Cấu trúc, tính chất và quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết nd fe b

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÝ ĐINH TIẾN DŨNG TÌM HIỂU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT VÀ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B Chuyên nghành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: ThS NGUYỄN VĂN DƢƠNG HÀ NỘI, 2019 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tri ân sâu sắc thầy ThS Nguyễn Văn Dƣơng tận tình dìu dắt, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho em suốt trình thực khóa luận tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, trang bị kiến thức khoa học, tạo môi trƣờng học tập thuận lợi cho em suốt thời gian vừa qua Sau cùng, em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố, mẹ ngƣời thân gia đình bạn bè động viên ln giúp đỡ em suốt q trình làm khóa luận Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 02 thàng năm 2019 Sinh viên Đinh Tiến Dũng LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp “Cấu trúc, tính chất quy trình cơng nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B” kết nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn ThS Nguyễn Văn Dƣơng Báo cáo không chép từ tổ chức cá nhân khác Tôi xin cam đoan điều thật, sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 02 thàng năm 2019 Sinh viên Đinh Tiến Dũng MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài Cấu trúc khóa luận CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng Nd-Fe-B 1.2 Cấu trúc tính chất từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 1.2.1 Cấu trúc nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 1.2.2 Tính chất từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ 19 CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 21 2.1 Các công đoạn chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 21 2.2 Chế tạo hợp kim ban đầu 22 2.3 Nghiền hợp kim 23 2.4 Ép tạo viên nam châm từ trƣờng 26 2.5 Thiêu kết 27 2.6 Xử lý nhiệt 29 2.7 Gia công mẫu nạp từ 29 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Việt VLTC Vật liệu từ cứng HD Phƣơng pháp tách vỡ hyđrô NCVC Nam châm vĩnh cửu RIP Ép đẳng tĩnh khuôn cao su RE Kim loại đất DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU (BH)max: Tích lƣợng cực đại Br : Cảm ứng từ dƣ D : Kích thƣớc hạt trung bình H, Hext : Từ trƣờng HA : Trƣờng dị hƣớng Hc : Lực kháng từ HN : Trƣờng tạo mầm HP : Trƣờng dịch chuyển vách đơmen max Hs : Trƣờng bão hòa dƣơng cực đại J : Độ phân cực từ K1 : Hằng số dị hƣớng từ tinh thể L : Pha lỏng Mm, Mv : Từ độ theo khối lƣợng, thể tích Ms, Mr : Từ độ bão hòa, từ độ dƣ TC : Nhiệt độ Curie  : Pha từ cứng Nd2Fe14B  : Pha giàu B Nd1+Fe4B4  : Khối lƣợng riêng  : Năng lƣợng bề mặt riêng 0 : Độ từ thẩm chân không w(x) : Năng lƣợng vách đơmen phụ thuộc vị trí DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự phát triển nam châm vĩnh cửu theo (BH)max nhiệt độ phòng kỷ XX Hình 1.2 Sản lƣợng hàng năm (a) dự đoán tăng trƣởng (b) nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Hình 1.3 Tỉ phần so với loại nam châm khác (a) số ứng dụng (b) nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B Hình 1.4 Vi cấu trúc nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể pha Nd2Fe14B (a), nguyên tử B nguyên