее всего являющееся твердым раствором (механической смесью). В центральной части спектра присутствует область, соответствующая соединению с изомерным сдвигом IS = 0,36±0,03 мм/с, которое можно отнести, например, к парамагнитному оксиду железа (III) (ß-Fe2O3) [6]. Количество этого соединения весьма невелико (< 1 %).
Рис. 3 - Мессбауэровский спектр дисперсного образца системы Ре-А1-Со
В таблице 1 приведены значения сверхтонких параметров, полученные в результате анализа мёссбауэровских спектров образца Ре-А1-Со.
Р-Ре203 является редко встречающимся соединением, этот полиморф практически отсутствует в природе. В [6] показано, что
парамагнитная фаза оксида железа(Ш) образуется при механическом истирании порошка железа в шаровой мельнице. Следует отметить, что полиморф Р-Ре203 является метастабильным и при температуре 500°С превращается в гематит [6].
Таблица 1 - Значения сверхтонких параметров дисперсного образца системы Ре-А1-Со, синтезированного в водном растворе электрохимическим способом
Вещество Изомер- Квадру- Сверх- Относи-
ный польное тонкое тельная
сдвиг, расщеплен поле, площадь
IS±0,03 ие, H ±5 в спектре,
(мм/с) QS±0,03 (кЭ) S±5 (%)
(мм/с)
Fe-Co
(твердый 0,03 0,01 348 97
раствор)
^-Fe2Ü3 0,36 - - 3
Экспериментальная часть
Образцы синтезировали с помощью способа, описанного в [2] и исследовали рентгенофазовым методом анализа на установке D2 PHAZER (Bruker) на предмет получения информации о фазовом составе. При расшифровке дифрактограмм использовали базу данных PDF-4.
Микросъемку частиц синтезированных образцов проводили с помощью электронного сканирующего микроскопа «Mini-SEM SX-3000» (EVEX).
Трансмиссионные мёссбауэровские спектры были получены на спектрометре SM1101, модулятор которого работал в режиме постоянного ускорения (симметричный сигнал движения). В качестве источника резонансных гамма-квантов использовался изотоп 57Co в матрице родия с активностью около 50 мКи (Ritverc). Калибровка скоростной шкалы спектрометра проводилась по фольге a-Fe (образцовый поглотитель Ritverc MRA.1.6.). Математическая обработка мёссбауэровских спектров осуществлялась с помощью программ MossFit 3.1 и UnivemMS дискретным методом.
Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием по получению и исследованию наночастиц металлов, оксидов металлов и полимеров «Наноматериалы и нанотехнологии» ФГБОУВО "КНИТУ".
Литература
1. М.Е. Колпаков, А.Ф. Дресвянников, В.Н. Доронин, В.В. Парфенов, Е.А. Терентьева, Вестник Каз. технол. ун-та. 13, 8, 468-472 (2010).
2. А.Ф. Дресвянников, М.Е. Колпаков, Темплатный синтез микро- и наноразмерных прекурсоров полиметаллических систем в водных растворах с использованием алюминиевой матрицы. КДУ, Москва, 2012. 350 с.
3. M. Zubris, R.B. King, H. Garmestani, R. Tannenbaum, J. Mater. Chem.. 15, 12, 1277-1285 (2005).
4. Ю.Н. Петров, Г.В. Гурьянов, Ж.И. Бобанова, С.П. Сидельникова, Л.Н. Андреева, Электролитическое осаждение железа. Штиинца, Кишинев, 1990. 195 с.
5. М.Е. Колпаков, А.Ф. Дресвянников, Вестник Каз. технол. ун-та. 14, 11, 173-178 (2011).
6. R. Zboril, M. Mashlan, D. Petridis, Chem. Mater. 14, 3, 969982 (2002).
© М. Е. Колпаков - д.х.н., проф. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, [email protected]; А. Ф. Дресвянников - д.х.н., проф. той же кафедры, [email protected]; Р. А. Назипов - к.ф.-м.н., младший научный сотрудник лаборатории «Радиохимия».
© M. E. Kolpakov - Dr.Sa, Prof., Department of analytical chemistry, certification and quality management KNRTU, [email protected]; A. F. Dresvyânnikov - Dr.SC., Prof., the same Department, [email protected]; R. A. Nazipov -PhD, junior researcher of laboratory «Radiochemistry».
