Băng nguội nhanh thường được sử dụng để chế tạo nam châm kết dính. Chất lượng của nam châm kết dính phụ thuộc vào chất lượng của băng và công nghệ ép nam châm kết dính thích hợp. Do từ độ bão hòa Ms của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B (là pha từ cứng được lựa chọn cho băng đang quan tâm) có giá trị khoảng 16 kG, nên trường kháng từ cảm ứng bHc của băng chỉ cần hạn chế ở giá trị 16 kOe và do vậy, do hệ số vuông góc thường < 1 nên trường kháng từ iHc đòi hỏi phải lớn hơn 16 kOe một chút.
Về phương diện lý thuyết, điều này là hoàn toàn hiện thực đối với hệ Nd2Fe14B với vi cấu trúc đơn pha nano tinh thể có ngưỡng trên của iHc cỡ 30 kOe theo mô hình Stoner-Wohlfarth. Về phương diện công nghệ, để đạt được điều này cần phân lập các hạt tinh thể (có pha Nd2Fe14B) bằng một pha biên hạt thích hợp. Đối với hệ các hạt Nd2Fe14B, pha biên hạt thích hợp nhất là pha giàu Nd. Đó là pha thuận từ, có nhiệt độ nóng chảy Tm thấp hơn Tm của Nd2Fe14B, dễ tích hợp với pha Nd2Fe14B. Do vậy, tiền hợp kim có thể tạo ra pha từ cứng Nd2Fe14B dùng để phun băng được lựa chọn có thành phần Nd16Fe76B8.
Hình 4.1 trình bày GĐNX tia X của hợp kim với thành phần Nd16Fe76B8 đã được hợp kim hóa bằng nấu chảy hồ quang. Ghi nhận thấy một đỉnh nhiễu xạ tại góc nhiễu xạ 2θ = 30,59o thuộc về pha Nd, còn toàn bộ những đỉnh nhiễu xạ khác
65 thuộc về pha Nd2Fe14B. Phân tích Rietveld cho thấy Nd chiếm khoảng 3%wt. trong tiền hợp kim này.
Hình 4.1: GĐNX tia X chụp kiểu mẫu bột của tiền hợp kim Nd16Fe76B8.
Về nguyên tắc, chỉ riêng pha Nd2Fe14B với vi cấu trúc bao gồm các hạt tinh thể kích thước cỡ đơn đômen được phân lập hoàn toàn với nhau trong không gian ba chiều đã tạo ra băng chất lượng cao. Tuy nhiên về thực nghiệm, cho đến nay, điều này rất khó đạt được. Nguyên nhân nằm ở tính ngẫu nhiên của quá trình mọc hạt trong trạng thái động khi băng nguội nhanh được hình thành. Tính ngẫu nhiên của quá trình mọc hạt dẫn đến phân bố kích thước hạt có dạng hàm Gausian, dẫn đến giá trị trường kháng từ iHc thăng giáng rộng trong vùng từ vài kOe đến khoảng 25 kOe, làm xuất hiện điểm thắt eo của đường từ trễ trong góc phần tư thứ 2 và là nguyên nhân chính làm giảm giá trị tích năng lượng từ cực đại. Tính ngẫu nhiên này cũng dẫn đến sự phân bố ngẫu nhiên của trục dễ của các hạt đơn đômen trong không gian 3 chiều, làm cho băng trở nên đẳng hướng và dù Ms của băng có cao thì
Mrcũng chỉ đạt giá trị cỡ 0,5 Msvà do vậy Mr 8 kG khiến (BH)max 16 MGOe. Để nâng cao chất lượng từ tính của băng, dựa trên ý tưởng về một cấu trúc tổ hợp nano hai pha từ cứng/từ mềm, một lượng đáng kể hợp kim FexCoy được pha vào hợp kim Nd16Fe76B8 ngay trong quá trình phun băng.
