6. Dự kiến đóng góp của đề tài
2.5. Thiêu kết ở nhiệt độ cao
Sơ cấu tạo của lò nung thiêu kếtđang làm việc.
5 A H O 2 3 A 1 2 X X 4 5
Cấu tạo: 1- Lò nung C và cơ cấu điều khiển nhiệt độ,bên dưới có hệ thống bánh xe để dịch chuyển khi cần thiết. 2- Bơm khuếch tán. 3-
Bơm cơ học. 4- Buồng lò nhiệt độ cao. 5- Mẫu NdFeB.
Sơ đồ hệ thống lò nung chân không đƣợc tách rời sau khi nung.
5 A H O 2 3 1 2 X X 4 5
Sơ đồ cấu tạo hoàn chỉnh vận hành lò nung thiêu kết.
Vận hành.
Tạo chân không sơ cấp trong buồng lò.
- Van 1 và van 8 đóng chặt.Cho bơm cơ học 1 hoạt động. Mở van 2 và van 4. Khi đó buồng lò số 3 đƣợc hút chân không. Đồng hồ đo chân không 5 sẽ chỉ -1Pa.
Tạo chân không cao trong buồng lò số 3.
- Van 1 và van 8 vẫn đóng chặt. Cho bơm cơ học 1 hoạt động. Mở van 1, van 6, van 4, quá trình bơm diễn ra 15p. Bắt đầu cho bơm khuếch tán 4 hoạt động. Bật lò nung 6. Mở van nƣớc làm mát số 7. Thực hiện nhƣ vậy trong khoảng thời gian 20p.
Nạp khí Ar vào lò 3.
- Mở van 2 và van 5.Khi đồng hồ chân không chỉ -1Pa. Tiếp tục mở van 1, van 6 và van 4. Khóa van 2 lại đợi khoảng 5p. Khi đồng hồ 5 chỉ -2. Khóa van 6. Mở van khí Ar, khí Ar qua van 5 và van 4 vào buồng 3. Đồng hồ đo áp lực 9 chỉ 1- 1.2. Tiếp theo khóa van 4 và van 5 để cách ly buồng nung.
Mở buồng lò nung trong khi buồng lò nung vẫn hoạt động.
- Khóa van 2, van 5 và van 6. Mở van xả 8. Ngay lập tức không khí tràn vào buồng lò 3. Nhanh chóng đóng van 4 và 8. Đóng tiếp tục van 1. Mở van 2 trong vài phút cho tới khi đồng hồ 5 chỉ - 1. Cuối cùng mở van 1.
Tắt lò nung.
- Tắt lò bằng công tắc 6 chờ thời gian bơm khuếch tán nguội. Khóa tất cả các van. Tắt bơm cơ học 1. Mở van 7 để xả khí và bơm cơ.
Hình 2.14. Lò nung thiêu kết trong phòng thí nghiệm
- Thiêu kết và ủ công đoạn cuối cùng trong việc chế tạo nam châm thiêu kết dị hƣớng nhằm tạo mật độ cao và ổn định thành phần các pha. Thiêu kết đƣợc thực hiện trong buồng nung chân không hoặc khí trơ (Ar và N). Vỏ buồng nung 2 lớp và đƣợc làm lạnh bằng nƣớc chảy giữa hai lớp. thanh đốt thƣờng làm bằng Mo. Nhiệt độ thiêu kết khoảng 1050 tới 1150 trong
thời gian khoảng 1 giờ và làm nguội nhanh( kéo mẫu ra khỏi vùng nhiệt độ cao, thổi khí Ar lên mẫu…). Trong công nghiệp, dung dịch buồng thiêu kết thƣờng chứa 30-50kg vật liệu. Sau khi thiêu kết mẫu đƣợc xử lý nhiệt tại nhiệt 400-1000 . Thiêu kết và ủ có thể thực hiện theo chu trình nhiệt, giữ nhiệt phức tạp khác nhau tùy theo thành phần và khối lƣợng mẫu. Chân không cao, khí trơ sạch, chu trình là các yếu tố quyết định đến phẩm chất của nam châm thiêu kết.
Nhiệt độ và thời gian thiêu kết.
