nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết NdFeB kháng từ cao (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ


Phạm Thị Thanh

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM THIÊU KẾT
Nd-Fe-B CÓ LỰC KHÁNG TỪ CAO

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23
Công trình được hoàn thành tại:

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2017


Luận án được thực hiện tạ: Phòng thí nghiệm trọng điểm về Vật liệu và Linh
kiện điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam.

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Huy Dân

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Minh Thủy
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS. Hoàng Nam Nhật

Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN
Phản biện 3: PGS.TS. Đỗ Thị Kim Anh
Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQGHN

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện tổ chức tại Học Viện
Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi
giờ ngày tháng năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Hà Nội, Thư viện Học viện
Khoa học và Công nghệ, Thư viện Viện Khoa học vật liệu, Thư viện Viện Hàn lâm
Khoa
học
và
Công
nghệ
Việt
Nam.


MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển của ngành công nghệ hiện đại đã dẫn đến nhu cầu về
các loại nam châm vĩnh cửu chất lượng cao tăng lên đáng kể. Đặc biệt là nhu cầu sử
dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong động cơ của xe điện, lai điện, máy phát điện
năng lượng gió... Việc sản xuất nam châm thiêu kết Nd-Fe-B liên tục tăng, từ 6 nghìn
tấn năm 1996 lên 63 nghìn tấn trong năm 2008, và dự đoán về sản lượng nam châm
thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới sẽ đạt đến 160 nghìn tấn vào năm 2020. Tuy nhiên,
nhiệt độ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong động cơ, máy phát điện khi hoạt
động thường tăng cao ( 200°C). Khi nhiệt độ tăng, lực kháng từ của nam châm bị
suy giảm nhanh do sự khử từ nhiệt dẫn đến công suất và hiệu suất của thiết bị giảm.
Để tăng cường lực kháng từ Hc nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong các thiết bị

trên, Dy thường được thay thế một phần cho Nd. 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). Do
đó, một số nhà khoa học đang tìm cách nâng cao chất lượng của nam châm thiêu kết
Nd-Fe-B mà không sử dụng hoặc sử dụng lượng nhỏ các nguyên tố đất hiếm nặng.
Nhìn chung, có hai hướng nghiên cứu chính để nâng cao lực kháng từ cho nam châm
Nd-Fe-B. Một là bổ sung vào thành phần hợp kim một số các nguyên tố khác ngoài
các thành phần chính là Nd, Fe và B nhằm thay đổi các tính chất của vật liệu như lực
kháng từ, nhiệt độ Curie... Hai là nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện công nghệ để tạo ra
vi cấu trúc tối ưu như khống chế kích thước hạt, tạo được pha biên hạt thích hợp…
Ở Việt Nam, ngay sau khi được phát minh vật liệu từ Nd-Fe-B đã được các
phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu về thành phần hoá học cũng như các đặc điểm
công nghệ. Điều này được thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hội nghị và trên các tạp
chí của nhiều nhóm tác giả như nhóm nghiên cứu ở Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại
học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học vật liệu... Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu
chủ yếu thu được trên các nam châm kết dính. Với nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, tích
năng lượng cực đại (BH)max đã đạt trên 30 MGOe nhưng giá trị lực kháng từ còn thấp
Hc ≤ 8 kOe. Hiện nay, nam châm Nd-Fe-B chất lượng cao vẫn phải nhập ngoại.
Chính vì vậy, việc tìm ra các biện pháp công nghệ mới nhằm nâng cao thông số từ
của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B nhằm đáp ứng hơn nữa nhu cầu ứng dụng trong
thực tế, đồng thời chủ động được công nghệ chế tạo trong nước, làm giảm nhu cầu sử
dụng đất hiếm nặng (đang ngày càng khan hiếm) có ý nghĩa quan trọng.
1


Từ những lý do trên chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là:
Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có

lực kháng từ cao, tích năng lượng đủ lớn đáp ứng được yêu cầu ứng dụng trong thực tế.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Các kết quả của luận án có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu các cơ chế
vật lý trong vật liệu cho lực kháng từ cao. Đồng thời, việc hoàn thiện công nghệ chế
tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có thể đưa vào sản xuất thực tế, hạn chế việc nhập
khẩu loại nam châm này.
Phương pháp nghiên cứu:
Mẫu nghiên cứu được chế tạo trên các thiết bị như: lò luyện kim trung tần,
máy nghiền thô, máy nghiền tinh, máy nghiền cơ năng lượng cao, máy ép trong từ
trường, lò thiêu kết chân không... Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng các kỹ thuật
nhiễu xạ tia X và hiển vi điện tử. Tính chất từ của vật liệu được khảo sát bằng các
phép đo từ trễ trên hệ đo từ trường xung.
Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:
Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ (thời gian nghiền, chế độ thiêu
kết, quá trình xử lý nhiệt…) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm (Dy-Nd-Al, Nb-Cu-Al, DyZr-Al...) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Nghiên cứu mối liên hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm chưa pha
và đã pha tạp để đưa ra công nghệ chế tạo tối ưu.
Xây dựng quy trình chế tạo nam châm thiêu kết có lực kháng từ Hc cao qui mô
bán công nghiệp.
Bố cục của luận án:
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương đầu là
phần tổng quan về nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. Chương tiếp theo trình bày các kỹ
thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép đo cấu trúc và tính chất
từ của vật liệu. Hai chương cuối trình bày các kết quả nghiên cứu đã thu được, bàn
2


luận về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và hợp chất pha thêm lên cấu trúc và
tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.

Kết quả chính của luận án:
Đã khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ và các hợp chất pha thêm lên
cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Đã xây dựng được quy trình công nghệ tương đối hoàn thiện để chế tạo nam
châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao, có thể đưa vào ứng dụng thực tế.
Đã chế tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao, Hc > 21
kOe, tích năng lượng cực đại đủ lớn, (BH)max > 35 MGOe, có thể đưa vào ứng dụng
thực tế.
Luận án này được hỗ trợ kinh phí của Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật
liệu và Linh kiện Điện tử, đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, mã số VAST03.05/16-17 và Nhiệm vụ hợp tác quốc tế song
phương về khoa học và công nghệ cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số 07/2012/HĐHTQTSP. Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật liệu và
Linh kiện Điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện Khoa học vật liệu,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B
1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B
Sự phát triển của vật liệu từ cứng gắn liền với việc tìm ra vật liệu mới có
(BH)max lớn đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực tế. Bước đột phá trong nghiên cứu
VLTC đáng quan tâm nhất là việc chế tạo được hợp kim từ cứng chứa đất hiếm (SmCo, Nd-Fe-B) có tích năng lượng tăng vượt trội so với các VLTC trước đó. Với
(BH)max đạt 30 MGOe, vật liệu nền Sm-Co trở thành nam châm đầu tiên có giá trị về
mặt thương mại. Tuy nhiên, do giá thành đắt và công nghệ chế tạo phức tạp nên việc
tìm ra vật liệu không chứa Co được đẩy mạnh. Nam châm nền Nd-Fe-B được tìm ra
một cách độc lập bởi hai nhóm nghiên cứu với hai công nghệ khác nhau: nguội nhanh
có (BH)max = 14 MGOe và thiêu kết cho (BH)max = 36 MGOe. Đặc biệt, với ứng dụng
trong động cơ và máy phát điện thì nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là VLTC khó có thể
được thay thế bằng các vật liệu khác bởi chúng có lực kháng từ cao, tích năng lượng
cực đại lớn, cơ tính tốt để làm việc trong môi trường có nhiệt độ và từ trường hoạt
động cao.
3

1.2. Cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là vật liệu có cấu trúc đa tinh thể bao gồm các
hạt từ cứng Nd2Fe14B (gọi tắt là 2:14:1) với kích thước vài micromet được bao bọc
bởi pha biên hạt giàu Nd và một lượng nhỏ pha giàu B Nd1+Fe4B4. Với cấu trúc này,
nam châm thiêu kết có dị hướng từ lớn HA = 75 kOe, từ độ bão hòa cao đạt 16 kG.
Tuy nhiên, nhược điểm của nam châm này là nhiệt độ Curie thấp, giá thành đắt.
1.3. Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B
Hai cơ chế chính tạo lực kháng từ: cơ chế mầm đảo từ (nam châm loại mầm
đảo từ) và cơ chế ghim vách đômen (nam châm loại ghim vách đômen). Đại lượng
cần để mô tả các cơ chế đảo từ này là trường tạo mầm HN và trường dịch chuyển vách
đômen HP. Trong nam châm loại mầm đảo từ, nếu HN > Hp, sự khử từ hoàn toàn chỉ
xảy ra khi H  HN, lực kháng từ bằng HN. Trong vùng từ trường ngoài Hp > H >
HN trạng thái ghim vách đômen duy trì cho đến khi H > Hp và Hc = Hp. Trong
nam châm loại ghim vách đômen, sự đảo từ chỉ xảy ra khi từ trường ngoài ngược
chiều đủ lớn H  HP  HN. Lực kháng từ bằng HP.
1.4. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
1.4.1. Chế tạo hợp kim ban đầu
Yêu cầu của bước này là tạo được hợp kim có tỉ phần pha từ cứng Nd2Fe14B
lớn, phải chọn được hợp phần thích hợp thông qua phân tích giản đồ pha.
1.4.2. Nghiền hợp kim
Ban đầu, hợp kim được nghiền thô thành các hạt có kích thước cỡ vài chục m.
Để tạo bột mịn hơn với kích thước tối ưu trong khoảng 3 - 5 m, có thể sử dụng các
phương pháp nghiền sau: nghiền cơ học, nghiền phun và tách vỡ trong hyđrô.
1.4.3. Ép tạo viên nam châm trong từ trường
Để định hướng các hạt từ và cố định chúng.
1.4.4. Thiêu kết
Thiêu kết là quá trình kết khối vật liệu bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt.
Mục đích của thiêu kết là tạo ra vật liệu hoàn toàn dày đặc với cấu trúc hạt mịn.
1.4.5. Xử lý nhiệt

Sau quá trình thiêu kết, mẫu tiếp tục được xử lý nhiệt để tăng cường cảm ứng
từ dư và lực kháng từ.
1.4.6. Gia công mẫu và nạp từ
Cuối cùng, nam châm thiêu kết Nd-Fe-B được tẩm phủ một lớp bảo vệ (sơn,
mạ…) và nạp từ với từ trường tối thiểu là 20 kOe.
4


1.5. Các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết
Nd-Fe-B
1.5.1. Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ
Điều khiển các yếu tố công nghệ như thời gian nghiền, chế độ thiêu kết và quá
trình xử lý nhiệt sẽ tạo được vi cấu trúc tối ưu, dẫn đến tăng cường tính chất từ của
nam châm.
1.5.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm
Các nguyên tố được lựa chọn để thay cho nguyên tử Nd (Dy, Tb) và nguyên tử
Fe (Co, Ni, Cr) trong pha từ cứng Nd2Fe14B làm thay đổi tính chất từ nội tại như dị
hướng từ tinh thể, nhiệt độ Curie và từ độ bão hòa. Trong khi đó, việc thêm một
lượng nhỏ các nguyên tố có độ hòa tan thấp trong pha chính Nd2Fe14B như Cu, Al,
Nb… đã cải thiện vi cấu trúc như khống chế được kích thước hạt, tạo pha biên hạt
thích hợp… dẫn đến ảnh hưởng đáng kể lên tính chất từ của nam châm.
1.6. Tình hình chế tạo và sử dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới và
trong nước
Kỷ lục (BH)max của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới hiện nay đạt
được trong phòng thí nghiệm vào cỡ 59 MGOe, đạt 92% giá trị (BH)max lý thuyết (64
MGOe). Đặc biệt, một thông số quan trọng khác của loại nam châm này là lực kháng
từ cũng đã đạt cỡ 30 kOe.
Hiện nay, các nam châm thiêu kết Nd-Fe-B chế tạo được ở trong nước có tích
năng lượng (BH)max đạt trên 30 MGOe nhưng lực kháng từ còn thấp, khoảng 6 - 9
kOe, chưa đáp ứng được cho yêu cầu ứng dụng trong động cơ, máy phát điện và mới

chỉ trong khuôn khổ phòng thí nghiệm.
Chương 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo mẫu
2.1.1. Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết
Quy trình chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B được tiến hành theo các công
đoạn như thể hiện trên hình 2.1. Hình 2.2 là các thiết bị dùng để chế tạo nam châm
thiêu kết. Lò trung tần để nấu vật liệu và đúc hợp kim khối. Các máy đập hàm, máy
nghiền thô, máy nghiền tinh dùng trong công đoạn nghiền. Máy ép từ trường để ép
định hướng, máy ép đẳng tĩnh để tăng mật độ. Lò thiêu kết chân không dùng trong
công đoạn thiêu kết và xử lý nhiệt.
5


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

Hình 2.2. Dây chuyền các thiết bị chế tạo nam châm: (a) Lò trung tần ZG-0,01J (5 ÷
10 kg hợp kim); (b) Máy đập hàm Pex-100×125 (80 kg/h); (c) Máy nghiền thô DSB
500×650 (30 kg/mẻ); (d) Máy nghiền tinh Jet Milling QLM-260 (60 kg/mẻ); (e) Máy
ép định hướng ZCY25-200 (từ trường 20 kOe); (f) Máy ép đẳng tĩnh DJY-120 (áp
suất 25 MPa); (g) Lò thiêu kết chân không nguội nhanh RVS-15G (15 kg/mẻ); (e)
Máy nạp từ M8500 (90 kOe).
2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu
2.1.3. Chế tạo các hợp chất pha thêm
Hợp kim khối được chế tạo trên lò hồ quang. Bột các hợp chất pha thêm để
trộn với bột hợp kim Nd-Fe-B được tạo trên máy nghiền cơ năng lượng cao SPEX 8000D.
2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc
2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
Trong luận án này, chúng tôi tiến hành đo giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) cho
6

các mẫu hợp kim bằng phương pháp bột và phương pháp bề mặt.
2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử
Luận án đã sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử
truyền qua (TEM) để quan sát sự thay đổi vi cấu trúc của mẫu. Đồng thời, phân tích
được ảnh hưởng của các nguyên tố pha tạp lên tính chất từ của nam châm.
2.2.3. Phương pháp hiển vi quang học
Để quan sát rõ biên hạt, phương pháp hiển vi quang học kết hợp với kỹ thuật
tẩm thực đã được áp dụng.
2.3. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ
Phép đo từ trễ của tất cả các mẫu trong luận án đều được thực hiện trên hệ từ
trường xung. Từ các đường từ trễ này có thể xác định được các đại lượng đặc trưng
quan trọng như: Hc, Ms, Mr và (BH)max.
Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ LÊN CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B
3.1. Ảnh hưởng của nồng độ đất hiếm lên tính chất từ của nam châm
Để tìm được nồng độ đất hiếm thích hợp, chúng tôi đã tiến hành khảo sát ảnh
hưởng của nồng độ Nd lên tính chất từ của nam châm tương ứng với các hợp phần
sau: Nd15Fe77B8, Nd16,5Fe77B6,5 và Nd20,5Fe73B6,5. Tuy nhiên, trong điều kiện công
nghệ chế tạo đã áp dụng, nam châm với hợp phần Nd15Fe77B8 có tính từ cứng yếu.
Điều này có thể do quá trình nghiền, mẫu bột rất dễ bị ôxy hóa đã làm suy giảm lực
kháng từ. Vì vậy, chúng tôi chỉ đưa ra kết quả ứng với hai hợp phần còn lại.
Đường cong từ trễ và đường đặc trưng từ của hai nam châm sau khi thiêu kết ở
nhiệt độ 1080oC trong 1 h được thể hiện trên hình 3.1. Ta nhận thấy rằng, khi nồng độ
đất hiếm lớn ta rất dễ chế tạo được nam châm có lực kháng từ cao, nhưng ngược lại
cảm ứng từ dư sẽ suy giảm rất nhanh, dẫn đến tích năng lượng từ (BH)max cũng giảm.
Đồng thời khi đó ta không thể nâng cao hơn nữa (BH)max của nam châm bằng quá
trình xử lý nhiệt. Như vậy, hợp phần Nd16,5Fe77B6,5 hứa hẹn sẽ cho tính chất từ tốt
hơn. Bởi vì, đối với hợp phần này ta có thể nâng cao lực kháng từ hơn nữa bằng quá
trình xử lý nhiệt thích hợp hay bổ sung các nguyên tố khác, đồng thời ta vẫn có thể

thu được (BH)max đủ lớn nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực tế. Chính vì vậy,
quá trình khảo sát để tìm ra điều kiện công nghệ chế tạo tối ưu trong phần sau được
chúng tôi tiến hành trên mẫu nghiên cứu với hợp phần Nd16,5Fe77B6,5.
7


20

15
Nd

15

H = 6,1 (kOe); B = 13,8 kG

Fe B

16,5

c

77 6,5

r

(BH)

max

= 41 MGOe

4M,B (kG)

4M (kG)

10
5
0
-5

10
4M
B
BH
5

-10
-15

Nd

-20
-30

-20

-10

Fe B

20,5

0
10
H (kOe)

73 6,5

20

0

30

a)

-40

-30

-20
H (kOe)

-10

0

b)

12

H = 15,4 (kOe); B = 11,3 kG
c

r

4M,B (kG)

10 (BH)max = 30,7 MGOe

Hình 3.1. Đường từ trễ (a) và đường

8
6

4M
B
BH

đặc trưng từ của các nam châm với

4

hợp phần Nd16,5Fe77B6,5 (b) và

2

Nd20,5Fe73B6,5 (c).

0
-35 -30 -25 -20 -15 -10

H (kOe)

-5

0

c)
3.2. Ảnh hưởng của quá trình luyện kim lên sự tạo pha Nd2Fe14B
Trong nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, tính từ cứng được quyết định bởi pha tinh
thể Nd2Fe14B có dị hướng từ lớn. Để tạo tỉ phần lớn của pha từ này, ngoài việc lựa
chọn hợp phần thích hợp thì quá trình nấu luyện phải làm hợp kim được kết tinh định
hướng tốt nhất. Sự kết tinh định hướng của các hạt trong khối hợp kim ảnh hưởng
mạnh đến tính chất từ được thể hiện rõ trên hình 3.5. Khi hợp kim có các hạt được
định hướng tốt (hình 3.41), lực kháng từ thu được là 5 kOe (hình 3.5a). Trong khi đó,
với mẫu không thể hiện sự kết tinh định hướng hoàn toàn (hình 3.4b), tính từ cứng
của nam châm sau thiêu kết gần như bị triệt tiêu với Hc  0,14 kOe (hình 3.5b).

a)
b)
Hình 3.4. Ảnh chụp bên trong khối hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 có (a) và không có (b)
sự kết tinh định hướng của các hạt Nd2Fe14B.
8


15

10

10

5

5

4kG

4kG

15

0

0

-5

-5

-10

-10

-15
-30

-20

-10

0

10
H (kOe)

20

-15
-30

30

-20

-10

0
10
H (kOe)

20

30

a)
b)
Hình 3.5. Đường từ trễ của hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 được nghiền 3 h có (a) và
không có (b) sự kết tinh định hướng của các hạt Nd2Fe14B.
Như vậy, việc tạo được các hạt Nd2Fe14B có phương tinh thể song song với
phương làm nguội, tức là kết tinh định hướng theo trục c sẽ gây ra tính dị hướng từ
lớn cho vật liệu. Đây là điều kiện cần để tạo nam châm có cảm ứng từ dư và lực
kháng từ lớn.

3.3. Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên sự tạo pha Nd2Fe14B và kích thước hạt
3.3.1. Ảnh hưởng của dung môi nghiền lên sự tạo pha Nd2Fe14B và tính chất từ
Hình 3.7 là giản đồ XRD của hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 khi nghiền trong các dung
môi khác nhau với cùng thời gian nghiền 3 h.
15

4kG

10

DM1
DM2
DM3

5
0
-5
-10
-15
-20

-10

0
H (kOe)

10

20

Hình 3.7. Giản đồ XRD của hợp kim

Hình 3.8. Đường từ trễ của hợp kim

Nd16,5Fe77B6,5 nghiền trong các dung môi

Nd16,5Fe77B6,5 được nghiền 3 h trong các

khác nhau với cùng thời gian nghiền 3 h.

dung môi khác nhau sau thiêu kết.

Kết quả phân tích thu được trên giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy với mẫu được
nghiền trong dung môi là xăng trắng công nghiệp (DM1), các đỉnh nhiễu xạ thu được
đều tương ứng với pha Nd2Fe14B. Trong khi đó, với cả dung môi xăng vàng công
nghiệp (DM2) và cồn công nghiệp (DM3) đều có sự xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ứng
9


với pha lạ. Sự hình thành các pha này đã ảnh hưởng đáng kể đến tính chất từ của nam
châm (hình 3.8). Do đó, chúng tôi đã lựa chọn dung môi xăng trắng công nghiệp để
nghiền các mẫu nghiên cứu trong luận án với mục đích tránh được sự xuất hiện của
các pha lạ làm ảnh hưởng đến chất lượng của nam châm.
3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt bột và sự tạo pha
Nd2Fe14B
a) Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt bột
Hình 3.9 là ảnh SEM của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 sau khi nghiền thô trong
các thời gian khác nhau 5 p, 10 p, 15 p và 20 p (p-phút). Với thời gian nghiền thô
15 p và 20 p, các hạt có kích thước nhỏ hơn 30 m và hầu như không thay đổi sau
thời gian nghiền 15 p. Do đó, thời gian nghiền thô được lựa chọn là 15 p.

a)

b)

c)

d)

Hình 3.9. Ảnh SEM của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 sau các thời gian nghiền thô
khác nhau: 5 p (a), 10 p (b), 15 p (c) và 20 p (d).

a)

b)

c)

d)
e)
f)
Hình 3.10. Ảnh SEM của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5 sau các thời gian
nghiền tinh khác nhau: 1 h (a), 2 h (b), 3 h (c), 5 h (d), 8 h (e) và 10 h (f).
10


Ảnh SEM trên hình 3.10 cho thấy, khi tăng thời gian nghiền tinh kích thước hạt
của bột hợp kim giảm dần. Mẫu được nghiền 8 h cho phân bố kích thước hạt đồng
đều trong khoảng 2 - 5 m. Quá trình nghiền cần tránh tạo thành các hạt quá nhỏ sẽ
ảnh hưởng đến tính chất từ của nam châm thiêu kết chế tạo được. Bột hợp kim

Nd16,5Fe77B6,5 theo các thời gian nghiền khác nhau có kích thước trung bình được chỉ
ra và kí hiệu như trên bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kích thước hạt trung bình (D) và kí hiệu của bột hợp kim Nd16,5Fe77B6,5
theo các thời gian nghiền khác nhau.
Thời gian nghiền
D (m)
Kí hiệu

1h
10,2
N1

2h
8
N2

3h
6
N3

5h
3,6
N5

8h
3,4
N8

10 h
2,5

N10

b) Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến sự tạo pha Nd2Fe14B
Theo một số nghiên cứu, quá trình
nghiền có thể làm phân pha vật liệu,
nghĩa là các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng cho
pha Nd2Fe14B chỉ còn lại rất ít với thời
gian nghiền lớn. Để khảo sát xem cấu trúc
của bột hợp kim Nd-Fe-B có bị ảnh
hưởng bởi quá trình nghiền hay không,
mẫu bột nghiền 1 h và 10 h được phân
Hình 3.11. Giản đồ XRD của bột hợp
tích bằng nhiễu xạ tia X (hình 3.11). Kết
kim Nd16,5Fe77B6,5 nghiền 1 h và 10 h.
quả thu được cho thấy, với cả hai thời
gian nghiền các đỉnh thu được đều tương ứng với đỉnh nhiễu xạ của pha từ cứng
Nd2Fe14B. Chứng tỏ rằng, cấu trúc tinh thể của các mẫu hầu như không bị ảnh hưởng
bởi thời gian nghiền.
3.4. Ảnh hưởng của chế độ thiêu kết lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm
Trong thực tế chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B thương mại, người ta
thường sử dụng chế độ ép bột khô. Với nghiên cứu này, bột được nghiền trong dung
môi xăng trắng công nghiệp, nếu dùng chế độ ép bột khô sẽ phải thêm công đoạn đảo
trộn để làm bay hơi xăng, tốn nhiều thời gian và công sức. Do đó, để phù hợp với
điều kiện nghiên cứu chúng tôi đã thay chế độ ép bột khô bằng chế độ ép bột ướt.
Tuy nhiên, khi thiêu kết các nam châm ép ướt, thời gian nâng nhiệt ở vùng nhiệt độ
thấp phải chậm hơn (khoảng 2 h) so với chế độ ép khô, đồng thời được thực hiện theo
nhiều bước để tránh sự nứt vỡ do hơi xăng thoát ra (hình 3.12).
11

1000

1000

800

800

o

T (oC)

1200

T ( C)

1200

600

600

400

400

200

200

0

0
0

100

200

300

400

500

0

100

200

t (min)

300 400
t (min)

500

600

a)
b)
Hình 3.12. Giản đồ nhiệt quá trình thiêu kết của nam châm ép khô (a) và ướt (b).
Như đã biết, mức độ ảnh hưởng của thời gian trong quá trình thiêu kết lên tính
chất từ là nhỏ hơn so với nhiệt độ thiêu kết. Điều này được thể hiện rõ nét qua đường
từ trễ khi nam châm được giữ ở các nhiệt độ 1060oC, 1080oC và 1100oC nhưng thay
đổi thời gian thiêu kết từ 0,5 h đến 3 h (hình 3.16). Ta nhận thấy rằng, lực kháng từ
thay đổi không đáng kể với các thời gian khác nhau ở một nhiệt độ thiêu kết nhất
định. Trong khi đó, nhiệt độ thiêu kết lại ảnh hưởng rõ rệt lên tính chất từ của nam
châm (hình 3.17).
20

20
1h
2h
3h

10
4M (kG)

5
0
-5

-15
-20
-15

10

5
0
-5

-10

-5

0
5
H (kOe)

10

15

5
0
-5
-10

-15

o

1050 C

0,5 h
1h
2h

15

-10

-10

-15

o

1080 C

-20
-15

-10

-5

0
5
H (kOe)

10

-20
-15

15

o

1100 C
-10

-5

0
5
H (kOe)

10

a)
b)
c)
Hình 3.16. Các đường từ trễ của mẫu N8 theo thời gian thiêu kết ở các nhiệt độ
1060oC (a), 1080oC (b) và 1100oC (c).
20
15

o

1060 C
o
1080 C

20

o

1100 C

15

10

10

5

5

4M (kG)

4M (kG)

4M (kG)

10

20

0,5 h
1h
2h

15

4M (kG)

15

0
-5
-10

o

1100 C

0
-5
-10

-15
-20
-15

o

1060 C
o
1080 C

-15
1h
-10

-5

0
5
H (kOe)

10

-20
-15

15

a)

2h
-10

-5

0
5
H (kOe)

10

15

b)

Hình 3.17. Các đường từ trễ của mẫu N8 với nhiệt độ thiêu kết khác nhau trong
thời gian 1 h (a) và 2 h (b).
12

15


o

6

1080 C

5
o

c

H (kOe)

Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của các chế
độ thiêu kết, từ đường từ trễ trên hình 3.16
và 3.17, chúng tôi biểu diễn giá trị lực kháng
từ của mẫu N8 ở các chế độ khác nhau như
được thể hiện trên hình 3.18. Ta thấy, mẫu
N8 cho giá trị lực kháng từ và tích năng
lượng từ cực đại lớn nhất (6,1 kOe và 41
MGOe) ở 1080oC trong 1 h. Như vậy chế độ
thiêu kết tối ưu cho nam châm ở nhiệt độ
1080oC trong thời gian 1 h.

1100 C
4

B
B

3
o

1060 C
2
1
0

30

60

90 120
t (phut)

150

180

Hình 3.18. Lực kháng từ Hc của mẫu
N8 ở các chế độ thiêu kết khác nhau.

3.5. Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ

Thời gian nghiền ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ đồng đều của bột hợp
kim, dẫn đến làm thay đổi tính chất từ nội tại của nam châm sau khi thiêu kết. Lực
kháng từ Hc và tích năng lượng cực đại (BH)max của nam châm với các thời gian
nghiền khác nhau được liệt kê trong bảng 3.4. Ta thấy, mẫu nghiền 8 h cho tính chất
từ tốt nhất.
Bảng 3.4. Giá trị lực kháng từ Hc và tích năng lượng cực đại (BH)max của các mẫu
nam châm có thời gian nghiền khác nhau.
Mẫu

N1

N2

N3

N5

N8

N10

Hc (kOe)

0,4

3,3

5,0

5,9

6,1

5,8

(BH)max (MGOe)

4

22

32

37

41

40

3.6. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm
3.6.1. Xử lý nhiệt một giai đoạn

a)
b)
c)
d)
Hình 3.21. Giá trị lực kháng từ của nam châm sau thiêu kết và xử lý nhiệt một giai
đoạn ở 600oC trong 1 h (a), 600oC trong 2 h (b), 900oC trong 1 h (c)
và 900oC trong 2 h (d).
13

B


Trước tiên, nam châm được xử lý nhiệt (XLN) một giai đoạn ở hai nhiệt độ
600oC và 900oC trong thời gian là 1 h và 2 h, sau đó làm nguội nhanh bằng luồng khí
Ar. Ta nhận thấy, lực kháng từ chỉ cải thiện khi mẫu được ủ ở 600oC trong 1 h (Hc
tăng từ 6,1 kOe đến 6,4 kOe) hoặc 2 h (Hc tăng từ 6,1 kOe đến 6,3 kOe) (hình 3.21a
và 3.21b). Tuy nhiên, Hc tăng không đáng kể do cấu trúc của mẫu sau khi xử lý nhiệt
một giai đoạn là gần giống với mẫu sau thiêu kết. Tuy nhiên, khi ủ nhiệt độ cao, thì ở
cả hai thời gian tính chất từ đều suy giảm (hình 3.21c và 3.21d).
Để nâng cao hơn nữa lực kháng từ ta cần tối ưu hóa vi cấu trúc của nam châm
bằng quá trình XLN hai giai đoạn. Bởi vì, khi đó sự sắp xếp lại của các nguyên tử và
thay đổi pha kèm theo sẽ nhanh hơn đáng kể so với ủ nhiệt một bước thông thường.
3.6.2. Xử lý nhiệt hai giai đoạn
Từ hình 3.24 ta nhận thấy, với chế độ XLN hai giai đoạn HT1 (hình 3.23a), lực
kháng từ của các mẫu đều suy giảm so với mẫu sau thiêu kết. Do đó, nam châm tiếp
tục được XLN theo chế độ HT2 (hình 3.23b).
1000

1000
HT1

T -t

a1 a1

800

800

T -t

a2 a2

T ( C)

600

T -t

600

a2 a2

o

o

T ( C)

HT2

T -t

a1 a1

400
200
0
0

400
200

100

200
t (min)

300

0

400

0

100

200
t (min)

300

400

a)
b)
Hình 3.23. Giản đồ xử lý nhiệt hai giai đoạn HT1 (a) và HT2 (b).

a)
b)
Hình 3.24. Đường từ trễ theo chế độ xử lý nhiệt HT1 (a) và sự phụ thuộc của
lực kháng từ Hc vào nhiệt độ Ta2 của mẫu N8 (b).
14


20

12
XLN3

15

XLN9

10

5

H (kOe)

0

8

c

4M (kG)

10

-5
-10
XLN10

-15
-20
-30

6

XLN11

-20

-10

0
10
H (kOe)

20

600

30

700

800

900

1000

o

T ( C)
a1

a)
b)
Hình 3.27. Đường từ trễ của mẫu N8 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau (a) và sự
phụ thuộc của lực kháng từ theo nhiệt độ Ta1 (b).
Bảng 3.5. Một số chế độ xử lý nhiệt nam châm Nd-Fe-B đã sử dụng.
STT Ký hiệu

Giai đoạn một
Ta1 ( C)
ta1 (h)
820
1
820
1
820
1
820
1
820

0,5
820
2
820
3
820
4
650
1
900
1
1000
1

Giai đoạn hai
Ta2 ( C)
ta2 (h)
500
1
520
1
540
1
560
1
540
1
540
1
540

1
540
1
540
1
540
1
540
1

o

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

XLN1
XLN2
XLN3
XLN4
XLN5
XLN6

XLN7
XLN8
XLN9
XLN10
XLN11
20

o

XLN3
XLN5

15

12

5

H (kOe)

0

10

c

4M (kG)

10

-5
-10

XLN6
XLN7
XLN8

-15
-20
-30

-20

-10

0
10
H (kOe)

20

8

6
0

30

1

2
3
t (h)

4

a1

a)
b)
Hình 3.28. Đường từ trễ của mẫu N8 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau (a) và sự
phụ thuộc của lực kháng từ theo thời gian ta1 (b).
15


20

12
XLN1

15

11

XLN2

10

5

H (kOe)

0

9

c

4M (kG)

10

-5

8

-10

7

XLN3

-15

XLN4
-20
-30

-20

-10

0
10
H (kOe)

20

6
30

500

520

540
o
T ( C)

560

a2

a)
b)
Hình 3.29. Đường từ trễ của mẫu N8 ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau (a) và sự
phụ thuộc của lực kháng từ theo nhiệt độ Ta2 (b).
15

15

N8-XLN4

10

4M, B (kG)

4M,B (kG)

N5-XLN4

4
B
BH

5

0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
H (kOe)

-5

10
4pM
B
BH
5

0

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
H (kOe)

0

a)

0

-5

0

b)
15

N8-XLN5

N10-XLN5

10

4M, B (kG)

4M,B (kG)

15

-5

4M
E
BH

10
4M
B
BH
5

5

0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
H (kOe)

-5

0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
H (kOe)

0

c)

d)

Hình 3.32. Các đường đặc trưng từ của mẫu N5 (a), N8 (b, c) và N10 (d) ở các chế
độ xử lý nhiệt khác nhau.

Quá trình gia nhiệt với tốc độ 30oC/phút và làm nguội nhanh với tốc độ
50oC/phút. Sau mỗi giai đoạn mẫu được nguội nhanh bằng luồng khí Ar. Một số chế
độ XLN được chỉ ra trong bảng 3.5. Hình 3.27, 3.28, 3.29 là các đường từ trễ và sự
phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào tham số Ta1, ta1 và Ta2 của nam châm. Ta nhận thấy
16


rằng phần lớn các chế độ XLN đều làm tăng cường lực kháng từ nhưng độ vuông
đường trễ của các mẫu đều kém đi (hình 3.32). Quá trình khảo sát cho thấy, mẫu N8
cho thông số từ tốt nhất, Hc = 12,5 kOe và (BH)max = 37 MGOe ở chế độ XLN tối ưu
Ta1 = 820oC, ta1 = 0,5 h và Ta2 = 540oC, ta2 = 1 h.
Từ các kết quả nghiên cứu đã thu được, chúng tôi tóm lược quy trình công
nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B như sau:
- Hợp phần: Nd16,5Fe77B6,5.
- Vật liệu ban đầu: Nd, Fe và FeB (18% B).
- Nấu hợp kim: 5 - 10 kg/mẻ, thời gian nấu ~ 30 phút.
- Nghiền thô: 1 - 1,2 kg/mẻ, thời gian nghiền 15 phút.
- Nghiền tinh: 2 - 2,5 kg/mẻ, thời gian nghiền 8 h.
- Ép dị hướng: từ trường 20 kOe, khối lượng mẫu 0,2 - 0,5 kg.
- Thiêu kết: nhiệt độ 1080oC, thời gian 1 h, nguội nhanh bằng luồng khí Ar
sau thiêu kết.
- Xử lý nhiệt hai giai đoạn: nâng nhiệt tới 820oC và giữ trong thời gian 0,5 h
sau đó nguội nhanh bằng luồng khí Ar xuống nhiệt độ phòng; tiếp tục nâng
nhiệt tới 540oC và giữ trong thời gian 1 h rồi nguội nhanh bằng luồng khí Ar
đến nhiệt độ phòng.
Tóm lại, sau quá trình XLN tối ưu lực kháng từ đã tăng lên đáng kể. Tuy nhiên,
giá trị thu được (12,5 kOe) vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu trong một số ứng dụng
thực tế như động cơ, máy phát điện... Để nâng cao thông số từ này biện pháp pha
thêm vào biên hạt đã được tiến hành. Kết quả sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.
Chương 4. NÂNG CAO LỰC KHÁNG TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT

Nd-Fe-B BẰNG CÁCH PHA TẠP VÀO BIÊN HẠT
4.1. Cấu trúc và kích thước hạt của bột các hợp chất pha thêm
Với mục tiêu cải thiện biên hạt, bột các hợp chất pha thêm Dy16,5Fe77B6,5
(HCPT1), Dy40Nb30Al30 (HCPT2), Dy40Zr30Al30 (HCPT3), Dy40Nd30Al30 (HCPT4) và
Nb40Cu30Al30 (HCPT5) được nghiền đến kích thước dưới 100 nm bằng phương pháp
nghiền cơ năng lượng cao. Trước tiên, HCPT1 được nghiền với thời gian khác nhau
là 2 h và 4 h trong dung môi xăng trắng công nghiệp. Tỉ lệ dung môi/vật liệu và
bi/bột tương ứng là 1/1 và 4/1. Kết quả phân tích vi cấu trúc bằng ảnh SEM (hình 4.1)
cho thấy đã thu được các hạt tinh thể có kích thước nanomet với thời gian nghiền 2 h,
17


nhưng phân bố không đồng đều. Ta nhận thấy có vùng cho kích thước khoảng vài
chục nanomet, nhưng có vùng kích thước hạt lớn khoảng vài trăm nanomet. Khi tăng
thời gian nghiền đến 4 h, kích thước hạt đã giảm xuống còn khoảng 40 - 80 nm. Đồng
thời, phân bố kích thước hạt đồng đều hơn. Do đó, chúng tôi đã tiến hành nghiền các
HCPT khác trong thời gian này (4 h).

a)

b)

Hình 4.1. Ảnh SEM của bột HCPT1 với thời gian nghiền 2 h (a) và 4 h (b).

a)

b)

c)
d)

Hình 4.2. Ảnh SEM của bột các HCPT2 (a), HCPT3 (b), HCPT4 (c) và HCPT5 (d)
với thời gian nghiền 4 h.
Phép phân tích cấu trúc bằng ảnh SEM (hình 4.2) và nhiễu xạ tia X (hình 4.3)
cho thấy rằng, có thể tạo được các hạt có kích thước trong khoảng 40 - 80 nm bằng
phương pháp nghiền cơ năng lượng cao trong thời gian 4 h. Đây là kích thước chúng
tôi mong muốn để pha vào bột nam châm Nd-Fe-B, từ đó khảo sát ảnh hưởng của các
hạt nano lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm sau pha tạp.
18


a)

b)

c)

d)
e)
Hình 4.3. Giản đồ XRD của bột các HCPT1 (a), HCPT2 (b), HCPT3 (c), HCPT4 (d)
và HCPT5 (e) với thời gian nghiền 4 h.
4.2. Ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm lên tính chất từ của nam châm
Bột các HCPT với kích thước trong
khoảng 40 - 80 nm được trộn với bột hợp kim
Nd-Fe-B có kích thước 2 - 5 m với tỉ phần
khối lượng 2%. Ảnh hưởng của các HCPT lên
tính chất từ của nam châm Nd16,5Fe77B6,5 sau
khi thiêu kết ở 1080oC trong 1 h đã được chỉ ra
trên hình 4.4. Từ các đường từ trễ trên hình 4.4.
và bảng 4.1 ta thấy, lực kháng từ của nam châm
chỉ được cải thiện đáng kể khi pha HCPT4. Cụ

Hình 4.4. Đường từ trễ của nam
thể là, Hc của nam châm pha tạp đã tăng mạnh
(15,8 kOe) so với nam châm chưa pha (6,1 châm Nd16,5Fe77B6,5 khi chưa có và
kOe). Tuy nhiên, độ vuông đường trễ suy giảm
đã pha các HCPT.
dẫn đến tích năng lượng (BH)max của nam châm
chỉ đạt 36 MGOe. Với HCPT2 tuy có độ vuông đường trễ tốt hơn nhưng do cả Hc và
Br giảm nên giá trị tích năng lượng (BH)max của nam châm không cao, đạt 28 MGOe.
Do tính từ cứng gần như bị triệt tiêu, nên (BH)max của nam châm khi pha thêm
HCPT1, HCPT3 và HCPT5 sau thiêu kết có giá trị thấp (dưới 11 MGOe). Ta còn
nhận thấy rằng tất cả các HCPT đều làm giảm cảm ứng từ dư Br của nam châm.
19


Bảng 4.1. Giá trị lực kháng từ Hc, cảm ứng từ dư Br và tích năng lượng cực đại
(BH)max của các mẫu nam châm với các HCPT khác nhau.
Hợp chất pha thêm

HCPT1

HCPT2

HCPT3

HCPT4

HCPT5

Br (kG)

11,7

13,5

10,9

13,6

13,6

Hc (kOe)

0,6

4,4

1,4

15,8

0,9

(BH)max (MGOe)

5,5

28

6

36

11

Kết quả thu được cho thấy, có thể với mỗi HCPT cần điều kiện công nghệ tối
ưu khác nhau. Bởi vì, mỗi chất thêm vào chứa các nguyên tố khác nhau sẽ có ảnh
hưởng khác nhau lên nhiệt độ và thời gian thiêu kết. Đáng chú ý là HCPT4 có tổng
nồng độ đất hiếm lớn nhất (70%), nên có thể đã không gây ảnh hưởng đến chế độ
thiêu kết và tạo ra được lực kháng từ lớn cho nam châm. Để kết luận chính xác ảnh
hưởng của các HCPT khác lên tính chất từ của nam châm, cần phải thay đổi chế độ
thiêu kết cũng như tỉ lệ pha trộn của chúng vào nam châm. Tuy nhiên, do thiết bị máy
ép trong từ trường hỏng nên chúng tôi đã không thể tiếp tục chế tạo thêm được các
mẫu nghiên cứu nữa. Chúng tôi chỉ tiến hành XLN hai giai đoạn cho nam châm pha
tạp 2% HCPT4.
o

15

o

820 C-0,5h+540 C-1h
o
o
820 C-1h+540 C-1h

20

(BH)

10

c

= 28 MGOe

(BH)max = 36 MGOe

0

-10
o

-20

-10

5
4M
B
BH

o

820 C-1h+ 520 C-1h
o
o
820 C-1h+560 C-1h

-20

4M, B (kG)

4M, B (kG)

10

0
10
H (kOe)

20

30

0
-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

5

0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
H (kOe)

0

b) 820oC-1 h + 520oC-1 h

15

10

4M
B
BH

H (kOe)

a)

H = 14 kOe
c

(BH)max = 32 MGOe

(BH)

max

10

= 22 MGOe

4M, B (kG)

10

5

5

4M
B
BH
0
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

-5

0
-30

0

H (kOe)

4M
B
BH

-25

-20

-15

-10

-5

0

H (kOe)

d) 820oC-1 h + 540oC-1 h
e) 820oC-1 h + 560oC-1 h
Hình 4.6. Đường từ trễ (a) và các đường đặc trưng từ (b, c, d và e) của nam châm
Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2% HCPT4 được xử lý nhiệt ở các chế độ khác nhau.
20

0

c) 820oC-0,5 h + 540oC-1 h

15

H = 18 kOe
c

4M, B (kG)

4M (kG)

H = 21,2 kOe

c

max

-30

15

H = 16 kOe


Đường từ trễ và các đường đặc trưng từ của nam châm ở các chế độ XLN khác
nhau được thể hiện trên hình 4.6. Ta nhận thấy, chế độ XLN ảnh hưởng rất mạnh đến
tính chất từ của nam châm. Đặc biệt, với chế độ XLN tối ưu giống như đã khảo sát
trong chương 3 (Ta1 = 820oC, ta1 = 0,5 h và Ta2 = 540oC, ta2 = 1 h), giá trị lực kháng từ
đã tăng lên đáng kể, đạt trên 21 kOe. Tuy nhiên, bước XLN mới chỉ nâng cao được
lực kháng từ mà chưa cải thiện được độ vuông đường trễ của nam châm như mong
muốn.
4.3. Mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm pha tạp
Với tỉ phần khối lượng chất pha tạp HCPT4 thích hợp 2% cùng điều kiện chế
tạo tối ưu tương ứng, lực kháng từ của nam châm đã được cải thiện đáng kể. Câu hỏi
đặt ra là cơ chế nào đóng góp cho sự tăng cường thông số từ này của nam châm. Sự
thay đổi dị hướng từ của vật liệu bởi các nguyên tố thêm vào hay sự cải thiện lớp biên
hạt sau quá trình XLN. Để có những nhận định chính xác, đồng thời củng cố hơn
những phân tích ở trên về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất từ, vi cấu trúc của

nam châm pha tạp 2% HCPT4 trước và sau khi XLN ở chế độ tối ưu được khảo sát
bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).

Hình 4.11. Ảnh BF-TEM của nam châm
Hình 4.15. Ảnh HRTEM của nam châm
Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2% HCPT4 trước khi
Nd16,5Fe77B6,5 đã pha 2% HCPT4 sau
xử lý nhiệt trong vùng chứa hạt nhỏ (a), phổ khi xử lý nhiệt trong vùng chứa hạt nhỏ
SAED của biên hạt (b) và vùng chứa cả hạt
(a), phổ SAED của vùng chứa cả hạt
và biên hạt (c), phổ EDX của biên hạt (d).
và biên hạt (b) và biên hạt (c).
21


Vi cấu trúc của nam châm trước và sau XLN được khảo sát bằng ảnh hiển vi
điện tử truyền qua trường sáng (BF-TEM), ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải
cao (HRTEM), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) và phổ nhiễu xạ điện tử vùng lựa
chọn (SAED) như được thể hiện trên hình 4.11 và 4.15. Ta nhận thấy, sau quá trình
XLN, trong vùng chứa hạt nhỏ ta thấy biên hạt rõ nét hơn, dẫn đến sự cô lập tốt của
các hạt từ cứng Nd2Fe14B, đây là nguyên nhân cho sự tăng cường đáng kể của lực
kháng từ. Phân tích EDX tương ứng với các vị trí khác nhau trên ảnh HRTEM (vị trí
1 là lớp gần biên, vị trí 2 là biên hạt và vị trí 3 là giữa hạt 2:14:1) để thấy rõ được ảnh
hưởng của các nguyên tố lên lực kháng từ của nam châm sau khi pha 2% HCPT4.
Nồng độ của các nguyên tố Nd, Fe, Dy và Al ở các vị trí khác nhau trong nam châm
đã pha trước và sau XLN được tổng hợp trong bảng 4.2. Bảng 4.2 cho thấy ở vị trí
giữa hạt, nguyên tố Nd và Fe xuất hiện với tỷ lệ nồng độ tương ứng của pha 2:14:1.
Đồng thời, lượng Fe ở vị trí biên giảm từ 6,5% xuống 4,5% sau quá trình XLN. Như
vậy, pha giữa các hạt bao gồm chủ yếu các pha giàu đất hiếm phi từ. Khi đó, các hạt
Nd2Fe14B được cô lập và tách biệt với các hạt lân cận. Nồng độ Dy tương đối cao ở

biên hạt, 7,3% trong nam châm trước XLN và giảm còn 5,7% sau khi XLN. Điều này
chứng tỏ Dy đã khuếch tán từ biên vào hạt 2:14:1 trong quá trình XLN, dẫn đến hình
thành lớp vỏ (Nd,Dy)2Fe14B. Khi trường dị hướng HA của Dy2Fe14B là 278 kOe cao
hơn nhiều so với Nd2Fe14B, HA = 75 kOe thì sự hình thành lớp vỏ (Nd,Dy)2Fe14B đã
làm cho dị hướng từ của lớp ngoài cao hơn nhiều so với lớp trong. Kết quả là hình
thành và lan truyền một đômen đảo nhưng bị ngăn cản nhiều hơn so với các hạt bình
thường. Khi mầm đômen đảo bị ngăn cản tại bề mặt hạt, thì cần phải có một từ
trường ngoài đủ lớn để chúng hình thành và phát triển, tức là nam châm có lực kháng
từ lớn.
Bảng 4.2. Nồng độ của các nguyên tố tại các vị trí khác nhau trong
nam châm trước và sau khi xử lý nhiệt.
Mẫu

Vị trí

Nd (%)

Fe (%)

Dy (%)

Al (%)

Nam châm đã pha thêm
trước khi xử lý nhiệt

Giữa hạt

12,7

87,3

-

-

Biên hạt

83,1

6,5

7,3

3,1

Giữa hạt

13,2

86,8

-

-

Lớp ngoài
gần biên

16,2

77,5

3,4

2,8

Biên hạt

87

4,5

5,7

2,9

Nam châm đã pha thêm
sau khi xử lý nhiệt

22


Sự phân bố của nguyên tố Al trong nam châm tương tự như của Dy, nghĩa là
Al tập trung tại biên hạt là cao hơn ở lớp ngoài gần biên và không xuất hiện ở vùng
giữa tâm các hạt sau khi XLN. Như chúng ta đã biết, dị hướng từ lớn của pha 2:14:1
là cần thiết nhưng chưa phải là yếu tố quyết định để tạo nam châm có lực kháng từ
cao. Mà đòi hỏi các hạt từ phải được tách biệt bởi lớp biên hạt phi từ giàu Nd trơn,
nhẵn. Theo các nghiên cứu trước cho thấy, Al không vào pha tinh thể Nd2Fe14B, do
đó trường dị hướng HA vẫn không thay đổi. Như vậy, việc thêm đồng thời Dy và Al

cho hiệu quả cao trong việc cải thiện lực kháng từ của nam châm. Bởi vì, Al không
làm ảnh hưởng đến sự tăng cường dị hướng bởi quá trình khuếch tán của Dy mà còn
giúp pha biên hạt phân bố đồng đều. Đồng thời, việc thêm các hạt có kích thước
nanomet vào nam châm Nd-Fe-B có thể giúp cho sự khuếch tán của nguyên tố Dy
hiệu quả hơn.
Tóm lại, bằng cách pha tạp HCPT4 kích thước nanomet vào biên hạt đã tạo ra
nam châm có lực kháng từ lớn, Hc > 21 kOe, và tích năng lượng cực đại khá cao,
(BH)max > 35 MGOe. Hơn nữa, với tỉ phần khối lượng pha tạp 2% HCPT4, lượng
nguyên tố đất hiếm nặng Dy thêm vào cỡ 1%, giảm đáng kể so với các nam châm
thiêu kết (Nd,Dy)-Fe-B thương mại (lượng Dy có thể lên tới 15%). Đồng thời, so
sánh với thông số từ của một số loại nam châm thương phẩm cũng như yêu cầu tính
chất từ trong các lĩnh vực ứng dụng, ta nhận thấy nam châm thiêu kết Nd-Fe-B chế
tạo trong nước có thể ứng dụng được trong thực tế.
KẾT LUẬN CHUNG
1. Ảnh hưởng của nồng độ đất hiếm lên tính chất từ của nam châm Nd-Fe-B đã
được nghiên cứu. Lực kháng từ tăng mạnh theo nồng độ đất hiếm, đạt trên 15
kOe khi nồng độ Nd lớn hơn 20%, tuy nhiên cảm ứng từ dư lại bị suy giảm nhiều.
Với nồng độ Nd bằng 16,5%, nam châm cho tính chất từ tối ưu.
2. Đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình luyện kim ban đầu lên tính từ cứng của
nam châm với hợp phần Nd16,5Fe77B6,5. Sự kết tinh định hướng của các hạt tinh
thể Nd2Fe14B (2:14:1) dạng cột song song với phương làm nguội của khối hợp
kim là điều kiện cần để làm tăng cảm ứng từ dư và lực kháng từ cho nam châm.
3. Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên sự tạo pha, kích thước hạt và tính chất từ của
nam châm thiêu kết Nd-Fe-B đã được khảo sát. Hợp kim được nghiền thô 15 phút
và nghiền tinh 8 h trong xăng trắng công nghiệp không làm phân pha vật liệu và
23