Cấu tạo vật liệu từ cứng mn ga al bằng phương pháp nguội nhanh

Việc nghiên cứu thành công NCVC chứa đất hiếm là bước đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng bởi tích năng lượng từ cực đại rất cao.. - Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ chế t

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: ThS Nguyễn Mẫu Lâm

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới

Ths Nguyễn Mẫu Lâm, thầy đã hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình, chu

đáo trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận Tôi xin được

chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Dân cùng toàn thể cán bộ nghiên

cứu trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp

đỡ hoàn toàn về kinh phí thực nghiệm

Để đạt được thành công trong học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy, Cô giáo trong Khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị kiến thức khoa học và tạo môi trường học tập thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện tốt nhất để tôi chuyên tâm việc học tập và nghiên cứu khoa học

Xin chân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên

Nguyễn Thị Bích Hằng

LỜI CAM ĐOAN

Các kết quả và số liệu nêu trong khóa luận này là do tôi nghiên cứu dưới

sự hướng dẫn của Ths Nguyễn Mẫu Lâm Tôi xin cam đoan kết quả của

khóa luận là trung thực và không trùng với bất cứ công trình nghiên cứu nào khác đã công bố

Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

Sinh viên

Nguyễn Thị Bích Hằng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Giả thuyết khoa học 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

6 Phương pháp nghiên cứu 3

7 Cấu trúc khóa luận 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG 4

1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng 4

1.2 Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm 6

1.3 Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al 9

1.3.1 Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al 9

1.3.2 Giản đồ pha 9

1.3.3 Tính chất từ cứng của hệ Mn-Ga-Al 10

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 11

2.1 Các phương pháp nguội nhanh 11

2.1.1 Phương pháp nguội nhanh đơn trục 12

2.1.2 Phương pháp nguội nhanh hai trục 12

2.1.3 Phương pháp nguội nhanh ly tâm 13

2.1.4 Chế tạo băng hợp kim bằng phương pháp nguội nhanh 14

2.2 Phương pháp xử lý nhiệt 17

2.3 Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể 18

2.4 Các phương pháp nghiên cứu tính chất từ 19

2.4.1 Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM) 19

2.4.2 Hệ đo từ trường xung (PFM) 21

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23

3.1 Cấu trúc của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x 23

3.2 Tính chất từ của băng hợp kim Mn65Ga20-xAl15+x 24

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20 4

Hình 1.2 Sự phụ thuộc lực kháng từ của băng Mn100-xGaxvào quá trình ủ nhiệt 7

Hình 1.3 Biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dư và lực kháng từ vào hàm lượng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25) 7

Hình 1.4 Các vòng trễ của (a) mẫu Mn65Ga35 và (b) mẫu Mn65Ga15Al20 8

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của lực kháng từ trong các hợp kim Mn65Ga 35-xCux(x = 0-20) ở các nhiệt độ khác nhau 8

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của Mn-Ga-Al 9

Hình 1.7 Giản đồ pha của hệ hợp kim Mn-Ga 9

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục (a) Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần (b) và hình ảnh một số mẫu băng thu được (c) 11

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun băng trống quay đôi 13

Hình 2.3 Phương pháp nguội nhanh ly tâm 14

Hình 2.4 Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục 14

Hình 2.5 a) Thiết bị phun băng nguội nhanh ZKG-1: 1 Bơm hút chân không, 2 Buồng nấu, 3 Nguồn phát cao tần, b) Bên trong buồng tạo băng: 4 Trống quay, 5 Vòng cao tần, 6 Ống thạch anh 15

Hình 2.6 Thiết bị ủ nhiệt Thermolyne 17

Hình 2.7 Mô hình hình học của hiện tượng nhiễu xạ tia X 18

Hình 2.8 Thiết bị khảo sát cấu trúc Siemen D-5000 19

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của hệ từ kế mẫu rung (VSM) 20

