Quy trỡnh chế tạo nam chõm kết dớnh được sử dụng trong luận ỏn này về cơ bản giống với quy trỡnh chế tạo tiờu chuẩn đó được sử dụng trong cỏc phũng thớ nghiệm và cỏc cơ sở sản xuất trờn thế giới. Tuy nhiờn, cỏc cụng đoạn của quỏ trỡnh này đó được điều chỉnh cho phự hợp với điều kiện của phũng thớ nghiệm nơi thực hiện luận ỏn và sẽ được trỡnh bày cụ thể ở phần sau. Khỏc với nam chõm thiờu kết, nam chõm kết dớnh dựng keo phi từ (HTB-1 được chế tạo tại Phũng Cụng nghệ và Ứng dụng vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu) để liờn kết cỏc hạt sắt từ. Vỡ vậy, cỏc bột sắt từ được tạo ra từ băng nguội nhanh phải trải qua cụng đoạn trộn keo kết dớnh. Chất kết dớnh sử dụng ở đõy là chất kết dớnh hữu cơ cú độ kết dớnh, độ núng chảy, độ bền nhiệt và giỏ thành phự hợp với mục đớch được sử dụng trong luận ỏn. Chất kết dớnh này cú nhiệt độ núng chảy tại 180oC. Vỡ độ hũa tan của chất này là vụ hạn nờn ta cú thể dễ dàng điều khiển được tỷ phần của chỳng trong khoảng 3 - 8% thể tớch nam chõm.
Cú nhiều phương phỏp chế tạo nam chõm nguội nhanh (hay nam chõm MQ) là MQI, MQII, MQIII [3]. Trong đú:
- Cụng nghệ MQI là tạo viờn nam chõm từ bột nguội nhanh trộn với chất kết dớnh rồi ộp thành nam chõm (quỏ trỡnh ộp cú thể ở nhiệt độ phũng gọi là ộp nguội, hoặc cú thể ộp ở nhiệt độ khoảng 300oC gọi là ộp núng, quỏ trỡnh ộp nguội cũn phải qua cụng đoạn sấy ở 250oC trong 30 phỳt), sau đú đem nạp từ ta sẽ được một viờn nam chõm thành phẩm. Việc nạp từ cho cỏc nam chõm được tiến hành trờn mỏy từ trường xung với từ trường nạp khoảng 5 T.
- Cụng nghệ MQII là từ bột của băng nguội nhanh ộp thủy tĩnh để định hỡnh sản phẩm với ỏp suất ộp khoảng 1 tấn/cm2. Sau đú viờn bột này lại tiếp tục được ộp núng trong khớ bảo vệ ở nhiệt độ ~ 850oC trong 1 s. Nhờ quỏ trỡnh gia nhiệt và quỏ trỡnh ộp đồng thời đó làm tăng tốc độ khuếch tỏn, từ đú tạo thành phản ứng pha rắn liờn kết
chặt cỏc hạt bột với nhau tạo lờn viờn nam chõm. Phương phỏp ộp núng trong thời gian ngắn làm cho cỏc hạt tinh thể của vật liệu ở kớch thước nanomet khụng kịp lớn lờn, mật độ khối đạt cỡ 7 g/cm3
, giả trị này của nam chõm kết dớnh gần bằng với nam chõm thiờu kết.
- Cụng nghệ MQIII là dựng nam chõm sau khi đó chế tạo theo phương phỏp MQII đặt vào mỏy ộp thủy lực, gia nhiệt tới 800oC rồi ộp nhanh với ỏp suất ộp rất lớn sao cho chiều cao của viờn nam chõm MQII thấp xuống chỉ cũn bằng 1/3 độ cao ban đầu trong thời gian cỡ 1 s, trong mụi trường chống ụxy húa. Nam chõm MQIII cú mật độ khối khoảng 7,4 g/cm3. Nam chõm MQII và MQIII khụng sử dụng chất kết dớnh nờn làm tăng được mật độ khối do đú tăng được năng lượng từ. Nhưng vỡ phải sử dụng cụng nghệ đắt tiền và độ bền cơ học của MQIII rất kộm do bị ộp đột ngột, nờn cụng nghệ này khú sử dụng nhất là trong cỏc mụ tơ, mỏy phỏt...
Trong luận ỏn này, chỳng tụi dựng phương phỏp MQI để thử nghiệm chế tạo nam chõm kết dớnh trờn 3 hệ mẫu đó được nghiờn cứu: a/ Nd2Pr2Fe78B18 (phần 3.3.1 x = 2), b/ Nd10,5Nb1,5Fe82B6 (phần 3.1 x = 1,5), và c/ (Nd0,5Pr0,5)10,5Fe82Nb1,5B6 (nghiờn cứu trong cụng trỡnh số 4).
