Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp (dy, cu, al ) lên tính chất của nam châm thiêu kết nd fe b

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ NGỌC LAN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ PHA TẠP (Dy, Cu, Al…) LÊN TÍNH CHẤT CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HUY DÂN HÀ NỘI – 2015 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Huy Dân về sự hƣớng dẫn tận tình và hiệu quả dành cho tôi để tôi hoàn thành khóa luận này. Xin đƣợc cảm ơn sự giúp đỡ về thiết bị của Phòng Thí nghiệm Trọng điểm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Phạm Thị Thanh, ThS. Nguyễn Hải Yến cùng các cán bộ nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm và Phòng Vật lí Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện khóa luận. Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các giảng viên khoa Vật lí của Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, những ngƣời đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi khắc phục những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành bản khóa luận này một cách tốt nhất. Hà Nội, tháng 5 năm 2015. Sinh viên Nguyễn Thị Ngọc Lan. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B ........................ 4 1.1. Lịch sử phát triển hợp kim từ cứng. .................................................................. 4 1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe14B........................................................... 7 1.3. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. ............................................ 8 1.4. Ảnh hƣởng của các nguyên tố Dy, Cu, Al lên tính chất từ của nam châm Nd-Fe-B............. .......................................................................................................... 9 CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. ............................................ 11 2.1. Chế tạo mẫu. ....................................................................................................... 11 2.1.1. Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết. ....................................... 11 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu. ........................................................................... 13 2.2. Khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu. .................................................................. 16 2.2..1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ........................................................................ 16 2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử. ....................................................................... 17 2.2.3. Phép đo từ ..................................................................................................... 18 CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 21 3.1. Cấu trúc của bột hợp kim Nd-Fe-B và hợp chất pha thêm Dy-Nb-Al............... 21 3.2. Ảnh hƣởng của hợp chất pha thêm lên tính chất từ của bột hợp kim Nd-Fe-B. 23 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 27 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Vật liệu từ cứng đƣợc sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và kỹ thuật. Nam châm vĩnh cửu đƣợc sử dụng ở dạng đơn giản trong các thiết bị nhƣ động cơ, máy phát, khởi động điện từ, loa điện động… và trong các linh kiện công nghệ cao nhƣ các cảm biến, đĩa ghi từ mật độ cao, vi khởi động điện từ v.v… Trong tình trạng khủng hoảng về năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng ngày càng tăng cao nhƣ hiện nay, vấn đề sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo lại (năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng nƣớc, địa nhiệt…) đang đƣợc toàn thế giới đặc biệt quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Nam châm vĩnh cửu đóng một vai trò quan trọng không thể thiếu đƣợc trong hầu hết các thiết bị chuyển đối các dạng năng lƣợng đó thành năng lƣợng điện. Có rất nhiều loại nam châm vĩnh cửu đƣợc phát hiện, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với nhiều mục đích khác nhau. Trong thế giới phong phú của các loại nam châm vĩnh cửu, nam châm đất hiếm đang giữ một vai trò quan trọng hàng đầu do các phẩm chất từ rất tốt của nó. Nam châm thiêu kết Neodym-Sắt-Bo, còn đƣợc viết tắt là Nd-Fe-B là một loại nam châm đất hiếm đƣợc tạo ra từ hợp chất của Neodym (Nd) - Sắt (Fe) - Bo (B), với công thức phân tử là Nd2Fe14B. Nam châm thiêu kết NdFeB lần đầu tiên đƣợc chế tạo thành công vào năm 1982, đƣợc công bố đồng thời bởi hai công ty lớn là General Motors Corporation (Mỹ) và Sumitomo Special Metals (Nhật Bản), và hiện vẫn đang là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất từng đƣợc biết. Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B mạnh hơn rất nhiều so với các loại nam châm truyền thống nhƣ nam châm Ferrite, nam châm AlNiCo… Do vậy, từ khi nam châm này ra đời đến nay nó đã và đang chiếm tỷ trọng lớn trong thị trƣờng nam châm trên toàn thế giới (chiếm khoảng 40% thị phần các loại nam 1 châm trên toàn thế giới). Với rất nhiều đặc tính ƣu việt hơn hẳn các loại nam châm thế hệ trƣớc, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đƣợc sử dụng là một nguồn tạo từ trƣờng mạnh, tạo ra những ứng dụng mới trong việc chế tạo các sản phẩm mới, độc đáo mà trƣớc đó chƣa hề có nhƣ: đƣợc sử dụng nhiều trong ở cứng máy tính, trong các động cơ công suất lớn, máy chụp ảnh cộng hƣởng từ, xe đạp điện, xe lăn điện, máy phát thủy điện, các loại máy đƣợc sử dụng để khai thác các loại khoáng sản nhƣ: sắt, titan, sa khoáng… phục vụ cho ngành sản xuất đồ gốm-sứ, đồ thủy tinh hoặc kim loại. Trong một số ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong các động cơ, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đƣợc yêu cầu phải có đồng thời tích năng lƣợng từ cao và lực kháng từ lớn. Với công nghệ hiện thời, để chế tạo đƣợc nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đáp ứng đƣợc yêu cầu trên đòi hỏi phải thay thế một phần Nd bằng Dy. Lƣợng Dy thay thế cho Nd có thể lên tới 40% tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Tuy nhiên, lƣợng Dy trong tự nhiên chỉ bằng cỡ 10% của Nd và giá thành cũng đắt hơn rất nhiều (gấp khoảng 4 lần). Chính vì vậy, một số nhà khoa học đang tìm cách nâng cao chất lƣợng của nam châm thiêu kết Nd-FeB bằng công nghệ mới (xử lý nhiệt, cải thiện biên hạt, thêm các nguyên tố phi đất hiếm Cu, Al…) trong loại nam châm này. Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B với các đặc tính ƣu việt của mình đã tập trung đƣợc sự chú ý của các nhà nghiên cứu công nghệ nhằm hoàn thiện việc chế tạo chúng trong những lĩnh vực khác nhau mà nhớ đó rất nhiều sản phẩm có hiệu suất cao ra đời và nhanh chóng chiếm thị trƣờng lớn trên thế giới. Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B chính là để phục vụ cho các mục đích nói trên. Chính vì vậy, tôi chọn nam châm này làm đối tƣợng nghiên cứu cho đề tài khóa luận tốt nghiệp. 2 Khóa luận này đƣợc tiến hành với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của sự pha tạp (Dy, Cu, Al…) lên tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hƣởng của sự pha tạp (Dy, Cu, Al…) lên tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B để tạo đƣợc nam châm có chất lƣợng tốt, có khả năng ứng dụng cao trong thực tế. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo mẫu. - Đo đạc. - Xử lý số liệu. - Tổng hợp kết quả. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. - Đối tƣợng: Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. - Phạm vi: Nghiên cứu cấu trúc tính chất của nam châm chế tạo đƣợc. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu. Phƣơng pháp thực nghiệm. 3 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 1.1. Lịch sử phát triển hợp kim từ cứng. Trong quá trình hình thành và phát triển, vật liệu từ cứng đã trải qua nhiều giai đoạn với các chủng loại nam châm phong phú, đa dạng. Nam châm vĩnh cửu đƣợc phát hiện đầu tiên dƣới dạng những viên quặng manhetit đƣợc từ hóa trong từ trƣờng Trái đất hoặc do biến động địa tầng của vỏ Trái đất sinh ra. Vào khoảng giữa thế kỉ XIX, đầu thế kỉ XX, nam châm nhân tạo ra đời, mở ra những hƣớng mới trong ứng dụng nam châm vào cuộc sống và khoa học kỹ thuật. Từ xa xƣa, ngƣời Trung Quốc cổ đã biết đến tính chất từ của "đá nam châm" (lodestone), mà sau này thành phần hoá học đƣợc xác định là ôxít sắt tự nhiên -Fe2O3 và Fe3O4 với lực kháng từ Hc cỡ vài chục Oe, cảm ứng từ dƣ Br khoảng 3 ÷ 4 kG. Năm 1743, Daniel Bernoulli là ngƣời đầu tiên đƣa ra ý tƣởng tạo nam châm có hình móng ngựa bằng thép cacbon (Fe3C), sau đó là bằng thép coban và thép volfram. Nam châm này tƣơng đối yếu với tích năng lƣợng cực đại (BH)max ~ 1 MGOe. Thành công đầu tiên trong nâng cao phẩm chất từ đƣợc đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima (Nhật Bản) vào năm 1932 [4]. Hợp kim này đƣợc chế tạo bởi quá trình hợp kim hóa ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lƣợng nhỏ Al và Cu, lực kháng từ Hc đạt khoảng 6,2 kOe, tuy nhiên, do từ độ bão hòa nhỏ so với thép từ cứng nên (BH)max chỉ đạt 1 MGOe. Vào thập niên 30 của thế kỉ XX, nam châm loại này đƣợc sử dụng rộng rãi trong môtơ và loa âm thanh. Thành phần hợp kim và công nghệ chế tạo liên tục đƣợc phát triển, đến năm 1956 hợp kim Alnico 9 với tính dị hƣớng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hƣớng dạng) có (BH)max đạt khoảng 10 MGOe. Hiện nay, nam châm loại này vẫn còn đƣợc sử dụng do chúng có nhiệt độ Curie cao (850oC). Nhƣợc điểm của vật liệu này là 4 lực kháng từ Hc bé (~ 2 kOe). Hợp kim Alnico đƣợc chế tạo bằng công nghệ đúc trực tiếp và sau đó ủ trong từ trƣờng hoặc thiêu kết. Chính quy trình công nghệ này làm phát triển vi cấu trúc dạng cột của pha sắt từ mạnh Fe-Co trên nền sắt từ Ni-Al yếu hơn. Lực kháng từ của hợp kim này đƣợc xác định bởi dị hƣớng hình học của pha Fe-Co và cơ chế ghim vách đô men của pha Ni-Al. Những bƣớc tiến tiếp theo đã đạt đƣợc vào đầu thập niên 50, đó là việc khám phá ra vật liệu ferit cứng tổng hợp ở công ty Philip, Hà Lan. Vật liệu ferit có cấu trúc lục giác với hai hợp chất BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3. Tuy cảm ứng từ dƣ thấp (~ 4,2 kG) nhƣng lực kháng từ của chúng có giá trị lớn hơn nhiều so với các vật liệu trƣớc đó (~ 3 kOe) và (BH)max cũng không cao (~ 4 MGOe). Tuy nhiên loại nam châm này có ƣu điểm là giá thành rất rẻ, hiệu quả và bền. Do vậy, ngày nay chúng vẫn là vật liệu đƣợc sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu trên toàn thế giới. Năm 1966 đã phát hiện ra tính chất từ của vật liệu YCo5, đây là vật liệu từ cứng đầu tiên dựa trên nguyên tố 4f và nguyên tố 3d. Hợp kim sắt từ chứa các nguyên tố 3d và 4f hứa hẹn cho nhiều tính chất từ cao. Điều hứa hẹn đó đƣợc củng cố bởi sự phát hiện ra SmCo5 vào năm 1967, nó nhanh chóng trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thƣơng mại. Nam châm này đƣợc chế tạo ở dạng nam châm kết dính và có (BH)max ~ 5 MGOe. Năm 1969, nam châm SmCo5 loại thiêu kết có (BH)max ~ 20 MGOe đã đƣợc chế tạo. Hƣớng nghiên cứu nói trên tiếp tục đƣợc phát triển và đến năm 1976, (BH)max đã đạt đến giá trị 30 MGOe đối với vật liệu Sm2Co17. Sự bất ổn của tình hình thế giới vào những năm cuối thập kỉ 70 (thế kỉ XX) đã gây biến động mạnh cho nguồn cung cấp và giá cả đối với Coban, một vật liệu thô chiến lƣợc. Do đó, việc tìm kiếm vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Coban đƣợc cấp thiết đặt ra. Nd và Fe đƣợc chú ý do trữ lƣợng của chúng trong vỏ Trái Đất nhiều hơn so với các nguyên tố khác, so với Nd trữ lƣợng La và Ce nhiều hơn 5 nhƣng chúng là các chất phi từ. Điều quan trọng hơn là mômen từ nguyên tử của các nguyên tố này là lớn nhất trong các nhóm tƣơng ứng. Nhiều hƣớng nghiên cứu vật liệu cho nam châm Nd-Fe đã đƣợc đƣa ra. Một trong các hƣớng đó là tìm kiếm một pha ba thành phần mới có cấu trúc tinh thể thích hợp, một hƣớng khác là tìm cách bền vững hóa pha giả bền bằng phƣơng pháp nguội nhanh. Sự tồn tại hợp chất giàu sắt trong giản đồ pha ba thành phần Nd-Fe-B đã đƣợc Kuzma và cộng sự (Ukrain) lƣu ý vào đầu năm 1979, nhƣng mãi đến năm 1983, Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) mới công bố thành công trong việc chế tạo nam châm vĩnh cửu với thành phần hợp thức Nd15Fe77B8 có Br = 12 kG, Hc = 12,6 kOe, (BH)max = 36,2 MGOe bằng phƣơng pháp luyện kim bột tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp đã sử dụng chế tạo nam châm Sm-Co. Pha từ chính là pha Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác (tetragonal). Cùng trong thời gian đó, một cách độc lập, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) cũng đã chế tạo đƣợc nam châm vĩnh cửu dựa trên pha ba thành phần Nd2Fe14B theo công nghệ nguội nhanh có Br = 8 kG, Hc = 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [7]. Đặc biệt, năm 1988 Coehoorn và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố phát minh loại vật liệu mới với Br = 10 MGOe, H c = 3,5 kOe, (BH)max = 12 MGOe, nam châm này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích). Trong nam châm này có tƣơng tác trao đổi giữa các hạt từ cứng và từ mềm lân cận nhau làm véctơ từ độ của chúng định hƣớng song song dẫn đến từ độ bão hòa đƣợc nâng cao và tính thuận nghịch trong khử từ rất cao (nên chúng còn đƣợc gọi là nam châm đàn hồi. Lƣợng Nd trong nam châm loại này bằng khoảng 1/3 trong nam châm Nd2Fe14B thông thƣờng, điều này làm giảm đáng kể giá thành và làm tăng độ bền về mặt hoá học của nam châm. 6 1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe14B. Tinh thể Nd2Fe14B thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tứ giác thuộc nhóm không gian P42/mnm với kích thƣớc ô cơ sở là a = 0,878 nm và c = 1,220 nm nhƣ mô tả trên hình 1.1a. Z=1/2 Z=0 b) a) Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe14B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí e và k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [10]. Pha Nd2Fe14B có cấu trúc khá ổn định vì trong mỗi ô cơ sở có 68 nguyên tử chứa trong 4 đơn vị công thức Nd2Fe14B. Các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tƣơng đƣơng, các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j1, Fe j2, Fe k1, Fe k2), các nguyên tử B chiếm vị trí B g. Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở vị trí Fe c. Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác hình 1.1b. Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và ở bên dƣới các mặt phẳng 7 cơ sở. Cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh của vật liệu này. Nhờ sự sắp xếp này mà cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe14B đƣợc ổn định. 1.3. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. Xuất phát từ quan điểm cho rằng tồn tại một pha bền vững có phẩm chất từ cao trong họ vật liệu Nd-Fe-B [8], các chuyên gia hãng Sumitomo Special Metals đã phát triển công nghệ luyện kim bột truyền thống để chế tạo nam châm Nd-Fe-B. Công nghệ này bao gồm những công đoạn chủ yếu sau: - Chế tạo hợp kim Nd-Fe-B ban đầu bằng phƣơng pháp nhiệt canxi [3] hoặc nấu từ các kim loại sạch Nd, Fe, B và Fe-B với những tỉ phần phối liệu thích hợp có tính đến sự mất mát của B trong quá trình nấu luyện trong lò trung tần, đồng thời đảm bảo một lƣợng dƣ thừa Nd thích hợp để kích thích quá trình thiêu kết và làm tăng lực kháng từ của sản phẩm nam châm sau này. - Nghiền cơ học hợp kim trong môi trƣờng bảo vệ, để có độ hạt trung bình nhỏ hơn 3 m. - Ép đẳng tĩnh sản phẩm nam châm nhằm tăng khối lƣợng riêng của mẫu. - Thiêu kết mẫu và xử lí nhiệt trong môi trƣờng bảo vệ tại nhiệt độ thích hợp để tạo sản phẩm nam châm có khối lƣợng riêng khoảng 7,4 ÷ 7,5 g/cm3, với thành phần chủ yếu là pha Nd2Fe14B xuất hiện do phản ứng cùng tinh khi nấu hợp kim và giảm pha giàu Nd ở biên hạt đến mức tối ƣu. - Gia công cơ khí và bọc bịt bề mặt chống già hoá. - Nạp từ sản phẩm ở từ trƣờng mạnh để đạt mô men từ dƣ cực đại. 8 1.4. Ảnh hƣởng của các nguyên tố Dy, Cu, Al lên tính chất từ của nam châm Nd-Fe-B. Nhƣ chúng ta đã biết, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là loại nam có phẩm chất từ tốt nhất hiện nay, có tích năng lƣợng cực đại (BH)max cao và đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế nhƣ: động cơ, máy phát điện, máy tuyển từ, thiết bị thông tin, thiết