- Sản phẩm đƣợc đặt trong lò nung, đậy nắp lò, hút hết không khí trong lò ra. Khi chân không đã thỏa mãn, ta khởi động cho lò hoạt động. Dòng điện qua lò khoảng 10-12A. Sau khoảng thời gian 3 tiếng nhiệt độ trong lò đạt tới , lại giữ nhiệt độ đó trong 3 tiếng tiếp theo. Tiếp theo tách ra khỏi buồng nung và hạ nhiệt cho buồng lò bằng không khí hoặc nƣớc làm mát tới khi nhiệt độ buồng xuống còn - rồi thực hiện lấy sản phẩm theo đúng qui trình.
Biểu đồ nhiệt độ và thời gian khi thiêu kết.
3 6 6,1 Thời gian, h
0 1100
Nhiệt độ T0C
- Lên nhiệt chậm mất khoảng độ 3h.
- Giữ nhiệt ổn định là 11000 C trong khoảng 3h - 4h.
- Hạ nhiệt nhanh khoảng 5' - 10' hạ từ 11000C xuống nhiệt độ phòng. - Giữ trạng thái pha Nd2 Fe14B1 ngăn chặn hình thành pha mới.
Biểu đồ xử lý nhiệt sau khi thiêu kết.
- Lên nhiệt chậm khoảng 5h, nhiệt độ đạt tới 9000C. - Giữ nhiệt ổn định ở 9000C trong khoảng thời gian 3h. - Hạ nhiệt nhanh, tăng nhiệt chậm tời 6300C.
- Giữ nhiệt 6300C trong khoảng thời gian 4h.
5 8 9 Thời gian, h 0 900 Nhiệt độ T0C 10 14 630
CHƢƠNG 3
Tính chất và cấu trúc vi mô của nam châm Nd-Fe-B sau thiêu kết
3.1.1. Cơ chế lƣ̣c kháng từ của nam châm NdFeB thiêu kết.
Các nghiên cứu trƣớc đây chỉ ra rằng nam châm NdFeB thiêu kết có cơ chế lƣ̣c kháng tƣ̀ là cơ chế mầm đảo từ tại nhiệt độ phòng . Quan sát cấu trúc đômen trên hình 3.1 bằng ảnh MFM và ảnh AFM (hình 3.2) tƣơng ƣ́ng của nam châm thiêu kết có thành phần (Nd0,85Dy0,15)14,5Fe79B6,5 cho thấy ở trạng thái khử từ nhiệt các hạt 2:4:1 có cấu trúc đa đômen , khẳng định rằng DG>>DC. các đômen có hai hình ảnh sáng còn các vách đômen có hình ảnh tối. Trong các đômen hỗn độn này còn có các đômen nhỏ hơn , đƣợc gọi là
ghim cài đảo, xuất hiện dạn g hình tròn . Các ghim cài đảo thƣờng có k ích thƣớc nhỏ dạng hình nó n nên chỉ chƣ́a một lƣợng nhỏ vật liệu . Do đó trƣờng đảo tƣ̀ trong các ghim cài đảo không đủ để khóa đầu dò MFM, vì vậy chúng xuất hiện dƣới dạng hình ảnh tối.
Hình 3.1 Hình 3.2
Hình 3.1 ảnh MFM của nam châm thiêu kết, tƣơng ƣớng với ảnh AFM Hình 3.2
Do cấu trúc đa đômen tro ng một hạt 2:14:1 nên vách đo men có thể dịch chuyển dễ dàng khi có một từ trƣờng nhỏ tác dụng vào . Do đƣờng cong tƣ̀ trễ phụ cho thấy lƣ̣c kháng tƣ̀ bão hoà ở tƣ̀ trƣờng H ≥ H sat với Hsat < Hci; Durs và Kronmuller đã tranh luận rằng Hsat có thể đƣ ợc coi nhƣ trƣờng liên quan đến sƣ̣ hãm vách đômen tại biên hạt và do đó , bởi vì H ci > Hsat, lƣ̣c kháng tƣ̀ phải điều khiển bằng cơ chế mầm đảo tƣ̀ . Tƣ̀ nghiên cƣ́u về đƣờng cong tƣ̀ trễ phụ cho nam châm NdF eB giàu B và PrFeB, Hirosawa và Sagawa (1987) đã kết luận rắng trƣờng khƣ̉ tƣ̀ cục bộ là nguyên nhân cơ bản của sƣ̣ phụ thuộc Hci và Br vào từ trƣờng từ hoá . Trong báo cáo của họ , các cách đômen vƣợt qua một hàng rào năng lƣợng gần vùng biên hạt có nguồn g ốc từ hiệu ƣ́ng tƣ̀ tĩnh tạo bởi chỗ nhô ra của các hạt 2:14:1 hơn là nhƣ̃ng chỗ không đồng nhất của năng lƣợng dị hƣớng.
