Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim từ cứng Nd4Fe78B18xCx (x = 0, 3, 6 và 9) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh (Khóa luận tốt nghiệp)

1




Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ
của hệ hợp kim từ cứng Nd
4
Fe
78
B
18-x
C
x
(x
= 0, 3, 6 và 9) bằng phơng pháp phun
băng nguội nhanh
(Khóa luận tốt nghiệp)

2

Mở ĐầU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu từ đã đợc phát hiện từ rất lâu và có nhiều ứng dụng rộng rãi
trong đời sống, trong nhiều ngành kỹ thuật và trong nghiên cứu khoa học.
Ngày nay vật liệu từ vẫn đóng vai trò quan trọng và khả năng ứng dụng
trong các lĩnh vực công nghệ hiện đại rất lớn. Do đó, ngời ta không ngừng
nâng cao phẩm chất và tìm ra các vật liệu từ mới.
Các vật liệu từ đợc phân loại thành hai nhóm chính vật liệu từ mềm và vật
liệu từ cứng dựa vào lực kháng từ H

c
. Các vật liệu từ mềm có thể đợc từ
hóa bằng cờng độ từ trờng thấp, và khi từ trờng ngoài bằng 0, chúng trở
lại trạng thái từ d thấp. Các vật liệu từ mềm có giá trị lực kháng từ H
c
10
Oe. Ngành kỹ thuật điện dùng một lợng lớn các vật liệu từ mềm nh lõi
biến áp, rôto, stato trong các động cơ và máy phát điện Các vật liệu từ
cứng có khả năng tàng trữ năng lợng của từ trờng tác động lên nó và tự
mình trở thành nguồn phát từ trờng. Các vật liệu loại này có lực kháng từ
H
c
> 1 kOe. Chúng thờng đợc sử dụng làm các nam châm vĩnh cửu. Nam
châm là vật liệu từ cứng có H
c
đủ lớn và B
r
đáng kể để tạo ra từ trờng và
giữ ổn định từ tính của chúng trong thời gian dài. Chúng đợc dùng trong
các dụng cụ đo lờng, điện thoại, loa trong các lĩnh vực tự động hóa, công
nghệ thông tin Mỗi nam châm vĩnh cửu đều là mạch từ hở, trong khe hở
xuất hiện từ trờng đợc dùng vào các mục đích khác nhau. Để đảm bảo cho
linh kiện và thiết bị từ tính làm việc ổn định thì các thông số của chúng
không đợc thay đổi theo thời gian do quá trình già hóa. Sự già hóa này
liên quan tới sự phân hủy các hợp chất hóa học, sự phân bố lại các sai
hỏng và sự giải phóng ứng suất nội.
Các tính chất từ của các vật liệu đợc chia thành hai loại. Một loại là
nhạy với cấu trúc và một loại là ổn định với cấu trúc. ổn định với cấu trúc
nghĩa là các tính chất không bị ảnh hởng rõ rệt bởi các thay đổi trong việc
xử lí vật liệu (xử lí nhiệt hay biến dạng cơ) hoặc bởi những sự thay đổi nhỏ

trong kết cấu bao gồm số lợng nhỏ tạp chất xác định. Các tính chất ổn định
với cấu trúc gồm có độ từ hóa bão hòa và nhiệt độ Curie. Các tính chất này

3

phụ thuộc lớn vào hợp phần của vật liệu riêng biệt và không phụ thuộc thực
sự vào vi cấu trúc của vật liệu. Các tính chất nhạy với cấu trúc bị ảnh hởng
lớn bởi các tạp chất. Một lợng nhỏ các nguyên tố nh cacbon, ôxy, nitơ,
lu huỳnh thờng đợc pha tạp phổ biến trong các vật liệu từ. Các nguyên tố
này đặt vào các vị trí khe của mạng tinh thể và do vậy mạng có thể bị biến
dạng mạnh. Với nồng độ nhỏ của các nguyên tố có thể có ảnh hởng lớn tới
một vài tính chất từ của vật liệu. Độ từ thẩm, lực kháng từ, độ tổn hao trễ và
cảm ứng từ d đợc xem là nhạy với cấu trúc. Các tính chất nhạy với cấu
trúc đợc điều khiển qua việc xử lí vật liệu bao gồm xử lí cơ và nhiệt.
Nam châm vĩnh cửu nền Nd-Fe-B chiếm một tỉ phần lớn trong các
loại nam châm vĩnh cửu ứng dụng trong thực tế. Pha từ chính trong loại nam
châm này là pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B. Nam châm loại này thờng đợc chế tạo
bằng phơng pháp thiêu kết do đó làm tăng giá cả và giảm độ bền hóa học
vì còn chứa nhiều đất hiếm và công nghệ chế tạo phức tạp. Tích năng lợng
cực đại đã đạt đợc là (BH)
max
= 57 MGOe thuộc về nam châm Nd
2
Fe
14
B

chế tạo bằng phơng pháp thiêu kết [6].
Năm 1988, Coehoorn và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip
Research đã công bố phát minh nam châm cứng mềm có H
c
=3 kOe, B
r

= 12 kG, (BH)
max
= 11,6 MGOe [5]. Nam châm này chứa nhiều pha, bao
gồm hai pha mềm Fe
3
B (73% thể tích), -Fe (12% thể tích) và pha cứng
Nd
2
Fe
14
B (15% thể tích). Lợng Nd trong nam châm loại này bằng khoảng
1/3 trong nam châm Nd
2
Fe
14
B thông thờng, do đó làm giảm giá thành và
tăng độ bền hóa học của nam châm. Với những u điểm đó nó đợc nhiều
phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu. Để chỉ nam châm loại này ngời ta
dùng thuật ngữ nam châm tổ hợp hai pha cứng mềm,nam châm
nanocombosite hay nam châm đàn hồi. Trong bài này sử dụng thuật ngữ
nam châm đàn hồi. Theo tính toán lí thuyết tích năng lợng cực đại của nam
châm loại này có thể lên tới 125 MGOe, tuy nhiên trên thực nghiệm mới đạt
đợc cỡ 20 MGOe. ở Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo nam châm đàn hồi

thu hút đợc nhiều sự chú ý của các nhóm nghiên cứu và tích năng lợng
(BH)
max
đã đạt đợc vào cỡ 5-10 MGOe.

4

Việc tìm ra vi cấu trúc tối u cho từng hệ vật liệu và các biện pháp
công nghệ để đạt đợc vi cấu trúc đó đợc chú ý cả về lí thuyết và thực
nghiệm. Có nhiều mô hình lí thuyết nhng khóa luận này giới thiệu về mô
hình Kneller-Hawig, đây là mô hình đơn giản về nam châm đàn hồi và các
mô hình về sau đều dựa vào nó. Phun băng nguội nhanh là phơng pháp đơn
giản và có khả năng ứng dụng thực tế cao đồng thời nó cũng tỏ ra hiệu quả
để tạo ra nam châm đàn hồi. Hợp kim sau khi phun để nâng cao phẩm chất
ngời ta đem đi ủ ở các nhiệt độ khác nhau. Để nâng cao phẩm chất của nam
châm đàn hồi nền Nd-Fe-B ngời ta đã thêm vào các nguyên tố thích hợp nh
Dy, Pr, Co, Cr, C Vì vậy khoá luận thực hiện " Nghiên cứu cấu trúc và
tính chất từ của hệ hợp kim từ cứng Nd
4
Fe
78
B
18-x
C
x
(x = 0, 3, 6 và 9)
bằng phơng pháp phun băng nguội nhanh" và sau đó ủ nhiệt.

2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Khoá luận này có mục đích nghiên cứu chính là nâng cao lực kháng

từ của nam châm đàn hồi nền Nd-Fe-B bằng cách thay đổi tỷ phần của C,
thay đổi tốc độ làm nguội và thay đổi nhiệt độ ủ, khảo sát mối liên hệ giữa
cấu trúc và tính chất từ của hợp kim. Mặt khác, việc nâng cao các thông từ
cứng của hợp kim cũng là mục đích chính của khoá luận.
Nhiệm vụ của khoá luận là tìm ra tỷ phần C và công nghệ chế tạo
thích hợp để có vật liệu nam châm đàn hồi nh mong muốn.

3. Đối tợng nghiên cứu
Hợp kim từ cứng Nd
4
Fe
78
B
18-x
C
x
(x = 0, 3, 6 và 9).

4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim từ cứng Nd
4
Fe
78
B-
18-x
C
x
chế tạo bằng phơng pháp phun băng nguội nhanh và sau đó ủ nhiệt.

5. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5

Góp phần tìm kiếm các loại vật liệu từ mới, công nghệ chế tạo và cơ
chế tạo nên tính từ cứng của vật liệu từ có cấu trúc nano tinh thể.

6. Phơng pháp nghiên cứu
Khoá luận đợc tiến hành theo phơng pháp thực nghiệm. Các mẫu
hợp kim đợc chế tạo bằng phơng pháp phun băng nguội nhanh, cấu trúc
đợc khảo sát bằng phơng pháp nhiễu xạ tia X, tính chất từ đợc xác định
bằng các phép đo từ trễ M(H).

6

Nội dung
CHƯƠNG 1
TổNG QUAN Về NAM CHÂM ĐàN HồI NềN Nd-Fe-B

1.1. Nam châm đàn hồi


Nd
2
Fe
14
B
Fe
3
B
-Fe
Nd
2
Fe
14
B
Fe
3
B
-Fe-Fe

a)

b)
Hình 1.1. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc (a) và sự kết hợp các pha từ (b) của vật
liệu nam châm đàn hồi.

Các vật liệu từ cứng có sẵn nh Nd
2
Fe
14
B có độ phân cực từ bão hòa
J
S
=à
0
M
S
thấp hơn so với vật liệu từ mềm nh -Fe. Mặt khác chúng dễ
phản ứng hóa học và cũng rất đắt bởi vì chúng chứa nhiều đất hiếm. Do vậy,
ngời ta tìm cách tạo ra các nam châm vĩnh cửu từ các vật liệu phức hợp bao
M
M

M
h
h
h
Pha từ cứng

Pha từ mềm

Nam châm đàn hồi


7

gồm các pha sắt từ và tồn tại sự trao đổi qua lại giữa các pha từ (nam châm
đàn hồi). Một trong số các pha từ đó là từ cứng để cung cấp trờng kháng từ
cao, trong khi các pha khác là từ mềm cung cấp độ phân cực bão hòa J
S
cao
(hình 1.1) và bao bọc các vùng pha từ cứng để ngăn cản sự ăn mòn của
chúng. Sự khảo sát lí thuyết tổng quát của các hệ này chỉ ra rằng: một là có
thể kì vọng hơn nữa một tích năng lợng (BH)
max
cao, hai là một đờng cong
khử từ thuận nghịch (do sự trao đổi đàn hồi) và tỉ lệ pha từ cứng thì rất thấp,
cỡ 10%. Sự thực hiện công nghệ của các vật liệu này đợc đa ra trên
nguyên tắc tất cả các pha từ chứa trong đó phải nằm trong một pha mạng giả
bền chung để tạo sự gắn kết tinh thể học và do đó sự trao đổi đợc nối kết
một cách từ tính.

1.2. Mô hình Kneller-Hawig

Giới hạn lí thuyết về tích năng lợng cực đại của một vật liệu từ đợc
xác định là:
(BH)
max
J
s
2
/4à
0
(1)
để đạt đợc giới hạn trên cần có các điều kiện kèm theo: cảm ứng từ
d lớn B
r
J
s
, và trờng tới hạn cho sự đảo chiều từ độ không thuận nghịch
(trờng tạo mầm) H
n
J
s
/2à
0
= M
s
/2. Do các điều kiện này, giới hạn (1) chỉ
có thể đạt đợc với vật liệu có hệ số dị hớng từ tinh thể K J
s
2
/4à
0

. Nói
một cách tổng quát hơn, độ lớn của tỉ số = K/( J
s
2
/4à
0
) đặc trng cho biểu
hiện từ cơ bản của vật liệu. Nếu ằ 1 biểu hiện chiếm u thế do dị hớng từ
tinh thể; các vật liệu này gọi là vật liệu từ cứng (vật liệu k). Nếu ô 1 biểu
hiện đợc chi phối bởi năng lợng tĩnh từ, các vật liệu nh thế gọi là vật liệu
từ mềm (vật liệu m). Giới hạn (1) chỉ có thể đạt đợc với một vật liệu k. Tuy
nhiên, đại lợng quyết định ở (1), J
s
của hầu hết các vật liệu k thấp hơn đáng
kể so với nhiều vật liệu m thông thờng, trong khi lực kháng từ H
cM
của các
vật liệu k có thể dôi ra nhiều hơn giá trị M
s
/2 cần thiết để đạt tới giới hạn
(1).
Từ các lí do nêu trên, dẫn tới việc xem xét các vật liệu phức hợp chứa
đựng cả hai yêu cầu sự phân bố phù hợp và sự trao đổi qua lại các pha đợc
ghép cặp. Kích thớc giới hạn của các pha và sự thảo luận các mô hình
tơng ứng của các vi cấu trúc sẽ đợc trình bày ở phần sau. Trên cơ sở đó,
các tính chất từ điển hình của các vật liệu này đợc suy ra.

8

1.2.1. Vi cấu trúc

Các kích thớc tới hạn:
Vi cấu trúc cần đạt đợc phải không cho phép cơ chế của sự quay từ
độ không thuận nghịch ở mỗi pha một cách dễ dàng. Một sự ớc lợng đơn
giản về kích thớc tới hạn tơng ứng của các pha có thể nhận đợc từ mô
hình một chiều ở hình 1.2 bao gồm một chuỗi các pha k và m xen kẽ nhau
với độ rộng 2b
k
và 2b
m
tơng ứng. Để đơn giản dị hớng từ tinh thể đợc
giả thiết là đơn trục trong cả hai pha, với hai trục dễ song song với trục z và
vuông góc với x. Mật độ năng lợng dị hớng phụ thuộc vào góc giữa
M

và trục dễ
E
k
= K sin
2
(2)
với K > 0 là hệ số dị hớng từ tinh thể.
Mật độ năng lợng trao đổi có thể đợc viết dới dạng
E
A
= A(d/dx)
2
(3)
ở đó A là hằng số cỡ 10

-11
J/m ở nhiệt độ phòng, A phụ thuộc vào nhiệt độ
Curie T
C
và nhiệt độ T : A T
C
[M
s
(T)/M
s
(0)]
2
, là góc trên mặt phẳng yz
giữa M
s
và trục z
Năng lợng trên một vùng đơn vị của vách Bloch 180
0
ở một vật liệu
đồng nhất có thể đợc coi gần đúng là gồm năng lợng dị hớng từ và năng
lợng tơng tác trao đổi
= K + A(/)
2
(4)
ở đó là bề dày vách. ở điều kiện cân bằng () có giá trị cực tiểu (d/d =
0), từ đây thu đợc các đại lợng ở trạng thái cân bằng

0
= (A/K)
1/2

(5)

0
= 2(A.K)
1/2
(6)


9


Hình 1.2. Mô hình một chiều của vi cấu trúc của các vật liệu
phức hợp ghép cặp trao đổi.

Xét quá trình đảo chiều. Nếu giả thiết rằng pha cứng k có độ dày hợp
lí tơng ứng vào khoảng độ dày tới hạn của nó b
k
=
0k
= (A
k
/K
k
)
1/2
. Ban
đầu từ độ bão hòa dọc theo trục z (h.1a), sau đó xuất hiện một trờng
H
đảo
chiều tăng dần, độ từ hóa sẽ bắt đầu thay đổi từ pha mềm m.

Cho bề rộng b
m
=
0m
= (A
m
/K
m
)
1/2
ằ
0k
= b
k
(do K
m
ô K
k
). Hai
vách 180
0
cân bằng sẽ hình thành sự đảo chiều ở pha m (h.1b). Khi
H
tăng
nhiều hơn (h.1c), các vách này sẽ bị dồn về phía biên pha k, và mật độ năng
lợng ở các vách này sẽ tăng trên giá trị cân bằng E

m
=
m

/
m
> E

0m
=

0m
/
0m
, trong khi độ từ hóa ở pha k
sk
M
còn lại về cơ bản không thay đổi do
K
k
>K
m
. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi E

m
gần tới mật độ năng lợng
trung bình E

0k
của vách k
E

m
=

m
/
m
E

0k
=
0k
/
0k
= 2K
k
(7)
khi đó vách sẽ mở rộng về phía pha k, do đó dẫn tới sự đảo độ từ hóa không
thuận nghịch của cả hai vùng pha m và pha k. Trờng tới hạn H
no
tới hạn
tơng ứng thì thấp hơn hẳn trờng dị hớng của pha k H
no
< H
Ak
= 2K
k
/M
sk
.
Trờng kháng từ H
cM
đợc định nghĩa bởi M(H
cM

) = 0 và H
cM
ô H
no
,
do M
sm
> M
sk
và cũng bởi giả thiết rằng b
m
ằ b
k
, và do vậy đờng cong khử

10

từ giữa M
r
(H=0) và M(H
cM
=0) thuận nghịch hoàn toàn. Nếu bây giờ b
m
giảm
tới giá trị b
m
<
0m
, H
no

giữ không đổi, nhng H
cM
tăng do H < H
no
, bề dày
của vách 180
o
ở pha m cơ bản gần với
m
b
m
<
0m
. Độ rộng tới hạn của pha
m b
cm
cho độ kháng từ H
cM
lớn nhất đợc xác định bởi (7) với
m
= b
cm
.
Từ (4) cho
m
nhỏ (
m
ô
0m
) ta đợc

m
(
m
) =
m
A
m
(/
m
)
2

Mật độ năng lợng: E

m
=
m
/
m
= A
m
(/
m
)
2
Thay kết quả này vào (7) và đặt
m
= b
cm

suy ra kích thớc tới hạn của pha
m:
b
cm
= (A
m
/2K
k
)
1/2
(8)
Với các giá trị điển hình A
m
= 10
-1
J/m, K
k
= 2.10
6
J/m
3
ta đợc b
cm
5nm.
Đối với pha k bề dày tới hạn không thể nhận đợc từ lí thuyết. Dựa vào
các kết quả thực tế thì phù hợp lấy b
ck
vào khoảng bề dày của vách lúc cân
bằng b
ck

0k
= (A
k
/K
k
)
1/2
nh đã đợc giả thiết ban đầu. Do hầu hết A
k
<
A
m
vì vậy nhìn chung các nhiệt độ Curie của các vật liệu k thấp, b
ck
cỡ
khoảng độ lớn của b
cm
:
b
ck
b
cm
(8a)

* Tỉ số thể tích của các pha:
Dạng hình học tối u của vi cấu trúc làm cực tiểu tỉ lệ thể tích của pha
k v
k
= V

k
/V (V
k
là thể tích của pha k; V là tổng thể tích của vật liệu) dới
các điều kiện các kích thớc cân bằng bên trong hai pha, b
cm
= b
ck
(phơng
trình 8a) và sự bao bọc hóa học của pha m đối với pha k. Lời giải toán học
của vấn đề này không cho giá trị cụ thể mà phụ thuộc vào bản chất từng loại
vật liệu.

Tuy nhiên, chúng ta có thể nói rằng kiểu vi cấu trúc đợc tìm kiếm là
một sự phân bố đồng nhất của một pha k trong một pha m. Với giả định hợp
lí rằng pha k với đờng kính vài nm là hình cầu (bề mặt nhỏ nhất trên tỉ lệ
thể tích) và đợc phân bố trong không gian gần đúng theo mạng lập phơng
tâm mặt nh đợc chỉ ở hình 1.3. Từ đó thu đợc v
k
= /24
2
0,09. Với
mạng lập phơng tâm khối cũng thu đợc cùng kết quả v
k
=
3
/64 0,09.
Biết v
k
ta tính đợc độ từ hóa trung bình của vật liệu:

11

M
s
= v
k
M
sk
+ (1 - v
k
) M
sm
(9)
Với M
sk
< M
sm
và v
k
= 0,09 ta đợc M
s
M
sm
.

Hình 1.3. Cấu trúc lí tởng của nam châm đàn hồi.

1.2.2. Tính chất từ
* Chu trình trễ và đờng cong khử từ:
Theo các phân tích ở trên, đờng cong khử từ của vật liệu sẽ thuận
nghịch trong trờng H < H
no
đảo chiều, có nghĩa là trớc khi từ độ của pha k
bắt đầu thay đổi nh đợc minh họa ở sơ đồ hình 1.4a và 1.4b. ở H < H
no
,
vật liệu dị hớng theo một hớng duy nhất do các cặp trao đổi giữa hai pha.
Đối với các cặp pha đã biết, dải thuận nghịch của M, M
rev
, phụ thuộc
vào tỉ lệ thể tích của pha cứng v
k
hoặc pha mềm v
m
= 1 - v
k

, vào tỉ số
M
sm
/M
sk
và vào kích thớc một bên của pha m b
m
. ở v
k
và M
sm
/M
sk
cố định,
M
rev
nhỏ nhất với b
m
b
cm
(vi cấu trúc tối u hình 3a) và tăng khi b
m
> b
cm

(trạng thái trung bình hình 1.4b), do H
no
giữ không đổi. ở v
m
lớn, ví dụ v

m
=
0,8, M
rev
có thể vợt quá độ từ d bão hòa M
rev
> M
r
(hình 1.4b).

a

2b
ck
2b
cm

a

Pha cứng

Pha mềm


12

Hình 1.4. Các đờng cong khử từ điển hình. (a) nam châm đàn hồi với vi
cấu trúc tối u, b
m
= b
cm
. (b) nam châm đàn hồi với vi cấu trúc d thừa,
b
m
ằ b
cm
. (c) nam châm sắt từ đơn pha thông thờng. (d) nam châm hỗn
hợp hai pha sắt từ độc lập. Trên hình:exchange spring - đàn hồi trao
đổi, conventional - thông thờng, two independent phases - hai pha độc
lập, reversible - thuận nghịch, irreversible - không thuận nghịch.

Với đặc trng này và biểu hiện từ khá điển hình, có một ý nghĩa tơng
tự với một lò xo cơ học, do đó các nam châm này đợc gọi là nam châm đàn
hồi. Tính thuận nghịch nổi bật cùng với độ từ d cao và lực kháng từ cao của
chúng để phân biệt chúng với các nam châm vĩnh cửu pha sắt từ đơn thông
thờng có đờng cong khử từ không thuận nghịch (hình 1.4c).
Để minh họa rõ hơn các đặc điểm này, vài chu trình nhỏ đợc vẽ ở
hình 1.4a - 1.4c, chúng nhận đợc khi giảm từ trờng tới 0 và lại tăng từ
trờng ở các điểm khác nhau dọc theo đờng cong khử từ. Về dạng tổng
quát của đờng cong khử từ M(H), ta thấy từ cơ chế trao đổi đàn hồi một vi
cấu trúc tối u (b
m
= b
cm
) sẽ suy ra một đờng cong lồi "đều đặn" (hình 1.4a)
giữa M
r
và M = 0, tơng tự với một nam châm vĩnh cửu thông thờng (hình
1.4c). Trong khi một vi cấu trúc d thừa (b
m
ằ b
cm
) dẫn tới một hình dạng

13

hoàn toàn đặc trng của đờng cong khử từ là chỗ lõm suốt từ chỗ độ từ d
thấp đến tận lúc bão hòa theo hớng thuận nghịch. ở bất cứ trờng hợp nào,
cặp trao đổi giữa các pha tạo ra một dạng của chu trình bão hòa nh của các
vật liệu đồng nhất không có dấu hiệu sự có mặt của hai pha với độ kháng từ

khác nhau. Nếu không có cặp trao đổi thì chu trình sẽ nh ở hình 1.4d.

* Tỉ lệ độ từ d bo hòa m
r
= M
r
/M
s

Giá tri m
r
phụ thuộc vào các pha chiếm giữ. Một sự tính toán định
lợng của m
r
với một cặp pha cho trớc nhìn chung là khó vì nó đòi hỏi xử lí
vi từ của các hệ phức hợp nhiều vật từ. Do vậy, chúng ta sẽ chỉ mô tả ở đây
đặc tính của vấn đề và trên cơ sở đó sẽ nhận đợc lời giải gần đúng cho các
trờng hợp đơn giản.
Giả thiết một cách tổng quát rằng vi cấu trúc có nguồn gốc bởi sự
lắng của pha k trong một mạng m nh đợc biểu diễn ở hình 2, và rằng số k
lắng trong một loại hạt m là đủ lớn để áp dụng thống kê một cách thích hợp.
Hơn nữa giả thiết rằng pha k có một cấu trúc tinh thể đơn trục ví dụ nh tứ
giác hay lục giác, với trục c
k
là trục dễ từ hóa, trong khi pha m có thể có sự
đối xứng bất kì, đặc biệt là đối xứng lập phơng.
Do phải có cặp trao đổi từ tính giữa các vùng pha k và m nên các pha
phải có sự gắn kết tinh thể học. Điều này gợi ý rằng các hớng của trục c
k

phải song song với trục tinh thể học riêng biệt [h
0
k
0
l
0
] của mạng tinh thể m
có thể coi trục c
k
nằm cân bằng giữa các hớng [h
0
k
0
l
0
].
Xét một hạt m dạng hình cầu (để loại bỏ dị hớng do hình dạng) và
bỏ qua hiệu ứng khử từ. Nhìn chung vectơ độ từ d bão hòa của pha k
M
rk

không song song với từ trờng ngoài
H
. Pha m và pha k trao đổi qua lại dọc
theo các biên pha của chúng. Do vậy, dẫn tới độ từ d của mạng m
M
rm
sẽ
song song với
M

rk
. Tuy nhiên độ lớn tơng đối của
M
rm
, M
rm
/M
sm
= m
rm
sẽ
lớn hơn m
rk
bởi vì cặp trao đổi trong mạng m sẽ làm trơn độ từ hóa địa
phơng
M
sm
(
r
). Nhìn chung m
rm
tổng hợp phải đợc tính từ điều kiện cực
tiểu hóa năng lợng tổng cộng.
Độ lớn tơng đối của cả hai pha:
m
r
=M
rj
/M
s

=(1/M
s
)[v
k
m
rk
M
sk
+(1-v
k
)m
rm
M
sm
] (10)
có giá trị nh nhau cho tất cả các hạt.

14

Với một mẫu đa tinh thể của các hạt độc lập về từ với trục tinh thể
học của chúng hớng ngẫu nhiên, độ từ d tơng đối m
r
thu đợc bởi giá trị
trung bình các góc giữa hớng của từ trờng
H
và hớng tơng ứng
[h
s
k
s

l
s
] của
M
rj
trong các hạt:
m
r
= M
r
/M
s
=M
rj
<cos> (11)
Sự ớc lợng bằng số của (11) phụ thuộc vào hiểu biết về đối xứng
tinh thể của pha m, các hớng tinh thể học [h
0
k
0
l
0
] của trục c
k
, các tỉ số thể
tích và các độ từ hóa bão hòa của các pha. Các kết quả tính toán với các
mạng cụ thể cho ta m
r
0,5 tuy nhiên đây không phải là đặc điểm phổ biến
của nam châm đàn hồi.

Liên hệ các kết quả này với các đặc trng đã đề cập của đờng cong
từ trễ cho thấy rằng, một đờng cong khử từ thuận nghịch cùng với một tỉ lệ
độ từ d bão hòa đẳng hớng m
r
0,5 có thể đợc xem nh một tiêu chuẩn
cho sự có mặtcủa cơ chế trao đổi đàn hồi.

* Trờng tạo mầm đảo từ H
no
và trờng kháng từ H
cM

Trờng tạo mầm đảo từ H
no
cho sự đảo chiều từ độ không thuận
nghịch và trờng kháng từ H
cM
là các đại lợng phức tạp nhất và có thể dự
đoán ít chính xác nhất. Chỉ có sự ớc lợng đơn giản đợc thực hiện. Nếu
cấu trúc đợc sắp thẳng hàng nh hình 1, thì theo (7) ta đợc:
H
no
2K
k
/à
0
M
sm

Đối với một đa tinh thể đẳng hớng thì:

H
no
K
k
/à
0
M
sm
(12)
Với các giá trị điển hình K
k
= 2.10
6
j/m
3
, à
0
M
sm
= 1,8 T thì H
no
10
6

A/m.
Đối với một vi cấu trúc tối u b
m
= b
cm
thì H

cM
= H
no
. Đối với một vi
cấu trúc d thừa có nghĩa là b
m
> b
cm
, H
cM
sẽ phụ thuộc vào b
m

H
cM
=A
m
.
2
/2à
0
M
sm
b
m
2
(13)
Cho b
m
= b

cm
= (A
m
/2K
k
)
1/2
thế vào (13) ta sẽ đợc (12).
Theo (12), H
no
và tơng tự là H
cM
phải thay đổi theo nhiệt độ do thừa
số K
k
/M
sm
. Cụ thể, nếu nhiệt độ Curie của pha k thấp hơn pha m T
Ck
< T
Cm

thì H
cM
sẽ giảm nhanh khi tăng nhiệt độ và ở T
Ck
sẽ đạt tới giá trị thấp của
pha mềm.

15

1.3. ảnh hởng của việc pha thêm các nguyên tố lên cấu trúc và tính chất
từ của nam châm đàn hồi nền Nd-Fe-B
Việc pha thêm vào hợp kim Nd-Fe-B một số thành phần ngoài ba
thành phần chính nhằm cải thiện một số tính chất của nam châm vĩnh cửu
nh nâng cao lực kháng từ, nâng cao khả năng chống ăn mòn v.v. ở đây tôi
giới thiệu một số kết quả nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu gần đây
nhất.

1.3.1. ảnh hởng của Nb
Các nghiên cứu trớc đây về ảnh hởng Nb trong nam châm thiêu kết
đã chứng tỏ rằng Nb có tác dụng làm triệt tiêu các vùng giàu Fe kết tinh bất
lợi, tạo pha biên hạt NbFeB có tác dụng cải thiện tính chống ăn mòn của
nam châm Các nghiên cứu gần đây trên nam châm nanocomposite -
Fe/Nd
2
Fe
14
B cho thấy rằng Nb có tác dụng làm mịn kích thớc hạt tăng
cờng tính bền nhiệt, cải thiện độ vuông góc của đờng cong khử từ.

1.3.2. ảnh hởng của Co
Một trong những nhợc điểm của pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B là nhiệt độ
Curie khá thấp, điều này làm hạn chế phạm vi ứng dụng của chúng. Do vậy
ngay từ khi mới phát hiện ra pha từ cứng Nd

2
Fe
14
B, việc nghiên cứu nâng
cao nhiệt độ Curie của nam châm đã rất đợc quan tâm. Co là nguyên tố có
thể thay thế hoàn toàn vị trí của Fe trong mạng tinh thể Nd
2
Fe
14
B. Nhiều tác
tác giả đã nhất trí cao về vai trò của Co trong việc nâng cao nhiệt độ Curie
cho nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B. Theo đó chỉ cần pha vào hợp kim một
lợng nhỏ Co cũng có thể nâng cao nhiệt độ Curie

lên khá cao [4].


1.3.3. ảnh hởng của C
C là nguyên tố hoá học khá phổ biến mà nó lại là nguyên tố phi từ
gần giống với B, vì vậy việc thay B bằng C làm giảm giá thành sản xuất nam

16

châm đàn hồi nền Nd-Fe-B. Nhng việc pha thêm C làm giảm khả năng tạo
pha từ của nam châm đàn hồi do C là nguyên tố khó phản ứng. Tuy nhiên
với một nồng độ C thích hợp thì những yêu cầu về từ tính của nam châm đàn
hồi vẫn có thể đạt đợc nh nâng cao độ lớn lực kháng từ H
c
và tích năng
lợng cực đại (BH)

max
. Vì vậy khoá luận này tôi nghiên cứu ảnh hởng của
C lên cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim là Nd
4
Fe
78
B
18- x
C
x
bằng
phơng pháp phun băng nguội nhanh và sau đó ủ nhiệt.

1.4. ảnh hởng của công nghệ chế tạo
1.4.1. ảnh hởng của tốc độ làm nguội
Sự hình thành các pha cũng
nh quá trình tinh thể hoá
hợp kim vô định hình có thể
giải thích bằng giản đồ
chuyển pha nguội liên tục
C-C-T (ContinuousCooling
Transformation) [4]. Hình
1.5 là một minh họa giản
đồ C-C-T biểu diễn các quá
trình nguội của hợp kim
trên hệ trục thời gian-nhiệt độ. Trên giản đồ này đờng cong a tơng ứng
với trờng hợp tốc độ nguội hợp kim lỏng là khá lớn đủ để cản trở sự kết
tinh và phát triển hạt, cấu trúc pha của sản phẩm nguội nhanh này là vô định
hình. Nếu quá trình nguội theo đờng cong b thì cấu trúc của sản phẩm hoá
rắn nhanh là sự pha trộn giữa pha vô định hình và pha vi tinh thể A, do sự

kết tinh bắt đầu ngay sau khi pha vô định hình hình thành, sự khuếch tán
của các nguyên tố thành phần trong pha vô định hình để hình thành pha A là
khá chậm. Đờng cong c biểu diễn cho phơng pháp tạo cấu trúc composite
thông qua quá trình nguội đơn. Để thu đợc cấu trúc hai pha từ cứng và từ
mềm, tốc độ nguội cần đợc chọn một cách thích hợp để tránh sự phát triển
hạt ngoài ý muốn.

Hình 1 5. Giản đồ C-C-T biểu diễn
các đờng nguội tạo pha vô định hình
hoặc tinh thể hoá.


17

Để nghiên cứu vi cấu trúc của vật liệu một số tác giả đã tiến hành
chụp TEM trên các mẫu x = 1,5; 3,0 và 4,5 với tốc độ trống quay v = 40
m/s. Kết quả đợc biểu diễn dới các hình 1.6. Ta nhận thấy các vi hạt
trong mẫu x = 1,5 (hình 1.6) có dạng đa diện và khá đồng nhất, kích
thớc từ 10 nm đến 30 nm. ảnh SEM cho thấy kích thớc hạt thu đợc
là rất thuận lợi cho việc hình thành tơng tác trao đổi giữa chúng nếu
chúng không bị phân lập bởi pha biên hạt. Mật độ hạt khá dày và biên
hạt cũng tơng đối rõ ràng, lợng pha vô định hình không nhiều là điều
giải thích cho lý do dẫn đến tính chất từ tối u của mẫu này.

Hình 1.6 là ảnh TEM của mẫu x = 1,5 với v = 40 m/s. Ta thấy kích
thớc hạt khá bé khoảng 10 nm và tơng đối đồng đều.

1.4.2. ảnh hởng của nhiệt độ ủ
Rất nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hởng nhiệt độ ủ lên cấu
trúc và tính chất từ của nam châm đàn hồi nền Nd-Fe-B. Đặc biệt với nam
châm có tỉ phần Nd ít nh Nd
4
Fe
78
B
18
với mỗi tốc độ làm nguội xác định thì
Hình 1.6
.
ả
nh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trờng sáng và
trờng tối của băng nguội nhanh băng nguội nhanh Nd
12-x
Fe
82
Nb
x

B
6

(x = 1,5) với tốc độ trống quay v = 40 m/s.
(a)

(b)




18

tơng ứng có một nhiệt độ ủ tối u để đạt đợc lực kháng từ H
c
và tích năng
lợng cực đại (BH)
max
lớn nhất. Chẳng hạn với v = 20(m/s) tốc độ ủ tối u là
700
o
C và H
c
= 1,9 kOe [4]. Vì vậy khoá luận này tiến hành nghiên cứu cấu
trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Nd
4
Fe
78
B
18-x

C
x
bằng phơng pháp phun
băng nguội nhanh sau đó ủ nhiệt

19

chơng 2
thực nghiệm
2.1. Chế tạo mẫu
2.1.1. Một số xử lý và gia công mẫu
Vì mẫu có các kim loại, đặc biệt là Nd, rất dễ bị oxy hoá trong môi
trờng không khí. Vì thế việc ca các phối liệu ban đầu và việc nghiên cứu
mẫu (để phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X) phải hết sức cẩn thận tránh
sự oxy hoá do ma sát và do tiếp xúc để khắc phục vấn đề này tôi ra công
mẫu trong dầu nhớt và bảo quản mẫu trong dầu hoặc cồn.

2.1.2. Quy trình tạo hợp kim ban đầu
Các vật liệu ban đầu dùng chế tạo hợp kim Nd- Fe-B-C là các kim
loại Nd, Fe sạch (Nd: 99%, Fe: 99,99%) và hợp chất FeB với 18% B. Các
vật liệu này đợc cân theo đúng hợp phần theo nồng độ phần trăm nguyên
tử, sau đó đợc nấu hồ quang tạo hợp kim ban đầu. Nguyên tắc của nấu hồ
quang là lợi dụng nhiệt độ cao của hồ quang điện để nấu chảy kim loại tạo
thành hợp kim. Toàn bộ quá trình nấu hồ quang tạo hợp kim ban đầu đợc
thực hiện trong môi trờng khí Ar để tránh sự ôxy hóa. Hình 2.1. Sơ đồ khối
của hệ nấu mẫu bằng hồ quang.
Các bớc nấu hồ quang nh sau:
- Vệ sinh buồng tạo mẫu, đa vật liệu vào buồng tạo mẫu.
- Mở hệ thống nớc làm mát cho hệ bơm chân không.
- Hút chân không buồng tạo mẫu.

- Xả khí Ar vào buồng tạo mẫu sau đó tiến hành hút chân không
buồng tạo mẫu. Thực hiện xả và hút Ar vài lần để đuổi khí tạp, tạo môi
trờng khí trơ tốt.
- Xả khí Ar vào buồng tạo mẫu để chuẩn bị nấu mẫu. Chú ý cho áp
suất

20

khí trong buồng tạo mẫu hơi dơng so với bên ngoài để tránh sự thẩm thấu
không khí từ bên ngoài vào buồng tạo mẫu trong quá trình nấu mẫu.


Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang.

- Bật hệ thống nớc làm mát cho hệ nấu hồ quang.
- Bật nguồn phát nấu chảy viên Ti. Viên Ti sau khi nấu mà sáng thì
môi trờng nấu mẫu là tốt. Nếu viên Ti xám thì dừng ngay việc nấu mẫu.
- Tiến hành nấu mẫu nhiều lần, sau mỗi lần nấu thì lật mẫu để tạo sự
đồng đều cho hợp kim ban đầu. Chú ý không nên nấu liên tục mà phải có
thời gian để làm mát buồng tạo mẫu.
- Mẫu nấu xong để nguội rồi lấy mẫu ra khỏi buồng tạo mẫu. Trớc
khi lấy mẫu tiến hành hút chân không, sau đó xả không khí vào buồng tạo
mẫu để lấy mẫu ra.
Hợp kim ban đầu đợc dùng để tạo các mẫu băng trên hệ phun băng
nguội nhanh.


21

2.1.3. Phơng pháp phun băng

Hiện nay, phơng pháp này đợc áp dụng nhiều nhất để chế tạo các
hợp kim nguội nhanh nói chung. u điểm của các phơng pháp này là thiết
bị không quá phức tạp, dễ điều khiển và có khả năng chế tạo một lợng hợp
kim lớn. Các mẫu băng hợp kim của tôi đợc chế tạo trên thiết bị phun băng
trong môi trờng bảo vệ ZGK- 1 đợc nhập từ Trung Quốc. Thiết bị này
đợc đặt ở phòng thí nghiệm . ứng dụng Vật liệu từ, Viện khoa học vật liệu,
Trung tâm khoa học và Công nghệ Quốc gia. Sơ đồ khối của công nghệ này
đợc mô tả trên 2.2.


Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ phun băng hợp kim

Nguyên tắc của phơng pháp phun băng là làm nguội nhanh của hợp
kim nóng chảy. hợp kim ban đầu đợc đặt trong ống thạch anh có vòi phun
sau đó nấu nóng chảy bằng lò cao tần và phun lên một môi trờng làm lạnh.
Môi trờng làm lạnh là một trống đồng- crôm quay quanh.
Khi tia hợp kim ra khỏi vòi phun gặp bề mặt trống đồng sẽ đợc dàn
mỏng và bán trên mặt trống đồng trong khoảng thời gian
t

, trong khoảng
thời gian này hợp kim bị mất nhiệt nhanh chóng, nhiệt độ hợp kim giảm từ

22

nhiệt độ nóng chảy (1500 K) xuống nhiệt độ phòng, tức
T

10
3

K. Tốc độ
nguội R đợc ớc tính bằng công thức:
t
T
R


=

Tốc độ làm nguội của hợp kim đợc thay đổi bằng cách thay đổi tốc
độ của trống đồng. Với thiết bị này trống quay với tốc độ dài từ 10 m/s đến
40 m/s, thời gian gặp kim loại có khả năng đọng lại trên bề mặt trống chỉ
khoảng 10
-3
s (tuỳ thuộc vào vận tốc của trống quay), vì vậy tốc độ làm
nguội có thể đạt tới R 10
-6
K/s. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc
với trống đồng sau đó văng ra khỏi bề mặt trống đồng dới dạng băng mỏng
vài chục đến vài trăm àm.

2.1.4. Quá trình ủ nhiệt
Quá trình ủ nhiệt đợc thực hiện ở lò đặt nhiệt độ tự động. Đặt nhiệt
độ cần khảo sát với tốc độ gia nhiệt lớn nhất (50
o
C/phút). Khi nhiệt độ của
lò đã ổn định ở nhiệt độ cần khảo sát, mẫu đợc đa vào lò để ủ sau đó đợc
làm nguội nhanh bằng nớc để tránh sự tạo các pha khác ở các nhiệt độ
trung gian. Quá trình ủ nhiệt đợc thực hiện trong môi trờng khí Ar để
tránh sự ôxy hoá. Chúng tôi đã tiến hành ủ nhiệt ở các mẫu băng hợp kim

đợc phun với tốc độ 20 m/s (các mẫu này có tỉ phần pha vô định hình lớn
hơn các mẫu phun với v = 5 m/s) ở nhiệt độ 650
o
C trong 10 phút.

2.2. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ
2.2.1. Nhiễu xạ tia X
Các mẫu đợc nghiền nhỏ trong cồn tinh khiết để tránh oxy hóa sau
đó đợc phân tích bằng phơng pháp nhiễn xạ bột tia X. Các giản đồ nhiễu
xạ tia X của các mẫu đợc thực hiên trên thiết bị SIEMENS D-5000 với
bớc sóng Cu-K

. Các mẫu đợc nghiền nhỏ trong cồn tinh khiết và đợc
phân tích bằng phơng pháp nhiễu xạ bột. Giản đồ nhiễu xạ tia X dùng để

23

phân tích cấu trúc, đánh giá độ kết tinh. Thiết bị này có thể phát hiện các
pha tinh thể với tỉ phần nhỏ tới 1%.

2.2.2. Phép đo từ trễ
Phép đo từ trễ đợc thực hiện trên hệ từ xung. Hệ từ trờng xung hoạt
động theo nguyên tắc nạp và phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây (hình
2.3). Dòng một chiều qua K
1
nạp điện cho tụ điện C, tụ điện này tích năng
lợng cỡ vài chục kJ. Khoá K đóng, dòng điện hình sin tắt dần. Dòng điện
tồn tại trong thời gian ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo
trong lòng ống dây một từ trờng xung cao. Mẫu đo đợc đặt tại tâm của
cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến pick-up. Tín hiệu ở lối ra tỷ

lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trờng sẽ đợc thu thập, xử lý hoặc lu trữ
cho các mục đích cụ thể. Từ trờng trong lòng ống dây có thể đợc sử dụng
để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng nửa chu kỳ hình sin của dòng
điện phóng. Từ trờng lớn nhất mà hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ đợc điều
khiển và đo đạc bằng kỹ thuật điện tử và ghép nối máy tính.
Phép đo từ trễ của tất cả các mẫu băng trong khoá luận đều đợc đo
trên hệ từ trờng xung với từ trờng cực đại lên đến 90 kOe, tại Viện Khoa
học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.


Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ đo từ trờng xung.

24

chơng 3
kết quả và thảo luận

3.1. Các mẫu đã chế tạo đợc
Để khảo sát cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim từ cứng Nd
4
Fe
78
B
18-
C
X

(x = 0, 3, 6 và 9), chúng tôi đã chế tạo hai loại mẫu băng hợp kim có tốc độ làm
nguội khác nhau với tốc độ trống quay là v = 5 m/s và v = 20m/s. Hợp phần và
các tham số công nghệ của các mẫu đợc liệt kê trong bảng 3.1

Bảng 3.1. Các mẫu hợp kim đ đợc chế tạo
(d là độ dày băng).

3.2. Kết quả phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X
Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của hệ băng hợp kim Nd
4
Fe
78
B
18-x
C
x
(x
= 0, 3, 6 và 9) với tốc độ trống quay v = 5 m/s và v = 20 m/s đợc trình bày
trên các hình từ 3.1 đến 3.5. Ta thấy vi cấu trúc của hệ mẫu thay đổi rất rõ rệt
theo cả tốc độ làm nguội và nồng độ C thêm vào.


STT

x (at%)

Hợp phần v (m/s)
d (àm)
Ký hiệu
1 0 Nd
4
Fe
78

B
18
5 184 T05
2 3 Nd
4
Fe
78
B
15
C
3
5 189 T35
3 6 Nd
4
Fe
78
B
12
C
6
5 187 T65
4 9 Nd
4
Fe
78
B
9
C
9
5 233 T95

5 0 Nd
4
Fe
78
B
18
20 46 T020
6 3 Nd
4
Fe
78
B
15
C
3
20 36 T320
7 6 Nd
4
Fe
78
B
12
C
6
20 51 T620
8 9 Nd
4
Fe
78
B

9
C
9
20 39 T920

25


H×nh 3.1. Phæ nhiÔu x¹ tia X cña mÉu b¨ng phun víi tèc ®é v = 5 m/s cña
hîp kim Nd
4
Fe
78
B
18-x
C
x
víi x = 0 vµ 9 (theo thø tù tõ d−íi lªn).


H×nh 3.2. Phæ nhiÔu x¹ tia X cña mÉu b¨ng Nd
4
Fe
78
B
18-x
C
x
(x = 0, 3, 6
vµ 9; theo thø tù tõ d−íi lªn trªn) phun víi tèc ®é v = 20 m/s.