Ảnh hưởng của pha tạp nb và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng nền co zr b chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh và nghiền cơ năng lượng cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ NGUYỄN VIỆT TUẤN ẢNH HƯỞNG CỦA PHA TẠP Nb VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỘI NHANH VÀ NGHIỀN CƠ NĂNG LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội, tháng năm 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ẢNH HƯỞNG CỦA PHA TẠP Nb VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM TỪ CÚNG NỀN Co-Zr-B CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỘI NHANH VÀ NGHIỀN CƠ NĂNG LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ CHẤT RẮN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Việt Tuấn Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Dương Mã sinh viên: 145D1402110151 Khóa: 40 Hà Nội, 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ThS Nguyễn Văn Dương giúp đỡ, bảo tận tình suốt trình thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Huy Dân viện Khoa học Vật liệu, Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ThS Nguyễn Mẫu Lâm tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị giúp đỡ trình làm thực nghiệm hồn thành khóa luận Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy, cô giáo khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội trang bị cho kiến thức cần thiết để thực khóa luận Tuy nhiên lần làm quen với việc nghiên cứu khoa học, mong góp ý q thầy, giáo bạn sinh viên để khóa luận tơi hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Việt Tuấn LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp: “Ảnh hưởng pha tạp Nb ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ hợp kim từ cứng Co-Zr-B chế tạo phương pháp nguội nhanh nghiền lượng cao” kết nghiên cứu riêng hướng dẫn ThS Nguyễn Văn Dương Khóa luận không trùng với kết tác giả khác Tôi xin cam đoan điều thật, sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, tháng 05 năm 2018 Sinh viên Nguyễn Việt Tuấn MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài .1 Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG KHÔNG CHỨA ĐẤT HIẾM NỀN Co-ZrB .3 1.1 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim Co-Zr-B không pha tạp 1.1.1 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim Co 80 Zr20-x Bx (x = - 4) chế tạo phương pháp thiêu kết xung điện Plasma (SPS) 1.1.2 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim Co 72 Zr8 B20 .5 1.1.3 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim Co 80 Zr20-x Bx (x = - 4) chế tạo phương pháp phun băng nguội nhanh 1.2 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim Co-Zr-B có pha tạp 11 1.2.1 Hệ hợp kim Co 80 Zr18-x Mx B2 (x = - 2) M = C, Cu, Ga, Al Si 11 1.2.2 Hệ hợp kim Co 86,5 Hf11,5-x Zrx B2 (x = 0, 1, 2, 5) 14 1.2.3 Hệ hợp kim Co 80 Zr18-x Tix B2 (x = - 4) 16 1.2.4 Hệ hơp kim Co 80-xZr18 Crx B2 (x = 0, 2, 4) 19 1.2.5 Hệ Hợp kim Co 80 Zr18-x NbxB2 (x = - 4) 23 1.2.6 Hệ hợp kim Co 80 Zr18-x Mo x B2 (x = - 4) 27 Chương KỸ THUẬT THÍ NGHIỆM 31 2.1 Các phương pháp chế tạo mẫu 31 2.1.1 Chế tạo mẫu hợp kim Co-Zr-Nb-B