tử Fe (vị trí e k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) Hình 1.6 Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd hạt Hình 1.7 Minh họa q trình từ hóa, khử từ vị trí trƣờng tạo mầm HN 13 Hình 1.8 Đƣờng từ hố ban đầu đƣờng từ trễ nam châm loại mầm đảo từ nam châm loại ghim vách đômen 13 Hình 1.9 Vi cấu trúc mầm đảo từ ghim vách đômen Các mầm đảo từ hạt (A) biên hạt (B) tâm hãm vách vị trí C 15 Hình 1.10 Các đƣờng cong mơ tả q trình đảo từ vật liệu có cấu trúc khác 16 Hình 1.11 Minh hoạ đƣờng từ trễ cho loại nam châm khác nhau: tạo mầm đảo từ vách (a), mầm đảo từ không đồng ghim vách đômen biên hạt (b), mầm đảo từ không đồng phân bố hạt (c) 17 Hình 1.12 Một số tâm ghim vách đơmen: tâm nằm vách phẳng (a), tâm dạng (b) tâm tròn (c) 18 Hình 1.13 Hai loại sai hỏng (a) lƣợng vách đơmen phụ thuộc vào vị trí khơng có từ trƣờng (b) 18 Hình 1.14 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ số nam châm vĩnh cửu 19 Hình 1.15 Các cơng đoạn quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, hình nhỏ kế bên minh họa rõ bƣớc 21 Hình 1.16 Mặt cắt thẳng đứng giản đồ pha ba nguyên Nd-Fe-B theo đƣờng tỉ lệ Nd/B = 2/1 22 Hình 1.17 Nguyên lý kỹ thuật nghiền học (nghiền bi) 24 Hình 1.18 Nguyên lý kỹ thuật nghiền phun 24 Hình 1.19 Quá trình tách vỡ hyđrô 25 Hình 1.20 Từ trƣờng đặt song song với hƣớng ép (a), từ trƣờng đặt vng góc với hƣớng ép (b), ép đẳng tĩnh (c) ép đẳng tĩnh khuôn cao su (d) 26 Hình 1.21 Đƣờng cong khử từ nam châm thiêu kết chế tạo theo phƣơng pháp RIP 27 Hình 1.22 Các giai đoạn xảy mẫu thiêu kết (initial state mixed powders: bột ban đầu; solid state: trạng thái rắn; rearrangement: xếp lại; solution-reprecipitation: hòa tan-kết tủa; final densification: q trình đặc) 28 Hình 1.23 Đƣờng cong khử từ mẫu tƣơng ứng với vi cấu trúc sau trình thiêu kết (as-sintered) xử lý nhiệt (annealed) 29 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu từ cứng (VLTC), với sản phẩm ứng dụng quen gọi nam châm vĩnh cửu, vật liệu có khả tàng trữ lƣợng từ trƣờng tác động lên tự trở thành nguồn phát từ trƣờng Tính chất từ vật liệu đƣợc đặc trƣng tham số nhƣ lực kháng từ nội Hc, cảm ứng từ dƣ Br, tích lƣợng cực đại (BH)max, đƣợc xác định dựa vào đƣờng cong từ hoá M(H) B(H) Lực kháng từ Hc đặc trƣng cho khả phản ứng trƣờng khử từ vật liệu sau đƣợc từ hóa đến bão hòa Dựa vào giá trị Hc ngƣời ta phân loại vật liệu từ thành vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ vật liệu từ cứng Cảm ứng từ dƣ Br xác định mật độ thơng lƣợng lại nam châm sau đƣợc từ hố, đặc trƣng cho độ mạnh nam châm Tích lƣợng cực đại (BH)max tham số dẫn suất để đánh giá phẩm chất VLTC, đặc trƣng cho khả tàng trữ lƣợng từ phụ thuộc vào tính chất từ nội vật liệu, thƣờng mang ý nghĩa ứng dụng Trong suốt kỷ XX, số nam châm vĩnh cửu đƣợc phát Kỹ thuật để sản xuất có hiệu nam châm đƣợc nghiên cứu Tích lƣợng (BH)max nam châm đƣợc cải thiện, ban đầu  MGOe cho vật liệu thép đƣợc phát suốt giai đoạn đầu kỷ này, sau tăng lên  MGOe cho ferrit có cấu trúc lục giác cuối c ng đạt giá trị  59 MGOe với nam châm Nd-Fe-B Sau nam châm thiêu kết đƣợc phát minh vào năm 1983, nhiều ứng dụng nhƣ thiết bị chụp cộng hƣởng từ (MRI), động cuộn dây âm (VCM) cho ổ đĩa cứng (HDD)… lên thị trƣờng khổng lồ đƣợc tạo Ngày nay, ứng dụng động cơng nghiệp, ơtơ hay