Transición magneto-estructural en aleaciones magnetocalóricas en bulto Fe100-xRhx (x= 50, 50.5 y 51) y cintas Fe49.5Rh50.5 obtenidas por enfriamiento ultrarrápido.

Abstract

En este trabajo se analiza el comportamiento de la transición magneto-estructural del estado antiferromagnético (AFM) al ferromagnético (FM), y viceversa, en aleaciones magnetocalóricas en bulto obtenidas mediante fundición por inducción de composición química Fe100-xRhx con x= 51, 50.5 y 50, y cintas obtenidas por enfriamiento ultrarrápido de composición Fe49.5Rh50.5. La síntesis se efectuó en atmósfera controlada de átomos de Ar de alta pureza (99.999%), a partir de elementos puros: Fe (99.98 %) y Rh (99.9 %). Todas las muestras fueron tratadas térmicamente a 1273 K por 48 horas, seguido de enfriamiento brusco en agua helada. Al término de este último las muestras en bulto se cortaron en rebanadas (Fe49Rh51 y Fe49.5Rh50.5: 5 rebanadas; Fe50Rh50: 6 rebanadas). Mediante análisis por difracción de rayos X, se identificó la presencia de la estructura B2 (CsCl), que, con el calentamiento presenta la transición AFM-FM (FM-AFM). Sin embargo, coexistiendo con la fase B2 se identificaron tres fases secundarias: la γ (paramagnética), una fase con estructura fct y otra con estructura hexagonal. Dado que según la transición AFM-FM (FM-AFM) las curvas M(T) a 2 T muestran un salto de magnetización, que, aunque difiere para cada composición, es elevado (varía entre 115 y 124 Am2kg-1), se concluyó que estas fases se forman en la superficie de las rebanadas debido al esfuerzo residual que produce el proceso de pulido después del corte. Por medio de calorimetría diferencial de barrido, se identificaron las temperaturas de inicio y fin de la trasformación estructural de primer orden, que se observó en las rebanadas como en las cintas. Mediante magnetometría vibracional, se estudió la transición AFM-FM a partir de las curvas de magnetización en función de la temperatura M(T) en calentamiento y enfriamiento a campos de 5 mT y 2 T. Para las muestras Fe49Rh51 y Fe49.5Rh50.5 la transición inicia alrededor de 338 K y 345 K, respectivamente, y resulta ser más abrupta en comparación con lo obtenido para la muestra Fe50Rh50. Para esta última, la temperatura de inicio fluctúa mucho más, comenzando en promedio sobre los 355 K, y presentando una transición muy ancha. Por su parte, las cintas presentan la transición AFM-FM alrededor de los 354 K. En comparación con la misma composición en bulto, las cintas tratadas térmicamente muestran un salto de magnetización algo superior (130 Am2kg-1 versus 128 Am2kg-1, respectivamente;  2 %). El análisis de la microestructura de las cintas mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) mostró un aumento considerable del tamaño medio de grano en comparación con la cinta recién solidificadas (de 1.8 m a 79.6 m).

The present work studies the magneto-structural transformation from antiferromagnetic (AFM) to ferromagnetic (FM) states, in bulk magnetocaloric Fe100-xRhx alloys with x=51, 50.5 and 50 produced by induction melting and rapidly solidified Fe49.5Rh50.5 melt-spun ribbons. Samples were obtained under a highly pure Ar atmosphere (99.999%), from highly pure elements: Fe (99.98%) and Rh (99.9%). All the studied alloys were thermally annealed at 1273 K for 48 hours followed by water quenching. After heat treatment, bulk alloys were cut into several slices by using a diamond disk (Fe49Rh51 and Fe49.5Rh50.5: 5 slices; Fe50Rh50: 6 slices). X-ray diffraction (XRD) analysis show the presence of the B2 structure (CsCl-type), that with the temperature increase shows AFM-FM (FM-AFM) transition. However, together with B2 phase other secondary phases appear such as the paramagnetic γ phase, and two other ones with fct and hexagonal structures. The large magnetization change observed through the AFM-FM (FM-AFM) transition in the M(T) curves measured at 2 T (115 and 124 Am2kg-1 , respectively), and the fact that XRD patterns correspond to a thin surface layer led us to conclude that the residual stress induced by polishing after cutting is responsible for the formation of such secondary phases. The starting and finishing temperatures of the structural transformation both on heating and cooling, were determined on bulk and melt-spun ribbon samples by means of differential scanning calorimetry (DSC. AFM-FM (FMAFM) transition was magnetically characterized by measuring the heating and cooling M(T) curves under magnetic field of 0.005 (5 mT) and 2 T. For Fe49Rh51 and Fe49.5Rh50.5 bulk alloys the transition on heating starts around 338 K and 345 K, respectively, and is more abrupt than that of the Fe50Rh50 alloy. For the latter, the starting temperature fluctuates, starting around 355 K. Melt-spun ribbons show AFMFM transition starting around 354 K. Comparing the ribbons with the same composition bulk, the heat treated Thermally annealed ribbons show a slightly higher magnetization jump in comparison with the bulk alloy (130 Am2kg-1 versus 128 Am2kg-1 , respectively;  2%). SEM images show a significant increase in the average grain size of thermally annealed ribbons in comparison with the as-solidified ones (from1.8 m to 79.6 m).