Nghiên cứu, chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ nguyên liệu công nghiệp

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 60 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 NGUYỄN VĂN KHÁNH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT NdFeB TỪ NGUYÊN LIỆU CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 61 MỤC LỤC MỞ ĐẦU………………………………………………………………… 6 NỘI DUNG 9 Chương 1: Tổng quan………………………………………………… 9 1.1. Lịch sử phát triển ……………………………………………… 9 1.2 Công thức hoá học, cấu trúc tinh thể …………………………… 10 1.3 Các đặc tính của vật liệu…………………………………………… 11 1.4 Cơ chế lực kháng từ ……………………………………………… 13 1.5. Công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB ……………… 14 1.6. Nam châm NdFeB chế tạo bằng các công nghệ khác. ……………… 17 Chương 2: Thực nghiệm ……………………………………………… 28 2.1. Phương pháp nấu hợp kim bằng lò hồ quang trong môi trường khí bảo vệ . 28 2.1.1. Lò hồ quang 30 2.1.2. Nồi lạnh (cold crucible) …………………………………… 32 2.2. Các phương pháp khảo sát vật liệu …………………………………. 33 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ………………………………… 33 2.2.2 Phép đo đường cong từ trễ xác định H c , B r , BH max ……………. 35 23. Thực nghiệm chế tạo nam châm thiêu kết bằng vật liệu công nghiệp 37 2.3.1. Vật liệu sử dụng ……………………………………………… 35 2.3.2. Nấu hợp kim ban đầu ………………………………………… 36 2.3.3. Nghiền vật liệu ……………………………………………… 36 2.3.4. Qui trình ép mẫu …………………………………………… 36 2.3.5. Quy trình xử lý nhiệt ……………………………………… 36 Chương 3 : Kết quả và thảo luận …………………………………… 39 3.1. Nấu hợp kim ban đầu. ………………………………………………. 40 Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 62 3.2. Nghiền vật liệu. …………………………………………………… 40 3.3. Quy trình ép mẫu. ………………………………………………… 43 3.4. Quy trình xử lý nhiệt ……………………………………………… 44 KẾT LUẬN …………………………………………………………… 56 Tài liệu tham khảo …………………………………………………… 57 Phụ lục ………………………………………………………………… 60 Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 63 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Nam châm NdFeB lần đầu tiên được chế tạo thành công vào năm 1982, được công bố đồng thời bởi hai công ty lớn là General Motors corporation (Hoa Kỳ) và Sumitomo Special Metals (Nhật Bản), và sau đó là Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cũng công bố chế tạo thành công loại nam châm này. [7] Nam châm đất hiếm được biết đến là mạnh hơn rất nhiều so với các loại nam châm truyền thống như nam châm ferrite, nam châm AlNiCo, hay vượt trên cả nam châm hợp kim FePt, CoPt. Do vậy từ khi ra đời đến nay đã và đang chiếm tỷ trọng lớn trong thị trường nam châm trên toàn thế giới (chiếm khoảng 40% thị phần các loại nam châm trên toàn thế giới) [17]. Với rất nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các nam châm thế hệ trước, nam châm đất hiếm không chỉ góp phần thu nhỏ kích thước mà còn tạo ra những ứng dụng mới trong việc chế tạo các sản phẩm mới, độc đáo mà trước đó chưa hề có như: mô tơ hình đĩa dùng để quay đĩa ổ cứng máy tính, máy chụp ảnh cộng hưởng từ, xe đạp điện, xe lăn điện, máy phát thuỷ điện, máy phát điện bằng sức gió, máy tuyển từ, các loại máy được sử dụng để khai thác các loại khoáng sản như: sắt, titan, sa khoáng… phục vụ cho ngành sản xuất đồ gốm - sứ, đồ thuỷ tinh hoặc kim loại. Ở nước ta có nguồn tài nguyên phong phú về đất hiếm, vấn đề năng lượng ngày càng đòi hỏi phải kết hợp nhiều giải pháp