i BỘ Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG NG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI a&b - NGUY NGUYỄN XUÂN LONG NGHIÊN CỨU ỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐỂ Ể LÀM L TĂNG L LỰC KHÁNG TỪ CỦA ỦA NAM CHÂM THI THIÊU KẾT Nd-Fe-B B LUẬN ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ỌC VẬT CHẤT Hà Nội – 2013 ii BỘ Ộ GIÁO DỤC V VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ỜNG ĐẠI HỌC S SƯ PHẠM HÀ NỘI a&b - NGUYỄN XUÂN LONG NGHIÊN CỨU ỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐỂ L LÀM TĂNG L LỰC KHÁNG TỪ CỦA ỦA NAM CHÂM THI THIÊU KẾT Nd-Fe-B B Chuyên ngành: V Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 01 04 LUẬN ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤ CHẤT Người hướng ớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN ỄN HUY DÂN Hà Nội – 2013 iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Huy Dân, người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học, bảo tận tình tạo điều kiện tốt giúp suốt trình nghiên cứu thực luận văn Xin cảm ơn giúp đỡ kinh phí đề tài nghiên cứu (NAFOSTED) mã số 103.02 – 2012.27 thiết bị Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Xin chân thành cảm ơn tới ban giám hiệu tập thể giáo viên Trường THPT Yên Lạc, Sở GD&ĐT Vĩnh Phúc động viên tinh thần, tạo điều kiện thời gian tài giúp hoàn thành chương trình học Tôi xin cảm ơn NCS Phạm Thị Thanh, NCS Nguyễn Hải Yến, NCS Dương Đình Thắng cộng động viên tinh thần giúp đỡ nhiều chuyên môn Để đạt thành công học tập hoàn thành khóa học ngày nay, xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô khoa Vật lý – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, thầy cô trang bị tri thức khoa học tạo điều kiện học tập thuận lợi cho suốt thời gian qua Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè nguồn động viên quan trọng tinh thần giúp có điều kiện học tập nghiên cứu khoa học ngày hôm Xin trân trọng cảm ơn ! Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Nguyễn Xuân Long iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trích dẫn lại từ báo xuất cộng Các số liệu, kết trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Xuân Long v MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn …………………………………………………….…………… i MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG ……………… 1.1 Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng 1.2 Cấu trúc tính chất vật liệu từ cứng Nd2Fe14B 11 1.2.1 Cấu trúc tinh thể pha Nd2Fe14B 11 1.2.2 Tính chất từ vật liệu Nd2Fe14B 13 1.3 Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B 22 1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng lên tính chất từ nam châm Nd-Fe-B 27 1.4.1 Ảnh hưởng nguyên tố thay 27 1.4.2 Ảnh hưởng trình xử lí nhiệt 30 CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 34 2.1 Phương pháp chế tạo mẫu 34 2.1.1 Quy trình thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B …… 34 2.1.2 Tạo hợp kim ban đầu 36 2.1.3 Chế tạo hợp chất pha thêm 39 2.2 Phân tích cấu trúc tinh thể, vi cấu trúc tính chất từ vật liệu 42 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 42 2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử 42 2.2.3 Phép đo từ 45 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 Ảnh hưởng hợp chất pha thêm lên lực kháng từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B…………………………… …………………… …… 48 3.2 Ảnh hưởng trình xử lí nhiệt lên lực kháng từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B ………………………………………………………… 53 KẾT LUẬN ……………… 63 