Như trên đã nói, vấn đề tiên quyết đặt ra trong nghiên cứu chế tạo băng THNNHP là phải tăng được tỉ phần pha mềm. Hàm lượng pha từ mềm lớn cùng một vi cấu trúc tối ưu sẽ nâng cao được tích năng lượng từ, mà lại giảm được giá thành của nam châm do giảm được lượng đất hiếm có giá thành cao.
Kết quả nghiên cứu trong mục 4.1 cho thấy khả năng chế tạo trực tiếp băng nguội nhanh chất lượng cao khi pha Fe65Co35 với tỷ lệ 20, 30 và 40%wt. so với Nd16Fe76B8. Tuy nhiên, những kết quả thực nghiệm cho thấy khi tiếp tục tăng tỉ phần pha mềm Fe65Co35 lên tới 50%wt. thì tích năng lượng từ (BH)max giảm xuống dưới 10 MGOe,việc tối ưu hóa các điều kiện công nghệ để nâng cao phẩm chất từ của băng nguội nhanh Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 gặp nhiều trở ngại. Những kết quả thực nghiệm và những bàn luận liên quan trình bày dưới đây sẽ lý giải những nguyên nhân cơ bản trong việc khó chế tạo trực tiếp băng nguội nhanh có tỉ phần pha mềm cao.
Băng Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 đã được phun với v = 35 m/s, các tham số công nghệ phun băng khác được giữ nguyên như chúng đã được sử dụng cho các mẫu băng Nd16Fe76B8/x%wt.Fe65Co35 với hàm lượng pha mềm x thay đổi từ 20 ÷ 40 %wt. Cũng giống như 3 loại băng với x = 20, 30 và 40 %wt. GĐNX tia X của băng với x = 50 (xem hình 4.22) cũng cho thấy pha Nd2Fe14B chiếm ưu thế. GĐNX của cả 4 mẫu, tuy có x khác nhau, không có sự khác biệt lớn nào về vị trí của các đỉnh nhiễu xạ. Tuy nhiên, ở vị trí 2 = 44,67o, vị trí ứng với đỉnh nhiễu xạ (110) của pha cấu trúc lập phương của Fe65Co35, quan sát thấy một xu thế khá rõ ràng về sự phát triển của pha này qua cường độ của đỉnh nhiễu xạ tại đó tăng dần theo hàm lượng x. Tại x = 50, đỉnh nhiễu xạ (110) trội hơn, lấn át cả đỉnh mạnh (006) của pha Nd2Fe14B tại vị trí 2 = 44,5o. Ngoài ra, đỉnh nhiễu xạ tại góc 2 = 82,33o cũng xuất hiện rõ. Đây chính là các dấu hiệu cho biết pha từ mềm đã xuất hiện mạnh và chúng
90 bắt đầu ít được bao bọc bởi pha từ cứng theo mô hình lõi từ mềm/vành từ cứng. Hệ quả là trường kháng từ của mẫu băng có x = 50 bị suy giảm khá nhiều.
Hình 4.22: GĐNX tia X của các mẫu băng hợp phần Nd16Fe76B8/x%wt.Fe65Co35 với hàm lượng pha mềm: a) x = 20, vận tốc v =20m/s; b) x = 30, v =25 m/s; c) x = 40, v =31 m/s d) x = 50, v =35m/s [9].
Như vậy, có thể cho rằng giá trị, x = 50 (hoặc ít ra là giá trị x lớn hơn 45, do băng với hợp phần x = 45 cũng đã được khảo sát và cho các kết quả tương tự nhưng không trình bày ở đây) là giá trị giới hạn, mà tại đó các hạt pha từ mềm khó được cứng hóa bởi tương tác trao đổi với các hạt từ cứng. Để ý rằng, kết quả này tương thích với kết quả mô phỏng tính chất từ tính của nam châm THNNHP bằng phương pháp Monte-Carlo [75]. Công trình này xây dựng chương trình phát số ngẫu nhiên theo thống kê định trước, cho phép mô phỏng hai tập hợp của các hạt từ cứng, từ mềm mong muốn. Quá trình làm nam châm THNNHP được mô phỏng bằng sự trộn ngẫu nhiên hai tập hợp này và tính chất từ tính của nam châm được xác định sau khi duyệt tiêu chí Kneller - Hawig. Bằng phương pháp mô phỏng này, ảnh hưởng của tỷ phần pha mềm được nghiên cứu dễ dàng. Kết quả mô phỏng cho thấy, nếu tỷ phần pha mềm tăng lên đến 50%vol. (gần với giá trị 50%wt., do trọng lượng riêng của hai pha Nd-Fe-B và Fe-Co gần bằng nhau) thì tích năng lượng (BH)max chịu thăng giáng rất lớn, giảm xuống thấp so với giá trị giới hạn trên (xem chi tiết [71]). Điều này tương ứng với việc rất khó khăn đạt phẩm chất từ tính cao cho băng THNNHP
91 hệ Nd-Fe-B/Fe-Co có tỷ phần pha từ mềm 50%wt. như đã quan sát thấy trên thực tế và trình bày ở trên.
