TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
NGUYỄN QUANG TIẾN
ẢNH HƯỞNG CỦA PHA TẠP Cr VÀ Ủ NHIỆT LÊN TÍNH CHẤT CỦA HỢP KIM
TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ÐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Hà Nội, 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ
ẢNH HƯỞNG CỦA PHA TẠP Cr VÀ Ủ NHIỆT LÊN TÍNH CHẤT CỦA HỢP KIM
TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ÐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Tiến
Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Dương
Mã số sinh viên: 145D1402110149
Khóa: 40
Hà Nội - 2018
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS. Nguyễn Văn Dương đã giúp
đỡ, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Huy Dân viện Khoa học Vật
liệu, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và ThS Nguyễn Mẫu Lâm đã
tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị cũng như giúp đỡ trong quá trình làm thực
nghiệm và hoàn thành khóa luận này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô giáo trong khoa Vật lý
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết để
thực hiện khóa luận này.
Tuy nhiên, đây là bước đầu làm quen với việc nghiên cứu khoa học nên đề tài
của tôi không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy,
cô giáo và các bạn sinh viên để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Nguyễn Quang Tiến
LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp: “Ảnh hưởng của pha tạp Cr và ủ nhiệt lên tính chất
của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo ThS. Nguyễn Văn Dương.
Khóa luận này không trùng với kết quả của các tác giả khác.
Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 05 năm 2018
Sinh viên
Nguyễn Quang Tiến
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỞ ÐẦU .................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2
5. Đóng góp của luận văn ....................................................................................... 2
6. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................ 2
NỘI DUNG .............................................................................................................. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B .......... 3
1.1. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B .......................... 3 1.1.1. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung điện Plasma (SPS) ................................. 3 1.1.2. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co72Zr8B20 ...................................... 5 1.1.3. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4)
chế tạo bằng phương pháp phun băng nguội nhanh ................................................. 7
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B có pha tạp ........ 10 1.2.1. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMxB2 (x = 0 - 2) M = C, Cu, Ga, Al và Si .................. 10 1.2.2. Hệ hợp kim Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (x = 0, 1, 2, 3 và 5) ....................................... 13 1.2.3. Hệ hợp kim Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4) .......................................................... 16 1.2.4. Hệ hợp kim Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) ............................................... 19 1.2.5. Hệ hợp kim Co80Zr18-xNbxB2 (x = 0 - 4) ......................................................... 23 1.2.6. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMoxB2 (x = 0 - 4) ........................................................ 27 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM ....................................................... 31
2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu ....................................................................... 31 2.1.1. Chế tạo các hợp kim khối nền Co-Zr-Si-B bằng hồ quang ............................ 31 2.1.2. Chế tạo băng hợp kim Co-Zr-Cr-B bằng phương pháp nguội nhanh ............ 32 2.2. Các phép đo nghiên cứu tính chất từ ............................................................. 34 2.2.1. Xử lí nhiệt ....................................................................................................... 34 2.2.2. Phép đo từ trễ ................................................................................................. 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................... 36
3.1. Tính chất của các băng hợp kim Co80Zr18-XCrxB2 (x=0-4) trước khi ủ nhiệt .................................................................................................................................. 36 3.2. Tính chất của các băng hợp kim Co80Zr18-XCrxB2 (x=0-4) sau khi ủ nhiệt 37 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 40 MỘT SỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 41
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu từ cứng (VLTC) đã được tìm thấy từ rất lâu. Trước công nguyên,
người Trung Quốc đã biết dùng những viên đá nam châm trong thiết bị la bàn. Nhưng phải đến thế kỷ XX, khi thép các bon và thép hợp kim Volfram được tìm ra
mới thay thế nam châm tự nhiên và trở thành vật liệu từ cứng đầu tiên. Ngày nay,
nam châm vĩnh cửu, sản phẩm ứng dụng của VLTC, được sử dụng rộng rãi trong
mọi lĩnh vực của cuộc sống: (i) trong các thiết bị dân dụng hàng ngày như động cơ
điện, máy phát điện cỡ nhỏ, khoá cửa, cửa tủ v.v... cho đến các thiết bị hiện đại trong các nhà máy như động cơ điện, máy phát điện cỡ lớn…; (ii) trong các lĩnh
vực kỹ thuật cao như tự động hoá, công nghệ thông tin, máy cộng hưởng từ; (iii)
đặc biệt là trong các thiết bị điện tử hiện đại như máy tính, máy ghi âm, ghi hình
v.v...
Vật liệu từ cứng nhân tạo đầu tiên có (BH)max 1 MGOe được chế tạo năm 1920. Từ đó hướng nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao biện pháp công nghệ và thay đổi hợp phần để tìm kiếm vật liệu mới có (BH)max cao được phát triển.
Năm 1988 Coehoorn và các cộng sự [18] ở phòng thí nghiệm Philip
Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới Nd-Fe-B có Br = 1,0 T, Hcj = 280 kA/m, (BH)max 12,4 MGOe. Kể từ đây vật liệu Nd-Fe-B dạng tổ hợp được đặc biệt chú ý nghiên cứu với các phòng thí nghiệm trên thế giới. Nhiều công trình nghiên cứu về vi cấu trúc, thành phần hợp phần, công nghệ chế tạo, v.v... trên đối
tượng vật liệu này đã được công bố và đã có những bước tiến vượt bậc trong
thương mại và mở rộng phạm vi ứng dụng [3, 5, 17, 23].
Tính chất từ của loại vật liệu này đã được nghiên cứu và đạt tới gần giá hạn
giới thuyết hơn nữa loại vật liệu này chứa các nguyên tố đất hiếm ngày càng cạn
kiệt trong tự nhiên đồng thời trữ lượng đất hiếm thì tập trung chủ yếu ở 1 số nước
(Trung Quốc chiếm trên 97%). Từ đó dẫn tới giá thành sản phẩm tăng cao khó chủ động trong việc nghiên cứu đối với loại vật liệu này gần đây một loại vật liệu từ cứng mới đang được quan tâm nghiêm cứu đó là hợp kim từ cứng nền Co-Zr, Co- Zr-B bởi chúng không chứa đất hiếm hơn nữa bằng cách pha thêm các nguyên tố như B, Si, Al, Ti... và thay đổi các điều kiện công nghệ như nhiệt độ, thời gian ủ... cũng ảnh hưởng mạnh lên tính chất từ của các băng hợp kim này.
1
Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của pha tạp
Cr và ủ nhiệt lên tính chất từ của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B”
2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tính chất từ của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B.
- Vật liệu từ cứng nền Co-Zr-B pha tạp Cr. - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo hợp kim Co-Zr-Cr-B trên lò hồ quang.
- Phun băng hợp kim Co-Zr-Cr-B trên hệ phun băng nguội nhanh.
- Đo các tính chất vật lý của hệ mẫu đã chế tạo. - Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim đã chế tạo.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Các mẫu nghiên cứu sẽ được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh.
- Tính chất từ sẽ được nghiên cứu bằng các phép đo từ độ.
- Tính chất từ được khảo sát bằng phép đo từ trễ trên hệ từ trường xung
PFM.
5. Đóng góp của đề tài
- Hoàn thành việc nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Cr và ủ nhiệt lên tính
chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B sẽ là cơ sở cho việc chế tạo vật liệu từ cứng
có lực kháng từ cao mà không chứa đất hiếm.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm ba chương:
Chương 1. Tổng quan về vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Co- Zr-B
Chương 2. Kỹ thuật thực nghiệm
Chương 3. Kết quả và thảo luận
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG KHÔNG CHỨA ĐẤT
HIẾM NỀN Co-Zr-B
1.1. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co-Zr-B không pha tạp
1.1.1. Hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp thiêu kết xung
điện Plasma (SPS)
Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ thiêu kết của nam châm Co-Zr-
B được thể hiện trong hình 1.1. Các nam châm Co-Zr-B được chế tạo theo phương
pháp thiêu kết xung điện plasma SPS (Spark Plasma Sintering) thể hiện lực kháng
từ cao hơn băng nguội nhanh Co-Zr-B. Tiếp xúc với nhiệt trong quá trình thiêu kết
dẫn đến sự gia tăng lực kháng từ như trong trường hợp ủ các băng nguội nhanh.
Với bất kỳ nồng độ B, lực kháng từ của nam châm Co-Zr-B đạt giá trị lớn nhất sau
khi thiêu kết ở 873 K và lực kháng từ đạt giá trị lớn nhất là 4,3 kOe với hợp kim
Co80Zr18B2.
Hình 1.1. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ ủ của hợp kim Co80Zr20-xBx [21].
Hình 1.2 là phổ nhiễu xạ tia X của mẫu hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4)
thiêu kết ở nhiệt độ 873 K. Các đỉnh nhiễu xạ của pha Co5Zr và Co23Zr6 đã được
tìm thấy trong hợp kim Co80Zr20, Co80Zr18B2 và Co80Zr18B4. Điều này cho thấy các
nam châm Co-Zr-B nung kết ở 873 K gồm các pha Co5Zr và Co23Zr6. Đánh giá về
các tỷ lệ tương ứng của các pha tinh thể trong các hợp kim Co-Zr-B là khá khó
3
khăn vì sự chồng chéo của các đỉnh nhiễu xạ. Để so sánh, mô hình nhiễu xạ tia X
của hợp kim khối Co80Zr18B2 đã được kiểm tra để xem xét sự liên kết tinh thể của
các pha Co5Zr. Các mẫu XRD của hợp kim khối Co80Zr18B2 hơi khác so với các
hợp kim Co80Zr18B2 bột, cho thấy sự liên kết tinh thể của các giai đoạn Co5Zr trong
hợp kim khối Co80Zr18B2 là đạt đến một mức độ nhất định. Tuy nhiên, sự liên kết
tinh thể là không quá quan trọng như mong đợi cho các nam châm đẳng hướng. Nó
là điều cần thiết để làm biến dạng nam châm Co80Zr18B2 để tạo ra một sự liên kết
tinh thể cao hơn của pha CoxZr (x = 5).
