loại nam châm có cấu trúc tổ hợp của 2 pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Các pha từ cứng (chiếm tỉ phần thấp) cung cấp lực kháng từ lớn, pha từ mềm cung cấp từ độ lớn. Tính chất tổ hợp này có được là nhờ liên kết trao đổi đàn hồi giữa các hạt pha từ cứng và từ mềm ở kích thước nanomet. Loại nam châm này được tính tốn có khả năng cho tích năng lượng từ khổng lồ hơn 3 lần so với nam châm mạnh nhất hiện nay là NdFeB nhưng thực nghiệm mới chỉ đạt được rất nhỏ so với lý thuyết và các sản phẩm thực nghiệm mới trong giai đoạn sản xuất thử nghiệm.
3.6. Các phương pháp chế tạo nam châm
3.6.1. Nam châm đẳng hướng: Là nam châm vĩnh cửu được chế tạo bằng cách ép đẳng tĩnh
mà không sử dụng các phương pháp định hướng ban đầu (từ trường...).
3.6.2. Nam châm dị hướng: Là nam châm được định hướng trong quá trình ép đẳng tĩnh bằng từ trường. Khi đó, các hạt đơn đômen trong vật liệu sẽ bị định hướng theo chiều từ bằng từ trường. Khi đó, các hạt đơn đômen trong vật liệu sẽ bị định hướng theo chiều từ trường, tạo nên khả năng dễ dàng từ hóa theo phương định hướng.
3.6.3. Nam châm nung chảy: Ở Mỹ việc quay-nung chảy được sử dụng để tạo ra một dải băng giống như vật liệu được tạo bột. Trong q trình này, hợp kim nóng chảy được phun lên băng giống như vật liệu được tạo bột. Trong q trình này, hợp kim nóng chảy được phun lên trên bề mặt của một bánh xe đang quay được làm nguội bằng nước (hình 2.25), và đạt tốc độ làm nguội là một triệu oC/s . Vi cấu trúc và các tính chất từ của các dải NdFeB được tạo thành bằng phương pháp quay-nung chảy rất nhạy với tốc độ làm nguội, tức là với tốc độ bánh xe quay. Tốc độ làm nguội cao sẽ tạo ra các dải băng thực sự vơ định hình (tức là khơng phải là hạt tinh thể) có lực kháng từ nội khơng đáng kể. Tốc độ làm nguội tối ưu sẽ có được các dải băng với các lực kháng từ cao nhất, chúng bao gồm các hạt Nd2Fe14B dạng gần hình cầu (đường kính 20 – 100nm) là các hạt đơn mơmen, vì vậy có lực kháng từ cao (~ 1000 kAm-1). Ở tại vận tốc bánh xe dưới điểm tối ưu, tốc độ nguội chậm sẽ tạo ra các dải băng bao gồm các hạt lớn hơn và được đặc trưng bằng các lực kháng từ thấp. Loại bột này không thể được thiêu kết để tạo ra các nam châm đặc hoàn toàn mà khơng phá hủy các tính chất từ, nhưng có thể được dùng trong một trong ba cách:
MQ-I: Dải băng được phun nóng chảy được pha trộn với một loại nhựa để tạo ra một nam
châm vĩnh cửu kết dính. Các tinh thể của vật liệu MQI được định hướng hỗn độn sao cho các nam châm là đẳng hướng và có thể từ hóa theo bất kỳ trục nào. Bản chất đẳng hướng của vật liệu đã giới hạn (BH)max cho đến ~ 80 kJm-3.
MQ-II: Tính đậm đặc được cải thiện của các dải băng phun-nóng chảy có thể có được bằng việc ép nóng tại ~750 oC mà khơng có tác dụng ngược của lực kháng từ của bột. Các nam châm loại “MQII” này biểu thị một sự định từ nhẹ (~10%) và đạt độ đậm dặc 100%, tức là các tính chất từ khơng bị giảm xuống bởi vật liệu khơng từ, chẳng hạn nhựa. Vì vật MQII có (BH)max cao hơn MQI với giá trị 100 – 120 kJm-3.
Hình 3.24. Quy trình nung chảy
MQ-III: Sự định hướng lớn hơn một cách đáng kể (>75%) và vì vậy tích năng lượng cực
đại lớn hơn, có thể nhân được bằng một bước xử lý phụ thêm. Vật liệu MQIII được nung cho đến ~750oC trong một khuôn chết (die cavity) có một đường kính lớn hơn và sau đó được biến dạng chậm. Q trình ép nóng thứ hai này, đã giới hạn sự tơi chết (die-upset forge), tạo ra một dòng nhựa (plastic flow) và sự dịnh hướng lại của các tinh thể. Các nam châm như vậy, như “MQIII” có 100% độ đặc, và do sự định hướng của tinh thể nên có tích năng lượng cực đại là ~400 kJm-3.
