Cấu trúc, tính chất và quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết nd fe b (KLTN k41)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ 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 Người hướng dẫn khoa học: ThS NGUYỄN VĂN DƯƠNG HÀ NỘI, 2019 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tri ân sâu sắc thầy ThS Nguyễn Văn Dương 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, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, trang bị kiến thức khoa học, tạo môi trường học tập thuận lợi cho em suốt thời gian vừa qua Sau cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố, mẹ người 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 hướng dẫn ThS Nguyễn Văn Dương 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 tượng phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đóng góp đề tài Cấu trúc khóa luận CHƯƠNG 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 CHƯƠNG 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 trường 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 Phương 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 lượng cực đại Br : Cảm ứng từ dư D : Kích thước hạt trung bình H, Hext : Từ trường HA : Trường dị hướng Hc : Lực kháng từ HN : Trường tạo mầm HP Hsmax : Trường dịch chuyển vách đơmen : Trường bão hịa dương cực đại J K1 : Độ phân cực từ : Hằng số dị hướng từ tinh thể L : Pha lỏng Mm, Mv : Từ độ theo khối lượng, thể tích Ms, Mr : Từ độ bão hòa, từ độ dư TC : Nhiệt độ Curie : Pha từ cứng Nd2Fe14B  : Pha giàu B Nd1+Fe4B4  : Khối lượng riêng  : Năng lượng bề mặt riêng  : Độ từ thẩm chân không 0 w(x) : Năng lượng 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 lượng hàng năm (a) dự đốn tăng trưởng (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 trường tạo mầm HN 13 Hình 1.8 Đường từ hoá ban đầu đường 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 đơmen Các mầm đảo từ hạt (A) biên hạt (B) tâm hãm vách vị trí C 15 Hình 1.10 Các đường cong mơ tả q trình đảo từ vật liệu có cấu trúc khác 16 Hình 1.11 Minh hoạ đường 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 đômen: tâm nằm vách phẳng (a), tâm dạng (b) tâm tròn (c) 18 Hình 1.13 Hai loại sai hỏng (a) lượng vách đômen phụ thuộc vào vị trí khơng có từ trường ngồi (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-FeB, hình nhỏ kế bên minh họa rõ bước 21 Hình 1.16 Mặt cắt thẳng đứng giản đồ pha ba nguyên Nd-Fe-B theo đường 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 Q trình tách vỡ hyđrơ 25 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 Hình 1.21 Đường cong khử từ nam châm thiêu kết chế tạo theo phương 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: hịa tan-kết tủa; final densification: q trình đặc) 28 Hình 1.23 Đường cong khử từ mẫu tương 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 lượng từ trường tác động lên tự trở thành nguồn phát từ trường Tính chất từ vật liệu đặc trưng tham số lực kháng từ nội Hc, cảm ứng từ dư Br, tích lượng cực đại (BH)max, xác định dựa vào đường cong từ hoá M(H) B(H) Lực kháng từ Hc đặc trưng cho khả phản ứng trường khử từ vật liệu sau từ hóa đến bão hòa Dựa vào giá trị Hc người ta phân loại vật liệu từ thành vật liệu từ mềm, vật liệu ghi từ vật liệu từ cứng Cảm ứng từ dư Br xác định mật độ thông lượng cịn lại nam châm sau từ hố, đặc trưng cho độ mạnh nam châm Tích lượng cực đại (BH)max tham số dẫn suất để đánh giá phẩm chất VLTC, đặc trưng cho khả tàng trữ lượng từ phụ thuộc vào tính chất từ nội vật liệu, thường mang ý nghĩa ứng dụng Trong suốt kỷ XX, số nam châm vĩnh cửu phát Kỹ thuật để sản xuất có hiệu nam châm nghiên cứu Tích lượng (BH)max nam châm cải thiện, ban đầu  MGOe cho vật liệu thép 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 phát minh vào năm 1983, nhiều ứng dụng thiết bị chụp cộng hưởng từ (MRI), động cuộn dây âm (VCM) cho ổ đĩa cứng (HDD)… lên thị trường khổng lồ tạo Ngày nay, ứng dụng động công nghiệp, ôtô hay thiết bị điện địi hỏi nam châm phải có từ dư Br lực kháng từ Hc cao trước Tính chất từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B cải thiện nâng cao giá trị Br Hc Sự cải thiện Br thực phương pháp sau: tăng tỉ phần