Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp.doc

DỊCH VỤ VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI TRỌN GÓI ZALO / TEL: 0909.232.620
TẢI TÀI LIỆU – KẾT BẠN ZALO: 0909.232.620
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
TRẦN THÀNH SƠN
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM
CHÂM ĐẤT HIẾM THIÊU KẾT TRÊN DÂY
CHUYỀN BÁN CÔNG NGHIỆP
Chuyên ngành:
Mã số:
Vật lý chất rắn
60 44 01 04
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS. TS Nguyễn Hoàng Nghị
HÀ NỘI, 2014

2
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên cho tôi đƣợc gửi lời biết ơn sâu sắc tới GS-TS Nguyễn
Hoàng Nghị đã tận tình hƣớng dẫn em trong quá trình thực hiện luận văn này
trong suốt thời gian dài. Bên cạnh đó cho tôi đƣợc gửi lời cảm ơn tới Trƣờng
Đại Học Sƣ Phạm Hà Nội 2, phòng sau đại học của nhà trƣờng, thƣ viện nhà
trƣờng. Cũng không thể không nhắc tới sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ
thƣ viện quốc gia Việt Nam, ban tập thể lãnh đạo, các cán bộ công nhân viên
của công ty HCT, địa chỉ 18/165 Cầu Giấy, Hà Nội. Lời cảm ơn còn gửi tới
những cán bộ, giảng viên của trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội; những cán
bộ đang công tác tại phòng thí nghiệm kim loại học của nhà trƣờng. Hoàn
thành luận văn này không thể không nhắc tới sự giúp đỡ của các anh em kỹ
sƣ của công ty xây dựng và lắp đặt điện nƣớc ATZ và cũng rất cảm ơn tới KS
Lã Phú Hà của công ty đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình hoàn thành
luận văn nay. Và cuối cùng cho tôi đƣợc gửi lời cảm ơn tới anh em học viên
cao học K16 của trƣờng ĐH Sƣ Phạm Hà Nội 2 chung sống cùng P55 - KTX
14 của trƣờng đã động viên tôi, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này!
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả luận văn
Trần Thành Sơn

3
Lời cam đoan.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sự
hƣớng dẫn nghiêm khắc của GS-TS Nguyễn Hoàng Nghị. Các kết quả, những
hình ảnh trong luận văn là do tôi và GS Nguyễn Hoàng Nghị thu thập và lƣu
giữ chƣa hề đƣợc công bố trên bất kỳ một công trình nào hết.
Tác giả luận văn
Trần Thành Sơn

4
MỤC LỤC
Trang phụ bìa.....................................................................................................1
Lời cảm ơn.........................................................................................................2
Lời cam đoan.....................................................................................................3
MỤC LỤC.........................................................................................................4
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................6
1. Lí do chọn đề tài............................................................................................6
2. Mục đích của đề tài .......................................................................................7
3. Đối tƣợng nghiên cứu...................................................................................7
4. Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................................8
5. Phƣơng pháp nghiên cứu..............................................................................8
6. Dự kiến đóng góp của đề tài..........................................................................8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG Nd2Fe14B .......9
1.1. Lịch sử phát triển và các loại vật liệu từ cứng. ..........................................9
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B..........................13
1.2.1. Cấu trúc vi mô của vật liệu từ cứng ......................................................13
1.2.2. Một số tính chất cơ bản của vật liệu. ....................................................15
1.2.3.Một số đặc trƣng cơ bản của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B......................20
1.2.3.1. Độ từ hóa và nhiệt độ Curie...............................................................21
1.2.3.2. Từ hóa và sự thay đổi cấu trúc đomen...............................................22
1.2.3.3. Dịch vách đomen................................................................................24
1.2.3.4. Lực kháng từ iHc và mối liên hệ với cấu trúc tinh thể Nd2Fe14B.....28
1.2.4.Giản đồ trạng thái của vật liệu từ cứng Nd-Fe-B...................................34
1.2.5. Lực kháng từ iHC và tích năng lƣợng (BH)max ...................................38
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM ĐẤT HIẾM THIÊU
KẾT TRÊN DÂY CHUYỀN BÁN CÔNG NGHIỆP.....................................41
2.1. Mô tả công nghệ chế tạo nam châm trên dây chuyền bán công nghiệp. . 41

5
2.2. Nấu luyện kim loại...................................................................................41
2.3. Công nghệ nghiền sơ bộ trong từ trƣờng.................................................47
2.3.1. Giới thiệu về hệ thống nghiền ba cấp....................................................47
2.3.2. Công đoạn nghiền thô ...........................................................................48
2.3.3. Công đoạn nghiền trung gian................................................................49
2.3.4. Công đoạn nghiền tinh. .........................................................................51
2.4. Công nghệ ép............................................................................................54
2.4.1. Công đoạn ép định hình tạo mẫu trong từ trƣờng ................................54
2.4.2. Công đoạn ép đẳng tĩnh.(Ép bốn phía) .................................................60
2.5. Thiêu kết ở nhiệt độ cao...........................................................................62
CHƢƠNG 3: TÍNH CHẤT VÀ CẤU TRÚC VI MÔ CỦA NAM CHÂM ND-
FE-B SAU THIÊU KẾT .................................................................................67
3.1.1. Cơ chế lƣ̣c kháng từ của nam châm NdFeB thiêu kết..........................67
3.1.2. Lƣ̣c giƣ̃a nam châm và vật sắt tƣ
̀ .........................................................70
3.2. Vật liệu phát ra từ trƣờng – nam châm vĩnh cửu, vật liệu từ cứng .........71
Kết luận ..........................................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................73

6
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Một loại vật liệu quan trọng không thể thiếu đƣợc trong hầu hết các thiết
bị chuyển đổi các dạng năng lƣợng nhƣ năng lƣợng gió, nƣớc thành năng
lƣợng điện là nam châm vĩnh cửu (NCVC). 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…
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. 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. Ngày nay, hai họ nam châm chứa đất hiếm
đƣợc sử dụng nhiều nhất là Sm-Co và Nd-Fe-B. Họ nam châm vĩnh cửu Sm-
Co dựa trên hai pha từ cứng SmCo5 và Sm2Co17 có từ tính khá tốt và nhiệt độ
Curie cao. Tuy nhiên, Co là nguyên tố khá đắt và là vật liệu mang tính chất
chiến lƣợc. Việc phát hiện ra pha từ cứng Nd2Fe14B bởi Croat và cộng sự
(Mỹ), Sagawa và cộng sự (Nhật) vào năm 1983 đƣợc xem là một bƣớc đột
phá lớn trong lịch sử phát triển của nam châm vĩnh cửu, không chỉ do tính
chất từ rất tốt của nó mà còn do trữ lƣợng các nguyên tố Nd và Fe trong vỏ
Trái Đất rất lớn so với các nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp khác.
Ở Việt Nam, ngay sau khi phát minh vật liệu từ Nd-Fe-B đƣợc công bố,
nó đã đƣợc các phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu về
thành phần hoá học cũng nhƣ các đặc điểm công nghệ. Ngày nay loại vật liệu
này vẫn tiếp tục đƣợc chú ý, đặc biệt là vật liệu từ Nd2Fe14B. Điều này đƣợc
thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hội nghị chuyên đề và trên các tạp chí của

7
nhiều nhóm tác giả nhƣ: nhóm nghiên cứu ở Đại học Quốc gia Hà Nội, nhóm
của trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và nhóm nghiên cứu của Viện Khoa
học Vật liệu.
Để chế tạo nam châm vĩnh cửu dựa trên nền vật liệu đất hiếm có hai
phƣơng pháp cơ bản là phƣơng pháp thiêu kết và phƣơng pháp kết dính.
Nam châm vĩnh cửu đƣợc làm từ đất hiếm bằng phƣơng pháp thiêu kết tuy
công nghệ chế tạo phức tạp và khó tạo dáng nhƣng lại có lực kháng từ lớn,
tích năng lƣợng từ cực đại cao hơn hẳn so với tạo ra bằng phƣơng pháp khác.
Trong nam châm thiêu kết các hạt từ có kích thƣớc vài micromet đƣợc
liên kết nhau bởi một pha phi từ giàu Nd ở biên hạt. Nam châm này có tính dị
hƣớng cao, tích năng lƣợng cực đại (BH)max khá lớn. Kỉ lục (BH)max hiện
nay trên thế giới đạt đƣợc trong phòng thí nghiệm là 59 MGOe, đạt 92% giá
trị (BH)max lí thuyết (64 MGOe). Ở Việt Nam, nam châm vĩnh cửu làm từ
Nd-Fe-B cũng rất đƣợc quan tâm nghiên cứu chế tạo, xong chất lƣợng sản
phẩm mới chỉ đạt khoảng hơn 50% theo mô hình lí thuyết và công nghệ chế
tạo chƣa ổn định, chƣa ứng dụng đƣợc trong thực tế.
Với công nghệ hiện thời, để chế tạo đƣợc nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có
chất lƣợng cao thì cần có lực kháng từ Hc lớn và tích năng lƣợng từ (BH)max
cao.
Từ những lý do trên chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu luận văn:
”Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm bằng phương pháp
thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp”
2. Mục đích của đề tài

Nghiên cứu ảnh của các điều kiện công nghệ tới tính chất từ của nam
châm đất hiếm thiêu kết Nd-Fe-B


3. Đối tƣợng nghiên cứu

Nam châm đất hiếm Nd-Fe-B.


8

Các điều kiện công nghệ để chế tạo nam châm này


4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các công đoạn công nghệ chế tạo nam châm Nd- Fe-B thiêu
kết:

Nghiền, ép bột trong từ trƣờng



Ảnh hƣởng môi trƣờng trong quá trình chế tạo nam châm

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Luận văn đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp nghiên cứu thực
nghiệm:

Nghiên cứu các công đoạn chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B



Khảo sát đo đạc một số tính chất của nam châm

6. Dự kiến đóng góp của đề tài
Xác định các điều kiện công nghệ trên dây truyền bán công nghiệp để
nhận đƣợc nam châm Nd-Fe-B thiêu kết có chất lƣợng tốt.

9
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG Nd2Fe14B
1.1. Lịch sử phát triển và các loại vật liệu từ cứng.
Ngƣời Trung Hoa từ xa xƣa đã phát hiện ra nam châm tự nhiên và dùng
chúng làm la bàn. Nam châm đó là ferit thiên nhiên hoặc (Fe0. ).
Khi - (phản ứng sắt từ) bị oxy hóa mạnh, xảy ra phản ứng →
, sau đó các tia sét tự nhiên tạo từ trƣờng và từ hóa chúng. Nam châm
cổ này có ~ 0,2 T và ~ vài kA/m (nam châm hiện đại ngày nay có ~
1T và ~ vài ngàn kA/m).
M
(T)
1.0
0,5
Alnico
NdFeB
Sm2Co17
SmCo17
Ba-ferit
1600 1200 800 400 kA/m
Hình 1.1. Đường cong khử từ, từ dư và lực kháng từ của các loại nam
châm (sơ đồ bán định lượng).

