Nghiên Cứu Chế Tạo Nam Châm Thiêu Kết(Nd, Dy)-Fe-B Có Lực Kháng Từ Cao.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dƣới sự hƣớng dẫn của GS TS Nguyễn Huy Dân[.]

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu

- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Nguyễn Huy Dân Luận văn không sao chép ở các khóa luận, luận văn, luận án và các công trình nghiên cứu của người khác

Học viên

Hà Sỹ Phương

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Huy

Dân, PGS.TS Nguyễn Mạnh An , người thầy đã trực tiếp hướng dẫn khoa học,

chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

và thực hiện luận văn

Tôi xin được cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình và hiệu quả của TS Phạm Thị

Thanh, TS Nguyễn Hải Yến và các cán bộ làm việc tại Phòng thí nghiệm trọng

điểm về Vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam

Luận văn này được thực hiện với sự hỗ trợ về kinh phí của Quỹ Phát triển

Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02 -

2018.339, thiết bị của Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu và linh kiện điện tử,

Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Sau cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, tình yêu thương tới gia đình

và bạn bè – nguồn động viên quan trọng nhất về vật chất và tinh thần giúp tôi có

điều kiện học tập và hoàn thành luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn!

Thanh Hóa, tháng 12 năm 2020

Tác giả

Hà Sỹ Phương

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ NAM CH M THI U K T Nd-Fe-B 7

1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng 7

1.2 Cấu trúc và tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 11

1.2.1 Cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 11

1.2.2 Tính chất từcủa nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 13

1.3 Cơ chế lực kháng từ trong nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 14

1.3.1 Quá trình từ hoá 14

1.3.2 Cơ chế đảo từ 15

1.3.3 Lý thuyết về lực kháng từ 19

1.4 Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 20

1.4.1 Chế tạo hợp kim ban đầu 22

1.4.2 Nghiền hợp kim 23

1.4.3 Ép tạo viên nam châm 25

1.4.4 Thiêu kết 26

1.4.5 Xử lý nhiệt 28

1.4.6 Gia công mẫu và nạp từ 28

1.5 Ảnh hưởng của nguyên tố pha tạp Dylên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 29

CHƯƠNG 2KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 34

2.1 Chế tạo mẫu 34

2.1.1 Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết 34

2.1.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu 36

2.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của vật liệu 39

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 39

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 40

2.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quang 40

iv

2.2.4 Phương pháp đo từ trên hệ đo từ trường xung 41 CHƯƠNG 3K T QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Cấu trúc của bột hợp kim Nd16,5-xDyxFe77B6,5 (x = 0, 1, 2, 3, 4 và 5) 443.2 Ảnh hưởng của nồng độ Dy lên tính chất từ của các hợp kim Nd16,5-xDyxFe77B6,5 (x = 0, 1, 2, 3, 4 và 5) 51

K T LUẬN 56

μo: Độ từ thẩm trong chân không

γw(x): Năng lƣợng vách đomen phụ thuộc vị trí

vi

II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HD: Phương pháp tách trong Hyđro

HDDR: Phương pháp tách vỡ tái hợp trong hyđro NCVC: Nam châm vĩnh cửu

PFM: Hệ đo từ xung

RE: Kim loại đất hiếm

SEM: Kính hiển vi điện từ quét

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 K t quả t n n v v tr n m m s u pha thêm 3% Dy 32,5 Fe 62 Cu 5,5 trong ảnh SEM hình 1.23 [4] 33 Bảng 3.1 Giá tr lực kháng từ H c và t năn l ợng cự đại (BH) max c a nam châm Nd 16,5-x Dy x Fe 77 B 6,5 (x = 0, 1, 2, 3, 4 và 5) theo nồn độ Dy 53

viii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu theo (BH)max ở nhiệt độ

Hình 1.2 Sản lượng của nam châm vĩnh cửu trong 10 năm qua (a) và tỉ

phần các loại nam châm vĩnh cửu năm 2010 (b) [13] 10 Hình 1.3 Một số lĩnh vực ứng dụng của nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B [16]

đảo từ và nam châm loại ghim vách đômen [21] 16 Hình 1.10 Vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen Các mầm

đảo từ c thể ở trong hạt (A) hoặc biên hạt (B) và tâm hãm

Hình 1.11 Các đường cong mô tả quá trình đảo từ của vật liệu c cấu

Hình 1.12 Các công đoạn trong quy trình chế tạo nam châm thiêu kết

Nd-Fe-B, các hình nhỏ kế bên minh họa r hơn các bước đ 21 Hình 1.13 Nguyên l kỹ thuật nghiền phun [22] 24 Hình 1.14 Nguyên l kỹ thuật nghiền cơ học (nghiền bi) [43] 24

Hình 1.16 Từ trường đặt song song với hướng ép (a); từ trường đặt

vuông g c với hướng ép (b); ép đ ng tĩnh (c); ép đ ng tĩnh

Hình 1.17 Các giai đoạn xảy ra trong mẫu khi thiêu kết [28] 27

ix

Hình 1.18 Minh họa sự thay thế của Dy cho Nd trong mạng tinh thể (a)

và yêu cầu về thông số từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong một số ứng dụng: speaker - loa; digital camera - máy ảnh kỹ thật số; head phones - tai nghe; ABS sensor - máy cảm biến ABS; OA/FA motor - mô tơ OA/FA; air conditioner - điều hòa không khí; robot motor - mô tơ người máy; generator - máy phát điện; HV, EV motor-mô tơ điện, lai điện (b) [29, 31]

29

Hình 1.19 Sự hình thành lớp vỏ (Nd,Dy)2Fe14B bao quanh hạt Nd2Fe14B

(a) và ảnh hưởng của cách đưa Dy vào nam châm (b) [36, 37]

30

Hình 1.20 Sự phụ thuộc của Hc, Br, và (BH)max vào nồng độ x [38] 31 Hình 1.21 Tính chất từ của nam châm thiêu kết theo tỉ phần bột pha thêm [4] 32 Hình 1.22 Ảnh SEM tán xạ ngược của nam châm thiêu kết với tỉ phần

bột pha thêm khác nhau: 0 (a), 1 (b), 2 (c), 3 (d) và 4 (d) [4]

32

Hình 1.23 Ảnh SEM của nam châm sau khi pha thêm 3 Dy32,5Fe62Cu5,5 [4] 33 Hình 2.1 Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết 34 Hình 2.2 Dây chuyền các thiết bị chế tạo nam châm 35 Hình 2.3 Các nguyên liệu được xếp đặt trong nồi nấu 36 Hình 2.4 Hợp kim được nấu chảy trong lò trung tần 36 Hình 2.5 Ảnh chụp khối hợp kim Nd-Fe-B sau khi chế tạo 36 Hình 2.6 Ảnh chụp bên trong cối nghiền thô (a) và cối nghiền tinh (b) 37 Hình 2.7 Thiết bị nhiễu xạ tia X Equinox 5000 37

Hình 2.9 Đường M(H) thu được từ hệ đo (a) và đường M(H) và B(H) đã

Hình 2.10 Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 40 Hình 2.11 Kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT 41 Hình 2.12 Sự phụ thuộc của hệ số khử từ N vào tỷ số L/d của mẫu hình trụ 41

x

Hình 2.13 Đường cong từ trễ của nam châm Nd-Fe-B chưa bổ chính

(đường liền nét) và đã bổ chính (đường đứt nét) ứng với mẫu

Hình 3.4 Sự phụ thuộc lực kháng từ Hc của nam châm theo nồng độ Dy

Hình 3.5 Sự phụ thuộc cảm ứng từ dư Br của nam châm theo nồng độ Dy 50 Hình 3.6 Đường đặc trưng từ của các nam châm với hợp phần Nd16,5-

xDyxFe77B6,5 (x = 0, 1, 2, 3, 4 và 5) trước khi xử l nhiệt 52 Hình 3.7 Đường đặc trưng từ của các nam châm với hợp phần Nd16,5-

xDyxFe77B6,5 (x = 0, 1, 2, 3, 4 và 5) sau khi xử l nhiệt 53 Hình 3.8 Sự phụ thuộc tích năng lượng cực đại (BH)max của nam châm

theo nồng độ Dy trước (a) và sau (b) khi xử l nhiệt 55

24 kOe, (BH)max 33 MGOe, TC  820oC) [6, 10] Nam châm loại này rất phù hợp với những ứng dụng c nhiệt độ hoạt động cao [4] Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là quá trình xử l nhiệt phức tạp cùng với giá thành cao của Sm và

Co Chính vì vậy, việc tìm kiếm ra pha từ cứng Nd2Fe14B vào năm 1984 được xem là một bước đột phá trong lịch sử phát triển nam châm vĩnh cửu không chỉ

do tính chất từ rất tốt của n mà còn do trữ lượng các nguyên tố Nd và Fe trong

vỏ Trái Đất rất lớn so với các nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp khác [5].Với từ độ bão hòa cao (Ms = 16 kG) và dị hướng từ tinh thể lớn (HA = 75 kOe) của pha Nd2Fe14B, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B c tích năng lượng cực đại (BH)max cao nhất hiện nay và được ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế [14] Đặc biệt, nhu cầu sử dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong động cơ của

xe điện và máy phát điện năng lượng gi ngày càng tăng cao bởi các thiết bị này đòi hỏi phải c mômen khởi động lớn, c dải tốc độ hoạt động rộng và tiết kiệm được điện năng Tuy nhiên, nhiệt độ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong động cơ, máy phát điện khi hoạt động thường tăng cao ( 200 C) Khi nhiệt độ tăng lực kháng từ của nam châm bị suy giảm nhanh do sự khử từ nhiệt dẫn đến công suất và hiệu suất của thiết bị giảm Yêu cầu ứng dụng của nam châm trong các thiết bị này phải c lực kháng từ lớn

Hiện nay, để tăng cường lực kháng từ trong nam châm thiêu kết Nd-Fe-B nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong các thiết bị c nhiệt độ hoạt động cao, Dy thường được thay thế một phần cho Nd Lượng Dy thay thế cho Nd c thể lên tới 40 (tính theo khối lượng) tùy thuộc vào mục đích sử dụng Do trường dị

4

hướng từ tinh thể của Dy2Fe14B, HA = 278 kOe cao hơn nhiều so với Nd2Fe14B (75 kOe) [11], nên lực kháng từ của nam châm (Nd,Dy)-Fe-B c thể tăng lên đến 30 kOe (gấp khoảng 3 lần so với nam châm Nd-Fe-B) [7].Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng Hc phụ thuộc gần như tuyến tính với nồng độ Dy c trong nam châm (Nd,Dy)-Fe-B [8].Tuy nhiên, lực kháng từ tăng mạnh nhất khi Dy được đưa vào nam châm ở dạng kim loại hay hợp kim (Dy-Cu, Dy-Pr, Dy-Al, Dy-

Ga ) hơn là ở các dạng khác c chứa nguyên tố á kim (Dy2O3, DyF3, DyN ) Khi nồng độ Dy tăng, từ độ bão hòa và cảm ứng từ dư của nam châm giảm do tương tác phản sắt từ giữa Dy và Fe, dẫn đến tích năng lượng (BH)max không tăng đồng thời với lực kháng từ của nam châm mà c xu thế giảm đi [8] Do đ , tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng thực tế để lựa chọn nồng độ Dy trong nam châm (Nd,Dy)-Fe-B một cách thích hợp

C hai cách để pha tạp Dy vào nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, cách thứ nhất Dy được thêm vào ngay trong quá trình tạo hợp kim ban đầu trên lò trung tần, đây là cách pha tạp khá phổ biến [12] Cách thứ hai là pha tạp các hợp chất

c chứa Dy hoặc các nguyên tố c lợi cho tính từ cứng vào biên hạt Phương pháp này sẽ làm giảm được nồng độ Dy pha tạp đi rất nhiều (thậm chí c thể không cần c Dy) [13-17] Trong quá trình thiêu kết và xử l nhiệt, Dy khuếch tán vào các hạt 2:14:1 và làm tăng dị hướng từ tinh thể, dẫn đến tăng lực kháng

từ Hc Sự khuếch tán của các nguyên tố từ lớp phủ ngoài vào trong nam châm chủ yếu thông qua biên hạt, dẫn đến tăng cường dị hướng từ của lớp bề mặt, từ

đ cải thiện tính chất từ của nam châm Đồng thời, các hợp chất pha thêm chứa các nguyên tố như Cu, Al, Nb giúp cải thiện vi cấu trúc như độ mịn của biên hạt, tính đồng nhất của các hạt, khống chế được kích thước hạt dẫn đến làm tăng cường lực kháng từ của nam châm

Trong nước đã c một số nghiên cứu nhằm nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [1, 2] Lực kháng từ và tích năng lượng đã đạt giá trị tương ứng trên 13 kOe và 30 MGOe Tuy nhiên, lực kháng từ của nam châm thu được trong các nghiên cứu này vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu trong một số

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Chế tạo được nam châm thiêu kết (Nd, Dy)-Fe-B c lực kháng từ Hc > 20 kOe và tích năng lượng cực đại (BH)max > 30 MGOe

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Nam châm thiêu kết (Nd, Dy)-Fe-B

4 Phương pháp nghiên cứu

Các mẫu nghiên cứu được chế tạo trên các thiết bị: lò luyện kim trung tần, máy nghiền thô, máy nghiền tinh, máy ép trong từ trường, máy ép đ ng tĩnh, lò thiêu kết chân không, máy nạp từ

Cấu trúc của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi quang học

Tính chất từ được nghiên cứu bằng các phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung

5 Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo nam châm thiêu kết (Nd, Dy)-Fe-B bằng phương pháp luyện kim bột

- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Dy thay thế cho Nd và các điều kiện công nghệ (chế độ thiêu kết, xử l nhiệt ) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết (Nd, Dy)-Fe-B

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn được trình bày trong 3 chương,

bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Chương 2: Kỹ thuật thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

6 Kết quả đạt được

6

- Đã chế tạo được nam châm thiêu kết (Nd, Dy)-Fe-B c lực kháng từ Hc

> 20 kOe và tích năng lượng cực đại (BH)max > 30 MGOe

- Đã khảo sát ảnh hưởng của sự thay thế Dy cho Nd lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THI U KẾT Nd-Fe-B

1.1 Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng (VLTC) là loại vật liệu từ được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong lịch sử loài người Người Trung Quốc cho rằng từ đời Hoàng Đế trị vì Trung Hoa từ những năm 2698-2599 trước công nguyên (TCN), đã chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng Đ là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng Bắc - Nam Chính sử đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn này là đầu đời Nhà Chu (1046-771 TCN) và la bàn thực sự xuất hiện nhiều vào thế kỷ thứ 7 TCN Các kim chỉ nam trong la bàn là một dạng VLTC của các ôxit sắt Fe3O4

Hình 1.1 Sự p t tr ển n m m vĩn ửu t eo (BH) max ở n ệt độ p òn

tron t ỷ [9]

Trong quá trình hình thành và phát triển, VLTC đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau Đầu tiên là những viên đá nam châm ứng dụng trong thiết bị la bàn đã được sử dụng ở Trung Quốc từ hai ngàn năm TCN Sau đ , năm 1920 thép cácbon và thép hợp kim Volfram/Crom trở thành VLTC nhân tạo đầu tiên

có (BH)max  1 MGOe [7] Từ đ hướng nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao biện pháp công nghệ và thay đổi hợp phần để tìm kiếm vật liệu mới c (BH)max

8

cao, c nhiều ứng dụng trong cuộc sống và khoa học kĩ thuật Trong thế kỉ XX,

cứ sau 20 năm (BH)max tăng lên gấp ba lần (hình 1.1) [9]

Tiến bộ đầu tiên trong nâng cao phẩm chất từ được đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima (Nhật Bản) vào năm 1932 Hợp kim này được chế tạo bằng công nghệ đúc trực tiếp từ các nguyên tố Ni, Co và Fe c pha một lượng nhỏ Al và Cu và sau đ ủ trong từ trường hoặc thiêu kết Tuy nhiên, (BH)max chỉ đạt 1 MGOe Bằng cách thay đổi công nghệ chế tạo, đến năm

1956 hợp kim Alnico9 c (BH)max đạt tới 10 MGOe được chế tạo với tính dị hướng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hướng hình dạng) Nhược điểm của vật liệu này là lực kháng từ Hc bé ( 2 kOe) Tuy nhiên do c nhiệt độ Curie cao (850oC) nên hiện nay nam châm này vẫn còn được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao

Bước tiến tiếp theo đã đạt được là việc khám phá ra vật liệu ferit cứng tổng hợp ở công ty Philip, Hà Lan vào đầu thập niên 50 Vật liệu ferit c cấu trúc lục giác với hợp chất BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3 Tuy (BH)max cũng không cao ( 4 MGOe) nhưng loại nam châm này c ưu điểm là giá thành rất rẻ, hiệu quả và bền [9] Do vậy, ngày nay chúng vẫn là vật liệu được sử dụng nhiều chiếm khoảng trên 30 tổng giá trị NCVC của toàn thế giới

Công trình nghiên cứu VLTC đáng quan tâm nhất là sự ra đời của hợp kim từ cứng nền đất hiếm (RE, thành phần 4f) và kim loại chuyển tiếp (TM, thành phần 3d) Thành phần 3d cho từ độ bão hoà và nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) cao, trong khi thành phần 4f c tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn Sau đ , vật liệu SmCo5 với tích năng lượng (BH)max lên đến 

20 MGOe, lực kháng từ lớn để chống lại sự ảnh hưởng nhiệt, nhiệt độ Curie cao cũng như khả năng chống ăn mòn tốt được tìm ra và chúng trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên c giá trị thương mại vào năm 1967 Hướng nghiên cứu n i trên tiếp tục được phát triển đến năm 1976, (BH)max đã đạt đến giá trị 30 MGOe đối với vật liệu Sm2Co17 Sự thay thế Co cho nguyên tử Sm đã cho từ độ bão hòa cũng như nhiệt độ TC cao hơn theo giá trị trường dị hướng khi so với NCVC SmCo5 Sự nỗ lực đáng kể để tăng cường lực kháng từ là tạo được vi cấu trúc tối

9

ưu Bằng việc thay thế một phần Co bởi Fe, Cu và Zr cùng với xử lắ nhiệt thắch hợp, nam châm Sm2Co17 thương mại thường c cấu trúc dạng hạt Mỗi hạt c thành phần pha Sm2Co17 chứa dư Fe bao quanh bởi lớp biên hạt c pha SmCo5 chứa dư Cu Biên hạt trở thành nơi ghim vách đômen làm tăng lực kháng từ [12] Nam châm vĩnh cửu Sm2Co17 rất phù hợp với các ứng dụng c nhiệt độ hoạt động cao Tuy nhiên, nhược điểm của nam châm vĩnh cửu nền Sm-Co là quá trình xử lắ nhiệt phức tạp cùng giá thành cao của Sm và Co Chắnh vì vậy, việc nghiên cứu các vật liệu mới chứa ắt hoặc không chứa Co đã được đẩy mạnh

Hệ hợp kim nền Nd-Fe được chú , do Fe và Nd c trữ lượng lớn ở vỏ trái đất và mômen từ nguyên tử cao

Việc không tồn tại hỗn hợp hai thành phần nền Fe dẫn đến xuất hiện một pha hợp kim 3 thành phần cực kì quan trọng Nd2Fe14B Kết quả đầu tiên về nam châm đất hiếm Nd-Fe-B được công bố bởi hai nh m nghiên cứu một cách độc lập vào năm 1984 Croat J J và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) đã chế tạo đ ợc NCVC dựa trên pha ba thành phần Nd2Fe14B theo công nghệ nguội nhanh có Br = 8 kG, Hc = 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [13] Trong khi, nhóm Sawaga M ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) bằng công nghêò thiêu kêìt đaỡ chế tạo thành công NCVC c thành phần Nd15Fe77B8 võìi Br = 12 kG, Hc = 12,6 kOe, (BH)max = 36 MGOe [13] Pha týÌ laÌ giôìng nhau nhýng vi câìu truìc cuÒa nam châm Nd-Fe-B đýõòc chêì taòo bãÌng hai công nghêò trên laÌ khaìc nhau Phýõng phaìp nguôòi nhanh taòo ra câìu truìc nano tinh thêÒ, trong khi đoì quaì triÌnh thiêu kêìt hiÌnh thaÌnh câìu truìc vi tinh thêÒ [15] ThaÌnh phâÌn chiình cuÒa nam châm Nd-Fe-B laÌ Fe, coì giaì thaÌnh reÒ vaÌ mômen týÌ lõìn Môòt lýõòng nhoÒ h n của nguyên tôì đâìt hiêìm Nd đã tạo ra dị h ớng từ tinh thể lớn cho vật liệu Chiêìm 2% thêÒ tiìch cuÒa ô cõ sõÒ, B giuìp ôÒn điònh câìu truìc tinh thêÒ týì giaìc của vật liệu Một mốc đáng chú nữa là vào năm 1988, Coehoorn R và các cộng sự đã phát minh vật liệu nanocomposite với Br = 10

kG, Hc = 3,5 kOe, (BH)max = 12 MGOe Nam châm này chứa nhiều pha từ, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73 thể tắch), -Fe (12 thể tắch) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15 thể tắch) [3] Theo l thuyết, tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha

a) b)

Hình 1.2 Sản l ợn n m m vĩn ửu tron 10 năm qu ( ) và tỉ p ần

loạ n m m vĩn ửu năm 2010 (b) [13]

Hìn 1.3 Một số lĩn vự n dụn n m m vĩn ửu Nd-Fe-B [16]

Việc thương mại h a và mở rộng phạm vi ứng dụng của nam châm cũng

đã c những bước tiến vượt bậc Điều này được minh chứng qua tốc độ tăng trưởng hàng năm về thị trường đầu ra cũng như tỉ phần của nam châm này trong

công nghiệp so với các loại nam châm khác trong năm 2010 (hình 1.2) [7]

11

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ hiện đại dẫn đến nhu cầu sử dụng các loại NCVC tăng cao Trong các lĩnh vực ứng dụng như được thể hiện trên hình 1.3, thì việc sử dụng nam châm Nd-Fe-B trong động cơ, máy phát chiếm ưu thế vượt trội (> 34 ) Yêu cầu nam châm trong các thiết bị này phải

c lực kháng từ lớn Khi đ , nam châm thiêu kết là VLTC kh c thể thay thế bằng các loại khác bởi chúng c tính dị hướng cao, tích năng lượng cực đại (BH)max khá lớn, đồng thời c khả năng làm việc trong các môi trường từ trường cao

1.2 Cấu trúc và tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

r N -Fe-B

Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là vật liệu c cấu trúc đa pha, trong đ pha quyết định tính chất từ và c tỉ phần lớn nhất là pha từ cứng Nd2Fe14B () (gọi tắt là pha 2:14:1) với kích thước vài micromet Ngoài ra còn c pha giàu Nd phân bố ở biên hạt với nhiệt độ n ng chảy thấp và một lượng nhỏ pha giàu BNd1+Fe4B4 () Các pha khác như pha giàu Fe, ôxit Nd và lỗ rỗng (pore) đã được tìm thấy, phụ thuộc vào thành phần và các tham số trong quá trình chế tạo

Hình 1.4 cho thấy ảnh vi cấu trúc thực và ảnh mô phỏng lại của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Các hạt c kích thước lớn là của pha từ cứng Nd2Fe14B Giữa các hạt 2:14:1là lớp biên hạt giàu Nd rất mỏng, xen lẫn các hạt ôxít Nd Tính chất của nam châm thiêu kết không chỉ phụ thuộc vào tính chất từ nội tại của pha từ cứng mà còn phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu

Hìn 1.4 u tr n m m t u t Nd-Fe-B [17]

12

a) P từ n Nd 2 Fe 14 B

Các nguyên tử Fe và đất hiếm tạo thành hợp chất nhị nguyên với từ độ bão hòa cao do sự ghép đôi của các mômen từ C rất nhiều nỗ lực vào đầu những năm 80 của các nhà khoa học để tìm kiếm một pha bền với dị hướng đơn trục và cuối cùng pha ba nguyên Nd2Fe14B được tìm thấy Việc tạo được pha Nd2Fe14Bđòi hỏi quá trình cô đặc nhanh ch ng.Nếu quá trình cô đặc quá lâu, sắt

c xu hướng tách riêng thành pha α-Fe

Hợp thức chính xác và cấu trúc tinh thể của Nd2Fe14B được tìm ra một cách độc lập và đồng thời bởi ba nh m nghiên cứu vào năm 1984 (Givord, Herbst và Shoemaker cùng các cộng sự) [1] Nd2Fe14B c cấu trúc tinh thể tứ giác với hằng số mạng a = 0,88 nm và c = 1,22 nm, thuộc nh m không gian P42/mnm, khối lượng riêng 7,55 g/cm3

Z = 1/2

Z = 0

13

Fe k1, Fe k2), các nguyên tử B chiếm vị trí B g Trên mặt ph ng cơ sở z = 0 và z

= 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở (vị trí Fe c) Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần n nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và bên dưới các mặt ph ng cơ sở Cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra

tính từ cứng mạnh (lực kháng từ cao) của vật liệu này

b) P n ạt àu Nd

Thông thường, phần lớn các nam

châm đều chứa pha phi từ, chúng đ ng

vai trò quan trọng trong việc tạo ra

nam châm c phẩm chất từ tốt Đối với

namchâm thiêu kết Nd-Fe-B, pha phi từ

giàu Nd được phân bố chủ yếu dọc theo

biên của các hạt Nd2Fe14B Pha này

không chỉ c vai trò quan trọng cho sự

kết dính trong suốt quá trình thiêu kết

mà còn là yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến sự cải thiện lựckháng từ của nam châm Nd-Fe-Bkhi được xử lý nhiệt Bởi vì, sự hình thành của pha giàu Nd ở biên hạt (vùng màu trắng như trong hình 1.6) giúp cô lập các hạt từ cứng và ngăn cản tương tác từ giữachúng.Nếu các hạt được cô lập tốt, quá trình đảo từ khó lan truyền từ hạt này tới hạt khác Thay vào đ , sự đảo chiều từ độ cần mầm của đômen đảo trong mỗi hạt và quá trình đảo từ cần từ trường lớn hơn (lực kháng

từ cao) Theo một số nghiên cứu, pha giàu Nd thể hiện cấu trúc tinh thể phức tạp

và thường chứa cả pha ôxit do Nd là nguyên tố rất dễ bị ôxy h a [15, 18, 19]

Hìn 1.6 n l p m n p àu Nd

ạt [1]

14

tính ôxy h a cao (do hoạt tính của Nd), giá thành đắt (vì chứa nhiều đất hiếm) và

sự suy giảm mạnh của lực kháng từ theo nhiệt độ

Tính chất từ nội tại của nam châm như từ độ tự phát, nhiệt độ Curie và dị hướng từ được quy định bởi thành phần h a học và cấu trúc tinh thể, hay n i cách khác tính chất từ nội tại được quy định bởi mômen từ của các nguyên tử và tương tác giữa chúng trong mạng tinh thể Tính chất từ ngoại lai là các tính chất liên quan đến đường từ trễ được quy định bởi cả hai yêu tố cấu trúc tinh thể và

vi cấu trúc tức là hình dạng, kích thước hạt, tính đồng nhất và sự phân bố của chúng trong vật liệu như lực kháng từ, từ dư, độ vuông đường trễ và tích năng lượng (BH)max

1.3 Cơ chế lực kháng từ trong nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

r

Quá trình từ h a trong một tinh thể sắt từ được trình bày trên hình 1.7 Các quá trình b và c trong toàn bộ quá trình từ h a c thể xảy ra đồng thời với nhau ở một khoảng giá trị nào đ của H Lúc khử từ, trạng thái sắt từ được biểu diễn bởi:

của trường ngoài và tương ứng với quá trình trên hình 1.7c gọi là quá trình quay

Khi ở trạng thái khử từ nhiệt, nam châm tồn tại các đômen từ, các đômen này được ngăn cách bởi vách đômen Việc hình thành các đômen từ được giải thích trên cơ sở nguyên l cực tiểu năng lượng của một hệ ở trạng thái bền Dưới tác dụng của từ trường ngoài, vách đômen sẽ dịch chuyển theo xu hướng đômen thuận lợi được mở rộng và đômen không thuận lợi bị thu h p, để c lợi về mặt năng lượng Dựa vào khả năng dịch chuyển vách đômen người ta đưa ra hai cơ chế chính tạo lực kháng từ: cơ chế mầm đảo từ (nam châm mầm đảo từ-Nucleation) và cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen hay cơ chế ghim vách đômen (nam châm loại ghim vách đômen-Pinning) Hai đại lượng cần để mô tả các cơ chế đảo từ này đ là trường tạo mầm HN, được định nghĩa là giá trị của từ trường (ngược với hướng từ h a ban đầu) mà tại đ các mầm đảo từ bắt đầu xuất hiện (hình 1.8) và HP là từ trường đủ để làm dịch chuyển vách đômen Lưu rằng khi một mầm đảo từ được hình thành cùng với một vách đômen tương ứng, vách đômen này không thể dịch chuyển khi giá trị từ trường ngoài đảo chiều chưa vượt quá HP

Hai cơ chế lực kháng từ trên được hình thành liên quan đến quá trình đảo

từ độ của nam châm từ cứng Cơ chế đầu được điều khiển bằng mầm đảo từ Cơ chế lực kháng từ còn lại được điều khiển bằng quá trình dịch chuyển vách đômen Tuy nhiên, hai quá trình này không xảy ra độc lập mà thường xảy ra đồng thời trong vật liệu Cơ chế nào trội hơn phụ thuộc vào bản chất và các thông số vi cấu trúc của vật liệu đ Không c phép đo đơn lẻ nào c thể đưa ra kết luận chính xác về cơ chế lực kháng từ trong nam châm mà phải cần đến bốn phép đo bao gồm: đường từ h a ban đầu, đường từ trễ chưa bão hòa, lực kháng

16

từ phụ thuộc nhiệt độ và lực kháng từ phụ thuộc g c Trước tiên, cơ chế lực kháng từ c thể phân biệt thông qua quan sát đường cong từ h a ban đầu ở trạng thái khử từ nhiệt (hình 1.9) Độ cảm từ ban đầu cao cho thấy vách đômen di chuyển dễ dàng và ngược lại độ cảm từ ban đầu thấp c thể do vách đômen bị ghim Với các mẫu đã được khử từ hoàn toàn (khử từ bằng nhiệt độ), cơ chế lực kháng từ được xác định thông qua sự phụ thuộc của kích thước hạt D với kích thước tới hạn đơn đômen Dsd

Trong trường hợp D>Dsd, hạt c cấu trúc đa đômen Nếu trong hạt không chứa các tạp hay tâm ghim thì độ cảm từ ban đầu của mẫu là lớn (đường 1 hình 1.9) bởi vì vách đômen di chuyển tự do Khi đ , từ trường cần thiết để làm vách đômen dịch chuyển là NMs (Ms là từ độ bão hòa và N là hệ số khử từ của các hạt) và quá trình đảo từ độ được điều khiển bằng mầm đảo từ Nếu các hạt không đồng nhất, vách đômen được ghim ở những vị trí này trong hạt Để di chuyển vách đômen, từ trường ngoài phải lớn hơn trường HP, và độ cảm từ ban đầu của mẫu là thấp (đường 2 hình 1.9) Trong trường hợp đ , cơ chế trội hơn là

cơ chế mầm nếu HN>HP và là cơ chế ghim nếu HN<HP Với những hạt đơn đômen, DDsd độ cảm từ sẽ luôn luôn là thấp và không phụ thuộc vào sự bất đồng nhất trong các hạt Quá trình đảo từ của các hạt đơn đômen sẽ diễn ra chỉ bằng sự quay từ độ và đòi hỏi một từ trường ngoài lớn

Hìn 1.8 M n qu trìn từ

ử từ và v tr tr n tạo mầm H N

[20]

Hìn 1.9 n từ o n đầu và đ n từ trễ n m m loạ mầm đảo từ và nam châm loạ ghim v đ men [21]

Phép đo khác để nhận biết cơ chế lực kháng từ đ là phép đo các đường từ

17

trễ chưa bão hòa (vật liệu chưa được từ h a bão hòa) Becker J J đã chỉ ra rằng giá trị lực kháng từ sẽ phụ thuộc vào cường độ từ trường từ h a ban đầu [5] Trong vật liệu cơ chế mầm đảo từ, giá trị cường độ từ trường từ h a tối thiểu cần thiết để c được lực kháng từ tối đa là nhỏ hơn nhiều so với lực kháng từ Ngược lại, với vật liệu kiểu cơ chế ghim, trường từ h a tối thiểu tương đương với lực kháng từ Tuy nhiên, trong trường hợp vật liệu chứa các hạt đơn đômen, cơ chế mầm sẽ dẫn đến kết quả tương tự như cơ chế ghim của vật liệu đa đômen Vì vậy, việc xác định cơ chế lực kháng từ dựa trên các đường từ trễ chưa bão hòa đòi hỏi phải biết được cỡ hạt đơn đômen và cỡ hạt trung bình Lực kháng từ phụ thuộc vào g c trong vật liệu đ ng hướng ít c nghĩa thực nghiệm Do đ , phép

đo lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ là cần thiết hơn Phép đo này cùng với các phép đo đường từ h a ban đầu và đường từ trễ không bão hòa làm sáng tỏ cơ chế lực kháng từ trong nam châm Sự khác nhau giữa hai cơ chế lực kháng từ trong phép đo lực kháng từ theo nhiệt độ thể hiện qua sự làm khớp với các mô hình tính toán l thuyết

Hướng từ độ ban đầu Hướng từ độ đảo Vách Block Hướng dịch vách Block Tâm hãm vách

Hìn 1.10 u tr mầm đảo từ và m v đ men mầm đảo từ

18

vật liệu làm suy giảm lực kháng từ Vì vậy, để tăng lực kháng từ trong nam châm loại mầm đảo từ cần phải giảm thiểu lượng tâm sai hỏng phân tán trong các hạt và làm nh n bề mặt hạt bằng cách thiêu kết c pha lỏng và xử lý nhiệt Tuy nhiên, khi kích thước các sai hỏng lớn và nhiều thì chúng lại c tác dụng ghim vách đômen như vị trí C

Hìn 1.11 đ n on m tả qu trìn đảo từ v t l ệu u tr

nhau [3]

Quá trình đảo từ phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu được thể hiện trên hình 1.11.Đối với nam châm đ ng hướng các hạt không tương tác, đường cong đảo từ (khử từ) đi theo đường chấm gạch Do tính chất đ ng hướng nên các hướng của trục dễ là ngẫu nhiên, dẫn đến khi từ trường ngoài giảm về 0, mômen

từ tổng cộng Mr2 bằng M/2 Tiếp tục giảm từ trường ngoài về giá trị âm, các mômen từ theo hướng từ trường ngoài làm cho từ độ giảm dần và độ vuông đường từ trễ thấp.Đối với nam châm dị hướng, sau khi được từ hoá bão hoà, toàn bộ các mômen từ nằm theo hướng trục dễ và song song với nhau Vì vậy, khi giảm từ trường ngoài về 0, từ độ trong mẫu vẫn được giữ nguyên gần như trạng thái bão hoà, do đ ở trạng thái từ dư Mr1 Ms Tiếp tục giảm từ trường ngoài về giá trị âm, mômen từ của mẫu không đổi cho đến khi từ trường ngoài

c giá trị đủ lớn bằng HN Đối với nam châm c cơ chế lực kháng từ kiểu mầm,

sẽ xảy ra quá trình phát triển mầm đảo từ như các vị trí A và B trên hình 1.10 và quá trình đảo từ xảy ra không cần c sự tăng thêm của từ trường ngoài bởi vì khi

đ chính là thời điểm cực tiểu năng lượng biến mất.Đường cong khử từ sẽ đi

19

theo đường ABC và lực kháng từ trong trường hợp này bằng HN Tuy nhiên, với nam châm c cơ chế lực kháng từ kiểu ghim vách đômen, quá trình đảo từ không xảy ra một cách dễ dàng như vậy do sự c mặt của các tâm hãm vách liên kết như vị trí C trong hình 1.10 Do đ , các mômen từ không đảo đột ngột và đường cong khử từ trong trường hợp này sẽ lớn hơn so với nam châm mầm đảo

từ (đường liền nét ABC )

1.3.3 Lý y về lự g

Về l thuyết, lực kháng từ liên quan đến sự chuyển năng lượng của hệ từ cực tiểu năng lượng này đến một cực tiểu năng lượng khác dưới tác dụng của từ trường ngoài Theo mô hình véctơ mômen từ quay kết hợp nếu hợp chất ở dạng đơn tinh thể hoàn hảo chịu tác dụng của một từ trường ngoài tăng đều theo hướng ngược với hướng trục thì tất cả các mômen từ nguyên tử sẽ đảo hướng hoàn toàn chỉ khi trường ngoài bằng trường dị hướng HA Bằng cách khảo sát sự đảo từ trong một hạt từ đồng nhất dạng ellipsoid, Brown [12] đã đưa ra bất đ ng thức xác định giới hạn lực kháng từ là:

s s



 (1.3) trong đ N là hệ số khử từ theo phương song song với trục chính của ellipsoid

Số hạn đầu tiên của vế phải trong (1.3) chính là HA, do N  1 và 0Ms  1 T nên

số hạng thứ hai là rất nhỏ, do đ lực kháng từ c thể ngang bằng hoặc lớn hơn

HA Tuy nhiên, trong thực tế lực kháng từ chỉ bằng khoảng 20 - 30 so với HA

Đối với nam châm Nd2Fe14B thiêu kết ở trạng thái khử từ nhiệt, mỗi hạt từ

là một hạt đa đômen Khi bị từ hoá n thể hiện rất r là loại nam châm loại tạo mầm qua sự dịch chuyển dễ dàng của vách đômen Trên cơ sở các mẫu đơn giản kết hợp với kỹ thuật mô phỏng và kết quả thực nghiệm, nhiều tác giả đã thống nhất rằng lực kháng từ của loại nam châm này c thể mô tả bởi công thức:

trong đ HA là trường dị hướng; c và n là các hằng số không phụ thuộc nhiệt độ được đưa vào công thức để kết quả tính phù hợp với vi cấu trúc thực c nhận giá

0

s A

c

)T(Jn)T(cH)T(H





20

trị trong khoảng 0,2 - 0,5, phụ thuộc vào thành phần và các tham số công nghệ

n nhận giá trị trong khoảng 0,8 - 1,7 n liên quan đến trường khử từ phát sinh do

từ trường tạp tán xuất hiện ngay trong các hạt và biên hạt

Kronmuller và cộng sự đã áp dụng l thuyết vi từ để nghiên cứu xác định trường tạo mầm, theo đ Hc được xác định theo công thức:

0

s eff s

1 K

c

J N J

K 2 H

HC đối với nam châm Nd2Fe14B thiêu kết cho thấy rằng hệ số khác với dự đoán của l thuyết Stoner-Wohlfarth cho tập hợp các hạt đơn đômen, đơn trục, không tương tác

Theo Livingston và cộng sự, Hc được xác định như sau:

trường khử từ hiệu dụng hỗ trợ sự đảo từ Trường hợp r o = 100 và N eff = 1 thì

từ phương trình (1.6) c thể tính được Hc 11 kOe cho nam châm thiếu kết Fe-B

Nd-1.4 C ng nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

Nam châm thiêu kêìt ð ợc chế tạo nhiều trong công nghiệp và chiếm tỷ phần cao nhất trong nam châm ðất hiếm th ng mại Ph ng pháp chế taòo nam châm là phương pháp luyện kim bột truyền thống Các công đoạn chế tạo nam châm thiêu kết được biểu diễn trên hình 1.12, các hình nhỏ mô tả đơn giản tác dụng của các công đoạn đ Trong quá trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-

B bằng phương pháp luyện kim bột, để thu được nam châm c chất lượng cao các yêu cầu sau cần phải được thoả mãn:

- Lƣợng oxi trong hợp kim phải đƣợc giảm thiểu đến mức thấp nhất

Hìn 1.12 n đoạn tron quy trìn tạo n m m t u t Nd-Fe-B

22

1.4.1 ạ ợp b ầ

Công đoạn chế tạo hợp kim Nd-Fe-B ban đầu mang tính quyết định trong quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Hợp kim cho nam châm thiêu kết chủ yếu chế tạo bằng nấu hợp kim trên lò trung tần, hoạt động trong môi trường chân không hoặc khí trơ Ar, He Tuy nhiên, khi rắn h a nhanh hợp kim lỏng thì chúng rất kh đơn pha Sự lựa chọn tỉ phần trọng lượng của 3 nguyên liệu đầu vào (Nd, Fe và FexBy) được tính toán dựa trên giản đồ pha ba nguyên tử của hệ Nd-Fe-B, chỉ số x và y của nguyên liệu FexBy, khả năng xuất hiện những pha không c ích trong quá trình rắn h a (pha Fe) Hỗn hợp 3 nguyên liệu ban đầu sau khi cân theo tỉ lệ được xếp vào nồi nấu của lò trung tần Quá trình xếp vật liệu vào nồi nấu được thực hiện sao cho cảm ứng tốt nhất Việc kết tinh pha lạ sẽ làm giảm tính từ cứng của vật liệu Do đ , khi chọn hợp phần chế tạo hợp kim thường nghiêng về việc chọn Fe ít đi, giàu Nd và B hơn Nhưng nếu thành phần

Nd nhiều sẽ làm tăng giá thành và giảm độ bền h a học của vật liệu Vì vậy, người ta thường chọn hợp phần chứa khoảng 77 Fe, khi đ pha ngoại c thể xuất hiện trong quá trình rắn h a là NdFe4B4, pha giàu Nd Pha ngoại này trong nam châm thiêu kết chính là pha lỏng (pha biên hạt) chúng là chất để gắn kết các hạt từ cứng với nhau tạo kết cấu bền chắc, cho mật độ cao và lực kháng từ lớn của nam châm

Để pha từ cứng 2:14:1 chiếm tỉ phần cao điều rất quan trọng là phải chọn được hợp kim c hợp thức thích hợp, điều này được thể hiện qua phân tích giản

đồ pha Theo giản đồ pha ba thành phần, trong quá trình h a rắn nam châm thiêu kết Nd-Fe-B chứa ba pha cân bằng bao gồm pha từ cứng tetragonal Nd2Fe14B (), pha giàu Boron Nd1+ Fe4B4 () và pha giàu Nd c điểm n ng chảy thấp Một vài pha khác nữa như -Fe hay Nd2O3 cũng c thể hình thành do sự lệch hợp thức và khả năng bị oxy h a cao của Nd Trong nam châm thương mại người ta thường dùng hợp kim với thành phần Nd15Fe77B Đây là thành phần tránh được sự c mặt của pha sắt từ mềm và đảm bảo tỉ phần của pha Nd2Fe14B lớn trong hợp kim thu nhận được

23

Ng ề ợp

Quá trình nghiền nhằm mục đích thu được các hạt nhỏ để tăng lực kháng

từ Theo lí thuyết là các hạt c kích thước cỡ đơn đômen và các hạt chỉ c một trục từ h a ưu tiên sẽ cho lực kháng từ cao của vật liệu Với vật liệu Nd2Fe14B kích thước đômen cỡ 200 nm nhưng các kết quả thực nghiệm cho thấy kích thước hạt tối ưu vào cỡ 3 ÷ 5 µm Kích thước hạt ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy khi kích thước hạt lớn hơn hay nhỏ hơn kích thước tối ưu, lực kháng từ của nam châm suy giảm rất nhanh

Vì vậy, việc khảo sát ảnh hưởng của quá trình nghiền lên kích thước hạt rất cần thiết cho việc xây dựng qui trình công nghệ chế tạo nam châm Đầu tiên hợp kim được nghiền thô trong vài phút làm khối hợp kim vỡ thành các hạt nhỏ, kích thước cỡ 300 m Để nghiền hợp kim thành dạng bột siêu mịn kích thước vài micrô (tốt nhất khoảng 3 m), c thể sử dụng phương pháp nghiền phun (jet milling),phương pháp nghiền cơ (Mechanical milling), hoặc phương pháp tách

vỡ trong hyđrô (hydrogennation decrepitation)

a) Ph n p p n n p un (Jet Milling)

Hợp kim sau khinghiền thô được cho vào một cái phễu, qua miệng phễu hợp kim rơi vào trong bình c dòng khí trơ vận tốc cao, dòng khí này làm cho các hạt bột va đập vào nhau làm chúng vỡ thành hạt c kích thước bé hơn Hình 1.13 là sơ đồ nguyên l kỹ thuật nghiền phun(Jet Milling)

Hìn 1.14 N uy n lý ỹ t u t n n (n n i) [4]

c) Ph n p p t v tron yđro ( ydro enn t on de rep t t on)

Ưu điểm chính của phương pháp này là c thể đưa hợp kim về dạng bột

mà không phải qua các giai đoạn nghiền thô và nghiền mịn Kích thước và sự phân bố hạt c thể điều khiển bằng cách thay đổi điều kiện HD

1 Ép ạ v

Mục đích của bước này là để tạo ra độ xốp ổn định, tạo độ bền cần thiết cho bước thiêu kết sau đ C nhiều cách ép khác nhau như: ép một chiều, ép hai chiều, ép đ ng hướng trong khí hoặc dầu Trong đ ép đ ng hướng trong dầu cho viên ép c độ xốp đồng đều nhất và thường được sử dụng để ép các loại bột

c tính ép kém như các loại bột oxit, kim loại và hợp kim cứng giòn Thể tích của vật ép luôn thay đổi trong quá trình ép do c sự biến dạng hạt riêng biệt Quá trình ép bao gồm 3 giai đoạn như sau [26]:

Giai đoạn 1: Khi tăng lực ép thì mật độ tăng nhanh do c sự xắp xếp lại trật tự các hạt, các hạt tự xắp sếp nhờ chuyển động trượt và xoay của n

Giai đoạn 2: Khi tiếp tục tăng áp lực mà các hạt không sắp xếp lại được nữa thì dẫn tới trên các hạt xuất hiện phản lực chống lại áp lực bên ngoài Do vậy ở giai đoạn này mật độ tăng không đáng kể cho dù lực ép vẫn tăng

Giai đoạn 3: Tiếp tục tăng lực ép và tới khi lực ép lớn hơn phản lực của các hạt bột thì dẫn tới sự biến dạng Sự biến dạng đầu tiên xuất hiện tại phần tiếp xúc giữa các hạt và giữa hạt với thành khuôn, sau đ là toàn bộ thể tích hạt Do đ ở giai đoạn này mật độ lại tăng nhanh

ép (hình 1.16a), (b) vuông g c với hướng ép (Transverse Die Pressing, viết tắt là TDP) (hình1.16b), (c) ép đ ng tĩnh bột đã được định hướng trước (hình 1.16c) Phương pháp thường dùng là phương pháp (a), mặc dù các phương pháp (b), (c) cho tính chất từ cao hơn Trong phương pháp (a) và (b) cường độ từ trường định hướng khoảng 2 T được tạo ra bởi nam châm điện, trong phương pháp (c) các hạt được định hướng bằng từ trường xung mà cường độ c thể đạt đến 6 T

Thiêu kết làm tăng sự liên kết giữa các hạt bột, triệt tiêu lỗ xốp khi được nung ở nhiệt độ cao Vật liệu được kết khối sẽ bền chắc hơn nhiều vì lực liên kết