thể tích pha Nd2Fe14B, cải thiện định hướng hạt trình ép hay tạo 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 ưu hay bổ sung vào thành phần hợp kim số nguyên tố khác ngồi thành phần Nd, Fe, B s làm tăng cường đáng kể giá trị Hc Việc nắm rõ vi cấu trúc, c ng tham số ảnh hưởng công nghệ chế tạo để tạo nam châm thiêu kết Nd-FeB có phẩm chất từ cao hướng nghiên cứu cần 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 tượng 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 quy trình cơng nghệ việc chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết Đóng góp đề tài - Hồn thành việc nghiên cứu cấu trúc, tính chất quy trình cơng 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 trình bày hai chương: Chương 1: Tổng quan nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Chương 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 hưởng chúng lên dịch chuyển vách từ trường ngồi vng góc Sai hỏng phi từ làm giảm lượng vách địa phương diện tích vách giảm Trong đó, sai hỏng dị hướng cao làm tăng lượng vách địa phương Sự tương tác vách đômen với tạp diễn tả lượng vách phụ thuộc vị trí w(x) (hình 1.13b) Dạng lượng w(x) gồm lượng tối thiểu tối đa để tạo lượng cản trở di chuyển vách Lưu 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 đômen Nam châm vĩnh cửu Sm2Co17 thuộc loại ghim vách đômen Trong nam châm này, pha SmCo5 chứa dư Cu kết tủa bên pha nền, có lượng vách đômen thấp lượng 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 hình 1.14 Sự phụ thuộc nhiệt độ lực kháng từ cho thấy khác biệt đặc trưng 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, lượng nhiệt giúp đômen di chuyển vượt qua lượng 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] Trong đó, vai trị lượng nhiệt không rõ ràng chế mầm đảo từ, Hc phụ thuộc nhiệt độ xác định phụ thuộc vào nhiệt độ số dị hướng K1 từ độ bão hịa 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 mơ tơ, máy phát điện Chính vậy, để ứng dụng nam châm Nd-Fe-B thiết bị cần phải đưa 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 Lượng 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 xử lý nhiệt, khuếch tán biên hạt, thêm nguyên tố phi đất (Cu, Al, Nb ) hay đưa vào hạt từ kích thước nanomet để làm giảm hàm lượng Dy CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG 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 hướng từ trường 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 Nam châm thiêu kết chiếm tỉ phần cao nam châm đất thương mại Phương pháp chế tạo phương pháp luyện kim bột Phương pháp có ưu điểm chế tạo chi tiết có độ xác cao, đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất, đồng thời sản phẩm đồng mặt cấu trúc Tuy vậy, hạn chế phương pháp cấu trúc tồn lỗ xốp, khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp phải sản xuất với số lượng 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 lị cao tần có bảo vệ chân khơng, Fe B 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 Ưu điểm phương pháp giảm thiểu ơxy hố vật liệu làm nguội nhanh Do pha Nd2Fe14B khơng nóng chảy cách tương đẳng Điều có nghĩa dung dịch nóng chảy rắn hố thành phần hợp thức khơng phải 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] Như biết, tính chất đặc trưng cho vật liệu từ có quan hệ mật thiết với cấu trúc vi mô vật liệu Đó kích thước, hình dạng định hướng vi tinh thể cấu tạo nên vật liệu c ng 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 phương pháp này, lựa chọn thành phần thích hợp, nhiệt toả phản ứng hoàn nguyên đủ lớn để làm nóng chảy hợp kim, khơng cần đến trợ giúp lò trung tần Ưu điểm phương pháp nhiệt canxi nguyên liệu ban đầu d ng muối đất hợp kim Nd-Fe-B tách khỏi xỉ dễ dàng Tuy vậy, hợp kim thu nhận đa pha, chúng cho phép chế tạo nam châm có tích lượng cao khoảng 200 kJ/m 2.3 Nghiền hợp kim Quá trình nghiền nhằm mục đích thu hạt nhỏ để tăng lực kháng từ Đầu tiên, hợp kim khối đập vỡ máy đập hàm thành mảnh nhỏ cỡ vài mm Sau đó, hợp kim nghiền thơ thành hạt có kích thước cỡ vài chục m Để nghiền hợp kim thành dạng bột mịn với kích thước tối ưu khoảng - m, sử dụng phương pháp nghiền sau: - Phương pháp nghiền học (Mechanical Milling) - Phương pháp nghiền