Hình 3.25. Phân loại quy trình nung chảy
3.6.4. Nam châm thiêu kết:
Tại Nhật Bản, Sumitomo Special Metals đã phát triễn con đường gia công luyện kim bột, ban đầu cho tích năng lượng được quan sát cao nhất đã từng có, hơn 300kJm-3. Các nam châm vĩnh cửu thiêu kết dựa trênNdFeB sau này được sản xuất ravới tích năng lượng cực đại ~450 kJm-3, bằng cách cải thiện vịêc xử lý nhiệt và được kiểm soát tốt hơn, sử dụng các thành phân giàu sắt hơn. Các nam châm dựa trên NdFeB thiêu kết đã đạt được lực kháng từ do một pha giàu Nd tại các biên hạt có tác dụng để tạo ra phas lỏng khi thiêu kết, làm trơn các biên và vì vậy ngăn cản việc tạo mầm các Mơmen từ ngược. Các bột HD sau đó tiếp tục bị vỡ ra bằng thiết bị nghiền phun (Jet), làm giảm kích thước hạt xuống cịn cỡ 5 mm. Cần phải chú ý rằng khi hợp kim đang ở dưới dạng bột thì rất dễ cháy và phải được giữ trong một khí trơ.
Hình 3.26. Phương pháp xử lý nam châm vĩnh cửu NdFeB thiêu kết
Khi bột bị vỡ ra mịn để kích thước mỗi hạt bột là một đơn tinh thể, có thể định hướng trong một từ trường. Sự định hướng này được giữ tại chỗ bằng cách ép bột thành khối đặc màu xanh, cỡ 60% độ đặc. Tổ hợp này sau đó được nung trong chân không ở nhiệt độ ~ 1050oC trong 1 giờ. Trong giai đoạn nung nhiệt, hydro được đưa đến vật liệu và được bơm hút ra. Khi giữ tại nhiệt độ ~ 1060oC trong một giờ thì sự thiêu kết sẽ xảy ra và tổ hợp sẽ trở nên đậm đặc, với sự giúp đở của một chất lỏng bằng việc làm nóng chảy pha giàu Nd. Sau khi thiêu kết, các nam châm sẽ được làm nguội và sau dó được xử lý nhằm đạt được các tính chất từ tối ưu của nam châm để đưa vào gia cơng.
Sau đó nam châm được gia cơng cho đạt kích thước theo u cầu ứng dụng dự định. Do sự co ngót lớn xảy ra trong thời gian thiêu kết, điều này xảy ra lớn hơn theo phương định hướng, khơng thể ép tổ hợp để co ngót đến kích thước chính xác được u cầu. Việc gia cơng là công việc rất tốn kém và đặc biệt đối với các nam châm nhỏ, một tỷ lệ lớn vật liệu sẽ mất đi khi gia công. Do bản chất phản ứng cao của pha giàu Nd, nên các nam châm có xu hướng bị ăn mịn rất nhanh, đặc biệt trong mơi trường ẩm. Vì vậy, giai đoạn tiếp theo của việc xử lý là cung cấp một hàng rào bảo vệ ở trên bề mặt của nam châm. Việc này thường được thực hiện với một lớp phủ Nickel, tuy nhiên nhôm, kẽm và nhựa epoxy cũng được sử dụng. Cuối cùng, các nam châm được từ hóa và thử để đưa ra tiêu thụ.
3.6.5. Ứng dụng của nam châm vĩnh cửu
Nói chung, các nam châm vĩnh cửu vẫn rất quan trọng. Có thể minh họa điều này trong một chiếc xe ôtô. Trong năm mươi năm trước, một chiếc xe ơtơ chỉ có một nam châm (tốc kế), trong khi đó những chiếc xe hiện đại có thể có tới hàng trăm motor nam châm vĩnh cửu. Hiện tại các motor này hầu hết đều dựa trên ferit- Sr (SrFe12O19) và sự thâm nhập của các nam châm NdFeB vao trong lĩnh vực này đòi hỏi giảm giá thành đáng kể, một sự tăng trong nhiệt độ hoạt động cực đại và sự cải thiện trong vấn đề chống ăn mịn. Các ích lợi đầy tiềm năng của việc sử dụng nam châm NdFeB có thể là một sự giảm đáng kể về thể tích và trọng lượng và tính hiệu quả đã được cải thiện. Điều này có thể ảnh hưởng chủ yếu đến việc sử dụng các nam châm này trong tương lai.