Ƣớc lƣợng thô H ci cho cơ chế lƣ̣c kháng tƣ̀ đã đƣợc Livingston đƣa ra rằng:
) (3.1)
Số hạng thƣ́ nhất phía bên phải biễu diễn trƣờng cục bộ cần thiết để đảo các đômen ngƣợc trong các vùng sai hỏng hình cầu có bán kính r 0 và số hạng thƣ́ hai là trƣờng khƣ̉ tƣ̀ hiệu dụng hỗ trợ sƣ̣ đảo tƣ̀. Đối với trƣờng hợp r0 = 100 A và Neff= 1 thì từ phƣơng trình 8 có thể tính đƣợc Hci ~11 kOe cho nam châm NdFeB thiêu kết.
F.Vial cùng các cộng sƣ̣ đã nghiên cƣ́u sự ảnh hƣởng của vi cấu trú c đến
lƣ̣c kháng tƣ̀ trong nam châm thiêu kết có thành ph ần
Nd12,4Pr1,4B5,8AL0,3Cu0,1Co0,1Fe79,9. Hình trình bày hình ảnh FEG – SEM của các mẫu nam châm 3.1 sau khi thiêu kết (3.2) sau khi ủ ở nhiệt độ 5200
khi ủ ở 5600C và phóng to tại một điểm giữa 3 hạt. Các hạt 2:14:1 có kích thƣớc trung bình khoảng 7μ, các “túi” giàu Nd có kích thƣớc nhỏ hơn 4μ và các biên hạt khoản 5nm đến 10nm. Trên hình 10 có thể thấy rằng pha giàu Nd tập trung tại biên hạt làm ngăn cách giƣ̃ a các hạt 2:14:1. Tuy nhiên trong trƣờng hợp nam châm sau thiêu kết (hình 3.3), giao diện giƣ̃a lớp giàu Nd và biên hạt là không rõ ràng. Các đƣờng biên mờ và không liên tục . Điều đó làm tƣơng tác giƣ̃a các hạt trao đổi tăng và lƣ̣c kháng tƣ̀ là quá thấp (439kA/m- hình 11). Đối với trƣờng hợp sau khi ủ ở 5200C (hình 3.4), đƣờng biên rất rõ và liên tục . Ngoài ra còn một số đám hình cầu giàu Nd nằm trong các hạt 2:14:1. Sƣ̣ hình thành các đám này có thể do quá trình tái kết tinh của pha 2:14:1 trong khi ủ . Sƣ̣ hình thành các đám vách đomen và tăng lƣ̣c kháng tƣ̀ của mẫu lên đáng kể . Tuy nhiên số lƣợng các đám giàu Nd nằm trong hạt 2:14:1 là không nhiều nên cơ chế lực kháng từ ở đây vẫn chủ yếu do lớp già u Nd ở vách tạo nên. Khi ủ ở nhiệt độ cao hơn 5600
C, biên hạt (pha giàu Nd) trở lên biến dạng và không liên tục , đồng thời các số đám giàu Nd trong hạt 2:14:1 giảm đáng kể. Vì vậy đây là chế độ ủ không tối ƣu , dẫn đến lƣ̣c kháng tƣ̀ giảm. Đƣờng cong từ hoá ban đầu của mẫu (B) cho thấy cơ chế lƣ̣c kháng tƣ̀ trong nam châm thể hiện rõ là cơ chế mầm đảo tƣ̀. Điều đó phù hợp với cấu trúc đa đômen của vật liệu.