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trường xung 21

Hình 2.11 Hệ đo từ trường xung 22

Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X trước ủ nhiệt (a) và sau ủ nhiệt (b) của băng

Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5) 23 Hình 3.2 Các đường từ trễ của các băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0 và 5)

chưa ủ nhiệt 24 Hình 3.3 Đường cong từ trễ của băng Mn65Ga20-xAl15+x (x = 0, 5 và 10) ủ

ở nhiệt độ khác nhau tại Ta = 550 (a), 600 (b), 650 (c), 700 (d)

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật liệu từ cứng (VLTC) cùng với các sản phẩm ứng dụng của nó thường được gọi là nam châm vĩnh cửu (NCVC) đã được biết đến từ rất sớm bởi người Trung Quốc và Hy Lạp cổ đại Cho đến nay, VLTC vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ các thiết bị quen thuộc không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày như: động cơ điện, máy phát điện… cho đến các thiết bị trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như công nghệ thông tin, quân sự, khoa học, y tế… do có khả năng tích trữ năng lượng của từ trường tác dụng lên nó và trở thành nguồn phát từ trường Do có tiềm năng ứng dụng lớn nên

đã thúc đẩy sự nghiên cứu, tìm kiếm vật liệu mới và công nghệ chế tạo mới nhằm tạo ra những VLTC có phẩm chất tốt hơn để đáp ứng được nhu cầu của cuộc sống ngày càng phát triển

Việc nghiên cứu thành công NCVC chứa đất hiếm là bước đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng bởi tích năng lượng từ cực đại rất cao Tuy nhiên, các nguyên tố đất hiếm dùng để chế tạo NCVC (Nd, Sm, Dy…) ngày càng khan hiếm và giá cả ngày càng tăng cao Mặt khác, hầu hết các quặng đất hiếm đều chứa các nguyên tố phóng xạ, đặc biệt là Th và U Trong quá trình tinh chế thì cũng cần đến một số axit độc hại Điều đó không chỉ quan ngại với các nước nhập khẩu mà với các nước xuất khẩu cũng vậy Đối với những quốc gia nhập khẩu đất hiếm thì phải đối mặt với việc mua đất hiếm với giá cả cao và phải phụ thuộc vào các quốc gia xuất khẩu, còn đối với các quốc gia xuất khẩu đất hiếm thì những lợi ích kinh tế từ việc bán đất cũng không thể bù đắp được những tổn hại về môi trường và sức khỏe con người gây ra do việc khai thác đất hiếm Chính vì thế, hiện nay hầu hết các nước có nguồn nguyên liệu này đều không muốn khai thác nó, Trung Quốc là nước chiếm tới 95% thị trường đất hiếm trên thế giới; năm 2010 đã cắt giảm 40%

sản lượng và tuyên bố tiếp tục hạn chế xuất khẩu nguồn nguyên liệu này, làm cho giá đất hiếm tăng vọt và dẫn đến nguy cơ gây nên một cuộc khủng hoảng đất hiếm đối với nền công nghiệp thế giới

Để khắc phục điều này, các quốc gia công nghiệp phát triển đã đầu tư, thúc đẩy nghiên cứu và tìm kiếm các vật liệu thay thế đất hiếm Không nằm ngoài xu hướng đó, các nhà khoa học đang nghiên cứu tìm kiếm phát triển những thế hệ nam châm mới có thể thay thế nam châm chứa đất hiếm hoặc giảm sự lệ thuộc vào các kim loại đất hiếm Bên cạnh đó việc tìm kiếm công nghệ mới trong nghiên cứu và chế tạo NCVC sẽ là một xu hướng nghiên cứu của thế giới trong thời gian tới [1, 2, 4, 7, 8]