Sự lựa chọn này dựa trên những xét đoán sau:
66 a. Sự kết hợp hai pha Nd16Fe76B8 và FexCoy sẽ cho phép chế tạo băng THNNHP có từ độ lớn. Giá trị x = 65 và y = 35 của hợp kim FexCoy được lựa chọn tương ứng với hợp phần có từ độ bão hòa của hợp kim là lớn nhất (Hình 4.2).
Hình 4.2: a) Độ từ thẩm và từ độ bão hòa của hợp kim Fe-Co theo %at. Co.[31].
b. Sử dụng hợp kim chứa Co (y≠0) nhằm mục đích nâng cao nhiệt độ Curie của băng THNNHP.
c. Do ái lực mạnh giữa Nd và Fe/Co nên biên hạt giàu Nd hình thành trong quá trình mọc hạt trong băng nguội nhanh sẽ giúp đưa lượng Fe/Co dư thừa vào vùng biên hạt.
d. Nhiệt độ nóng chảy của hợp kim Fe-Co cao hơn một chút so với của Nd-Fe- B, làm cho việc hòa tan Fe-Co trong hợp kim Nd-Fe-B đã chảy lỏng là rất dễ dàng, khiến pha lỏng của hai hợp kim có độ đồng nhất cao. Điều này sẽ góp phần nâng cao phẩm chất từ cứng của băng tổ hợp nano được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh.
e. Việc dùng hai tiền hợp kim riêng thay vì một tiền hợp kim 4 nguyên tố Nd, Fe, Co, B giúp giảm số cấu tử, khiến khả năng lặp lại của công nghệ được nâng cao. Mặt khác, điều này cho phép thay đổi dễ dàng tỷ phần của pha từ mềm pha vào nền pha từ cứng.
Với những lý do trên, hợp kim Fe65Co35 đã được lựa chọn. Hợp kim Fe65Co35 được chế tạo bằng quá trình hợp kim hóa trên lò hồ quang. GĐNX tia X của hợp
67 kim được trình bày trên hình 4.3 với ba đỉnh nhiễu xạ tương ứng của pha lập phương tâm khối. Từ độ bão hòa của chúng được xác định trên hệ PFM, có giá trị
240 emu/g và được trình bày kèm trên hình 4.3.
Hình 4.3: GĐNX tia X của hợp kim Fe65Co35.
Một trong những mục tiêu nghiên cứu là thiết lập công nghệ phun băng THNNHP trực tiếp. Công nghệ này được hiểu là nhằm thu nhận được băng nguội nhanh THNNHP trực tiếp ngay khi phun mà không cần đến quá trình ủ tái kết tinh sau đó. Để thiết lập công nghệ này, ảnh hưởng của tỷ phần pha từ mềm lên vi cấu trúc và tính chất từ của băng THNNHP sẽ được nghiên cứu một cách hệ thống. Các băng với hợp phần Nd16Fe76B8/x%wt.Fe65Co35 được chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh truyền thống trên thiết bị phun băng nguội nhanh ZGK-1. Giá trị x%wt. của Fe65Co35 được so sánh với giá trị 100%wt. của Nd16Fe76B8.
Để thu nhận được các băng có hợp phần khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng của hợp phần lên vi cấu trúc và các tính chất từ, ngoại trừ vận tốc trống quay, các tham số công nghệ khác đã được giữ cố định (xem trong chương 3). Hơn nữa, để tăng tính lặp lại của các thí nghiệm, một công nghệ phun băng nguội nhanh - dùng áp suất âm đã được đề xuất, thực hiện.
Trước hết, chúng ta biết rằng công nghệ phun băng nguội nhanh gắn liền với quá trình kết tinh ở trạng thái không cân bằng, phụ thuộc vào nhiều tham số. Để thiết lập một chế độ phun băng ổn định, việc chọn điều kiện để hợp kim sau khi hóa lỏng được chảy qua đầu vòi phun xuống mặt trống đồng quay có ý nghĩa quyết
68 định. Thông thường, theo thiết kế của thiết bị phun băng, hợp kim lỏng được đẩy qua lỗ vòi phun nhờ một áp suất dương tác động lên mặt trên của khối hợp kim. Giá trị áp suất dương Pphunnày đủ thắng lực cản Fsc tại đầu vòi do sức căng bề mặt của hợp kim lỏng gây ra, giá trị Pphun này được đặt trước hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm thao tác và thông thường lớn hơn Fsc để đảm bảo sự thành công của thí nghiệm. Chính tính ngẫu nhiên này gây ảnh hưởng nhiều lên phẩm chất từ tính của băng phun nguội nhanh.
Để khắc phục điều vừa nêu trên, một kỹ thuật hữu ích đã được lựa chọn: giải pháp phun băng dưới tác động của áp suất âm. Kỹ thuật này được trình bày chi tiết dưới đây:
Trong quá trình hút chân không chuông và xả khí Argon vào chuông để làm sạch và bảo vệ băng khỏi bị oxy hóa, khí Argon đi qua đầu vòi vào trong ống thạch anh đựng các mẩu hợp kim. Theo thiết kế truyền thống, phần đuôi của ống thạch anh này được nối với ống dẫn vào van được thiết kế để mở áp suất dương. Trong giải pháp phun dùng áp suất âm, van này được thiết lập lại ở trạng thái đóng hoàn toàn. Tại thời điểm hợp kim chảy lỏng nhờ dòng trung tần, đầu vòi sẽ được chính hợp kim lỏng bịt lại, và như vậy áp suất khí argon ở mặt trên của khối hợp kim lỏng bằng chính áp suất trong chuông. Do vậy, khi áp suất trong chuông được hút giảm từ từ, sự chênh lệch áp suất vốn có trong ống thạch anh và áp suất ở ngoài ống trong chuông đang hút được tăng lên. Theo thời gian hút, sự chênh lệch áp suất này sẽ tạo ra một lực tác động lên mặt trên của khối hợp kim đã chảy lỏng trong ống thạch anh. Lực này, theo thời gian, cũng tăng lên từ từ và đạt cân bằng với lực Fsc khiến khối hợp kim phun qua đầu vòi nhẹ nhàng xuống mặt trống đồng đang quay. Do quá trình phun hợp kim lỏng được thực hiện ở trạng thái cân bằng của hai lực nên dễ hiểu rằng độ lặp lại của thí nghiệm được nâng cao và phẩm chất từ của băng dễ dàng được điều khiển.
Hình 4.4 trình bày ảnh FESEM mặt cắt của băng nguội nhanh Nd-Fe- B/20%wt. Fe-Co phun dùng kiểu áp suất dương (a) và áp suất âm (b). Nhận thấy, kỹ thuật phun kiểu áp suất âm làm cho băng có chiều dày đồng đều và bề mặt băng phẳng hơn.
69
a) b)
Hình 4.4: Ảnh FESEM độ dày của các băng Nd16Fe76B8/20%wt.Fe65Co35: a) Băng phun theo kiểu áp suất dương; b) băng phun theo kiểu áp suất âm.
Hình 4.5 cho thấy rõ rằng, đường M(H) của mẫu băng phun theo kiểu áp suất âm có đường từ trễ trong góc thứ 2 với hệ số vuông góc lớn hơn. Do liên quan chặt chẽ đến tính đồng nhất của vi cấu trúc nên có thể kết luận rằng: công nghệ phun băng dùng áp suất âm giúp tạo ra một vi cấu trúc có độ đồng nhất cao hơn so với băng phun dùng áp suất dương.
Hình 4.5: Đường M(H) của hai mẫu băng Nd16Fe76B8/20%wt.Fe65Co35 được phun với các điều kiện công nghệ gần giống nhau, chỉ khác: a) Phun theo kiểu áp suất
dương; b) phun theo kiểu áp suất âm. Khối lượng mẫu đo 60 mg và được lấy ngẫu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nhiên từ lượng băng 20 g trong mỗi lần phun băng.
Kỹ thuật áp suất âm được dùng để phun các băng nguội nhanh trình bày ở các phần tiếp theo.
70