10
BR~1,2(T)
B(H)
B(H)
M(H)
(BH)max BR
M(H)
-0,4(T) MHC BHC
MHC BHC
~0,1T=1000Oe
~0,8T=8000Oe
~0,4T=4000Oe (b) Alnico
(a) Ferit Bari
(hoặc RCo)
Hình 1.2. Hai loại nam châm: (a) Khi đi dị hướng tinh thể là quyết
định, đường M=M(H) có dạng chữ nhật, đường B=B(H) là đường thẳng, vì
vậy MHC << BHC ~ Br . Đường thẳng B = H+ M (M = const) có hệ số góc
bằng 1, vậy (ferit bari hay RCo có M khác nhau, nhưng ).
(b) Khi di dị hướng hình dạng (Na – Nc) quyết định, lực kháng từ MHC ~
MS (Alinco, Cunife…) MHC ≈ BHC<< Br . Các con số trên hình (a) là của
ferit bari.
Trong 100 năm gần đây, ngƣời ta đã nghiên cứu và chế tạo ra nhiều loại
nam châm khác nhau: về thành phần, từ các hợp kim đến các oxit; về công
nghệ, từ công nghệ đúc, cán đến công nghệ luyện kim bột hay công nghệ gốm
và công nghệ nguội nhanh, công nghệ màng mỏng… Nếu coi chỉ số tổng hợp
nhất đối với nam châm là tích năng lƣợng cực đại (BH)max thì trong hơn một
trăm năm qua tích năng lƣợng đã tăng từ một vài MGOe hồi đầu thế kỉ XX
đến 40/50 MGOe vào cuối thế kỷ này. Tóm tắt các loại nam châm và tích
năng lƣợng cực đại của chúng đƣợc mô tả rất cụ thể. Trên hình 1.1. Có thể
thấy các đƣờng cong khử từ, các giá trị từ dƣ BR và lực kháng từ HC của các
loại nam châm (hai tính chất quan trọng của nam châm). Nam châm NdFeB
thiêu kết có tính năng lƣợng (BH)max cao nhất song AlNiCo lại có độ từ dƣ
BR cao nhất và SmCo5 có lực kháng từ cao nhất.

11
Có thể phân loại các loại nam châm thành 2 nhóm theo cơ chế lực kháng
từ HC . Chúng ta đã thấy rằng có 2 cơ chế chính đối với lực kháng từ: (i) HC
đƣợc xác định bởi dị hƣớng từ tinh thể K1 và (ii) HC đƣợc xác định bởi dị
hƣớng hình dạng N nhƣ sau:
HC ~ 2K1 /µ0MS và HC ~ (Na - Nb)MS
Các loại vật liệu từ cứng đều đƣợc thiết kế dựa trên hai quan hệ này và vì
vậy theo cơ chế lực kháng từ, chúng gồm: (a). Dị hƣớng tinh thể lớn. Cấu trúc
ô mạng đối xứng thấp (tỷ số trục c/a lớn), quỹ đạo điện tử từ có đối xứng thấp
thƣờng có dị hƣớng tinh thể thấp thƣờng có dị hƣớng tinh thể K1 cao (ferit lục
giác, nam châm đất hiếm, PtCo….) (b) Dị hƣớng hình dạng lớn. Khi các hạt
tinh thể nhỏ tới mức tạo đơn đomen, cơ chế xoay là chủ đạo. Các hạt tinh thể
có dạng sao cho trục c ≠ a dẫn đến hệ số khử từ khác nhau theo hai trục này
và điều đó làm tăng HC. Alnico bao gồm các hạt sắt từ β. Kích thƣớc nhỏ
đƣợc bao bọc bởi pha phi từ vì vậy cơ chế xoay vecto từ độ và dị hƣớng hình
dạng là các cơ chế áo đảo trong việc xác lập HC. Hợp kim cứng Alnico,
Cunife cũng có HC lớn do cơ chế này.
100 - 400 - 1000 10.000
M
+ Fe
+ C Yco+
+
+ Ferrit Ba
+ X
K1
Hình 1.3. Trường dị hướng Ha = 2K1/µ0MS (~MHC) được xác định bởi
tương quan giữa MS và K1 . Fe có HC nhỏ nhưng MS lớn, Ferit Ba có HC
lớn, nhưng MS nhỏ. Chất X có HC rất lớn, nhưng MS rất nhỏ nên không sử
dụng được (sơ đồ).

12
Trƣờng hợp dị hƣớng tinh thể là quyết định, K1 lớn (ferit Ba, nam châm
đất hiếm thiêu kết), trong quá trình từ hóa (theo phƣơng trục dễ), vecto từ độ
MS không đổi cho tới khi từ trƣờng ngoài H đủ lớn để lật MS về phƣơng H,
vì vậy đƣờng khử từ có dạng hình chữ nhật, M = const cho tới khi H = MHC.
Vì từ độ B ~ H+M nên đồ thị hàm B=B(H) có dạng đƣờng thẳng. Hệ quả là:
MHC >> BHC ~ BR và tích năng lƣợng cực đại bằng:
(BH)max =(HC/2). (BR/2) = µ0HCMS/4 = µ0M2
S/4 (hệ SI)
Lực kháng từ HC theo cơ chế xoay vecto từ độ HC ~ 2K1/µ0MS (đại
lƣợng này cũng có tên là trƣờng dị hƣớng, Ha). Vì vậy HC có thể rất lớn nếu
MS và K1 đều nhỏ, tuy nhiên MS nhỏ làm mất khả năng sử dụng của vật liệu
loại này. Trên hình có thể thấy các đƣờng cong có HC ~ 2K1/µ0MS = const.
YCo và hợp kim X (giả định) đều có HC lớn ~ 10.000A/m, tuy nhiên hợp kim
X không dùng đƣợc do có MS quá nhỏ.
Trƣờng hợp dị hƣớng hình dạng là quyết định (Alnico), có:
MHC ≈ BHC << BR
Qua phân tích trên có thể thấy rằng, dị hƣớng tinh thể có ảnh hƣởng lớn
hơn so với dị hƣớng hình dạng trong các việc xác định lực kháng từ HC. Đấy
là lý do vì sao Alnico có lực kháng từ HC nhỏ. Các hạt sắt từ β có ô mạng lập
phƣơng, đối xứng cao, K1 không lớn, vì vậy cơ chế kháng từ và HC đƣợc
quyết định do dị hƣớng hình dạng của các hạt β hình kim. Trong bảng 9.1 lực
kháng từ của hạt sắt Fe do K1 là ~ 40kA/m. Do dị hƣớng hình dạng là
~800kA/m và thông thƣờng Fe đƣợc coi là vật liệu từ mềm (trừ trƣờng hợp
nam châm chế tạo bằng bột Fe mịn, hình kim có dị hƣớng hình dạng cao).
Nhìn lại hơn 10 năm phát triển của nam châm vĩnh cửu có thể có các
nhận xét sau: (i) Chủng loại các nam châm rất đa dạng về tính chất (hoặc HC
lớn hoặc BR hoặc (BH)m lớn ), về công nghệ chế tạo (luyện kim truyền thống:

13
đúc, cán; luyện kim bột; nguội nhanh; gốm), về thành phần (hợp kim, oxit, về
quy mô sản xuất. (ii) Trong số các loại nam châm khác nhau, có 4 loại rất
quan trọng đƣợc sử dụng nhiều nhất, đó là ferit từ cứng (1952), Alnico
(1932), SmCo (1970) và NdFeB (1983). Năm 1988, ferit Ba chiếm trên 60%
giá trị và 97% khối lƣợng trong tổng số các loại nam châm đƣợc sản xuất.
Các loại nam châm khác có quy mô sản xuất nhỏ hoặc rất nhỏ và chỉ dùng
trong một số ít trƣờng hợp. Đấy là thép C, thép Cr, Co (1900), hợp kim
FeCoMo (1934), Cunife (1935), PtCo (1936) CoFeV (vicalloy, 1940)…(iii)
Hai tính chất của nam châm đƣợc chú ý là: tích năng lƣợng cực đại (BH)m.
Đây là đại lƣợng phản ánh các tính chất tổ hợp của nam châm. Đại lƣợng này
tăng trên 50 lần từ một vài MGOe (đầu thế kỷ XX) đến trên 50 MGOe (những
năm 90 của thế kỷ XX). Đại lƣợng thứ hai là lực kháng từ HC. Đây là đại
lƣợng bảo đảm tính vĩnh cửu của nam châm. Trong thế kỷ XX, đại lƣợng này
cũng tăng cỡ 50 lần. Đồ thị trên cho thấy các đại lƣợng HC và (BH)max của
các loại vật liệu khác nhau. (iv) Mỗi loại vật liệu có tính chất nổi trội riêng, thí
dụ trong số các loại nam châm, NdFeB có tích năng lƣợng lớn nhất nhƣng
SmCo lại có lực kháng từ lớn nhất. Nhƣ vậy bằng cách chọn thành phần có
thể nhận đƣợc các tính chất mong muốn. Tuy nhiên các tính chất từ kỷ lục
đều thuộc các loại nam châm đất hiếm hoặc NdFeB và SmCo. Nói nhƣ vậy
không có nghĩa là các loại nam châm khác không có các ƣu thế. Thí dụ hợp
kim Alnico có độ dƣ từ rất lớn (1,4 T) và có nhiệt độ Curie rất lớn (TC ~
8000
C, nhiệt độ làm việc ~ 5000
C), đấy là chƣa kể chi phí sản xuất, về mặt
này ferit Ba luôn là loại nam châm rẻ nhất.
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B
1.2.1. Cấu trúc vi mô của vật liệu từ cứng
Hợp kim Nd2Fe14B thuộc nhóm 2:14:1, có cấu trúc tinh thể tứ giác với
hằng số mạng a = 0,878 nm và c = 1,220 nm, thuộc nhóm không gian

14
P42/mnm, khối lƣợng riêng 7,55 g/cm3
. Cấu trúc tinh thể của hợp kim
Nd2Fe14B đƣợc mô tả trên hình 1.4a.
Z=1/2
Z=0
a) b)
Hình 1.4. 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)
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
1.4b. Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và ở bên dƣới các mặt phẳng
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.

15
1.2.2. Một số tính chất cơ bản của vật liệu.
Pha Nd2Fe14B có dị hƣớng từ tinh thể K1 = 4,9.106
J/m3
, từ độ bão hòa
μ0Ms = 1,61 T và nhiệt độ Curie TC = 585K (312o
C). Các thông số cấu trúc
và tính chất nội tại này của hợp kim Nd2Fe14B cho phép chế tạo nam châm
thiêu kết có tích năng lƣợng từ cực đại (BH)max lớn. Đây là loại nam châm
vĩnh cửu cực mạnh, có khả năng cho từ dƣ lên tới 1,4 T, nhƣng có nhƣợc
điểm là có tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), nhiệt độ hoạt động thấp và
giá thành đắt (do chứa nhiều đất hiếm). Bảng 1.1 so sánh từ tính của nam
châm Nd-Fe-B với các loại nam châm thông thƣờng khác.
Bảng 1.1. Tính chất từ của một số loại nam châm
Nam châm Mr (kG)
Hci BHmax TC
(kOe) (MGOe) (°C)
Nd2Fe14B (thiêu kết) 10÷14 9,4÷25 25÷57 310
Nd2Fe14B (kết dính) 6÷7 7,5÷15 7,5÷12,5 310
SmCo5 (thiêu kết) 8÷11 7,5÷25 15÷25 720
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7 (thiêu 9÷11,5 5,6÷16,2 18,7÷30 800
kết)
Alnico (thiêu kết) 6÷14 3,4 1,2÷11 700
Sr-ferrite (thiêu kết) 2÷4 1,2÷3,7 1,2÷5 450
Tính chất từ của vật liệu đƣợc quy định bởi tính chất từ nội tại và tính
chất từ ngoại lai. Tính chất từ nội tại bao gồm từ độ bão hòa Ms, nhiệt độ
Curie TC, tính dị hƣớng từ. Tính chất từ ngoại lai bao gồm lực kháng từ Hc,
từ độ dƣ Mr, độ vuông đƣờng trễ và tích năng lƣợng cực đại (BH)max.
* Tính chất từ nội tại
Tính chất từ nội tại nhƣ từ độ bão hòa, nhiệt độ Curie TC và tính dị
hƣớng từ v.v. đƣợc xác định bởi thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể. Hay

16
có thể nói mômen từ của các nguyên tử và tƣơng tác giữa chúng trong mạng
tinh thể đã tạo lên tính chất từ nội tại cho vật liệu.
Sự xuất hiện từ độ bão hòa trong tinh thể sắt từ là do tƣơng tác trao đổi
giữa các nguyên tử thành phần làm cho các mômen từ định hƣớng song song
nhau, năng lƣợng tƣơng tác này đƣợc đánh giá qua hằng số trao đổi. Giá trị
từ độ bão hòa khoảng 1,6T trong vật liệu Nd2Fe14B tại nhiệt độ phòng là do
cả hai phân mạng đất hiếm và sắt cùng đóng góp vào .
Hirosawa và cộng sự đã nghiên cứu sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt độ của
các đơn tinh thể RE2Fe14B. Kết quả cho thấy, nhiệt độ TC chịu ảnh hƣởng bởi
tƣơng tác giữa các ion trong vật liệu. Trong hợp chất RE2Fe14B tồn tại 3 tƣơng tác
chính là tƣơng tác giữa các ion đất hiếm (RE-RE), tƣơng tác giữa ion đất hiếm và
ion kim loại chuyển tiếp (RE-TM) và tƣơng tác giữa các ion kim loại chuyển tiếp
(TM-TM). Với hợp chất RE2Fe14B, tƣơng tác RE-TM là tƣơng tác
quyết định nhiệt độ Curie (TC). Nhiệt độ Curie của các hợp chất này là khá
thấp, cỡ 585K cho Nd2Fe14B .
Dị hƣớng từ tinh thể cũng là một
thông số rất quan trọng với tính chất từ
nội tại của vật liệu từ cứng, bởi nó là
một yếu tố quyết định lực kháng từ cao
hay thấp. Dị hƣớng từ tinh thể là năng
lƣợng liên quan đến sự định hƣớng của
các mômen từ và đối xứng tinh thể của vật
liệu. Do tính dị hƣớng của cấu trúc tinh
thể, sẽ có sự khác nhau về khả năng từ hóa
khi ta từ hóa theo các
phƣơng khác nhau, dẫn đến việc vật liệu có phƣơng dễ từ hóa, gọi là trục dễ
(từ hóa) và phƣơng khó từ hóa (gọi là trục khó). Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh
hướng từ tinh thể của tinh thể sắt từ
Hình 1.5. Sơ đồ mô tả năng lượng dị
.

17
thể là năng lƣợng cần thiết để quay mômen từ trục khó sang trục dễ. Năng
lƣợng từ hóa theo trục dễ là nhỏ nhất, trong khi năng lƣợng từ hóa theo trục
khó là lớn nhất. Diện tích giới hạn bởi đƣờng cong từ hóa khó và từ hóa dễ là
đại lƣợng đặc trƣng cho năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể của mẫu. Nói một
cách khác năng lƣợng dị hƣớng là năng lƣợng cần thiết do từ trƣờng ngoài
cung cấp để chuyển dời mô men từ hƣớng từ hóa dễ sang hƣớng từ hóa khó.
Năng lƣợng dị hƣớng từ tinh thể có thể viết một cách tổng quát :
Ea = K0 +K1 (2
12
2 +2
22
3 +2
32
1) + K22
12
22
3, (1.1)
Với K0, K1 và K2 là các hằng số dị hƣớng, có thứ nguyên năng lƣợng.
1,2, và3 là cosin chỉ phƣơng của Ms đối với các trục tinh thể x, y và z
tƣơng ứng.
Tính chất từ nội tại của một số hợp chất có cấu trúc kiểu Nd2Fe14B
đƣợc liệt kê trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Một số tính chất từ nội tại của một số hợp chất kiểu Nd2Fe14B ở
nhiệt độ phòng, bao gồm: hằng số mạng, nhiệt độ Curie TC, từ độ
bão hòa MS, hằng số dị hướng từ K1, trường dị hướng HA và thế
năng trường tinh thể A20 .
Hợp chất
a C TC 0Ms K1 0HA <A2
0
>
(pm) (pm) (K) (T) (MJ/m3
) (T) (Ka0 -2)
Y2Fe14B 876 1203 566 1,44 1,1 2,0 -
Pr2Fe14B 880 1223 565 1,55 5,0 8,0 178
Nd2Fe14B 879 1218 585 1,61 4,9 7,6 306
Sm2Fe14B 879 1211 621 1,51 -12 12,5 300
Dy2Fe14B 856 1199 598 0,72 12,5 27,8 295
Nd2Fe14C 881 1205 545 1,52 4,5 7,4 250
Y2Co14B 860 1171 1015 1,00 -1,4 3,5 -
Nd2Co14B 863 1185 1007 1,06 2,2 5,2 -

18
Bản chất của hiện tƣợng dị hƣớng từ tinh thể là do tƣơng tác trao đổi
cùng với đối xứng trƣờng tinh thể và tƣơng tác spin-quỹ đạo. Để nghiên cứu
dị hƣớng từ trong vật liệu RE2Fe14B cần phải sử dụng hàm Hamiltonian chứa
các số hạng trƣờng tinh thể HCR cũng nhƣ các số hạng trao đổi Hex .
* Tính chất từ ngoại lai
Tính chất từ ngoại lai nhƣ lực kháng từ Hc, từ độ dƣ Mr, độ vuông
đƣờng trễ và tích năng lƣợng cực đại (BH)max đƣợc xác định bởi cấu trúc
tinh thể và vi cấu trúc, tức là hình dạng, kích thƣớc hạt, tính đồng nhất và sự
phân bố của chúng trong vật liệu.
Lực kháng từ Hc là giá
trị từ trƣờng ngƣợc cần đặt
vào để triệt tiêu từ độ dƣ. Lực
kháng từ đƣợc xác định từ
đƣờng cong từ trễ của vật liệu
(hình 1.6). Cơ chế tạo lực
kháng từ liên quan đến cơ chế
từ hóa và đảo từ của vật liệu,
hay nói cách khác là liên quan
đến sự thay đổi của cấu trúc
từ và bị ảnh hƣởng mạnh bởi
cấu trúc hạt của vật liệu. Yếu
tố lớn nhất chi phối lực kháng
Hình 1.6. Các đường cong đặc trưng: từ
độ và cảm ứng từ phụ thuộc vào từ trường
ngoài của vật liệu sắt từ.
từ là dị hƣớng từ tinh thể và tùy từng loại vật liệu mà lực kháng từ có thể phụ
thuộc khác nhau vào yếu tố này. Đối với các vật liệu từ có cấu trúc đơn đômen,
cấu trúc đơn đômen là cấu trúc không có vách đômen nên không có các quá trình
dịch chuyển vách hay hãm các vách đômen trong quá trình từ hóa. Vì thế, quá
trình từ hóa và khử từ trong vật từ có cấu trúc đơn đômen là quá trình quay

19
kết hợp các mômen từ. Vì thế, lực kháng từ tạo ra là do đóng góp bởi 3 yếu tố
dị hƣớng: dị hƣớng từ tinh thể, dị hƣớng từ hình dạng và dị hƣớng từ do sự
bất đồng nhất cấu trúc :
H c 
K1
 b ( N1 N 2 )I s  c

s
(1.2)
I
s
I
s
với K1 là hằng số dị hƣớng từ tinh thể bậc một; N1,N2 là thừa số khử từ đo
theo 2 phƣơng khác nhau; λs, τ lần lƣợt là từ giảo bão hòa và ứng suất nội; a,
b, c là các hệ số phần trăm đóng góp của từng số hạng.
Tuy nhiên, kích thƣớc hạt đóng vai trò quyết định giá trị lực kháng từ
trong mẫu cả với vật liệu thiêu kết Nd-Fe-B và vật liệu nanocomposite Nd-Fe-
B. Vấn đề này sẽ đƣợc trình bày kỹ vào phần sau.
Tích năng lƣợng cực đại (BH)max là năng lƣợng từ lớn nhất có thể dự trữ
trong một đơn vị thể tích, liên quan đến khả năng sản sinh từ trƣờng của vật liệu
từ. Tích năng lƣợng cực đại (BH)max là một tham số quan trọng dùng để đánh
giá phẩm chất VLTC. Tích năng lƣợng từ cực đại đƣợc xác định trên đƣờng
cong khử từ B(H) (hình 1.6). Tích năng lƣợng từ là tham số dẫn xuất, phụ thuộc
vào các tính chất từ nội tại của vật liệu, thƣờng mang ý nghĩa ứng dụng.
Về mặt lý thuyết, giới hạn của (BH)max xác định bởi biểu thức:
(BH )max
Jr
2
(1.3)
40
Trong đó, Jr là độ từ dƣ,0 là độ từ thẩm trong chân không. Từ phƣơng trình
(1.3) có thể thấy rằng để làm tăng (BH)max thì cần phải nâng cao Jr , . Tuy
nhiên, Jr cao chƣa hẳn đã tạo đƣợc nam châm có (BH)max lớn mà cần phải
kết hợp thêm các yếu tố khác nhƣ lực kháng từ nội tại Hcj và độ vuông góc
của đƣờng cong khử từ. Đối với nam châm là tập hợp các hạt đơn miền, đơn
trục, không tƣơng tác, lý thuyết Stoner-Wohlfarth đã chứng tỏ rằng Jr/Js = 0,5
(tỷ số này gọi là độ từ dƣ rút gọn, ký hiệu là mr), trong đó Js là từ độ bão hoà.

20
Từ dƣ Mr là giá trị từ độ còn giữ đƣợc khi ngắt từ trƣờng (H = 0),
thƣờng đƣợc ký hiệu là Mr hoặc Ir. Từ dƣ không phải là thông số mang tính
chất nội tại của vật liệu mà chỉ là thông số dẫn xuất, phụ thuộc vào các cơ chế
từ trễ, các phƣơng từ hoá, hình dạng vật liệu từ... Tỉ số giữa từ dƣ và từ độ
bão hòa Mr/Ms đƣợc gọi là từ độ rút gọn hoặc hệ số chữ nhật của đƣờng cong
từ trễ (giá trị Mr/Ms càng gần 1 thì đƣờng cong từ trễ càng tiến tới dạng hình
chữ nhật).
1.2.3. Một số đặc trƣng cơ bản của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B
Thị trƣờng vật liệu từ và nam châm vĩnh cửu trên toàn thế giới hiện nay
thể hiện gần đúng bằng giản đồ trên hình
Hình 1.7. Biểu đồ biểu diễn thị trường vật liệu từ và nam châm vĩnh cửu .
Trong tỷ phần 20% của sản phẩm nam châm vĩnh cửu thì nam châm Nd-
Fe-B chiếm tới 30%, với tốc độ tăng trƣởng trung bình hàng năm cỡ 15-20%.
Con số đó là không nhỏ nếu tính đến sự ra đời rất muộn của loại vật liệu này. Lý
do thu hút sự chú ý và tăng trƣởng nhanh của vật liệu Nd-Fe-B là do chúng có
giá trị từ độ bão hòa Js lớn (1.61 T tại nhiệt độ phòng so với 1.28 T của
Sm2Co17) và trƣờng dị hƣớng tinh thể cao (7.6 T so với 6.5 T của Sm2Co17).
Cũng chính vì vậy mà công nghệ chế tạo nam châm vĩnh cửu dựa trên cơ sở loại
vật liệu này đã nhanh chóng đƣợc hoàn thiện, khiến các sản phẩm nam châm có
hệ số vuông góc đạt xấp xỉ giá trị cực đại (Y l), dẫn đến tích năng lƣợng từ
(BH)max của chúng cao nhất trong các loại nam châm vĩnh cửu hiện có (đã đạt
xấp xỉ 440 kJ/m3
, giới hạn lý thuyết là 512 id/m3
) [35], [48], [108] và tăng độ
tuyến tính của đƣờng khử từ B(H) nằm trong cung phần tƣ thứ hai của đƣờng từ
trễ, hệ quả là làm cho các công đoạn thiết kế mạch từ