bị khoa học, thiết bị y tế… Vì vậy, yêu cầu ứng dụng nam châm thiêu kết của các thiết bị rất là phong phú. Một số thiết bị: máy ảnh kỹ thuật số, tai nghe… cần sử dụng nam châm có tích năng lƣợng từ cực đại lớn nhƣng một số thiết bị khác: máy phát điện, động cơ điều hòa… lại sử dụng nam châm có lực kháng từ cao. Để đáp ứng đƣợc điều đó phải thay thế một phần Nd bằng Dy, Cu, Al… Hiện nay, trên thực tế, pha tạp Dy, Cu, Al… là phƣơng pháp phổ biến để làm tăng lực kháng từ của nam châm và giúp cho vật liệu ít bị oxy hóa. Một trong những nhƣợc điểm của pha Nd2Fe14B là nhiệt độ Curie TC tƣơng đối thấp (~585K), do đó mục tiêu hƣớng tới là làm tăng nhiệt độ này. Tính chất từ của vật liệu có thể đƣợc cải thiện đáng kể khi tính dị hƣớng từ tinh thể của vật liệu đƣợc tăng cƣờng. Các nguyên tố đất hiếm có tính dị hƣớng đơn ion lớn hơn Nd có thể đƣợc sử dụng để làm cải thiện tính dị hƣớng từ tinh thể của pha RE2Fe14B. Trong các nguyên tố đất hiếm (RE) thay thế, Dy đƣợc chú ý hơn cả vì trƣờng dị hƣớng từ nhiệt độ phòng của D2Fe14B (µ0HA ~ 27,8T) cao hơn khá nhiều so với Ned2F14B (µ0HA ~ 7,5T). Trong hợp kim nguội nhanh (Nd100-xDyx)16Fe76B6, lực kháng từ tăng theo x, tăng ~ 100% khi x = 30, trong khi đó cả cảm ứng từ dƣ Br và (BH)max lại có xu thế giảm [9]. Một hợp phần tiêu biểu cho lực kháng từ cao mà vẫn đảm bảo các thông số khác của nam châm không bị ảnh hƣởng nhiều là Nd13,5Dy1,5Fe76NbB8. Việc pha thêm các nguyên tố đất hiếm nặng còn làm gia tăng đáng kể nhiệt độ kết tinh của pha từ cứng. Ngoài ra, Cu cũng đƣợc biết nhƣ là nguyên tố có thể tạo nên các đám nguyên tử trong giai đoạn 9 đầu của quá trình tinh thể hoá hợp kim vô định hình chứa Fe, điều này đƣợc giải thích là do tính không hòa tan đƣợc của Cu trong mạng tinh thể Fe. Với nguyên tố Al, nhiều nghiên cứu khẳng định cho rằng, cả từ độ và nhiệt độ Curie TC của Nd2(Fe1-xAlx)14B đều giảm theo x [7], [12], [13]. Al thay thế cho Fe trong pha 2/14/1 ƣu tiên vào vị trí j1 và k2. Sự thay thế khoảng 2 ÷ 3 at. Phần trăm hàm lƣợng nguyên tử của Fe bằng Al này đã làm giảm các thông số từ nội tại ở nhiệt độ phòng của pha Nd2Fe14B nhƣ: trƣờng dị hƣớng HA (từ 75 xuống 59 ÷ 48 kOe), từ độ bão hòa Ms (từ 1,6 xuống 1,0 ÷ 0,7 T) và TC (từ 588 xuống 505 ÷ 409 K) [7]. Tuy nhiên, một lƣợng Al phù hợp lại có ảnh hƣởng lên vi cấu trúc của nam châm và làm tăng lực kháng từ. Trong nghiên cứu [12], [13] thêm 1 ÷ 2% trọng lƣợng (wt.%) Al làm giảm cảm ứng từ dƣ Br cỡ 5% nhƣng lại làm tăng lực kháng từ Hc cỡ 20%. Hc tăng là do ảnh hƣởng của Al làm phân bố đồng đều pha biên hạt. Ngoài ra, khi thêm Al đã hình thành một vài pha lạ khác ở biên hạt nhƣ Nd(Fe,Al)2 và Nd6Fe11Al3. Nhƣ vậy, để tối ƣu tính chất từ của Nd2F14B, một số khả năng thay thế cho ba nguyên tố thành phần đã đƣợc nghiên cứu. Thật không may mắn, không có sự thay thế đơn lẻ nào cải thiện đƣợc cả ba thông số từ quan trọng: nhiệt độ từ, nhiệt độ Curie và dị hƣớng từ. Dy làm tăng mạnh mẽ K1 và tăng nhẹ TC nhƣng lại giảm độ từ. Một lƣợng nhỏ Al để không làm giảm các thông số từ nội tại, làm mịn vi cấu trúc, tăng cƣờng lực kháng từ cho nam châm. 10 CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. 2.1. Chế tạo mẫu. 2.1.1. Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết. Quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB đƣợc tiến hành theo các công đoạn thể hiện ở hình 2.1. (1) (2) (3) (4) Cân mẫu Nấu trong lò trung tần Nghiền thô Nghiền tinh (8) (7) (6) (5) Xử lí nhiệt Thiêu kết Ép đẳng tĩnh Ép trong từ trƣờng (9) (10) (11) Gia công cơ khí Sơn bảo vệ Nạp từ Hình 2.1. Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết. 11 Công đoạn cân mẫu để xác định khối lƣợng Nd, Fe, Fe-B cần sử dụng để chế tạo hợp kim. Sau khi cân mẫu tiến hành nấu để chế tạo hợp kim ban đầu bằng lò trung tần. Công đoạn nghiền để đƣa các hạt từ về kích thƣớc đô men và tiến hành theo hai cấp là nghiền thô và nghiền tinh. Ép định hƣớng trong từ trƣờng nhằm làm xoay các hạt từ để các hạt có phƣơng song song và cố định các hạt từ. Công đoạn ép đẳng tĩnh để tăng mật độ khối. Thiêu kết là quá trình gắn kết các hạt từ bằng nhiệt, sau quá trình thiêu kết mật độ khối tăng lên. Xử lí nhiệt là công đoạn tiếp theo, công đoạn này thực hiện với mục đích ổn định biên hạt từ. Ở công đoạn gia công bọc phủ, nam châm đƣợc tạo hình và bọc phủ sơn chống ăn mòn. Nạp từ là công đoạn cuối cùng của quy trình để nam châm có từ tính (tích trữ năng lƣợng từ). ình Lần lượ n on m m eo ướng mũ ên: Lò trung tần (2 ÷ 10 kg hợp k m); M đập hàm Pex-100×125 (80 kg/h); Máy nghi n thô DSB 500×650 (30 kg/mẻ); Máy nghi n tinh Jet Milling QLM-260 (50 kg/mẻ); M 2 T); M ép đẳng ĩn ( p s ấ 2 M ); ép đ n ê k t chân không nguội nhanh RVS-15G (15 kg/mẻ). 12 ướng (từ ường Hình 2.2 là các thiết bị dùng để chế tạo nam châm thiêu kết. Lò trung tần để nấu vật liệu và đúc khuôn khối hợp kim. Các máy đập Pex-100×125, máy nghiền thô DSB 500×650, máy nghiền tinh Jet milling QLM-260 dùng trong công đoạn nghiền. Máy ép từ trƣờng để ép định hƣớng, máy ép đẳng tĩnh để ép đẳng tĩnh. Lò thiêu kết RVS-15G dùng trong công đoạn thiêu kết.Trong các thiết bị trên, đáng chú ý là hai thiết bị: Lò trung tần và lò thiêu kết RVS-260.  