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ………………… … 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Br : Cảm ứng từ dư r : Khối lượng riêng gw : Năng lượng vách mB : Manheton Bohr (mB=eħ/2m) g : Hệ số Lande (BH)max : Tích lượng cực đại HA : Năng lượng dị hướng HC : Lực kháng từ Hext : Từ trường Heff : Hiệu ứng khử từ HN : Trường tạo mầm đảo từ HP : Trường lan truyền vách kB : Hằng số Boltzmann MR : Từ độ phân mạng đất Mr : Từ độ dư MS : Từ độ tự phát TC : Nhiệt độ Curie II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT NCVC : Nam châm vĩnh cửu EDX : Phổ tán xạ lượng SAED : Nhiễu xạ điện tử vùng chọn lọc SEM : Kính hiển vi điện tử quét TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua RE : Đất TM : Kim loại chuyển tiếp XLN : Xử lý nhiệt vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tọa độ nguyên tử cấu trúc tinh thể Nd2Fe14B (nhóm không gian P42/mnm) [15] Bảng 1.2 Trường siêu tinh tế vị trí Fe ô mạng tinh thể [11] Bảng 3.1 Nồng độ nguyên tố vị trí khác nam châm trước sau xử lý nhiệt Bảng 3.2 Một số chế độ xử lý nhiệt cho nam châm viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Đá nam châm đựng hộp đồng thau, khối nam châm Ferrit khối nam châm Nd-Fe-B Tất có lượng từ khoảng 0,4 J Hình 1.2 Sự phát triển nam châm vĩnh cửu {theo (BH)max} kỷ XX Hình 1.3 Tỉ phần giá trị loại nam châm vĩnh cửu năm 2004 [14] Hình 1.4 Hàm lượng tính theo phần trăm trọng lượng vỏ Trái Đất số nguyên tố kim loại chuyển tiếp đất [4] Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể hợp kim Nd2Fe14B (a), nguyên tử B nguyên tử Fe (vị trí e k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [15] Hình 1.6 Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu Nd-Fe-B Hình 1.7 Minh họa trình từ hoá, khử từ, vị trí trường tạo mầm HN [12] Hình 1.8 (a) Hai loại sai hỏng ảnh hưởng chúng lên dịch chuyển vách trường vuông góc: tâm tạp phi từ (bên trái) hạ thấp lượng vách (gw) diện tích vách giảm; hạt có dị hướng từ độ khác với (phải) tạo rào cản vách di chuyển (b) Năng lượng vách đô men (gw) phụ thuộc vào vị trí từ trường [8] Hình 1.9 Mặt cắt thẳng giản đồ pha cân hệ Nd-Fe-B với tỉ số Nd/B=2 Pha f (Nd2Fe14B), h (NdFe4B4) Hình 1.10 Trường dị hướng nhiệt độ phòng phụ thuộc hàm lượng Co thay Nd2(Fe1-xCox)14B (đường nét đứt) Pr2(Fe1-xCox)14B (đường nét liền) Hình Nhiệt độ TC phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố thay hệ 1.11 Nd2(Fe1-xMx)14B (M=Si, Ni, Co, Al, Cr, Mn, Ru) [13] Hình Ảnh FEG – SEM mẫu nam châm có thành phần 1.12 Nd12,4Pr1,4B5,8Al0,3Cu0,1Co0,1Fe79,9 sau thiêu kết(a), sau ủ 520oC (b), sau ủ 560oC (c), ảnh phóng to điểm hạt (d)[2] ix Hình 1.13 Đường cong từ hóa ban đầu mẫu sau ủ 520oC đường cong khử từ mẫu sau thiêu kết (A), sau ủ 520oC (B), sau ủ 560oC (C) Hình 2.1 Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Hình 2.2 Dây truyền thiết bị chế tạo nam châm Hình 2.3 Ảnh chụp bên cối nghiền thô (a) bên cối nghiền tinh (b) Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ nấu mẫu hồ quang Hình 2.5 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 b) Ảnh bên buồng nấu: (6) Điện cực, (7) Nồi nấu, (8) Cần lật mẫu Hình 2.6 Máy nghiền SPEX 8000D (a), cối bi nghiền (b) Hình 2.7 Thiết bị Siemen D5000 Hình 2.8 Các tín hiệu thứ cấp nhận từ mẫu tác dụng chùm điện tử sơ cấp lượng cao (chùm điện tử tới) Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800 Hình Kính hiển vi điện tử truyền qua Philip CM20-FEG (gia tốc 200kV; 2.10 Cs = 1,2) Tại Viện Vật lý, TU-Chemnitz, CHLB Đức Hình Sơ đồ khối hệ đo từ trường xung 2.11 Hình Hệ đo