thiết bị điện đòi hỏi nam châm phải có từ dƣ Br lực kháng từ Hc cao trƣớc Tính chất từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đƣợc cải thiện nâng cao giá trị Br Hc Sự cải thiện Br đƣợc thực phƣơng pháp sau: tăng tỉ phần thể tích pha Nd2Fe14B, cải thiện định hƣớng hạt trình ép hay tạo đƣợc mật độ dày trình thiêu kết Đối với lực kháng từ Hc, việc cải tiến, nâng cao, hồn thiện cơng nghệ chế tạo để tạo vi cấu trúc tối ƣu hay bổ sung vào thành phần hợp kim số nguyên tố khác thành phần Nd, Fe, B s làm tăng cƣờng đáng kể giá trị Hc Việc nắm rõ vi cấu trúc, c ng nhƣ tham số ảnh hƣởng công nghệ chế tạo để tạo đƣợc nam châm thiêu kết Nd-FeB có phẩm chất từ cao hƣớng nghiên cứu cần đƣợc quan tâm Chính chúng tơi lựa chọn đề tài “Cấu trúc, tính chất quy trình cơng nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B” Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B - Tìm hiểu cấu trúc, tính chất quy trình chế tạo Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc, tính chất từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B - Tìm hiểu để biết đƣợc quy trình công nghệ việc chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết Đóng góp đề tài - Hồn thành việc nghiên cứu cấu trúc, tính chất quy trình công nghệ chế tạo sở cho việc chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có tính chất từ tốt đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế Cấu trúc khóa luận Ngồi phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo luận văn đƣợc trình bày hai chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Chƣơng 2: Quy trình cơng nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Hình 1.13a cho thấy hai loại sai hỏng vật liệu ảnh hƣởng chúng lên dịch chuyển vách từ trƣờng ngồi vng góc Sai hỏng phi từ làm giảm lƣợng vách địa phƣơng diện tích vách giảm Trong đó, sai hỏng dị hƣớng cao làm tăng lƣợng vách địa phƣơng Sự tƣơng tác vách đômen với tạp đƣợc diễn tả lƣợng vách phụ thuộc vị trí w(x) (hình 1.13b) Dạng lƣợng w(x) gồm lƣợng tối thiểu tối đa để tạo lƣợng cản trở di chuyển vách Lƣu ý rằng, sai hỏng c ng làm thấp lực kháng từ vị trí mầm đảo từ làm tăng lực kháng từ vị trí ghim vách đơmen Nam châm vĩnh cửu Sm2Co17 thuộc loại ghim vách đômen Trong nam châm này, pha SmCo5 chứa dƣ Cu đƣợc kết tủa bên pha nền, có lƣợng vách đômen thấp lƣợng pha Sm2Co17 Biên hạt trở thành nơi ghim vách đômen làm tăng lực kháng từ [16] 1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ Lực kháng từ nam châm Nd-Fe-B nhạy thể giảm đơn điệu theo nhiệt độ nhƣ hình 1.14 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ cho thấy khác biệt đặc trƣng phạm vi nhiệt độ cao thấp Khi nhiệt độ cao, nguồn gốc suy giảm lực kháng từ chế lực kháng từ chuyển từ kiểu mầm đảo từ sang kiểu tâm ghim vách đômen Trong chế tâm ghim vách đômen, lƣợng nhiệt giúp đômen di chuyển vƣợt qua lƣợng cản dẫn đến Hc nhỏ nhiệt độ cao Hình 1.14 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ số nam châm vĩnh cửu [22] 19 Trong đó, vai trò lƣợng nhiệt không rõ ràng chế mầm đảo từ, Hc phụ thuộc nhiệt độ đƣợc xác định phụ thuộc vào nhiệt độ số dị hƣớng K1 từ độ bão hòa Một cách lí giải khác nhiệt độ cao, biên hạt không đồng trở thành thuận từ Sự suy giảm nhanh lực kháng từ hạn chế số ứng dụng nam châm thiết bị có nhiệt độ làm việc lớn