Nghiên cứu ảnh hưởng của sự pha tạp (dy, cu, al ) lên tính chất của nam châm thiêu kết nd fe b

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ NGỌC LAN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA
SỰ PHA TẠP (Dy, Cu, Al…) LÊN TÍNH CHẤT
CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN HUY DÂN

HÀ NỘI – 2015


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới
PGS.TS. Nguyễn Huy Dân về sự hƣớng dẫn tận tình và hiệu quả dành cho tôi
để tôi hoàn thành khóa luận này.
Xin đƣợc 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 Yến 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 đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các giảng viên khoa Vật lí của

Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, những ngƣời 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 cứu 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
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B ........................ 4
1.1.

Lịch sử phát triển hợp kim từ cứng. .................................................................. 4

1.2.

Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe14B........................................................... 7

1.3.

Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. ............................................ 8

1.4. Ảnh hƣởng của các nguyên tố Dy, Cu, Al lên tính chất từ của nam châm
Nd-Fe-B............. .......................................................................................................... 9
CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. ............................................ 11

2.1. Chế tạo mẫu. ....................................................................................................... 11
2.1.1. Quy trình 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. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ........................................................................ 16
2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử. ....................................................................... 17
2.2.3. Phép đo từ ..................................................................................................... 18
CHƢƠNG 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 hƣởng của hợp chất pha thêm lên tính chất từ của bột hợp kim Nd-Fe-B. 23
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 27


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Vật liệu từ cứng đƣợc sử dụng làm nam châm vĩnh cửu, ứng dụng trong
rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và kỹ thuật. Nam châm vĩnh cửu
đƣợc sử dụng ở dạng đơn giản trong các thiết bị nhƣ động cơ, máy phát, khởi
động điện từ, loa điện động… và trong các linh kiện công nghệ cao nhƣ các
cảm biến, đĩa ghi từ mật độ cao, vi khởi động điện từ v.v… Trong tình trạng
khủng hoảng về năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng ngày càng tăng cao nhƣ
hiện nay, vấn đề sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo lại (năng lƣợng gió,
năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng nƣớc, địa nhiệt…) đang đƣợc 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 đƣợc trong hầu hết các thiết bị chuyển đối các
dạng năng lƣợng đó thành năng lƣợng điện.
Có rất nhiều loại nam châm vĩnh cửu đƣợc 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 cửu, 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 đƣợc viết tắt là Nd-Fe-B là một loại nam châm
đất hiếm đƣợc tạo ra từ hợp chất của Neodym (Nd) - Sắt (Fe) - Bo (B), với
công thức phân tử là Nd2Fe14B. Nam châm thiêu kết NdFeB lần đầu tiên đƣợc
chế tạo thành công vào năm 1982, đƣợc công bố đồng thời bởi hai công ty lớn
là General Motors Corporation (Mỹ) và Sumitomo Special Metals (Nhật
Bản), và hiện vẫn đang là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất từng đƣợc biết.
Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B mạnh hơn rất nhiều so với các loại nam
châm truyền thống nhƣ 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
trƣờng 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 ƣu việt hơn hẳn các loại nam
châm thế hệ trƣớc, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đƣợc sử dụng là một nguồn
tạo từ trƣờng mạnh, tạo ra những ứng dụng mới trong việc chế tạo các sản
phẩm mới, độc đáo mà trƣớc đó chƣa hề có nhƣ: đƣợc sử dụng nhiều trong ở
cứng máy tính, trong các động cơ công suất lớn, máy chụp ảnh cộng hƣởng
từ, xe đạp điện, xe lăn điện, máy phát thủy điện, các loại máy đƣợc sử dụng
để khai thác các loại khoáng sản nhƣ: sắt, titan, sa khoáng… phục vụ 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 đƣợc yêu cầu phải có đồng thời tích năng lƣợng từ
cao và lực kháng từ lớn. Với công nghệ hiện thời, để chế tạo đƣợc nam châm
thiêu kết Nd-Fe-B đáp ứng đƣợc yêu cầu trên đòi hỏi phải thay thế một phần
Nd bằng Dy. Lƣợng Dy thay thế cho Nd có thể lên tới 40% tùy thuộc vào mục
đích sử dụng. Tuy nhiên, lƣợng 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 lƣợng của nam châm thiêu kết Nd-FeB bằng công nghệ mới (xử lý nhiệt, cải thiện biên hạt, thêm các nguyên tố phi

đất hiếm Cu, Al…) trong loại nam châm này.
Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B với các đặc tính ƣu việt của mình đã tập
trung đƣợc sự chú ý của các nhà nghiên cứu công nghệ nhằm hoàn thiện việc
chế tạo chúng trong những lĩnh vực khác nhau mà nhớ đó rất nhiều sản phẩm
có hiệu suất cao ra đời và nhanh chóng chiếm thị trƣờng 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 tƣợng nghiên cứu cho đề tài khóa luận tốt nghiệp.

2


Khóa luận này đƣợc tiến hành với đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của
sự pha tạp (Dy, Cu, Al…) lên tính chất của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B”
dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hƣởng của sự pha tạp (Dy, Cu, Al…) lên tính chất của
nam châm thiêu kết Nd-Fe-B để tạo đƣợc nam châm có chất lƣợng tốt, có khả
năng ứng dụng cao trong thực tế.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo mẫu.
- Đo đạc.
- Xử lý số liệu.
- Tổng hợp kết quả.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
- Đối tƣợng: Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
- Phạm vi: Nghiên cứu cấu trúc tính chất của nam châm chế tạo đƣợc.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Phƣơng pháp thực nghiệm.

3


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B
1.1.

Lịch sử phát triển hợp 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 cửu đƣợc phát hiện đầu tiên dƣới dạng những viên quặng manhetit đƣợc
từ hóa trong từ trƣờng 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 hƣớng mới trong ứng dụng nam châm vào cuộc sống và
khoa học kỹ thuật.
Từ xa xƣa, ngƣời Trung Quốc cổ đã biết đến tính chất từ của "đá nam
châm" (lodestone), mà sau này thành phần hoá học đƣợc xác định là ôxít sắt
tự nhiên -Fe2O3 và Fe3O4 với lực kháng từ Hc cỡ vài chục Oe, cảm ứng từ dƣ
Br khoảng 3 ÷ 4 kG. Năm 1743, Daniel Bernoulli là ngƣời đầu tiên đƣa ra ý
tƣởng tạo nam châm có hình móng ngựa bằng thép cacbon (Fe3C), sau đó là
bằng thép coban và thép volfram. Nam châm này tƣơng đối yếu với tích năng
lƣợng cực đại (BH)max ~ 1 MGOe. Thành công đầu tiên trong nâng cao phẩm
chất từ đƣợc đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima
(Nhật Bản) vào năm 1932 [4]. Hợp kim này đƣợc chế tạo bởi quá trình hợp
kim hóa ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lƣợng nhỏ Al 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 đƣợc sử dụng rộng rãi trong môtơ và loa âm thanh. Thành phần
hợp kim và công nghệ chế tạo liên tục đƣợc phát triển, đến năm 1956 hợp kim
Alnico 9 với tính dị hƣớng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hƣớng dạng) có

(BH)max đạt khoảng 10 MGOe. Hiện nay, nam châm loại này vẫn còn đƣợc sử
dụng do chúng có nhiệt độ Curie cao (850oC). Nhƣợc điểm của vật liệu này là

4


lực kháng từ Hc bé (~ 2 kOe). Hợp kim Alnico đƣợc chế tạo bằng công nghệ
đúc trực tiếp và sau đó ủ trong từ trƣờng hoặc thiêu kết. Chính quy trình công
nghệ này làm phát triển vi cấu trúc dạng cột của pha sắt từ mạnh Fe-Co trên
nền sắt từ Ni-Al yếu hơn. Lực kháng từ của hợp kim này đƣợc xác định bởi dị
hƣớng hình học của pha Fe-Co và cơ chế ghim vách đô men của pha Ni-Al.
Những bƣớc tiến tiếp theo đã đạt đƣợc 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 BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3. Tuy
cảm ứng từ dƣ thấp (~ 4,2 kG) nhƣng lực kháng từ của chúng có giá trị lớn
hơn nhiều so với các vật liệu trƣớc đó (~ 3 kOe) và (BH)max cũng không cao
(~ 4 MGOe). Tuy nhiên loại nam châm này có ƣu điểm là giá thành rất rẻ,
hiệu quả và bền. Do vậy, ngày nay chúng vẫn là vật liệu đƣợc sử dụng nhiều
nhất, chiếm khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu trên toàn thế giới.
Năm 1966 đã phát hiện ra tính chất từ của vật liệu YCo5, đây là vật liệu
từ cứng đầu tiên dựa trên nguyên tố 4f và nguyên tố 3d. Hợp kim sắt từ chứa
các nguyên tố 3d và 4f hứa hẹn cho nhiều tính chất từ cao. Điều hứa hẹn đó
đƣợc 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 thƣơng mại. Nam châm này đƣợc
chế tạo ở dạng nam châm kết dính và có (BH)max ~ 5 MGOe. Năm 1969, nam
châm SmCo5 loại thiêu kết có (BH)max ~ 20 MGOe đã đƣợc chế tạo. Hƣớng
nghiên cứu nói trên tiếp tục đƣợc phát triển và đến năm 1976, (BH)max đã đạt
đến giá trị 30 MGOe đối với vật liệu Sm2Co17. 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 lƣợc. Do đó,

việc tìm kiếm vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Coban đƣợc cấp thiết
đặt ra. Nd và Fe đƣợc chú ý do trữ lƣợng của chúng trong vỏ Trái Đất nhiều
hơn so với các nguyên tố khác, so với Nd trữ lƣợng La và Ce nhiều hơn
5


nhƣng chúng là các chất phi từ. Điều quan trọng hơn là mômen từ nguyên tử
của các nguyên tố này là lớn nhất trong các nhóm tƣơng ứng. Nhiều hƣớng
nghiên cứu vật liệu cho nam châm Nd-Fe đã đƣợc đƣa ra. Một trong các
hƣớng đó là tìm kiếm một pha ba thành phần mới có cấu trúc tinh thể thích
hợp, một hƣớng khác là tìm cách bền vững hóa pha giả bền bằng phƣơng
pháp nguội nhanh. Sự tồn tại hợp chất giàu sắt trong giản đồ pha ba thành
phần Nd-Fe-B đã đƣợc Kuzma và cộng sự (Ukrain) lƣu ý vào đầu năm 1979,
nhƣng 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 hợp thức
Nd15Fe77B8 có Br = 12 kG, Hc = 12,6 kOe, (BH)max = 36,2 MGOe bằng
phƣơng pháp luyện kim bột tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp đã sử dụng chế tạo
nam châm Sm-Co. Pha từ chính là pha Nd2Fe14B 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 đƣợc nam châm vĩnh cửu dựa
trên pha ba thành phần Nd2Fe14B theo công nghệ nguội nhanh có Br = 8 kG,
Hc = 14 kOe, (BH)max = 14 MGOe [7]. Đặc biệt, năm 1988 Coehoorn và các
cộng sự ở Phòng thí nghiệm Philip Research đã công bố phát minh loại vật
liệu mới với Br = 10 MGOe, H c = 3,5 kOe, (BH)max = 12 MGOe, nam châm
này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), -Fe (12%
thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích). Trong nam châm này có
tƣơng tác trao đổi giữa các hạt từ cứng và từ mềm lân cận nhau làm véctơ từ
độ của chúng định hƣớng song song dẫn đến từ độ bão hòa đƣợc nâng cao và
tính thuận nghịch trong khử từ rất cao (nên chúng còn đƣợc gọi là nam châm
đàn hồi. Lƣợng Nd trong nam châm loại này bằng khoảng 1/3 trong nam

châm Nd2Fe14B thông thƣờng, 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 hợp kim Nd2Fe14B.
Tinh thể Nd2Fe14B thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tứ giác

thuộc nhóm không gian P42/mnm với kích thƣớc ô cơ sở là a = 0,878 nm và c
= 1,220 nm nhƣ mô tả trên hình 1.1a.

Z=1/2

Z=0

b)

a)

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim Nd2Fe14B (a), nguyên tử B và 6
nguyên tử Fe (vị trí e và k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b)
[10].
Pha Nd2Fe14B có cấu trúc khá ổn định vì trong mỗi ô cơ sở có 68
nguyên tử chứa trong 4 đơn vị công thức Nd2Fe14B. Các nguyên tử Nd chiếm
2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tƣơng đƣơng, các nguyên tử Fe chiếm 6
vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j1, Fe j2, Fe k1, Fe k2), các nguyên tử B chiếm
vị trí B g. Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các nguyên tử Nd

và B cùng 4 nguyên tử Fe ở vị trí Fe c. Mỗi nguyên tử B kết hợp với 6 nguyên
tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác hình
1.1b. Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và ở bên dƣới các mặt phẳng
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 hợp kim
Nd2Fe14B đƣợc 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 vững 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 hợp kim Nd-Fe-B ban đầu bằng phƣơng 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 lƣợng dƣ 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 hợp kim trong môi trƣờng bảo vệ, để có độ hạt trung
bình nhỏ hơn 3 m.
- Ép đẳng tĩnh sản phẩm nam châm nhằm tăng khối lƣợng riêng của
mẫu.
- Thiêu kết mẫu và xử lí nhiệt trong môi trƣờng bảo vệ tại nhiệt độ
thích hợp để tạo sản phẩm nam châm có khối lƣợng riêng khoảng 7,4 ÷ 7,5
g/cm3, với thành phần chủ yếu là pha Nd2Fe14B xuất hiện do phản ứng cùng
tinh khi

nấu hợp kim và giảm pha giàu Nd ở biên hạt đến mức tối ƣu.
- Gia công cơ khí và bọc bịt bề mặt chống già hoá.
- Nạp từ sản phẩm ở từ trƣờng mạnh để đạt mô men từ dƣ cực đại.

8


1.4.

Ảnh hƣởng của các nguyên tố Dy, Cu, Al lên tính chất từ của nam

châm Nd-Fe-B.
Nhƣ 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 lƣợng cực đại (BH)max cao và
đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế nhƣ: 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
lƣợng từ cực đại lớn nhƣng một số thiết bị khác: máy phát điện, động cơ điều
hòa… lại sử dụng nam châm có lực kháng từ cao. Để đáp ứng đƣợc điều đó
phải thay thế một phần Nd bằng Dy, Cu, Al… Hiện nay, trên thực tế, pha tạp
Dy, Cu, Al… là phƣơng pháp phổ biến để làm tăng lực kháng từ của nam
châm và giúp cho vật liệu ít bị oxy hóa. Một trong những nhƣợc điểm của pha
Nd2Fe14B là nhiệt độ Curie TC tƣơng đối thấp (~585K), do đó mục tiêu hƣớng
tới là làm tăng nhiệt độ này. Tính chất từ của vật liệu có thể đƣợc cải thiện
đáng kể khi tính dị hƣớng từ tinh thể của vật liệu đƣợc tăng cƣờng. Các
nguyên tố đất hiếm có tính dị hƣớng đơn ion lớn hơn Nd có thể đƣợc sử dụng
để làm cải thiện tính dị hƣớng từ tinh thể của pha RE2Fe14B. Trong các
nguyên tố đất hiếm (RE) thay thế, Dy đƣợc chú ý hơn cả vì trƣờng dị hƣớng
từ nhiệt độ phòng của D2Fe14B (µ0HA ~ 27,8T) cao hơn khá nhiều so với

Ned2F14B (µ0HA ~ 7,5T). Trong hợp kim nguội nhanh (Nd100-xDyx)16Fe76B6,
lực kháng từ tăng theo x, tăng ~ 100% khi x = 30, trong khi đó cả cảm ứng từ
dƣ Br và (BH)max lại có xu thế giảm [9]. Một hợp phần tiêu biểu cho lực kháng
từ cao mà vẫn đảm bảo các thông số khác của nam châm không bị ảnh hƣởng
nhiều là Nd13,5Dy1,5Fe76NbB8. 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
đƣợc biết nhƣ 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 đƣợc
giải thích là do tính không hòa tan đƣợc 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(Fe1-xAlx)14B đều giảm theo x [7], [12], [13]. Al thay thế cho
Fe trong pha 2/14/1 ƣu tiên vào vị trí j1 và k2. Sự thay thế khoảng 2 ÷ 3 at.
Phần trăm hàm lƣợng nguyên tử của Fe bằng Al này đã làm giảm các thông
số từ nội tại ở nhiệt độ phòng của pha Nd2Fe14B nhƣ: trƣờng dị hƣớng HA (từ
75 xuống 59 ÷ 48 kOe), từ độ bão hòa Ms (từ 1,6 xuống 1,0 ÷ 0,7 T) và TC (từ
588 xuống 505 ÷ 409 K) [7]. Tuy nhiên, một lƣợng Al phù hợp lại có ảnh
hƣởng lên vi cấu trúc của nam châm và làm tăng lực kháng từ. Trong nghiên
cứu [12], [13] thêm 1 ÷ 2% trọng lƣợng (wt.%) Al làm giảm cảm ứng từ dƣ Br
cỡ 5% nhƣng lại làm tăng lực kháng từ Hc cỡ 20%. Hc tăng là do ảnh hƣởng
của Al làm phân bố đồng đều pha biên hạt. Ngoài ra, khi thêm Al đã hình
thành một vài pha lạ khác ở biên hạt nhƣ Nd(Fe,Al)2 và Nd6Fe11Al3.
Nhƣ vậy, để tối ƣu tính chất từ của Nd2F14B, một số khả năng thay thế
cho ba nguyên tố thành phần đã đƣợc nghiên cứu. Thật không may mắn,
không có sự thay thế đơn lẻ nào cải thiện đƣợc cả ba thông số từ quan trọng:
nhiệt độ từ, nhiệt độ Curie và dị hƣớng từ. Dy làm tăng mạnh mẽ K1 và tăng
nhẹ TC nhƣng lại giảm độ từ. Một lƣợng nhỏ Al để không làm giảm các thông
số từ nội tại, làm mịn vi cấu trúc, tăng cƣờng lực kháng từ cho nam châm.

10


CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC 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 đƣợc tiến
hành theo các công đoạn thể hiện ở hình 2.1.

(1)

(2)

(3)

(4)

Cân mẫu

Nấu trong
lò trung
tần

Nghiền
thô

Nghiền
tinh

(8)

(7)

(6)

(5)

Xử lí
nhiệt

Thiêu kết

Ép đẳng
tĩnh

Ép trong
từ trƣờng

(9)

(10)

(11)

Gia công
cơ khí

Sơn bảo
vệ

Nạp từ

Hình 2.1. Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết.

11


Công đoạn cân mẫu để xác định khối lƣợng 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 đƣa các hạt từ về kích thƣớc đô
men và tiến hành theo hai cấp là nghiền thô và nghiền tinh. Ép định hƣớng
trong từ trƣờng nhằm làm xoay các hạt từ để các hạt có phƣơng song song và
cố định các hạt từ. 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 đƣợc 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 lƣợng từ).

ình
Lần lượ

n

on m

m

eo ướng mũ ên: Lò trung tần (2 ÷ 10 kg hợp k m); M

đập hàm

Pex-100×125 (80 kg/h); Máy nghi n thô DSB 500×650 (30 kg/mẻ); Máy
nghi n tinh Jet Milling QLM-260 (50 kg/mẻ); M
2 T); M

ép đẳng ĩn ( p s ấ 2 M

);

ép đ n

ê k t chân không nguội

nhanh RVS-15G (15 kg/mẻ).
12

ướng (từ ường


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-100×125,
máy nghiền thô DSB 500×650, máy nghiền tinh Jet milling QLM-260 dùng
trong công đoạn nghiền. Máy ép từ trƣờng để ép định hƣớng, máy ép đẳng
tĩnh để ép đẳng 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.


trung t n: 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 trƣờng khí bảo
vệ Ar, khuôn đúc hợp kim làm mát bằng nƣớc, đặt s n trong lò.


thi u ết chân không nguội nhanh RVS -15G:
- Các thông số chính của máy: khối lƣợng mẫu thiêu kết 1 ÷ 15 kg/mẻ,

khoảng nhiệt độ 300 ÷ 1200oC ( 5oC), công suất 30 kW/h, độ chân không có
thể đạt 2.10-3 Pa.
- Môi trƣờng làm việc: chân không cao hoặc khí trơ.
- Kiểu nguội nhanh: nguội theo lò hoặc nguội cƣỡng bức bằng khí thổi.
Yêu cầu: Tránh nung hay thiêu kết trong môi trƣờng 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. Mẫu nung nên đặt trong bao nung
kín để không gây ảnh hƣởng 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 im an đ u
- Nguyên liệu đầu vào là Nd kim loại (99%), Fe (99,9%) và hợp kim
Fe-B (18%B) đƣợc tẩy rửa sạch dầu mỡ, rỉ, cân theo công thức hợp phần
Nd16,5Fe77B6,5. Sự lựa chọn tỉ phần trọng lƣợng của 3 nguyên liệu đầu vào
13


(Nd, Fe và FexBy) đƣợc 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 trừ lƣợng 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 hợp kim. Hỗn hợp 3 nguyên liệu đầu vào đƣợc xếp vào
nồi nấu của lò trung tần số. Quá trình xếp vật liệu vào nồi nấu đƣợc thực hiện
sao cho cảm ứng tốt nhất. Cụ thể thanh sắt đƣợc đặt thẳng đứng và tiếp xúc
với thành nồi, các viên Nd đặt đáy nồi, viên Fe-B đƣợc đặt giữa nồi.
- Tiến hành hút chân không, sau khi hệ thống chân không đạt cỡ 10-3 Pa
tiến hành nạp khí Ar, hút chân không nhiều lần và cuối cùng nạp khí Ar đến
áp suất 6.104 ÷ 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.
- Hợp kim thể lỏng đƣợc rót vào khuôn ngay trong môi trƣờng khí
Argon.
- Tắt công tắc điện. Sau 1 giờ, tháo khối hợp kim ra khỏi khuôn đúc và
đem cân để xác định hao hụt vật liệu.
b) Nghiền hợp kim
Vì khối lƣợng mẫu nghiền là nhỏ nên chúng tôi không sử dụng máy
nghiền thô DSB 500×650 (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. Hợp kim đƣợc 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 từ 1 ÷ 2 phút để giảm thiểu sự ôxy hóa. Bột hợp
kim sau khi nghiền có kích thƣớc 100 ÷ 300 µm sẽ đem nghiền tinh.
14


Chúng tôi tiến hành nghiền tinh bằng phƣơng 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 giờ thì

thực hiện lấy mẫu.
Hệ mẫu thu đƣợc sau khi nghiền tinh đem chụp ảnh hiển vi điện tử quét
(SEM) để xác định kích thƣớc hạt. Hình 2.3 dƣới đây là ảnh chụp các cối
nghiền đƣợc sử dụng để nghiền hợp kim trong khi tiến hành làm thực nghiệm
của khóa luận.

a)
ình

b)

. Ảnh chụp bên trong

i nghiền tinh

i nghiền th

a và

n trong

sử dụng làm thực nghiệm trong khóa luận.

p tạo vi n nam h m trong t tr

ng

- Bột hợp kim đƣợc lọc xăng, đặt vào khuôn của máy ép có lớp vải lót
bên dƣới và bên trên bột.
- Từ trƣờng định hƣớng là 2 T.

- Viên nam châm sau khi ép đƣợc đặt trong chân không để tránh oxy
hóa.
hi u ết trong h n h ng

15


Để tránh nứt vỡ sản phẩm, quá trình nâng nhiệt đƣợc thực hiện theo
nhiều bƣớc: Nâng từ nhiệt độ phòng lên 300oC trong khoảng 2,5 giờ; giữ ở
300oC trong 0,5 giờ; nâng tiếp lên 750oC trong 1 giờ; giữ ở 750oC trong một
vài giờ; nâng lên khoảng 1050oC ÷ 1100oC trong 0,5 giờ sau đó giữ nguyên
nhiệt độ trong một vài giờ.
Viên nam châm đƣợc 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 tự động. Buồng đốt có chân không cao ( 10 -3 Pa) và theo chế độ
nâng nhiệt định trƣớc.
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
820oC và 520oC ÷ 580oC trong 1 h cho mẫu nam châm lớn.
g) Gia công mẫu.
Mẫu nam châm đƣợc gia công để thực hiện phép đo từ trên hệ từ
trƣờng xung.
2.2. Khảo sát cấu trúc, tính chất vật liệu.
2.2..1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X
Trong khóa luận này, chúng tôi phân tích các mẫu bằng nhiễu xạ bột
(Powder X-ray diffraction). Do hợp phần vật liệu chứa đất hiến nên để tránh
sự oxi hóa chúng tôi đã tiến hành nghiền mẫu trong cồn hoặc xăng. Mẫu sai
khi nghiền có kích thƣớc hạt khoảng vài chục µm và các mặt phẳng tinh thể

đƣợc định hƣớng 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 trƣng cơ bản về cấu trúc của mẫu đó. Qua phổ
16


nhiễu xạ tia X ta có thể xác định đƣợc các đặc trƣng cấu trúc của mạng tinh
thể nhƣ: kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh và các hằng số mạng.
2.2.2. Phƣơng pháp hiển vi điện tử.
Phƣơng 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 tƣợng nghiên cứu) một chum điện tử năng lƣợng cao, gọi là điện tử phi
sơ cấp, ghi nhận và phân tích các tín hiệu đƣợc phát ra do tƣơng 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.

Hình 2.4. Các tín hiệu thứ cấp nhận đ ợc t mẫu
điện tử sơ ấp năng l ợng ao

ới tác dụng của chùm

hùm điện tử tới).

Để có thể hiểu đƣợc 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 lƣợng cao tƣơng tác với mẫu và nguyên tắc hoạt động của các bộ phận
chính của nó: khi chiếu một chùm điện tử năng lƣợng cao vào mẫu, các điện
tử tới sẽ tƣơng 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 tƣơng tác này phát ra các loại

tín hiệu thứ cấp đƣợc minh họa trên hình 2.4. Tùy thuộc vào loại tín hiệu thứ
cấp nào đƣợc sử dụng mà ta có các phƣơng pháp cụ thể.
17


Hình 2.5.

nh hiển vi điện tử qu t

-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 thƣớc,
sự sắp xếp của các hạt). Hình 2.5 là kính hiển vi điện tử 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 trƣờng xung hoạt động theo nguyên tắc nạp và phóng điện qua
bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.6). Dòng một chiều qua K1 nạp điện cho tụ
điện C, tụ điện này tích năng lƣợng 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 trƣờng xung cao.
Mẫu đo đƣợc 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 trƣờng sẽ đƣợc
thu thập, xử lí hoặc lƣu trữ cho các mục đích cụ thể.

18


Hình 2.6. ơ đồ kh i hệ đo t tr

ng xung.

Từ trƣờng trong lòng ống dây có thể đƣợc sử dụng để nạp từ cho các
mẫu vật liệu khi chỉ dùng nửa chu kỳ hình sin của dòng điện phóng. Từ
trƣờng lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100 kOe. Hệ đƣợc 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 đƣợc thực hiện
trên hệ từ trƣờng xung với từ trƣờng cực đại lên đến 90 kOe (hình 2.7).

ình

ệ đo t tr

ng ung.

Dữ liệu của hệ đo cho từ trƣờng ngoài H đơn vị là Tesla (T) và từ độ
Mm đơn vị là emu/g. Các số liệu này đƣợc xử lí để đƣa 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 lƣợng Mm sang từ độ theo thể tích Mv, đơn vị
là kG:
Mv (kG) = 4Mm /1000

(2.1)

trong đó  là khối lƣợng riêng của vật liệu.
- Chuyển từ trƣờng ngoài sang trƣờng hiệu dụng có tính đến hiệu ứng
khử từ:

Heff = Hext – D.Mv

(2.2)

Hệ số khử từ D đƣợc tra cứu từ bảng số liệu chuẩn cho mẫu hình trụ.
Mẫu có dạng hình trụ đƣờng kính 3 mm, chiều cao 3 mm (mẫu đƣợc cắt bằng
phƣơng pháp tia lửa điện), hệ số khử từ D ~ 0,27.
- Cảm ứng từ B:

B = Heff + Mv

(2.3)

- Tích năng lƣợng: (BH) = Heff.B

(2.4)

- Vẽ đồ thị (BH) theo B hoặc Heff ta sẽ thu đƣợc một đỉnh cực đại, đó
chính là (BH)max.

20


CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Cấu trúc của bột hợp kim Nd-Fe-B và hợp chất pha thêm Dy-Nb-Al.
Theo các nghiên cứu trƣớc [1], [5] chúng tôi chọn thời gian để nghiền
tinh hợp kim Nd-Fe-B là 8 h. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của bột hợp kim
này đƣợc trình bày trên hình 3.1. Kết quả phân tích cấu trúc cho thấy mẫu kết
tinh khá đơn pha Nd2Fe14B với các đỉnh nhiễu xạ tƣơng đối cao và sắc nét.
Cấu trúc của mẫu hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi thời gian nghiền.

Hình 3.1. Giản đồ XRD của bột hợp kim có công thức hợp phần
Nd16,5Fe77B6,5 nghi n 8 h. Các v ch thẳng đứng (màu xanh) biểu diễn phổ
chuẩn của pha Nd2Fe14B.
Đối với hợp chất pha thêm (HCPT), các pha hình thành trong mẫu
Al2Dy3, AlDy, Nb và Al sau khi nghiền cơ năng lƣợng cao đều là các pha phi
từ (hình 3.2). Từ hình vẽ ta thấy, sau khi nghiền 4 h các đỉnh nhiễu xạ đƣợc
mở rộng, một số đỉnh nhiễu xạ có cƣờng độ thấp, không sắc nét đặc trƣng cho
pha tinh thể ở kích thƣớc nanomet.

21


Hình 3.2. Giản đồ XRD của hợp chất pha thêm có hợp ph n
Dy40Nb30Al30 đã nghiền 4 h.
Hình 3.3 là ảnh SEM của bột hợp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h và hợp chất
pha thêm Dy-Nb-Al đƣợc nghiền 4 h. Ta thấy nhận rằng, sau thời gian nghiền
8 h mẫu bột có kích thƣớc khá đồng đều trong khoảng từ 3 – 5 µm (hình
3.3a). Với bột của hợp chất pha thêm, phần lớn kích thƣớc hạt của mẫu đều
nhỏ hơn 50 nm (hình 3.3b). Đây là kích thƣớc chúng tôi mong muốn để pha
vào bột nam châm Nd-Fe-B.

a)

b)

Hình 3.3. Ảnh

của bột hợp kim Nd-Fe-B nghiền 8 h và hợp

hất pha th m Dy40Nb30Al30 nghiền 4 h.
22