Quy trỡnh chế tạo cỏc nam chõm kết dớnh được thực hiện theo cỏc bước sau đõy: - Tạo mẫu hợp kim khối trờn lũ hồ quang.
- Tạo băng hợp kim ở trạng thỏi VĐH trờn thiết bị ZGK-1. Theo cỏc kết quả đó nghiờn cứu, chỳng tụi chọn tốc độ trống quay cho cả 3 hệ hợp kim là 30 m/s. Với tốc độ này băng cú độ dày cỡ 40 àm.
- Xử lý nhiệt cỏc băng VĐH ở nhiệt độ tối ưu. Chế độ xử lý nhiệt cụ thể cho 3 hệ mẫu đó được nghiờn cứu lần lượt là: i) Ta = 675oC, ta = 10 phỳt cho hệ Nd2Pr2Fe78B18, ii) Ta = 625oC, ta = 10 phỳt cho hệ Nd10,5Nb1,5Fe82B6, iii) Ta = 625oC, ta = 10 phỳt cho hệ (Nd0,5Pr0,5)10,5Fe82Nb1,5B6
- Trộn bột hợp kim với keo theo tỷ lệ 0,25 ml keo/1 g bột rồi khuấy liờn tục cho đến khi keo khụ.
- Cho vào khuụn ộp đường kớnh 16 mm và ộp thành viờn cú chiều cao cỡ 15 - 20 mm với lực ộp 7,5 tấn/cm2. Quỏ trỡnh ộp sử dụng hai chế độ ộp núng và ộp nguội. Khi ộp núng, nhiệt độ của khuụn được nõng tới ~ 300oC trong khoảng thời gian 5 phỳt với tụ́c đụ̣ gia nhiợ̀t lúc đõ̀u là 50o/phút sau khi đạt nhiợ̀t đụ̣ 260oC giảm tụ́c đụ̣ gia nhiợ̀t xuụ́ng 20o/phút đờ́n 310oC thì tắt lò. Đối với cỏc viờn nam chõm ộp nguội cũn phải qua một quỏ trỡnh sấy ở 250oC trong 30 phỳt. Khi ộp núng khối lượng riờng của nam chõm được tăng lờn đỏng kể.
- Nạp từ cỏc viờn nam chõm với từ trường ~ 5 T.
Sơ đồ mụ phỏng quy trỡnh chế tạo nam chõm nanocomposite Nd-Fe-B được chỉ ra trờn hỡnh 4.17 và ảnh cỏc viờn nam chõm kết dớnh đó chế tạo được chỉ ra trờn hỡnh 4.18. Tạo băng hợp kim ở trạng thỏi VĐH Xử lý nhiệt cỏc băng VĐH ở chế độ tối ưu Trộn bột hợp kim với keo
0,25 ml keo/ 1 g bột Nghiền cỏc băng đó được xử lý nhiệt thành bột, Cho vào khuụn ộp và ộp thành viờn Nam chõm ẫp nguội ở nhiệt độ phũng ẫp núng ở 200oC nõng tới ~300oC Nạp từ ~50 kOe phũng
Hỡnh 4.17. Mụ phỏng quy trỡnh chế tạo nam chõm nanocomposite Nd-Fe-B.
Hỡnh 4.18. Cỏc viờn nam chõm kết dớnh chế tạo được.
Sau khi ộp viờn chỳng tụi đó tiến hành khảo sỏt tớnh chất từ của cỏc viờn nam chõm. Hỡnh 4.19 là đường cong từ trễ của hệ mẫu Nd2Pr2Fe78B18 khi ộp núng và ộp nguội. Ta thấy rằng lực khỏng từ của nam chõm khụng thay đổi nhưng từ độ bóo hũa và từ độ dư của nam chõm tăng rừ rệt bằng cỏch ộp núng. Nguyờn nhõn là do mật độ khối của nam chõm được tăng lờn.
-12 -8 -4 0 4 8 12 -15 -10 -5 0 5 10 15 ep lanh ep nong 4π M (k G ) H (kOe)
Hỡnh 4.19. Đường cong từ trễ của nam chõm Nd2Pr2Fe78B18 được ộp núng và ộp nguội.