Một trong những loại VLTC không chứa đất hiếm đã thu hút được sự chú ý là VLTC Mn-Ga, cấu trúc và tính chất từ đã được nghiên cứu trong những năm gần đây [6-9] Để cải thiện tính chất từ của hệ hợp kim Mn-Ga, các nhà khoa học đã thay thế một phần hoặc pha thêm một số nguyên tố vào

hệ Mn-Ga Hệ VLTC Mn-Ga có thể pha thêm một số nguyên tố để tăng phẩm chất từ như Al, Cu và Fe Một số kết quả pha thêm các nguyên tố nhằm cải thiện tính chất từ đã được công bố [3, 7, 9]

Từ những lý do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phương pháp nguội nhanh”

2 Mục đích nghiên cứu

Chế tạo được vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Ga-Al có tính chất từ cứng tốt, có thể ứng dụng trong thực tế

3 Giả thuyết khoa học

Vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al có tính chất từ tốt được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al bằng phương pháp nguội nhanh

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Lý thuyết về cấu trúc và tính chất từ của hệ Mn-Ga-Al

- Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo hệ hợp kim Mn-Ga-Al bằng phương pháp nguội nhanh và xử lý nhiệt

- Khảo sát cấu trúc: XRD

- Khảo sát tính chất từ: Hệ từ trường xung PFM; Hệ từ kế mẫu rung VSM

6 Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 Kỹ thuật thực nghiệm

2.1 Các phương pháp nguội nhanh

2.2 Phương pháp xử lý nhiệt

2.3 Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể

2.4 Các phương pháp nghiên cứu tính chất từ

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG

1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng hay nam châm vĩnh cửu đã được phát hiện và sử dụng

từ rất lâu, đầu tiên chỉ là loại quặng ôxit sắt Fe3O4 có trong tự nhiên với tên gọi “lode stone” Sau khoảng thời gian dài, qua nhiều thế kỉ, đến năm 1740, nam châm vĩnh cửu đầu tiên được chế tạo với tích năng lượng cực đại khá thấp (BH)max = 1 MGOe, do đó, cần phải dùng một lượng lớn vật liệu mới tạo

ra được nam châm có lực hút đủ mạnh Do nhu cầu thiết yếu của nam châm vĩnh cửu, đòi hỏi các nhà khoa học tìm kiếm, nghiên cứu các vật liệu từ cứng

ưu việt hơn Thế kỉ 20 đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực này, cứ sau 20 năm, giá trị (BH)max của nam châm vĩnh cửu tăng gấp 3 lần

Hình 1.1 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20

Năm 1917, nam châm thép côban được phát minh ở Nhật, đến năm 1931

họ nam châm AlNiCo được Mishima (Nhật Bản) chế tạo và được sử dụng rộng rãi Lúc đầu, (BH)max của nam châm AlNiCo cũng chỉ đạt cỡ 1 MGOe Bằng cách thay đổi công nghệ chế tạo, (BH)max của vật liệu này dần được nâng cao Đến năm 1956, hợp kim AlNiCo9 có (BH)max đã đạt tới 10 MGOe, nhờ có nhiệt độ Curie cao (850oC) và giá thành thấp nên hiện nay nam châm này vẫn được sử dụng rộng rãi

Vào những năm đầu thập niên 1950, vật liệu ferit từ cứng tổ hợp được khám phá bởi công ty Philip, Hà Lan, đây là vật liệu có cấu trúc lục giác với công thức hóa học là MFe12O19 (M là Ba, Sr, Pb hoặc tổ hợp của chúng) Tuy

có (BH)max không lớn (~ 5 MGOe), nhưng ngày nay nam châm này là vật liệu được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu của toàn thế giới, do chúng có ưu điểm là giá thành rất rẻ và bền

