Chế tạo băng hợp kim Co-Zr-Cr-B bằng phương pháp nguội nhanh

6. Cấu trúc của luận văn

2.1.2. Chế tạo băng hợp kim Co-Zr-Cr-B bằng phương pháp nguội nhanh

Sơ đồ khối của công nghệ nguội nhanh được mô tả trên hình 2.3. Trong luận văn này, băng nguội nhanh được tạo bằng thiết bị ZKG-1 (hình 2.4) đặt tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Vận tốc dài của trống quay 40 m/s. Khối lượng hợp kim mỗi lần phun là 20 g. Mức chân không của trạng thái khi làm việc cỡ 6,6.10-2 Pa.

Trước khi phun băng, buồng tạo băng phải được vệ sinh sạch sẽ. Tiền hợp kim được đánh sạch xỉ trước khi cho vào ống thạch anh. Đặt tiền hợp kim vào trong ống thạch anh có đường kính đầu vòi khoảng 0,5 mm và được đặt gần sát bề mặt trống đồng. Hợp kim được làm nóng chảy bằng dòng cảm ứng cao tần. Hợp kim sau khi nóng chảy được nén bởi áp lực của dòng khí trơ Ar và chảy qua khe vòi, phun lên mặt trống đồng đang quay. Với tốc độ quay của trống là 40 m/s, chúng tôi thu được băng nguội nhanh có độ dày khoảng 20 µm, chiều rộng cỡ 2-3 mm. Tốc độ nguội R được tính theo công thức:

R = ΔT/ Δt Tức là tốc độ làm nguội R khoảng 10-6 10-5 K/s

Hình 2.2. a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) Bơm hút chân không, (2) Buồng nấu mẫu, (3) Tủ điều khiển, (4) Bình khí Ar, (5) Nguồn điện

33

a) b)

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục

Tốc độ làm nguội của hợp kim được thay đổi bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của trống đồng. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng khỏi mặt trống. Nếu tốc độ làm nguội lớn, tức là tốc độ quay của trống đủ lớn, các mẫu băng thu được sẽ có cấu trúc VĐH hoàn toàn. Nếu tốc độ quay của trống không đủ nhanh thì các mẫu sẽ bị kết tinh một phần.

Một số lưu ý khi thực nghiệm. Buồng tạo băng phải được vệ sinh sạch sẽ trước khi phun băng. Tiền hợp kim được đánh sạch xỉ trước khi cho vào ống thạch anh

34

(đã được làm sạch bằng aceton hoặc cồn) có đầu vòi đường kính khoảng 1 mm. Khoảng cách giữa đầu vòi và mặt trống quay là một yếu tố ảnh hưởng đến độ dày, độ rộng của băng do đó ảnh hưởng lên tính chất của băng nguội nhanh, thường khoảng cách này được chọn trong khoảng 1-10 mm. Để hợp kim nóng chảy có thể phun lên mặt trống đồng cần phải đẩy bằng dòng khí trơ từ phía sau ống, do đó phải chú ý đóng mở van xả khí này trong quá trình hút chân không và bơm khí trơ vào chuông để tránh không khí còn trong ống dẫn. Tùy thuộc vào tốc độ quay của trống và loại vật liệu, băng nguội nhanh có độ dày từ 20 m đến 60 m, chiều rộng cỡ vài mm.

2.2. CÁC PHÉP ĐO NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ

2.2.1.Xử lý nhiệt

Quá trình ủ nhiệt được thực hiện trong lò ủ nhiệt dạng ống Thermolyne (hình 2.5) điều khiển nhiệt độ tự động, tốc độ gia nhiệt tối đa đạt 50oC/phút. Trong các thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng phương pháp ủ ngắt. Mẫu được đưa ngay vào vùng nhiệt độ đã được khảo sát theo yêu cầu và được ủ trong thời gian mong muốn, sau đó được lấy ra và làm nguội nhanh để tránh sự tạo các pha khác ở các nhiệt độ trung gian.

35 2.2.2. Phép đo từ trễ

Các phép đo từ trễ được thực hiện trên hệ đo từ trường xung với từ trường cực đại lên đến 90 kOe.

Hệ được thiết kế theo nguyên tắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.6). Dòng một chiều qua K1, nạp điện cho tụ, tụ tích năng lượng cỡ vài chục kJ. Khoá K2 đóng, dòng điện hình sin tắt dần. Dòng điện trong thời gian tồn tại ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ trường xung cao. Mẫu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến pick - up. Tín hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trường sẽ được thu thập, xử lí hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể. Từ trường trong lòng ống dây có thể được sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng một nửa chu kì hình sin của dòng điện phóng. Từ trường lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ được điều khiển và đo đạc bằng kĩ thuật điện tử và ghép nối với máy tính. Để tránh được hiệu ứng trường khử từ, các mẫu được đặt sao cho từ trường ngoài song song và dọc theo chiều dài của mẫu, các mẫu khối đều được cắt theo dạng hình trụ. Các mẫu đo được gắn chặt vào bình mẫu để tránh sự dao động của mẫu trong quá trình đo.