3.1.2. Lƣ̣c giƣ̃a nam châm và vật sắt tƣ̀.
Quan sát hình 2.16 bên trong nam châm cảm ƣ́ng tƣ̀ B~M-HD =const. (B =Φ/S.S: thiết diện nam châm ) trong không gian bên ngoài xa nam châm , diện tích mà B đi qu a tăng, S tăng, trong khi tƣ̀ thông ɸ do nam châm tạo ra là không đổi, vì vậy B giảm và phụ thuộc mạnh vào vị trí tƣ́c là khoảng các h x đối với nam châm . Ký hiệu cảm ứng từ bên ngoài n am châm là B’ = B (x) = H (đại lƣợng này giảm khi x tăng). Đây là tƣ̀ trƣờng hoá thanh sắt khi đặt nó trong không gian gần nam châm . Trong trƣờng hợp nam châm tiếp xúc trƣ̣c tiếp với thanh sắt, x~0, không có sƣ̣ phâ n tán tƣ̀ thông và có thể coi B (x) = B = H (hệ Gauss) hoặc B(x) = B = μ0H (SI). Lƣ̣c giƣ̃a thanh nam châm và thanh sắt đã đƣợc tƣ̀ hoá xác định bởi công thƣ́c :
(3.2)
Trong công thƣ́c này, không trƣ̣c tiếp thấy vai trò của thể tích V và chiều dài L của nam châm (V = L.S). Tuy nhiên đại lƣợng L đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định lực F. Vấn đề là ở chỗ, chiều dài L sẽ quyết định tới trƣờng khƣ̉ tƣ̀ Hd của nam châm tức là ảnh hƣởng lớn tới B . Nam châm càng dài L càng lớn thì HD càng nhỏ và B càng lớn, F càng lớn. Nhƣ vậy thể tích V của nam châm càng lớn, lƣ̣c hút F của nam châm càng mạnh.
Có thể chứng minh công thức trên theo một cách khác : mật độ năng lƣợng tƣ̀ trƣờng trong chân không bằng:
Năng lƣợng tƣ̀ trƣờng trong thể tích V (gần nam châm) là W.V = W.S.x. Công lƣ̣c của x thƣ̣c hiện khi nam châm hút thanh sắt tƣ̀ khoản x bằng : Q = Fx. / công này chính bằng năng lƣợng tƣ̀ trƣờng chƣ́a trong thể tích SL , vậy WSL = FL, loại bỏ L, cuối cùng nhận đƣợc công thƣ́c tính lƣ̣c F = WS.
3.2. Vật liệu phát ra từ trƣờng – nam châm vĩnh cửu, vật liệu từ cứng cứng
Chức năng quan trọng thứ hai của vật liệu là làm từ nguồn phát ra từ trƣờng. Các loại nam châm, kể cả miếng đá “loadstone” thời nguyên thủy đều là nguồn phát từ trƣờng . Ngƣời ta còn gọi chúng là nam châm vĩnh cửu để chỉ khả năng phát ra từ trƣờng của chúng giữ đƣợc lâu dài. Chúng ta thấy từ trƣờng B chạy liên tục từ cực Nam S đến cực Bắc N (trong nam châm) và từ ngoài vần S (ngoài nam châm). Từ trƣờng hữu ích đối với chúng ta là từ trƣờng bên ngoài nam châm và từ trƣờng đó chỉ xuất hiện khi nam châm có 2 cực hở, không khép kín. Nhƣ vậy chúng ta sử dụng từ trƣờng trong không gian giữa hai cực của nam châm.
Trong hệ Gauss có B=H, vậy nam châm cần có từ dƣ lớn BR lớn để có thể nhận đƣợc từ trƣờng trong khe lớn. Để nam châm là “vĩnh cửu”, lực kháng từ HC phải lớn vì HC là từ trƣờng cần để xóa độ BR, tức là khử từ nam châm. HC lớn còn có nghĩa là nam châm rất khó từ hóa, cần một từ trƣờng lớn để thay đổi trạng thái của nam châm (thiết lập và xóa bỏ trạng thái từ), chính vì thế mà đối lập với tính từ mềm, nam châm “cứng” đối với sự thay đổi từ trƣờng ngoài và vì vậy gọi là vật liệu từ cứng (hard magnetic material).
