Nghiên cứu, chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ nguyên liệu công nghiệp

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
60

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2




NGUYỄN VĂN KHÁNH




NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT
NdFeB TỪ NGUYÊN LIỆU CÔNG NGHIỆP








LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
61

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………

6
NỘI DUNG

9
Chương 1: Tổng quan…………………………………………………

9
1.1. Lịch sử phát triển ………………………………………………

9
1.2 Công thức hoá học, cấu trúc tinh thể ……………………………

10
1.3 Các đặc tính của vật liệu……………………………………………

11
1.4 Cơ chế lực kháng từ ………………………………………………

13
1.5. Công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB ………………

14
1.6. Nam châm NdFeB chế tạo bằng các công nghệ khác. ………………

17
Chương 2: Thực nghiệm ……………………………………………… 28
2.1. Phương pháp nấu hợp kim bằng lò hồ quang trong môi trường khí
bảo vệ .

28
2.1.1. Lò hồ quang 30
2.1.2. Nồi lạnh (cold crucible) ……………………………………

32
2.2. Các phương pháp khảo sát vật liệu ………………………………….

33
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ………………………………… 33
2.2.2 Phép đo đường cong từ trễ xác định H
c
, B
r
, BH
max
……………. 35
23. Thực nghiệm chế tạo nam châm thiêu kết bằng vật liệu công nghiệp 37
2.3.1. Vật liệu sử dụng ………………………………………………

35
2.3.2. Nấu hợp kim ban đầu …………………………………………

36
2.3.3. Nghiền vật liệu ………………………………………………

36
2.3.4. Qui trình ép mẫu …………………………………………… 36
2.3.5. Quy trình xử lý nhiệt ………………………………………

36
Chương 3 : Kết quả và thảo luận ……………………………………

39
3.1. Nấu hợp kim ban đầu. ……………………………………………….

40

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
62
3.2. Nghiền vật liệu. ……………………………………………………

40
3.3. Quy trình ép mẫu. …………………………………………………

43
3.4. Quy trình xử lý nhiệt ………………………………………………

44
KẾT LUẬN …………………………………………………………… 56
Tài liệu tham khảo ……………………………………………………

57
Phụ lục ………………………………………………………………… 60






















Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010

63

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài.
Nam châm 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
(Hoa Kỳ) và Sumitomo Special Metals (Nhật Bản), và sau đó là Viện Hàn
lâm Khoa học Trung Quốc cũng công bố chế tạo thành công loại nam châm
này. [7]
Nam châm đất hiếm được biết đến là mạnh hơn rất nhiều so với các loại
nam châm truyền thống như nam châm ferrite, nam châm AlNiCo, hay vượt
trên cả nam châm hợp kim FePt, CoPt. Do vậy từ khi ra đời đến nay đã và
đang chiếm tỷ trọng lớn trong thị trường nam châm trên toàn thế giới (chiếm
khoảng 40% thị phần các loại nam châm trên toàn thế giới) [17]. Với rất
nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn các nam châm thế hệ trước, nam châm đất
hiếm không chỉ góp phần thu nhỏ kích thước mà còn tạo ra những ứng dụng
mới trong việc chế tạo các sản phẩm mới, độc đáo mà trước đó chưa hề có
như: mô tơ hình đĩa dùng để quay đĩa ổ cứng máy tính, máy chụp ảnh cộng
hưởng từ, xe đạp điện, xe lăn điện, máy phát thuỷ điện, máy phát điện bằng
sức gió, máy tuyển từ, các loại máy được sử dụng để khai thác các loại
khoáng sản như: sắt, titan, sa khoáng… phục vụ cho ngành sản xuất đồ gốm -
sứ, đồ thuỷ tinh hoặc kim loại.
Ở nước ta có nguồn tài nguyên phong phú về đất hiếm, vấn đề năng
lượng ngày càng đòi hỏi phải kết hợp nhiều giải pháp từ việc giải quyết ở quy
mô nhỏ, lẻ phục vụ cho các khu vực xa xôi hẻo lánh cho đến các giải pháp ở
quy mô toàn quốc trong một tổng thể phát triển chiến lược của đất nước.
Một biện pháp đang được nhà nước rất quan tâm đó là việc sử dụng lại
các nguồn năng lượng sẵn có như: năng lượng mặt trời, gió, nước ( các

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục

Hà Nội, 2010
64
nguồn năng lượng tái tạo) để chuyển đổi thành điện năng…Trong các hoạt
động đó, nam châm đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu trong các
máy phát điện, các động cơ…đó là vai trò chuyển đổi các dạng năng lượng
khác thành điện năng và từ điện năng thành cơ năng.
Nam châm đất hiếm với các đặc tính ưu việt của mình đã tập chung được
sự chú ý của các nhà nghiên cứu công nghệ nhằm hoàn thiện việc chế tạo
chúng, ứng dụng chúng trong những lĩnh vực khác nhau mà nhờ đó rất nhiều
sản phẩm có hiệu suất cao ra đời và nhanh chóng chiếm thị trường lớn trên
thế giới.
Việc nghiên cứu, chế tạo nam châm và ứng dụng nam châm bột thiêu kết
loại NdFeB chính là để phục vụ cho các mục đích nói trên. Hiện nay ở nước
ta đã có một số nơi nghiên cứu và chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB và đã
chế tạo được các nam châm thiêu kết có tích năng lượng cực đại tới trên
30MGOe từ các nguyên liệu sạch [1], các nghiên cứu trên các vật liệu công
nghiệp được đánh giá là chưa đạt yêu cầu. Để đánh giá mức độ chưa đạt yêu
cầu của các vật liệu có độ sạch công nghiệp trong công nghệ chế tạo nam
châm thiêu kết rất cần thiết phải có các nghiên cứu tỉ mỉ hơn với các cố gắng
cần thiết và sự kiên trì để hy vọng rằng có thể có các kết luận khả quan hơn
hoặc rõ ràng hơn.
Với những lý do đó, được sự giúp đỡ của PGS. TS Lưu Tuấn Tài chúng
tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu, chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ
nguyên liệu công nghiệp”.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm kiếm quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ các
nguyên liệu có độ sạch công nghiệp nấu với khối lượng lớn (5 kg một lần
nấu), cố gắng có thể thu được các nam châm có tích năng lượng cực đại (
BH)
max

đạt khoảng trên 20 MGOe.

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
65
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu, xác định tỉ phần các nguyên liệu có độ sạch công nghiệp
để chế tạo hợp kim NdFeB thích hợp cho việc chế tạo nam châm bằng
phương pháp nóng chảy hồ quang trong môi trường khí Ar.
- Nghiên cứu, xác định quy trình công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu
kết NdFeB trên các thiết bị của phòng thí nghiệm phấn đấu đạt kết quả nam
châm có tích năng lượng cực đại đạt trên 20 MGOe.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB tại
phòng thí nghiệm từ nguyên liệu có độ sạch công nghiệp
- Chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB có tích năng lượng khoảng
20MGOe.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thực nghiệm
6. Giả thiết khoa học
Tìm được quy trình chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB từ nguyên liệu có
độ sạch công nghiệp.
Luận văn bao gồm các phần sau:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan về nam châm NdFeB
- Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Kết luận
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
66

NỘI DUNG
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT NdFeB
1.1 Lịch sử phát triển.[7]
Ngày 2/6/1983 nhóm nghiên cứu đứng đầu là M.Sagawa của hãng các kim
loại đặc biệt Sumitomo tại Nhật Bản đã công bố đầu tiên về vật liệu nam
châm vĩnh cửu trên cơ sở Fe ( loại nam châm bột thiêu kết) với tích năng
lượng cực đại (BH)
max
= 36MGOe. Đến tháng 11/1983 tại Hội nghị từ quốc
tế ở Pittsburgh, họ công bố đó là nam châm NdFeB. Các thông tin chi tiết về
cơ sở, thành phần và công nghệ đã được M.Sagawa và các cộng sự công bố
trên tạp chí chuyên nghành năm 1984. Quy trình công nghệ chế tạo nam châm
bột thiêu kết NdFeB giống như quy trình chế tạo nam châm SmCo
5
. Kể từ đó
đến nay qua rất nhiều bước phát triển năng lượng cực đại đã đạt tới giá trị
chưa từng có đối với mọi nam châm từ trước tới nay tại nhiệt độ phòng là lớn
hơn 400KJm
-3
(lớn hơn 50MGOe). Năm 1985 Sagawa và các cộng sự đã công
bố kết quả chế tạo được nam châm NdFeB bằng phượng pháp bột thiêu kết
với các thông số cụ thể là:
Br = 1,46T,

I
H
c
= 736KAm
-1
(9,2kOe), giá trị
B
H
c
chỉ kém hơn một chút so
với
I
H
c
, (BH)
max
= 405KJm
-3
(50,6MGOe). Năm 2000, W.Rodewald và các
cộng sự tại hội nghị về nam châm đất hiếm và các ứng dụng của chúng đã
công bố kết quả chế tạo được nam châm NdFeB thiêu kết với thông số cụ thể
là:
Br = 1.47T,
j
H
c
= 960Kam
-1
(12kOe) và (BH)
max

= 53MGOe ( theo lý
thuyết BH
max
= 63MGOe).
Cũng tại hội nghị ở Pittsburgh 11/1983, Croat và các cộng sự thuộc nhóm
nghiên cứu của hãng General Motor (Mỹ) đã công bố chế tạo bằng phương
pháp phun băng từ dung dịch nóng chảy, phương pháp làm lạnh nhanh ( melt-

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
67
spnning), với thành phần hợp kim NdFeB đạt giá trị tích năng lượng cực đại,
BH
max
=14MGOe. Từ đó đến nay, qua các bước phát triển với việc áp dụng
công nghệ ép nóng (hot pressing) và công nghệ ép nóng không khuôn (Die-
upset) nam châm loại này đã đạt tới 45MGOe.
1.2 Công thức hoá học, cấu trúc tinh thể [2]
Công thức hoá học của NdFeB lúc đầu được xác định rất khác nhau như:
R
3
Fe
21
B (Stadelmaier và các cộng sự, 1983; Hadjipanayis và các cộng sự,
1984), R
3
Fe
20
B
2

(Spada và các cộng sự, 1984), R
5
Fe
25
B
3
(Deryagin và các
cộng sự, 1984) và R
3
Fe
16
B trong công trình sớm hơn nữa khi nghiên cứu về
tinh thể học của hệ R-Fe-B của nhóm người Nga Chaban và cộng sự, 1979.
Công thức hoá học thức pha chính của nam châm NdFeB đã được (Givord, Li
và Moreau, 1984; Herbst và các cộng sự, 1984, 1985; Shoemaker và các cộng
sự, 1984) đồng thời xác định chính xác là Nd
2
Fe
14
B và cấu trúc tinh thể là loại
tứ giác xếp chặt thuộc nhóm không gian P4
2
/mnm với vị trí của các nguyên tử
Nd, Fe, B chính xác được liệt kế trong bảng 1. Hình 1 Cấu trúc tinh thể của
pha Nd
2
Fe
14
B

Hinh 1.1: Cấu trúc tinh thể Nd
2
Fe
14
B


Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
68


Hình1. 2. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nd-Fe-B.
Bảng 1: Vị trí của các nguyên tử Nd
2
Fe
14
B trong ô nguyên tố Nd
2
Fe
14
B (
theo Herbrt và các cộng sự)

Nguyên tử X y z
Nd(4f)
Nd(4g)
Fe(16k
1

)
Fe(16k
1
)
Fe(8j
1
)
Fe(8j
2
)
Fe(4e)
Fe(4c)
Fe(4g)
0,268
0,140
0,223
0,037
0,098
0,317
0,5
0
0,371
0,268
- 0,140
0,567
0,360
0,098
0,317
0,5
0,5

- 0,371
0
0
0,127
0,176
0,204
0,246
0,114
0
0


Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
69
Thành phần cụ thể của hợp kim dùng để chế tạo nam châm là Nd
15
Fe
77
B
8

Fe(16k
1
) theo Omerod (1985) hợp kim gồm 4 pha tinh thể khác nhau. Ngoài
pha từ cứng Nd
2
Fe
14
B có khoảng 27% trọng lượng Nd, còn có pha giầu Nd ở

biên hạt là pha có khoảng 80% trọng lượng Nd. Pha giầu Nd có điểm nóng
chẩy là 900K, nó tồn tại ở trạng thái lỏng trong suốt thời gian thiêu kết lam
tăng mật độ khối tới 99% mật độ lý thuyết. Còn pha Nd
1+

Fe
4
B
4
pha có nhiệt
độ Curie thấp cỡ 10K và Nd kim loại ở dạng tự do thường tập hợp ở tam điểm
nơi tiếp xúc các hạt Nd
2
Fe
14
B. Theo một số tài liệu khác còn có thể thêm các
pha phụ khác nữa: Fe tự do, Nd
2
O
3
hoặc pha giầu sắt tuỳ thuộc và thành phần
và công nghệ chế tạo.
1.3 Các đặc tính của vật liệu[2],[7]
Do chứa đất hiếm nên các hợp kim NdFeB rất dễ bị ôxy hoá, do đó qui
trình sản xuất từ khâu đầu đến khâu cuối phải làm trong môi trường khí bảo
vệ hoặc trong chân không. Cơ chế ôxy hoá là từ bên ngoài ôxy thâm nhập vào
trong tương tác với pha giầu Nd và Nd kim loại tự do làm ôxy hoá kim loại và
ăn mòn vật liệu. Ta có thể dùng các phương pháp khác nhau để tẩm phủ
mạ…ở mặt ngoài để ngăn cản quá trình này. Ngoài ra còn có cơ chế Ôxy hoá
từ bên trong vật liệu là do các Ôxy tồn tại trong lòng vật liệu ban đầu, tồn tại

trong quá trình nấu sẽ từ Oxy hoá và làm phần rã vật liệu từ bên ngoài. Để
giải quyết vấn đề này các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác
nhau nư pha tạp Si, SiO, Dy … thậm chí còn áp dụng cả phương pháp mạ
từng hạt bột nam châm. Hiện nay trên thực tế pha tạp Dy là phương pháp phổ
biến để giải quyết vấn đề này, pha tạp Dy còn làm tăng lực kháng từ của nam
châm.
Hợp kim NdFeB có hoạt tính hoá học rất cao, nó tương tác với hầu hết các
vật liệu sử dụng làm nồi nấu vì trên thực tế chỉ có 3 loại nồi nấu là sử dụng
được đó là: Nồi làm từ vật liệu NitritBo (BN), nồi tự nó và nồi lạnh.

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
70
1.3.1- Nồi NitritBo (BN) rất đắt tiền chỉ dụng trong phòng thí nghiệm.
1.3.2- Nồi tự nó là loại nồi được làm từ Oxyt Lantan (La
2
O
3
) sau đó ta nấu
chẩy La kim loại trong nồi đó cho đến khi thấy La thấm vào nồi Oxyt Lantan
(La
2
O
3
) đến bão hoà, không còn tương tác gì thêm với nồi nữa, lúc này chúng
ta có thể dùng để nấu các hợp kim đất hiếm mà không sợ chúng tương tác với
nồi. Loại này trên thực tế cũng chỉ là thí nghiệm và được sử dụng lúc đầu
trong phòng thí nghiệm.
1.3.3- Nồi lạnh hay còn gọi là thuyền lạnh ( Cold crucible or Cold boat):
Đây là loại nồi thông dụng và phổ biến nhất hiện nay trong các phòng thí

nghiệm và trong sản xuất. Nồi thường được làm nhôm tinh khiết (thường
dùng ở Nhật) hoặc bằng đồng đỏ có nước làm lạnh chảy liên tục. Phương
pháp này có được áp dụng cho mọi khuôn đúc các hợp kim đất hiếm.
Nd
2
Fe
14
B là một hợp kim sắt từ, tại nhiệt độ phòng (295K) chúng co mô
men từ bão hoà M
s
=32,5
s

trên một đơn vị công thức,
KGM
s
0,164


, trường
dị hướng H
a
=73kOe và nhiệt độ Curie T
c
=585K.
1.4. Cơ chế của lực kháng từ.
Có nhiều cơ chế gây ra lực kháng từ, tuy nhiên có hai cơ chế chính là
mầm đảo từ (nucleation) và hãm dịch chuyển vách domen (pinning). Sự khác
nhau của hai cơ chế thể hiện ở đường cong từ hoá ban đầu và đường cong khử
từ trên hình 1.

nucleation pinning



C’,H
P
C,H
N
H


Vách
B
A
T
âm pinning

M/Ms

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
71


Hình1. 3 - Cơ chế nucleation và cơ chế pinning
(H
N
và H

P
là lực kháng từ do hai cơ chế tạo ra)
Cơ chế nucleation được hình thành do các sai hỏng nhỏ (điểm) trong vật
liệu hoặc từ biên hạt, đặc biệt do sự không đồng nhất về hình dạng của hạt tạo
ra các từ trường ngược là các tâm mầm đảo từ, từ trường bão hoà đối với cơ
chế này có giá trị là H
N
, do mô men từ có thể biến đổi đột ngột nên giá trị H
N

thường là nhỏ. Cơ chế này là cơ chế chủ yếu trong các tinh thể lớn như nam
châm đúc hay thiêu kết. Cơ chế pinning được hình thành do các sai hỏng kích
thước lớn (mặt, khối) tạo ra các tâm làm chốt hãm sự dịch chuyển vách
đomen, cơ chế này được hình thành chủ yếu trong vật liệu có kích thước tinh
thể cỡ nano, khác với cơ chế nucleation, mô men từ của cơ chế này không
biến đổi đột ngột, vì thế giá trị từ trường bão hoà H
P
lớn hơn H
N
[18].
Giả sử vật liệu chỉ có cơ chế nucleation thì đường cong khử từ sẽ đi theo
đường A -B-C trên hình 1 do sự đảo đột ngột đomen, còn nếu chỉ có cơ chế
pinning thì đường cong khử từ sẽ đi theo đường A -B-C’, như vậy cơ chế
pinning có thể làm tăng Hc lớn hơn cơ chế nucleation.
Trong thực tế vật liệu luôn luôn chứa cả hai cơ chế này, vì thế đường
cong từ hoá ban đầu và đường cong khử từ có hình dạng không rõ ràng theo
cơ chế nào. Tuy nhiên vẫn có sự chiếm ưu thế của cơ chế nucleation trong các
nam châm thiêu kết và cơ chế pinning trong nam châm kết dính ribbon.
1.5. Công nghệ chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB [1],[3],[7]
Qui trình chế tạo nam châm bột thiêu kết NdFeB là qui trình gốm thông

thường, giống như qui trình chế tạo nam châm SmCo
5
. Một qui trình chế tạo
nam châm bột thiêu kết NdFeB thông thường gồm một số bước công nghệ
chính như sau:

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
72
Bước 1: Vật liệu ban đầu là các kim loại Nd, Fe, B hoặc FeB có độ
sạch cao 99.9% hoặc cao hơn được cân theo trọng lượng nguyên tử tương ứng
với công thức Nd
15
Fe
77
B
8
.
Bước 2: Vật liệu ban đầu sau khi cân theo tỉ lệ được đưa vào nấu thành
hợp kim trong một số loại lò như sau:
- Lò điện trở trong chân không (vaccum thermal furnace)
- Lò hồ quang (arc melting furnace)
- Lò tần số cao, trên thực tế là lò trung tần (high frequency furnace)
Hoạt động trong môi trường chân không hoặc trong khí trơ (Ar, He).
Lưu ý, phải nấu vài lần để nấu chảy hoàn toàn tạo thành hợp kim NdFeB và
tạo ra vật liệu có độ đồng nhất cao.
Bước 3: Đây là bước nghiền đập khối hợp kim vừa nấu xong có thể
dùng chầy cối thép hoặc máy đập hàm cho tới độ hạt quanh 100μm. Sau khâu
nghiền thô, vật liệu được đưa vào nghiền tinh cho tới độ hạt đạt kích thước
5÷10μm (đây là kích thước đơn đô men của hợp kim Nd

15
Fe
77
B
8
) bằng một số
loại máy nghiền như: máy nghiền bi, máy nghiền rung hoặc jet-mill trong môi
trường khí trơ hoặc các dung môi thích hợp như cồn tinh khiết, toluence,
aceton…
Bước 4: Ép định hình sản phẩm, trong từ trường định hướng cỡ 2 Tesla
đặt vuông góc với phương ép (ta gọi là ép vuông góc) hoặc song song với
phương ép (ta gọi là ép song song) với áp suất ép cỡ 3 tấn/cm
2

Bước 5: Các viên bột ép được đưa vào lò nung trong môi trường khí Ar
và thiêu kết ở nhiệt độ cỡ 1100
0
C trong khoảng 1 giờ sau đó được làm lạnh
nhanh bằng khí hoặc dầu tới nhiệt độ phòng. Trong quá trình nâng nhiệt ban
đầu, tốc độ tăng nhiệt phải chậm để tránh nứt vỡ sản phẩm.
Bước 6: Sau quá trình thiêu kết ta đã thu được sản phẩm là các nam
châm nếu nạp từ nhưng tích năng lượng còn chưa cao và giá trị lực kháng từ

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
73
còn thấp. Để điều khiển cấu trúc tế vi trong các nam châm, ta phải tiến hành
xử lý nhiệt với một quá trình nhiệt thích hợp sẽ làm tăng cả giá trị cảm ứng từ
dư B
r

và lực kháng từ H
c
và cuối cùng thu được các sản phẩm đạt chất lượng
tốt. Có hai khoảng giá trị nhiệt độ thích hợp đó là xung quanh 900
0
C và
600
0
C. Thông thường là xử lý nhiệt tại 900
0
C trong khoảng thời gian 1 giờ
sau đó lại làm lạnh nhanh tới nhiệt độ phòng.
Bước 7: Trước khi thực hiện các biện pháp gia công cơ khí để tạo ra
các dạng nam châm có kích thước chính xác theo yêu cầu sử dụng, ta phải
tiến hành kiểm tra nhanh một cách xác suất một vài mẫu bất kỳ để xác định
các thông số nam châm của sản phẩm. Nếu đạt yêu cầu, ta mới thực hiện gia
công cơ khí tất cả các sản phẩm. Do vật liệu có độ cứng cao cỡ 60RH (đây là
độ cứng của dao cắt gọt kim loại) vì vậy để gia công cơ khí chỉ dùng được các
bột kim cương, cưa kim cương.
Bước 8: Sản phẩm sau khi gia công cơ khí nhất thiết phải được tẩm phủ
để chống oxy hóa (sơn, mạ…). Đây là khâu rất quan trọng và là vấn đề vẫn
đang còn được tiếp tục nghiên cứu, tìm kiếm các qui trình đơn giản hơn và
hiệu quả hơn. Đây cũng là một khâu bí mật công nghệ riêng của từng hãng
sản xuất nam châm NdFeB.
Bước 9: Để nạp từ cho các nam châm, từ trường nạp chỉ cần cỡ 2 Tesla
là đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
74
















Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ chế tạo Nam châm thiêu kết Nd Fe B
Trên đây là những bước quan trọng trong quá trình chế tạo nam châm. Để
đạt được phẩm chất nam châm tốt chúng ta cần phải lưu ý và kiểm soát cẩn
thận từng bước một. Ở bước 2 khi cân kim loại đất hiếm ta cần phải cân dư ra
khoảng 1%-2% để bù trừ lượng đất hiếm bay hơi trong quá trình nấu. Ở bước
3 công đoạn chiếm nhiều thời gian và năng lượng nhất, trong sản xuất thường
dùng máy nghiền phản lực (Jet-mill) trong khâu nghiền tinh là phương pháp

nghiền bằng dòng xoáy khí argon cho phép nghiền với khối lượng lớn và có
thể phân loại được độ hạt bột. Ở bước 4 việc ép định hình sản phẩm có thể
được thực hiện bằng máy ép thủy lực dùng khuôn ép và tốt nhất nên ép hai
chiều cùng một lúc để tránh hiện tượng phân lớp. Phương pháp ép thủy đẳng
(1) Nguyên liệu ban đầu
(2) Nấu hợp kim
(3) Đập, nghiền
(4) Ép trong từ trường
(5) Thiêu kết
(8) Sơn bảo vệ
(6) Xử lý nhiệt
(7) Gia công cơ khí
(9) Nạp từ

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
75
tĩnh trong dầu cho phép ta đạt được mật độ khối cao do lực ép tác dụng đều
trên toàn mẫu, tuy nhiên lại không thể giữ được hình dạng của sản phẩm đồng
thời lại phải định hướng bột trước bằng từ trường lớn cỡ 3 Tesla trở lên. Bước
5 và bước 6 là khâu quan trọng nhất quyết định năng lượng từ của sản phẩm.
Một số thủ thuật công nghệ đã được áp dụng để nâng cao mật độ khối và giảm
nhiệt độ thiêu kết như phương pháp thiêu kết pha lỏng, sử dụng hiệu ứng pha
tạp…
1.6. Nam châm NdFeB chế tạo bằng các công nghệ khác.
1.6.1.Nam châm vĩnh cửu có cấu trúc nano - nam châm composite.[11]
Vật liệu composite đã được nhiều người biết đến, nó đã và đang được
nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi do có tính năng kết hợp cả hai pha thành phần
nền (dẻo) và cốt (cứng). Ý tưởng về liên kết hai pha một pha cứng và một pha
mềm thông qua tương tác trao đổi đã được áp dụng trong vật liệu từ (đặc biệt

là vật liệu nam châm đất hiếm) tuy nhiên trong đó khái niệm cứng và mềm là
khái niệm về từ tính. Mô hình liên kết từ của nam châm composite được thể
hiện trên hình 1.4.
Các vật liệu nam châm composite hiện nay đang được nghiên cứu và ứng
dụng rất mạnh là các hệ: Nd
2
Fe
14
B + -Fe, Nd
2
Fe
14
B +Fe
3
B,
Sm
2
(Fe.Co)
17
+(FeCo), Sm
2
Fe
17
N
3
+FeCo. Khoảng cách tương tác trao đổi L
ex

phụ thuộc vào bản chất của các pha, đối với Nd
2

Fe
14
B + -Fe thì L
ex
~35 nm.






Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
76
M
mềm

cứng

a) H=0
L
ex



M

b) H0

M

c) H0

M

d) H=0

Hình 1.5. Mô hình tương tác trao đổi trong nam châm composite [3]
Khi không có từ trường ngoài các hạt từ cứng có mô men từ thấp hơn các
hạt từ mềm nhưng được định hướng song song với nhau do tương tác trao đổi
và giữ cho mô men từ của các hạt từ mềm cùng phương với nó (a). Khi có từ
trường ngoài H nhỏ ngược chiều với mô men từ của các pha, pha từ cứng M

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
77
vẫn giữ nguyên còn pha từ mềm M bị giảm đi nhưng vẫn được hãm bởi pha
từ cứng (b). Khi H khá mạnh thì pha từ mềm hầu như có M trùng với H (c),
tuy nhiên khi ngắt từ trường ngoài thì mô men từ của pha từ cứng lại kéo mô
men từ của pha từ mềm trở lại vị trí ban đầu (d)=(a).
Do kích thước của tinh thể các pha trong nam châm composite rất nhỏ
nên công nghệ của vật liệu này phải bằng phương pháp nguội nhanh để tạo ra
các băng là vô định hình hay vi tinh thể có kích thước nhỏ hơn L
ex
sau đó
được ủ nhiệt để đạt kích thước hạt và các pha mong muốn.

Hình 1.6. Các dạng đường cong khử từ của nam châm composite ứng
với các trường hợp khác nhau
Pha Nd
2
Fe
14
B có hằng số dị hướng từ tinh thể rất lớn do đó tạo ra lực
kháng từ Hc rất lớn, pha -Fe có Ms rất lớn, do đó tăng mô men từ dư Mr
mạnh, khi hai pha có kích thước lớn hơn L
ex
(không liên kết từ) thì đường
cong khử từ có góc phần tư thứ 2 bị lõm do đó giảm (BH)
max
và không ứng
dụng được. Khi kích thước 2 pha đủ nhỏ (có liên kết từ) thì pha cứng có thể
giữ được từ độ của pha mềm theo phương của mình, vì thế có thể tận dụng
được ưu điểm của cả hai pha, do vậy đường cong khử từ có dạng vuông rất
Có liên kết từ
Không liên kết từ
Pha từ mềm
M
Mr
Pha từ cứng
Hc

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010

78
lớn làm tăng (BH)
max
và ổn định điểm làm việc của nam châm (hình 3). Bằng
lý thuyết người ta đã tính được năng lượng từ cực đại (BH)
max
đối với loại vật
liệu này có thể lên tới 120MGOe và đây đang là mục tiêu nghiên cứu của
nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Một đặc trưng của nam châm nano Nd
2
Fe
14
B là bao gồm các hạt cỡ vài
chục nanomet định hướng ngẫu nhiên trong vật liệu, khi coi tương tác trao đổi
giữa các hạt là yếu, hằng số dị hướng K
1
chiếm ưu thế thì mô men từ theo
phương z được tính theo công thức Stoner -Wohlfarth sau :
trong đó P (

)là khả năng để trục dễ từ hoá của tinh thể tạo với phương
của trục z l (phương của từ trường) một góc

(Hình 1.6). Sau khi khử từ
bằng nhiệt độ, toàn bộ phương của từ trường là đồng nhất, do đó P (

)=1 đối
với toàn bộ


và <Mz> =0. ở trạng thái từ dư, Mz >0 đối với toàn bộ các hạt
do đó P (

)=1 đối với

< /2 và P (

) =0 đối với

> /2. Mô men từ dư
tính từ công thức (1) được Mr = <Mz> = Ms/2. Đối với vật liệu bao gồm các
tinh thể lập phương xắp xếp ngẫu nhiên hoặc tinh thể dị hướng mặt, mặc dù
có tỷ số Mr /Ms >1/2 nhưng các vật liệu này rất khó tạo ra lực kháng từ bởi vì
chúng có nhiều trục dễ từ hoá.





,
)sin()(
)sin()cos()(
0
0








dP
dP
MM
sz

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
79




trạng thái khử từ trạng thái từ dư
Hình 1.7. Cấu hình mô men từ các hạt tinh thể tự do tương tác (interaction
-free crystallites). Mỗi mũi tên biểu diễn cho một hạt
Độ rộng của đường cong từ trễ được xác định bởi lực kháng từ của các
hạt riêng lẻ, trong trường hợp góc không định hướng

< /4 thì lực kháng từ
riêng bằng với trường đảo Stoner -Wohlfarth :

Đối với

> /4 lực kháng từ xác định bằng sự quay liên kết:
Đường cong từ trễ của toàn bộ các hạt tự do tương tác có được bằng cách
tích phân toàn bộ các đường từ trễ riêng biệt. Để tính toán mô men từ có thể
dùng công thức (1) nhưng khi đó P (

)phụ thuộc vào từ trường ngoài. Đối

với nam châm đơn trục từ dư Mrp =Ms/2, đối với các tinh thể lập phương
kiểu Sắt (K
1
>0) và Niken (K
1
<0) tỷ số Mr /Ms bằng 0, 832 và 0,866.
   
 
2/3
3/23/2
0
1
sincos
1
2




Ms
K
H
N
 


2sin
0
1
Ms

K
H
c

e
z
M


Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
80











Hình 1.8. Sự phụ thuộc của Mr và Hc vào kích thước hạt R.
Hình 1.7 biểu diễn sự phụ thuộc của Mr và Hc vào kích thước hạt R. Khi
kích thước hợp lý, cường độ tương tác trao đổi giữa các hạt có thể biểu diễn
bằng tham số A /K
1
R
2

, (R là bán kính trung bình của các hạt) tham số này thể
hiện rằng cường độ trao đổi phụ thuộc mạnh vào kích thước hạt. Mô men từ
dư được tính theo công thức:
R
0
là khoảng cách trao đổi, R là kích thước hạt.
Đối với tương tác trao đổi mạnh lực kháng từ Hc được xác định bởi công
thức Hc  2K
eff
/ 
0
Ms , trong đó K
eff
là hằng số đặc trưng cho dị hướng thể
tích trung bình.









2
2
0
2
1
R

R
MsMr
Ms
Mô men từ dư
Lực kháng từ
Ms/2
Ha/2
Ha
Ms
1 2
3
R/R
0


Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
81
Từ hình 1.7 ta thấy khi kích thước hạt còn nhỏ hơn khoảng cách tương
tác trao đổi R
0
thì Hc tăng, Mr giảm theo độ tăng của R rất mạnh, còn khi R
>R
0
thì chúng tiến tới giá trị bão hoà Ha /2 và Ms /2. Trong đó Ms là mô men
từ bão hoà và H
a
là trường dị hướng của vật liệu.
1.6.2. Chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh (tạo băng -
ribbon).[9],[10],[11]

Hình 1.9. Quy trình công nghệ bằng phương pháp ribbon
Khác với công nghệ luyện kim bột truyền thống, hợp kim được nấu chảy
và làm nguội với tốc độ rất cao ~ 10
6

0
C/s để thu được các băng mỏng là vô
định hình hay vi tinh thể sau đó được xử lý nhiệt và các bước công nghệ tiếp
theo. Quy trình công nghệ (hình 1.8) [9].
(1) Chọn phối liệu
(2) Nấu chảy, phun băng
(7) Poly me hoá

(9) Sản phẩm MQ I hoặc MQ III

(4) Nghiền
(5) Trộn keo
(6) Ép tạo
hình sản phẩm

(8) Nạp từ
(3) Xử lý nhiệt
(4
1
) Nghiền
(5
1
) ép nóng
(6
2
) Nghiền
(6
1
) nạp từ

(7
1
) sản phẩm

MQII
HDDR
(6
2
) ép nóng

2 giai đoạn

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
82
Khác với thành phần của hợp kim chế tạo nam châm thiêu kết, hợp kim
ribbon được chuẩn bị với hợp phần Nd
14
Fe
80
B
6
, do không có quá trình thiêu
kết nên pha giàu Nd và pha giàu B có chứa rất ít trong thành phần của băng,
vì vậy chúng có tỷ phần ít hơn so với hợp kim thiêu kết.
Hợp kim được nấu chảy và phun ở thiết bị như hình 1.9.













Hình 1.20. Thiết bị phun tạo băng hợp kim

1- Nồi nấu + vòi phun; 2- Kim loại nóng chảy;
3- Vòng cảm ứng. 4-Trống đồng; 5 - Băng hợp kim
Hợp kim được nấu trong ống thạch anh có bảo vệ bằng khí Ar, sau đó
phun vào bề mặt trống đồng đang quay với vận tốc lớn qua một khe hẹp. Hợp
kim bị nguội nhanh tạo thành băng có chiều dày cỡ 30 50m, tốc độ nguội
của hợp kim phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ quay của trống và lượng hợp kim
phun ra, nó có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần pha và cấu trúc tinh thể của
băng, do đó ảnh hưởng đến các tính chất từ của vật liệu. Đối với mỗi loại vật
liệu cần chế tạo khác nhau, tốc độ quay của trống đồng (tốc độ nguội) khác
nhau, đối với băng NdFeB vận tốc trống khoảng 25m/s là thích hợp [10].

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
83
Băng nguội nhanh thường có cấu trúc pha và tinh thể phức tạp, vì thế
tính chất từ rất kém, để nâng cao tính chất từ cần phải xử lý nhiệt ở nhiệt độ
khoảng 650
0
C để tinh thể hoá và loại bỏ ứng suất cũng như các pha không có
lợi.
Băng sau khi xử lý nhiệt có thể được tiến hành theo nhiều công nghệ
khác nhau như đã trình bày trong sơ đồ hình 1.8.
Công nghệ đơn giản nhất là nghiền tới kích thước hạt khoảng 130 m
sau đó trộn chất kết dính, chất kết dính có thể bằng rất nhiều loại khác nhau
tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng. Đối với chất kết dính bằng epoxy khô thì tỷ
lệ là 2,5% theo khối lượng. Mẫu được ép với lực ép 5T/cm
2
sau đó polime
hoá ở nhiệt độ 135
0

C trong thời gian 1 giờ để liên kết giữa các hạt và tạo lớp
bảo vệ chống ôxy hoá. Mẫu được nạp từ với từ trường tối thiểu khoảng 6T.
Bằng công nghệ này có thể chế tạo nam châm kết dính đẳng hướng đạt năng
lượng từ cực đại khoảng 8 10MGOe ta thường gọi là sản phẩm MQI
[10],[11].
Công nghệ thứ hai là công nghệ HDDR dựa vào khả năng dễ tác dụng
với hyđro của các pha đất hiếm, vì vậy có thể “nghiền” nhỏ hạt để tạo ra các
hạt vi tinh thể là sản phẩm bột dị hướng phục vụ cho nam châm kết dính dị
hướng. Công nghệ này có thể chế tạo nam châm kết dính loại dị hướng có
năng lượng từ cỡ 15  19 MGOe [10].
Công nghệ ép nóng: Từ mẫu vụn với kích thước (0,5mm  0,5mm
40m) được ép trong điều kiện nhiệt độ ~700
o
C và lực ép ~1T/cm
2
. Theo
điều kiện phát triển tinh thể của vật liệu với nhiệt độ và áp suất đó tinh thể sẽ
được phát triển mạnh theo phương của trục a vuông góc với phương của lực
ép P, do đó trục c của tinh thể (là trục dễ từ hóa) sẽ song song với phương của
lực ép tạo ra sự dị hướng các hạt tinh thể theo phương dễ từ hóa. Điều đó làm
tăng lực kháng từ và năng lượng từ của vật liệu lên, tuy nhiên số tinh thể dị
hướng còn thấp (cỡ 10%) nên năng lượng từ đạt được còn thấp, (BH)max ~10
18MGOe ta gọi là sản phẩm MQII.

Luận văn Thạc sĩ Vật Lí Phụ lục
Hà Nội, 2010
84
Phương pháp ép nóng hai giai đoạn MQIII (die upset). Mẫu ép nóng lần
1 (MQII) được đưa sang khuôn có tiết diện ngang lớn hơn, sau đó ép lại với
chế độ T ~800

0
C , P ~5T/cm
2
. ở nhiệt độ này dưới tác dụng của lực ép, mẫu
bị biến dạng dẻo tăng diện tích tiết diện ngang và giảm chiều dọc sẽ tạo điều
kiện cho các tinh thể phát triển mạnh theo phương của trục a vuông góc với
phương của lực ép P . Do vậy số hạt tinh thể có trục c song song với phương
của lực ép P tăng lên rất nhiều (cỡ 75%). Phương pháp này cho độ dị hướng
tốt và mật độ rất cao (gần tới 100g%), do vậy năng lượng từ có thể đạt được
rất lớn (BH)max ~3545MGOe [10],[11].
Từ sản phẩm này có thể ứng dụng ngay hoặc nghiền ra tạo bột dị hướng
để chế tạo nam châm kết dính loại dị hướng, sản phẩm loại này có thể cho
năng lượng từ cực đại lên tới 18MGOe.