Hình 1.3. Đường cong từ trễ của của mẫu bột Co80Zr18B2 thiêu kết ở 873 K được ép song song và vuông góc [21].
Hình 1.2. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) thiêu kết ở nhiệt độ 873 K: (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2 và (c) Co80Zr16B4 [21].
Để kiểm tra tính dị hướng từ của hợp kim Co-Zr-B được chế tạo bởi phương
pháp SPS, các tính chất từ của hợp kim Co80Zr18B2 nung kết ở 873 K được đo theo
hướng ép song song và vuông góc. Các đường cong từ trễ được thể hiện trong hình
1.3. Các đường cong từ trễ tương ứng của hợp kim Co80Zr18B2 là khá khác nhau,
với một độ từ dư 6,4 kG đo theo hướng song song cao hơn so với độ từ dư 4,0 kG
đo theo hướng vuông góc. Như vậy, hợp kim Co80Zr18B2 thể hiện tính đẳng hướng
từ. Sự liên kết tinh thể của các pha Co5Zr trong hợp kim Co80Zr18B2 có thể là lý do
cho quan sát tính hướng từ. Tích năng lượng cực đại (BH)max là 6,0 MGOe đã đạt
4
được với hợp kim Co80Zr18B2 đo theo hướng song song. Giá trị tích năng lượng lý
2/4 (với Ir là giá trị từ dư) khi
tưởng (BH)max được tính bằng công thức (BH)max = Ir
giá trị lực kháng từ bằng hoặc cao hơn giá trị từ dư. Tuy nhiên, giá trị tích năng
lượng cực đại (BH)max của hợp kim Co80Zr18B2 là nhỏ hơn nhiều so với giá trị lý
tưởng của (BH)max, ước tính là 10,2 MGOe bằng cách sử dụng giá trị từ dư 6,4 kG.
Điều này một phần là do các lực kháng từ nhỏ và một phần do độ vuông của các
đường cong từ trễ. Như vậy, áp dụng phương pháp biến dạng nóng để cải thiện độ
vuông của các đường cong từ trễ trong hợp kim Co-Zr-B. Nó đã được báo cáo rằng
sự thay thế nhỏ của Nb hoặc Mo cho Zr trong băng nguội nhanh Co-Zr-B dẫn đến
cải thiện lực kháng từ [16, 25] và nâng cao giá trị tích năng lượng (BH)max của hợp
kim Co-Zr-B.
1.1.2. Hệ hợp kim Co72Zr8B20
Ảnh hưởng của ủ nhiệt lên tính chất từ của hợp kim Co72Zr8B20 đã được
Zhang và các cộng sự nghiên cứu [14]. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu băng hợp kim
Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 10 phút được
thể hiện trong hình 1.4. Hình 1.4a) cho thấy một đỉnh nhiễu xạ rộng, điều này chỉ ra
rằng mẫu băng hợp kim Co72Zr8B20 khi chưa ủ ở trạng thái vô định hình. Sau khi
băng hợp kim Co72Zr8B20 được ủ tại 495oC, vẫn là không có pha nào kết tinh (hình
1.4b). Khi nhiệt độ ủ (Ta) đạt 540oC, một đỉnh nhiễu xạ cao, rõ ràng đại diện cho
một số pha tinh thể xuất hiện (hình 1.4c). Sau khi mẫu được ủ tại 630oC, các pha
tinh thể Co, Zr và B12Zr được hình thành (hình 1.4d).
Hình 1.4. Phổ XRD của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ (a), khi ủ ở 495oC (b), 540oC (c), 630oC (d) trong 10 phút [14].
5
Hình 1.5 là các đường cong từ trễ của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở 495oC, 540oC và 630oC trong 10 phút. Như đã thấy từ hình 1.5, các mẫu băng khi
chưa ủ thể hiện tính từ mềm. Sau khi mẫu được ủ tại 495oC và 540oC các đường
cong từ trễ thay đổi chút ít, có thể do các mômen từ bắt đầu đổi chiều. Sau khi mẫu
băng Co72Zr8B20 được ủ tại 630oC trong 10 phút, hình dạng đường cong từ trễ thay
đổi mạnh. Lực kháng từ của mẫu băng tăng lên rất nhiều đó là do sự kết tinh của
mẫu.
Hình 1.5. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở 495oC, 540oC và 630oC trong 10 phút [14].
Lực kháng từ Hc của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở các nhiệt độ
khác nhau được thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Lực kháng từ Hc của mẫu băng Co72Zr8B20 trước và sau ủ nhiệt.
Mẫu thực nghiệm Hc (Oe)
Mẫu chưa ủ 2,27
Mẫu ủ ở 495oC trong 10 phút 5,13
Mẫu ủ ở 540oC trong 10 phút 11,45
Mẫu ủ ở 630oC trong 10 phút 925,27
6
Với nhiệt độ ủ tăng đi lên đáng kể, cho thấy sự suy giảm của tính chất từ
mềm. Khi nhiệt độ ủ đạt 630oC, lực kháng từ Hc đạt 925 Oe, gợi ý rằng mẫu trở nên
từ tính cứng.
1.1.3. Hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp phun băng
nguội nhanh
Vi cấu trúc của hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp
phun băng nguội nhanh đã được Tetsuji Saito và các cộng sự nghiên cứu [20].
Hình 1.7. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [20].
Hình 1.6. Đường cong khử từ của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4[20].
Hình 1.6 là các đường cong khử từ của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4).
Giá trị lực kháng từ thu được cho hợp kim Co80Zr20 là 2 kOe. Việc bổ sung một
lượng nhỏ của B cho hợp kim Co-Zr dẫn đến một sự gia tăng đáng kể của lực
kháng từ. Giá trị lực kháng từ cao nhất 5 kOe thu được với hợp kim Co80Zr18B2.
Hình 1.7 là phổ nhiễu xạ tia X của các băng hợp kim Co80Zr20-xBx. Các đỉnh nhiễu
xạ của các pha CoxZr và Co23Zr6 được tìm thấy trong phổ XRD của hợp kim
Co80Zr20. Các đỉnh nhiễu xạ của các pha CoxZr và Co23Zr6 cũng được tìm thấy
trong phổ XRD của các hợp kim Co80Zr18B2 và Co80Zr16B4. Tuy nhiên, cường độ
của các đỉnh nhiễu xạ của pha Co23Zr6 trở nên yếu hơn khi tăng hàm lượng B. Điều
7
này cho thấy sự thay thế một lượng nhỏ của B cho Zr trong hợp kim Co80Zr20 dẫn
đến sự hình thành của pha CoxZr.
Hình 1.8 cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron
Microscope) của các băng hợp kim Co80Zr20-xBx. Có thể quan sát thấy vi cấu trúc
của hợp kim Co80Zr20 gồm các hạt có đường kính khoảng 1 µm. Các kết quả trên
phổ XRD và từ nhiệt cũng cho thấy các hạt CoxZr. Hiển vi điện tử quét SEM cũng
thu được kết quả tương tự với các hợp kim Co80Zr18B2 và Co80Zr16B4.
Hình 1.8. Ảnh SEM của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [20].
Để làm rõ sự khác biệt giữa các mẫu vật, sự phân bố kích thước hạt và kích
thước hạt trung bình đo từ hiển vi SEM được trình bày trong hình 1.9.
Hình 1.9. Phân bố kích thước hạt và kích thước hạt trung bình (Dave) đo từ ảnh hiển vi SEM của các băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) [20].
Kết quả cho thấy, kích thước hạt trung bình của hợp kim Co80Zr18B2 là nhỏ
hơn nhiều so với các hợp kim khác. Đồng thời, sự phân bố kích thước hạt của hợp
kim Co80Zr18B2 là nhỏ nhất trong ba hợp kim trên. Điều này cho thấy sự thay thế
8
một lượng nhỏ của B cho Zr trong hợp kim Co80Zr20 có hiệu quả cao trong việc tạo
ra các hạt đồng nhất.
Nghiên cứu vi cấu trúc trong hợp kim Co80Zr18B2 hơn nữa được thực hiện
bởi phương pháp đo TEM. Mô hình nhiễu xạ vùng lựa chọn (SAD) và kết quả phân
tích các mẫu SAD được hiển thị trong hình 1.10. Các đỉnh nhiễu xạ được lập chỉ số
cho pha CoxZr. Mặc dù không có nhiệt độ Curie rõ ràng của pha Co23Zr6 được tìm
thấy trong các đường cong từ nhiệt của hợp kim Co80Zr18B2, nhưng ở đây đã tìm
thấy trong mẫu còn chứa một số pha Co23Zr6 cùng với các pha CoxZr và Co.
Hình 1.10. Mô hình SAD của băng Co80Zr18B2 [20].
Hình 1.11. là ảnh TEM trường sáng và trường tối của hợp kim Co80Zr18B2.
