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

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,

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.


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


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


[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:

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




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

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

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


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

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.