0 2 4 6 8 10 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 M B BH M , B ( kG ) H (kOe) a) 0 2 4 6 8 10 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 M B BH M , B ( kG ) H (kOe) b)
Hỡnh 4.20. Cỏc đường đặc trưng của hai nam chõm đàn hồi chế tạo được: Nd10,5Nb1,5Fe82B6 (a) và (Nd0,5Pr0,5)10,5Fe82Nb1,5B6 (b).
Cỏc đường đặc trưng từ độ Mv, cảm ứng từ B và tớch năng lượng (BH)max theo từ trường ngoài của nam chõm đàn hồi đó chế tạo của hai hệ mẫu Nd10,5Nb1,5Fe82B6 và (Nd0,5Pr0,5)10,5Fe82Nb1,5B6 được chỉ ra trờn hỡnh 4.20. Cỏc điều kiện cụng nghệ và thụng
số từ của 3 loại nam chõm đàn hồi này được liệt kờ trờn bảng 4.2.
Bảng 4.2. Cỏc điều kiện cụng nghệ và thụng số từ thu được cho 3 loại nam chõm đàn hồi. Hệ mẫu Kiểu ộp Lực ộp (Tấn/cm2) K.L. riờng (g/cm3) MHc (kOe) BHc (kOe) Br (kG) (BH)max (MGOe) Nd2Pr2Fe78B18 lạnh 7,5 5,6 3,4 2,7 7,4 6,4 núng 7,5 5,8 3,3 2,7 8,4 7,8 Nd10,5Nb1,5Fe82B6 lạnh 7,5 5,6 7,5 4,8 7,3 9,6 núng 7,5 5,9 7,5 5,0 7,8 10,7 (Nd0,5Pr0,5)10,5 Nb1,5Fe82B6 núng 7,5 6,0 8,0 5,1 7,8 11,2
Ta thấy rằng trờn cả 3 hợp phần đó nghiờn cứu thỡ chế độ ộp núng đều làm tăng mật độ khối của nam chõm đàn hồi và dẫn đến làm tăng tớch năng lượng (BH)max của nam chõm. Tuy nhiờn, mật độ khối cao nhất mới chỉ đạt ~ 6 g/cm3ứng với tớch năng lượng cực đại (BH)max đạt 11,2 MGOe. Tuy nhiờn theo kết quả đó nghiờn cứu thỡ mật độ khối của nam chõm cú thể đạt ~ 6,4 g/cm3 bằng phương phỏp ộp núng. Điều này cú thể là do kớch thước của cỏc hạt bột hợp kim chưa đạt giỏ trị tối ưu. Sản phẩm nam chõm chế tạo được cú cỏc thụng số từ cứng tương đương với sản phẩm trờn thế giới đó được thống kờ trong bảng 4.1
Túm lại, qua quỏ trỡnh nghiờn cứu thử nghiờm chế tạo nam chõm kết dớnh Nd-Fe-B chỳng tụi đó đưa ra được quy trỡnh cụng nghệ và tạo ra cỏc nam chõm đàn hồi cú cỏc thụng số từ cú thể ứng dụng trong thực tế.
Mỗi hợp kim với thành phần xỏc định cần phải cú một điều kiện cụng nghệ tối ưu tương ứng, đồng thời cỏc yếu tố cụng nghệ cũng ảnh hưởng lẫn nhau. Nhiệt độ ủ tạo pha tinh thể tối ưu phụ thuộc cả vào tốc độ phun băng nguội nhanh và thành phần của vật liệu. Nhỡn chung, nhiệt độ ủ tối ưu tăng khi giảm tốc độ làm nguội hợp kim. Nhiệt độ ủ tối ưu giảm khi nồng độ của đất hiếm được tăng lờn. Việc tăng nồng độ Co và Nb cũng cú thể làm tăng nhiệt độ ủ tối ưu này.
Trong phương phỏp nghiền cơ năng lượng cao cỏc thụng số của quỏ trỡnh nghiền ảnh hưởng rất nhiều lờn cấu trỳc và quỏ trỡnh hỡnh thành pha, do đú ảnh hưởng lờn tớnh chất từ của vật liệu. Cỏc thụng số đú là thời gian nghiền, mụi trường nghiền, tỷ lệ bi/bột. Lựa chọn cỏc thụng số nghiền thớch hợp sẽ cho tớnh chất từ của vật liệu tốt. Như nghiền trong khớ Ar 7 h sau đú ủ ở 600oC trong 20 phỳt cho (BH)max = 16,7 MGOe.
Ảnh hưởng của yếu tố cụng nghệ và cỏc điều kiện chế tạo lờn chất lượng của nam chõm đàn hồi Nd-Fe-B đó được nghiờn cứu. Kỹ thuật ộp núng đó được ỏp dụng để tăng mật độ khối lượng của nam chõm. Cỏc thành phần và quy trỡnh cụng nghệ được đưa ra và đó chế tạo được cỏc nam chõm Nd-Fe-B đàn hồi cú tớch năng lượng cực đại (BH)max trờn 10 MGOe. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
KẾT LUẬN
1. Cỏc khảo sỏt ảnh hưởng của Nb trong hệ hợp kim Nd10,5Fe83,5-xNbxB6 (x = 0 ữ 3) chế tạo bằng phương phỏp phun băng nguội nhanh cho thấy Nb làm tăng khả năng tạo trạng thỏi vụ định hỡnh của hợp kim, ngăn chặn sự phỏt triển của cỏc hạt tinh thể lớn và làm cho cỏc hạt tinh thể cú kớch thước đồng đều (từ 20 nm đến 30 nm). Với sự cú mặt của Nb, cấu trỳc và tớnh chất từ của hợp kim khỏ ổn định với sự thăng giỏng của cỏc yếu tố cụng nghệ (tốc độ làm nguội, nhiệt độ ủ, thời gian ủ…). Nb cú thể cải thiện độ vuụng của đường từ trễ và làm tăng đỏng kể lực
khỏng từ dẫn đến sự tăng cường tớch năng lượng cực đại (BH)max của vật liệu. Nồng độ Nb trong khoảng 1,5 ữ 3% là tối ưu.
2. Đó nghiờn cứu ảnh hưởng của nồng độ Co và cỏc điều kiện cụng nghệ lờn cấu trỳc và tớnh chất từ của cỏc băng hợp kim nguội nhanh với hợp phần Nd10,5-xFe82CoxNb1,5B6 (x = 0 ữ 8) và Nd10,5-xFe80,5CoxNb3B6 (x = 0 ữ 6). Kết quả cho thấy, với nồng độ từ 2 đến 4%, Co cú thể làm tăng khả năng tạo trạng thỏi vụ định hỡnh và nõng cao được nhiệt độ Curie của hợp kim (lờn tới 650 K). Lực khỏng từ lớn hơn 10 kOe và tớch năng lượng cực đại (BH)max đạt trờn 15 MGOe đó thu được trờn hai hệ vật liệu này. Việc xõy dựng được cỏc giản đồ biểu diễn sự phụ thuộc của cỏc thụng số từ cứng vào hợp phần và điều kiện cụng nghệ cho hai hệ hợp kim này cú ý nghĩa thiết thực cho việc chế tạo vật liệu trong thực tế.
3. Đó nghiờn cứu ảnh hưởng của Pr và Dy lờn cỏc thụng số từ cứng chất từ của hai hệ hợp kim nguội nhanh cú nồng độ đất hiếm thấp Nd4-xPrxFe78B18 (x = 0 ữ 4) và Nd4-xDyxFe78B18 (x = 0 ữ 1). Với tỉ phần thớch hợp của Pr/Nd (~ 1/2) và Dy/Nd (~ 1/8), lực khỏng từ và tớch năng lượng cực đại (BH)max của vật liệu từ cứng nanocomposite (Nd,Pr,Dy)-Fe-B với nồng độ đất hiếm thấp (4%) này cú thể được tăng thờm tới 50% (lực khỏng từ lớn hơn 3 kOe và tớch năng lượng (BH)max đạt trờn 13 MGOe).
4. Đó tỡm được hợp phần và điều kiện cụng nghệ chế tạo tối ưu cho hệ vật liệu từ cứng nanocomposite với dải nồng độ đất hiếm thay đổi rộng (6 ữ 12%): (Nd0,5Pr0,5)6+xNb1,5Fe88,5-x-yB4+y (x = 0 ữ 6, y = 0 ữ 10). Tỉ phần Fe/B tối ưu là 84,5/8; 82,5/8; 78,5/10 và 76,5/10 tương ứng với nồng độ đất hiếm là 6%, 8%, 10% và 12%. Cỏc đồ thị và biểu bảng biểu diễn sự phụ thuộc của cỏc thụng số từ cứng vào hợp phần và điều kiện cụng nghệ cho hệ hợp kim này cho phộp lựa chọn hợp phần và điều kiện cụng nghệ để chế tạo được vật liệu cú cỏc thụng số từ cứng mong muốn. Lực khỏng từ và tớch năng lượng cực đại (BH)max của vật liệu cú thể được tựy chọn trong những khoảng khỏ rộng, tới ~ 15 kOe và ~ 16 MGOe, một cỏch tương ứng.