Ngoài kết quả mô phỏng, một mô hình đơn giản sau đây cũng cho phép suy xét về giới hạn trên của tỉ phần pha từ mềm trong nam châm THNNHP hệ Nd-Fe- B/Fe-Co. Thay vì đòi hỏi kích thước của các hạt từ cứng phải cỡ độ dày của vách đômen như trong mô hình của Kneller - Hawig, ta cho phép kích thước của chúng chỉ bị giới hạn bởi ngưỡng 2 nm của trạng thái siêu thuận từ. Theo mô hình lõi từ mềm/vành từ cứng của nam châm THNNHP trình bày ở trên, một cách gần đúng, ta coi rằng vành từ cứng có chiều dày 2 nm bao bọc lõi từ mềm có đường kính d = 10 nm. Từ đây, dễ dàng thấy rằng thể tích vành từ cứng bằng 1,7 lần thể tích lõi từ mềm và tương ứng, tỷ phần pha từ mềm trong trường hợp này tối đa bằng 60%wt. của pha từ cứng. Kết quả định lượng đơn giản này cho thấy, khi tỉ phần pha từ mềm tăng lên 50%wt. thì độ dày các vành từ cứng giảm đi, hơn nữa giá trị độ dày này khó mà đồng nhất, nên khả năng các vành từ cứng chuyển về trạng thái siêu thuận từ là rất lớn. Và đó có thể là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm phẩm chất từ tính của băng Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 nếu được phun theo công nghệ phun băng thông thường.
Do trường kháng từ phụ thuộc mạnh vào vi cấu trúc của băng nên một bức tranh về sự phụ thuộc giữa trường kháng từ và vận tốc trống quay v là hiển nhiên. Hình 4.23 cho thấy sự phụ thuộc không tuyến tính cho các mẫu băng đã chế tạo với các tỉ phần x khác nhau của pha từ mềm.
Hình 4.23: Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào tốc độ nguội của các hệ mẫu băng với hàm lượng pha từ mềm Fe65Co35 khác nhau [9].
92 Như vậy, ứng với mỗi giá trị của x, trường kháng từ đạt giá trị cực đại khi băng được phun tại vận tốc trống quay tối ưu. Tuy nhiên, giá trị cực đại này suy giảm khi tỉ phần pha từ mềm tăng lên và suy giảm rất mạnh khi x = 50, kết quả là tích năng lượng từ (BH)max của băng giảm mạnh.
Kết quả ủ tái kết tinh băng nguội nhanh Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 phun tại vận tốc trống v = 35 m/s, với nhiệt độ ủ 600, 700 và 800 oC trong thời gian 10 phút có chút khác biệt so với việc ủ các hợp phần với tỷ phần pha từ mềm 20, 30 và 40 %wt. Tuy nhiên, từ độ dư và cả trường kháng từ đều không có những cải thiện tốt đáng kể (vòng từ trễ của các mẫu băng được trình bày trên hình 4.24). Và như vậy, việc tăng tỷ phần pha từ mềm trong băng phun nguội nhanh lên đến 50%wt. đã không mang lại kết quả mong đợi.
Hình 4.24: Đường M(H) của các mẫu băng Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 phun tại v=35 m/s: a) chưa ủ, b) ủ 600 oC, c) ủ 700 oC, d) ủ 800 oC.
Tổng kết lại, băng tổ hợp hai pha từ cứng từ mềm với hợp phần Nd16Fe76B8/x%wt.Fe65Co35, x = 20, 30 và 40 đã được nghiên cứu chế tạo bằng phương pháp phun nguội nhanh trực tiếp. Chúng có tích năng lượng (BH)max đạt tương ứng 14,3, 16,4 và 18,6 MGOe khi được phun với vận tốc trống tối ưu 20, 25 và 31 m/s tương ứng. Các kết quả thu nhận được cho thấy tính ưu việt của quy trình phun băng nguội nhanh chất lượng cao một cách trực tiếp so với quy trình phun băng về trạng thái vô định hình rồi sau đó tối ưu hóa các tính chất từ bằng việc ủ tái
93 kết tinh đối với hệ Nd2Fe14B/Fe-Co. Để phun nguội nhanh trực tiếp được các băng có chất lượng cao, cần phun chúng với vận tốc trống thích hợp. Giá trị của vận tốc này càng cao khi tỉ phần pha mềm càng lớn. Sự tăng của vận tốc trống nhằm giảm kích thước của các hạt từ mềm và trên cơ sở đó chúng sẽ được bao bọc tốt bởi pha từ cứng, tạo ra vi cấu trúc nano tổ hợp hai pha cứng/mềm thích hợp. Tuy nhiên, trong trường hợp tỷ phần pha từ mềm lớn đến 50%wt. thì phương pháp phun băng trực tiếp không đảm bảo được chất lượng của băng. Giới hạn 50%wt. này của tỷ phần pha mềm trùng với dự đoán của kết quả mô phỏng [75] cho thấy tác động mạnh của các quá trình ngẫu nhiên và sự suy giảm khả năng của pha từ cứng trong việc làm cứng hóa các hạt của pha từ mềm một khi chính bản thân các tính chất từ, nhất là trường kháng từ iHc, bị suy giảm khi chúng không đủ số lượng để bao bọc các hạt từ mềm hoặc kích thước của chúng giảm gần về giới hạn siêu thuận từ nếu trải mỏng để bao bọc hết số lượng lớn các hạt từ mềm.