phun (Jet Milling) - Phương pháp tách vỡ hyđrô (Hydrogennation Decrepitation) a) Phương pháp nghiền học (Mechanical Milling) Phương pháp nghiền học trình nghiền đồng bột tổ hợp hợp phần danh định ví dụ kim loại tinh khiết, liên kim loại bột tiền hợp kim, mà không tạo thành hợp kim khác Một số tên gọi khác sử dụng để phản ánh đặc tính riêng biệt q trình nghiền như: nghiền để phá hủy trật tự khoảng xa liên kim loại, tạo pha liên kim loại bất trật tự pha vơ định hình; hay q trình nghiền theo kiểu xay tán liên quan đến ứng suất cắt hình dạng mảnh Hình 1.17 Nguyên lý kỹ thuật nghiền học (nghiền bi) Nghiền bi dạng q trình nghiền học, sử dụng động dựa va đập từ bi thép cứng với tốc độ cao vào vật liệu, làm cho kích thước hạt ln giảm trở thành hạt bột mịn (hình 1.17) Buồng chứa vật liệu bao kín nghiền dung mơi để tránh bị ơxy hóa Phương pháp nghiền thích hợp Hợp kim sau nghiền thô cho vào phễu, qua miệng phễu hợp kim rơi vào bình có dịng khí trơ vận tốc cao, dịng khí làm cho hạt bột va đập vào làm chúng vỡ thành hạt có kích thước bé Do tính cứng, giịn hợp kim, cơng đoạn nghiền hợp kim khó khăn, tiêu tốn nhiều lượng thời gian Đồng thời, trình nghiền cần ý tránh tượng ơxy hố tái kết hợp hạt s làm ảnh hưởng đến mật độ định hướng chúng Hình 1.18 Nguyên lý kỹ thuật nghiền phun [11] Hình 1.18 sơ đồ nguyên lý kỹ thuật nghiền phun Ưu điểm phương pháp nghiền phun tạo hạt có kích thước đồng đều, nhiên mẫu nghiền phun nhanh bị ơxy hóa, đồng thời phương pháp Jet-milling khơng phù hợp với mẫu chế tạo có khối lượng nhỏ Để tránh mẫu bị ơxy hố nghiền hợp kim dung dịch mà dung dịch 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) đưa vào mơi trường khí hyđrơ chúng s hấp thụ hyđrơ nổ vỡ, q trình gọi nổ vỡ hyđrơ (hình 1.19) Hiện tượng áp dụng hữu hiệu công đoạn phá vỡ hợp kim Nd-Fe-B sử dụng chế tạo nam châm thiêu kết gọi phương pháp tách vỡ hyđrô (phương pháp HD) Quá trình diễn hai giai đoạn Đầu tiên, hyđrô khuếch tán vào khối hợp kim đến độ sâu định bề mặt làm sinh sức căng tới hạn có chênh lệch thể tích phần hyđrua chưa hyđrua Điều gây gãy mặt tạo nên mảnh, trình tiếp tục diễn toàn hợp kim phân mảnh Tiếp theo, hyđrô loại khỏi hợp kim cách ủ nhiệt chân không trước thiêu kết Hình 1.19 Quá trình tách vỡ hyđrơ Q trình HD có hiệu việc sản xuất khối lượng lớn vật liệu nghiền thô d ng cho trình nghiền tinh cối nghiền bi, nghiền rung Phương pháp cho phép tiết kiệm thời gian lượng nghiền hợp kim, làm hạ giá thành sản phẩm Người ta tính phương pháp làm giá thành nam châm giảm từ 15 đến 25% t y theo khối lượng sản phẩm Trong phương pháp này, kích thước phân bố hạt điều khiển cách thay đổi điều kiện HD Lượng ôxy phải giảm đến mức thấp trình xử lý tiến hành loại hyđrô khỏi mẫu Phương pháp nổ vỡ hyđrơ áp dụng cho tồn hợp kim họ Nd-Fe-B, thực tế áp dụng phổ biến để chế tạo nam châm thiêu kết thương mại 2.4 Ép tạo viên nam châm từ trường Với công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, hạt bột hợp kim sau nghiền mịn, mơmen từ định hướng từ trường ép thô thành viên nam châm ban đầu chuẩn bị cho giai đoạn thiêu kết Mục đích bước để tạo độ xốp ổn định, độ bền cần thiết cho bước thiêu kết sau Để định hướng hạt từ, từ trường ngồi đặt theo cách sau: (a) dọc theo hướng ép (hình 1.20a), (b) vng góc với hướng ép (hình 1.20b), (c) ép đẳng tĩnh bột định hướng trước (hình 1.20c) Phương pháp thường d ng phương pháp (a), mặc d phương pháp (b) (c) cho tính chất từ cao Trong phương pháp (a) (b) cường độ từ trường định hướng khoảng 20 kOe tạo nam châm điện, phương pháp (c) hạt định hướng từ trường xung mà cường độ đạt đến 60 kOe Sagawa cộng giới thiệu phương pháp định hướng hạt ép thô gọi phương pháp ép đẳng tĩnh khuôn cao su (Rubber Isostatic Pressing, viết tắt RIP) Theo phương pháp bột từ định hướng từ trường xung mạnh ( 40 kOe), sau ép đẳng tĩnh khn cao su (hình 1.20d) tạo viên nam châm cho giai đoạn thiêu kết Trong RIP, bột không ép dọc theo trục ép, mà tất hướng biến dạng khn cao su Hình 1.20 Từ trường đặt song song với hướng ép (a), từ trường đặt vuông góc với hướng ép (b), ép đẳng tĩnh (c) ép đẳng tĩnh khuôn cao su (d) Ưu điểm RIP tính linh hoạt hình dạng kích thước vật liệu ép, hạn chế ma sát bột thành