Các vòng tròn nhiễu xạ mạnh (hình 1.11a) hay các đốm trắng (hình 1.11b) là của
pha CoxZr. Các nghiên cứu TEM cho thấy đường kính các hạt CoxZr cỡ khoảng
200 nm.
Hình 1.11. Ảnh TEM của băng Co80Zr18B2: (a) trường sáng và (b) trường tối [20].
9
Nghiên cứu chi tiết vi cấu trúc được thực hiện bởi STEM. Hình 1.12 cho
thấy các hạt được bao quanh bởi các ranh giới hạt giàu Co. Các mẫu đã được tìm
thấy bao gồm chủ yếu của pha CoxZr cùng với một lượng nhỏ của các pha Co23Zr6
và Co. Như vậy, các hạt tương ứng với các pha CoxZr và các ranh giới hạt giàu Co
tương ứng với các pha Co. Sự tồn tại của số lượng nhỏ pha Co23Zr6 đã không được
phát hiện trong các nghiên cứu STEM, do sự khác biệt về thành phần giữa các pha
CoxZr và pha Co23Zr6. Các kết quả STEM của mẫu băng Co80Zr18B2 là một nam
châm nanocomposite trong đó các hạt pha từ cứng CoxZr có đường kính khoảng
200 nm, được bao quanh bởi các pha từ mềm Co.
Hình 1.12. Ảnh HAADF-STEM của băng hợp kim Co80Zr18B2 [20].
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của hệ hợp kim Co-Zr-B có pha tạp
1.2.1. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMxB2 (x = 0 - 2) M = C, Cu, Ga, Al và Si
Ảnh hưởng của sự bổ sung nguyên tố M (M = C, Cu, Ga, Al và Si) cho Zr
trong tính chất từ, phát triển pha và vi cấu trúc của băng hợp kim Co80Zr17M1B2
được nghiên cứu, tính chất từ của chúng được liệt kê trong bảng 1.2.
10
iHc, tích năng lượng (BH)max và TC của pha 5:1 của băng hợp kim Co80Zr17MB2 (M
Bảng 1.2. Độ từ hóa ở từ trường ứng dụng 12 kOe σ12 kOe, độ từ dư σr, lực kháng từ
M
σ12 koe (emu/g)
σr (emu/g)
iHe (koe)
(BH)max (MGOe)
Tc (oC)
Không pha
63
49
4,1
5,0
491
C
77
58
2,4
2,8
482
Cu
62
48
2,8
3,0
459
Ga
62
48
3,3
3,8
452
Al
63
48
3,5
41
450
Si
64
511
4,5
5,3
458
= C, Cu. GA, Al và Si) phun ở Vs = 40 m/s và đo ở 25oC.
Rõ ràng, tất cả nghiên cứu về băng Co80Zr17MB2 đều biểu thị đặc tính tốt của nam
châm vĩnh cửu. Đối với băng hợp kim tam nguyên Co80Zr18B2, tính chất từ đạt
được là σ12 kOe = 63 emu/g, σr = 49 emu/g, iHc = 4,1 kOe và (BH)max = 5,0 MGOe.
Tính chất từ của băng Co80Zr18B2 đã thay đổi khi thay thế các nguyên tố khác nhau.
Với sự thay thế của Cu, Ga và Al cho Zr, từ hóa ở từ trường 12 kOe, σ12 kOe và độ
từ dư σr giảm nhẹ tương ứng đến 62 - 63 emu/g và 48 emu/g và iHc đã giảm đến 2,8
- 3,5 kOe, kết quả là (BH)max giảm đến 3,0 - 4,1 MGOe. Điều đáng chú ý, khi thay
thế Si cho Zr có thể nâng cao σ12 kOe, σr, iHc và tích năng lượng từ cực đại (BH)max
của băng trên cùng một lúc. Tính chất từ của băng Co80Zr17Si1B2 đạt được là σr = 51
emu/g, Br = 5,2 kG, iHc = 4,5 kOe và (BH)max = 5,3 MGOe.
Hình 1.13 là phổ nhiễu xạ tia X của băng hợp kim Co80Zr17MB2. Kết quả
cho thấy, hai pha từ mềm fcc-Co và Co23Zr6 cùng tồn tại với pha cứng Co5Zr trong
băng hợp kim Co80Zr17M1B2 khi không có M và với M = Cu, Ga, Al và Si. Với M =
C, ngoài những pha trên, một pha yếu đã xuất hiện và bên cạnh đó, cường độ đỉnh
nhiễu xạ của pha fcc-Co và Co23Zr6 được tăng cường, gián tiếp làm tăng số lượng
của pha fcc-Co và Co23Zr6 với sự thay thế C. Mối quan hệ giữa Zr và C [4] có thể
tạo điều kiện cho sự hình thành của pha ZrC trong băng hợp kim Co80Zr17MB2 với
11
sự bổ sung C. Theo đó, σ12 kOe và σr được nâng cao, nhưng iHC lại giảm với sự thay
thế C.
Hình 1.13. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr17MB2 [10].
Hình 1.14. Ảnh TEM của mẫu băng (a) Co80Zr18B2, (b) Co80Zr17CB2, (c) Co80Zr17SiB2 và (d) Co80Zr18Si2B2[10].
Hình 1.14 (a), (b) và (c) là ảnh TEM tương ứng của băng hợp kim
Co80Zr18B2, Co80Zr17CB2 và Co80Zr17SiB2. Rõ ràng, sự thay thế của Si cho Zr là
hữu ích trong việc làm giảm kích thước hạt đến 10 - 30 nm, nhưng sự thay thế C
làm thô kích thước hạt tới 30 - 80 nm. Hơn nữa, một số kết tủa kích thước khoảng
10 - 15 nm xuất hiện trong băng hợp kim Co80Zr17CB2. Phân tích tia X phân tán
năng lượng (EDX), cho thấy rằng chúng là kết tủa của Co, phù hợp với phân tích
XRD như thể hiện trong hình 1.13.
Nguyên tố Si là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến sự cải thiện của lực
kháng từ và tích năng lượng của băng hợp kim Co80Zr18B2. Vì vậy, ảnh hưởng của
nồng độ Si đến tính chất từ của băng hợp kim Co80Zr18-xSixB2 cũng được nghiên
cứu chi tiết.
Hình 1.15 là đường cong khử từ của băng Co80Zr18-xSixB2, tính chất từ của
chúng được tóm tắt trong bảng 1.3. Với sự tăng nồng độ Si, σ12 kOe và σr tăng nhẹ từ
63 - 65 emu/g và 49 - 51 emu/g. Lực kháng từ iHC và tích năng lượng (BH)max tăng
tương ứng từ 4,1 kOe và 5,0 MGOe (với x = 0) đến 4,5 kOe và 5,3 MGOe với
12
x = 1, sau đó chúng giảm đến 3,1 kOe và 4,3 MGOe (với x = 2). Trong nghiên cứu
này, băng hợp kim Co80Zr17Si1B2 đạt được tính chất từ tối ưu là σr = 51 emu/g, Br =
5,2 kG, iHc = 4,5 kOe và (BH)max = 5,3 MGOe.
Bảng 1.3. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [10].
iHc (koe)
x σ12 koe (emu/g) (BH)max (MGOe) σr (emu/g)
0 63 49 4,1 5,0
0,5 63 49 4,3 5,1
1 64 51 4,5 5,3
1,5 65 50 3,6 4,7
2 65 48 3,1 4,3
Hình 1.16 là phổ nhiễu xạ tia X của băng hợp kim Co80Zr18-xSixB2. Kết quả
cho thấy, hai pha từ mềm là fcc-Co và Co23Zr6 cùng tồn tại với pha cứng Co5Zr
trong băng Co80Zr18-xSixB2. Hơn nữa, cường độ đỉnh nhiễu xạ của pha fcc-Co được
củng cố, cho thấy số lượng của pha fcc-Co tăng lên với sự tăng của nồng độ Si và
do đó σ12 kOe và σr tăng nhẹ. Mặt khác, kích thước hạt tăng lên khoảng 30 - 80 nm
với nồng độ Si là 2% như được chỉ trong hình 1.16 (d), dẫn đến tính chất từ giảm.
Hình 1.15. Đường cong khử từ của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [10].
Hình 1.16. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [10].
1.2.2. Hệ hợp kim Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (x = 0, 1, 2, 3 và 5)
Hình 1.17 là đường cong σ-H của băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2. Các băng đều thể
hiện tính chất từ cứng khi x = 0 - 2 nhưng lại thể hiện tính chất từ mềm khi thay thế
13
nồng độ Hf khoảng 3 - 5%. Sau khi xử lí nhiệt tối ưu, tính chất từ cứng của các
iHc = 128 - 216 kA/m và tích năng lượng cực đại (BH)max = 23,2 - 52,8 kJ/m3. Tính
băng ứng với x = 3 và 5 được thể hiện rõ rệt. Từ dư Br = 0,61 - 0,74 T, lực kháng từ
chất từ của băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 sau khi xử lí nhiệt tối ưu được tóm tắt trong
hình 1.18.
Hình 1.18. Tính chất từ của mẫu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 theo nồng độ Zr [11].