Thập niên 60 của thế kỉ 20 đánh dấu bước đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng, năm 1966, nhóm nghiên cứu của Karl Strnat (đại học tổng hợp Dyton, Ohio, Mỹ) phát hiện ra hợp kim YCo5, đó là sự kết hợp giữa các nguyên tố 3d của kim loại chuyển tiếp có từ độ bão hòa và nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) cao, với các nguyên tố 4f có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn Vật liệu SmCo5 có khả năng chế tạo nam châm vĩnh cửu có năng lượng cao kỉ lục (30 MGOe), mở ra một trang mới về một

họ vật liệu từ cứng vô cùng quan trọng, họ nam châm đất hiếm

Tuy nhiên, vào những năm 1970, Côban trở nên khá đắt đỏ, nguồn cung cấp nguyên liệu không ổn định, do đó, các nghiên cứu nhằm thay thế côban cũng như tìm ra vật liệu từ cứng mới được thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn thế giới

Năm 1983, Sagawa và các cộng sự tại hãng kim loại Sumitomo (Nhật Bản) đã chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd8Fe77B5 có

(BH)max ~ 36.2 MGOe Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd2Fe14B có (BH)max ~ 14 MGOe Đến nay bằng phương pháp thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế giới đã chế tạo được vật liệu từ Nd2Fe14B có (BH)max ~ 57 MGOe

Đến năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới có (BH)max ~ 12.4 MGOe Vật liệu 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) Vật liệu

từ cứng loại này được gọi là vật liệu nanocomposite, tuy (BH)max chưa cao nhưng vật liệu này chứa ít đất hiếm và công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nên giá thành rẻ và tăng độ bền hóa học của vật liệu

Vật liệu từ cứng được tìm ra từ những thập kỉ 50-60, rất khó chế tạo, thường được chế tạo trên các hệ hợp kim nền đất hiếm Vào những năm gần đây, do khủng hoảng về đất hiếm nên các nhà khoa học tập trung vào hướng nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ cứng chứa ít và không chứa đất hiếm nhằm đáp ứng ứng dụng và giảm giá thành của nam châm

Trong các hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm, hệ Mn-Ga hiện nay đang được nghiên cứu vì hệ vật liệu này có lực kháng từ cao cỡ 20 kOe, bên cạnh đó giá thành của hệ vật liệu này khá rẻ

1.2 Một số hệ vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm

Năm 2012, Tetsuji Saito và cộng sự đã tiến hành sản xuất các hợp kim

Mn100-xGax (x= 20-50) [8] Các tính chất từ của băng nguội nhanh Mn-Ga phụ thuộc vào nguyên tố Ga và nhiệt độ ủ Với mẫu băng Mn70Ga30 có Hc = 5.7 kOe khi ủ ở 973 K trong 1 giờ

Hình 1.2 Sự phụ thuộc lực kháng từ của băng Mn 100-x Ga x

vào quá trình ủ nhiệt

Năm 2015, Tetsuji Saito và cộng sự đã công bố hệ hợp kim từ cứng

Mn65Ga35-xAlx [7] Mẫu Mn65Ga35 bao gồm pha Mn3Ga kiểu D022 thể hiện lực kháng từ là 400 kA/m Sự thay thế một phần Ga bằng Al trong mẫu Mn65Ga35dẫn đến sự hình thành một pha mới với nhiệt độ Curie là 680 K Pha khối này thể hiện lực kháng từ là 730 kA/m, cao hơn so với loại D022 của pha Mn3Ga

Hình 1.3 Biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dư và lực kháng từ vào hàm lượng

nhôm của Mn 65 Ga 35-x Al x (x = 0-25)

Hình 1.3 biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ dƣ và lực kháng từ vào hàm lƣợng nhôm của Mn65Ga35-xAlx (x = 0-25) Lực kháng từ lớn nhất là 730 kA/m đã đạt đƣợc trong mẫu Mn65Ga15Al20 Việc thêm Al vào nam châm Mn-

Ga làm thay đổi từ độ dƣ và lực kháng từ

Hình 1.4 Các vòng trễ của (a) mẫu Mn 65 Ga 35 và (b) mẫu Mn 65 Ga 15 Al 20

Các vòng trễ của các mẫu Mn65Ga35 và Mn65Ga15Al20 đƣợc biểu diễn trong hình 1.4 Mẫu Mn65Ga35 đƣa ra giá trị lớn nhất là 12.8 kJ/m3 với lực kháng từ là 348 kA/m, trong khi mẫu Mn65Ga15Al20 có giá trị lớn nhất là 2.0 kJ/m3 với lực kháng từ 730 kA/m

