Khả năng nâng cao tỷ phần pha từ mềm trong băng nguội nhanh dưới tác

động của từ trường.

Trong chương 4 chúng tôi đã đề cập tới việc nâng cao tỷ phần pha mềm Fe65Co35 lên tới 50%wt. so với nền pha từ cứng Nd16Fe76B8và thấy rằng nếu băng phun theo phương pháp phun băng truyền thống, không có tác động của từ trường, thì phẩm chất từ của băng Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 thấp. Trong mẫu băng, khi nâng tỷ phần pha từ mềm lên đến 50%wt, pha từ mềm không được pha từ cứng bao bọc tốt, các đỉnh nhiễu xạ của pha mềm xuất hiện rõ trên GĐNX tia X và vì vậy tương tác trao đổi bị suy yếu, làm các tính chất từ bị suy giảm nhiều.

Thực ra kết quả này đã được dự đoán trong [71] khi mô phỏng ảnh hưởng của các quá trình ngẫu nhiên lên tính chất từ của vật liệu THNNHP. Kết quả mô phỏng dựa trên phương pháp Monte-Carlo [75] (xem hình 5.25), cho thấy tuy có khả năng nâng cao phẩm chất từ tính trong nam châm tổ hợp (biểu diễn bằng đường tới hạn nét chấm) nhưng xác suất thành công không lớn nếu chỉ sử dụng các công nghệ thông thường. Với tỷ phần 35%wt. sự thăng giáng của phẩm chất từ là lớn, lệch mạnh xuống dưới đường tới hạn. Với tỷ phần 50%wt. sự thăng giáng này càng mạnh, tương ứng với sự suy giảm phẩm chất từ như đã quan sát trên thực tế.

Hình 5.25: Kết quả mô

phỏng sự phụ thuộc của (BH)max vào tỉ phần thể trọng lượng pha từ mềm [75].

125 Mặc dù vậy, việc nâng cao tỷ phần pha từ mềm là một đòi hỏi cơ bản của hướng nghiên cứu phát triển nam châm tổ hợp hai pha từ cứng/từ mềm. Khả năng sử dụng từ trường ngoài như một tham số công nghệ mới, có khả năng tích cực trong việc nâng cao tỷ phần pha từ mềm và vẫn đảm bảo được một cấu trúc tổ hợp hai pha với tương tác trao đổi thích hợp giữa chúng, sẽ được trình bày dưới đây.

Các băng có hợp phần Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 FUMS với vận tốc trống tối ưu, vopt(H=0) = 36 m/s. Trong trường hợp băng FAMS, vận tốc này được giảm về giá trị vopt(H=3,2 kOe)= 32 m/s. Sự khác nhau của vopt trong hai trường hợp phun này đã được lý giải ở trên và trong [6]. Băng FUMS được xử lý thêm bằng quá trình ủ tái kết tinh tại 700 oC trong 10 phút để so sánh.

Hình 5.26: GĐNX tia X của 3 mẫu băng có hợp phần Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35: a) băng FUMS; b) băng FUMS được ủ nhiệt tại 700 oC trong 10 phút; c) băng FAMS. Các băng được nghiền mịn trước khi phân tích [6] .

Giản đồ nhiễu xạ tia X của ba loại băng trình bày trên hình 5.26 cho thấy các đỉnh nhiễu xạ của hai pha Nd2Fe14B và Fe65Co35. Pha từ mềm Fe65Co35 hiện diện rõ trên nền pha Nd2Fe14B bằng 3 đỉnh nhiễu xạ của chúng, nhất là trong băng FUMS khi mà đỉnh nhiễu xạ thứ ba (211), cũng được quan sát rõ ràng. Trái lại, 3 đỉnh nhiễu xạ này được quan sát yếu hơn trong băng FAMS.

Khác với các băng được phun mà không ủ, băng FUMS được ủ tại 700 oC trong 10 phút có độ rộng của đỉnh nhiễu xạ nhỏ hơn, tương ứng với kích thước vi

126 hạt lớn hơn, do hệ quả của quá trình phát triển tinh thể của hạt. Đồng thời, việc ủ đã làm tăng cường độ tỉ đối giữa hai đỉnh nhiễu xạ, I(410)/I(006) khi so sánh với mẫu băng chưa ủ. Như vậy, quá trình ủ tái kết tinh đã giúp làm lớn hạt và tăng độ kết tinh của pha Nd2Fe14B. Sự thay đổi kích thước hạt vừa phải sau 10 phút ủ tại 700 oC đã làm tăng trường kháng từ iHc như quan sát thấy trên hình5.29 trình bày ở phần dưới.

Mặc dù các băng có tỷ phần pha mềm lớn, và đều được nghiền mịn trước khi chụp, nhưng trên GĐNX tia X của mẫu băng FAMS (hình 5.26c) ta thấy có sự xuất hiện rõ hơn của các đỉnh nhiễu xạ (004), (006) và (008) của pha Nd2Fe14B, tương ứng với sự cải thiện tính dị hướng của bột nghiền từ băng FAMS và là nguyên nhân cải thiện các tham số từ tính, kể cả từ độ dư Mr,iHcvà  (xem hình 5.29). Thêm một điều nữa, từ trường đã thực sự ảnh hưởng lên hình thái học của các hạt trong băng nguội nhanh như quan sát trên ảnh FESEM trình bày trên hình 5.27.

Hình 5.27: Ảnh FESEM các mẫu băng có hợp phần Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35: a) Băng FUMS; b) băng FUMS được ủ nhiệt tại 700 oC trong 10 phút; c) băng FAMS [6].

Hình 5.27a cho thấy trong băng FUMS các hạt hình thành không đồng đều, kích thước hạt phân bố trong khoảng khá rộng 5 - 200 nm. Khi băng được ủ ở nhiệt độ 700 oC, sự kết tinh lại của các hạt (hình 5.27b) đã làm cho các hạt nhỏ lớn lên và khoảng phân bố kích thước hạt hẹp lại, vào khoảng 50 - 200 nm. Hình 5.27c cho thấy tác động của trực tiếp của từ trường lên vi cấu trúc của băng tạo ra một phân bố kích thước hạt hẹp, cũng vào khoảng 50 - 100 nm, các hạt tinh thể hình thành đều hơn và mật độ hạt có lẽ lớn hơn.

Để hiểu rõ hơn về vi cấu trúc của băng, cũng như đối với các băng nguội nhanh trình bày ở trên, ngoài việc đánh giá thành phần pha và xem xét về hình thái

c) b)

127 học, vi cấu trúc tổ hợp đa pha của băng được phân tích sử dụng đường phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ M(T) trình bày trên hình 5.28.

Hình 5.28: Đường phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ, M(T), của băng Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 FUMS (a) và FAMS (b) đo theo chu trình tăng và giảm nhiệt độ trong từ trường đo 0,5 kOe, Mr*là từ độ tại nhiệt độ phòng của đường hạ nhiệt [6].

Hành vi của sự phụ thuộc M(T) của băng FUMS tương ứng với một vi cấu trúc tổ hợp bao gồm các hạt từ mềm Fe/Co được bao bọc bởi một vành gồm các hạt từ cứng Nd2(Fe,Co)14B có kích thước nhỏ (gần giới hạn siêu thuận từ 2 nm, iHc của chúng, vì vậy, có giá trị rất nhỏ), xen lẫn với các hạt từ cứng Nd2(Fe,Co)14B kích thước lớn có trường kháng từ lớn hơn. Các hạt kích thước nhỏ được từ hóa mạnh ngay tại giá trị 0,5 kOe của từ trường đo và từ độ M của chúng được giữ gần như không đổi khi nhiệt độ tăng từ nhiệt độ phòng Tr đến 280 oC và suy giảm mạnh khi tiến gần đến nhiệt độ Curie Tc = 320 oC. Mặt khác, trong quá trình tăng nhiệt độ này, do có trường kháng từ lớn nên các hạt Nd2(Fe,Co)14B có kích thước lớn hơn được từ hóa yếu dưới tác động của từ trường đo 0,5 kOe và từ độ của chúng chỉ tăng khi nhiệt độ tiến gần đến nhiệt độ Curie khoảng 400 oC, đạt giá trị cực đại tại đó và giảm mạnh khi nhiệt độ tiếp tục tăng. Trên nhiệt độ 400 o

C, lớp các hạt từ cứng bị mất trật tự từ và tác dụng che chắn từ trường đối với lõi từ mềm Fe/Co bị suy giảm, do đó lõi từ mềm được từ hóa trực tiếp bởi từ trường ngoài thay vì bởi từ

128 độ của vành từ cứng trước đó. Cùng với sự hiện diện này của các lõi từ mềm, từ độ của mẫu được tăng nhẹ và sẽ suy giảm nếu nhiệt độ được tăng tiếp tục vượt qua nhiệt độ Curie của chúng, Tc= 934 oC [10]. Khi nhiệt độ giảm trở lại từ 700 oC về 400 oC, tính sắt từ của các lõi từ mềm sẽ mạnh dần theo quy luật thông thường của sự phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng. Tại 420 oC và dưới đó, vành từ cứng được khôi phục trở lại và dẫn đến sự tăng tiếp tục của từ độ chung của mẫu.

Đường M(T) của mẫu băng FAMS (xem hình 5.28b) có bản chất tương tự của cấu hình lõi từ mềm/vành từ cứng. Tuy nhiên, dưới tác dụng của từ trường, các mầm Fe/Co hình thành có kích thước nhỏ hơn [101] cho nên các vành từ cứng bao bọc các lõi từ mềm tốt hơn và thành phần của vành từ cứng đồng nhất hơn, chủ yếu là pha Nd2(Fe,Co)14B. Do vậy, trong khoảng tăng của nhiệt độ từ Tr lên đến 400 oC do có trường kháng từ lớn vành từ cứng Nd2(Fe,Co)14B đã bao bọc tốt các lõi từ mềm Fe/Co. Chính sự bao bọc này khiến pha từ mềm Fe/Co trong băng FAMS khó quan sát hơn trên GĐNX tia X như đã thấy ở trên (xem hình 5.26).

Do băng FAMS chỉ là tổ hợp của hai pha nên tỷ phần của pha từ mềm so với pha từ cứng được dễ dàng xác định như sau. Lõi từ mềm Fe65Co35 có từ độ bão hòa tại nhiệt độ thấp Ms,T=0 = 24 kOe, có sự phụ thuộc vào nhiệt độ tuân theo quy luật Bloch M(T)/Ms,T=0 = 1 - (T/Tc)3/2. Với Tc = 934 oC, tại 420 oC ta có M/Ms,T=0 = 0,7. Giá trị này của từ độ pha mềm so với từ độ tổng cộng của mẫu bằng 0,3 (điểm chữ thập trên hình 5.29), từ đó suy ra rằng tỷ phần của pha từ mềm bằng 43 %wt., gần với giá trị ban đầu 50 %wt. của hợp đã sử dụng để chế tạo băng.

Tóm lại, tuy tỷ phần pha từ mềm lớn đến 50%wt. nhưng dưới tác động của từ trường ngoài 3,2 kOe vi cấu trúc của băng đã được cải thiện, bao gồm các hạt nhỏ, đồng đều về kích thước, có thiên hướng từ (00l), có cấu hình lõi từ mềm/vành từ cứng tốt hơn so với băng phun thông thường.

Phẩm chất từ tính của các băng Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35đã chế tạo được kiểm chứng bằng phép đo vòng từ trễ tại nhiệt độ phòng trình bày trên hình 5.29. Mẫu băng FUMS có từ độ dư và trường kháng từ thấp dẫn đến tích năng lượng thu được là nhỏ, chỉ đạt  9,8 MGOe. Khi mẫu băng này được ủ nhiệt tại 700 oC (là nhiệt độ ủ tối ưu khi so sánh các băng ủ trong dải rộng từ 500 đến 800 oC) trong

129 thời gian 10 phút thì tuy từ độ dư và trường kháng từ được cải thiện nhưng giá trị của tích năng lượng thu được cũng không cao, chỉ đạt giá trị (BH)max  13 MGOe do

 còn thấp. Mẫu băng FAMS có đường từ trễ trơn và  lớn hơn cho nên các tham số từ tính được cải thiện: từ độ dư Mr đạt giá trị 10,9 kG, trường kháng từ iHc = 4,9 kOe và tích năng lượng từ (BH)max tăng đến 16,1 MGOe

Hình 5.29: Đường M(H) của các mẫu băng có hợp phần

Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35: a) băng FUMS; b) băng FUMS được ủ nhiệt tại 700

oC trong 10 phút; c) băng FAMS [6].

Như vậy, có thể thấy rằng những tác động chính của từ trường đã được giải thích về mặt lý thuyết và kiểm chứng về mặt thực nghiệm bao gồm: i) làm mịn hạt và thu hẹp phân bố kích thước hạt trong băng phun nguội nhanh, i) gia tăng thiên hướng từ (00l) trong băng, iii) cải thiện cấu trúc tổ hợp dạng lõi từ mềm/vành từ cứng và iv) tăng cường tương tác trao đổi giữa hai pha từ cứng/từ mềm. Những tác động này làm thay đổi vi cấu trúc và tính chất từ theo chiều hướng có lợi cho phẩm chất từ của băng nguội nhanh, cho phép tăng tỷ phần pha mềm trong hợp phần Nd16Fe76B8/x%wt.Fe65Co35 cao đến x = 50%wt. Phẩm chất từ tính của 3 loại băng băng kể trên được thống kê lại trên bảng 5.3. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

130

Bảng 5.3: Từ độ dư (Mr), trường kháng từ nội tại (iHc), trường kháng từ cảm ứng

(bHc), tích năng lượng từ (BH)max của 3 mẫu băng có hợp phần

Nd16Fe76B8/50%wt.Fe65Co35 [6]

Các thông số từ cứng

Điều kiện công nghệ

H = 0 H = 0, Tủ = 700 o C, tủ = 10 phút H = 3,2 kOe Mr(kG) 8,9 9,8 10,9 iHc(kOe) 3,5 5,4 4,9 bHc(kOe) 2,8 4,4 4,2 (BH)max (MGOe) 9,8 13,2 16,1