khuôn, loại bỏ nhiễm tạp từ chất kết dính chất bơi trơn Đồng thời, phương pháp làm hạt định hướng tốt giữ hướng ép Theo Fidler cộng sự, RIP phương pháp hứa hẹn s nâng cao (BH)max đến gần giá trị lý thuyết [20] Hình 1.21 đường cong khử từ nam châm có (BH)max đạt 432 kJ/m (54,3 MGOe) chế tạo theo phương 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 lượng 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 nung nhiệt độ cao Vật liệu 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 thước hình dạng vật liệu sau thiêu kết Sự thay đổi kết nhiều trình như: khuếch tán bề mặt, khuếch tán biên hạt, bay ngưng tụ phần tiếp xúc hạt Động lực trình thiêu kết giảm lượng mặt phân giới tổng cộng Trong đó, lượng mặt phân giới tổng cộng bột kết khối biểu diễn S ( lượng bề mặt riêng S diện tích bề mặt tổng cộng) Sự suy giảm lượng tổng cộng biểu diễn sau: (S) = S + S Về bản, q trình thiêu kết chia thành hai loại: thiêu kết trạng thái rắn thiêu kết pha lỏng Thiêu kết trạng thái rắn xảy bột nén 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 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, làm suy giảm số tính chất quan trọng, ví dụ tính học Tuy nhiên, với kết đặc trưng sử dụng tính chất pha biên hạt, mẫu cần phải thiêu kết có mặt pha lỏng Trong trường hợp này, hợp phần lượng pha lỏng quan trọng việc điều khiển vi cấu trúc tính chất Thơng thường, sản phẩm nhận 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 đặc) [21] Để nâng cao mật độ người ta tiến hành kết hợp đồng thời hai trình ép thiêu kết Kỹ thuật gọi thiêu kết áp lực Các kỹ thuật thiêu kết áp lực thông dụng là: ép nóng, thiêu kết xung điện plasma Vi cấu trúc mong muốn vật liệu thu cách điều khiển tham số tham gia vào trình thiêu kết Có hai loại tham số ảnh hưởng đến q trình tham số vật liệu tham số trình - Tham số liên quan đến vật liệu như: hình dạng, kích thước bột, phân bố kích thước, 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 trường thiêu kết… 2.6 Xử lý nhiệt Sau trình thiêu kết, mẫu tiếp tục 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 trường khử từ địa phương, dẫn đến tăng cường 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] Ngoài ra, việc ủ nhiệt cịn có tác dụng hồ tan pha sắt từ nửa bền v ng hạt [20] ảnh hưởng 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 thước xác, nam châm sau thiêu kết cắt gọt khí Vì hợp kim Nd-Fe-B cứng nên trình cắt gọt thường phải d ng phương pháp cắt dây hồ quang điện hay d ng lưỡi cưa kim cương Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có thành phần đất Nd tồn pha biên hạt dễ bị tác động mơi trường bên ngồi muối, axit, ơxy thiết phải tẩm phủ lớp bảo vệ (sơn, mạ…) Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B thường có Br 13 kG Hc 10 kOe, từ trường tối thiểu phải đạt 20 kOe, phương từ trường nạp phải c ng phương với phương từ trường định hướng ép KẾT LUẬN Trong q trình làm khóa luận em tìm hiểu 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 chế đảo từ lực kháng từ nam châm NdFe-B 4) Tìm hiểu cơng 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 trường - Thiêu kết - Xử lý nhiệt - Gia công mẫu nạp từ 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 Tường, 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] [9] 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 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 cơng nghệ chể tạo nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B phương pháp thiêu kểt, Luận văn thạc sĩ vật lí, Trường Đại học Sư 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] Lưu 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 ... 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 quy trình cơng nghệ việc chế tạo nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Phương... 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 tượng phạm vi nghiên cứu - Nam châm thiêu kết Nd- Fe- B - Tìm hiểu cấu trúc,. .. luận văn trình b? ?y hai chương: Chương 1: Tổng quan nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Chương 2: Quy trình cơng nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd- Fe- B CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd- Fe- B 1.1