trung t n: Tần số 4 kHz, công suất điện 35 kW, nồi nấu bằng vật liệu chịu nhiệt cao cho phép nấu từ 2 đến 10 kg/mẻ trong môi trƣờng khí bảo vệ Ar, khuôn đúc hợp kim làm mát bằng nƣớc, đặt s n trong lò.  thi u ết chân không nguội nhanh RVS -15G: - Các thông số chính của máy: khối lƣợng mẫu thiêu kết 1 ÷ 15 kg/mẻ, khoảng nhiệt độ 300 ÷ 1200oC ( 5oC), công suất 30 kW/h, độ chân không có thể đạt 2.10-3 Pa. - Môi trƣờng làm việc: chân không cao hoặc khí trơ. - Kiểu nguội nhanh: nguội theo lò hoặc nguội cƣỡng bức bằng khí thổi. Yêu cầu: Tránh nung hay thiêu kết trong môi trƣờng chân không thấp, khí trơ không sạch có tạp oxy hoặc những mẫu nung giải phóng oxy hay vật chất khác gây hỏng thanh đốt nhiệt, buồng đốt. Mẫu nung nên đặt trong bao nung kín để không gây ảnh hƣởng tới lò. Mục đích sử dụng: thiêu kết viên nam châm Nd-Fe-B hoặc thiêu kết các vật liệu phù hợp khác. 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu. a) Chế tạo hợp im an đ u - Nguyên liệu đầu vào là Nd kim loại (99%), Fe (99,9%) và hợp kim Fe-B (18%B) đƣợc tẩy rửa sạch dầu mỡ, rỉ, cân theo công thức hợp phần Nd16,5Fe77B6,5. Sự lựa chọn tỉ phần trọng lƣợng của 3 nguyên liệu đầu vào 13 (Nd, Fe và FexBy) đƣợc tính toán dựa trên giản đồ pha ba nguyên tử của hệ Nd-Fe-B, chỉ số x và y của nguyên liệu FexBy, khả năng xuất hiện những pha không có ích trong quá trình rắn hoá (pha NdFe4B4, pha giàu Nd và pha Fe). Ngoài ra cần để ý đến sự bù trừ lƣợng Nd và B hao hụt trong quá trình nấu hợp kim vì Nd là nguyên tố dễ bị oxy hoá, còn B thì dễ bay hơi và khó khuếch tán vào trong hợp kim. Hỗn hợp 3 nguyên liệu đầu vào đƣợc xếp vào nồi nấu của lò trung tần số. Quá trình xếp vật liệu vào nồi nấu đƣợc thực hiện sao cho cảm ứng tốt nhất. Cụ thể thanh sắt đƣợc đặt thẳng đứng và tiếp xúc với thành nồi, các viên Nd đặt đáy nồi, viên Fe-B đƣợc đặt giữa nồi. - Tiến hành hút chân không, sau khi hệ thống chân không đạt cỡ 10-3 Pa tiến hành nạp khí Ar, hút chân không nhiều lần và cuối cùng nạp khí Ar đến áp suất 6.104 ÷ 8.104 Pa. - Bật công tắc điện cho lò, thời gian nấu cỡ 30 phút để đảm bảo cho các vật liệu nóng chảy hoàn toàn. - Hợp kim thể lỏng đƣợc rót vào khuôn ngay trong môi trƣờng khí Argon. - Tắt công tắc điện. Sau 1 giờ, tháo khối hợp kim ra khỏi khuôn đúc và đem cân để xác định hao hụt vật liệu. b) Nghiền hợp kim Vì khối lƣợng mẫu nghiền là nhỏ nên chúng tôi không sử dụng máy nghiền thô DSB 500×650 (30 kg/mẻ) và máy nghiền tinh Jet Milling QLM-260 (50 kg/mẻ) mà sử dụng cối nghiền thô và cối nghiền tinh ở hình 2.3. Hợp kim đƣợc đập thành các viên nhỏ tới cỡ hạt trung bình 1,5 cm, sau đó đem nghiền thô. Mỗi mẻ nghiền thô khoảng 0,5 kg, thời gian nghiền 5 ÷ 10 phút và dung môi sử dụng là xăng trắng công nghiệp. Tuy nhiên nên tiến hành nghiền vài lần, mỗi lần từ 1 ÷ 2 phút để giảm thiểu sự ôxy hóa. Bột hợp kim sau khi nghiền có kích thƣớc 100 ÷ 300 µm sẽ đem nghiền tinh. 14 Chúng tôi tiến hành nghiền tinh bằng phƣơng pháp nghiền bi với tỉ lệ bột/bi là 1/10, mỗi mẻ nghiền khoảng 2 kg. Quá trình nghiền cũng sử dụng dung môi là xăng trắng công nghiệp, thời gian nghiền là 1 giờ và 2 giờ thì thực hiện lấy mẫu. Hệ mẫu thu đƣợc sau khi nghiền tinh đem chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định kích thƣớc hạt. Hình 2.3 dƣới đây là ảnh chụp các cối nghiền đƣợc sử dụng để nghiền hợp kim trong khi tiến hành làm thực nghiệm của khóa luận. a) ình b) . Ảnh chụp bên trong i nghiền tinh i nghiền th a và n trong sử dụng làm thực nghiệm trong khóa luận. p tạo vi n nam h m trong t tr ng - Bột hợp kim đƣợc lọc xăng, đặt vào khuôn của máy ép có lớp vải lót bên dƣới và bên trên bột. - Từ trƣờng định hƣớng là 2 T. - Viên nam châm sau khi ép đƣợc đặt trong chân không để tránh oxy hóa. hi u ết trong h n h ng 15 Để tránh nứt vỡ sản phẩm, quá trình nâng nhiệt đƣợc thực hiện theo nhiều bƣớc: Nâng từ nhiệt độ phòng lên 300oC trong khoảng 2,5 giờ; giữ ở 300oC trong 0,5 giờ; nâng tiếp lên 750oC trong 1 giờ; giữ ở 750oC trong một vài giờ; nâng lên khoảng 1050oC ÷ 1100oC trong 0,5 giờ sau đó giữ nguyên nhiệt độ trong một vài giờ. Viên nam châm đƣợc đặt trong thiết bị chuyên dụng (RVS-15G). Thiết bị cho phép cài đặt các thông số công nghệ của toàn bộ quá trình thiêu kết, vận hành tự động. Buồng đốt có chân không cao ( 10 -3 Pa) và theo chế độ nâng nhiệt định trƣớc. Sau đó làm nguội bằng khí Ar thổi qua buồng đốt. e) Xử lí nhiệt. Đầu tiên chúng tôi tiến hành thử nghiệm xử lí nhiệt theo các chế độ khác nhau trên mẫu nhỏ. Sau đó thực hiện chế độ xử lí nhiệt hai giai đoạn ở 820oC và 520oC ÷ 580oC trong 1 h cho mẫu nam châm lớn. g) Gia công mẫu. Mẫu nam châm đƣợc gia công để thực hiện phép đo từ trên hệ từ trƣờng xung. 2.2. Khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu. 2.2..1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X Trong khóa luận này, chúng tôi phân tích các mẫu bằng nhiễu xạ bột (Powder X-ray diffraction). Do hợp phần vật liệu chứa đất hiến nên để tránh sự oxi hóa chúng tôi đã tiến hành nghiền mẫu trong cồn hoặc xăng. Mẫu sai khi nghiền có kích thƣớc hạt khoảng vài chục µm và các mặt phẳng tinh thể đƣợc định hƣớng ngẫu nhiên. Thiết bị thực hiện phép đo chúng tôi dùng là Siemes D5000, đặt tại Phòng phân tích cấu trúc tia X thuộc viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phổ nhiễu xạ của mỗi mẫu sẽ thể hiện các đặc trƣng cơ bản về cấu trúc của mẫu đó. Qua phổ 16 nhiễu xạ tia X ta có thể xác định đƣợc các đặc trƣng cấu trúc của mạng tinh thể nhƣ: kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh và các hằng số mạng. 2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử. Phƣơng pháp hiện vi điện tử là kĩ thuật rất hiện đại dùng để khảo sát vi cấu trúc của vật liệu. Cơ sở vật