từ việc giải quyết ở quy mô nhỏ, lẻ phục vụ cho các khu vực xa xôi hẻo lánh cho đến các giải pháp ở quy mô toàn quốc trong một tổng thể phát triển chiến lược của đất nước. Một biện pháp đang được nhà nước rất quan tâm đó là việc sử dụng lại các nguồn năng lượng sẵn có như: năng lượng mặt trời, gió, nước ( các Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 64 nguồn năng lượng tái tạo) để chuyển đổi thành điện năng…Trong các hoạt động đó, nam châm đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu trong các máy phát điện, các động cơ…đó là vai trò chuyển đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng và từ điện năng thành cơ năng. Nam châm đất hiếm với các đặc tính ưu việt của mình đã tập chung được sự chú ý của các nhà nghiên cứu công nghệ nhằm hoàn thiện việc chế tạo chúng, ứng dụng chúng trong những lĩnh vực khác nhau mà nhờ đó rất nhiều sản phẩm có hiệu suất cao ra đời và nhanh chóng chiếm thị trường lớn trên thế giới. Việc nghiên cứu, chế tạo nam châm và ứng dụng nam châm bột thiêu kết loại NdFeB chính là để phục vụ cho các mục đích nói trên. Hiện nay ở nước ta đã có một số nơi nghiên cứu và chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB và đã chế tạo được các nam châm thiêu kết có tích năng lượng cực đại tới trên 30MGOe từ các nguyên liệu sạch [1], các nghiên cứu trên các vật liệu công nghiệp được đánh giá là chưa đạt yêu cầu. Để đánh giá mức độ chưa đạt yêu cầu của các vật liệu có độ sạch công nghiệp trong công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết rất cần thiết phải có các nghiên cứu tỉ mỉ hơn với các cố gắng cần thiết và sự kiên trì để hy vọng rằng có thể có các kết luận khả quan hơn hoặc rõ ràng hơn. Với những lý do đó, được sự giúp đỡ của PGS. TS Lưu Tuấn Tài chúng tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu, chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ nguyên liệu công nghiệp”. 2. Mục đích nghiên cứu Tìm kiếm quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ các nguyên liệu có độ sạch công nghiệp nấu với khối lượng lớn (5 kg một lần nấu), cố gắng có thể thu được các nam châm có tích năng lượng cực đại ( BH) max đạt khoảng trên 20 MGOe. Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 65 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu, xác định tỉ phần các nguyên liệu có độ sạch công nghiệp để chế tạo hợp kim NdFeB thích hợp cho việc chế tạo nam châm bằng phương pháp nóng chảy hồ quang trong môi trường khí Ar. - Nghiên cứu, xác định quy trình công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB trên các thiết bị của phòng thí nghiệm phấn đấu đạt kết quả nam châm có tích năng lượng cực đại đạt trên 20 MGOe. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB tại phòng thí nghiệm từ nguyên liệu có độ sạch công nghiệp - Chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB có tích năng lượng khoảng 20MGOe. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thực nghiệm 6. Giả thiết khoa học Tìm được quy trình chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ nguyên liệu có độ sạch công nghiệp. Luận văn bao gồm các phần sau: - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan về nam châm NdFeB - Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm - Chương 3: Kết quả và thảo luận - Kết luận - Tài liệu tham khảo - Phụ lục Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 66 NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT NdFeB 1.1 Lịch sử phát triển.