lò hồ quang 31 2.1.2 Chế tạo băng hợp kim phương pháp nguội nhanh 32 2.1.3 Chế tạo mẫu hợp kim Co-Zr-Nb-B phương pháp nghiền lượng cao 34 2.1.3.1 Cấu tạo máy nghiền SPEX 8000D 35 2.1.3.2 Nguyên tắc hoạt động 36 2.1.3.3 Chế tạo mẫu bột 36 2.2 Xử lí nhiệt mẫu hợp kim Co-Zr-Nb-B chế tạo 36 2.3 Phép đo từ trễ 37 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim băng Co-Zr-Nb-B trước ủ nhiệt 39 3.2 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim băng Co-Zr-Nb-B sau ủ nhiệt 40 3.3 Tính chất từ hệ hợp kim Co-Zr-Nb-B chế tạo phương pháp nghiền lượng cao 42 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC) sử dụng rộng rãi thực tế, từ thiết bị phục vụ sống hàng ngày biến điện, động điện, máy phát điện thiết bị lĩnh vực kỹ thuật đại công nghệ thông tin, quân sự, khoa học, y tế Cùng với phát triển khoa học công nghệ, nhiều hướng nghiên cứu kỹ thuật chế tạo nhằm tạo loại vật liệu từ có đặc tính tốt thay vật liệu từ truyền thống Vật liệu từ cứng nhân tạo có (BH) max  MGOe chế tạo năm 1920 Từ hướng nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao biện pháp công nghệ thay đổi hợp phần để tìm kiếm vật liệu có (BH) Max cao phát triển Hiện vật liệu từ cứng Nd-Fe-B sử dụng rộng rãi đời sống hàng ngày chúng có tính chất từ nội tốt [4, 5, 7, 10, 12] Tuy nhiên tính chất từ loại vật liệu nghiên cứu gần đạt tới giới hạn lí thuyết, loại vật liệu chứa nguyên tố đất ngày cạn kiệt tự nhiên đồng thời trữ lượng đất tự nhiên tập trung chủ yếu Trung Quốc chiếm 97% dẫn tới giá thành sản phẩm ngày tăng nên khó chủ động việc nghiên cứu loại vật liệu [10] Gần loại vật liệu từ cứng nghiên cứu hợp kim từ cứng Co-Zr-B chúng không chứa đất cách pha thêm nguyên tố B, Si, Nb, Al, Cr thay đổi điều kiện nhiệt độ ủ, thời gian ủ ảnh hưởng mạnh lên tính chất cấu trúc từ hợp kim Chính lựa chọn đề tài “Ảnh hưởng pha tạp Nb ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ hợp kim từ cứng Co-ZrB chế tạo phương pháp nguội nhanh nghiền lượng cao” Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ hợp kim từ cứng Co-Zr-B Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Vật liệu từ cứng Co-Zr-B pha tạp Nb - Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ mẫu chế tạo Nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo hợp kim Co-Zr-Nb-B lò hồ quang - Nghiền hợp kim máy nghiền lượng cao SPEX8000D - Đo tính chất vật lý hệ mẫu chế tạo - Nghiên cứu cấu trúc tính chất từ hợp kim chế tạo Phương pháp nghiên cứu - Các mẫu nghiên cứu chế tạo phương pháp phun băng nguội nhanh nghiền lượng cao - Cấu trúc vật liệu phân tích phương pháp nhiễu xạ tia X - Tính chất từ nghiên cứu phép đo từ độ Đóng góp đề tài - Hồn thành việc nghiên cứu ảnh hưởng pha tạp Nb ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất hợp kim từ cứng Co-Zr-B sở cho việc chế tạo vật liệu từ cứng có lực kháng từ cao mà không chứa đất Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, luận văn gồm ba chương: Chương Tổng quan vật liệu từ cứng không chứa đất Co- Zr-B Chương Kỹ thuật thực nghiệm Chương Kết thảo luận -6 -8 -6 -4 -2 H (kOe) Hình 3.2 Đường cong từ trễ băng Co 77 Zr20-yNby B3 trước ủ nhiệt Để tìm quy