Hình 2.6. Sơđồ nguyên lý của hệ đo từ trường xung [12].

36

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tính chất từ của các băng hợp kim Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0 - 4) trước khi ủ nhiệt

Hình 3.1 Đường cong từ trễ của các băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt. Kết quả cho thấy, các mẫu băng hợp kim đã thể hiện tính từ cứng nhưng lực kháng từ của các mẫu không cao, thay đổi từ 1,305 kOe (với x = 0) đến 1,586 kOe (với x = 2). Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo nồng độ Cr của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2(x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt được thể hiện trên hình 3.2.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 X = 0 X = 2 X = 3 X = 4 4  M (kG ) H c (kOe)

Hình 3.1. Đường cong từ trễ của các băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt.

0.5 1 1.5 -1 0 1 2 3 4 5 H c (kO e ) x (%)

Hình 3.2. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc theo nồng độ Cr của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt.

Có thể nhận thấy, lực kháng từ tăng lên khi tăng nồng độ Cr từ 0 đến 2% (từ 1,305 đến 1,586 kOe). Lực kháng từ đạt giá trị lớn nhất là 1,586 kOe khi nồng độ Cr là 2%. Tiếp tục tăng nồng độ Cr lên 4% thì lực kháng từ của băng hợp kim giảm mạnh xuống còn 0,565 kOe.

37

3.2. Tính chất của các băng hợp kim Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) sau khi ủ nhiệt

Nhằm cải thiện tính chất từ của băng hợp kim chúng tôi tiến hành ủ các mẫu băng ứng với nồng độ Cr ở các nhiệt độ khác nhau từ 550 đến 700oC trong thời gian 10 phút. Hình 3.3 là đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 khi ủ ở các nhiệt đô ̣ khác nhau trong thời gian 10 phút. Có thể thấy rằng lực kháng từ Hc thay đổi khá rõ rệt theo nhiệt độ ủ. Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo nhiệt độ của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) được thể hiện như trên hình 3.4. Trong khoảng nhiệt độ từ 550 - 600oC lực kháng từ thay đổi không nhiều (từ 1,249 đến 1,471 kOe). Khi nhiệt độ tăng lên 650oC thì lực kháng từ tăng rõ rệt và đạt cực đại là 1,924 kOe. Tiếp tục tăng nhiệt độ lên 700oC thì lực kháng từ lại giảm mạnh xuống còn 1,862 kOe. -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 X = 0 X = 2 X = 3 X = 4 4  M ( kG ) H c (kOe)

Hình 3.3. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi ủ ở các nhiê ̣t đô ̣ khác nhau từ 550 đến 700oC trong thời gian 5 phút.

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 550 600 650 700 H c (kO e ) T a (oC)

Hình 3.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc theo các nhiệt độ khác nhau từ 550 đến 700oC của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2)

38

Hình 3.5 là đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi ủ ở 650oC trong thờ i gian 3, 5 và 10 phút. Hình 3.6 là sự phụ thuộc của lực kháng từ vào thời gian ủ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 khi ủ ở 650°C trong thờ i gian 3, 5 và 10 phút . Có thể thấy rằng, lực kháng từ cũng phụ thuộc khá nhiều vào thời gian ủ nhiệt. Với thời gian ủ nhiệt là 3 phút, lực kháng từ đạt khoảng 1,769 kOe. Khi tăng thời gian ủ lên 5 phút thì lực kháng từ đạt giá trị cao nhất Hc~ 1,899 kOe và tích năng lượng (BH)max~ 0,961 MGOe (được xác định như trên hình 3.7). Tiếp tục tăng thời gian ủ hơn nữa lên 10 phút thì lực kháng từ giảm xuống còn 1,347 kOe.

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 X = 0 X = 2 X = 3 X = 4 4  M (k G ) H c (kOe) 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 -2 0 2 4 6 8 10 12 H c ( k O e) t a (phút)

Hình 3.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào thời gian ủ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi chưa ủ và ủ ở 650oC trong thời gian 3, 5 và 10 phút.

Hình 3.5. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi chưa ủ và ủ ở 650oC trong thời gian 3, 5 và 10 phút

39

Điều này có thể giải thích là do khi tăng thời gian ủ lên 5 phút thì tỷ phần của pha từ cứng và kích thước hạt đạt tối ưu. Ở thời gian ủ dài hơn (10 phút) sẽ làm tỷ phần pha từ cứng giảm do sự phân hủy của pha từ cứng thành các pha từ mềm, khi đó kích thước hạt cũng tăng lên dẫn tới tính chất từ của băng hợp kim giảm.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 BH (MGOe) BH 4M B 4  M ,B ( kG ) H c (kOe)

Hình 3.7. Đường cong xác định tích năng lượng (BH)max của mẫu băng Co80Zz18-xCrxB2 (x = 2) khi ủ ở 650oC trong thời gian 5 phút.

40

KẾT LUẬN

Trong quá trình làm khóa luận tốt nghiệp, em đã hoàn thành được các nội dung sau:

- Đã tìm hiểu tổng quan về vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Co-Zr- B.