Hình 1.17. Đường từ trễ của mẫu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 khi chưa ủ và ủ ở 873 K [11].
iHc = 192 kA/m và (BH)max = 34,4 kJ/m3. Với x = 1, từ dư Br và lực kháng từ iHc
Đối với băng tam nguyên Co86,5Hf11,5B2 thu được tính chất từ Br = 0,71 T,
được cải thiện và đạt tới 0,74 T và 216 kA/m. Tuy nhiên, với nồng độ Hf tăng tới
5%, tính chất từ giảm nhẹ với Br = 0,61 T, iHc = 128 kA/m và (BH)max = 23,2 kJ/m3.
Trong nghiên cứu này, tính chất từ tối ưu với Br = 0,74 T, iHc = 216 kA/m và
(BH)max = 52,8 kJ/m3 đạt được với băng Co86,5Hf10,5Zr1B2 .
Hình 1.19 là phổ nhiễu xạ tia X của băng hợp kim Co86,5Hf11,5-xZrxB2. Kết
quả cho thấy, hai đỉnh nhiễu xạ tại 2θ = 38,2o và 44,6o được tìm thấy trong các mẫu
với x = 0 - 2 cho thấy sự tồn tại của các pha kết tinh. Với nồng độ Hf là 3%, mẫu
thể hiện tính chất vô định hình. Sau khi ủ ở 873 K, phổ nhiễu xạ cho hai mẫu với
14
x = 3 và 5 khá giống mẫu với x = 0 - 2, điều này ngụ ý cho sự kết tinh của pha từ
cứng trong quá trình ủ.
Hình 1.19. Phổ XRD của mẫu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 [11].
Hình 1.20 là ảnh từ kính hiển vi điện tử của mẫu băng Co86,5Hf11,5B2,
Co86,5Hf10,5Zr1B2 và Co86,5Hf8,5Zr3B2. Kết quả cho thấy, việc thay thế Zr cho Hf có
ích trong việc tinh chỉnh kích thước hạt của băng từ 10 - 35 nm với x = 0 đến 5 - 15
nm với x = 1. Tuy nhiên, ủ các băng với x = 3 dẫn đến sự tăng trưởng của các hạt
Co11(Hf,Zr)2 (10 – 40 nm). Ngoài ra, thành phần của các hạt cũng đã được phân
tích bởi phổ tán xạ năng lượng EDX cho thấy rằng tỉ lệ của Co, (Hf+Zr) tương ứng
là 83 - 87%, 13 - 17%. Kết quả này cũng hỗ trợ giả định pha từ cứng trong nghiên
(b),
cứu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 là Co11(Hf,Zr)2.
Hình 1.20. Ảnh TEM của mẫu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (a), Co86,5Hf11,5-xZrxB2
Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (c) sau khi kết tinh ở nhiệt độ tối ưu [11].
15
1.2.3. Hệ hợp kim Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4)
Hình 1.21 cho thấy độ từ dư σr, Hc và (BH)max của băng hợp kim
Co80Zr18Ti3B2 (x = 0, 1, 2, 3 và 4) phun ở tốc độ là 30 m/s. Kết quả cho thấy, tính
chất từ của các mẫu băng phụ thuộc nhiều vào nồng độ Ti. Các giá trị của lực
kháng từ Hc và tích năng lượng cực đại (BH)max của mẫu băng Co80Zr18-xTixB2 (x =
0, 1, 2, 3 và 4) tăng từ 3,0 kOe và 3,2 MGOe với x = 2 đến 4,5 kOe và 5,0 MGOe
với x = 3. Sau đó chúng giảm mạnh mẽ với sự gia tăng hơn nữa của nồng độ Ti.
Đối với việc bổ sung Ti, các giá trị từ dư σr và (BH)max đều được cải thiện đáng kể.
Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr15Ti3B2 cũng phụ thuộc mạnh vào tốc độ
làm nguội và điều kiện ủ. Hình 2.10 cho thấy tính chất từ của Co80Zr15Ti3B2 như
một hàm của tốc độ làm nguội (vs). Có thể thấy rằng các tính chất từ tối ưu của các
mẫu băng được phun ở tốc độ khác được đặc trưng bởi Hc và (BH)max khá thấp. Vì
vậy, các băng Co80Zr15Ti3B2 phun ở tốc độ 30 m/s và 40 m/s đã được lựa chọn để ủ
nhiệt.
Hình 1.22. Tính chất từ của mẫu băng
ở các tốc độ khác nhau [26].
Co80Zr15Ti3B2
Hình 1.21. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4) phun ở tốc độ 30 m/s [26].
Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào điều kiện ủ được thể hiện ở hình 1.23. Rõ
ràng là các băng phun ở tốc độ 30 m/s cho thấy một sự suy giảm ổn định của lực
16
kháng từ sau khi ủ nhiệt từ 600 đến 700oC chỉ trong vài phút. Mặc dù lực kháng từ
của băng phun ở tốc độ 40 m/s chỉ là 1,7 kOe, nhưng nó tăng mạnh đến 4,9 kOe sau
khi ủ ở 650oC trong 2 phút. Với sự gia tăng hơn nữa nhiệt độ ủ hoặc thời gian ủ, lực
kháng từ giảm mạnh. Đặc biệt, sau khi ủ ở 700oC trong 4 phút, lực kháng từ giảm
mạnh đến 1,3 kOe. Trên hình 1.22 là đường cong từ trễ của băng Co80Zr15Ti3B2
phun ở tốc độ 30 m/s khi chưa ủ và phun ở tốc độ 40 m/s sau đó ủ ở 650oC trong 2
phút. Có thể thấy rằng các đường cong từ trễ của băng tan Co80Zr15Ti3B2 là trơn
mượt và chỉ một pha từ cứng được thể hiện trong đường cong khử từ, trong khi
đường cong từ trễ của băng ủ cho giá trị từ độ thấp hơn mẫu băng chưa ủ.
Hình 1.23 là phổ nhiễu xạ tia X của băng Co80Zr15Ti3B2 phun ở tốc độ 40
m/s khi chưa ủ và ủ ở 650oC trong các thời gian khác nhau. Có thể thấy rằng, khi
chưa ủ trên phổ XRD của mẫu băng chỉ có một pha Co11Zr2. Sau khi mẫu băng ủ ở
650oC trong 2 phút, các pha từ mềm Co23Zr6 và pha fcc-Co xuất hiện. Với việc tăng
thời gian ủ, tỷ phần của pha từ mềm Co23Zr6 và fcc-Co tăng mạnh, trong khi tỷ
phần pha từ cứng Co11Zr2 giảm. Có vẻ như pha từ cứng Co11Zr2 bị phân hủy thành
các pha từ mềm Co23Zr6 và fcc-Co. Sự phân hủy này đã được khảo sát ở 800oC
trong cả hợp kim Co-Zr và Co-Zr-B [9, 15, 19]. Tuy nhiên, sự phân hủy trong băng
Co80Zr15Ti3B2 lại xảy ra ở nhiệt độ 650oC. Có vẻ như sự thay thế Ti cho Zr làm cho
các pha không bền hơn.
phun ở các tốc độ
băng Co80Zr15Ti3B2
Hình 1.23. Lực kháng từ của mẫu
Hình 1.24. Đường cong từ trễ của mẫu băng phun ở các tốc độ 30 m/s (a) và Co80Zr15Ti3B2 40 m/s ủ ở 650oC trong thời gian 2 phút (b) [26]
(a) 30 m/s và (b) 40 m/s theo thời gian ủ [26].
17
phun ở 40 m/s và ủ ở 650oC
trong các thời gian khác nhau [26].
Hình 1.25. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr15Ti3B2
Để điều tra sự thay thế của Ti cho Zr ảnh hưởng như thế nào đến vi cấu trúc
của hợp kim Co80Zr18B2, các ảnh hiển vi điện tử quét SEM của các băng
Co80Zr18-xTixB2 (x = 0, 3 và 4) được thể hiện trong hình 1.26 Các băng nứt gãy ở
những biên hạt, cho thấy cấu trúc hạt siêu nhỏ. Như được hiển thị trong hình
1.26a), băng hợp kim Co80Zr18B2 bao gồm những hạt hình cầu có đường kính dao
động từ 200 - 300 nm. Với sự gia tăng nồng độ Ti, kích thước hạt giảm đáng kể,
cho thấy rằng việc bổ sung để ngăn cản sự phát triển hạt trong băng hợp kim
Co80Zr18B2. Cũng cần lưu ý rằng tất cả các băng được nghiên cứu gồm các hạt gần
như hình cầu và không có thay đổi nhiều trong hình thái của các hạt. Pha Co11Zr2
đã được chứng minh là pha từ cứng trong hợp kim Co-Zr-B. Kể từ khi thay thế Ti
cho Zr đã được báo cáo thay đổi trường dị hướng nhỏ [2], một kích thước hạt phù
hợp trong pha từ cứng được cho là nguyên nhân chính cho sự gia tăng mạnh mẽ
của lực kháng từ. Sau khi xử lý nhiệt giữa 600 và 700oC, lực kháng từ của băng
Co80Zr15Ti3B2 được phun ở tốc độ 30 m/s giảm mạnh. Đó có thể là do sự xử lý
nhiệt thúc đẩy các hạt Co11Zr2 tăng vượt ra ngoài kích thước tới hạn của lực kháng
từ cao nhất. Tương tự, sự khác biệt về kích thước hạt xác định sự ảnh hưởng của
tốc độ làm nguội lên lực kháng từ. Vì kích thước hạt pha Co11Zr2 giảm dưới kích
thước tới hạn, lực kháng từ của băng Co80Zr15Ti3B2 làm nguội ở 40 m/s giảm. Sau
18
khi ủ ở 650oC trong 2 phút, lực kháng từ tăng mạnh đến 4,9 kOe. Đó có thể là do
các pha Co11Zr2 tăng đến kích thước hạt tối ưu.
Hình 1.26. Ảnh SEM của mẫu băng (a) Co80Zr18B2, (b) Co80Zr15Ti3B2 và (c) Co80Zr14Ti4B2 [26].
1.2.4. Hệ hợp kim Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4)
Hình 1.27 là phổ nhiễu xạ tia X của băng hợp kim Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2,
3 và 4). Các đỉnh nhiễu xạ của tất cả bốn mẫu chỉ duy nhất là pha Co11Zr2, phù hợp
với báo cáo của Ivanova và các cộng sự [8]. Ở hình 1.28, hiển thị đường cong từ
nhiệt của các mẫu. Với mỗi mẫu, trên đường cong từ nhiệt chỉ cho thấy một quá
trình chuyển đổi pha từ tương ứng với Tc của Co11Zr2. Điều này khẳng định, băng
Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) là đơn pha từ. Do đó sự bổ sung của Cr không
làm thay đổi thành phần pha của Co80Zr18B2.
Hình 1.28. Đường cong từ nhiệt của băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) [24].
Hình 1.27. Phổ XRD của mẫu băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) [24].
19
iHc của băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4). Với x = 0 thì σ20 = 65 emu/g, σr =
Hình 1.29 hiển thị từ độ ở từ trường 20 kOe σ20, từ độ dư σr và lực kháng từ
43,5 emu/g và iHc = 3,1 kOe. Việc thay thế của Cr không có tác dụng nhiều đến
tính chất từ. Có thể thấy rằng σ20 và σr giảm với sự thay thế của Cr. Tuy nhiên, iHc
tăng từ 3,1 kOe với x = 0 đến 5,3 kOe ứng với x = 3 và sau đó lại giảm khi nồng độ
Cr tăng hơn nữa. Để có được lực kháng từ cao hơn, băng hợp kim Co80-xZr18CrxB2
(x = 0, 2, 3 và 4) được ủ từ 500oC – 700oC trong 2 phút. Hình 1.30 hiển thị sự phụ
thuộc của lực kháng từ iHc vào nhiệt độ ủ. Kết quả cho thấy, lực kháng từ iHc ở 4
mẫu trên đều có một quy luật giống nhau, đầu tiên tăng đến một giá trị cực đại sau
khi có nhiệt thích hợp và sau đó giảm dần khi nhiệt độ ủ tăng hơn nữa. Giá trị cực
đại của lực kháng từ iHc là 7,0 kOe với x = 3 sau khi ủ ở 550oC. So sánh với giá trị
cao nhất iHc là 5,1 kOe đã từng thu được trong Co80Zr18B2, iHc tăng 37,2%. Điều
này cho thấy rằng sự bổ sung thích hợp của Cr trong hợp kim Co80Zr18B2 có thể cải
thiện lực kháng từ rất lớn.
Hình 1.30. Sự thay đổi lực kháng từ theo nhiệt độ ủ [24].
Hình 1.29. Tính chất từ của mẫu băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) [24].
Hình 1.31 cho thấy phổ nhiễu xạ tia X và đường cong nhiệt từ của mẫu với x
= 3 khi ủ ở 550oC và 700oC. Như thể hiện ở hình 1.31 (a) và (c), cả 2 kết quả cho
thấy rằng mẫu băng vẫn chỉ có pha Co11Zr2 sau khi được ủ ở 550oC. Đối với băng
được ủ ở 700oC, tỷ phần của pha từ mềm Co23Zr6 và fcc-Co tăng, tỷ phần pha từ
20
cứng Co11Zr2 giảm. Do vậy, sự hình thành của pha Co23Zr6 và fcc-Co là do sự phân
hủy của pha Co11Zr2 ở 700oC.
Hình 1.31. Phổ XRD và đường cong từ nhiệt của mẫu với x = 3 được ủ ở 550oC và 700oC [24].
Hình 1.32 cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét SEM của mẫu với x = 3. Mẫu
băng bao gồm những hạt với kích thước trung bình khoảng 300 - 350 nm. Khi nhiệt
độ tăng hơn nữa các hạt thậm chỉ trở nên lớn hơn và kích thước trung bình của
khi chưa ủ
chúng từ 1 đến 1,5 m.
Hình 1.32. Ảnh SEM của mẫu băng Co77Zr18Cr3B2
và ủ ở 550oC và 700oC [24].
Hình 1.33 là các đường cong từ trễ của mẫu băng với x = 3 (a) khi chưa ủ
được so sánh với các mẫu ủ ở 550oC (b) và 700oC (c). Đường cong từ trễ của mẫu
21
băng trơn đều và biểu thị đặc tính trạng thái của một pha cứng. Với mẫu được ủ ở
khi chưa ủ (a)
550oC cho giá trị lực kháng từ cao nhất.
Hình 1.33. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co77Zr18Cr3B2
và ủ ở 550oC (b) và 700oC (c) [24].
Hình 1.34 cho thấy phổ nhiễu xạ tia X của mẫu băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0,
2, 3 và 4) với (a) x = 0 ủ ở 600oC, (b) x = 2 ủ ở 600oC và (c) x = 4 được ủ ở 650oC.
Với x = 0, mẫu chủ yếu bao gồm pha từ cứng Co11Zr2 và một số ít các pha từ mềm
fcc-Co và Co23Zr6. Trong trường hợp mẫu băng chứa Cr, cả hai mẫu đều bao gồm
đơn pha từ cứng Co11Zr2, nó hoàn toàn giống với thành phần pha của mẫu băng với
x = 3 được ủ ở 550oC. Lực kháng từ của mẫu với x = 3 bắt nguồn từ kích thước hạt
phù hợp của Co11Zr2. Do đó, đối với hai mẫu chứa Cr, việc xử lí nhiệt phù hợp dẫn
đến kích thước hạt cũng tăng đối với kích thước giới hạn dẫn đến lực kháng từ cao.
Hình 1.34. Phổ XRD của mẫu băng (a) x = 0 ủ ở 550oC, (b) x = 2 ủ ở 600oC và (c) x = 4 ủ ở 700oC [24].
22
1.2.5. Hệ hợp kim Co80Zr18-xNbxB2 (x = 0 - 4)
Hình 1.35 hiển thị sự phụ thuộc của các tính chất từ của băng Co80Zr18-
xNbxB2 (x = 0, 1, 2, 3 và 4) vào nồng độ Nb. Các giá trị của từ độ dư
, lực kháng
từ Hc và tích năng lượng cực đại (BH)max đầu tiên tăng, đạt giá trị lớn nhất tại x = 3,
sau đó chúng giảm khi tăng nồng độ Nb. Tính chất từ tối ưu = 4,8 kG, Hc = 4,3
kOe và (BH)max = 3,6 MGOe đã thu được trong băng Co80Zr15Nb3B2 phun ở tốc độ
30 m/s. So với mẫu băng Co80Zr18B2, các giá trị này tăng tương ứng là 12,5%,
30,3% và 10%. Điều này cho thấy, việc bổ sung thích hợp Nb có thể cải thiện đáng
kể tính chất từ (đặc biệt là lực kháng từ) của hợp kim Co-Zr-B. Hình 1.36 cho thấy
phổ nhiễu xạ tia X của mẫu băng Co80Zr18-xNbxB2 (x = 1, 2, 3 và 4). Chỉ có ba đỉnh
nhiễu xạ rõ rệt được quan sát thấy trong các phổ XRD được đánh dấu ''1'', ''2'' và
''3''. Các đỉnh ''1'' và ''3'' là pha Co11Zr2, đỉnh nhiễu xạ ''2'', mạnh nhất trong ba đỉnh
là của pha fcc-Co.
Hình 1.36. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr18-xNbxB2 (x = 0 - 4) [25].
Hình 1.35. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr18-xNbxB2 (x = 0 - 4) theo nồng độ Nb [25].
Hình 1.37 cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét SEM của mẫu băng (a)
Co80Zr18B2, (b) Co80Zr17Nb1B2, (c) Co80Zr16Nb2B2 và (d) Co80Zr15Nb3B2. Có thể
thấy rằng kích thước hạt giảm từ khoảng 2 µm với x = 0 xuống 0,5 µm với x = 2.
23
Kích thước hạt của băng Co80Zr15Nb3B2 và Co80Zr14Nb4B2 là quá nhỏ để có thể xác
định bằng SEM (thường ít hơn là 0,1 µm). Kết quả này cho thấy rằng, việc bổ sung
Nb đã làm giảm kích thước hạt của băng Co-Zr-B. Mặt khác, giá trị của lực kháng
từ đầu tiên tăng, đạt giá trị tối đa, sau đó nó giảm dần theo sự giảm kích thước hạt.
Trong băng Co-Zr-B báo cáo bởi Stroink và các cộng sự, một kết quả tương tự
cũng được quan sát [6]. Vì vậy, sự khác biệt trong kích thước hạt của pha Co11Zr2
xác định sự ảnh hưởng của việc bổ sung Nb lên tính chất từ của băng Co-Zr-Nb-B;
một kích thước hạt phù hợp của pha Co11Zr2 được cho là nguyên nhân chính của sự
gia tăng mạnh lực kháng từ.
Hình 1.37. Ảnh SEM mẫu băng (a) Co80Zr18B2, (b) Co80Zr17Nb1B2, (c) Co80Zr16Nb2B2 và (d) Co80Zr15Nb3B2 [25].
Việc ủ băng Co-Zr-B dẫn đến sự gia tăng của kích thước hạt làm tăng lực
kháng từ; nhiệt độ ủ tối ưu của băng Co-Zr-B có thể là 600 hoặc 650oC [22]. Như
vậy, băng Co80Zr15Nb3B2 được ủ ở nhiệt độ 600oC và 650oC. Như được thể hiện
24
trong hình 26, xử lý nhiệt dẫn đến sự thay đổi mạnh lực kháng từ của băng
Co80Zr15Nb3B2. Một giá trị tối ưu Hc = 5,1 kOe đã thu được trong các băng ủ tại
600oC trong vòng 3 phút. Giá trị của lực kháng từ giảm mạnh đến 2,0 kOe khi ủ ở
650oC trong 7 phút. Hình 1.39 cho thấy, các đường cong từ trễ của băng
Co80Zr15Nb3B2 khi chưa ủ (a) và ủ ở 600oC trong 3 phút (b). Tính chất từ tối ưu Hc
= 5,1 kOe và (BH)max = 3,4 MGOe đã thu được trong băng Co80Zr15Nb3B2 ủ ở
khi chưa ủ và ủ ở
600oC trong 3 phút.
Hình 1.38. Lực kháng từ của mẫu băng Co80Zr15Nb3B2 theo thời gian ủ [25].
600oC trong 3 phút [25].
Hình 1.39. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr15Nb3B2
Mặc dù tính chất từ của các mẫu này chưa tương xứng với các hợp kim đất
hiếm, nhưng chúng có thể so sánh với nhiều ferit và nam châm loại alnico [7]. Phổ
nhiễu xạ tia X tương ứng của các mẫu băng được hiển thị trong hình 1.40. Có thể
thấy rằng các đỉnh nhiễu xạ của pha Co23Zr6 xuất hiện khi băng được ủ ở 600oC
trong 3 phút. Đa số các đỉnh nhiễu xạ của pha Co23Zr6 có thể được tìm thấy trong
phổ XRD của băng Co80Zr15Nb3B2 ủ ở 650oC trong 7 phút, điều đó khẳng định rằng
pha Co23Zr6 là một pha cân bằng. Cũng như vậy, pha từ mềm fcc-Co được quan sát
khi băng ủ ở 650oC trong 7 phút. Dường như pha từ cứng Co11Zr2 đã bị phân hủy
thành các pha từ mềm Co23Zr6 và fcc-Co khi băng được ủ ở 650oC trong 7 phút.
25
khi
Hình 1.40. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr15Nb3B2
chưa ủ và ủ ở các nhiệt độ khác nhau [25].
Hình 1.41 cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét SEM của băng Co80Zr15Nb3B2
trong các điều kiện ủ khác nhau. Có thể thấy rằng kích thước hạt của băng tăng từ
mức dưới 0,1 µm đến khoảng 0,15 µm khi ủ ở 600oC trong 3 phút. Sự tăng mạnh
của lực kháng từ được xem là do sự gia tăng kích thước hạt của pha Co11Zr2. Mặt
khác, nghiên cứu vi cấu trúc cho thấy rằng băng ủ ở 650oC có hạt lớn hơn (khoảng
0,3 µm và 1,5 µm). Sự giảm mạnh lực kháng từ chủ yếu do tiếp tục xử lý nhiệt làm
thúc đẩy kích thước hạt tăng vượt quá kích thước tới hạn của các giá trị cao nhất
khi ủ ở (a) 600oC trong 3
của lực kháng từ.
Hình 1.41. Ảnh SEM của mẫu băng Co80Zr15Nb3B22
phút, (b) 650oC trong 5 phút và (c) 650oC trong 7 phút [25].
26
1.2.6. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMoxB2 (x = 0 - 4)
Từ dư và lực kháng từ Hc của băng Co80Zr18-xMoxB2 (x = 1, 2, 3, 4) đo
trong trường 20 kOe được liệt kê trong bảng 1.4. Kết quả cho thấy rằng, từ dư
giảm với sự gia tăng nồng độ Mo, trong khi lực kháng từ Hc tăng từ 5.2 kOe cho
x = 1 đến giá trị tối ưu 6,3 kOe cho x = 2. Sau đó lực kháng từ giảm với sự tăng
thêm của Mo. Điều này cho thấy rằng việc bổ sung Mo thích hợp có thể dẫn đến sự
gia tăng lực kháng từ.
Bảng 1.4. Tính chất từ của băng Co80Zr18-xMoxB2.
X = 1 X = 2 X = 3 X = 4 Co80Zr18-xMoxB2
39,84 36,14 35,63 32,86 𝛔r (emu/g)
5,2 6,3 6,0 5,2 Hc (koe)
Hình 1.42 cho thấy phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu nói trên. Các phổ nhiễu
xạ của băng Co80Zr18-xMoxB2 gồm có các pha Co5Zr, Co23Zr6 và fcc-Co. Với sự gia
tăng nồng độ của Mo, có sự tăng tương ứng của pha Co5Zr. Hiện tượng này là rất
rõ ràng khi nồng đọ Mo tăng đến 4%. Cường độ của đỉnh Co5Zr, yếu hơn so với
các đỉnh của Co23Zr6 và fcc-Co trong Co80Zr18-xMoxB2 (x = 1, 2, 3) và trở nên mạnh
hơn so với các đỉnh Co23Zr6 và fcc-Co trong Co80Zr18-xMoxB2 (x = 4). Nó hỗ trợ
quan điểm rằng thay thế Mo cho Zr đóng một vai trò quan trọng trong việc ổn định
pha Co5Zr [11].
Mặc dù pha Co5Zr cho lực kháng từ cao, nhưng giá trị lực kháng từ tối đa
của băng Co80Zr18-xMoxB2 (x = 1, 2, 3, 4) xuất hiện trong băng Co80Zr16Mo2B2 chứ
không phải trong băng Co80Zr14Mo4B2. Điều này có thể là do các tỷ lệ tương ứng
của mỗi pha, nghĩa là, có thể tồn tại một tỷ lệ quan trọng của từng pha, nó đóng góp
phần lớn vào lực kháng từ.
27
Hình 1.43. Sự phụ thuộc của lực kháng từ của mẫu băng Co80Zr16Mo2B2 vào nhiệt độ ủ [15].
Hình 1.42. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr18-xMoxB2 (x = 0 - 4) [15].
Băng Co80Zr18-xMoxB2 (x = 1, 2, 3 và 4) được ủ ở nhiệt độ từ 500 đến 700oC
trong 30 phút. Hình 1.43 biểu diễn sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ ủ
của băng Co80Zx16Mo2B2. Kết quả cho thấy, lực kháng từ của băng giảm khi băng
được ủ 500oC, tăng đến một giá trị tối đa là 6,8 kOe tại 600oC và sau đó lại giảm
khi tăng hơn nữa nhiệt độ ủ.
Các phổ nhiễu xạ tia X tương ứng của các băng Co80Zr16Mo2B2 khi ủ ở các nhiệt độ khác nhau được hiển thị trong hình 1.44. Trên phổ nhiễu xạ gồm các pha
Co5Zr, Co23Zr6 và fcc-Co, đã được tìm thấy ở băng Co80Zr16Mo2B2 ủ ở nhiệt độ từ
500 đến 600oC giống với trường hợp các băng trước khi xử lý nhiệt. Khi băng
Co80Zr16Mo2B2 được ủ ở nhiệt độ cao hơn tại 650 và 700oC, ngoài các pha Co5Zr,
ủ ở (a) 500oC, (b) 550oC,
Co23Zr6 và fcc-Co còn xuất hiện thêm pha Co11Zr2.
Hình 1.44. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr16Mo2B2
(c) 600oC, (d) 650oC và (e) 700oC [16].
28
Vi cấu trúc của băng Co80Zr16Mo2B2 trước khi ủ và khi ủ ở 600oC và 700oC
trong 30 phút đã được phân tích bởi SEM, chúng ta có thể thấy trong hình 2.33. Kết
quả cho thấy rằng, kích thước hạt của băng Co80Zr16Mo2B2 trước khi ủ là khá nhỏ
(khoảng 0,5 µm, trong khi các băng ủ tại 600oC có hạt mịn (khoảng 1 µm và kích
thước hạt của băng Co80Zr16Mo2B2 ủ ở 700oC là lớn hơn nhiều (khoảng 2 µm).
Hình 1.45. Ảnh SEM của mẫu băng Co80Zr16Mo2B2 (a) khi chưa ủ, (b) ủ ở 600oC trong 30 phút, (c) ủ ở 700oC trong 30 phút [16].
Từ cả phổ nhiễu xạ tia X và phân tích SEM, có thể kết luận rằng xử lý nhiệt
dẫn đến làm tăng kích thước hạt. Cho băng ủ ở nhiệt độ thích hợp, có thể thu được
hạt mịn của pha Co5Zr, nó có mối liên hệ với tính chất từ cao của hợp kim Co-Zr-
Mo-B. Nhiệt độ ủ tương đối cao dẫn đến sự phát triển hạt của pha Co5Zr và sự hình
thành của Co11Zr2, được báo cáo là pha từ mềm trong hệ thống Co-Zr. Sự xuất hiện
của Co11Zr2 là lý do chắc chắn tại sao lực kháng từ giảm khi băng Co80Zr16Mo2B2
được ủ ở nhiệt độ 650 và 700oC.
Tích năng lượng của băng Co80Zr16Mo2B2 ủ ở các nhiệt độ khác nhau được
liệt kê trong bảng 1.5. Chúng ta có thể thấy rằng tích năng lượng (BH)max lúc đầu
tăng theo nhiệt độ ủ, đạt giá trị cao nhất là 2,85 MGOe, xuất hiện tại 600oC sau đó
chúng giảm xuống 1,14 MGOe khi tăng nhiệt độ ủ.
Bảng 1.5. σr/σs, σr và (BH)max của băng Co80Zr16Mo2B2 sau khi ủ nhiệt.
Nhiệt độ 500oC 550oC 600oC 650oC 700oC
0,61 0,64 0,65 0,62 0,59 σr/σs
33,86 35,65 37,14 36,38 27,09 σr (emu/g)
2,07 2,60 2,85 1,98 1,14 (BH)max (MGOe)
29
Hình 1.46 cho thấy các đường cong từ trễ của băng Co80Zr16Mo2B2 khi chưa
ủ và ủ ở 600oC. Có thể thấy rằng, việc xử lý nhiệt với băng Co80Zr16Mo2B2 làm
khi chưa ủ (a)
tăng độ vuông của đường cong từ trễ.
Hình 1.46. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr16Mo2B2
và ủ ở 600oC (b) [15].
Băng Co80Zr16Mo2B2 ủ ở 600oC có độ từ dư là 37,14 emu/g, cao hơn một chút so
với băng Co80Zr16Mo2B2 khi chưa ủ nhiệt. Nhiệt độ ủ thích hợp có thể làm tăng tính
chất từ cứng, có thể thay đổi kích thước và số lượng pha từ tính, nó sẽ tác động đến
các tính chất từ cứng. Do đó, chúng ta có thể tối ưu hóa các điều kiện ủ để cải thiện
hơn nữa tính chất từ cứng của hợp kim Co80Zr16Mo2B2 trong các nghiên cứu tương
lai.
30
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu
2.1.1. Chế tạo các hợp kim khối nền Co-Zr-Si-B bằng lò hồ quang
Hợp kim được chế tạo từ các nguyên tố Co, Zr, Si, B với độ sạch cao. Các
nguyên tố sau khi được cân đúng hợp phần theo nồng độ phần trăm nguyên tử sẽ được nấu bằng lò hồ quang trong môi trường khí Ar. Mỗi mẫu sẽ được nấu khoảng
5-6 lần để đảm bảo các nguyên tố nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau thành
hợp kim đồng nhất. Sơ đồ khối của lò hồ quang được minh họa trên hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang
Khối lượng mỗi mẫu đem nấu hồ quang là 20 g, tùy theo mục đích nghiên
cứu. Để chắc chắn rằng các hợp phần không bị bay hơi nhiều trong quá trình nấu,
các hợp kim sau khi nấu được cân lại. Toàn bộ quá trình chế tạo tiền hợp kim được
thực hiện trong khí trơ Ar để tránh sự oxy hoá. Mẫu sau khi nấu hồ quang được để
nguội theo lò rồi mới lấy ra. Lúc này, các hợp kim được dùng để tạo các mẫu băng
bằng phương pháp phun băng. Hình 2.2 là hình ảnh của toàn bộ hệ nấu mẫu bằng hồ quang mà chúng tôi đã sử dụng. Thiết bị này đặt tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
31
Hình 2.2. a) Ảnh hệ nấu hợp kim hồ quang: (1) Bơm hút chân không,
(2) Buồng nấu mẫu, (3) Tủ điều khiển, (4) Bình khí Ar, (5) Nguồn điện
b) Ảnh bên trong buồng nấu: (6) Điện cực, (7) Nồi nấu, (8) Cần lật mẫu
2.1.2. Chế tạo băng hợp kim Co-Zr-Cr-B bằng phương pháp nguội nhanh
Sơ đồ khối của công nghệ nguội nhanh được mô tả trên hình 2.3. Trong luận
văn này, băng nguội nhanh được tạo bằng thiết bị ZKG-1 (hình 2.4) đặt tại Viện
Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Vận tốc dài của trống
quay 40 m/s. Khối lượng hợp kim mỗi lần phun là 20 g. Mức chân không của trạng thái khi làm việc cỡ 6,6.10-2 Pa.
Trước khi phun băng, buồng tạo băng phải được vệ sinh sạch sẽ. Tiền hợp kim được đánh sạch xỉ trước khi cho vào ống thạch anh. Đặt tiền hợp kim vào trong ống
thạch anh có đường kính đầu vòi khoảng 0,5 mm và được đặt gần sát bề mặt trống
đồng. Hợp kim được làm nóng chảy bằng dòng cảm ứng cao tần. Hợp kim sau khi
nóng chảy được nén bởi áp lực của dòng khí trơ Ar và chảy qua khe vòi, phun lên
mặt trống đồng đang quay. Với tốc độ quay của trống là 40 m/s, chúng tôi thu được
băng nguội nhanh có độ dày khoảng 20 µm, chiều rộng cỡ 2-3 mm. Tốc độ nguội R
được tính theo công thức:
R = ΔT/ Δt
Tức là tốc độ làm nguội R khoảng 10-6 10-5 K/s
32
Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục
b)
a)
Hình 2.4. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh b) Bên trong buồng tạo băng
Tốc độ làm nguội của hợp kim được thay đổi bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của trống đồng. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng khỏi mặt trống. Nếu tốc độ làm nguội lớn, tức là tốc độ quay của trống đủ lớn, các mẫu băng thu được sẽ có cấu trúc VĐH hoàn toàn. Nếu tốc độ quay của trống không đủ nhanh thì các mẫu sẽ bị kết tinh một phần.
Một số lưu ý khi thực nghiệm. Buồng tạo băng phải được vệ sinh sạch sẽ trước
khi phun băng. Tiền hợp kim được đánh sạch xỉ trước khi cho vào ống thạch anh
33
(đã được làm sạch bằng aceton hoặc cồn) có đầu vòi đường kính khoảng 1 mm. Khoảng cách giữa đầu vòi và mặt trống quay là một yếu tố ảnh hưởng đến độ dày,
độ rộng của băng do đó ảnh hưởng lên tính chất của băng nguội nhanh, thường
khoảng cách này được chọn trong khoảng 1-10 mm. Để hợp kim nóng chảy có thể
phun lên mặt trống đồng cần phải đẩy bằng dòng khí trơ từ phía sau ống, do đó phải chú ý đóng mở van xả khí này trong quá trình hút chân không và bơm khí trơ vào
chuông để tránh không khí còn trong ống dẫn. Tùy thuộc vào tốc độ quay của trống
và loại vật liệu, băng nguội nhanh có độ dày từ 20 m đến 60 m, chiều rộng cỡ vài
mm. 2.2. CÁC PHÉP ĐO NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ
2.2.1.Xử lý nhiệt
Quá trình ủ nhiệt được thực hiện trong lò ủ nhiệt dạng ống Thermolyne (hình 2.5) điều khiển nhiệt độ tự động, tốc độ gia nhiệt tối đa đạt 50oC/phút. Trong các thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng phương pháp ủ ngắt. Mẫu được đưa ngay vào
vùng nhiệt độ đã được khảo sát theo yêu cầu và được ủ trong thời gian mong muốn,
sau đó được lấy ra và làm nguội nhanh để tránh sự tạo các pha khác ở các nhiệt độ
trung gian.
Hình 2.5. Ảnh thiết bị ủ nhiệt [1]
34
2.2.2. Phép đo từ trễ
Các phép đo từ trễ được thực hiện trên hệ đo từ trường xung với từ trường
cực đại lên đến 90 kOe.
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ
Hình 2.7. Hệ đo từ trường xung [1].
trường xung [12].
Hệ được thiết kế theo nguyên tắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và cuộn dây (hình 2.6). Dòng một chiều qua K1, nạp điện cho tụ, tụ tích năng lượng cỡ vài chục kJ. Khoá K2 đóng, dòng điện hình sin tắt dần. Dòng điện trong thời gian tồn tại
ngắn đã phóng điện qua cuộn dây nam châm L và tạo trong lòng ống dây một từ
trường xung cao. Mẫu đo được đặt tại tâm của cuộn nam châm cùng với hệ cuộn
dây cảm biến pick - up. Tín hiệu ở lối ra tỷ lệ với vi phân từ độ và vi phân từ trường
sẽ được thu thập, xử lí hoặc lưu trữ cho các mục đích cụ thể. Từ trường trong lòng
ống dây có thể được sử dụng để nạp từ cho các mẫu vật liệu khi chỉ dùng một nửa
chu kì hình sin của dòng điện phóng. Từ trường lớn nhất của hệ có thể đạt tới 100
kOe. Hệ được điều khiển và đo đạc bằng kĩ thuật điện tử và ghép nối với máy tính.
Để tránh được hiệu ứng trường khử từ, các mẫu được đặt sao cho từ trường ngoài
song song và dọc theo chiều dài của mẫu, các mẫu khối đều được cắt theo dạng hình trụ. Các mẫu đo được gắn chặt vào bình mẫu để tránh sự dao động của mẫu
trong quá trình đo.
35
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tính chất từ của các băng hợp kim Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0 - 4) trước khi ủ nhiệt
Hình 3.1 Đường cong từ trễ của các băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt. Kết quả cho thấy, các mẫu băng hợp kim đã thể hiện tính từ cứng nhưng lực kháng từ của các mẫu không cao, thay đổi từ 1,305 kOe (với x = 0) đến
1,586 kOe (với x = 2). Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo nồng độ Cr của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt được thể hiện trên hình 3.2.
Hình 3.1. Đường cong từ trễ của các băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt.
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc theo nồng độ Cr của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt.
Có thể nhận thấy, lực kháng từ tăng lên khi tăng nồng độ Cr từ 0 đến 2% (từ 1,305 đến 1,586 kOe). Lực kháng từ đạt giá trị lớn nhất là 1,586 kOe khi nồng độ Cr là 2%. Tiếp tục tăng nồng độ Cr lên 4% thì lực kháng từ của băng hợp kim giảm
mạnh xuống còn 0,565 kOe.
36
3.2. Tính chất của các băng hợp kim Co80Zr18-xCrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) sau khi ủ nhiệt
Nhằm cải thiện tính chất từ của băng hợp kim chúng tôi tiến hành ủ các mẫu băng ứng với nồng độ Cr ở các nhiệt độ khác nhau từ 550 đến 700oC trong thời gian 10 phút. Hình 3.3 là đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 khi ủ ở các nhiê ̣t đô ̣ khác nhau trong thờ i gian 10 phút. Có thể thấy rằng lực kháng từ Hc thay đổi khá rõ rệt theo nhiệt độ ủ. Sự phụ thuộc của lực kháng từ theo nhiệt độ của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) được thể hiện như trên hình 3.4. Trong khoảng nhiệt độ từ 550 - 600oC lực kháng từ thay đổi không nhiều (từ 1,249 đến 1,471 kOe). Khi nhiệt độ tăng lên 650oC thì lực kháng từ tăng rõ rệt và đạt cực đại là 1,924 kOe. Tiếp tục tăng nhiệt độ lên 700oC thì lực kháng từ lại giảm mạnh xuống còn 1,862 kOe.
Hình 3.3. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi ủ ở các nhiê ̣t đô ̣ khác nhau từ 550 đến 700oC trong thờ i gian 5 phút.
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc theo các nhiệt độ khác nhau từ 550 đến 700oC của các mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2)
37
Hình 3.5 là đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi ủ ở 650oC trong thờ i gian 3, 5 và 10 phút. Hình 3.6 là sự phụ thuộc của lực kháng từ vào thời gian ủ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 khi ủ ở 650°C trong thờ i gian 3, 5 và 10 phút . Có thể thấy rằng, lực kháng từ cũng phụ thuộc khá nhiều vào thời gian ủ
nhiệt. Với thời gian ủ nhiệt là 3 phút, lực kháng từ đạt khoảng 1,769 kOe. Khi tăng
thời gian ủ lên 5 phút thì lực kháng từ đạt giá trị cao nhất Hc ~ 1,899 kOe và tích
năng lượng (BH)max ~ 0,961 MGOe (được xác định như trên hình 3.7). Tiếp tục
tăng thời gian ủ hơn nữa lên 10 phút thì lực kháng từ giảm xuống còn 1,347 kOe.
Hình 3.5. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi chưa ủ và ủ ở 650oC trong thờ i gian 3, 5 và 10 phút
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào thời gian ủ của mẫu băng Co80Zr18-xCrxB2 (x = 2) khi chưa ủ và ủ ở 650oC trong thờ i gian 3, 5 và 10 phút.
38
Điều này có thể giải thích là do khi tăng thời gian ủ lên 5 phút thì tỷ phần của pha từ cứng và kích thước hạt đạt tối ưu. Ở thời gian ủ dài hơn (10 phút) sẽ làm tỷ
phần pha từ cứng giảm do sự phân hủy của pha từ cứng thành các pha từ mềm, khi
đó kích thước hạt cũng tăng lên dẫn tới tính chất từ của băng hợp kim giảm.
Hình 3.7. Đường cong xác định tích năng lượng (BH)max của mẫu băng Co80Zz18-xCrxB2 (x = 2) khi ủ ở 650oC trong thờ i gian 5 phút.
39
KẾT LUẬN
Trong quá trình làm khóa luận tốt nghiệp, em đã hoàn thành được các nội
dung sau:
- Đã tìm hiểu tổng quan về vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm nền Co-Zr-
B.
- Tìm hiểu và thực hiện được một số ảnh hưởng pha tạp Cr và ủ nhiệt lên tính
chất của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-B.
XCrxB2 (x = 0 - 4). Lực kháng từ và tích năng lượng của các mẫu băng này đạt giá trị cao nhất là 1,899 kOe và 0,6 MGOe tương ứng với x = 2 khi ủ ở nhiệt độ 650oC trong thời gian 5 phút.
- Đã chế tạo và khảo sát tính chất từ của các băng nguội nhanh Co80Zr18-
40
MỘT SỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Đoàn Minh Thủy, Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm kết dính
nguội nhanh nền Nd-Fe-B, Luận án tiến sĩ khoa học Vật liệu, Hà Nội,
2006
2 A.M. Gabai, N.N. Schegolewa, V.S. Gaviko, G.V. Ivanova, Phys Met.
Metall. 95, 122–128 (2003).
3 D.C. Jiles, Recent advances and future directions in magnetic materials,
J. Acta Materialia. 51, 5907-5939 (2003).
4 D.J. Branagan, M.J. Kramer, R.W. McCallum, J. Alloys Compd. 244, 27
(1996).
5 E.F. Kneller, R. Hawig, IEEE Transactions on Magnetics. 27, 3588
(1991).
6 G. Stroink, Z.M. Stadnik, G. Viau, R.A. Dunlap, J. Appl. Phys. 67, 4963–
4965 (1990).
7 G. Stroink, Z.M. Stadnik, G. Viau, R.A. Dunlap, J. Appl. Phys. 67, 4963–
4965 (1990).
8 G.V. Ivanova, N.N. Shchegoleva, A.M. Gabay, J. Alloys Comp. 432,
135–141 (2007).
9 H.H. Stadelmaier, T.S. Jang, E.Th. Henig, Mater. Lett. 12, 295–300
(1991).
10 H.W. Chang, C.F. Tsai, C.C. Hsieh, C.W. Shih, W.C. Chang, C.C. Shaw,
J.M.M.M. 346, 74-77 (2013).
11 H.W. Chang, Y.H. Lin, C.W. Shih, W.C. Chang, C.C. Shaw, J. Appl.
Phys. 115, 17A724 (2014).
12 Hellstern E., Fecht H. J, Garland C., Johnson WL. In: McCandlish L. E,Polk D. E., Siegel R.W, Kear B.H, editors. Multicompoment ultrafine
microstructures, vol. 132. Pittsburgh, PA: Mater. Res.
Soc,1989. P. 137-142.
13 J.B. Zhang, Q.W. Sun, W.Q. Wang, F. Su, J. Alloys Compd. 474, 48
(2009).
14 K. Zhang, D.W. Zhou, B. Han, Z. Lv, X.C. Xun, X.B. Du, Y.Q. Liu, B. Yao, T. Zhang, B.H. Li, D. Wang, J. Alloys Compd. 464, 28-32 (2008).
41
15 K.H.J. Buschow, J.H. Wernick, G.Y. Chin, J. Less Common Met. 59, 61
(1978).
16 M. Zhang, J. Zhang, C. Wu, W. Wang, F. Su, Physica B. 405, 1725-1728
(2010).
17 M.E. McHenry, D.E. Laughlin, Nano-scale materials development for
future magnetic applications, Acta Materialia. 48, 223-238 (2000).
18 R. Coehoorn, D. B. Mooij, J.P.W.B. Duchateau and K. H. J. Buchow, Novel permanent magnetic materials made by rapid quenching, Journal
de physique. 49, 669-670 (1988).
19 S.F. Cheng, W.E. Wallace, B.G. Demczyk, in: Proceedings of the 6th International Symposium on Magnetic Anisotropy an Coercivity in Rare- EarthTransition-Metal Alloys, Pittsburgh, PA, October 1990, Carnegie-
Mellon University, Pittsburgh, PA, 477-487 (1991).
20 T. Saito and M. Itakura, J. Alloys Compd. 572, 124-128 (2013). 21 T. Saito và T. Akiyama, J. Appl. Phys. 115, 17A749 (2014). 22 T. Saito, Appl. Phys. Lett. 82 (14), 2305–2307 (2002). 23 W. Zhang, S. Zhang, A. Yan, H. Zhang, B. Shen, Effect of the substitution of Pr for Nd on microstructure and magnetic properties of nanocomposite Nd2Fe14B/a-Fe magnets, J.M.M.M. 225, 389-393 (2001). 24 Z. Hou, H. Li, W. Wang, J. Alloys Compd. 593, 1-6 (2014). 25 Z. Hou, J. Zhang, S. Xu, C. Wu, J. Zhang, Z. Wang, K. Yang, W. Wang,
X. Du, F. Su, J.M.M.M. 324, 2771 (2012).
26 Z. Hou, S. Xu, J. Zhang, C. Wu, D. Liu, F. Su, W. Wang, J. Alloys
Compd. 555, 28-32 (2013).
42