luật lực kháng từ Hc băng hợp kim Co 77 Zr20y Nby B3 (y = - 4) trước ủ, biểu diễn phụ thuộc lực vào nồng độ Nb thể hình 3.3 Kết cho thấy nồng độ Nb tăng, lực kháng từ Hc tăng đạt giá trị cực đại sau chúng giảm với tăng nồng độ Nb Lực kháng từ đạt giá trị lớn 2,83 kOe nồng độ Nb 2% 3.2 2.4 c H (kOe) 2.8 1.6 -1 y (at%) Hình 3.3 Sự phụ thuộc giá trị lực kháng từ vào nồng độ nguyên tố Nb băng hợp kim Co 77 Zr20-yNby B3 (y = 4) 3.2 Cấu trúc tính chất từ hệ hợp kim băng Co-Zr-Nb-B sau ủ nhiệt Hình 3.4 phổ nhiễu xạ tia X băng Co 77 Zr20-y NbyB3 (y = - 4) sau o ủ 650 C thời gian 15 phút Có thể thấy sau ủ nhiệt phổ nhiễu xạ băng hợp kim xuất thêm pha từ mềm Co 23Zr6 Đồng thời cường độ độ sắc nét đỉnh nhiễu xạ tăng cường           y=2   y=4  y=3  Co23 Zr6 C r  fcc-Co Intensity (a.u.) y=0 20 30 40 50 deg  60 70 Hình 3.4 Các mẫu XRD băng Co77 Zr20-yNby B3 (y = - 4) sau ủở o 650 C thời gian 15 phút Để nghiên cứu ảnh hưởng q trình ủ nhiệt, chúng tơi ủ mẫu o o băng nhiệt độ khác từ 550 C - 700 C thời gian phút - 15 phút Hình 3.5 đường cong từ trễ băng hợp kim Co 77 Zr20-yNby B3 (y = - 4) sau ủ o nhiệt độ 650 C thời gian 15 phút y=0 y=2 4M (kG) -2 -4 -6 -8 y=3 y=4 b) -6 -4 -2 H (kOe) Hình 3.5 Đường cong từ trễ băng Co 77 Zr20-yNby B3 (y = - 4) ủở o 650 C 15 phút 2.5 y= c H (kOe) 3.5 y= y= 1.5 y=4 550 600 650 o T a ( C) 700 Hình 3.6 Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ băng Co77 Zr20-y NbyB3 (y = - 4) ủ nhiệt độ Ta khác thời gian 15 phút Hình 3.6 phụ thuộc lực kháng từ vào nhiệt độ ủ o o o o băng Co 77 Zr20-yNby B3 (y = - 4) sau ủ 550 C, 600 C, 650 C 700 C thời gian 15 phút thấy rằng, lực kháng từ Hc tăng nhiệt độ ủ tăng từ o o 550 C - 650 C sau chúng giảm mạnh với tăng nhiệt độ ủ lên o 700 C Lực kháng từ cao cỡ 3,71 kOe đạt cho mẫu băng thay o 3% Nb ủ nhiệt độ 650 C thời gian 15 phút Sự phụ thuộc tích lượng (BH)max vào nhiệt độ ủ băng hợp kim Co 77 Zr20-y NbyB3 (y = - 4) sau nhiệt thể hình 3.7 Kết cho thấy tích lượng (BH)max đạt giá trị tối ưu nhiệt độ ủ khoảng o o 600 C - 700 C Tích lượng (BH) max cỡ 1,5 MGOe đạt với thay o 3% Nb cho Zr ủ nhiệt độ 650 C thời gian 15 phút Sự tăng cường lực kháng từ Hc tích lượng (BH)max giải thích tương tác cặp trao đổi tăng cường kích thước hạt đạt tối ưu Tuy nhiên kích thước hạt tăng đáng kể khác xa so với kích thước tối ưu nhiệt độ ủ cao 1.5 1.45 (BH) max (MGOe) 1.55 1.4 1.35 1.3 1.25 500 550 600 650 o Ta( C) 700 750 Hình 3.7 Sự phụ thuộc tích lượng tối đa (BH)max nhiệt độ ủ băng Co 77 Zr20-y NbyB3 (y = - 4) ủ nhiệt độ khác Bảng 3.1 Tính chất từ tối ưu băng hợp kim Co 77 Zr20-yNby B3 (y = - 4) B T t M MB ă a a s r r n g ( ( ( ( ( C 3, 5 H( c B H ( , , 3.3 Tính chất từ hệ hợp kim Co-Zr-Nb-B chế tạo phương pháp nghiền lượng cao Để nghiên cứu ảnh hưởng phương pháp chế tạo lên tính chất từ hợp kim, chúng tơi tiến hành nghiền lượng cao mẫu y Nby B3 (với y = 3) thời gian 2, 4, 8h Co 77 Zr20- Hình 3.8 đường cong từ trễ mẫu Co 77 Zr20-yNby B3 (với y = 3) nghiền lượng cao thời gian 2, 4, 8h chưa ủ nhiệt Kết cho thấy, lực kháng từ mẫu nghiền nhỏ, lực kháng từ cao cỡ 1,14 kOe với thời gian nghiền 2h Giá trị nhỏ so với lực kháng từ mẫu băng chưa ủ nhiệt (1,32 kOe với nống độ Nb 4%) Kết cho thấy ảnh hưởng rõ rệt thời gian nghiền lên tính chất từ chúng Khi tăng thời gian nghiền lực kháng từ mẫu giảm xuống (từ 1,14 kOe với thời gian nghiền h xuống 0,8 kOe với thời gian nghiền h) thể hình 3.9 2h 4h 4M (kG) -2 -4 -6 -8-3 6h 8h -2 -1 Hc (kOe) Hình 3.8 Đường cong từ trễ mẫu Co 77Zr20-yNby B3 (với y = 3) 1.15 1.1 1.05 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 c H (kOe) nghiền lượng cao thời gian 2, 4, 8h chưa ủ nhiệt ta (h) Hình 3.9 Sự phụ thuộc lực kháng từ vào thời gian nghiền mẫu Co 77 Zr20-y NbyB3 (với y = 3) nghiền lượng cao thời gian 2, 4, 8h chưa ủ nhiệt Chúng tiến hành ủ nhiệt mẫu nghiền Co 77 Zr20-yNby B3 (với y = 3) o nhiệt độ 650 C thời gian 15 phút nhằm cải thiện lực kháng từ 4M (kG) 2h 4h -2 -4 6h -6 8h -8 -2 -1.5 -1 -0.5 0.5 1.5 H (kOe) Hình 3.10 Đường cong từ trễ mẫu Co 77 Zr20-y NbyB3 (với y = 3) nghiền lượng cao thời gian 2, 4, 8h ủ nhiệt độ o 650 C thời gian 15 phút Hình 3.10 đường cong từ trễ mẫu Co 77 Zr20-y NbyB3 (với y = 3) o nghiền lượng cao thời gian 2, 4, 8h ủ nhiệt độ 650 C thời gian 15 phút Kết cho thấy, lực kháng từ cải thiện không nhiều 1.3 1.1 c H (kOe) 1.2 0.9 0.8 t (h) a Hình 3.11 Sự phụ thuộc lực kháng từ vào thời gian nghiền mẫu Co 77 Zr20-y NbyB3 (với y = 3) nghiền lượng cao thời gian o 2, 4, 8h ủ nhiệt độ 650 C thời gian 15 phút Lực kháng từ đạt giá trị cao 1,27 kOe ứng với thời gian nghiền 2h sau giảm xuống 0,82 kOe tăng thời gian nghiền lên 8h (hình 3.11) Điều nầy giải thích do, tăng thời gian nghiền làm cho kích thước hạt nhỏ mịn khác xa so với kích thước tối ưu KẾT LUẬN Trong q trình làm khóa luận tốt nghiệp, em hồn thành nội dung sau: - Đã tìm hiểu tổng quan vật liệu từ cứng không chứa đất Co-Zr-B - Tìm hiểu thực số khâu phương pháp phun băng nguội nhanh nghiền lượng cao - Xác định cấu trúc mẫu băng Co 77 Zr20-y NbyB3 (với y = - 4) gồm pha từ mềm fcc-Co Co 23Zr6 pha từ cứng Co 5Zr Lực kháng từ tích lượng mẫu băng đạt giá trị cao 3,71 kOe 1,5 MGOe tương ứng - Đối với mẫu Co 77 Zr20-yNby B3 (với y = 3) nghiền lượng cao, lực kháng từ chúng nhỏ giảm thời gian nghiền tăng lên Do thời gian điều kiện thực nghiệm có hạn nên nghiên cứu cấu trúc tính chất mẫu nghiền lượng cao chưa đầy đủ Hi vọng thời gian tới, vấn đề tiếp tục nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Đ o n T r ầ n T r Tài liệu nước D D JG S G V G V H H H W W H W H W J B K Z K H M Z S F 2 2 S C P T T T T T Z Z H Z H 48 ... NỘI KHOA VẬT LÝ ẢNH HƯỞNG CỦA PHA TẠP Nb VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM TỪ CÚNG NỀN Co-Zr-B CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGUỘI NHANH VÀ NGHIỀN CƠ NĂNG LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT... độ ủ, thời gian ủ ảnh hưởng mạnh lên tính chất cấu trúc từ hợp kim Chính lựa chọn đề tài Ảnh hưởng pha tạp Nb ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ hợp kim từ cứng Co-ZrB chế tạo phương pháp nguội. .. LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp: Ảnh hưởng pha tạp Nb ủ nhiệt lên cấu trúc tính chất từ hợp kim từ cứng Co-Zr-B chế tạo phương pháp nguội nhanh nghiền lượng cao kết nghiên cứu riêng hướng dẫn