Tóm lại trong vô số các vật liệu từ tính (chỉ kể chất sắt từ), tồn tại hai nhóm chính là từ mềm dùng làm lõi dẫn từ và từ cứng để làm nam châm. Tính chất, thành phần, công nghệ chế tạo và ứng dụng các vật liệu từ mềm và từ cứng đƣợc liệt kê tóm tắt trong bảng 3.1 dƣới đây:
nghệ chế tạo và ứng dụng.
Tên Tính chất cần có Ứng dụng Thành phần Công nghệ chế tạo
Từ mềm (magnetic Material) B, HC đƣờng từ trễ hẹp p Dẫn từ: lõi biến áp, động cơ, cuộn chạn … Hợp kim: Fe- Si (sillicon steel), Fr-Ni (permaloy) Fe-Si-B (vô định hình) - Oxit: ferit NI-Zn. Mn-Zn - Luyện kim (cán mỏng, Fe-Si) - gốm (ferit từ mềm) - Nguội nhanh Từ cứng (Hard magnetic Material, permanent magnet) B, HC(1.00.000A/m đƣờng từ trễ rộng) Nam châm vĩnh cửu: phát ra từ trƣờng, lực, biến đổi điện-cơ, cơ- điện, dụng cụ đo lƣờng, lao - Hợp kim: Fe-Al-Ni-Co. RE-Fe-B - Oxit,ferit bari - Luyện kim (đúc, cán) - Luyện kim bột (Nam chaamkeets dính) - Gốm (ferit bari) Kết luận
1. Đã nghiên cứu toàn bộ quá trình chế tạo nam châm thiêu kết dị hƣớng Nd-Fe-B để có thể đạt đƣợc mức năng lƣợng 25-30 MGoe.
2. Tiến hành nấu luyện hợp kim Nd-Fe-B trong chân không và khuôn mỏng có gradient nhiệt nhằm tạo ra dị hƣớng tinh thể trong chân không.
3. Đã tiến hành nghiền ba cấp trong môi trƣờng bảo vệ do vậy tạo ra đƣợc bột NdFeB kích thƣớc đủ nhỏ, độ oxy hóa thấp thích hợp cho việc chế tạo nam châm đất hiếm dị hƣớng.
4. Đã tiến hành ép bột Nd-Fe-B trong môi trƣờng bảo vệ (bằng phƣơng pháp thủ công) và trong môi trƣờng từ tăng dần tạo dị hƣớng từ cho nam châm sản xuất sau này.
5. Đã tiến hành ép đẳng tĩnh tạo mật độ cao cho nam châm.
6. Đã tiến hành xử lý nhiệt đa cấp trong chân không.
7. Nam châm dị hƣớng đƣợc chế tạo theo công nghệ trên có năng lƣợng khoảng 25 – 30 Mgoe.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Đỗ Vƣơng Hoành, Lê Công Quý, Vũ Văn Hồng, Chu Văn Chiêm, Nguyễn Hồng Quyền, Vũ Hữu Tƣờng, Đỗ Khánh Tùng, Vũ Hồng Kỳ,
Nguyễn Tuấn Minh, Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và nam châm
thiêu kết Nd-Fe-B, Tuyển tập các báo cáo tại hội nghị Vật lí toàn Quốc lần
thứ IV, Núi Cốc 5-7/11/2003, tr. 638-642.
[2]. Nguyễn Hoàng Nghị, Cơ sở từ học và các vật liệu từ tiên tiến, - Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[3]. Lƣu Tuấn Tài (2008), Vật liệu từ - Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
[4]. Phạm Đình Thịnh (2009), Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm
vĩnh cửu Nd-Fe-B bằng phương pháp thiêu kết, Luận văn thạc sĩ vật lí ,
Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội.
[5]. Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lí các hiện tượng từ, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội.
[6]. Đỗ Khánh Tùng, Vũ Hữu Tƣờng, Lê Công Quý, Đỗ Vƣơng Hoành,
Một số kết quả phân tích thành phần và cấu trúc vật liệu từ Nd-Fe-B,
Tuyển tập các báo cáo tại hội nghị Vật lí toàn Quốc lần thứ IV, Núi Cốc ngày 5-7/11/2003,