lí của kính hiển vi điện tử là chiếu lên mẫu (đối tƣợng nghiên cứu) một chum điện tử năng lƣợng cao, gọi là điện tử phi sơ cấp, ghi nhận và phân tích các tín hiệu đƣợc phát ra do tƣơng tác của điện tử sơ cấp với các nguyên tử của mẫu, gọi là tín hiệu thứ cấp để thu thập các thông tin về mẫu. Hình 2.4. Các tín hiệu thứ cấp nhận đ ợc t mẫu điện tử sơ ấp năng l ợng ao ới tác dụng của chùm hùm điện tử tới). Để có thể hiểu đƣợc cơ chế và nguyên lí làm việc của một kính hiển vi điện tử cần phải hiểu rõ các quá trình vật lí xảy ra khi chùm điện tử sơ cấp năng lƣợng cao tƣơng tác với mẫu và nguyên tắc hoạt động của các bộ phận chính của nó: khi chiếu một chùm điện tử năng lƣợng cao vào mẫu, các điện tử tới sẽ tƣơng tác giữa điện tử và điện tử (tán xạ không đàn hồi) và giữa điện tử với hạt nhân (tán xạ đàn hồi). Các quá trình tƣơng tác này phát ra các loại tín hiệu thứ cấp đƣợc minh họa trên hình 2.4. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thứ cấp nào đƣợc sử dụng mà ta có các phƣơng pháp cụ thể. 17 Hình 2.5. nh hiển vi điện tử qu t -4800. Kính hiển vi điện tử quét (SEM): là loại kính sử dụng các tín hiệu 2, 3, 4, 5, 6. Các tín hiệu này chỉ cho thông tin về bề mặt mẫu (dạng, kích thƣớc, sự sắp xếp của các hạt). Hình 2.5 là kính hiển vi điện tử quét HITACHI S4800 đặt tại Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam. 2.2.3. Phép đo từ Hệ từ trƣờng xung hoạt động theo nguyên tắc nạp và phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.6). Dòng một chiều qua K1 nạp điện cho tụ điện C, tụ điện này tích năng lƣợng cỡ vài chục kJ. Khoá K đóng, dòng điện hình sin tắt dần. Dòng điện tồn tại trong thời gian ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ trƣờng xung cao. Mẫu đo đƣợc đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến pick-up. Tín hiệu ở lối ra tỉ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trƣờng sẽ đƣợc thu thập, xử lí hoặc lƣu trữ cho các mục đích cụ thể. 18 Hình 2.6. ơ đồ kh i hệ đo t tr ng xung. Từ trƣờng trong lòng ống dây có thể đƣợc sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng nửa chu kỳ hình sin của dòng điện phóng. Từ trƣờng lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ đƣợc điều khiển và đo đạt bằng kĩ thuật điện tử và ghép nối máy tính. Phép đo từ trễ của tất cả các mẫu trong luận văn đều đƣợc thực hiện trên hệ từ trƣờng xung với từ trƣờng cực đại lên đến 90 kOe (hình 2.7). ình ệ đo t tr ng ung. Dữ liệu của hệ đo cho từ trƣờng ngoài H đơn vị là Tesla (T) và từ độ Mm đơn vị là emu/g. Các số liệu này đƣợc xử lí để đƣa về hệ đơn vị CGS có tính đến hệ số hiệu ứng khử từ. Các công thức chuyển đơn vị là: 19 - Chuyển từ độ theo khối lƣợng Mm sang từ độ theo thể tích Mv, đơn vị là kG: Mv (kG) = 4Mm /1000 (2.1) trong đó  là khối lƣợng riêng của vật liệu. - Chuyển từ trƣờng ngoài sang trƣờng hiệu dụng có tính đến hiệu ứng khử từ: Heff = Hext – D.Mv (2.2) Hệ số khử từ D đƣợc tra cứu từ bảng số liệu chuẩn cho mẫu hình trụ. Mẫu có dạng hình trụ đƣờng kính 3 mm, chiều cao 3 mm (mẫu đƣợc cắt bằng phƣơng pháp tia lửa điện), hệ số khử từ D ~ 0,27. - Cảm ứng từ B: B = Heff + Mv (2.3) - Tích năng lƣợng: (BH) = Heff.B (2.4) - Vẽ đồ thị (BH) theo B hoặc Heff ta sẽ thu đƣợc một đỉnh cực đại, đó chính là (BH)max. 20 CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Cấu trúc của bột hợp kim Nd-Fe-B và hợp chất pha thêm Dy-Nb-Al. Theo các nghiên cứu trƣớc [1], [5] chúng tôi chọn thời gian để nghiền tinh hợp kim Nd-Fe-B là 8 h. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bột hợp kim này đƣợc trình bày trên hình 3.1. Kết quả phân tích cấu trúc cho thấy mẫu kết tinh khá đơn pha Nd2Fe14B với các đỉnh nhiễu xạ tƣơng đối cao và sắc nét. Cấu trúc của mẫu hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi thời gian nghiền. Hình 3.1. Giản đồ XRD của bột hợp kim có công thức hợp phần Nd16,5Fe77B6,5 nghi n 8 h. Các v ch thẳng đứng (màu xanh) biểu diễn phổ chuẩn của pha Nd2Fe14B. Đối với hợp chất pha thêm (HCPT), các pha hình thành trong mẫu Al2Dy3, AlDy, Nb và Al sau khi nghiền cơ năng lƣợng cao đều là các pha phi từ (hình 3.2). Từ hình vẽ ta thấy, sau khi nghiền 4 h các đỉnh nhiễu xạ đƣợc mở rộng, một số đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ thấp, không sắc nét đặc trƣng cho pha tinh thể ở kích thƣớc nanomet. 21 Hình 3.2. Giản đồ XRD của hợp chất pha thêm có hợp ph n Dy40Nb30Al30 đã nghiền 4 h. Hình 3.3 là ảnh SEM của bột hợp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h và hợp chất pha thêm Dy-Nb-Al đƣợc nghiền 4 h. Ta thấy nhận rằng, sau thời gian nghiền 8 h mẫu bột có kích thƣớc khá đồng đều trong khoảng từ 3 – 5 µm (hình 3.3a). Với bột của hợp chất pha thêm, phần lớn kích thƣớc hạt của mẫu đều nhỏ hơn 50 nm (hình 3.3b). Đây là kích thƣớc chúng tôi mong muốn để pha vào bột nam châm Nd-Fe-B. a) b) Hình 3.3. Ảnh của bột hợp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h và hợp hất pha th m Dy40Nb30Al30 nghiền 4 h. 22 3.2. Ảnh hƣởng của hợp chất pha thêm lên tính chất từ của bột hợp kim Nd-Fe-B. Để nâng cao chất lƣợng của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B chúng tôi đã cải thiện biên hạt bằng cách thêm vào biên hạt các hợp kim chứa Dy ở kích thƣớc nanomet. Bột hợp kim phi từ Dy40Nb30Al30 đƣợc trộn với bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 theo tỉ lệ khối lƣợng Nd16,5Fe77B6,5/khối lƣợng HCPT là 50/1. 20 Chua co HCPT 15 10 4M (kG) 5 0 -5 -10 -15 -20 -30 Da co HCPT -20 -10 0 10 20 30 H (kOe) Hình 3.4. ng t tr ủa mẫu hợp im - - nghiền h h a pha và đã pha Dy40Nb30Al30 sau hi thi u ết. Hình 3.4 là đƣờng cong từ trễ của các mẫu hợp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h chƣa pha và đã pha Dy40Nb30Al30 sau khi thiêu kết. Chúng ta có thể thấy rằng sau khi pha thêm Dy40Nb30Al30, tính chất từ của mẫu đƣợc cải thiện đáng kể. Trƣớc khi pha, mẫu thể hiện tính từ mềm với lực kháng từ Hc rất nhỏ (đạt 0,3 kOe). Sau khi có HCPT, lực kháng từ tăng mạnh đạt là 4,3 kOe. Để nâng cao tích năng lƣợng cực đại (BH)max của nam châm đã thiêu kết, chúng tôi áp dụng công nghệ xử lí nhiệt nhằm cải thiện biên hạt. Việc tạo ra đƣợc các biên hạt nh n, mỏng và đồng đều sẽ bảo đảm đƣợc cơ chế gây 23 nên lực kháng từ lớn và nâng cao đƣợc từ độ bão hòa cho vật liệu (do các biên hạt là pha phi từ). Đó là các yêu cầu cần thiết để nâng cao tích năng lƣợng cực đại (BH)max cho vật liệu. Đƣờng từ trễ của mẫu hợp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h đã pha Dy40Nb30Al30 trƣớc và sau khi xử lí nhiệt đƣợc chỉ ra trên hình 3.5. Từ hình vẽ ta thấy, sau khi xử lý nhiệt, tuy độ vuông đƣờng trễ suy giảm nhƣng lực kháng từ tăng đáng kể (trƣớc khi xử lí nhiệt là 4,3 kOe, sau khi xử lí nhiệt đạt 9,8 kOe). 20 15 Da XLN Chua XLN 4M (kG) 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 H (kOe) Hình 3.5. ng t tr ủa mẫu hợp im - - nghiền h đã pha Dy40Nb30Al30 tr ớc và sau khi xử lí nhiệt. Hình 3.6 và 3.7 là các đƣờng đặc trƣng từ của nam châm Nd-Fe-B đã pha Dy40Nb30Al30 sau khi thiêu kết và sau khi xử lí nhiệt. Ta thấy, sau khi xử lí nhiệt, tuy lực kháng từ có tăng đáng kể nhƣng do độ vuông đƣờng trễ kém nên tích năng lƣợng cũng chỉ đạt trên 30 MGOe. Nếu thay đổi chế độ xử lý nhiệt (tìm chế độ tối ƣu) có thể sẽ thu đƣợc nam châm có độ vuông đƣờng trễ và tích năng lƣợng (BH)max lớn hơn. 24 15 H = 4,3 (kOe); B = 13,7 kG c r (BH) 4M,B (kG) max = 30,5 MGOe 10 4M B BH 5 0 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 H (kOe) ng đặ tr ng t của mẫu Hình 3.6. - - nghiền h đã pha Dy40Nb30Al30 sau hi thi u ết. 15 H = 9,8 (kOe); B = 13,9 kG c r 4M,B (kG) (BH)max = 30,4 MGOe 10 4M B BH 5 0 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 H (kOe) Hình 3.7. ng đặ tr ng t ủa mẫu hợp im -5 - đã pha Dy40Nb30Al30 sau khi xử lí nhiệt. 25 0 - nghiền h KẾT LUẬN 1. Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của hợp kim pha thêm Dy40Nb30Al30 lên tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd16,5Fe77B6,5. Hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 nghiền 8 h pha bột hợp kim Dy40Nb30Al30 nghiền cơ năng lƣợng cao trong 4 h theo tỉ lệ khối lƣợng Nd16,5Fe77B6,5/Dy40Nb30Al30 là 50/1 cho các thông số từ khá tốt: Hc = 9,8 kOe, (BH)max = 30,4 MGOe. 2. Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ xử lí nhiệt lên tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. 3. Đề xuất: thay đổi chế độ xử lý nhiệt để thu đƣợc nam châm có độ vuông đƣờng trễ và tích năng lƣợng cực đại lớn hơn. 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt. [1]. Báo cáo tổng kết đề tài Phòng Thí nghiệm Trọng điểm 2012, Viện Khoa học vật liệu. [2]. Lƣu Tuấn Tài (2008), Vật liệu từ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội. [3]. L.T.Tú, N.V.Vƣợng, T.L, Hƣng, N.C. Tráng, N.C. Kiên, N.Q. Trung (2003) “Nam châm Nd-Fe-B thiêu kết chế tạo trên cơ sở hợp kim thu đƣợc bằng phƣơng pháp hàn nguyên Canxi”, Tuyển tập các báo cáo t i hội ngh Vật lí toàn quốc lần thứ IV, Núi Cốc, tr 647-650. [4]. Nguyễn Văn Khánh (2010), Nghiên cứu, ch t o nam châm thiêu k t NdFeB từ nguyên liệu công nghiệp, Luận văn thạc sĩ vật lí, Trƣờng Đại học sƣ phạm Hà Nội 2. [5]. Phạm Thị Thanh, Nguyễn Hải Yến, Nguyễn Xuân Long, Dƣơng Đình Thắng, Trƣơng Trọng Thanh, Phạm Khƣơng Anh và Nguyễn Huy Dân (2014), “Nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng cách đƣa các hạt nanô (Dy,Nd,Nb)-Cu-Al vào biên hạt”, T p í K o ọ và Công ng ệ, V ện KHCNVN, 52(3B) 110-106. [6]. Trần Thị Lan (2012), Nghiên cứu công nghệ ch t o làm giảm lượng đất hi m nặng Dy trong nam châm thiêu k t Nd-Fe-B, Luận văn thạc sĩ khoa học vật lí, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội. Tiếng Anh. [7]. Abache C. and Oesterreicher H. (1986), “Structure and magnetic properties of R2Fe14-xTxB (R=Nd, Y; T=Cr, Mn, Co, Ni, Al)”, J. App. Phys. 60, pp. 1114-1120. 27 [8]. Buschow K.H.J. (1988), Permanent-magnets materials and their applications, materials science foundations, Trasn Tech Publications. [9]. Harland C.L., Davies H.A. (1997). “Magnetic properties of Melt-spun Nd rich NdFeB with Dy and Ga substitutions”. J. Alloys compounds, 281, pp.3740. [10]. Herbst J.F., Croat J.J., Yelon W.B. (1984), “Structure and Magnetic Propoties of Nd2Fe14B”, J. Appl. Phys., 57, pp.4086-4090. [11]. Long G.J., Kulasekere R., Pringle O.A. (1992), “A comparison of the Moessbauer effect spectra of R2Fe14C”, J. Magn. Magn. Mater., 117, pp.239250. [12]. Mottram R.S., William A.J., Harris I.R. (2002), “Blending addition of Al and Co to Nd16Fe76B8 milled powder to produce sintered NdFeB”, J. Magn. Magn. Master., 222, pp. 305-313. [13]. Pandian S., Chandrasekaran V., Markandeyulu G., Lyer K.J.L., Rama Rao K.V.S. (2002), “Effect of Al, Cu, Ga and Nb addition on the magnetic properties and microstructural feature of sintered NdFeB”, J. Appl. Phys., 92(10), pp. 6082-8086. [14]. Sagawa M., Fujimura S., Togawa N., Yamamoto H. and Matsuura Y. (1984), “New material for permanent magnets on a base of Nd and Fe”, J. Appl. Phys., 55, pp. 2063-2067. 28 [...]... a) b) Hình 3.3 Ảnh của b t hợp kim Nd- Fe- B nghiền 8 h và hợp hất pha th m Dy40Nb3 0Al3 0 nghiền 4 h 22 3.2 Ảnh hƣởng của hợp chất pha thêm lên tính chất từ của b t hợp kim Nd- Fe- B Để nâng cao chất lƣợng của nam châm thiêu kết Nd- Fe- B chúng tôi đã cải thiện biên hạt b ng cách thêm vào biên hạt các hợp kim chứa Dy ở kích thƣớc nanomet B t hợp kim phi từ Dy40Nb3 0Al3 0 đƣợc trộn với b t hợp kim Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5... Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5 Sự lựa chọn tỉ phần trọng lƣợng của 3 nguyên liệu đầu vào 13 (Nd, Fe và FexBy) đƣợc tính toán dựa trên giản đồ pha ba nguyên tử của hệ Nd- Fe- B, chỉ số x và y của nguyên liệu FexBy, khả năng xuất hiện những pha không có ích trong quá trình rắn hoá (pha NdFe 4B4 , pha giàu Nd và pha Fe) Ngoài ra cần để ý đến sự b trừ lƣợng Nd và B hao hụt trong quá trình nấu hợp kim vì Nd là nguyên tố dễ b ... -20 -15 -10 H (kOe) Hình 3.7 ng đặ tr ng t ủa mẫu hợp im -5 - đã pha Dy40Nb3 0Al3 0 sau khi xử lí nhiệt 25 0 - nghiền h KẾT LUẬN 1 Đã nghiên cứu ảnh hƣởng của hợp kim pha thêm Dy40Nb3 0Al3 0 lên tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5 Hợp kim Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5 nghiền 8 h pha b t hợp kim Dy40Nb3 0Al3 0 nghiền cơ năng lƣợng cao trong 4 h theo tỉ lệ khối lƣợng Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5/Dy40Nb3 0Al3 0 là 50/1 cho... nấu hợp kim và giảm pha giàu Nd ở biên hạt đến mức tối ƣu - Gia công cơ khí và b c b t b mặt chống già hoá - Nạp từ sản phẩm ở từ trƣờng mạnh để đạt mô men từ dƣ cực đại 8 1.4 Ảnh hƣởng của các nguyên tố Dy, Cu, Al lên tính chất từ của nam châm Nd- Fe- B Nhƣ chúng ta đã biết, nam châm thiêu kết Nd- Fe- B là loại nam có phẩm chất từ tốt nhất hiện nay, có tích năng lƣợng cực đại (BH)max cao và đƣợc ứng... Huy Dân (201 4), “Nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd- Fe- B bằng cách đƣa các hạt nanô (Dy ,Nd, Nb)-Cu -Al vào biên hạt”, T p í K o ọ và Công ng ệ, V ện KHCNVN, 52( 3B) 110-106 [6] Trần Thị Lan (201 2), Nghiên cứu công nghệ ch t o làm giảm lượng đất hi m nặng Dy trong nam châm thiêu k t Nd- Fe- B, Luận văn thạc sĩ khoa học vật lí, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội Tiếng Anh [7] Abache C and Oesterreicher... Dy40Nb3 0Al3 0 đã nghiền 4 h Hình 3.3 là ảnh SEM của b t hợp kim Nd- Fe- B nghiền 8 h và hợp chất pha thêm Dy-Nb -Al đƣợc nghiền 4 h Ta thấy nhận rằng, sau thời gian nghiền 8 h mẫu b t có kích thƣớc khá đồng đều trong khoảng từ 3 – 5 µm (hình 3.3a) Với b t của hợp chất pha thêm, phần lớn kích thƣớc hạt của mẫu đều nhỏ hơn 50 nm (hình 3. 3b) Đây là kích thƣớc chúng tôi mong muốn để pha vào b t nam châm Nd- Fe- B. .. mm, chiều cao 3 mm (mẫu đƣợc cắt b ng phƣơng pháp tia lửa điện), hệ số khử từ D ~ 0,27 - Cảm ứng từ B: B = Heff + Mv (2. 3) - Tích năng lƣợng: (BH) = Heff .B (2. 4) - Vẽ đồ thị (BH) theo B hoặc Heff ta sẽ thu đƣợc một đỉnh cực đại, đó chính là (BH)max 20 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Cấu trúc của b t hợp kim Nd- Fe- B và hợp chất pha thêm Dy-Nb -Al Theo các nghiên cứu trƣớc [1], [5] chúng tôi chọn... (tìm chế độ tối ƣu) có thể sẽ thu đƣợc nam châm có độ vuông đƣờng trễ và tích năng lƣợng (BH)max lớn hơn 24 15 H = 4,3 (kOe); B = 13,7 kG c r (BH) 4M ,B (kG) max = 30,5 MGOe 10 4M B BH 5 0 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 H (kOe) ng đặ tr ng t của mẫu Hình 3.6 - - nghiền h đã pha Dy40Nb3 0Al3 0 sau hi thi u ết 15 H = 9,8 (kOe); B = 13,9 kG c r 4M ,B (kG) (BH)max = 30,4 MGOe 10 4M B BH 5 0 -40 -35 -30... b t đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh của vật liệu này Nhờ sự sắp xếp này mà cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2 Fe1 4B đƣợc ổn định 1.3 Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Xuất phát từ quan điểm cho rằng tồn tại một pha b n vững có phẩm chất từ cao trong họ vật liệu Nd- Fe- B [8], các chuyên gia hãng Sumitomo Special Metals đã phát triển công nghệ luyện kim b t truyền thống để chế tạo nam. .. châm Nd- Fe- B Công nghệ này bao gồm những công đoạn chủ yếu sau: - Chế tạo hợp kim Nd- Fe- B ban đầu b ng phƣơng pháp nhiệt canxi [3] hoặc nấu từ các kim loại sạch Nd, Fe, B và Fe- B với những tỉ phần phối liệu thích hợp có tính đến sự mất mát của B trong quá trình nấu luyện trong lò trung tần, đồng thời đảm b o một lƣợng dƣ thừa Nd thích hợp để kích thích quá trình thiêu kết và làm tăng lực kháng từ của ... pha tạp (Dy, Cu, Al ) lên tính chất nam châm thiêu kết Nd- Fe- B dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Huy Dân Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hƣởng pha tạp (Dy, Cu, Al ) lên tính chất nam châm thiêu kết. .. thiêu kết Neodym-Sắt-Bo, đƣợc viết tắt Nd- Fe- B loại nam châm đất đƣợc tạo từ hợp chất Neodym (Nd) - Sắt (Fe) - Bo (B) , với công thức phân tử Nd2 Fe1 4B Nam châm thiêu kết NdFeB lần đƣợc chế tạo thành... Dy40Nb3 0Al3 0 sau xử lí nhiệt 25 - nghiền h KẾT LUẬN Đã nghiên cứu ảnh hƣởng hợp kim pha thêm Dy40Nb3 0Al3 0 lên tính chất từ nam châm thiêu kết Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5 Hợp kim Nd1 6, 5Fe7 7B6 ,5 nghiền h pha b t

Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp (dy, cu, al ) lên tính chất của nam châm thiêu kết nd fe b

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan