Phần trình bày ở trên cho thấy khả năng tạo băng nguội nhanh THNNHP chất lượng cao khi tăng tỷ phần trọng lượng pha mềm Fe65Co35 lên đến 30% so với trọng lượng của hợp kim tạo pha từ cứng Nd16Fe78B8. Nỗ lực nâng cao tích năng lượng từ của băng nguội nhanh với hàm lượng Fe65Co35 tăng đến 40%wt. được thực thi nghiên cứu và đã đạt được kết quả khả quan. Dưới đây là kết quả chế tạo, nghiên cứu tính chất từ của băng nguội nhanh với hợp phần Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35.
Thực nghiệm cho thấy, do độ dẻo cao nên khó làm mịn các hạt Fe65Co35 và rất khó tạo chúng ở trạng thái vô định hình. Điều này tương ứng với sự dịch chuyển rất mạnh của giản đồ CCT của Fe65Co35 về bên trái trên trục thời gian. Ta biết rằng, để tạo vi cấu trúc các hạt pha từ cứng và từ mềm kích thước cỡ chục nanomét thì cần phải tăng vận tốc v của trống quay, tương ứng với tăng độ nguội của quá trình phun băng. Xuất phát từ quan điểm trên, nếu muốn tăng tiếp tục tỷ phần pha mềm Fe65Co35 mà vẫn muốn có được vi cấu trúc gồm các hạt nhỏ thì phải tăng vận tốc trống quay v trong các thí nghiệm chế tạo các mẫu băng Nd16Fe76B8/40%wt.
Hình 4.13a trình bày vòng từ trễ của các mẫu băng Nd16Fe76B8/40%wt. phun ở các vận tốc trống 25, 31 và 35 m/s. Khi được phun với v = 25 m/s, vòng trễ của băng tuy đạt được tiêu chí về độ vuông nhưng giá trị của từ độ dư Mr đạt được không cao, chỉ cỡ 76 emu/g. Đường trễ M(H) ứng với tốc độ phun cao nhất v = 35 m/s tuy có giá trị Mr khá lớn 81 emu/g nhưng vòng từ trễ hẹp và trường kháng từ
iHcnhỏ. Đường trễ M(H) ứng với vận tốc trống 31 m/s vừa có độ vuông tốt nhất vừa
79 có Mr lớn đạt đến 98 emu/g. Có thể cho rằng, v = 31 m/s là vận tốc tối ưu để chế tạo băng nguội nhanh Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 có phẩm chất từ cứng tốt.
a) b)
Hình 4.13: a) Đường M(H) của các mẫu băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 được phun với vận tốc trống, v = 25, 31, 35 m/s, b) đường M(H), B(H) và (BH)max của băng nguội nhanh phun với vận tốc trống v = 31 m/s [5].
Hình 4.13b trình bày đường M(H), B(H) và (BH)max của mẫu băng nguội nhanh được phun với vận tốc trống 31 m/s sau khi quy đổi và bổ chính thừa số khử từ (D = 0,33). Tại vận tốc trống này, giá trị của từ độ dư đạt khá cao lên đến 11 kG, trong khi đó vẫn đảm bảo được trường kháng từ tương đối lớn iHc = 7,8 kOe, làm cho tích năng lượng từ đạt được giá trị cao, (BH)max = 18,6 MGOe.
Hình 4.14: Sự phụ thuộc của iHc, Mr và (BH)max vào vận tốc trống quay v [5]
Tích năng lượng từ (BH)max và các thông số iHc, Mr cho tất cả các mẫu băng hợp phần Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 được phun với vận tốc trống quay v khác nhau trong khoảng từ 25 đến 35 m/s được trình bày trên hình 4.14. Theo sự tăng của
80
v, từ dư Mrtăng còn lực kháng từ iHc tăng, đạt cực đại và sau đó giảm. Điều này dẫn đến tích năng từ (BH)max phụ thuộc không tuyến tính vào vận tốc v, đạt giá trị cực đại tại v = 31 m/s.
Như vậy, mặc dù tỷ phần pha từ mềm đã tăng lên đến 40%wt., băng THNNHP chất lượng cao vẫn có thể được chế tạo trực tiếp khi dùng hai tiền hợp kim Nd16Fe76B8 và Fe65Co35. Vận tốc trống quay v tối ưu để tạo ra băng có tích năng lượng từ (BH)max cao nhất dịch về phía giá trị cao, v = 31m/s. Vận tốc này tuy gây khó khăn nhất định nhưng vẫn nằm trong vùng an toàn trong vận hành thiết bị, khi mà độ rơ của trống đồng vẫn được kiểm soát. Giá trị 18,6 MGOe của tích năng lượng từ (BH)max là đáng quan tâm, nhất là khi băng với tích năng lượng từ này được chế tạo trực tiếp mà không cần đến quá trình ủ tái kết tinh sau đó.
Phẩm chất từ của băng với hợp phần Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 tương thích với những kết quả nghiên cứu về vi cấu trúc dựa trên các kết quả phân tích GĐNX tia X và ảnh FESEM của chúng.
Hình 4.15: GĐNX tia X và ảnh FESEM của mẫu băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 phun với với v = 31 m/s [5].
GĐNX tia X của băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 phun tại vận tốc trống tối ưu v = 31 m/s trình bày trên hình 4.15 cho thấy băng có thành phần pha chủ yếu là pha Nd2Fe14B. Đỉnh nhiễu xạ tại góc nhiễu xạ 2 khoảng 44,5o - 44,7o được tăng cường do pha Fe65Co35. Vi cấu trúc của hệ bao gồm các hạt mịn kích thước trong
81 vùng 10 - 20 nm, phân bố kích thước hạt hẹp (xem hình 4.15). Dễ hiểu rằng, trong một cấu trúc như vậy, tiêu chí Kneller - Hawig về tương tác trao đổi dễ dàng được đáp ứng khiến cho phẩm chất từ tính của băng được nâng cao.
Cùng với hợp phần Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35, khi băng được phun với vận tốc trống thấp hơn, v = 25 m/s, tuy thành phần pha được bảo toàn nhưng kích thước hạt trở nên lớn hơn và phân bố kích thước hạt rộng hơn so với băng được phun với v
= 31 m/s. Điều này được quan sát rõ ràng trên hình 4.16, kích thước hạt ở trong một khoảng rộng 100 - 200 nm. Với vận tốc phun này, pha tinh thể Nd2Fe14B hình thành với kích thước hạt lớn - đa đômen, vòng đường từ trễ của nó cũng cho thấy cơ chế đảo từ chủ yếu là sự ghim vách đômen, lực kháng từ đạt được giá trị khá lớn 5,3 kOe (hình 4.14). Mặt khác, ở vận tốc thấp này (so với vận tốc tối ưu) các mầm của pha từ mềm Fe65Co35 hình thành với kích thước khá lớn khiến sự bao bọc của pha từ cứng đối với nó đạt hiệu quả kém hơn cho nên từ độ dư chỉ đạt 8,8 kG.
Hình 4.16: GĐNX tia X và ảnh FESEM của mẫu băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 phun với v = 25m/s.
Ngược lại, khi băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 được phun nguội nhanh tại vận tốc trống 35 m/s kích thước tinh thể giảm đi rõ rệt. Kích thước hạt nhỏ quan sát trên ảnh FESEM cùng với đường nền trải rộng của GĐNX tia X (xem hình 4.17) cho thấy một vi cấu trúc của các hạt kích thước rất nhỏ mà trong đó các hạt của pha từ cứng Nd-Fe-B dễ đạt trạng thái siêu thuận từ. Một vi cấu trúc của một tổ hợp
82
nano như vậy là nguyên nhân khiến băng có độ dư đạt khá cao ~ 11 kG và trường
kháng từthấp, iHc=3kOe (xem hình 4.14).
Hình 4.17: GĐNX tia X và ảnh FESEM của mẫu băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35phun với v = 35m/s.
Kết quả tốt nhất đã đạt được với băng nguội nhanh phun tại vận tốc trống tối ưu 31 m/s với các thông sốtừđộdư Mr, lực kháng từiHc, tích năng lượng từcực đại
(BH)max nói trên được xem là hệ quảcủa việc tối ưu các tham số công nghệ để trực tiếp tạo ra cấu trúc tổhợp nano hai pha từcứng/từmềm.
Mô hình 1D của Kneller – Hawig cho phép đánh giá giới hạn trên của kích thước hạt pha từ mềm mà dưới đó các hạt từ mềm dễ dàng được làm ”cứng hóa” dưới tác động của tương tác trao đổi lan truyền từ các hạt từ cứng lân cận. Ảnh
FESEM trên hình 4.15 cho thấy bức tranh 2D của các hạt tinh thểđáp ứng được giới
hạn kích thước hạt này. Dễhiểu rằng, nếu ở mô hình 1D, sự xen kẽ giữa các hạt từ
cứng và từmềm là dễ thực hiện thì trong 2D và 3D xác suất xen kẽcứng/mềm đều (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
đặn bị suy giảm nhiều lần. Tuy nhiên, độ mềm mại của tất cả các vòng từtrễ trình
bày trên hình 4.13 lại cho thấy có vẻ như sự xen kẽ cứng/mềm này được đảm bảo
một cách khá dễdàng.
Nguyên nhân của sự xen kẽ này được cho rằng liên quan đến giản đồ pha của hệNd-Fe-B. Trong quá trình nguội nhanh Fe và Co được chiết ra trước, tạo ra mầm kết tinh và pha từcứng được hình thành trên các mầm kết tinh này. Kết quảdẫn đến
83 một mô hình cấu trúc lõi từ mềm/vành từ cứng của các hạt tinh thể. Cấu trúc này khiến GĐNX tia X thường cho thấy các đỉnh nhiễu xạ mạnh của pha từ cứng, còn các đỉnh nhiễu xạ của pha từ mềm thường rất yếu mặc dù tỷ phần của pha từ mềm không phải là nhỏ.
Để làm sáng tỏ bức tranh lõi từ mềm/vành từ cứng, giống như băng
Nd16Fe76B8/30%wt.Fe65Co35, đường từ độ phụ thuộc vào nhiệt độ của băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 (được phun nguội nhanh tại vận tốc trống 31 m/s) theo chu trình quét nhiệt độ lên và xuống trong từ trường nhỏ 0,5 kOe được trình bày trên hình 4.18. Các giá trị đo được chuẩn hóa với giá trị từđộ M(Tr) đo tại nhiệt độ phòng khi kết thúc chu trình hạnhiệt độ.
Hình 4.18: Đường từ nhiệt của băng Nd16Fe76B8/40%wt.Fe65Co35 được phun nguội nhanh tại vận tốc trống 31 m/s đo theo chu trình tăng và giảm nhiệt độ. Mẫu được bắt đầu đo ở trạng thái khử từ nhiệt, từ trường ngoài một chiều 0,5 kOe được duy trì trong suốt quá trình đo [5].
Đường từ nhiệt M(T) của mẫu băng cho ta thấy sự chuyển pha sắt từ - thuận từ rất rõ nét tại 398 oC, chuyển pha từ này thuộc về pha từ cứng Nd2(Fe,Co)14B. Nhiệt độ chuyển pha (Tc) này lớn hơn nhiệt độ Curie của pha thuần Fe, Nd2Fe14B (Tc = 312 oC) là do Co đã thay thế một phần cho Fe trong mạng tinh thể của pha từ cứng và làm tăng nhiệt độ Curie của chúng. Ngoài ra, cũng giống như trong mẫu có hàm lượng 30%wt.Fe65Co35, sự tồn tại của pha từ mềm Fe65Co35 trong băng thể hiện qua
84 việc từ độ vẫn tiếp tục tăng khi nhiệt độ tăng lớn hơn nhiệt độ Curie của pha từ cứng.
Ngoài ra, đường M(T) khi nhiệt độ tăng cho phép suy luận về mô hình các hạt từ mềm được bao bọc khá tốt bởi các vành từ cứng. Tại từ trường đo 0,5 kOe, từ độ xuất hiện trong các vành từ cứng nhỏ, quá trình từ hóa của các hạt từ mềm bị tác động mạnh bởi từ độ xuất hiện trong vành từ cứng. Khi nhiệt độ tăng, đường M(T)
tăng theo, nhưng ban đầu tăng yếu, chỉ sau 200 o
C M(T) tăng mạnh hơn, đạt cực đại và sau đó giảm dần theo đúng sự phụ thuộc nhiệt độ của đường từ độ ban đầu của pha từ cứng. Cùng với sự suy giảm tính cứng của pha từ cứng mỗi khi nhiệt độ tăng, pha từ mềm bắt đầu bị từ hóa bởi từ trường ngoài mạnh hơn dẫn đến sự tăng tiếp tục của M(T) sau khi nhiệt độ đạt giá trị 398 oC, đạt giá trị ngang bằng trong vùng 640 - 700 oC và sẽ suy giảm nếu nhiệt độ được tiếp tục tăng. Trong chu trình nhiệt độ hạ, các hạt từ mềm bị từ hóa và luôn ở trạng thái bão hòa về từ độ, nhiệt độ càng thấp tính sắt từ của chúng càng tốt làm cho giá trị từ độ của mẫu tăng, sự tăng này xảy ra mạnh tại nhiệt độ 398 oC khi mà trạng thái trật tự sắt từ của các vành từ cứng được hồi phục.
4.2. Ảnh hƣởng của chế độ xử lý nhiệt và tỷ phần pha mềm Fe65Co35 lên tính chất từ của băng từ cứng Nd16Fe76B8/x%wt.Fe65Co35.