nhƣ mơ tơ, máy phát điện Chính vậy, để ứng dụng nam châm Nd-Fe-B thiết bị cần phải đƣa thêm nguyên tố Dy thay phần Nd nhằm tăng lực kháng từ lên 20 kOe, thay cho giá trị vào khoảng 10 - 15 kOe nam châm không chứa Dy Lƣợng Dy thay cho Nd lên tới 40%, t y theo mục đích sử dụng Tuy nhiên, Dy có giá thành đắt gấp khoảng bốn lần so với Nd, đó, nhiều nghiên cứu tìm cách nâng cao lực kháng từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B công nghệ nhƣ xử lý nhiệt, khuếch tán biên hạt, thêm nguyên tố phi đất (Cu, Al, Nb ) hay đƣa vào hạt từ kích thƣớc nanomet để làm giảm hàm lƣợng Dy 20 CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 2.1 Các công đoạn chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Luyện kim/đúc Đập hàm/ Nghiền thô Nghiền tinh Ép định hƣớng từ trƣờng Ép đẳng tĩnh Thiêu kết/ Xử lý nhiệt Gia cơng khí/ Bọc lớp Nạp từ Sản phẩm Hình 1.15 Các cơng đoạn quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, hình nhỏ kế bên minh họa rõ bước 21 Nam châm thiêu kết chiếm tỉ phần cao nam châm đất thƣơng mại Phƣơng pháp chế tạo phƣơng pháp luyện kim bột Phƣơng pháp có ƣu điểm chế tạo đƣợc chi tiết có độ xác cao, đồng thời tiết kiệm đƣợc chi phí sản xuất, đồng thời sản phẩm đồng mặt cấu trúc Tuy vậy, hạn chế phƣơng pháp cấu trúc ln tồn lỗ xốp, khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp phải sản xuất với số lƣợng lớn có hiệu kinh tế 2.2 Chế tạo hợp kim ban đầu Công nghệ chế tạo hợp kim Nd-Fe-B ban đầu mang tính định quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Để nấu hợp kim Nd-Fe-B lò cao tần có bảo vệ chân khơng, Fe B đƣợc nấu chảy nồi có khí Ar bảo vệ Sau cho Nd vào theo tỉ lệ hợp phần nấu hỗn hợp nhiệt độ cao nhiệt độ nóng chảy hợp kim Fe-B Ƣu điểm phƣơng pháp giảm thiểu ôxy hoá vật liệu đƣợc làm nguội nhanh Do pha Nd2Fe14B khơng nóng chảy cách tƣơng đẳng Điều có nghĩa dung dịch nóng chảy rắn hố thành phần hợp thức đơn pha Vậy nên, để pha từ cứng 2:14:1 chiếm tỉ phần cao ta cần chọn hợp kim có hợp thức thích hợp Hình 1.16 Mặt cắt thẳng đứng giản đồ pha ba nguyên Nd-Fe-B theo đường tỉ lệ Nd/B = 2/1 [17] 22 Nhƣ biết, tính chất đặc trƣng cho vật liệu từ có quan hệ mật thiết với cấu trúc vi mơ vật liệu Đó kích thƣớc, hình dạng định hƣớng vi tinh thể cấu tạo nên vật liệu c ng nhƣ chất phân bố pha thứ cấp phi từ hạt.Trong nam châm Nd-Fe-B, pha thứ cấp pha giàu Nd Vì thế, dựa vào giản đồ pha hệ Nd-Fe-B (hình 1.16), hợp kim ban đầu để chế tạo nam châm Nd-Fe-B thiêu kết ta lựa chọn tỉ lệ hợp thức 16,5:77:6,5 Hợp kim Nd-Fe-B ban đầu chế tạo phuơng pháp nhiệt canxi Trong phƣơng pháp này, lựa chọn thành phần thích hợp, nhiệt toả phản ứng hồn ngun đủ lớn để làm nóng chảy hợp kim, không cần đến trợ giúp lò trung tần Ƣu điểm phƣơng pháp nhiệt canxi nguyên liệu ban đầu d ng muối đất hợp kim Nd-Fe-B đƣợc tách khỏi xỉ dễ dàng Tuy vậy, hợp kim thu nhận đƣợc đa pha, chúng cho phép chế tạo nam châm có tích lƣợng cao khoảng 200 kJ/m3 2.3 Nghiền hợp kim Q trình nghiền nhằm mục đích thu đƣợc hạt nhỏ để tăng lực kháng từ Đầu tiên, hợp kim khối đƣợc đập vỡ máy đập hàm thành mảnh nhỏ cỡ vài mm Sau đó, hợp kim đƣợc nghiền thơ thành hạt có kích thƣớc cỡ vài chục m Để nghiền hợp kim thành dạng bột mịn với kích thƣớc tối ƣu khoảng - m, sử dụng phƣơng pháp nghiền sau: - Phƣơng pháp nghiền học (Mechanical Milling) - Phƣơng pháp nghiền phun (Jet Milling) - Phƣơng pháp tách vỡ hyđrô (Hydrogennation Decrepitation) a) Phương pháp nghiền học (Mechanical Milling) Phƣơng pháp nghiền học trình nghiền đồng bột tổ hợp hợp phần danh định ví dụ nhƣ kim loại tinh khiết, liên kim loại bột tiền hợp kim, mà không tạo thành hợp kim khác Một số tên gọi khác đƣợc sử dụng để phản ánh đặc tính riêng biệt q trình nghiền nhƣ: nghiền để phá hủy trật tự khoảng xa liên kim loại, tạo pha liên kim loại bất trật tự pha vô định hình; hay trình nghiền theo kiểu xay tán liên quan đến ứng suất cắt hình dạng mảnh 23 Hình 1.17 Nguyên lý kỹ thuật nghiền học (nghiền bi) Nghiền bi dạng trình nghiền học, sử dụng động dựa va đập từ bi thép cứng với tốc độ cao vào vật liệu, làm cho kích thƣớc hạt giảm trở thành hạt bột mịn (hình 1.17) Buồng chứa vật liệu đƣợc bao kín nghiền dung mơi để tránh bị ơxy hóa Phƣơng pháp nghiền thích hợp Hợp kim sau nghiền thô đƣợc cho vào phễu, qua miệng phễu hợp kim rơi vào bình có dòng khí trơ vận tốc cao, dòng khí làm cho hạt bột va đập vào làm chúng vỡ thành hạt có kích thƣớc bé Do tính cứng, giòn hợp kim, công đoạn nghiền hợp kim khó khăn, tiêu tốn nhiều lƣợng thời gian Đồng thời, trình nghiền cần ý tránh tƣợng ơxy hố tái kết hợp hạt s làm ảnh hƣởng đến mật độ định hƣớng chúng Hình 1.18 Nguyên lý kỹ thuật nghiền phun [11] 24 Hình 1.18 sơ đồ nguyên lý kỹ thuật nghiền phun Ƣu điểm phƣơng pháp nghiền phun tạo đƣợc hạt có kích thƣớc đồng đều, nhiên mẫu nghiền phun nhanh bị ôxy hóa, đồng thời phƣơng pháp Jet-milling khơng phù hợp với mẫu chế tạo có khối lƣợng nhỏ Để tránh mẫu bị ơxy hố nghiền hợp kim dung dịch mà dung dịch đƣợc loại bỏ sau trình nghiền kết thúc a) Phương pháp tách vỡ hyđrô (Hydrogennation Decrepitation) Nếu hợp kim Nd-Fe-B (chứa tỷ lệ pha giàu Nd) đƣợc đƣa vào mơi trƣờng khí hyđrơ chúng s hấp thụ hyđrơ nổ vỡ, trình đƣợc gọi nổ vỡ hyđrơ (hình 1.19) Hiện tƣợng đƣợc áp dụng hữu hiệu công đoạn phá vỡ hợp kim Nd-Fe-B sử dụng chế tạo nam châm thiêu kết gọi phƣơng pháp tách vỡ hyđrô (phƣơng pháp HD) Quá trình diễn hai giai đoạn Đầu tiên, hyđrô đƣợc khuếch tán vào khối hợp kim đến độ sâu định dƣới bề mặt làm sinh sức căng tới hạn có chênh lệch thể tích phần hyđrua chƣa hyđrua Điều gây gãy mặt tạo nên mảnh, trình tiếp tục diễn toàn hợp kim đƣợc phân mảnh Tiếp theo, hyđrô đƣợc loại khỏi hợp kim cách ủ nhiệt chân khơng trƣớc thiêu kết Hình 1.19 Q trình tách vỡ hyđrơ Q trình HD có hiệu việc sản xuất khối lƣợng lớn vật liệu nghiền thô d ng cho trình nghiền tinh cối nghiền bi, nghiền rung Phƣơng pháp cho phép tiết kiệm thời gian lƣợng nghiền hợp kim, làm hạ giá thành sản phẩm Ngƣời ta tính đƣợc phƣơng pháp làm giá thành nam châm giảm từ 15 đến 25% t y theo khối lƣợng sản phẩm Trong phƣơng pháp này, kích thƣớc phân bố hạt 25 điều khiển cách thay đổi điều kiện HD Lƣợng ôxy phải đƣợc giảm đến mức thấp trình xử lý tiến hành loại hyđrô khỏi mẫu Phƣơng pháp nổ vỡ hyđrô áp dụng cho tồn hợp kim họ Nd-Fe-B, thực tế đƣợc áp dụng phổ biến để chế tạo nam châm thiêu kết thƣơng mại 2.4 Ép tạo viên nam châm từ trƣờng Với công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, hạt bột hợp kim sau nghiền mịn, mômen từ đƣợc định hƣớng từ trƣờng ép thô thành viên nam châm ban đầu chuẩn bị cho giai đoạn thiêu kết Mục đích bƣớc để tạo độ xốp ổn định, độ bền cần thiết cho bƣớc thiêu kết sau Để định hƣớng hạt từ, từ trƣờng ngồi đƣợc đặt theo cách sau: (a) dọc theo hƣớng ép (hình 1.20a), (b) vng góc với hƣớng ép (hình 1.20b), (c) ép đẳng tĩnh bột đƣợc định hƣớng trƣớc (hình 1.20c) Phƣơng pháp thƣờng d ng phƣơng pháp (a), mặc d phƣơng pháp (b) (c) cho tính chất từ cao Trong phƣơng pháp (a) (b) cƣờng độ từ trƣờng định hƣớng khoảng 20 kOe đƣợc tạo nam châm điện, phƣơng pháp (c) hạt đƣợc định hƣớng từ trƣờng xung mà cƣờng độ đạt đến 60 kOe Sagawa cộng giới thiệu phƣơng pháp định hƣớng hạt ép thô gọi phƣơng pháp ép đẳng tĩnh khuôn cao su (Rubber Isostatic Pressing, viết tắt RIP) Theo phƣơng pháp bột từ đƣợc định hƣớng từ trƣờng xung mạnh ( 40 kOe), sau đƣợc ép đẳng tĩnh khn cao su (hình 1.20d) tạo viên nam châm cho giai đoạn thiêu kết Trong RIP, bột không đƣợc ép dọc theo trục ép, mà tất hƣớng biến dạng khuôn cao su Hình 1.20 Từ trường đặt song song với hướng ép (a), từ trường đặt vng góc với hướng ép (b), ép đẳng tĩnh (c) ép đẳng tĩnh khuôn cao su (d) 26 Ƣu điểm RIP tính linh hoạt hình dạng kích thƣớc vật liệu đƣợc ép, hạn chế ma sát bột thành khuôn, loại bỏ nhiễm tạp từ chất kết dính chất bơi trơn Đồng thời, phƣơng pháp làm hạt đƣợc định hƣớng tốt giữ đƣợc hƣớng ép Theo Fidler cộng sự, RIP phƣơng pháp hứa hẹn s nâng cao (BH)max đến gần giá trị lý thuyết [20] Hình 1.21 đƣờng cong khử từ nam châm có (BH)max đạt 432 kJ/m3 (54,3 MGOe) đƣợc chế tạo theo phƣơng RIP Hình 1.21 Đường cong khử từ nam châm thiêu kết chế tạo theo phương pháp RIP 2.5 Thiêu kết Thiêu kết trình kết khối vật liệu cách sử dụng lƣợng nhiệt Mục đích thiêu kết tạo vật liệu hoàn toàn dày đặc với cấu trúc hạt mịn Thiêu kết làm tăng liên kết hạt bột, triệt tiêu lỗ xốp đƣợc nung nhiệt độ cao Vật liệu đƣợc kết khối s bền nhiều lực liên kết vật liệu lực liên kết nguyên tử mạng tinh thể Kết xảy co ngót, điều làm thay đổi kích thƣớc hình dạng vật liệu sau thiêu kết Sự thay đổi kết nhiều trình nhƣ: khuếch tán bề mặt, khuếch tán biên hạt, bay ngƣng tụ phần tiếp xúc hạt Động lực trình thiêu kết giảm lƣợng mặt phân giới tổng cộng Trong đó, lƣợng mặt phân giới tổng cộng bột kết khối đƣợc biểu diễn S ( lƣợng bề mặt riêng S diện tích bề mặt tổng cộng) Sự suy giảm lƣợng tổng cộng đƣợc biểu diễn nhƣ sau: (S) = S + S 27 Về bản, trình thiêu kết đƣợc chia thành hai loại: thiêu kết trạng thái rắn thiêu kết pha lỏng Thiêu kết trạng thái rắn xảy bột nén đƣợc kết khối hoàn toàn thể rắn với nhiệt độ thiêu kết định, nhỏ nhiệt độ nóng chảy cấu tử thành phần Trong đó, thiêu kết pha lỏng xảy pha lỏng xuất bột kết khối suốt trình thiêu kết Pha lỏng đƣợc tạo thành nóng chảy cấu tử có nhiệt độ nóng chảy thấp nhiệt độ thiêu kết tạo thành c ng tinh Pha lỏng xuất điền đầy vào lỗ xốp làm hạt rắn xích lại gần sức căng bề mặt lỏng - rắn Do đó, thiêu kết có xuất pha lỏng s cho sản phẩm có độ xít chặt cao, dễ dàng điều khiển vi cấu trúc giảm chi phí chế tạo, nhƣng làm suy giảm số tính chất quan trọng, ví dụ nhƣ tính học Tuy nhiên, với kết đặc trƣng sử dụng tính chất pha biên hạt, mẫu cần phải đƣợc thiêu kết có mặt pha lỏng Trong trƣờng hợp này, hợp phần lƣợng pha lỏng quan trọng việc điều khiển vi cấu trúc tính chất Thơng thƣờng, sản phẩm nhận đƣợc sau thiêu kết có mật độ khơng cao Hình 1.22 Các giai đoạn xảy mẫu thiêu kết (initial state