5. Đó nghiờn cứu ảnh hưởng tương hỗ lẫn nhau của cỏc điều kiện cụng nghệ chế tạo vật liệu nanocomposite nền Nd-Fe-B thấy: Nhiệt độ ủ tối ưu (nhiệt độ ủ cho thụng số từ cứng lớn nhất) giảm khi tốc độ nguội nhanh của hợp kim tăng. Qui luật ảnh hưởng của hợp phần lờn nhiệt độ ủ tối ưu được đưa ra. Nhiệt độ ủ tối ưu của hợp kim giảm khi nồng độ Pr hoặc tổng nồng độ đất hiếm (Pr+Nd) tăng. Trong khi đú việc tăng nồng độ Co và Nb lại làm tăng nhiệt độ ủ tối ưu này.
6. Đó thu được một số kết quả bước đầu về nghiờn cứu cụng chế tạo vật liệu từ cứng nanocomposite Nd-Fe-B bằng phương phỏp nghiền cơ năng lượng cao. Bằng phương phỏp nghiền cơ năng lượng cao đó chế tạo được hợp kim với hợp phần Nd12Fe82B6 cú tớch năng lượng cực đại (BH)maxđạt tới ~ 16,7 MGOe. Đó khảo sỏt cỏc điều kiện cụng nghệ (tỉ lệ bi/bột, thời gian nghiền, mụi trường nghiền) để chế tạo được cỏc hạt nanụ tinh thể Nd2Fe14B cú kớch thước mong muốn từ 15 đến 200 nm.
7. Đó thử nghiệm chế tạo thành cụng nam chõm kết dớnh, sử dụng bột hợp kim tự chế tạo được với hợp phần Nd2Pr2Fe78B18, Nd10,5Nb1,5Fe82B6 và (Nd0,5Pr0,5)10,5 Nb1,5Fe82B6, bằng hai phương phỏp ộp nguội và ộp núng. Phương phỏp ộp núng cú thể làm tăng đỏng kể mật độ khối của nam chõm. Qui trỡnh cụng nghệ chế tạo cỏc nam chõm Nd- Fe-B kết dớnh đó được đưa ra. Cỏc thụng số từ cứng của cỏc nam chõm kết dớnh chế tạo được đó được đưa ra. Tớch năng lượng cực đại (BH)max cú thể đạt trờn 10 MGOe) là tương đương với sản phẩm trờn thị trường và cú thể ứng dụng thực tế.
DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH ĐÃ CễNG BỐ * Cỏc cụng trỡnh sử dụng trong luận ỏn:
1. Nguyen Thi Thanh Huyen, Nguyen Hai Yen, Pham Thi Thanh, Do Tran Huu, Doan Minh Thuy, Nguyen Minh Thuy and Nguyen Huy Dan, Influence of composition and quenching rate on optimal annealing temperature of Nd-Fe-B based nanocomposites, Materials Science and Technology, Vol.28 (2012), pp. 948-952.
Optimizing composition for (Nd,Pr)-Nb-Fe-B hard magnetic nanocomposites,
International Journal of Materials Research, Vol. 103 (2012), E.
3. Nguyen Hai Yen, Nguyen Thi Thanh Huyen, Pham Thi Thanh, Do Tran Huu, and Nguyen Huy Dan, The influence of fabrication conditions on structure and magnetic properties of Nd–Fe–Co–Nb–B nanocomposites, Adv. Nat. Sci.: Nanosci.
Nanotechnol. Vol. 2 (2011), 015010.
4. Nguyen Mau Lam, Nguyen Thi Thanh Huyen, Do Hung Manh, Vu Hong Ky, Do Khanh Tung and Nguyen Huy Dan, Fabrication of Nd-Fe-B exchange-spring magnets, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 187 (2009), 012076.
5. Nguyen Huy Dan, Doan Minh Thuy, Luu Tien Hung, Phan Thi Thanh Huyen, Nguyen Thi Thanh Huyen, Do Hung Manh and Nguyen Anh Tuan, Influence of Nb and Co on phase formation and magnetic properties of Nd-Fe-B nanocomposites,
Advances in Natural Sciences, Vol. 10 (2009), pp. 77-82.
6. Nguyen Thi Thanh Huyen, Doan Minh Thuy, Phan Thi Thanh Huyen, Nguyen Huu