- Tìm hiểu và thực hiện được một số ảnh hưởng pha tạp Cr và ủ nhiệt lên tính chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B.

- Đã chế tạo và khảo sát tính chất từ của các băng nguội nhanh Co80Zr18- XCrxB2 (x = 0 - 4). Lực kháng từ và tích năng lượng của các mẫu băng này đạt giá trị cao nhất là 1,899 kOe và 0,6 MGOe tương ứng với x = 2 khi ủ ở nhiệt độ 650oC trong thời gian 5 phút.

41

MỘT SỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Đoàn Minh Thủy, Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm kết dính nguội nhanh nền Nd-Fe-B, Luận án tiến sĩ khoa học Vật liệu, Hà Nội, 2006

2 A.M. Gabai, N.N. Schegolewa, V.S. Gaviko, G.V. Ivanova, Phys Met. Metall. 95, 122–128 (2003).

3 D.C. Jiles, Recent advances and future directions in magnetic materials, J. Acta Materialia. 51, 5907-5939 (2003).

4 D.J. Branagan, M.J. Kramer, R.W. McCallum, J. Alloys Compd. 244, 27 (1996).

5 E.F. Kneller, R. Hawig, IEEE Transactions on Magnetics. 27, 3588 (1991).

6 G. Stroink, Z.M. Stadnik, G. Viau, R.A. Dunlap, J. Appl. Phys. 67, 4963– 4965 (1990).

7 G. Stroink, Z.M. Stadnik, G. Viau, R.A. Dunlap, J. Appl. Phys. 67, 4963– 4965 (1990).

8 G.V. Ivanova, N.N. Shchegoleva, A.M. Gabay, J. Alloys Comp. 432, 135–141 (2007).

9 H.H. Stadelmaier, T.S. Jang, E.Th. Henig, Mater. Lett. 12, 295–300 (1991).

10 H.W. Chang, C.F. Tsai, C.C. Hsieh, C.W. Shih, W.C. Chang, C.C. Shaw, J.M.M.M. 346, 74-77 (2013).

11 H.W. Chang, Y.H. Lin, C.W. Shih, W.C. Chang, C.C. Shaw, J. Appl. Phys. 115, 17A724 (2014).

12 Hellstern E., Fecht H. J, Garland C., Johnson WL. In: McCandlish L. E,Polk D. E., Siegel R.W, Kear B.H, editors. Multicompoment ultrafine microstructures, vol. 132. Pittsburgh, PA: Mater. Res.

Soc,1989. P. 137-142.

13 J.B. Zhang, Q.W. Sun, W.Q. Wang, F. Su, J. Alloys Compd. 474, 48 (2009).

14 K. Zhang, D.W. Zhou, B. Han, Z. Lv, X.C. Xun, X.B. Du, Y.Q. Liu, B. Yao, T. Zhang, B.H. Li, D. Wang, J. Alloys Compd. 464, 28-32 (2008).

42

15 K.H.J. Buschow, J.H. Wernick, G.Y. Chin, J. Less Common Met. 59, 61 (1978).

16 M. Zhang, J. Zhang, C. Wu, W. Wang, F. Su, Physica B. 405, 1725-1728 (2010).

17 M.E. McHenry, D.E. Laughlin, Nano-scale materials development for

future magnetic applications, Acta Materialia. 48, 223-238 (2000).

18 R. Coehoorn, D. B. Mooij, J.P.W.B. Duchateau and K. H. J. Buchow,

Novel permanent magnetic materials made by rapid quenching, Journal de physique. 49, 669-670 (1988).

19 S.F. Cheng, W.E. Wallace, B.G. Demczyk, in: Proceedings of the 6th International Symposium on Magnetic Anisotropy an Coercivity in Rare- EarthTransition-Metal Alloys, Pittsburgh, PA, October 1990, Carnegie- Mellon University, Pittsburgh, PA, 477-487 (1991).

20 T. Saito and M. Itakura, J. Alloys Compd. 572, 124-128 (2013). 21 T. Saito và T. Akiyama, J. Appl. Phys. 115, 17A749 (2014). 22 T. Saito, Appl. Phys. Lett. 82 (14), 2305–2307 (2002).

23 W. Zhang, S. Zhang, A. Yan, H. Zhang, B. Shen, Effect of the substitution of Pr for Nd on microstructure and magnetic properties of nanocomposite

Nd2Fe14B/a-Fe magnets, J.M.M.M. 225, 389-393 (2001).

24 Z. Hou, H. Li, W. Wang, J. Alloys Compd. 593, 1-6 (2014).

25 Z. Hou, J. Zhang, S. Xu, C. Wu, J. Zhang, Z. Wang, K. Yang, W. Wang, X. Du, F. Su, J.M.M.M. 324, 2771 (2012).

26 Z. Hou, S. Xu, J. Zhang, C. Wu, D. Liu, F. Su, W. Wang, J. Alloys Compd. 555, 28-32 (2013).