[7] Ngày 2/6/1983 nhóm nghiên cứu đứng đầu là M.Sagawa của hãng các kim loại đặc biệt Sumitomo tại Nhật Bản đã công bố đầu tiên về vật liệu nam châm vĩnh cửu trên cơ sở Fe ( loại nam châm bột thiêu kết) với tích năng lượng cực đại (BH) max = 36MGOe. Đến tháng 11/1983 tại Hội nghị từ quốc tế ở Pittsburgh, họ công bố đó là nam châm NdFeB. Các thông tin chi tiết về cơ sở, thành phần và công nghệ đã được M.Sagawa và các cộng sự công bố trên tạp chí chuyên nghành năm 1984. Quy trình công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB giống như quy trình chế tạo nam châm SmCo 5 . Kể từ đó đến nay qua rất nhiều bước phát triển năng lượng cực đại đã đạt tới giá trị chưa từng có đối với mọi nam châm từ trước tới nay tại nhiệt độ phòng là lớn hơn 400KJm -3 (lớn hơn 50MGOe). Năm 1985 Sagawa và các cộng sự đã công bố kết quả chế tạo được nam châm NdFeB bằng phượng pháp bột thiêu kết với các thông số cụ thể là: Br = 1,46T, I H c = 736KAm -1 (9,2kOe), giá trị B H c chỉ kém hơn một chút so với I H c , (BH) max = 405KJm -3 (50,6MGOe). Năm 2000, W.Rodewald và các cộng sự tại hội nghị về nam châm đất hiếm và các ứng dụng của chúng đã công bố kết quả chế tạo được nam châm NdFeB thiêu kết với thông số cụ thể là: Br = 1.47T, j H c = 960Kam -1 (12kOe) và (BH) max = 53MGOe ( theo lý thuyết BH max = 63MGOe). Cũng tại hội nghị ở Pittsburgh 11/1983, Croat và các cộng sự thuộc nhóm nghiên cứu của hãng General Motor (Mỹ) đã công bố chế tạo bằng phương pháp phun băng từ dung dịch nóng chảy, phương pháp làm lạnh nhanh ( melt- Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 67 spnning), với thành phần hợp kim NdFeB đạt giá trị tích năng lượng cực đại, BH max =14MGOe. Từ đó đến nay, qua các bước phát triển với việc áp dụng công nghệ ép nóng (hot pressing) và công nghệ ép nóng không khuôn (Die- upset) nam châm loại này đã đạt tới 45MGOe. 1.2 Công thức hoá học, cấu trúc tinh thể [2] Công thức hoá học của NdFeB lúc đầu được xác định rất khác nhau như: R 3 Fe 21 B (Stadelmaier và các cộng sự, 1983; Hadjipanayis và các cộng sự, 1984), R 3 Fe 20 B 2 (Spada và các cộng sự, 1984), R 5 Fe 25 B 3 (Deryagin và các cộng sự, 1984) và R 3 Fe 16 B trong công trình sớm hơn nữa khi nghiên cứu về tinh thể học của hệ R-Fe-B của nhóm người Nga Chaban và cộng sự, 1979. Công thức hoá học thức pha chính của nam châm NdFeB đã được (Givord, Li và Moreau, 1984; Herbst và các cộng sự, 1984, 1985; Shoemaker và các cộng sự, 1984) đồng thời xác định chính xác là Nd 2 Fe 14 B và cấu trúc tinh thể là loại tứ giác xếp chặt thuộc nhóm không gian P4 2 /mnm với vị trí của các nguyên tử Nd, Fe, B chính xác được liệt kế trong bảng 1. Hình 1 Cấu trúc tinh thể của pha Nd 2 Fe 14 B Hinh 1.1: Cấu trúc tinh thể Nd 2 Fe 14 B Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 68 Hình1. 2. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nd-Fe-B. Bảng 1: Vị trí của các nguyên tử Nd 2 Fe 14 B trong ô nguyên tố Nd 2 Fe 14 B ( theo Herbrt và các cộng sự) Nguyên tử X y z Nd(4f) Nd(4g) Fe(16k 1 ) Fe(16k 1 ) Fe(8j 1 ) Fe(8j 2 ) Fe(4e) Fe(4c) Fe(4g) 0,268 0,140 0,223 0,037 0,098 0,317 0,5 0 0,371 0,268 - 0,140 0,567 0,360 0,098 0,317 0,5 0,5 - 0,371 0 0 0,127 0,176 0,204 0,246 0,114 0 0 Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Hà Nội, 2010 69 Thành phần cụ thể của hợp kim dùng để chế tạo nam châm là Nd 15 Fe 77 B 8 Fe(16k 1 ) theo Omerod (1985) hợp kim gồm 4 pha tinh thể khác nhau. Ngoài pha từ cứng Nd 2 Fe 14 B có khoảng 27% trọng lượng Nd, còn có pha giầu Nd ở biên hạt là pha có khoảng 80% trọng lượng Nd. Pha giầu Nd có điểm nóng chẩy là 900K, nó tồn tại ở trạng thái lỏng trong suốt thời gian thiêu kết lam tăng mật độ khối tới 99% mật độ lý thuyết. Còn pha Nd 1+  Fe 4 B 4 pha có nhiệt độ Curie thấp cỡ 10K và Nd kim loại ở dạng tự do thường tập hợp ở tam điểm nơi tiếp xúc các hạt Nd 2 Fe 14 B. Theo một số tài liệu khác còn có thể thêm các pha phụ khác nữa: Fe tự do, Nd 2 O 3 hoặc pha giầu sắt tuỳ thuộc và thành phần và công nghệ chế tạo. 1.3 Các đặc tính của vật liệu[2],[7] Do chứa đất hiếm nên các hợp kim NdFeB rất dễ bị ôxy hoá, do đó qui trình sản xuất từ khâu đầu đến khâu cuối phải làm trong môi trường khí bảo vệ hoặc trong chân không. Cơ chế ôxy hoá là từ bên ngoài ôxy thâm nhập vào trong tương tác với pha giầu Nd và Nd kim loại tự do làm ôxy hoá kim loại và ăn mòn vật liệu. Ta có thể dùng các phương pháp khác nhau để tẩm phủ mạ…ở mặt ngoài để ngăn cản quá trình này. Ngoài ra còn có cơ chế Ôxy hoá từ bên trong vật liệu là do các Ôxy tồn tại trong lòng vật liệu ban đầu, tồn tại trong quá trình nấu sẽ từ Oxy hoá và làm phần rã vật liệu từ bên ngoài. Để giải quyết vấn đề này các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau nư pha tạp Si, SiO, Dy … thậm chí còn áp dụng cả phương pháp mạ từng hạt bột nam châm. Hiện nay trên thực tế pha tạp Dy là phương pháp phổ biến để giải quyết vấn đề này, pha tạp Dy còn làm tăng lực kháng từ của nam châm. Hợp kim NdFeB có hoạt tính hoá học rất cao, nó tương tác với hầu hết các vật liệu sử dụng làm nồi nấu vì trên thực tế chỉ có 3 loại nồi nấu là sử dụng được đó là: Nồi làm từ vật liệu NitritBo (BN), nồi tự nó và nồi lạnh. [...]... Trong thực tế vật liệu luôn luôn chứa cả hai cơ chế này, vì thế đường cong từ hoá ban đầu và đường cong khử từ có hình dạng không rõ ràng theo cơ chế nào Tuy nhiên vẫn có sự chiếm ưu thế của cơ chế nucleation trong các nam châm thiêu kết và cơ chế pinning trong nam châm kết dính ribbon 1.5 Công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB [1],[3],[7] Qui trình chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB là qui trình... sĩ Vật Lí Phụ lục (1) Nguyên liệu ban đầu (2) Nấu hợp kim (3) Đập, nghiền (4) Ép trong từ trường (5) (6) Thiêu kết Xử lý nhiệt (7) Gia công cơ khí (8) Sơn bảo vệ (9) Nạp từ Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ chế tạo Nam châm thiêu kết Nd Fe B Trên đây là những bước quan trọng trong quá trình chế tạo nam châm Để đạt được phẩm chất nam châm tốt chúng ta cần phải lưu ý và kiểm soát cẩn thận từng bước một Ở bước... bằng từ trường lớn cỡ 3 Tesla trở lên Bước 5 và bước 6 là khâu quan trọng nhất quyết định năng lượng từ của sản phẩm Một số thủ thuật công nghệ đã được áp dụng để nâng cao mật độ khối và giảm nhiệt độ thiêu kết như phương pháp thiêu kết pha lỏng, sử dụng hiệu ứng pha tạp… 1.6 Nam châm NdFeB chế tạo bằng các công nghệ khác 1.6.1 .Nam châm vĩnh cửu có cấu trúc nano - nam châm composite.[11] Vật liệu composite... thường, giống như qui trình chế tạo nam châm SmCo5 Một qui trình chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB thông thường gồm một số bước công nghệ chính như sau: Hà Nội, 2010 72 Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục Bước 1: Vật liệu ban đầu là các kim loại Nd, Fe, B hoặc FeB có độ sạch cao 99.9% hoặc cao hơn được cân theo trọng lượng nguyên tử tương ứng với công thức Nd15Fe77B8 Bước 2: Vật liệu ban đầu sau khi cân... muốn M Không liên kết từ Mr Pha từ mềm Có liên kết từ Hc Pha từ cứng Hình 1.6 Các dạng đường cong khử từ của nam châm composite ứng với các trường hợp khác nhau Pha Nd2Fe14B có hằng số dị hướng từ tinh thể rất lớn do đó tạo ra lực kháng từ Hc rất lớn, pha -Fe có Ms rất lớn, do đó tăng mô men từ dư Mr mạnh, khi hai pha có kích thước lớn hơn Lex (không liên kết từ) thì đường cong khử từ có góc phần tư... nghiệm chế tạo nam châm thiêu kết bằng vật liệu công nghiệp 2.3.1 Vật liệu sử dụng Vật liệu ta sử dụng là Nd kim loại, ferroBor(Hợp kim FeB)dùng trong công nghiệp luyện kim, độ sạch của vật liệu là 95%, vật liệu được nấu tùy theo thành phần cụ thể của hợp kim FeB ta sẽ bổ xung lượng Fe cho phù hợp với công thức Nd15Fe77B8(Fe ở đây là sắt sạch chế tạo bằng phương pháp điện phân của viện nghiên cứu vũ khí... mầm đảo từ, từ trường bão hoà đối với cơ chế này có giá trị là HN , do mô men từ có thể biến đổi đột ngột nên giá trị HN thường là nhỏ Cơ chế này là cơ chế chủ yếu trong các tinh thể lớn như nam châm đúc hay thiêu kết Cơ chế pinning được hình thành do các sai hỏng kích thước lớn (mặt, khối) tạo ra các tâm làm chốt hãm sự dịch chuyển vách đomen, cơ chế này được hình thành chủ yếu trong vật liệu có kích... sản phẩm MQI [10],[11] Công nghệ thứ hai là công nghệ HDDR dựa vào khả năng dễ tác dụng với hyđro của các pha đất hiếm, vì vậy có thể “nghiền” nhỏ hạt để tạo ra các hạt vi tinh thể là sản phẩm bột dị hướng phục vụ cho nam châm kết dính dị hướng Công nghệ này có thể chế tạo nam châm kết dính loại dị hướng có năng lượng từ cỡ 15  19 MGOe [10] Công nghệ ép nóng: Từ mẫu vụn với kích thước (0,5mm  0,5mm... đến, nó đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi do có tính năng kết hợp cả hai pha thành phần nền (dẻo) và cốt (cứng) Ý tưởng về liên kết hai pha một pha cứng và một pha mềm thông qua tương tác trao đổi đã được áp dụng trong vật liệu từ (đặc biệt là vật liệu nam châm đất hiếm) tuy nhiên trong đó khái niệm cứng và mềm là khái niệm về từ tính Mô hình liên kết từ của nam châm composite được thể... đổi trong nam châm composite [3] Khi không có từ trường ngoài các hạt từ cứng có mô men từ thấp hơn các hạt từ mềm nhưng được định hướng song song với nhau do tương tác trao đổi và giữ cho mô men từ của các hạt từ mềm cùng phương với nó (a) Khi có từ trường ngoài H nhỏ ngược chiều với mô men từ của các pha, pha từ cứng M Hà Nội, 2010 77 Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục vẫn giữ nguyên còn pha từ mềm M . phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB tại phòng thí nghiệm từ nguyên liệu có độ sạch công nghiệp - Chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB có tích năng. kết NdFeB [1],[3],[7] Qui trình chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB là qui trình gốm thông thường, giống như qui trình chế tạo nam châm SmCo 5 . Một qui trình chế tạo nam châm bột thiêu kết. cơ chế nào. Tuy nhiên vẫn có sự chiếm ưu thế của cơ chế nucleation trong các nam châm thiêu kết và cơ chế pinning trong nam châm kết dính ribbon. 1.5. Công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết