Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp (Dy, Cu, Al...) lên tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B

  • Số trang: 30 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 56 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27583 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ NGUYỄN THỊ NGỌC LAN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỤ PHA TẠP (Dy, Cu, A l...) LÊN TÍNH CHẤT CỦA NAM CHÂM THIÊU KÉT Nd-Fe-B Chuyên ngành: Vật lý chất rắn KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI • • • HỌC • Ngưòi hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HUY DÂN HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Huy Dân về sự hướng dẫn tận tình và hiệu quả dành cho tôi để tôi hoàn thành khóa luận này. Xin được cảm ơn sự giúp đỡ về thiết bị của Phòng Thí nghiệm Trọng điểm, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Phạm Thị Thanh, ThS. Nguyễn Hải Yen cùng các cán bộ nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm và Phòng Vật lí Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện khóa luận. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các giảng viên khoa Vật lí của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi khắc phục những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cún và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành bản khóa luận này một cách tốt nhất. Hà Nội, tháng 5 năm 2015. Sinh viên Nguyễn Thị Ngọc Lan. MỤC LỤC MỞ ĐẦU......................................................................................................................1 CHƯƠNG ĩ. TÓNG QUAN VỀ NAM CHÂM THĨÊU KỂT Nd-Fe-B....................... 4 1.1. Lịch sử phát triển hợp kim từ cứng................................................................. 4 1.2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe]4B......................................................... 7 1.3. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B............................................ 8 1.4. Ánh hưởng của các nguyên tố Dy, Cu, AI lên tính chất từ của nam châm Nd-Fe-B.................................................................................................................... 9 CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP THựC NGHIỆM.............................................11 2.1. Chế tạo mẫu...................................................................................................... 11 2.1.1. Quy trinh và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết........................................ 11 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu...........................................................................13 2.2. Khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu.................................................................16 2.2..1. Phương pháp nhiễu xạ tiaX .....................................................................16 2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử..................................................................... 17 2.2.3. Phép đo từ.................................................................................................. 18 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................ 21 3.1. Cấu trúc của bột hợp kim Nd-Fe-B và hợp chất pha thêm Dy-Nb-Al............... 21 3.2. Ảnh hưởng của hợp chất pha thêm lên tính chất từ của bột hợp kim Nd-Fe-B. 23 KÉT LUẬN............................................................................................................... 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 27 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Vật liệu từ cứng được sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vục khác nhau của đời sống và kỹ thuật. Nam châm vĩnh cửu được sử dụng ở dạng đơn giản trong các thiết bị như động cơ, máy phát, khởi động điện từ, loa điện động... và trong các linh kiện công nghệ cao như các cảm biến, đĩa ghi tù’ mật độ cao, vi khởi động điện từ v.v... Trong tình trạng khủng hoảng về năng lượng và ô nhiễm môi trường ngày càng tăng cao như hiện nay, vấn đề sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo lại (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng nước, địa nhiệt...) đang được toàn thế giới đặc biệt quan tâm và phát triển mạnh mẽ. Nam châm vĩnh cửu đóng một vai trò quan trọng không thể thiếu được trong hầu hết các thiết bị chuyển đối các dạng năng lượng đó thành năng lượng điện. Có rất nhiều loại nam châm vĩnh cửu được phát hiện, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với nhiều mục đích khác nhau. Trong thế giới phong phú của các loại nam châm vĩnh cỉm, nam châm đất hiếm đang giữ một vai trò quan trọng hàng đầu do các phẩm chất từ rất tốt của nó. Nam châm thiêu kết Neodym-Sắt-Bo, còn được viết tắt là Nd-Fe-B là một loại nam châm đất hiếm được tạo ra từ họp chất của Neodym (Nd) - sắt (Fe) - Bo (B), với công thức phân tử là Nd2FeỊ4B. Nam châm thiêu kết NdFeB lần đầu tiên được chế tạo thành công vào năm 1982, được công bố đồng thời bởi hai công ty lớn là General Motors Corporation (Mỹ) và Sumitomo spécial Metals (Nhật Bản), và hiện vẫn đang là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất từng được biết. Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B mạnh hơn rất nhiều so với các loại nam châm truyền thống như nam châm Ferrite, nam châm AlNiCo... Do vậy, từ khi nam châm này ra đời đến nay nó đã và đang chiếm tỷ trọng lớn trong thị trường nam châm trên toàn thế giới (chiếm khoảng 40% thị phần các loại nam 1 châm trên toàn thế giới). Với rất nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các loại nam châm thế hệ trước, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B được sử dụng là một nguồn tạo từ trường mạnh, tạo ra những ứng dụng mới trong việc chế tạo các sản phẩm mới, độc đáo mà trước đó chưa hề có như: được sử dụng nhiều trong ở cứng máy tính, trong các động cơ công suất lớn, máy chụp ảnh cộng hưởng từ, xe đạp điện, xe lăn điện, máy phát thủy điện, các loại máy được sử dụng để khai thác các loại khoáng sản như: sắt, titan, sa khoáng... phụcvụ cho ngành sản xuất đồ gốm-sứ, đồ thủy tinh hoặc kim loại. Trong một số ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong các động cơ, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B được yêu cầu phải có đồng thời tích năng lượng từ cao và lực kháng từ lớn. Với công nghệ hiện thời, để chế tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đáp ứng được yêu cầu trên đòi hỏi phải thay thế một phần Nd bằng Dy. Lượng Dy thay thế cho Nd có thể lên tới 40% tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Tuy nhiên, lượng Dy trong tự nhiên chỉ bằng cỡ 10% của Nd và giá thành cũng đắt hơn rất nhiều (gấp khoảng 4 lần). Chính vì vậy, một số nhà khoa học đang tìm cách nâng cao chất lượng của nam châm thiêu kết Nd-FeB bằng công nghệ mới (xử lý nhiệt, cải thiện biên hạt, thêm các nguyêntố phi đất hiếm Cu, AL..) trong loại nam châm này. Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B với các đặc tính ưu việt của mình đã tập trung được sự chú ý của các nhà nghiên cún công nghệ nhằm hoàn thiện việc chế tạo chúng trong những lĩnh vục khác nhau mà nhớ đó rất nhiều sản phấm có hiệu suất cao ra đời và nhanh chóng chiếm thị trường lớn trên thế giới. Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B chính là để phục vụ cho các mục đích nói trên. Chính vì vậy, tôi chọn nam châm này làm đối tượng nghiên cứu cho đề tài khóa luận tốt nghiệp. 2 Khóa luận này được tiến hành với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp (Dy, Cu, A l...) lên tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B” dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cún ảnh hưởng của sự pha tạp (Dy, Cu, A l...) lên tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B để tạo được nam châm có chất lượng tốt, có khả năng ứng dụng cao trong thực tế. 3. Nhiệm yụ nghiên cứu - Chế tạo mẫu. - Đo đạc. - Xử lý số liệu. - Tổng họp kết quả. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cửu. - Đối tượng: Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. - Phạm vi: Nghiên cún cấu trúc tính chất của nam châm chế tạo được. 5. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp thực nghiệm. 3 CHƯƠNG I. TỎNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B 1.1. Lịch sử phát triển họp kim từ cứng. Trong quá trình hình thành và phát triển, vật liệu từ cứng đã trải qua nhiều giai đoạn với các chủng loại nam châm phong phú, đa dạng. Nam châm vĩnh củai được phát hiện đầu tiên dưới dạng những viên quặng manhetit được từ hóa trong từ trường Trái đất hoặc do biến động địa tầng của vỏ Trái đất sinh ra. Vào khoảng giữa thế kỉ XIX, đầu thế kỉ XX, nam châm nhân tạo ra đời, mở ra những hướng mới trong ứng dụng nam châm vào cuộc sống và khoa học kỹ thuật. Từ xa xưa, người Trung Quốc cổ đã biết đến tính chất tù’ của "đá nam châm" (lodestone), mà sau này thành phần hoá học được xác định là ôxít sắt tụ’ nhiên Ỵ-Fe20 3 và Fe30 4 với lực kháng tù’ Hc cỡ vài chục Oe, cảm ứng tù’ dư Br khoảng 3 ^ - 4 kG. Năm 1743, Daniel Bernoulli là người đầu tiên đưa ra ý tưởng tạo nam châm có hình móng ngựa bằng thép cacbon (Fe3C), sau đó là bằng thép coban và thép volíram. Nam châm này tương đối yếu với tích năng lượng cực đại (BH)max ~ 1 MGOe. Thành công đầu tiên trong nâng cao phẩm chất tù’ được đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima (Nhật Bản) vào năm 1932 [4]. Họp kim này được chế tạo bởi quá trình hợp kim hóa ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lượng nhỏ AI và Cu, lực kháng từ Hc đạt khoảng 6,2 kOe, tuy nhiên, do từ độ bão hòa nhỏ so với thép từ cứng nên (BH)max chỉ đạt 1 MGOe. Vào thập niên 30 của thế kỉ XX, nam châm loại này được sử dụng rộng rãi trong môtơ và loa âm thanh. Thành phần hợp kim và công nghệ chế tạo liên tục được phát triển, đến năm 1956 hợp kim Alnico 9 với tính dị hướng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hướng dạng) có (BH)max đạt khoảng 10 MGOe. Hiện nay, nam châm loại này vẫn còn được sử dụng do chúng có nhiệt độ Curie cao (850°C). Nhược điểm của vật liệu này là 4 lực kháng tù’ Hc bé (~ 2 kOe). Hợp kim Alnico được chế tạo bằng công nghệ đúc trục tiếp và sau đó ủ trong tù’ trường hoặc thiêu kết. Chính quy trình công nghệ này làm phát triển vi cấu trúc dạng cột của pha sắt tù' mạnh Fe-Co trên nền sắt tù’ Ni-AI yếu hơn. Lực kháng từ của hợp kim này được xác định bởi dị hướng hình học của pha Fe-Co và cơ chế ghim vách đô men của pha Ni-Al. Những bước tiến tiếp theo đã đạt được vào đầu thập niên 50, đó là việc khám phá ra vật liệu ferit cứng tổng hợp ở công ty Philip, Hà Lan. Vật liệu ferit có cấu trúc lục giác với hai hợp chất Ba0.6Fe20 3 và Sr0.6Fe20 3. Tuy cảm ứng tù' dư thấp (~ 4,2 kG) nhưng lực kháng tù’ của chúng có giá trị lớn hơn nhiều so với các vật liệu trước đó (~ 3 kOe) và (BH)max cũng không cao (~ 4 MGOe). Tuy nhiên loại nam châm này có ưu điểm là giá thành rất rẻ, hiệu quả và bền. Do vậy, ngày nay chúng vẫn là vật liệu được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% tống giá trị nam châm vĩnh cửu trên toàn thế giới. Năm 1966 đã phát hiện ra tính chất tù’ của vật liệu YCo5, đây là vật liệu tù' cúng đầu tiên dựa trên nguyên tố 4 f và nguyên tố 3d. Hợp kim sắt tù’ chứa các nguyên tố 3d và 4f hứa hẹn cho nhiều tính chất từ cao. Điều hứa hẹn đó được củng cố bởi sự phát hiện ra SmCo5 vào năm 1967, nó nhanh chóng trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại. Nam châm này được chế tạo ở dạng nam châm kết dính và có (BH)max ~ 5 MGOe. Năm 1969, nam châm SmC 0 5 loại thiêu kết có (BH)max ~ 20 MGOe đã được chế tạo. Hướng nghiên cún nói trên tiếp tục được phát triển và đến năm 1976, (BH)max đã đạt đến giá trị 30 MGOe đối với vật liệu S m 2COị7. Sự bất ổn của tình hình thế giới vào những năm cuối thập kỉ 70 (thế kỉ XX) đã gây biến động mạnh cho nguồn cung cấp và giá cả đối với Coban, một vật liệu thô chiến lược. Do đó, việc tìm kiếm vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Coban được cấp thiết đặt ra. Nd và Fe được chú ý do trữ lượng của chúng trong vỏ Trái Đất nhiều hơn so với các nguyên tố khác, so với Nd trữ lượng La và Ce nhiều hơn 5 nhưng chúng là các chất phi tù’. Điều quan trọng hơn là mômen tù’ nguyên tủ’ của các nguyên tố này là lớn nhất trong các nhóm tương ứng. Nhiều hướng nghiên CÚ01 vật liệu cho nam châm Nd-Fe đã được đưa ra. Một trong các hướng đó là tìm kiếm một pha ba thành phần mới có cấu trúc tinh thể thích hợp, một hướng khác là tìm cách bền vũng hóa pha giả bền bằng phương pháp nguội nhanh. Sự tồn tại hợp chất giàu sắt trong giản đồ pha ba thành phần Nd-Fe-B đã được Kuzma và cộng sự (Ukrain) lưu ý vào đầu năm 1979, nhưng mãi đến năm 1983, Sawaga ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) mới công bố thành công trong việc chế tạo nam châm vĩnh cửu với thành phần họp thức N d15Fe77B8 có Br = 12 kG, Hc = 12,6 kOe, (BH)max = 36,2 MGOe bằng phương pháp luyện kim bột tương tự’ như phương pháp đã sử dụng chế tạo nam châm Sm-Co. Pha từ chính là pha Nd2Fe|4B có cấu trúc tứ giác (tetragonal). Cùng trong thời gian đó, một cách độc lập, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) cũng đã chế tạo được nam châm vĩnh cỉru dựa trên pha ba thành phần Nd2Fei4B theo công nghệ nguội nhanh có Br = 8 kG, Hc= 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [7]. Đặc biệt, năm 1988 Coehoom và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố phát minh loại vật liệu mới với Br = 10 MGOe, Hc = 3,5 kOe, (BH)max = 12 MGOe, nam châm này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), a-Fe (12% thể tích) và pha tù’ cứng Nd2Fei4B (15% thể tích). Trong nam châm này có tương tác trao đổi giữa các hạt tù’ cứng và tù’ mềm lân cận nhau làm véctơ từ độ của chúng định hướng song song dẫn đến từ độ bão hòa được nâng cao và tính thuận nghịch trong khử tù’ rất cao (nên chúng còn được gọi là nam châm đàn hồi. Lượng Nd trong nam châm loại này bằng khoảng 1/3 trong nam châm Nd2FeỊ4B thông thường, điều này làm giảm đáng kể giá thành và làm tăng độ bền về mặt hoá học của nam châm. 6 1.2. Cấu trúc tinh thể của họp kim Nd2Fei4B. Tinh the Nd2Fe!4B thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tú' giác thuộc nhóm không gian P42/mnm với kích thước ô cơ sở là a = 0,878 nm và с = 1,220 nm như mô tả trên hình 1.1 a. ^Fe c fF e o ^Fe # N d f # N d g i-Ị 0 Fe Ỉ 2 ^ F o kf # F o к 2 «B g ® Bg Hình 1.1. Cấu trúc tình thể của họp kim Nd2Fei4 B (a), nguyên tử в và 6 nguyên tử Fe (vị trí e và кj) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [10]. Pha Nd2Fei4B có cấu trúc khá ổn định vì trong mỗi ô cơ sở có 68 nguyên tử chứa trong 4 đơn vị công thức Nd2Fei4B. Các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tương đương, các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j r Fe j 2, Fe kị, Fe k2), các nguyên tử в chiếm vị trí В g. Trên mặt phang cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd và В cùng 4 nguyên tử Fe ở vị trí Fe c. Mỗi nguyên tử в kết họp với 6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k ị ) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác hình 1.lb. Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và ở bên dưới các mặt phang 7 cơ sở. cấu trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh của vật liệu này. Nhờ sự sắp xếp này mà cấu trúc tinh thể của họp kim Nd2Fe|4B được ổn định. 1.3. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. Xuất phát từ quan điểm cho rằng tồn tại một pha bền vũng có phẩm chất từ cao trong họ vật liệu Nd-Fe-B [8], các chuyên gia hãng Sumitomo Special Metals đã phát triển công nghệ luyện kim bột truyền thống để chế tạo nam châm Nd-Fe-B. Công nghệ này bao gồm những công đoạn chủ yếu sau: - Chế tạo họp kim Nd-Fe-B ban đầu bằng phương pháp nhiệt canxi [3] hoặc nấu từ các kim loại sạch Nd, Fe, B và Fe-B với những tỉ phần phối liệu thích hợp có tính đến sự mất mát của B trong quá trình nấu luyện trong lò trung tần, đồng thời đảm bảo một lượng dư thừa Nd thích hợp để kích thích quá trình thiêu kết và làm tăng lực kháng từ của sản phẩm nam châm sau này. - Nghiền cơ học họp kim trong môi trường bảo vệ, để có độ hạt trung bình nhỏ hơn 3 |Lim. - Ép đẳng tĩnh sản phẩm nam châm nhằm tăng khối lượng riêng của mẫu. - Thiêu kết mẫu và xử lí nhiệt trong môi trường bảo vệ tại nhiệt độ thích hợp để tạo sản phẩm nam châm có khối lượng riêng khoảng 7,4 7,5 g/cm3, với thành phần chủ yếu là pha Nd2Fei4B xuất hiện do phản ứng cùng tinh khi nấu hợp kim và giảm pha giàu Nd ở biên hạt đến mức tối ưu. - Gia công cơ khí và bọc bịt bề mặt chống già hoá. - Nạp từ sản phẩm ở từ trường mạnh để đạt mô men từ dư cực đại. 8 1.4. Ảnh hưởng của các nguyên tố Dy, Cu, AI lên tính chất từ của nam châm Nd-Fe-B. Như chúng ta đã biết, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là loại nam có phẩm chất từ tốt nhất hiện nay, có tích năng lượng cực đại (BH)max cao và được ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế như: động cơ, máy phát điện, máy tuyển từ, thiết bị thông tin, thiết bị khoa học, thiết bị y tế... Vì vậy, yêu cầu ứng dụng nam châm thiêu kết của các thiết bị rất là phong phú. Một số thiết bị: máy ảnh kỹ thuật số, tai nghe... cần sử dụng nam châm có tích năng lượng từ cực đại lớn nhưng một số thiết bị khác: máy phát điện, động cơ điều hòa... lại sử dụng nam châm có lực kháng từ cao. Đẻ đáp ứng được điều đó phải thay thế một phần Nd bằng Dy, Cu, Al... Hiện nay, trên thực tế, pha tạp Dy, Cu, Al... là phương pháp phổ biến để làm tăng lực kháng từ của nam châm và giúp cho vật liệu ít bị oxy hóa. Một trong những nhược điểm của pha Nd2Fe|4B là nhiệt độ Curie Tc tương đối thấp (-585K), do đó mục tiêu hướng tới là làm tăng nhiệt độ này. Tính chất từ của vật liệu có thế được cải thiện đáng kể khi tính dị hướng từ tinh thể của vật liệu được tăng cường. Các nguyên tố đất hiếm có tính dị hướng đơn ion lớn hơn Nd có thể được sử dụng để làm cải thiện tính dị hướng từ tinh thể của pha RE2Fei4B. Trong các nguyên tố đất hiếm (RE) thay thế, Dy được chú ý hơn cả vì trường dị hướng từ nhiệt độ phòng của D2Fei4B (|i()HA ~ 27,8T) cao hơn khá nhiều so với Ned2Fi4B (|U()HA ~ 7,5T). Trong họp kim nguội nhanh (Ndi()0 _xDyx)i 6Fe7 6B6, lực kháng từ tăng theo X, tăng ~ 100% khi X = 30, trong khi đó cả cảm ứng từ dư Br và (BH)max lại có xu thế giảm [9]. Một họp phần tiêu biểu cho lực kháng từ cao mà vẫn đảm bảo các thông số khác của nam châm không bị ảnh hưởng nhiều là Ndi3 ?5Dyi>5Fe7 6NbB8. Việc pha thêm các nguyên tố đất hiếm nặng còn làm gia tăng đáng kể nhiệt độ kết tinh của pha từ cứng. Ngoài ra, Cu cũng được biết như là nguyên tố có thể tạo nên các đám nguyên tử trong giai đoạn 9 đầu của quá trình tinh thể hoá hợp kim vô định hình chứa Fe, điều này được giải thích là do tính không hòa tan được của Cu trong mạng tinh thể Fe. Với nguyên tố Al, nhiều nghiên cứu khẳng định cho rằng, cả từ độ và nhiệt độ Curie Tc của Nd2(Fei_xAlx)|4B đều giảm theo X [7], [12], [13]. AI thay thế cho Fe trong pha 2/14/1 ưu tiên vào vị trí j 1 và k2. Sự thay thế khoảng 2 -ỉ- 3 at. Phần trăm hàm lượng nguyên tử của Fe bằng AI này đã làm giảm các thông số từ nội tại ở nhiệt độ phòng của pha Nd2Fei4B như: trường dị hướng HA (từ 75 xuống 59 -T48 kOe), từ độ bão hòa Ms (từ 1,6 xuống 1,0 -T 0,7 T) và Tc (từ 588 xuống 505 -ỉ- 409 K) [7]. Tuy nhiên, một lượng AI phù họp lại có ảnh hưởng lên vi cấu trúc của nam châm và làm tăng lực kháng từ. Trong nghiên cứu [12], [13] thêm 1 -T 2% trọng lượng (wt.%) AI làm giảm cảm ứng từ dư Br cỡ 5% nhung lại làm tăng lực kháng từ Hc cỡ 20%. Hc tăng là do ảnh hưởng của AI làm phân bố đồng đều pha biên hạt. Ngoài ra, khi thêm AI đã hình thành một vài pha lạ khác ở biên hạt như Nd(Fe,Al)2 và Nd6Fei 1 Al3. Như vậy, để tối un tính chất từ của Nd2Fi4B, một số khả năng thay thế cho ba nguyên tố thành phần đã được nghiên cứu. Thật không may mắn, không có sự thay thế đơn lẻ nào cải thiện được cả ba thông số tù’ quan trọng: nhiệt độ từ, nhiệt độ Curie và dị hướng từ. Dy làm tăng mạnh mẽ Kị và tăng nhẹ Tc nhưng lại giảm độ từ. Một lượng nhỏ AI để không làm giảm các thông số từ nội tại, làm mịn vi cấu trúc, tăng cường lực kháng từ cho nam châm. 10 CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỤC NGHIỆM. 2.1. Chế tạo mẫu. 2.1.1. Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết. Quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB được tiến hành theo các công đoạn thể hiện ở hình 2.1. Hình 2.1. Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết. 11 Công đoạn cân mẫu để xác định khối lượng Nd, Fe, Fe-B cần sử dụng để chế tạo hợp kim. Sau khi cân mẫu tiến hành nấu để chế tạo hợp kim ban đầu bằng lò trung tần. Công đoạn nghiền để đưa các hạt từ về kích thước đô men và tiến hành theo hai cấp là nghiền thô và nghiền tinh. Ép định hướng trong tù’ trường nhằm làm xoay các hạt tù' đế các hạt có phương song song và cố định các hạt tù’. Công đoạn ép đẳng tĩnh để tăng mật độ khối. Thiêu kết là quá trình gắn kết các hạt từ bằng nhiệt, sau quá trình thiêu kết mật độ khối tăng lên. Xử lí nhiệt là công đoạn tiếp theo, công đoạn này thực hiện với mục đích ổn định biên hạt từ. Ở công đoạn gia công bọc phủ, nam châm được tạo hình và bọc phủ sơn chống ăn mòn. Nạp từ là công đoạn cuối cùng của quy trình để nam châm có từ tính (tích trữ năng lượng từ). Hình 2.2. Dây truyền các thiết bị chế tạo nam chầm. Lần lượt theo hưởng mũi tên: Lò trung tần (2 -T10 kg họp kim); Mảy đập hàm Pex- 100x125 (80 kg/h); Máy nghiền thô DSB 0500x650 (30 kg/mẻ); Máy nghiền tinh Jet Mỉỉling QLM-260 (50 kg/mẻ); Mảy ẻp định hướng (từ trườỉĩg 2 T); Máy ép đắng tĩnh (áp suất 25 MPa); Lò thiêu kết chân không nguội nhanh RVS-15G (15 kg/mẻ). 12 Hình 2.2 là các thiết bị dùng để chế tạo nam châm thiêu kết. Lò trung tần để nấu vật liệu và đúc khuôn khối hợp kim. Các máy đập Pex-100x125, máy nghiền thô DSB (|)500x650, máy nghiền tinh Jet milling QLM-260 dùng trong công đoạn nghiền. Máy ép tù’ trường để ép định hướng, máy ép đẳng tĩnh đế ép đắng tĩnh. Lò thiêu kết RVS-15G dùng trong công đoạn thiêu kết.Trong các thiết bị trên, đáng chú ý là hai thiết bị: Lò trung tần và lò thiêu kết RVS-260. ■ Lò trung tầm Tần số 4 kHz, công suất điện 35 kw , nồi nấu bằng vật liệu chịu nhiệt cao cho phép nấu từ 2 đến 10 kg/mẻ trong môi trường khí bảo vệ Ar, khuôn đúc họp kim làm mát bằng nước, đặt sẵn trong lò. ■ Lò thiêu kết chân không nguội nhanh RVS -15G: - Các thông số chính của máy: khối lượng mẫu thiêu kết 1 -h 15 kg/mẻ, khoảng nhiệt độ 300 -ỉ- 1200°c (± 5°C), công suất 30 kw/h, độ chân không có thể đạt 2.10"3 Pa. - Môi trường làm việc: chân không cao hoặc khí trơ. - Kiểu nguội nhanh: nguội theo lò hoặc nguội cưỡng bức bằng khí thổi. Yêu cầu: Tránh nung hay thiêu kết trong môi trường chân không thấp, khí trơ không sạch có tạp oxy hoặc những mẫu nung giải phóng oxy hay vật chất khác gây hỏng thanh đốt nhiệt, buồng đốt. Mau nung nên đặt trong bao nung kín để không gây ảnh hưởng tới lò. Mục đích sử dụng: thiêu kết viên nam châm Nd-Fe-B hoặc thiêu kết các vật liệu phù hợp khác. 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu. a) Chế tạo hợp kim ban đầu - Nguyên liệu đầu vào là Nd kim loại (~99%), Fe (~99,9%) và hợp kim Fe-B (18%B) được tẩy rủa sạch dầu mỡ, rỉ, cân theo công thức hợp phần Ndi65Fe77 B65 . Sự lựa chọn tỉ phần trọng lượng của 3 nguyên liệu đầu vào 13 (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 có ích trong quá trình rắn hoá (pha NdFe4B4, pha giàu Nd và pha Fe). Ngoài ra cần để ý đến sự bù trù’ lượng Nd và B hao hụt trong quá trình nấu hợp kim vì Nd là nguyên tố dễ bị oxy hoá, còn B thì dễ bay hơi và khó khuếch tán vào trong họp kim. Hỗn họp 3 nguyên liệu đầu vào được xếp vào nồi nấu của lò trung tần số. Quá trình xếp vật liệu vào nồi nấu được thực hiện sao cho cảm úng tốt nhất. Cụ thể thanh sắt được đặt thẳng đứng và tiếp xúc với thành nồi, các viên Nd đặt đáy nồi, viên Fe-B được đặt giữa nồi. - Tiến hành hút chân không, sau khi hệ thống chân không đạt cỡ 103 Pa tiến hành nạp khí Ar, hút chân không nhiều lần và cuối cùng nạp khí Ar đến áp suất 6.104 -T 8.104 Pa. - Bật công tắc điện cho lò, thời gian nấu cỡ 30 phút để đảm bảo cho các vật liệu nóng chảy hoàn toàn. - Họp kim thể lỏng được rót vào khuôn ngay trong môi trường khí Argon. - Tắt công tắc điện. Sau 1 giờ, tháo khối họp kim ra khỏi khuôn đúc và đem cân để xác định hao hụt vật liệu. b) Nghiền hợp kim Vì khối lượng mẫu nghiền là nhỏ nên chúng tôi không sử dụng máy nghiền thô DSB Ộ500x650 (30 kg/mẻ) và máy nghiền tinh Jet Milling QLM-260 (50 kg/mẻ) mà sử dụng cối nghiền thô và cối nghiền tinh ở hình 2.3. Họp kim được đập thành các viên nhỏ tới cỡ hạt trung bình 1,5 cm, sau đó đem nghiền thô. Mỗi mẻ nghiền thô khoảng 0,5 kg, thời gian nghiền 5 + 10 phút và dung môi sử dụng là xăng trắng công nghiệp. Tuy nhiên nên tiến hành nghiền vài lần, mỗi lần tù' 1 ^ 2 phút để giảm thiểu sự ôxy hóa. Bột họp kim sau khi nghiền có kích thước 100 -T 300 |um sẽ đem nghiền tinh. 14 Chúng tôi tiến hành nghiền tinh bằng phương pháp nghiền bi với tỉ lệ bột/bi là 1/10, mỗi mẻ nghiền khoảng 2 kg. Quá trình nghiền cũng sử dụng dung môi là xăng trắng công nghiệp, thời gian nghiền là 1 giờ và 2 giò’ thì thực hiện lấy mẫu. Hệ mẫu thu được sau khi nghiền tinh đem chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) đế xác định kích thước hạt. Hình 2.3 dưới đây là ảnh chụp các cối nghiền được sử dụng để nghiền hợp kim trong khi tiến hành làm thực nghiệm của khóa luận. a) b) Hình 2.3. Ánh chụp bên trong cối nghiền thô (a) và bên trong cối nghiền tinh (b) sử dụng làm thực nghiệm trong khóa luận. c) Ép tạo viên nam châm trong từ trường - Bột họp kim được lọc xăng, đặt vào khuôn của máy ép có lớp vải lót bên dưới và bên trên bột. - Từ trường định hướng là 2 T. - Viên nam châm sau khi ép được đặt trong chân không để tránh oxy hóa. d) Thiêu kết trong chân không 15 Đe tránh nứt vỡ sản phẩm, quá trình nâng nhiệt được thực hiện theo nhiều bước: Nâng từ nhiệt độ phòng lên 300°c trong khoảng 2,5 giờ; giữ ở 300°c trong 0,5 giờ; nâng tiếp lên 750°c trong 1 giờ; giữ ở 750°c trong một vài giờ; nâng lên khoảng 1050°c -T 1100°c trong 0,5 giờ sau đó giữ nguyên nhiệt độ trong một vài giờ. Viên nam châm được đặt trong thiết bị chuyên dụng (RVS-15G). Thiết bị cho phép cài đặt các thông số công nghệ của toàn bộ quá trình thiêu kết, vận hành tụ’ động. Buồng đốt có chân không cao (< 10’3 Pa) và theo chế độ nâng nhiệt định trước. Sau đó làm nguội bằng khí Ar thổi qua buồng đốt. e) Xử lí nhiệt. Đầu tiên chúng tôi tiến hành thử nghiệm xử lí nhiệt theo các chế độ khác nhau trên mẫu nhỏ. Sau đó thực hiện chế độ xử lí nhiệt hai giai đoạn ở 820°c và 520°c -T 580°c trong 1 h cho mẫu nam châm lớn. g) Gia công mẫu. Mầu nam châm được gia công để thực hiện phép đo từ trên hệ từ trường xung. 2.2. Khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu. 2.2..1. Phưo’ng pháp nhiễu xạ tia X Trong khóa luận này, chúng tôi phân tích các mẫu bằng nhiễu xạ bột (Powder X-ray diffraction). Do họp phần vật liệu chứa đất hiến nên để tránh sự oxi hóa chúng tôi đã tiến hành nghiền mẫu trong cồn hoặc xăng. Mau sai khi nghiền có kích thước hạt khoảng vài chục |um và các mặt phang tinh thể được định hướng ngẫu nhiên. Thiết bị thực hiện phép đo chúng tôi dùng là Siemes D5000, đặt tại Phòng phân tích cấu trúc tia X thuộc viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phổ nhiễu xạ của mỗi mẫu sẽ thể hiện các đặc trưng cơ bản về cấu trúc của mẫu đó. Qua phổ 16 nhiễu xạ tia X ta có thể xác định được các đặc trưng cấu trúc của mạng tinh thể như: kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh và các hằng số mạng. 2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử. Phương pháp hiện vi điện tử là kĩ thuật rất hiện đại dùng để khảo sát vi cấu trúc của vật liệu. Cơ sở vật lí của kính hiển vi điện tử là chiếu lên mẫu (đối tượng nghiên cứu) một chum điện tử năng lượng cao, gọi là điện tử phi sơ cấp, ghi nhận và phân tích các tín hiệu được phát ra do tương tác của điện tử sơ cấp với các nguyên tử của mẫu, gọi là tín hiệu thứ cấp để thu thập các thông tin về mẫu. CtLÙm điện. t fr tô i (5 ) đ iệ n tử’tá n x ạ ngư ợc PtLÔtÔEL Rơogỉaeri (3 ) Đ iệ n tủr A u g e r Đ iệ n tử t±LÚr с ấp ( 6) ^ ----1 ---— m ~4r- (4) Đ iên, tũr h-â'p th ụ Đ iệ n tử tán. x ạ đàn. tLồi Điện, l ử ______ ktLÔELg đàn. h.ổi Điện, tử’.ktLÖng tán. x ạ Hình 2.4. Các tín hiệu thứ cấp nhận được từ mẫu dưới tác dụng của chùm điện tử sơ cấp năng lượng cao (chùm điện tử tới). Đe có thể hiểu được cơ chế và nguyên lí làm việc của một kính hiển vi điện tử cần phải hiểu rõ các quá trình vật lí xảy ra khi chùm điện tử sơ cấp năng lượng cao tương tác với mẫu và nguyên tắc hoạt động của các bộ phận chính của nó: khi chiếu một chùm điện tử năng lượng cao vào mẫu, các điện tử tới sẽ tương tác giữa điện tử và điện tử (tán xạ không đàn hồi) và giữa điện tử với hạt nhân (tán xạ đàn hồi). Các quá trình tương tác này phát ra các loại tín hiệu thứ cấp được minh họa trên hình 2.4. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thứ cấp nào được sử dụng mà ta có các phương pháp cụ thể. 17
- Xem thêm -