FeCo ve FeCoV Alaşımlarının Metalotermik Yöntem ile Üretilmesi ve Termodinamik Modellenmesi

FeCo alaşımları, yüksek enerji gerektiren ergitme sistemleriyle üretilmekte ve yüksek güç gerektiren uygulamalarile havacılık sektöründeki motor ve jeneratörlerde kullanılmaktadır. Bu çalışmada ilgili FeCo alaşımlarının, oksitlihammaddelerinden alüminyum redüktan kullanarak metalotermik redüksiyon yöntemi ile üretim parametreleriaraştırılmıştır. Metalotermik redüksiyon, ilave enerji gereksinimi olmayan ve kendi iç enerjisi ile gerçekleşenreaksiyonlara dayanan bir tekniktir. Deneysel çalışmalarda demir hammaddesi olarak Fe2O3 (hematit), kobaltkaynağı olarak Co3O4 ve redüktan olarak Al (alüminyum) kullanılmıştır. Ayrıca, ürün alaşımda kırılganlığınıgidermek için şarj karışımına ağırlıkça %2’lik V (vanadyum) ilavesinin etkisi de incelenmiş ve vanadyum kaynağıolarak V2O5 kullanılmıştır. Elde edilen alaşımların karakterizasyonlarında X-ışınları floresans spektrometrisi(XRF) ve taramalı elektron mikroskopisi (SEM-EDS) teknikleri kullanılmıştır. Ayrıca redüksiyon çalışmalarınınmodellemeleri FactSage termokimyasal modelleme programı ile gerçekleştirilmiştir. FeCo-ağ.%2V üretimi içinyapılan deneysel çalışmalarda en yüksek Fe kazanım verimi, Al stokiyometrisinin %105 olduğu deneyselçalışmada %95,56 olarak elde edilirken, aynı deneysel çalışmada Co ve V verimleri sırası ile %95,00 ve %87,05olarak elde edilmiştir. İlgili Co ve V kazanım verimleri de deneysel çalışmalar esnasında elde edilen en yüksekkazanım verimleri olmuştur.

Metallothermic Production of FeCo and FeCoV Alloys and the Thermodynamical Modelling Studies of the Process

FeCo alloys are produced by means of smelting systems with high energy requirements and, they are used in high power-requiring applications and in engines and in generators for aerospace industry. In the present study, production properties of FeCo alloys were investigated through metallothermic process by using aluminium reductant from its oxide raw materials. Metallothermic reduction is a production technique which is based on the reactions they take place with their internal energy and they do not need any additional energy. In experiments, Fe2O3 (hematite) and Co3O4 were used as the Fe and the Co sources whereas the Al (aluminium) was used as reductant. Moreover, the effect of 2wt.% V addition to final alloys was investigated to enhance the ductility of alloys and, V2O5 was the raw material to obtain the vanadium. X-ray floresans spectrometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM-EDS) methods were used to characterize produced alloys. Besides, thermodynamical modelling studies were carried out by means of FactSage thermochemical modelling software. In the experiments for the production of FeCo-2wt.%V, the highest Fe recovery efficiency was obtained as 95.56% in the experiment with 105% Al stoichiometry. In the same experiment, the Co and the V recovery efficiency ratios were 95.00% and 87.05% respectively and, those ratios were the highest values for the Co and the V recovery in experimental studies.

PDF

___

[1] Önkibar G. 2006. Entegre Demir-Çelik Tesisi Tufalinden Doğrudan Redükleme Yöntemi ile Ham Demir Üretimi. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
[2] Buğdaycı M. 2014. Krom Nikel İçeren Demirli Alaşımların Metalotermik Yöntemle Üretiminde Tufal Kullanımının Etkisi. İTÜ Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[3] Gulyaev A.P., Kupalova I.K. 1970. Effect of Cobalt on the Structure and Properties of HighSpeed Steels, Consultants Bureau, a division of Plenum Publishing Corporation, 1: 666-671.
[4] Yu R.H., Basu S., Ren L., Zhang Y., Parvizi-Majidi A., Unruh K.M., Xiao J.Q. 2000. High temperature soft magnetic materials: FeCo alloys and composites. IEEE Transactions on Magnetics, 36 (5): 3388-3393.
[6] Sundar R.S., Deevi S.C. 2005. Soft magnetic FeCo alloys: alloy development, processing, and properties. Int. Mater. Rev., 50 (3): 157-192.
[7] Sourmail T. 2005. Near equiatomic FeCo alloys: constitution, mechanical and magnetic properties. Prog Mater Sci., 50: 816-880.
[8] Díaz-Ortiz A., Drautz R., Fähnle M., Dosch H., Sanchez J. M.2006. Structure and magnetism in bcc-based iron-cobalt alloys. Phys. Rev. B, 73: 208-224.
[9] Duckham A., Zhang D.Z., Liang D., Luzin V., Cammarata R.C., Leheny R.L., Chien C.L. 2003. Temperature dependent mechanical properties of ultra-fine grained FeCo–2V. Acta Mater., 51: 4083-4093.
[10] Sundar R.S., Deevi S.C. 2004. Influence of alloying elements on the mechanical properties of FeCo–V alloys. Intermetallics, 12: 921-927.
[11] Yang B., Cao Y., Zhang L., Li R.F., Yang X.Y., Yu R.H. 2014. Controlled chemical synthesis and enhanced performance of micron-sized FeCo particles. Journal of Alloys and Compounds, 615: 322-326.
[12] Mostaan H., Shamanian M., Hasan S., Szpunar J.A. 2015. Response of structural and magnetic properties of ultra-thin FeCo–V foils to high-energy beam welding processes. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 22 (11): 1190-1198.
[13] Sergeev V.V., Bulygina, T.I. 1980. Hard Magnetic Materials. Energiya, 24: 123-127.
[14] Hilzinger R., Rodewald W. 2013. Magnetic Materials. Erlangen, Publicis Publ.
[15] White J.H., Wahl C.V. 1932. Workable magnetic compositions containing principally iron and cobalt. US patent No: 1,862,559.
[16] Kawahara K. 1983. Structures and mechanical properties of an FeCo-2V Alloy. Journal of Materials Science, 18: 3427-3436.
[17] Lawrence F. 1936. Production of Ferrocobalt. Us patent: US2051433.
[18] Koutsopoulos S., Barfod R., Tsamouras D., Eriksen K.M., Fehrmann R. 2017. Synthesis and characterization of iron-cobalt (FeCo) alloy nanoparticles supported on carbon. JALCOM, 725: 1210-1216.
[19] Loginov P., Sidorenko D., Bychkova M., Petrzhik M., Levashov E. 2017. Mechanical Alloying as an Effective Way to Achieve Superior Properties of Fe–Co–Ni Binder Alloy. Metals, 7 (570): 1-14.
[20] Biasia R.S., Figueiredoa A.B.S., Fernandes A.A.R., Larica C.C. 2007. Synthesis of cobalt ferrite nanoparticles using combustion waves. Solid State Communications, 144: 15-17.
[21] Yang B., Cao Y., Zhang L., Li R.F., Yang X.Y., Yu R.H., 2014. Controlled chemical synthesis and enhanced performance of micron-sized FeCo particles. JALCOM, 615: 322-326.
[22] Molinari A., Marchetti F., Gialanella S., Scardi E., Tiziani A. 1990. Study of the Diamond-Matrix Interface in Hot-pressed Cobalt-based Tools. Materials Science and Engineering, 130: 257-262.
[23] Zehani K., Bez R., Boutahar A., Hlil E.K., Lassri H., Moscovici J., Mliki N., Bessais L. 2014. Structural, magnetic, and electronic properties of high moment FeCo nanoparticles. JALCOM, 591: 58-64.
[24] Weimer A.W. 1997. Thermochemistry and Kinetics. In Carbide, Nitride and Boride Materials Synthesis and Processing. Chapman & Hall, London, UK, 79-114.
[25] Merzhanov, A.G. 2002. Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS). ISMAN, Russia.
[26] Munir Z.A., Tamburini U.A. 1989. Self-propagating exothermic reactions: The synthesis of hightemperature materials by combustion. Materials Science Reports, 3 (6): 277-358.
27] Pacheco M.M. 2007. Self-sustained high-temperature reactions-initiation, propagation and synthesis. PhD thesis, http://repository.tudelft.nl (Erişim Tarihi: 22.08.2019).
[28] http://web.mit.edu/2.813/www/readings/Ellingham_diagrams.pdf (Erişim Tarihi: 22.08.2019).