từ trường xung 2.12 Hình 3.1 Ảnh SEM bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 nghiền 8h (a) hợp chất pha thêm Dy40Nd30Al30 nghiền 4h (b) Hình 3.2 Ảnh XRD bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 nghiền 8h (a) hợp chất pha thêm Dy40Nd30Al30 nghiền 4h (b) x Hình 3.3 (a) Ảnh BF-TEM nam châm pha HCPT trước xử lí nhiệt (b) SAED mô hình hạt lớn tương ứng với pha 2:14:1 pha quang phổ EDX (c) Biên hạt (d) Hạt lớn Hình 3.4 (a) Ảnh TEM nam châm pha HCPT sau xử lí nhiệt mô hình EDX (b) Biên hạt (c)Lớp gần biên (d) Giữa hạt Hình 3.5 Đường từ trễ Nd16,5Fe77B6,5 trước sau pha thêm Dy40Nd30Al30 chưa xử lý nhiệt Hình 3.6 Giản đồ trình thiêu kết nam châm Nd16,5Fe77B6,5 Hình 3.7 Giản đồ xử lí nhiệt hai giai đoạn (XLN4) nam châm thiêu kết NdFe-B Hình 3.8 Đường từ trễ Nd16,5Fe77B6,5 trước sau pha thêm Dy40Nd30Al30 xử lí nhiệt Hình 3.9 Các đường đặc trưng từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B sau xử lí nhiệt (a) chưa thêm Dy40Nd30Al30 (b) thêm Dy40Nd30Al30 Hình Đường từ trễ mẫu N8 xử lí nhiệt chế độ khác 3.10 Hình 3.11 Các đường đặc trưng từ số mẫu tiêu biểu - 52 - Hình 3.4 (a) Ảnh TEM nam châm pha HCPT sau xử lí nhiệt mô hình EDX (b) Biên hạt (c) Lớp gần biên (d) Giữa hạt Bảng 3.1 Nồng độ nguyên tố vị trí khác nam châm trước sau xử lý nhiệt: Mẫu Vị trí Nd (%) Fe (%) Dy (%) Al (%) Nam châm pha thêm Giữa hạt 12,7 87,3 - - trước xử lý nhiệt Biên hạt 83,1 6,5 7,3 3,1 Giữa hạt 13,2 86,8 - - Nam châm pha thêm Lớp 16,2 77,5 3,4 2,8 sau xử lý nhiệt gần biên 87 4,5 5,7 2,9 Biên hạt - 53 - Bảng 3.1 cho thấy nồng độ nguyên tố (Nd, Fe, Dy, Al) vị trí khác nam châm pha thêm hợp phần trước sau xử lý nhiệt Tại vị trí hạt, Nd Fe xuất với tỷ lệ nồng độ tương ứng với pha 2:14:1 Đối với Dy, nồng độ tương đối cao biên hạt nam châm thiêu kết giảm sau xử lý nhiệt Sự giảm nồng độ Dy biên hạt khuếch tán nguyên tử Dy từ biên hạt vào 2:14:1 trình xử lý nhiệt Nồng độ hạt Dy tập trung bên hạt 2:14:1 nhỏ biên hạt Các Dy khuếch tán vào hạt Nd2Fe14B hình thành hạt có cấu trúc (Nd,Dy)2Fe14B, làm tăng cường kháng từ nam châm tính dị hướng cao pha Dy2Fe14B Sự phân bố Al tương tự Dy, Al tập trung biên hạt cao hạt lớp gần biên không xuất trung tâm hạt Như biết biên hạt đóng vai trò quan trọng việc nâng cao kháng từ nam châm Nd-Fe- B thiêu kết Sự diện Dy Al biên hạt ngăn chặn hình thành mầm đảo từ Mặt khác, khuếch tán Dy Al vào hạt 2:14:1 tạo pha kháng từ cao Thời điểm pha tương tác vớicác mômen từ bên hạt 2:14:1 làm cho khó dịch chuyển từ trường Bằng cách này, nồng độ Dy giảm xuống, giữ lực kháng từ cao cho nam châm Nd-Fe-B thiêu kết Việc bổ sung hạt có kích thước nano vào nam châm Nd-Fe-B giúp cho hoạt động nguyên tố Dy hiệu Trên hình 3.5 đường từ trễ nam châm thiêu kết NdFeB trước sau pha thêm vào hạt nano từ chưa xử lí nhiệt Chúng ta thấy lực kháng từ HC nam châm tăng lên mạnh thêm vào hạt nano Trước xử lí nhiệt, lực kháng từ HC nam châm thiêu kết chưa pha pha tăng lên từ ~ kOe lên đến khoảng ~15 kOe - 54 - 20 Chua pha Dy Nd Al 15 10 -5 -10 -15 Da pha Dy Nd Al -20 -30 -20 -10 10 20 30 H (kOe) 4pM (kG) 40 40 30 30 30 30 Hình 3.5 Đường từ trễ Nd16,5Fe77B6,5 trước sau pha thêm Dy40Nd30Al30 chưa xử lý nhiệt Như vậy, thêm hạt nano từ Dy40Nd30Al30 vào nam châm giúp tạo thành biên hạt mỏng phân bố đồng giúp cho Dy khuếch tán vào hạt 2:14:1 cách dễ dàng từ giúp tăng mạnh lực kháng từ nam châm 3.2 Ảnh hưởng trình xử lý nhiệt lên lực kháng từ nam châmthiêu kết Nd-Fe-B Nhiệt độ thiêu kết điều khiển lượng chất lỏng, độ hòa tan thành phần chất lỏng, thấm pha thứ cấp vào xung quanh hạt tốc độ khuyếch tán pha giàu Nd biên hạt Theo kết nghiên cứu trước nhiệt độ thiêu kết cỡ 85 ÷ 95% nhiệt độ nóng chảy Nd2Fe14B (1185oC) Lựa chọn khoảng nhiệt độ nhằm giảm tái kết tinh hạt từ Quá trình tái kết tinh hạt từ, theo nguyên lí cực tiểu lượng, làm tăng kích thước hạt, hạt từ lớn trở thành hạt từ đa đô men làm xuất mầm đảo từ Đó nguyên nhân làm suy giảm lực - 55 - kháng từ vật liệu Chính vậy, trình thiêu kết, thời gian thiêu kết nhiệt độ thiêu kết lựa chọn sau: bước nâng nhiệt đầu tiên, từ nhiệt độ phòng lên 300oC khoảng thời gian 2,5 để sản phẩm không bị nứt vỡ (với công nghệ ép khô cần thời gian 0,5 giờ) Bước nâng nhiệt từ 300oC lên 750oC khoảng thời gian 0,5 Bước nâng nhiệt cuối từ 750oC lên 1100oC khoảng thời gian 0,5 Quá trình thiêu kết mô tả chi tiết hình 3.6 1200 1000 o T ( C) 800 600 400 200 0 100 200 300 400 500 t ( m in ) Hình 3.6 Giản đồ trình thiêu kết nam châm Nd16,5Fe77B6,5 Tiếp theo trình thiêu kết công đoạn xử lí nhiệt, bước thiếu phương pháp luyện kim bột Quá trình ủ sản phẩm làm cải thiện lớp biên hạt, tạo biên hạt nhẵn, mỏng đồng đều, từ giảm trường khử từ địa phương bảo đảm chế gây lực kháng từ lớn nâng cao từ độ dư Ngoài ra, việc ủ làm hoà tan pha sắt từ nửa bền vùng hạt Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lí nhiệt, nhìn chung phức tạp có nhiều tham số ảnh hưởng đến tính chất từ nam châm xử lí nhiệt, chẳng hạn số bước, nhiệt độ, thời gian bước, tốc độ lên - 56 - nhiệt, hạ nhiệt, cách làm nguội nhanh, nguội chậm Qua tài liệu tham khảo [2, 8], chọn xử lí nhiệt theo hai giai đoạn: 1000 600 o T ( C) 800 400 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 t ( m in ) Hình 3.7 Giản đồ xử lí nhiệt hai giai đoạn (XLN4) nam châm thiêu kết Nd-Fe-B - Giai đoạn 1: Mẫu đưa vào lò nung, nâng nhiệt tới nhiệt độ ủ Ta1, giữ nhiệt độ ủ thời gian ta1 làm nguội đến gần nhiệt độ phòng (nguội nhanh nguội chậm) - Giai đoạn 2: Mẫu nâng nhiệt tới nhiệt độ ủ Ta2, giữ nhiệt độ ủ thời gian ta2 làm nguội đến nhiệt độ phòng (nguội nhanh nguội chậm) Ở hai bước mẫu nung chân không nguội nhanh luồng khí Ar Trên hình 3.8 đường từ trễ nam châm thiêu kết NdFeB trước sau pha thêm vào hạt nano từ xử lí nhiệt - 57 - 20 Chua pha Dy Nd Al 15 10 -5 -10 -15 Da pha Dy Nd Al -20 -30 -20 -10 10 20 30 H (kOe) 30 30 4pM (kG) 40 40 30 30 Hình 3.8 Đường từ trễ Nd16,5Fe77B6,5 trước sau pha thêm Dy40Nd30Al30 xử lí nhiệt Chúng ta thấy lực kháng từ HC nam châm tăng lên mạnh thêm vào hạt nano Sau xử lí nhiệt, lực kháng từ HC nam châm thiêu kết chưa pha pha tăng lên từ ~ 12 kOe lên đến ~ 21 kOe 15 15 4pM 4pM, B (kG) 4pM,B (kG) 4pM 10 -50 B BH -40 -30 -20 -10 H (kOe), BH (MGOe) (a) 10 B BH -40 -30 -20 -10 H (kOe), BH (MGOe) (b) Hình 3.9 Các đường đặc trưng từ nam châm thiêu kết Nd-Fe-B sau xử lí nhiệt (a) chưa thêm Dy40Nd30Al30 (b) thêm Dy40Nd30Al30 - 58 - Hình 3.9 cho thấy đường cong đặc trưng từ nam châm thiêu kết chưa thêm thêm hạt nano từ Dy40Nd30Al30 sau xử lý nhiệt Ta thấy tích lượng tối đa (BH)max nam châm tăng lên từ khoảng ~ 35 MGOe đến khoảng ~ 40 MGOe Bảng 3.2 Một số chế độ xử lý nhiệt cho nam châm STT Giai đoạn Ký hiệu Giai đoạn hai Ta1 (oC) ta1 (h) Nguội Ta2 (oC) ta2 (h) Nguội XLN1 820 nhanh 500 nhanh XLN2 820 nhanh 520 nhanh XLN3 820 nhanh 540 nhanh XLN4 820 nhanh 560 nhanh XLN5 820 nhanh 540 nhanh XLN6 820 nhanh 540 nhanh XLN7 820 nhanh 540 nhanh XLN8 820 0,5 nhanh 540 nhanh XLN9 820 chậm 540 nhanh 10 XLN10 650 chậm 540 nhanh 11 XLN11 900 chậm 540 nhanh 12 XLN12 1000 nhanh 540 nhanh - 59 - Ta thấy thêm hạt nano từ vào mẫu nam châm lực kháng từ tăng mạnh đạt tới 21,2 kOe tích lượng (BH)max đạt 35 MGOe, với mẫu chưa pha (BH)max có giá trị 40 MGOe Tuy nhiên, nhìn vào dáng điệu đường từ trễ mẫu chứa hợp chất pha thêm ta thấy giá trị tích lượng (BH)max cao độ vuông đường trễ nâng lên cách thay đổi tỉ phần chất pha thêm áp dụng chế độ xử lý nhiệt hợp lý Từ đó, tiến hành thử nghiệm trình xử lí nhiệt hai giai đoạn theo chế độ khác nhằm tìm chế độ xử lí nhiệt thích hợp Bảng 3.2 liệt kê số quy trình xử lý nhiệt cho nam châm mà áp dụng Các hình 3.10 đường từ trễ mẫu sau xử lý nhiệt nhiệt độ khác 20 20 XLN1 N LN 15 10 5 -5 -10 -5 -10 X LN3 X LN4 -15 -20 -30 XLN5 XLN6 10 4pM (kG) 4pM (kG) 15 -20 -10 10 H (kO e) 20 XLN7 XLN8 -15 -20 -30 30 a) -20 -10 10 H (kOe) 20 30 b) 20 X LN X LN 10 15 4pM (kG) 10 -5 -1 X LN 11 XLN12 -1 -2 -3 -2 -1 0 10 H (k O e ) 20 30 c) Hình 3.10 Đường từ trễ mẫu nam châm thiêu kết NdFeB nghiền xử lí nhiệt chế độ khác - 60 - Qua kết thu ta thấy chế độ xử lý nhiệt ảnh hưởng mạnh đến tính chất từ nam châm Nhìn chung, chế độ XLN1, XLN2, XLN3, XLN4, XLN8, XLN11 XLN12 có xu làm tăng lực kháng từ nam châm Các chế độ xử lý nhiệt lại có xu làm giảm lực kháng từ nam châm Hình 3.11 cho thấy đường đặc trưng từ số nam châm tiêu biểu sau xử lý nhiệt 15 15 (BH) max (BH) = 36,4 MGOe = 40 MGOe H = 12,6 kOe H = 10,8 kOe c c 10 10 4pM,B (kG) 4pM, B (kG) max 4pM B BH -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 4pM B BH 0 -40 -30 H (kOe) Mẫu NdFeB nghiền h -XLN3 -10 Mẫu NdFeB nghiền h -XLN8 15 15 (BH) max = 32,4 MGOe (BH) 4pM, B (kG) 10 4pM B BH -35 -30 = 35,5 MGOe c c -40 max H = 21,2 kOe H = 18,1 kOe 4pM, B (kG) -20 H (kOe) -25 -20 -15 -10 -5 H (kOe) Mẫu NdFeB sau pha thêm Dy40Nd30Al30-XLN3 10 4pM B BH -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 H (kOe) Mẫu NdFeB sau pha thêm Dy40Nd30Al30-XLN8 Hình 3.11 Các đường đặc trưng từ số mẫu tiêu biểu - 61 - Tuy lực kháng từ nam châm tăng lên đáng kể sau xử lý nhiệt thích hợp độ vuông đường trễ hầu hết bị suy giảm dẫn đến tích lượng cực đại không tăng Mặc dù việc xử lý nhiệt cần thiết nhiều ứng dụng thực tế đòi hỏi lực kháng từ nam châm phải đủ lớn Đa số nam châm sau xử lý nhiệt lực kháng từ tăng lên nhiều mà giữ tích lượng cực đại lớn 35 MGOe Đặc biệt với mẫu nam châm có hợp chất pha thêm Dy40Nd30Al30, lực kháng từ đạt tới 21,2 kOe Cần phải tiến hành thí nghiệm nhiều để tìm chế độ xử lý nhiệt làm tăng đồng thời lực kháng từ tích lượng cực đại cho nam châm - 62 - * Quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B Từ kết nghiên cứu thu được, tóm lược quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ HC lớn 21 kOe sau: - Hợp phần: Nd16,5Fe77B6,5 - Vật liệu ban đầu: Nd, Fe FeB(18%B) - Nấu hợp kim: 5-10 kg/mẻ, thời gian nấu ~30 phút - Nghiền thô: 1-1,5 kg/mẻ, thời gian nghiền 15-20 phút - Nghiền tinh: 2-3 kg/mẻ, thời gian nghiền - Trộn hợp phần Nd16,5Fe77B6,5với hợp chất pha thêm Dy40Nd30Al30 theo tỉ lệ khối lượng Nd16,5Fe77B6,5/khối lượng Dy40Nd30Al30 50/1 - Ép dị hướng: từ trường 20 kOe - Thiêu kết: nhiệt độ 1080oC, thời gian giờ, nguội nhanh sau thiêu kết - Xử lý nhiệt hai giai đoạn: nâng nhiệt tới 820oC giữ thời gian 0,5 sau nguội nhanh xuống nhiệt độ phòng; tiếp tục nâng nhiệt tới 540oC giữ thời gian nguội nhanh đến nhiệt độ phòng - 63 - KẾT LUẬN Đã nghiên cứu ảnh hưởng hợp phần pha thêm Dy40Nd30Al30 lên lực kháng từ nam châm thiêu kết Nd16,5Fe77B6,5 Việc thêm hạt nano từ Dy40Nd30Al30 !ã tạo thành biên hạt mỏng phân bố đồng hơn, đồng thời giúp Dy khuếch tán vào hạt 2:14:1 cách dễ dàng từ làm tăng cường giá trị lực kháng từ nam châm lên tới 21,2 kOe (trước đạt cỡ 15 kOe) Đã nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lí nhiệt lên lực kháng từ nam châm thiêu kết Nd16,5Fe77B6,5 Chế độ xử lí nhiệt hai giai đoạn nâng nhiệt tới 820oC giữ thời gian 0,5 sau âó nguội nhanh khí Ar xuống nhiệt độ phòng; tiếp tục nâng nhiệt tới 540oC giữ thời gian nguội nhanh khí Ar đến nhiệt độ phòng cho giá trị lực kháng từ tối ưu - 64 - DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Phạm Thị Thanh, Nguyễn Hải Yến, Nguyễn Xuân Long, Dương Đình Thắng, Trương Trọng Thanh, Phạm Khương Anh Nguyễn Huy Dân “Nâng cao lực kháng từ nam châm thiêu kết NdFeB cách thêm vào hạt nano từ (Dy, Nd, Nb)-Cu-Al vào biên hạt” Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS-2013) – Thái Nguyên 4-6/11/2013 - 65 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Văn Khánh (2003), Nam châm kết dính sở vật liệu từ NdFe-B: Công nghệ chế tạo, tính chất ứng dụng, Luận án tiến sĩ Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội [2] Trần Thị Lan (2012), Nghiên cứu công nghệ chế tạo làm giảm lượng đất nặng Dy nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, Luận văn thạc sĩ Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội [3] Lưu Tuấn Tài (2008), Vật liệu từ, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội [4] Phạm Đình Thịnh (2009), Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B phương pháp thiêu kết, Luận văn thạc sĩ vật lí Trường Đại học Sư phạm Hà Nội [5] Nguyễn Phú Thùy (2003), Vật lí tượng từ, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội [6] Đoàn Minh Thuỷ (2006), Nghiên cứu ảnh hưởng tham số công nghệ lên tính chất từ nam châm kết dính RE-Fe-B, Luận án tiến sĩ khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Vật liệu [7] L.T.Tú, N.V.Vượng, T.L Hưng, N.C Tráng, N.C Kiên, N.Q Trung, Nam châm Nd-Fe-B thiêu kết chế tạo sở hợp kim thu phương pháp hoàn nguyên Canxi, Tuyển tập báo cáo hội nghị Vật lí toàn Quốc lần thứ IV, Núi Cốc 5-7/11/2003, tr 647-650 [8] Phùng Anh Tuấn (2010), Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB quy mô bán công nghiệp, Luận văn thạc sĩ Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà nội - 66 - Tiếng Anh [9] Grieb B., Knoch K.G., Th Henig E., Petzow G (1989), “Influence of Albased additions on coercivity and microstructure in Nd-Fe-B magnets”, J Magn Magn Mater., 183, pp 49-67 [10] Harland C.L., Davies H.A (1997) “magnetic properties of melt-spun Nd rich NdFeB with D yang Ga substitutions”, Journal of Alloys and compounds, 281, pp 37-40 [11] Long G.J., Kulasekere R., Pringle O.A (1992), “A comparison of the Moessbauer effect spectra of R2Fe14C”, J.Magn.Magn.Mater., 117, pp.239250 [12] Fidler J and Schrefl T (1996), “Overview of Nd-Fe-B Magnets And Coercivity (invited)”, J Appl Phys.,79(8) pp 5029-5034 [13] Abache J and Oesterreicher H (1986), “Structure and magnetic properties of R2Fe14-xTxB (R=Nd, Y; T=Cr, Mn, Co, Ni, Al)”, J Appl Phys., 60,pp 1114-1120 [14] Fidler J, Schrefl T, Hoefinger S and Hajduga M (2004), Recent developments in hard magnetic bulk materials, J Appl phys,16, pp 455-470 [15] Herbst J.F., Croat J.J., Yelon W.B (1984), “Structure and Magnetic Propoties of Nd2Fe14B”, J.Appl.Phys., 57,pp.4086-4090 [16] Buschow K.H.J (1998), Permanent-magnets materials and their applications, materials science foundations, Trasn Tech Publications [17] Sagawa M., Fujimura S., Togawa N., Yamamoto H and Matsuura Y (1984), “New material for permanent magnets on a base of Nd and Fe”, J Appl Phys., 55, pp 2063-2067 [18] Mottram R.S., William A.J., Harris I.R (2002), “Blending additions of Al and Co to Nd16Fe76B8 milled powder to produce sintered NdFeB”, J Magn Magn Mater., 222, pp 305-313 [19] Pandian S., Chandrasekaran V., Markandeyulu G., Lyer K.J.L., Rama Rao K.V.S (2002), “Effect of Al, Cu, Ga and Nb addition on the magnetic properties and microstructural features of sintered NdFeB”, J Appl Phys., 92(10), pp 6082-6086 [...]... công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> để < /b> làm < /b> tăng < /b> lực < /b> kháng < /b> từ < /b> của < /b> nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B 2 Mục đích của < /b> đề tài Chế < /b> tạo < /b> được nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B có lực < /b> kháng < /b> từ < /b> lớn và tìm quy trình công < /b> nghệ < /b> ổn định để < /b> chế < /b> tạo < /b> hiệu quả hơn 3 Đối tượng nghiên < /b> cứu < /b> Nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B 4 Nhiệm vụ nghiên < /b> cứu < /b> Nghiên < /b> cứu < /b> ảnh hưởng của < /b> việc thay đổi điều kiện công < /b> nghệ < /b> và ảnh hưởng của < /b> việc b sung vào thành phần hợp kim một... thẳng giản đồ pha cân b ng của < /b> hhệ Nd-< /b> Fe-< /b> B B với v tỉ số Nd/< /b> B= 2 Phaf (Nd2< /b> Fe1< /b> 4B) , h (NdFe 4B4 ) Trong nam < /b> châm < /b> Nd < /b> Nd -Fe-< /b> B, pha thứ cấp này ày chính là pha giàu Nd < /b> Vì thế, dựa vào giản ản đồ pha của < /b> hệ Nd < /b> Nd -Fe-< /b> B (hình 1.8), hợp ợp kim ban đầu để < /b> chế < /b> tạo < /b> nam < /b> châm < /b> Nd-< /b> Fe < /b> Fe -B thiêu < /b> kết < /b> ta có thể lựa chọn ọn tỉ lệ hợp thức là l 16,5:77:6,5 - 24 - Hợp kim Nd-< /b> Fe-< /b> B ban đầu có thể chế < /b> tạo < /b> b ng phương pháp nhiệt... từ < /b> là cơ chế < /b> ghim vách đô men 1.3 Công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B Xuất phát từ < /b> quan điểm cho rằng tồn tại một pha b n vững có phẩm chất từ < /b> cao trong họ vật liệu Nd-< /b> Fe-< /b> B [16], các chuyên gia hãng Sumitomo Special Metals đã phát triển công < /b> nghệ < /b> luyện kim b t truyền thống để < /b> chế < /b> tạo < /b> nam < /b> châm < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B Công < /b> nghệ < /b> này bao gồm những công < /b> đoạn chủ yếu sau: - Chế < /b> tạo < /b> hợp kim Nd-< /b> Fe-< /b> B ban đầu b ng phương... lực < /b> kháng < /b> từ < /b> cao Để nâng cao chất lượng của < /b> nam < /b> châm < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B xu hướng nghiên < /b> cứu < /b> hiện nay của < /b> các nhà khoa học là tập trung nghiên < /b> cứu < /b> về vi cấu trúc, thành phần hợp chất, công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> (xử lý nhiệt, cải thiện biên hạt, đưa vào các -3- hạt kích thước nanomet, khuếch tán b mặt ) Từ < /b> những lý do trên chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên < /b> cứu < /b> luận văn: Nghiên < /b> cứu < /b> công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> để < /b> làm < /b> tăng < /b> lực.< /b> .. được làm < /b> từ < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B bằng phương pháp thiêu < /b> kết < /b> tuy công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> phức tạp và khó tạo < /b> dáng nhưng lại có lực < /b> kháng < /b> từ < /b> lớn, tích năng lượng từ < /b> cực đại cao hơn hẳn so với tạo < /b> ra b ng phương pháp khác Trong nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> các hạt từ < /b> có kích thước vài micromet được liên kết < /b> nhau b i một pha phi từ < /b> giàu Nd < /b> ở biên hạt Nam < /b> châm < /b> này có tính dị hướng cao, tích năng lượng cực đại (BH)max khá lớn Kỉ lục (BH)max... hướng và từ < /b> độ b o hòa theo nhiệt độ Mô hình mầm đã được áp dụng cho nam < /b> châm < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B mà trong đó pha phi từ < /b> ở biên hạt đóng vai trò làm < /b> trơn biên hạt, loại b các vị trí tạo < /b> mầm Chính vì thế mà nam < /b> châm < /b> rất khó b khử từ < /b> do phải tạo < /b> ra các mầm đảo từ < /b> mới Đã có sự phù hợp tốt giữa lí thuyết và thực nghiệm khi áp cơ chế < /b> mầm là cơ chế < /b> lực < /b> kháng < /b> từ < /b> ưu tiên cho loại nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B * Cơ chế < /b> ghim... nam < /b> châm < /b> đàn hồi) Lượng Nd < /b> trong nam < /b> châm < /b> loại - 10 - này b ng khoảng 1/3 trong nam < /b> châm < /b> Nd2< /b> Fe1< /b> 4B thông thường, điều này làm < /b> giảm đáng kể giá thành và làm < /b> tăng < /b> độ b n về mặt hoá học của < /b> nam < /b> châm < /b> Sau các phát hiện đó vật liệu loại Nd-< /b> Fe-< /b> B được đặc biệt chú ý đối với các phòng thí nghiệm trên thế giới Rất nhiều công < /b> trình nghiên < /b> cứu < /b> về vi cấu trúc, thành phần hợp chất, công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> đã được công < /b> b ... phần chính Nd,< /b> Fe,< /b> B lên lực < /b> kháng < /b> từ < /b> của < /b> nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B 5 Phương pháp nghiên < /b> cứu < /b> Luận văn được tiến hành b ng phương pháp thực nghiệm trong đó: Ø Hợp kim ban đầu được chế < /b> tạo < /b> b ng lò trung tần, sau đó được nghiền b ng phương pháp nghiền bi trên máy nghiền rung B t hợp kim được ép ướt, thiêu < /b> kết < /b> và xử lý nhiệt trong lò thiêu < /b> kết < /b> Ø Việc phân tích pha và kiểm tra cấu trúc tinh thể của < /b> mẫu được... Nd < /b> chứ không thể dùng chung Sm với Pr hoặc Sm với Nd < /b> Từ < /b> những phân tích vừa trình b y ở trên cùng với một số suy luận khác ta có thể đánh giá vai trò quan trọng của < /b> nguyên tố Nd < /b> trong việc chế < /b> tạo < /b> vật liệu từ < /b> tính chất lượng cao * Cơ chế < /b> lực < /b> kháng < /b> từ < /b> và đảo từ < /b> Lực < /b> kháng < /b> từ < /b> cho ta biết khả năng chống lại sự đảo của < /b> từ < /b> độ sau khi b từ < /b> hóa b o hòa Nguồn gốc sâu xa của < /b> lực < /b> kháng < /b> từ < /b> chính là dị hướng từ.< /b> .. trong phòng thí nghiệm là 59 MGOe, đạt 92% giá trị (BH)max lí thuyết (64 MGOe) Ở Việt Nam,< /b> nam < /b> châm < /b> vĩnh cửu làm < /b> từ < /b> NdFe -B cũng rất được quan tâm nghiên < /b> cứu < /b> chế < /b> tạo,< /b> xong chất lượng sản phẩm mới chỉ đạt khoảng hơn 50% theo lí thuyết và công < /b> nghệ < /b> chế < /b> tạo < /b> chưa ổn định Nam < /b> châm < /b> thiêu < /b> kết < /b> Nd-< /b> Fe-< /b> B vẫn đang là loại nam < /b> châm < /b> hiện đại, có tích năng lượng từ < /b> (BH)max cao nhất và được ứng dụng rất nhiều trong thực ... b mặt ) Từ lý định chọn đề tài nghiên cứu luận văn: Nghiên cứu công nghệ chế tạo để làm tăng lực kháng từ nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Mục đích đề tài Chế tạo nam châm thiêu kết Nd- Fe- B có lực. ..ii B Ộ GIÁO DỤC V VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ỜNG ĐẠI HỌC S SƯ PHẠM HÀ NỘI a &b - NGUYỄN XUÂN LONG NGHIÊN CỨU ỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐỂ L LÀM TĂNG L LỰC KHÁNG TỪ CỦA ỦA NAM CHÂM THI THIÊU KẾT Nd- Fe- B B... có lực kháng từ lớn tìm quy trình công nghệ ổn định để chế tạo hiệu Đối tượng nghiên cứu Nam châm thiêu kết Nd- Fe- B Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng việc thay đổi điều kiện công nghệ ảnh