21
sử dụng nam châm Nd-Fe-B trở nên dễ dàng hơn. Ngoài ra, do trong thành
phần của nam châm Nd-Fe-B chủ yếu là chứa sắt (72.3% trọng lƣợng),
nguyên tố đất hiếm Nd chỉ chiếm 26.7% trọng lƣợng. Hơn nữa bản thân Nd
cũng không phải là hiếm (chiếm tới 16% trong tổng số các nguyên tố đất
hiếm), nên giá thành trên 1kJ/m3
của tích năng lƣợng từ của nam châm Nd-
Fe-B là rẻ nhất. Do tất cả những đặc điểm đó nên mặc dù còn bị hạn chế duy
nhất bởi nhiệt độ làm việc không cao (cỡ khoảng 200°C do nhiệt độ Curie Tc
thấp ~312°C), nam châm Nd-Fe-B, kể từ lúc ra đời vào năm 1983 cho đến tận
ngày nay, luôn luôn thu hút đƣợc sự chú ý nhiều nhất.
Dƣới đây, ta sẽ xem xét một cách khái quát một số đặc trƣng bản chất
của vật liệu từ cứng Nd2Fe14B làm cho loại vật liệu này có phẩm chất từ tính
tốt và gây đƣợc sự chú ý đến nhƣ vậy.
1.2.3.1. Độ từ hóa và nhiệt độ Curie
Đối với vật liệu từ cứng ngoài việc có giá trị trƣờng khử từ lớn để tự tồn tại
trong từ trƣờng ngoài, còn đòi hỏi phải có từ độ lớn và khả năng tồn tại trật tự từ
tại nhiệt độ cao (tức là có nhiệt độ Curie lớn) để có thể nâng cao nhiệt độ làm
việc của mình. Một nguyên nhân sâu xa làm tăng từ độ và nhiệt độ Curie là
tƣơng tác trao đổi mạnh giữa các mômen từ của các nguyên tử trong ô cơ sở.
Hình 1.8. Thí nghiệm Stern-Gerlach xác định giá trị spin của
nguyên tử Hydro .
Từ độ Js của vật liệu là tổng không tuyến tính của các mômen từ của các
nguyên tử trong ô mạng cơ sở chia cho thể tích của ô cơ sở. Điểm xuất phát

22
của Js chính là mômen từ của các nguyên tử riêng rẽ và sự kết hợp giữa chúng
để tạo ra từ độ của vật liệu. Liên quan chặt chẽ đến giá trị từ độ của vật liệu
chính là độ cảm ứng từ dƣ Br của sản phẩm nam châm. Cấu trúc vi mô của
một nam châm thiêu kết càng hoàn hảo thì giá trị của Br càng gần đến giá trị
của Js.
1.2.3.2. Từ hóa và sự thay đổi cấu trúc đomen.
- Từ hóa chất sắt từ bao gồm hai quá trình (1) dịch vách đomen và (2)
xoay vecto từ độ. Kết quả của của quá trình từ hóa là làm cho vecto từ độ Ms
của toàn bộ chất sắt từ song song với nhau và với từ trƣờng H.
Hình 1.8 cho thấy đƣờng cong từ hóa hay nói cách khác là đƣờng cong
cảm ứng từ B= B(H) và từ độ M= M(H) phụ thuộc vào từ trƣờng bên ngoài H
và mối liên hệ giữa các đƣờng cong từ hóa và quá trình dịch chuyển vách
đomen và xoay vecto Ms theo từ trƣờng H trong tinh thể lập phƣơng với các
đomen 90 . Khi đó H = 0 chất sắt từ ở trạng thái khử từ, khi đó trong các chất
sắt từ các đa đomen định hƣớng ngẫu nhiên (trong hình chỉ vẽ 4 đomen đại
diện). Trong mỗi đomen vecto Ms hƣớng theo phƣơng dễ (trong Fe,s phƣơng
dễ là các phƣơng [100] .Từ độ của toàn bộ mẫu bằng không. Cho H≠0 và tăng
dần, quá trình từ hóa bắt đầu. Nhƣ chúng ta đã biết năng lƣợng tƣơng tác
giữa một lƣỡng cực M với một từ trƣờng H bằng: EM = - µ0MsHcosθ , ở đó θ
là góc giữ Ms và H. Momen từ đƣợc kí hiệu là µ thay cho M và không đƣa
vào hệ số µ0. Năng lƣợng tƣơng tác nhỏ nhất là Ms//H. Với lý do đó khi H
tăng đomen nào có vecto MS làm với H một góc nhỏ nhất sẽ có lợi về năng
lƣợng và phát triển bằng cách lấn sang các đomen khác.

23
B.M
B= µoH+ µoM ( C¶m øng tõ)
J= µoM ( §é ph©n cùc tõ)
M
e. B·o hßa c-ìng bøc
khi H rÊt lín M>Ms(T)
Paraprocess
Ph-¬ng tõ
tr-êng ngoµi
a. tr¹ng th¸i khö tõ b. DÞch v¸ch c. b·o hßa tõ d. Xoay vecto tõ ®é M
H=0,M h-íng theo M=Ms theo H cho ®Õn khi M //H:
ph-¬ng dÔ b·o hßa kü thuËt
Hình 1.9. Sơ đồ quá trình từ hóa: Quá trình dịch chuyển vách xảy ra trong
từ trường tương đối nhỏ, quá trình xoay vecto từ độ xảy ra trong từ trường
lớn khi bão hòa (J= µ0M) nằm ngang và đường B tuyến tính
Cuối cùng trong vật sắt từ chỉ tồn tại một đomen (trạng thái đơn
đomen) có góc giữa Ms và H nhỏ nhất (hình 1.9c). Đây chính là trạng thái bão
hòa từ . Tuy nhiên vecto Ms và H chƣa song song nhau, năng lƣợng tƣơng
tác giữa chúng còn lớn, vì vậy Ms bắt đầu xoay theo H và đấy là quá trình
xoay vecto từ độ Ms, quá trình này kết thúc khi Ms//H (hình 1.9d). Trạng thái
khi tất cả các đomen tè của các đomen đều song song với từ trƣờng ngoài gọi
là bão hòa từ kỹ thuật để phân biệt với trạng thái bão hòa từ khi chỉ còn lại
một đomen và Ms hƣớng theo phƣơng dễ. Cần chú ý rằng chúng ta vừa nói
tới cụm từ “bão hòa từ”, ở đây cần hiểu là bão hòa từ tại nhiệt độ T, tại nhiệt
độ này, thí dụ nhiệt độ phòng, bão hòa từ không có nghĩa là các spin của các
nguyên tử hoàn toàn song song nhau vì chuyển động ở nhiệt độ T≠0 luôn phá

24
vỡ một phần trật tự từ. Vì vậy nếu tiếp tục tăng H, các spin song song nhau và
làm cho từ độ tăng. Quá trình này giống với từ hóa chất thuận nên gọi là quá
trình từ hóa thuận từ hay paraprocess, cũng có thể gọi đó là quá trình cƣỡng
bức (hình 1.9e). Nhƣ vậy quá trình từ hóa gồm 3 giai đoạn: (1) dịch vách
đomen thuận nghịch và bất thuận nghịch (2) xoay vecto từ độ theo H và (3) từ
hóa cƣỡng bức: Tăng M do mức độ trật tự từ tại T>0K.
1.2.3.3. Dịch vách đomen.
Xét hai domen (a) và (b) gắn với trục tọa độ x, y, z vecto từ độ đối song
(hình 1.10) Đặt từ trƣờng ngoại H theo Z để giảm năng lƣợng từ tƣơng tác
giữa từ trƣờng ngoại H và từ độ Ms) vách đomen sẽ dịch chuyển theo x sang
phải một đoạn 0x sao cho đomen a có Ms//H lớn lên. Thể tích mà đomen a
(

) lấn sang đomen b (

) là V = yz∂x, sự thay đổi (giảm) năng lƣợng tƣơng
tác từ bảng:
AEM = µoHMs cos (180)o
.yz∂x - (- µoHMs cos 0o
.yz∂x )
= 2µoHMsyz∂x (1.4)

a
25
Z
0
b
dX
Y
X
Hình 1.10. Đomen a có momen từ song song với H phát triển theo phương
x bằng cách lấn sang các đomen b
(AEM = E2 – E1 trong đó: E1: năng lƣợng trƣớc khi dịch chuyển, E2: năng
lƣợng sau dịch chuyển; đại lƣợng µoHMs có thứ nguyên J/m, yz∂x năng
lƣợng tƣơng tác từ ∆EM có thứ nguyên là J). Trong quá trình dịch vách, mật
độ năng lƣợng dịch vách γcoa thể thay đổi và giả thiết bằng ∆γ. Vậy sự thay
đổi năng lƣợng vách bằng: ∆Eγ = yz. ∆ γ = yz.∆x (∆ γ/∆x) - yz∂x (dγ/dx) (S =
yz-diện tích vách).
Vị trí mới của vách sẽ đƣợc xác định bởi sự cân bằng năng lƣợng
tƣơng tác từ và năng lƣợng vách: 2µoHMsyz∂x = yz∂x (dγ/dx) .

26
Từ đó suy ra:
H = (dγ/dx)/2µoMs
2µoMsH = (dγ/dx)
γ
B
C
BR
A E
Y
HC
X
dγ /dx
B
B
+H1
A
+HA
H=0
-H2
D
Hình 1.11
(1.5a)
(1.5b)
H
A
B≠0
Hình 1.12
Hình 1.11. Năng lượng vách trên và gradient năng lượng vách phụ thuộc
vào quãng đường dịch chuyển vách x. Vị trí vách được xác định bằng giao
điểm giữa đường q= dγ/dx với đường thẳng p xấp xỉ H. Khi H=0, X=X2
năng lượng cực tiểu). Khi H tăng theo chiều dương vị trí vách tương ứng.

27
Khi loại bỏ H=0, vị trí vách XE (giao điểm p=0 và q) vách không trở về vị trí
xuất phát điểm Z (XZ) (từ trễ)
Hình 1.12. Bước nhảy Barkhausen B tăng đột biến trong khi đó H không thay
đổi (vế trái của hệ thức (1.5b) có thứ nguyên J/m3
hoặc N/m2
~ lực trên đơn vị
diện tích). Năng lƣợng vách γ = f (x) và biến thiên năng lƣợng vách dγ/dx~ f(x)
theo không gian đƣợc mô tả trên hình 1.11. Tại thời điểm ban đầu H = 0, vách
nằm ở vị trí có năng lƣợng cực tiểu xz. Khi bắt đầu quá trình từ hóa, từ trƣờng H
tăng, vách dịch chuyển và vị trí vách đƣợc xác định bởi phƣơng trình 1.5a và
1.5b. Gọi p = 2µoMsH và q = (dγ/dx) khi từ trƣờng H thay đổi, hai đƣờng p và q
cắt nhau, các giao điểm giữa chúng xác định vị trí vách. Khi tăng từ trƣờng H,
vách dịch chuyển sang phải, x tăng. Vì x tỷ lệ với M, nên khi x tăng, M tăng theo
thiết lập quan hệ M = M(H). Có 2 điều cần lƣu ý: (1) khi vách dịch đến vị trí XA
(A- điểm uốn trên đƣờng γ = γ(x), nếu loại bỏ từ trƣờng H

0, p và q cắt nhau
tại Z tức là vách trở về vị trí xuất phát, điểm Z (năng lƣợng cực tiểu). Đấy là quá
trình dịch vách thuận nghịch, (2) Khi H = H1, p và q cắt nhau tại hai điểm B và
F, hai điểm đó đều thỏa mãn phƣơng trình 1.5a và 1.5b. Điều đó có nghĩa là
vách dịch chuyển từ xB đến vị trí xF, từ độ tăng đột biến (vì M~x) trong khi từ
trƣờng không thay đổi (H1). Hiện tƣợng đó gọi là bƣớc nhảy Barkhausen (hình
1.12) Nếu loại bỏ từ trƣờng H
0, các đƣờng p và q
cắt nhau tại E, vách trở về vị trí xE (năng lƣợng
cực tiểu và không thể trở về vị trí xuất phát, điểm Z, vì không vƣợt qua đƣợc rào
năng lƣợng điểm C. Đấy là hiện tƣợng từ trễ. Để đƣa vách về vị trí ban đầu, cần
đặt một từ trƣờng “âm” thí dụ H = - H2, khi đó vách trở về vị trí XD và XY …
Nhƣ vậy mật độ năng lƣợng quyết định đến quá trình dịch chuyển vách. Có thể
coi grandient năng lƣợng dγ/ dx là giả lực ma sát, tác động lên vách cản trở vách
chuyển động. Để vách dịch chuyển từ Z đến B (cần tăng H, tăng lƣợng tƣơng
tác từ µ0MsH ) để chống lại việc tăng lƣợng ma sát dγ/ dx, từ B

28
đến F lực ma sát nhỏ hơn lực µ0MsH1 trong khoảng BF, vì vậy vách di
chuyển từ B đến F (Xp đến XF ) mà không cần tăng từ trƣờng H.
1.2.3.4. Lực kháng từ iHc và mối liên hệ với cấu trúc tinh thể Nd2Fe14B
Để có đƣợc lực kháng từ iHc lớn, mômen từ của ô mạng cơ sở phải có
thiên hƣớng mạnh nhờ vào tác động của trƣờng tinh thể tạo bởi tập hợp các
nguyên tử trong ô mạng.
Hình 1.13 Biểu diễn ô mạng cơ sở của vật liệu Nd2Fe14B.
Hình 1.13. Cấu trúc tinh thể Nd2Fe14B và ký hiệu vị trí các nguyên tử
không tương đương theo Wyckoff
Tinh thể Nd2Fe14B có cấu trúc tứ giác, thuộc nhóm không gian P42/mnm
với kích thƣớc ô cơ sở là (a=0.879 nm, C=1.218 nm. Mỗi ô cơ sở chứa bốn
phân tử Nd2Fe14B, bao gồm 68 nguyên tử, trong đó có 6 vị trí không tƣơng

29
đƣơng của Fe, hai vị trí không tƣơng đƣơng của Nd và một vị trí của B. Tập
hợp nguyên tử này tạo nên một phân bố không gian điện tử thích hợp và
chúng tác động (bằng tƣơng tác tĩnh điện) lên điện tử 4f của Nd và 3d của Fe
khiến từ độ hƣớng theo một hƣớng nhất định nào đó (gọi là trục dễ từ hóa)
của ô cơ sở [18], [45], [107]. Đối với vật liệu Nd2Fe14B trục dễ có hƣớng
[001], ngƣợc lại hƣớng [111] là hƣớng rất khó từ hóa. Hiệu ứng định hƣớng
từ độ này gọi là dị hƣớng từ tinh thể. Để định lƣợng thƣờng dùng khái niệm
trƣờng dị hƣớng tinh thể có giá trị tƣơng đƣơng với một cƣờng độ từ trƣờng
cần để quay mômen từ (vốn hƣớng theo trục dễ) về hƣớng trục khó từ hóa.
Một khái niệm khác liên quan thƣờng đƣợc dùng là năng lƣợng dị
hƣớng từ Ea, đó chính là công cần thực hiện để quay mômen từ độ từ trục dễ
về trục khó. Cần nhấn mạnh rằng trong trƣờng hợp đang xét dị hƣớng từ tinh
thể là dị hƣớng tổng cộng gây ra chủ yếu bởi hai nguyên tử Nd và sáu nguyên
tử Fe không tƣơng đƣơng. Vai trò của nguyên tử B là gián tiếp thông qua
việc tạo dựng nên ô cơ sở và trƣờng tinh thể tác động lên mômen từ của
nguyên tử Nd và Fe. Lịch sử cũng cho thấy rằng nguyên tố B đƣợc pha vào
hợp kim Nd-Fe là nhằm mục đích khác và việc tìm ra thành phần hợp kim có
chất lƣợng từ tính cao cũng mang tính may mắn nhất định.
Bảng 1.3. Vị trí và tọa độ các nguyên tử trong ô cơ sở của tinh
thể Nd2Fe14B.
Nguyên tử Tọa độ X Tọa độ Y Tọa độ z
Nd (4f) 0.268 0.268 0.0
Nd (4g) 0.140 -0.140 0.0
Fe (lóki) 0,223 0.567 0.127
Fe (16k2) 0.037 0.360 0.176
Fe (Si,) 0.098 0.098 0.204
Fe (8j2) 0.317 0.317 0.246
Fe (4e) 0.5 0.5 0.114

30
Fe (4c) 0.0 0.5 0.0
B(4g) 0.317 -0.317 0.0
Bảng 1.3 thống kê vị trí và tọa độ các nguyên tử trong ô cơ sở của tinh
thể Nd2Fe14B ở 295 K thƣờng dùng làm tọa độ gốc để phân tích giản đồ
nhiễu xạ tia X hoặc nhiễu xạ Nơtron theo phƣơng pháp Ritveld hoặc phƣơng
pháp độ rộng phổ.
Hình 1.14 là giản đồ nhiễu xạ Rơntghen với bƣớc sóng = 1.5406 Ă (tia
Cu- Ka ) của Nd2Fe14B sử dụng các giá trị tham số mạng a, c của ô cơ sở trình
bày ở trên.
Hình 1.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Nd2Fe14B
Hiển nhiên ta thấy rằng dị hƣớng từ tinh thể chính là nguồn gốc cơ bản
của lực kháng từ nội tại của vật liệu từ . Một cách định lƣợng đơn giản để xác
định năng lƣợng dị hƣớng từ EA bằng cách cho rằng dị hƣớng này chủ yếu là
do tƣơng tác tĩnh điện giữa các điện tích bao quanh điện tử 4f của Nd với đám
mây bất đối xứng của điện tử 4f (hình 1.12).
Do các điện tích nằm phía ngoài điện tử 4f nên có thể khai triển
Halmitonian Hc f của trƣờng tinh thể dƣới dạng một chuỗi tuần hoàn cầu và

31
tính năng lƣợng dị hƣớng theo biểu thức E A Hc . f Trong trƣờng hợp
đối xứng đơn trục nhƣ của ô mạng tứ giác đang xét ở đây, EA có dạng đặc
trƣng sau:
E
A
 K
isin
2(K
2
 K '
cos4 )sin4
(K
3
 K '
cos4 )sin6
 (1.6)
2 3
Với là góc giữa véctơ mômen từ hóa và trục c (hƣớng [001]), còn là
góc giữa hình chiếu của mômen từ hóa xuống mặt a-b của ô cơ sở với trục a
(hƣớng [100]). K1…. là các hằng số dị hƣớng. Tại nhiệt độ cao, một cách gần
đúng năng lƣợng từ EA có dạng đơn giản sau:
E A K1 sin2
 (1.7)
Hình 1.15 Mô
hình suất phân bố
điện tử 4f của Pr,
Nd và Sm trong
không gian
Một cách tổng quát, mômen từ hóa tồn tại trong vật liệu một cách bền
vững trong trạng thái cực tiểu năng lƣợng. Do vậy, nếu Kl>0 thì điều kiện
cực tiểu này tƣơng ứng với góc 0 = 0, có nghĩa là mômen từ hóa hƣớng song
song với trục c. Ngƣợc lại nếu Kj<0 thì mặt a-b sẽ là mặt dễ từ hóa. Tất
nhiên, đối với Hình 1.15. Mô hình xác suất một nam châm vĩnh cửu thì yêu
cầu có trục dễ phân bố điện tử 4f của Pr, Nd là bắt buộc bởi vì trong trƣờng
hợp ngƣợc lại và Sm trong không gian. Nếu nam châm có mặt dễ từ hóa thì
mômen từ hóa có quyền phân bố ngẫu nhiên trong mặt này khiến mômen từ
hóa tổng cộng bằng không.
Từ những phân tích vừa trình bày ở đây cùng với một số suy luận khác ta
còn có thể đánh giá về vai trò quan trọng của nguyên tố Nd trong việc chế tạo

32
vật liệu từ tính chất lƣợng cao. Dựa vào bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa
học với dãy tách riêng của các nguyên tố họ Lantan có thể thấy rõ rằng để chế
tạo vật liệu từ chứa đất hiếm và kim loại chuyển tiếp ta không thể dùng những
nguyên tố đất hiếm nặng (Từ Gd đến Lu) do mômen từ của chúng hƣớng
ngƣợc với mômen từ của nguyên tố kim loại chuyển tiếp khiến giảm mômen
từ hóa tổng cộng. Hai nguyên tố La và Eu không có mômen từ (S, L, J bằng 0
đối với La và s=3, L=3 và J=L-S=0 đối với Eu). Nguyên tố Pm rất hiếm và là
nguyên tố phóng xạ nên ít đƣợc sử dụng. Nguyên tố Ce về nguyên tắc có thể
sử dụng đƣợc nhƣng nó sẽ chỉ có một điện tử liên kết yếu ở lớp 4f trong
trƣờng hợp có hóa trị 3. Do vậy trong hợp kim với kim loại chuyển tiếp Ce có
hóa trị 4 nên J cũng bằng không. Cuối cùng chỉ còn lại Nd, Pr và Sm là ba
nguyên tố đất hiếm sử đụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu có lực kháng từ
lớn. Tuy vậy từ hình 1.13 ta thấy phân bố không gian của điện tử 4f trong Pr
và Nd là tƣơng đƣơng và ngƣợc lại so với Sm. Do vậy sau khi tính năng
lƣợng trƣờng dị hƣớng nhƣ trình bày ở trên sẽ thấy rằng nếu cùng với một
cấu trúc tinh thể, để có đƣợc hệ số dị hƣớng K1 dƣơng thì có thể dùng riêng
ba nguyên tố này hoặc dùng chung Pr với Nd chứ không thể dùng chung Sm
với Pr hoặc Sm với Nd.