Năm 2016, Tetsuji Saito và và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về thay thế một phần Ga bởi các nguyên tố khác hình 1.5 [9]

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của lực kháng từ trong các hợp kim Mn Ga Cu

1.3 Hệ vật liệu từ cứng Mn-Ga-Al

1.3.1 Cấu trúc tinh thể Mn-Ga-Al

Tinh thể Mn-Ga-Al tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc hình 1.6

Gần đây, nhóm nghiên cứu Nanofoundry, LLC, Glen Allen, VA đã đƣa

ra giản đồ pha của hệ Mn-Ga (hình 1.7) [5]

Hình 1.7 Giản đồ pha của hệ hợp kim Mn-Ga

Tuy nhiên, nhóm tác giả đã cho thấy sự ổn định của pha Mn-Ga rất khó khăn trong điều kiện bình thường

1.3.3 Tính chất từ cứng của hệ Mn-Ga-Al

Một hợp kim Mn-Ga với 20-40% Ga thường bao gồm pha Mn3Ga loại D019 bởi vì nó khá ổn định và pha Mn3Ga loại D022 thời gian hình thành pha khá dài Tuy nhiên với công nghệ hiện nay người ta đã xác định các điều kiện tối ưu để thu được dễ dàng loại pha D022 Các pha được hình thành bằng cách

ủ ở 973K [7]

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM

2.1 Các phương pháp nguội nhanh

Phương pháp phun băng nguội nhanh lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1960 bởi nhóm của P Duwez ở Viện Công nghệ Califonia (Caltech) Nhóm này đã chế tạo thành công một loạt các hợp kim vô định hình như AuSi, AgCu, AgG…Đây là kỹ thuật làm hóa rắn nhanh hợp kim nóng chảy Lúc mới phát minh người ta dùng phương pháp này với mục đích tạo ra dung dịch rắn giả bền cho kim loại, nghĩa là phải rắn nhanh và có dạng băng nên

gọi là băng nguội nhanh Công nghệ phun băng nguội nhanh (rapid cooling,

melt-spinning) còn được gọi là phương pháp làm lạnh nhanh hoặc tôi nhanh

(rapid quenching) hình 2.1

a, Nguyên lý hệ phun

băng đơn trục

b, Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần

c, Hình ảnh một số mẫu

băng thu được

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục (a) Ảnh thực của trống đồng và cuộn dây cao tần (b) và hình ảnh một số mẫu băng

thu được (c)

Phương pháp này sử dụng năng lượng bên ngoài làm nóng chảy vật liệu (quá trình năng lượng hóa tạo ra trạng thái không bền cho vật liệu) Chính nguồn năng lượng đó làm thay đổi trạng thái của vật liệu từ rắn sang lỏng, sau

đó vật liệu được làm nguội nhanh để giữ cấu trúc của hợp kim hóa rắn giống như trạng thái của chất lỏng (trạng thái VĐH) Bằng cách đó các tính chất cơ,

lý, hóa của vật liệu được tăng cường rất nhiều so với vật liệu ban đầu Nguyên tắc của phương pháp phun băng nguội nhanh là làm lạnh hợp kim nóng chảy với tốc độ lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn Để có thể thu nhiệt của vật liệu người ta dùng một trống quay có bề mặt nhẵn bóng, có khả năng thu nhiệt cao (thường là làm bằng đồng), cho quay với tốc độ lớn làm môi trường thu nhiệt của hợp kim nóng chảy Hợp kim được làm nóng chảy trong một nồi nấu đặc biệt theo phương pháp nỏng chảy cảm ứng bằng dòng điện cao tần

Có 3 loại thiết bị để thực hiện phương pháp phun băng nguội nhanh là: thiết bị phun băng nguội nhanh trống quay đơn trục, thiết bị phun băng nguội nhanh trống quay hai trục và thiết bị phun băng nguội nhanh ly tâm

2.1.1 Phương pháp nguội nhanh đơn trục

Phương pháp nguội nhanh đơn trục là phương pháp nguội nhanh trên một trống quay được quay với tốc độ cao (hình 2.1a) Hợp kim được phun trên bề mặt trống, nhờ bề mặt nhẵn bóng mà hợp kim được dàn mỏng và được thu nhiệt rất nhanh Độ dày của băng hợp kim phụ thuộc vào các yếu tố là độ lớn của đường kính vòi phun, áp suất khí đẩy khi phun băng, khoảng cách từ vòi phun đến mặt trống và tốc độ trống quay Hình 2.1b là ảnh chụp dòng hợp kim nóng chảy trên mặt trống quay Phương pháp này dễ tiến hành và giá thành thấp nhưng có nhược điểm là dễ xảy ra sự sai khác về cấu trúc cũng như tính chất bề mặt ở cả hai phía của băng hợp kim, đồng thời tính lặp lại về chiều dày của băng hợp kim thường không cao

2.1.2 Phương pháp nguội nhanh hai trục

Phương pháp nguội nhanh hai trục (hình 2.2) là phương pháp sử dụng hai trống quay đặt tiếp xúc với nhau và quay ngược chiều nhau

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun băng trống quay đôi

Hợp kim được làm lạnh giữa hai khe của bề mặt trống, vừa bị làm lạnh vừa bị cán ép nên có độ dày rất chuẩn xác (chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai trống) đồng thời tính chất hai bề mặt sai khác rất ít Nhưng điểm khó của phương pháp này là tính đồng bộ giữa hai trống quay Điểm quan trọng của phương pháp nguội nhanh hai trục là chế tạo các trống quay trên mỗi trục phải cực kỳ chính xác (độ rung của bề mặt trống rất thấp chỉ cỡ vài micromet), đồng thời bề mặt của các trống phải được xử năng thu nhiệt nhanh

và ít bị ôxi hóa Vật liệu phổ biến được dùng là hợp kim của đồng Để chế tạo các băng hợp kim đặc biệt chứa các kim loại dễ bị ôxi hóa như băng hợp kim

từ cứng, người ta đặt cả hệ trong môi trường bảo vệ (được hút chân không cao

hoặc được nạp các khí bảo vệ)

2.1.3 Phương pháp nguội nhanh ly tâm

Phương pháp nguội nhanh ly tâm (hình 2.3) là phương pháp sử dụng đĩa quay với tốc độ lớn thay cho trống đồng trong hai phương pháp trên Hợp kim lỏng được phun trên mặt đĩa và được làm lạnh (đông cứng) khi tiếp xúc với bề mặt đĩa quay, trong phương pháp này đĩa quay là môi trường thu nhiệt nhanh

Vì đĩa quay với tốc độ lớn nên hợp kim bị văng ra do tác dụng của lực ly tâm

Hình 2.3 Phương pháp nguội nhanh ly tâm

Mỗi thiết bị đều có ưu nhược điểm riêng mà tùy yêu cầu sử dụng mà ta chọn thiết bị nào cho phù hợp Tuy vậy, phương pháp phun băng nguội nhanh trống quay đơn trục vẫn được dùng nhiều nhất

2.1.4 Chế tạo băng hợp kim bằng phương pháp nguội nhanh

Sơ đồ khối của công nghệ nguội nhanh được mô tả trên hình 2.4 Trong khóa luận này, băng nguội nhanh được tạo bằng thiết bị ZKG- 1 (hình 2.5) đặt tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Vận tốc dài của trống quay trong thiết bị có thể thay đổi từ 5 đến 48 m/s Khối lượng hợp kim tối đa mỗi lần phun là 100 g Mức chân không của trạng thái khi làm việc cỡ 6.610-2 Pa