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

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


Hình 2.5. Kính hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM): là loại kính sử dụng các tín hiệu 2, 3,
4, 5, 6. Các tín hiệu này chỉ cho thông tin về bề mặt mẫu (dạng, kích thước,
sự sắp xếp của các hạt). Hình 2.5 là kính hiển vi điện tủ' quét HITACHI S4800 đặt tại Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ
Việt Nam.
2.2.3. Phép đo từ
Hệ từ trường xung hoạt động theo nguyên tắc nạp và phóng điện qua
bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.6). Dòng một chiều qua K] nạp điện cho tụ
điện c , tụ điện này tích năng lượng cỡ vài chục kJ. Khoá к 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 trường xung cao.
Mầu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn dây cảm biến
pick-up. Tín hiệu ở lối ra tỉ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trường sẽ được
thu thập, xử lí hoặc lun trữ cho các mục đích cụ thể.

18


Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ đo từ trường xung.
Từ trường trong lòng ống dây có thể được sử dụng để nạp từ cho các
mẫu vật liệu khi chỉ dùng nửa chu kỳ hình sin của dòng điện phóng. Từ
trường lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ được điều khiển và đo đạt
bằng kĩ thuật điện tử và ghép nối máy tính.
Phép đo từ trễ của tất cả các mẫu trong luận văn đều được thực hiện
trên hệ từ trường xung với từ trường cực đại lên đến 90 kOe (hình 2.7).

Hình 2.7. Hệ đo từ trường xung.
Dữ liệu của hệ đo cho từ trường ngoài H đơn vị là Tesla (T) và từ độ
Mmđơn vị là emu/g. Các số liệu này được xử lí để đưa về hệ đơn vị CGS có
tính đến hệ số hiệu ứng khử từ. Các công thức chuyển đơn vị là:
19

- Chuyển từ độ theo khối lượng Mm sang từ độ theo thể tích Mv, đơn vị
là kG:
Mv (kG) = 4тфМт /1000

(2.1)

trong đó p là khối lượng riêng của vật liệu.
- Chuyển tù’ trường ngoài sang trường hiệu dụng có tính đến hiệu ứng

khử từ:
Heff = Hext - D .M v

(2 .2 )

Hệ số khử tù’ D được tra cún từ bảng số liệu chuẩn cho mẫu hình trụ.
Mau có dạng hình trụ đường kính 3 mm, chiều cao 3 mm (mẫu được cắt bằng
phương pháp tia lửa điện), hệ số khử từ D ~ 0,27.
- Cảm ứng từ В:
- Tích năng lượng:

В = Heff + Mv
(BH) = Heff.B

(2.3)
(2.4)

- Vẽ đồ thị (BH) theo в hoặc Heff ta sẽ thu được một đỉnh cực đại, đó

chính là (BH)max.

20


CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. cấ u trúc của bột họp kim Nd-Fe-B và họp chất pha thêm Dy-Nb-Al.
Theo các nghiên cún trước [1], [5] chúng tôi chọn thời gian đế nghiền
tinh họp kim Nd-Fe-B là 8 h. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bột họp kim
này được trình bày trên hình 3.1. Ket quả phân tích cấu trúc cho thấy mẫu kết
tinh khá đơn pha Nd2Fei4B với các đỉnh nhiễu xạ tương đối cao và sắc nét.
Cấu trúc của mẫu hầu như không bị ảnh hưởng bởi thời gian nghiền.

2 0 (°)

Hình 3.1. Giản đồ XRD của bột hợp kim có công thức họp phần
Nd]65Fe77B65 nghiền 8 h. Cấc vạch thắng đứng (màu xanh) biếu diên phố
chuân của pha NcỈ2 Fej4 B.
Đối với hợp chất pha thêm (HCPT), các pha hình thành trong mẫu
Al2Dy3, AlDy, Nb và AI sau khi nghiền cơ năng lượng cao đều là các pha phi
từ (hình 3.2). Từ hình vẽ ta thấy, sau khi nghiền 4 h các đỉnh nhiễu xạ được
mở rộng, một số đỉnh nhiễu xạ có cường độ thấp, không sắc nét đặc trưng cho
pha tinh thể ở kích thước nanomet.

21


Hình 3.2. Giản đồ XRD của hợp chất pha thêm có hợp phần
D y 4oNb3oAl3o đã nghiền 4 h.

Hình 3.3 là ảnh SEM của bột họp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h và họp chất
pha thêm Dy-Nb-Al được nghiền 4 h. Ta thấy nhận rằng, sau thời gian nghiền
8 h mẫu bột có kích thước khá đồng đều trong khoảng từ 3 - 5

ỊLim

(hình

3.3a). Với bột của họp chất pha thêm, phần lớn kích thước hạt của mẫu đều
nhỏ hơn 50 nm (hình 3.3b). Đây là kích thước chúng tôi mong muốn để pha
vào bột nam châm Nd-Fe-B.

a)

b)

Hình 3.3. Anh SEM của bột họp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h và hợp
chất pha thêm Dy40Nb30AỈ3 0 nghiền 4 h.
22