33
Hình 1.16. Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học với dãy tách riêng
của các nguyên tố họ Lantan.
Từ năng lƣợng dị hƣớng EA một cách dễ dàng có thể suy ra trƣờng dị
hƣớng Ha sau khi chấp nhận rằng trong trƣờng hợp của vật liệu Nd2Fe14B thì,
i) trong khuôn khổ lý thuyết trƣờng trung bình, năng lƣợng tự do của hệ là
tổng của năng lƣợng dị hƣớng từ của hai phân mạng của nguyên tố đất hiếm
R (Nd) và kim loại chuyển tiếp T (Fe) cộng với năng lƣợng trao đổi và năng
lƣợng từ tĩnh (năng lƣợng Zeeman); ii) tƣơng tác R-T là mạnh. Trong trƣờng
hợp này ta có biểu thức năng lƣợng tự do của hệ nhƣ sau :
EF K sin2 K 2 sin4
 J s H cos()
Ngoài là góc giữa mômen từ hóa với trục dễ thì
của từ trƣờng ngoài H với trục dễ, Js là từ độ tự phát.
` Để xác định HA ta thƣờng đo từ độ trong từ trƣờng cực lớn hoặc đo độ
thẩm từ (phƣơng pháp SPD). Trong cả hai thí nghiệm trƣờng ngoài hƣớng
(1.7)
là góc giữa hƣớng

34
vuông góc với trục dễ, β = 90°. Nhƣ vậy về mặt toán học, cƣờng độ từ
trƣờng cần thiết để từ hóa bão hòa theo hƣớng của trục khó sẽ đƣợc tính theo
công thức:
EF

0HA
2K4K 2
(1.8)
  1
Js
 HH900
A,
Vật liệu Nd2Fe14B có Kj= 4.9 MJ/m3, K2= 0.65 MJ/m3, do vậy một
cách gần đúng có thể dùng biểu thức Ha =2Kj/Js để tính trƣờng dị hƣớng.
Ngoài phƣơng pháp nói trên mà các nhà vật lý hay dùng, còn có thể dùng
phép đo từ trễ để xác định trƣờng dị hƣớng. Trong trƣờng hợp nam châm có
hệ số vuông góc lớn gần bằng i, đƣờng cong khử từ B(Hext), tƣơng ứng với
cung phần tƣ thứ hai của đƣờng cong từ trễ, có dạng gần nhƣ là thẳng. Lúc
này từ trƣờng ngoài hƣớng ngƣợc với hƣớng của véc tơ từ hóa của mẫu, góc
ß có thể gần đúng coi bằng 180° và trƣờng dị hƣớng trong trƣờng hợp này sẽ
chính bằng giá trị của cƣờng độ từ trƣờng ngoài mà tại đó véc tơ từ hóa bị
đảo chiều, về mặt toán học, quá trình này tƣơng ứng với việc tìm giá trị
H=HN mà tại đó đạo hàm bậc một của EF theo 0 bằng zero và đạo hàm bậc
hai của Ep theo 0 có giá trị âm. Thấy rằng nếu K2=0 thì hai giá trị HA và HN
trùng với nhau.
1.2.4. Giản đồ trạng thái của vật liệu từ cứng Nd-Fe-B
Nam châm đất hiếm NdFeB (còn gọi là nam châm NEO, nam châm
NIB) đƣợc coi là nam châm mạnh nhất hiện nay: nam châm NdFeB thiêu kết
dị hƣớng có thể có tích năng lƣợng tới trên 50 MGOe (400 kJ/m3
) lực kháng
từ theo M vƣợt 20 kOe (1,5 triệu A/m. Nam châm này đƣợc phát triển vào
năm 1982 bởi GM và Sumitomo Special Metals. Trung Quốc ngày nay đƣợc
coi là một trong các nƣớc sản xuất nam châm NdFeB lớn nhất thế giới.
Nam châm NdFeB là vật liệu đa pha, trong đó đa quyết định tính chất
từ và có tỷ phần lớn nhất gọi là pha nền – pha có công thức Nd2Fe14B (còn

35
gọi tắt là pha 2 – 14 – 1). Ngoài ra còn có pha (giàu Nd) phân bố trên biên
giới hạt đóng vai trò trong việc tăng giá trị lực kháng từ và pha giàu B cũng
phân bố trên biên hạt hoặc bên trong hạt nhƣng không có vai trò rõ rệt.
Giản đồ pha của hệ 3 nguyên NdFeB rất phức tạp, tuy nhiên ngƣời ta
quan tâm chủ yếu đến vùng giàu Fe của hợp kim 3 nguyên này, trong đó có
pha (Nd2Fe14B) là pha từ cứng tiêu biểu nhất. Nói chung pha hình thành
trong dải nhiệt độ rất rộng từ 11800
C đến 6500
C. Tùy theo thành phần và
nhiệt độ, sơ đồ các phản ứng có thể nhƣ sau: cùng tinh (L => P1 + P2 + P3),
bao tinh (L + P1 + P2 => P3) và (L + P1 => P2 + P3), trong đó L: pha lỏng, P:
các pha tinh thể, hợp chất hóa học hay dung dịch rắn.
Chúng ta chủ yếu quan tâm đến vùng nồng độ giàu Fe (trên 80%) và tỷ
lệ Nd/B = 2, cho nên có thể xét giản đồ 3 nguyên Fe, Nd và B nhƣ giản đồ hai
nguyên Fe và Nd/B = 2. Sự thay đổi hàm lƣợng Fe và Nd/B biểu diễn bằng
tia A-F trên hình 1.15. Tại điểm A, nồng độ Fe = 100%, Nd = B = 0, khi dịch
sang phía điểm F, nồng độ Fe giảm, thí dụ 70%, khi đó tổng hàm lƣợng Nd +
B = 30%, trong đó Nd = 20% và B = 10%. Tại nồng độ Fe = ~ 82.35%. Nd ~
11.76% và B ~ 5.88%, tƣơng đƣơng với pha: Nd2Fe14B1 (2-14-1). Giản đồ
trạng thái này tƣơng tự nhƣ giản đồ peritectic với hợp chất hóa học` không
bền ở nhiệt độ cao. Phản ứng eutecti và peritecti là trạng thái cân bằng 3 pha
(f=3) tại nhiệt độ và nồng độ cố định (bậc tự do bằng không c = 0).

36
T
L
B (C)
1-
1+
L + Fe -2 B
180o
C a L+Ф
b F
Nd
γ-Fe+Ф
α-Fe+Ф
Fe giảm Nd
B tăng
Ф
(2-14-1)
0 a
Fe (A)
b= c= a=
N
Fe (100%)
82.35Fe Nd/B=2
%Nd %B %Fe
Hình 1.17. Giản đồ pha 3 nguyên (Fe-Nd-B):
(a) Nồng độ của các nguyên tố được biểu diễn bằng hình tam giác Fe:Nd:B =
a:b:c trong đó a+b+c = 100. Thành phần hợp kim nằm trên tia A-F thay đổi,
khi xa điểm A, Fe giảm dần, Nd và B tăng dần nhưng tỷ lệ Nd/B không đổi, thí
dụ nếu tại điểm 0 độ dài b/c = 2 thì mọi điển trên AF có thành phần sao cho
tỷ lệ Nd/B=2.
(b) Một phần mặt cắt thẳng đứng của giản đồ 3 nguyên Fe-Nd-B có thành
phần theo đường AF với tỷ lệ Nd/B=2. Pha (Nd2Fe14B1, 2-14-1) tương ứng
với thành phần Fe 85.35% nguyên tử. Nếu chọn thành phần giữa điểm 1 và 2,
khi nhiệt độ xuống qua đường lỏng, pha đầu tiên xuất hiện là pha Fe (từ mềm,
không mong muốn). Nếu thành phần hai bên phải điểm 2, pha đầu tiên là pha
 (2-14-1), tuy nhiên hàm lượng Fe nhỏ hơn 82,35%, nên lượng pha ít. Vì
vậy cần chọn thành phần bên trái điểm 2 (giữa điểm 1 và 2). Dưới 11800
C. L
=> L+.

37
Theo giản đồ hình 1.17, các phản ứng tạo pha xảy ra nhƣ sau:
+ Thành phần “1” (bên trái điểm peritecti hoặc gọi là trƣớc peritecti) sẽ
tạo ra hỗn hợp pha Fe + theo sơ đồ: tại nhiệt độ dƣới đƣờng lỏng đến a: L
=> L’ + Fe, từ nhiệt độ a: L2 + Fe =>Fe + (từ nhiệt độ a tới nhiệt độ phòng
xảy ra chuyển pha - Fe => - Fe (~9000
C) và chuyển pha từ trong-
Fe:PM=>FM ~7680
C.
Thành phần “1” (điểm “peritecti”) tại dải nhiệt độ 1-a:L=L2+Fe tại a
(11800
C): phản ứng kiểu peritecti: L2 + Fe =>. Phản ứng này tạo ra pha
mong muốn (từ cứng), song điều đó chỉ xảy ra khi hợp kim đƣợc làm nguội lý
tƣởng, gần cân bằng. Trong thực tế pha Fe bao giờ cũng còn dƣ lại và sản phẩm
cuối là hỗn hợp Fe (từ mềm) + (từ cứng). Hỗn hợp này không mong muốn.
- Thành phần “1” (sau peritecti): tại đƣờng 1+
- a: L =>L’ + Fe, tại a
(11800
C): Fe + L2 => L +, tại b (11150
C): L3 +=> L+ +, tại c (6550
):
Lx + + => + + Nd.
Thành phần 1+
không chứa Fe (từ mềm) nhƣng lại chứa 2 pha từ yếu là
 (thí dụ nhƣ Nd11Fe4B4 – pha nghèo sắt) và Nd (Nd hoặc pha giàu Nd). Tuy
nhiên số lƣợng hai pha này không nhiều so với pha từ cứng nếu chọn thành
phần gần điểm 1 (pha) (theo quy tắc tay đòn).
Tóm lại để có cấu trúc vi mô mong muốn, cần chọn thành phần hợp
kim trong phạm vi từ điểm 1 tới điểm 2. Sơ đồ cấu trúc vi mô đƣợc trình bày
trên hình 1.16. Giản đồ pha nhƣ vừa nêu trên còn xa đối với thực tế vì rằng
trong quá trình nấu luyện NdFeB có sự thay đổi thành phần do oxy hóa Nd và
nhiều lý do khác. Tốc độ nguội của hợp kim, quá trình tôi, ủ già hóa thƣờng
đƣợc thể hiện để nhận đƣợc các tính chất tối ƣu và các quá trình nhiệt làm
thay đổi đáng kể thành phần pha của sản phẩm. Các nghiên cứu cho biết thành
phần pha trong hợp kim NdFeB bao gồm pha nền (Nd2Fe14B1), pha giàu Nd,

38
nghèo Fe phân bố trên biên giới hạt và các pha khác giàu B phân bổ trên biên
hạt hay bên trong hạt. Thành phần các pha này rất phụ thuộc vào công nghệ ủ
nhiệt sau khi nấu luyện hợp kim.
Hình 1.18. (a) Hợp kim thành phần 1+
(xem Hinh.1.17):
L=>L’+Fe=>L’’++=>+=>+Nd (: pha giàu B, Nd (chỉ pha giàu Nd).
Theo trình tự này, Fe kết tinh trước nhưng sau đó tham gia phản ứng
peritecti tạo pha và pha Fe biến mất. Như vậy pha quan trọng là sinh
ra trước các pha+Nd. Hai pha này phân bố trên biên hạt của pha. Đây
là cấu trúc mong muốn. (b) Thành phần 1: Trong trường hợp lý tưởng.
L+Fe=> (không mong muốn vì chỉ có 1 pha). Nhưng thực ra, do tốc độ
nguội không thể quá chậm để đảm bảo trạng thái cân bằng nên
L+Fe=>+Fe (dư). Pha sinh ra bao bọc các hạt Fe dư cấu trúc này cũng
không mong muốn vì Fe là pha tử mềm.
1.2.5. Lực kháng từ iHC và tích năng lƣợng (BH)max
Nhƣ đã biết, ngoài cảm ứng từ dƣ, hai đại lƣợng đặc trƣng quan trọng
khác của một nam châm vĩnh cửu là lực kháng từ lực và tích năng lƣợng từ
(BH)max.. Có thể nhận thấy ngay rằng.

39
Hình 1.19. Giá trị đo lực kháng từ jHc của các mẫu nam châm kết
dính Nd-Fe-B có khối lượng riêng khác nhau.
Hình 1.20. Sự phụ thuộc (BH) lnax(p) của nam châm kết dính Nd-Fe-
B. Kết quả thực nghiệm ( •); đường làm trùng (—).
Do tính phân lập của các hạt sắt từ trên nền chất kết dính phi từ nên lực
kháng từ 1HC của nam châm chính bằng lực kháng từ 1HC của từng hạt sắt từ.

40
Kết quả thực nghiệm đo lực kháng từ 1HC trên các mẫu nam châm kết dính có
các khối lƣợng riêng khác nhau sử dụng từ kế mẫu rung trình bày trên hình
1.19 xác nhận điều này.
Giá trị thực nghiêm của lực kháng từ 1HC khoảng 704 kA/m (8.8 kOe)
hầu nhƣ không phụ thuộc vào khối lƣợng riêng của mẫu. Giá trị này là lực
kháng từ trung bình của các hạt và, nhƣ sẽ bàn luận ở dƣới, phụ thuộc chủ
yếu vào cấu trúc vi mô của các hạt từ sau quá trình tái kết tinh của các hạt bột
nguội nhanh.
Một trong những đặc trƣng tiêu biểu của nam châm pha đất hiếm là độ
tuyến tính cao của đƣờng khử từ B(H-
). Do vậy, dễ hiểu rằng từ tính tuyến
tính của Br(p) và tính không đổi của 1HC (p) có thể suy ra tính tuyến tính của
sự phụ thuộc giữa tích năng lƣợng (BH)max và khối lƣợng riêng p. Suy luận
này cho ta cơ sở chắc chắn để dùng hàm tuyến tính làm trùng kết quả thực
nghiệm để đánh giá định lƣợng sự phụ thuộc (BH)max(p).
Hình 1.19 trình bày kết quả xác định đại lƣợng (BH)max của các mẫu
nam châm kết dính Nd-Fe-B.
Trong trƣờng hợp các mẫu có khối lƣợng riêng trong khoảng 4+6 g/cm3,
đƣợc nạp từ với từ trƣờng nạp Hz= 2 T biểu thức định lƣợng xác định mối
quan hệ giữa tích năng lƣợng (BH)max và khối lƣợng riêng p(g/cm3) có dạng
nhƣ sau:
(BH)max=2.p-3,56

41
CHƢƠNG 2
Công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây
chuyền bán công nghiệp
2.1. Mô tả công nghệ chế tạo nam châm trên dây chuyền bán công
nghiệp.

Sơ đồtổng thể chế tạo nam châm đất hiếm.
NẤU
HỢP
KIM
→ NGHỀN →
ÉP
TRONG
TỪ
TRƢỜNG
→
ÉP
THỦY
TĨNH
→
THIÊU
KẾT
Công đoạn đầu tiên là nấu luyện kim loại và tạo phôi (igot). Tiếp theo là
công đoạn nghiền hạt mịn, sau đó ép thành hình và tạo mật độ cao. Công đoạn
cuối cùng là xử lý nhiệt, tất cả các công đoạn trên đều đƣợc thực hiện trong môi
trƣờng bảo vệ chân không cao, trong khí Ar khí Nitơ để tránh oxy hóa.
Các công nghệ chính trong công nghệ chế tạo các loại nam châm đƣợc
mô tả trong sơ đồ bên dƣới, các nam châm NdFeB có thể bao gồm 4 loại có
công nghệ chế tao và tính chất từ khác nhau.
Nam châm mạnh nhất là nam châm thiêu kết dị hƣớng có mật độ cao
và chế tạo theo công nghệ gốm. Nam châm NdFeB cán nóng cũng có mật độ
cao và là nam châm dị hƣớng tuy tính chất của loại này không bằng nam
châm thiêu kết. Hai loại khác gần với nam châm kết dính đƣợc chế tạo từ bột
ép nóng hoặc cán nóng hoặc ép bột với chất kết dính. Loại này có năng lƣợng
nam châm thấp trong số nam châm sản xuất từ NdFeB.
2.2. Nấu luyện kim loại

42
Hợp kim NdFeB đƣợc nấu trong lò có tần số và độ chân không cao
trong khí Ar. Lƣợng oxy dƣới 500pmm.
Sơ đồ cấu tạo lò nấu hợp kim kết tinh dị hƣớng
7
3
~ 5
HF
8 6 4
1 2
9
1
Thiết bị nấu hợp kim và kết tinh dị hƣớng trong chân không.

Cấu tạo: 1- Buồng chân không. 2- Khuôn làm lạnh. 3- Bộ phận tạo
nhiệt độ cao. 4- Mũi nhọn để đập vỡ. 5- Vòng cảm ứng cao tần. 6- Thanh đập.
7- Cần quay điều khiển. 8- Đường nước vào bên trong buồng chân không qua

bơm. 9- Đường nước sau khi làm mát đi ra qua bơm bên phải.

Nguyên lý làm việc:

Bƣớc 1 + Cho hợp kim vào trong nồi nấu.
Bƣớc 2 + Đóng cửa buồng chân không. Hút không khí và nạp Ar. Bƣớc 3
+ Vận hành máy bơm nƣớc đƣa nƣớc vào qua đƣờng số 8, đồng
thời vận hành máy bơm bên phải, hút nƣớc ra qua đƣờng số 9.
Bƣớc 4 + Bật lò nung cao tần, hợp kim trong lò nóng dần và háo lỏng.
Bƣớc 5 + Sử dụng tay quay số 7 để xoay thanh đập. Mũi nhọn số 4 sẽ
vỡ, hợp kim nóng chảy sẽ chảy vào khuôn kết tinh dị hƣớng theo chiều vuông
góc với thành khuôn.

43
Bƣớc 6 + Sau khoảng thời gian 1/6 giờ lấy mẫu hợp kim và bảo quản hoặc
tiến hành nghiền.
Hình2.1 Lò nấu hợp kim
Chân không cần đạt tới mức tối thiểu (10-3
)Pa tƣơng đƣơng với 10-5
mmHg, nhờ hệ bơm cơ học và khuếch tán các thanh Fe đặt dƣới đáy nồi sau
đó là thanh FeB (phero)và trên cùng là cục Nd. Gia nhiệt các kim loại trong lò
nấu đặt trong buồng chân không, trong khi đó tiếp tục hút khí thải ra khi kim
loại đƣợc nung nóng xả khí Ar vào buồng chân không ngay trƣớc khi kim
loại trong buồng nóng chảy. Sau khi nóng chảy và hợp kim hóa hợp kim nóng
chảy đƣợc rót vào khuôn và đƣợc làm lạnh bằng nƣớc nhờ làm lạnh từ một
phía các tinh thể kết tinh định hƣớng. Đây là yêu cầu quan trọng để chế tạo
nam châm dị hƣớng. Khi nhiệt độ hợp kim xƣớng dƣới 1500
C có thể mở

44
buồng chân không để lấy mẫu ra. Phôi đƣợc chế tạo trên có độ dày 10-
20(mm) tƣơng đối giòn và dễ dàng nghiền nhỏ. Trong công nghiệp nấu mỗi
mẻ có khối lƣợng khoảng 20-100kg. Trong một số trƣờng hợp sau khi nấu
phôi đƣợc xử lý nhiệt tại nhiệt độ 10000
C trong nhiều giờ nguyên liệu đƣa
vào là Fe-Nd và Bo- FeB(fero).
Với chất bảo vệ bề mặt để chống oxy hóa khi đƣợc thực hiện các công
đoạn tiếp theo.
Hình2.2: Quá trình nấu hợp kim NdFeB trong lò
Kết thúc quá trình nấu nhƣ vậy ta thu đƣợc hợp kim NdFeB làm
nguyên liệu để sản sản xuất nam châm dị hƣớng.Vì quá trình nấu chúng ta đã
định hƣớng đƣợc cho các tinh thể kết tinh định hƣớng. Khi nhiệt độ của hợp
kim xuống dƣới C có thể mở buồng chân không lấy mẫu ra, và dƣới đây
là hình ảnh của hợp kim NdFeB sau khi đƣợc nấu.

45

Hình vẽ minh họa sản phẩm của khuôn đúc đạt yêu cầu và
không đạt yêu cầu.

H 2 O
Hình2.3. a Hình2.3. b
Hình a: Khuôn đúc to, hợp kim lỏng đông cứng tự nhiên trong môi trƣờng
không khí, vùng ở trong lõi xa thành khuôn có tốc độ nguội chậm, vì thế quá
trình kết tinh xảy ra chậm, các hạt tinh thể vẫn có cấu trúc đẳng hƣớng.
Hình b : Khuôn đúc nhỏ đƣợc làm mát bằng nƣớc xung quanh khuôn nên
nguội nhanh hợp kim đông cứng nhanh và kết tinh dị hƣớng dài vuông góc
với thành khuôn.

Sơ đồ cấu tạo và yêu cầu của khuôn đúc hợp kim.


46
2
H2 O 1
4
3
5
Sơ đồ khuôn đúc dị hƣớng tinh thể trong chân không

Cấu tạo. 1- Máy bơm nước vào áp lực cao. 2- Khuôn đúc 2 lớp bằng
vật liệu có độ nóng chảy cao hơn hợp kim cần đúc. 3- Hệ thống các
vách ngăn tạo dòng chảy cho nước làm mát. 4- Hợp kim ở nhiệt độ
kết tinh vuông góc với thành khuôn. 5- Buồng chân không.

Hình2.4 Hợp kim NdFeB sau khi nấu

47
2.3. Công nghệ nghiền sơ bộ trong từ trƣờng.
2.3.1. Giới thiệu về hệ thống nghiền ba cấp.

Sơ đồ máy nghiền hợp kim ba cấp.

1
7
b
b
2 b 5
6
c
a 4
b
3
c
Hình ảnh sơ đồ máy nghiền bột NdFeB ba cấp

Cấu tạo: (1- Máy nghiền thô.2- Máy nghiền trung gian,nghiền

đĩa.3- Máy nghiền tinh. 4- Hệ thống chân không và điều khiển. 5- Bình
chứa khí Ar. 6- Cơ cấu bánh xe dịch chuyển. 7- Cầu thang.)

Nguyên lý làm việc:

Bƣớc 1 + Mang hợp kim vừa đúc đƣợc ở giai đoạn trên bỏ vào máng
trên cùng của máy số tiến hành nghiền đập thô.
Bƣớc 2 + Tịnh tiến máy nghiền trung gian sang bên trái phía gầm máy
nghiền thô. Tiến hành tháo túi, thu bột nghiền thô thả vào cửa máy nghiền
trung gian rồi đậy chặt nắp cửa lại.
Bƣớc 3 + Tiến hành hút chân không qua thao tác ở cơ cấu điều khiển số
4( thời gian hút và áp suất hút phù hợp chú ý quan sát đồng hồ phía trên máy).
Bƣớc 4 + Nạp khí Ar từ bình chứa số 5 vào buồng nghiền. Thao tác này
chú ý áp suất khí Ar trong buồng nghiền qua đồng hồ và túi nilon hứng bột

48
bên dƣới gầm máy ở cửa ra, quan sát độ phồng của túi.
Bƣớc 5 + Tiến hành nghiền trung gian, kết thúc quá trình nghiền ta thu
bột trong điều kiện bảo quản.
Bƣớc 6 + Tiến hành nghiền tinh ở máy số 3. Thao tác này thực hiện
nhƣ ở các bƣớc 3-4-5 nhƣng chặt chẽ hơn ở khâu hút không khí và nạp Ar và
bảo quản tránh bột nghiền bị cháy do oxy hóa với không khí.
2.3.2. Công đoạn nghiền thô
Hình 2.5. Máy nghiền đập cơ học (nghiền thô)

Cấu tạo: 1-Máy nghiền chính. 2- Máng chứa vật liệu cần nghiền. 3-
Túi nilon đựng bột sau khi nghiền.


Thao tác :

+ Bật công tắc điện cho máy hoạt động.
+ Cho vật liệu vào máng số 2, chú ý lƣợng vật liệu phải vừa đủ để cho

49
máy hoạt động đƣợc liên tục.
+ Bột rơi xuống túi nilon số 3.
+ Kết thúc quá trình nghiền, tháo túi để lấy bột.
- Chú ý: Do kích thước hạt sau khi nghiền không quá nhỏ nên không
cần thực hiện nghiền trong chân không hoặc khí trơ.
2.3.3. Công đoạn nghiền trung gian
- Nghiền trung gian là khâu khá quan trọng trong việc chế tạo bột nam
châm NdFeB. Quá trình nghiền thƣờng đƣợc thực hiện trên máy nghiền đĩa.
+ Máy nghiền đĩa về bề ngoài không khác những máy nghiền thông
thƣờng lắm. mà chỉ khác ở những thiết bị nghiền bên trong.
+ Bên trong là đĩa nghiền đƣợc quay với tốc độ khá lớn.
+ Đĩa tham gia quá trình nghiền đƣợc áp sát nhau, khoảng cách sát nhƣ
thế nào tùy thuộc yêu cầu vào kích thƣớc hạt sản phẩm sau khi nghiền.
+ Đĩa nghiền có thể là một đĩa tĩnh và một đĩa động. Đĩa động quay
tròn áp sát đĩa tĩnh. Và cũng có thể là cả hai đĩa cùng quay nhƣng chúng quay
ngƣợc chiều nhau.
Hình 2.6. Máy nghiền đĩa dùng cho nghiền trung gian
- Nghiền trung gian, kích thƣớc hạt đầu vào khoảng 25mm, đầu ra cỡ

50
0,35mm. Sử dụng máy nghiền đĩa, nghiền bi, nghiền rung hoặc phƣơng pháp
HĐ ( phƣơng pháp nổ Hydro)
Hình 2.7. Máy nghiền trung gian.

Cấu tao: a, là cửa cho bột đã qua nghiền thô vào. b, đường đi của
bột và túi đựng.



Thao tác:

+ Mở nắp buồng đổ bột đã qua nghiền thô vào rồi đậy nắp chặt.
+ Buộc chặt túi nilon bên dƣới ở cửa ra của máy.
+ Hút chân không trong thời gian khoảng 30s, nạp khí Ar cho túi chứa
bột hơi phồng lên (nên thực hiện thao tác này 3 lần để chắc túi chứa đƣợc đầy
khí Ar).

51
+ Bắt đầu nghiền bột, bột mịn bắt đầu rơi xuống túi đựng.
+ Trong quá trình nghiền có thể bổ sung khí Ar khi thấy túi xẹp xuống.
+ Kết thúc quá trình nghiền khi bột đã rơi hết xuống túi chứa rồi thực
hiện hút chân không một vài giây.
+ Khéo xoắn túi lại và tháo ra khỏi máy nghiền đĩa.
2.3.4. Công đoạn nghiền tinh.

Sơ đồ và nguyên lý làm việc của máy nghiền tinh.

1 - Cöa cho
bét vµo
A-VÞ trÝ
lµm viÖc
N-íc
Ar
Ch©n kh«ng
2 - Cöa lÊy bét ra
3 - T¸ch tói bét
khái m¸y nghiÒn

Cấu tạo. Được chú thích cụ thể trên sơ đồ.



Nguyên lý làm việc.

+ Đặt máy vào vị trí làm việc
+ Hút chân không trong 5 phút, tới khi các đồng hồ chỉ -1atm
+ Nạp khí Ar tới khi đồng hồ áp suất báo +1,2atm.
+ Mở cửa nắp số 1 cho, do Ar nặng hơn không khí nên buồng nghiền
vẫn chứa đầy Ar.
+ Mở túi bột đã qua nghiền trung gian vào trong máy nghiền. Sau đó
đóng thật chặt nắp số 1.

52
+ Lại tiếp tục hút chân không và nạp Ar nhƣ lần trƣớc.
+ Cho máy nghiền hoạt động trong khoảng thời gian 2-4 tiếng.
+ Kết thúc nghiền ta cho máy hoạt động rung để bột rơi hết xuống túi
nilon đƣợc hứng ở cửa ra của máy.
+ Nạp Ar cho túi, 2 tới 3 lần tới khi túi phồng đều nhờ Ar. Khi bột hoàn
toàn nằm trong túi, tiến hành tháo túi.
+ Trƣớc khi tháo túi, hút chân không cho túi hơi xẹp lại và bắt đầu
xoắn túi nhƣ hình bên để khi tháo túi ra khỏi cửa máy thì bột vẫn đƣợc bảo
quản trong khí Ar bên trong túi.
- Nghiền tinh là công đoạn vô cùng quan trọng và cần thiết. Công đoạn
này ngƣời ta thƣờng tiến hành trên máy nghiền bi.
- Sau khi nghiền trung gian bằng máy nghiền đĩa ta tiến hành nghiền
tinh bằng máy nghiến bi theo phƣơng pháp nghiền cơ năng lƣợng cao để đƣa
các hạt về kích thƣớc nano. Máy nghiền cơ năng lƣợng cao đƣợc sử dụng để
chế tạo các mẫu hợp kim.Cối và bi nghiền đƣợc làm bằng thép tôi cứng
không rỉ. Cối đƣợc đậy kín bằng nắp có gioong cao su bảo vệ.
- Mẫu nghiền đựng trong cối và đƣợc nghiền bởi nhiều bi nghiền có
kích thƣớc khác nhau để tăng hiệu quả nghiền. Cối và bi thƣờng đƣợc làm từ
cùng một loại vật liệu. Máy có thể nghiền những mẫu cứng nặng khoảng 10g.
a) b)
Hình 2.8.Máy nghiền cơ (a), cối và bi nghiền (b)

53

Nguyên tắc hoạt động

- Khi làm việc cối đƣợc lắc đi lắc lại nhiều lần và đạt khoảng vài
nghìn lần/phút. Các viên bi chuyển động, đập vào nhau và vào thành cối để
nghiền mẫu khối thành dạng bột mịn. Với cấu tạo hai kẹp, máy không chỉ cho
phép tăng gấp đôi mẫu đƣợc nghiền trong cùng một khoảng thời gian, mà còn
giúp chuyển động cân bằng hơn, đồng thời giảm sự rung và kéo dài tuổi thọ
của máy. Máy có gắn một bảng điện tử có thể điều khiển và xác định thời gian
nghiền.
- Ngoài ra, máy còn có một quạt bảo vệ động cơ và giữ máy mát trong
suốt thời gian sử dụng. Khi nghiền nên tiến hành nghiền vài lần, mỗi lần 1h
trong dung môi là cồn hoặc xăng trắng công nghiệp để giảm thiểu sự ôxy hóa
do mẫu bị nóng lên.
- Nghiền tinh kích thƣớc hạt đầu vào cỡ 0,35mm, đầu ra khoảng 4-
10µm. Sử dụng máy nghiền bi, nghiền rung. Các phƣơng pháp nghiền khác
nhƣ nghiền bi năng lƣợng cao cũng đƣợc sử dụng (nghiền bi quay đƣợc coi
là tốt, sử dụng 3 tới 4 loại bi. 40%-50% khối lƣợng bi trong buồng nghiền .
hạt có kích thƣớc 4-6µm phải đạt trên 80%. Hạt nhỏ dƣới 1mm không mong
muốn nghiền rung, nghiền bi năng lƣợng cao thƣờng tạo ra sự thăng giáng
lớn trong phân bố hạt). Thời gian nghiền là 1 yếu tố công nghệ, thời gian
không nên quá dài dễ gây biến dạng mạng, ô mạng.
- Do các hạt mịn có diện tích bề mặt riêng rất lớn diện tích tiếp xúc
không khí lớn. Vì vậy, quá trình nghiền đƣợc thực hiện liên hoàn trong khí trơ
và Nitơ nghiền thô. Trong trƣờng hợp chân không kém, khí bảo vệ kém hoặc
sơ suất trong quá trình sản xuất bột NdFeB dễ dàng cháy trong không khí

54
Hình2.9.A Hình2.9.B
Hình A: Là bột sau khi nghiền đƣợc thu lại trong túi nilon chứa khí Ar
Hình B: Là bột đƣa ra ngoài tự do không có sự bảo quản của khí Ar nên bị
cháy - Nếu không cháy thì chất lƣợng nam châm cũng rất kém.
Một cách nghiền khác gọi là nghiền ƣớt, bột cùng bi đƣợc nghiền trong
môi trƣờng xăng máy bay hoặc toluen, phƣơng pháp này ít đƣợc áp dụng vì
sản xuất trên quy mô nhỏ. Bột sau khi nghiền khô đƣợc trộn với chất bảo vệ
để chống oxy hóa và thực hiện các công đoạn tiếp theo.
2.4. Công nghệ ép
2.4.1. Công đoạn ép định hình tạo mẫu trong từ trường

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy ép trong từ trƣờng.


55
7
5
6

Cấu tạo:
2 3 9
4
1 12 5
5 6 3
6
10
11
1- Khuôn ép chứa bột. 2- Chầy ép. 3- Đế. 4- Nam châm điện tạo từ
trường theo phương ngang. 5- Buồng công tác. 6- Cửa thao tác. 7-
bình chứa Nitơ. 8-9- Đường ống dẫn khí vào và ra khỏi buồng công
tác. 10- Bơm dầu. 11- Tủ điều khiển. 12- Nút khởi động quá trình nạp
từ và khử từ.

Nguyên tắc hoạt động:

Bƣớc 1: + Xả khí Ar vào buồng công tác bằng cách mở van trên bình
khí. Với áp suất khí trong bình lớn, dòng khí sẽ chạy vào qua đƣờng ống và
đuổi lƣợng không khí trong buồng công tác ra. Thao tác này chúng ta nên
thực hiện trong vài phút để đảm bảo lƣợng Ar chiếm toàn bộ thể tích trong
buồng công tác.
Bƣớc 2: + Cho bột cần ép vào khuôn và đặt khuôn đã chứa bột vào đúng
vị trí ép nhƣ thiết kế là nằm giữa hai cực của nam châm. Khối lƣợng bột

56
cần tính toán thật kỹ sao cho thỏa mãn 7.5g/ , thao tác này đƣợc thực hiện
trong buồng thao tác.
Bƣớc 3: + Tiến hành bơm dầu từ hệ thống 11 và bơm 10.
Bƣớc 4: + Vận hành máy, tiến hành quá trình ép, nạp từ, khử từ.
Bƣớc 5: + Tháo mẫu ép qua buồng công tác và tiến hành bọc mẫu ép
trong nilon.
- Mục đích của việc ép trong từ trƣờng là chúng ta muốn định hình
đƣợc hình dạng và kích thƣớc của nam châm cũng nhƣ tính dị hƣớng từ.
- Bột sau khi nghiền đƣợc ép đẳng tĩnh định hình và tạo mật độ cao
trƣớc khi xử lý nhiệt. Đối với nam châm dị hƣớng công nghệ ép đƣợc thực
hiện trong từ trƣờng, khi đó từ trƣờng H sẽ định hƣớng các hạt tinh thể (đã
đƣợc kết tinh định hình khi tạo phôi).
Nhƣ vậy ép trong từ trƣờng và kết tinh định hƣớng khi tạo phôi liên hệ
mật thiết với nhau.
-Theo sơ đồ này thì từ trƣờng vectơ H và lực F (lực ép xuống) vuông
góc nhau (Từ trƣờng nằm theo phƣơng ngang) cũng có thể bị sử dụng từ
trƣờng dọc trong đó lực F// vectơ H. Có 2 cách ép bột NdFeB, ép 2 lần và ép
1 lần.
Trong công nghệ ép 2 lần (có sơ đồ kèm theo) :
+ Ép lần đầu ép sơ bộ thực hiện trong trƣờng hợp từ trƣờng H≥1,5 (T)
áp lực ép vừa phải D=0,1÷0,3T/cm2
. Tốc độ ép cũng vừa phải không quá
nhanh để cho các hạt bột kịp định hƣớng theo từ trƣờng H. Quá trình ép thực
hiện trong khí Nitơ. Nhƣ vậy ép sơ bộ tạo thành hình dạng cho sản phẩm
đồng thời định hƣớng các hạt bột theo từ trƣờng đúng hơn là trục dễ của hạt
tinh thể song song với từ trƣờng tạo tiền đề cho nam châm định hƣớng. Sau
khi ép sơ bộ trong từ trƣờng, nam châm đã đƣợc định hình, tuy nhiên do lực
ép không đủ lớn, nên mật độ chƣa cao và chƣa đồng đều. Vì vậy mẫu cần

Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp.doc

Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp.doc

Similar to Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp.doc (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (18)

Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm đất hiếm thiêu kết trên dây truyền bán công nghiệp.doc