mixed powders: bột ban đầu; solid state: trạng thái rắn; rearrangement: xếp lại; solution-reprecipitation: hòa tan-kết tủa; final densification: q trình cô đặc) [21] 28 Để nâng cao mật độ ngƣời ta tiến hành kết hợp đồng thời hai trình ép thiêu kết Kỹ thuật đƣợc gọi thiêu kết dƣới áp lực Các kỹ thuật thiêu kết dƣới áp lực thơng dụng là: ép nóng, thiêu kết xung điện plasma Vi cấu trúc mong muốn vật liệu thu đƣợc cách điều khiển tham số tham gia vào q trình thiêu kết Có hai loại tham số ảnh hƣởng đến trình tham số vật liệu tham số trình - Tham số liên quan đến vật liệu nhƣ: hình dạng, kích thƣớc bột, phân bố kích thƣớc, độ kết tụ, tính trộn lẫn, tính đồng - Tham số liên quan đến trình thiêu kết bao gồm: nhiệt độ thiêu kết, thời gian thiêu kết, môi trƣờng thiêu kết… 2.6 Xử lý nhiệt Sau trình thiêu kết, mẫu tiếp tục đƣợc xử lý nhiệt giúp tái kết tinh pha tinh thể, tạo cỡ hạt mong muốn, cải thiện lớp biên hạt, làm giảm không đồng tức giảm đƣợc trƣờng khử từ địa phƣơng, dẫn đến tăng cƣờng giá trị lực kháng từ (hình 1.23) Hình 1.23 Đường cong khử từ mẫu tương ứng với vi cấu trúc sau trình thiêu kết (as-sintered) xử lý nhiệt (annealed) [22] Ngồi ra, việc ủ nhiệt có tác dụng hoà tan pha sắt từ nửa bền v ng hạt [20] ảnh hƣởng đến ổn định nhiệt nam châm thiêu kết Đây yêu cầu quan trọng cho nam châm ứng dụng có nhiệt độ hoạt động lớn 2.7 Gia cơng mẫu nạp từ Để có hình dạng kích thƣớc xác, nam châm sau thiêu kết đƣợc cắt gọt khí Vì hợp kim Nd-Fe-B cứng nên trình cắt gọt 29 thƣờng phải d ng phƣơng pháp cắt dây hồ quang điện hay d ng lƣỡi cƣa kim cƣơng Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có thành phần đất Nd tồn pha biên hạt dễ bị tác động mơi trƣờng bên ngồi nhƣ muối, axit, ơxy thiết phải đƣợc tẩm phủ lớp bảo vệ (sơn, mạ…) Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B thƣờng có Br 13 kG Hc 10 kOe, từ trƣờng tối thiểu phải đạt 20 kOe, phƣơng từ trƣờng nạp phải c ng phƣơng với phƣơng từ trƣờng định hƣớng ép 30 KẾT LUẬN Trong trình làm khóa luận em tìm hiểu đƣợc vấn đề sau: 1) Lịch sử phát triển hình thành vật liệu từ cứng Nd-Fe-B 2) Cấu trúc nam châm thiêu kết Nd-Fe-B vật liệu có cấu trúc đa pha Trong pha định tính chất từ có tỉ phần lớn pha Nd2Fe14B 3) Tìm hiểu đƣợc chế đảo từ lực kháng từ nam châm NdFe-B 4) Tìm hiểu đƣợc công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B gồm giai đoạn: - Chế tạo hợp kim ban đầu - Nghiền hợp kim - Ép tạo viên nam châm từ trƣờng - Thiêu kết - Xử lý nhiệt - Gia công mẫu nạp từ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiujuan J., (2014), Structural, magnetic and microstructural studies of composition-modified Sm-Co ribbons, Mechanical (and Materials) Engineering - Dissertations, Theses and Student Research [2] Buschow K H J., Naastepad P A and Westendorp F F., (1969), “Preparation of SmCo5 permanent magnets”, Journal of Applied Physics, 40, pp 4029-4032 [3] Mishra R K., Thomas G., Yoneyama T., Fukuno A and Ojima T., (1981), “Microstructure and properties of step aged rare earth alloy magnets”, Journal of Applied Physics, 52, pp 2517-2519 [4] Croat J J., Herbst J F., Lee R W and Pinkerton F E., (1984), “Highenergy product Nd-Fe-B permanent magnet”, Applied Physics Letters, 44, pp 148-149 [5] Đ V Hoành, L C Qúy, V V Hồng, C V Chiêm, N H Quyền, V H Tƣờng, Đ K T ng, V H.Kỳ, N T Minh, (2003), “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu nam châm thiêu kết Nd-Fe-B”, Tuyển tập báo cáo hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ IV, Núi Cốc [6] Sagawa M., Fujimura S., Yamamoto H., Matsuura Y and Hiraga K., (1984), “Permanent magnet materials based on the rare earth-ironboron tetragonal compounds”, IEEE Transactions on Magnetics, 20, pp 1584-1589 [7] Herbst J F., Croat J J and Pinkerton F E., (1984), “Relationships between crystal structure and magnetic properties in Nd2Fe14B”, Physical Review B, 29, pp 1-4 [8] Yu L Q., Liu R S., Dong K T and Zhang Y P., (2012), “Key techniques for ultrahigh performance sintered Nd-Fe-B magnets preparation”, Transworld Research Network, ISBN: 978-81-7895-554-4, pp.1-36 [9] Gutfleisch O., (2004), Advanced structural characterisation for magnetic materials development in high performance magnets and their applications, Annecy, France [10] Phạm Đình Thịnh (2009), Nghiên cứu công nghệ chể tạo nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B phương pháp thiêu kểt, Luận văn thạc sĩ vật lí, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội [11] Fidler J and Schrefl T., (1996), “Overview of Nd-Fe-B magnets and coercivity (invited)”, Journal of Applied Physics, 79, pp 5029-5034 [12] Becker J J., (1968), “A domain-boundary model for a high coercive force material”, Journal of Applied Physics, 39, pp 1270-1274 [13] Lƣu Tuấn Tài, (2007), Vật liệu từ, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [14] Wohlfarth E P and Buchow K H J., (1988), Ferromagnetic Materials (A Handbook On The Properties Of Magnetically Ordered Substances), Vol 4, Elsevier Science Publishers B V., North-Holland [15] Gutfleisch O., (2009), High-temperature samarium cobalt permanent magnets, Springer US Publishers [16] Durst K D and Kronmyller H., (1987), “The coercive field of sintered and melt-spun NdFeB magnets”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 68, pp 63-75 [17] Buchow K H J., (1998), Permanent magnet material and their applications, Trans Tech Publications [18] Nguyễn Hoàng Nghị, (2012), Cơ sở từ học vật liệu từ tiên tiến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [19] https://www.google.com.vn/jet+milling [20] Fidler J., Schrefl T., Hoefinger S and Hajduga M., (2004), “Recent developments in hard magnetic bulk materials”, Journal of Physics: Condensed Matter, 16, pp s455-s470 [21] Randall M G., Pavan S and Seong J P., (2009), “Review: liquid phase sintering”, Journal of Materials Science, 44, pp 1-39 [22] Hono K., (2012), Towards Dy-free high coercivity Nd-Fe-B permanent magnets, Magnetic Materials Unit & Elements Strategy Initiative Center for Magnetic Materials, National Institute of Materials Science (NIMS) ... tạo nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Nam châm thiêu kết Nd- Fe- B - Tìm... hiểu cấu trúc, tính chất quy trình chế tạo Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc, tính chất từ nam châm thiêu kết Nd- Fe- B - Tìm hiểu để biết đƣợc quy trình cơng nghệ việc chế tạo nam châm thiêu. .. 1.2.1 Cấu trúc nam châm thiêu kết Nd- Fe- B 1.2.2 Tính chất từ nam châm thiêu kết Nd- Fe- B 1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ 19 CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU