TRUỜNG ÐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
VŨ ĐÀO XUÂN
ẢNH HƢỞNG CỦA PHA TẠP Si VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ÐẠI HỌC
HÀ NỘI, 2017
TRUỜNG ÐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ
VŨ ĐÀO XUÂN
ẢNH HƢỞNG CỦA PHA TẠP Si VÀ Ủ NHIỆT LÊN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA HỢP KIM TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ÐẠI HỌC
Người hướng dẫn khoa học: ThS. Nguyễn Văn Dương
HÀ NỘI, 2017
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 PGS.TS Nguyễn Huy Dân và NCS Ngyễn
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 04 năm 2017
Sinh viên
Vũ Đào Xuân
LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp: “Ảnh hưởng của pha tạp Si và ủ nhiệt lên cấu
trúc và tính chất từ 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 04 năm 2017
Sinh viên
Vũ Đào Xuân
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
1 MỞ ÐẦU...............................................................................................
1 1. Lý do chọn đề tài........................................................................
2 2. Mục đích nghiên cứu..................................................................
2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.............................................
2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu..................................................................
3 5. Phƣơng pháp nghiên cứu...........................................................
3 6. Đóng góp của luận văn................................................................
3 7. Cấu trúc của luận văn ...............................................................
4 NỘI DUNG...........................................................................................
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Co-
4 Zr-B.......................................................................................................
1.1. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B
4 chƣa pha tạp...............................................................................
4 1.1.1. Hệ hợp kim Co72Zr8B20.......................................................
5 1.1.2. Hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4).................................
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B có
9 pha tạp.........................................................................................
1.2.1. Hệ hợp kim Co80Zr18-xMxB2 (x = 0 - 2) M = C, Cu, Ga, Al
9 và Si..............................................................................................
12 1.2.2. Hệ hợp kim Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (x = 0, 1, 2, 3 và 5)............
14 1.2.3. Hệ hợp kim Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4)................................
17 1.2.4. Hệ hợp kim Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4)....................
22 CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM...................................
22 2.1. Chế tạo mẫu hợp im Co-Zr-Si-B.............................................
2.1.1. Chế tạo các hợp kim khối nền Co-Zr-Si-B bằng lò hồ
quang............................................................................................ 22
2.1.2. Chế tạo băng hợp kim bằng phương pháp phun băng
nguội nhanh.................................................................................. 23
24 2.2. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ....................
2.2.1. Nhiễu xạ tia X..................................................................... 24
2.2.2. Xử lý nhiệt........................................................................... 25
2.2.3. Phép đo từ trễ.......................................................... 25
27 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................
3.1. Ảnh hƣởng của pha tạp Si lên cấu trúc và tính chất từ của
băng hợp kim Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) trƣớc khi ủ
27 nhiệt..............................................................................................
3.2. Ảnh hƣởng của pha tạp Si và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính
28 chất từ của băng hợp kim Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4)....
32 KẾT LUẬN...........................................................................................
33 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................
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 [21] ở phòng thí nghiệm Philip
Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới Nd-Fe-B có từ dư Br =
1,0 T, Hc = 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
[4, 7, 20, 25].
Mặc dù, hợp kim chứa đất hiểm (RE) đã được nghiên cứu rộng rãi cho
1
việc phát triển nam châm vĩnh cửu mới do tính chất từ nội tại tốt của chúng
[2, 3], [7, 9, 11], [13 - 16], [17, 26]. Nhưng hiện nay, các tính chất từ của nam
châm Nd-Fe-B đã được cải thiện đến mức gần giới hạn lý thuyết của chúng.
Bên cạnh đó, nhu cầu về nam châm đất hiếm thực tế tăng một cách nhanh
chóng dẫn đến sự thiếu hụt và sự tăng giá của các nguyên tố đất hiếm [9]. Do
đó, một vấn đề quan trọng, cơ bản và cần thiết đặt ra là phải khám phá ra loại
vật liệu từ cứng mới mà không chứa đất hiếm (RE-free) đồng thời cải thiện
các điều kiện công nghệ từ đó có thể ứng dụng trong công nghiệp.
Trong những năm gần đây, một số nhà khoa học đã nghiên cứu về hệ
vật liệu không chứa đất hiếm nền Co-Zr, Co-Zr-B. Bằng việc thay thế các
nguyên tố khác nhau như: Si, Cr, Ti, Al, C, Cu, Mo, Hf,… và cải thiện các
điều kiện công nghệ: nhiệt độ ủ, thời gian ủ, thời gian nghiền, vận tốc
phun,… đã thu được những kết quả đáng kể về tính chất từ cứng của chúng.
Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của
pha tạp Si và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng nền
Co-Zr-B’’
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim từ cứng nền Co-Zr-
B.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu từ cứng nền Co-Zr-B pha tạp Si.
- Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Chế tạo hợp kim Co-Zr-Si-B trên lò hồ quang.
- Phun băng hợp kim Co-Zr-Si-B trên hệ phun băng nguội nhanh.
- Đo các tính chất vật lý của hệ mẫu đã chế tạo.
2
- Nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ của hợp kim đã chế tạo.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Các mẫu nghiên cứu sẽ được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh.
- Cấu trúc của vật liệu sẽ được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia
X.
- Tính chất từ sẽ được nghiên cứu bằng các phép đo từ độ.
6. Đóng góp của luận văn
Hoàn thành việc nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Si và ủ nhiệt lên
cấu trúc và tính chất từ 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.
7. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luân, luận văn được trình bày trong 3
chương:
Chương 1. Tổng quan về vật liệu từ cứng nền Co- Zr-B
Chương 2. Kỹ thuật thực nghiệm
3
Chương 3. Kết quả và thảo luận
NỘI DUNG
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CỨNG NỀN Co-Zr-B
1.1. Cấu trúc và tính chất từ của một số hệ hợp kim Co-Zr-B chƣa pha tạp
1.1.1. 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 [18]. 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 1.1. Hình 1.1a 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,
mẫu băng không có pha nào kết tinh (hình 1.1b). 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 1.1c). Sau khi mẫu được ủ tại 630oC, các pha tinh thể Co, Zr và
B12Zr được hình thành (hình 1.1d).
Hình 1.2 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 1.2, 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 Hình 1.1. Phổ XRD của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ (a), khi ủ ở 495oC (b), 540oC (c), 630oC (d) trong 10 phút [18].
cong từ trễ thay đổi mạnh. Lực kháng từ của mẫu băng tăng lên rất nhiều đó
4
là do sự kết tinh của mẫu.
Hình 1.2. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co72Zr8B20 khi chưa ủ và ủ ở 495oC, 540oC và 630oC trong 10 phút [18].
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)
2,27
5,13
11,45
Mẫu chưa ủ Mẫu ủ ở 495oC trong 10 phút Mẫu ủ ở 540oC trong 10 phút Mẫu ủ ở 630oC trong 10 phút 925,27
Khi nhiệt độ ủ tăng, lực kháng từ tăng 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 có tính từ cứng.
1.1.2. Hệ hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4)
Vi cấu trúc của hợp kim Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4) chế tạo bằng phương pháp
5
phun băng nguội nhanh đã được Tetsuji Saito và các cộng sự nghiên cứu [23].
Hình 1.4. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [23].
Hình 1.3. Đường cong khử từ của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [23].
Hình 1.3 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 là 5 kOe thu được với hợp
kim Co80Zr18B2. Hình 1.4 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 này cho thấy sự thay thế một
lượng nhỏ của B cho Zr trong hợp kim Co80Zr20 dẫn đến sự hình thành của
6
pha từ cứng CoxZr.
Hình 1.5 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 1.5. Ảnh SEM của mẫu băng Co80Zr20-xBx (x = 0 - 4): (a) Co80Zr20, (b) Co80Zr18B2, (c) Co80Zr16B4 [23].
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 1.6.
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 một lượng nhỏ
Hình 1.6. 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) [23]. của B cho Zr có hiệu quả cao
7
trong việc tạo ra các hạt đồng nhất.
Hình 1.7. là ảnh TEM trường sáng và trường tối của hợp kim
Co80Zr18B2. Các vòng tròn nhiễu xạ mạnh (hình 1.7a) hay các đốm trắng
(hình 1.7b) là của pha CoxZr. Các nghiên cứu TEM cho thấy đường kính các
hạt CoxZr cỡ khoảng 200 nm.
Hình 1.7. Ảnh TEM của băng Co80Zr18B2: (a) trường sáng và (b) trường tối [23].
Nghiên cứu chi tiết vi cấu trúc được thực hiện bởi STEM. Hình 1.8 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 Hình 1.8. Ảnh HAADF-STEM của băng hợp kim Co80Zr18B2 [23].
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
8
khoảng 200 nm, được bao quanh bởi các pha từ mềm Co.
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của một số 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.
Bảng 1.2. Từ độ bão hòa σ12 kOe, từ dư σr, lực kháng từ Hc, tích năng lượng (BH)max, và nhiệt độ curie TC của pha 5:1 của băng hợp kim Co80Zr17MB2 (M = 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 từ độ bão hòa σ12 kOe = 63 emu/g, từ dư σr = 49 emu/g,
lực kháng từ Hc = 4,1 kOe, và tích năng lượng (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 ,
σr giảm nhẹ tương ứng 62 - 63 emu/g và 48 emu/g, và Hc 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, và Hc và tích năng lượng cực đại
(BH)max của băng trên cùng một lúc. Tính chất từ của băng Co80Zr17Si1B2 đạt
được là σr = 51 emu/g, σ12 kOe = 64 emu/g, Hc = 4,5 kOe, và (BH)max = 5,3
MGOe.
Hình 1.9 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 từ cứng
9
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 [5] có thể tạo điều kiện cho sự hình thành của pha ZrC
trong băng hợp kim Co80Zr17MB2 với sự bổ sung C. Theo đó, σ12 kOe và σr
được nâng cao, nhưng HC lại giảm với sự thay thế C.
Hình 1.9. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr17MB2 [12].
Hình 1.10. Ảnh TEM của mẫu băng (a) Co80Zr18B2, (b) Co80Zr17CB2, (c) Co80Zr17SiB2 và (d) Co80Zr16Si2B2 [12].
Hình 1.10 (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 1.9.
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
10
cũng được nghiên cứu chi tiết. Hình 1.11 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 HC 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 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, σ12 kOe = 64
emu/g, Hc = 4,5 kOe và (BH)max = 5,3 MGOe.
Bảng 1.3. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [12].
Hình 1.12. Phổ XRD của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [12]. Hình 1.11. Đường cong khử từ của mẫu băng Co80Zr18-xSixB2 [12].
Hình 1.12 là phổ nhiễu xạ tia X của băng hợp kim Co80Zr18-xSixB2. Kết
11
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 1.10
(d), dẫn đến tính chất từ giảm.
1.2.2. Hệ hợp kim Co86,5Hf11,5-xZrxB2 (x = 0, 1, 2, 3 và 5)
Hình 1.13. Đường từ trễ của mẫu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 khi chưa ủ và ủ ở 873 K [14]. Hình 1.14. Tính chất từ của mẫu theo nồng băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 độ Zr [14].
Hình 1.13 là đường cong khử từ 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 nồng độ Hf khoảng 3 - 5%. Sau khi xử lí nhiệt tối ưu, tính
chất từ cứng của các băng ứng với x = 3 và 5 được thể hiện rõ rệt. Từ dư Br =
0,61 - 0,74 T, lực kháng từ Hc = 128 - 216 kA/m và tích năng lượng cực đại (BH)max = 23,2 - 52,8 kJ/m3. Tính chất từ của băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 sau khi
xử lí nhiệt tối ưu được tóm tắt trong hình 1.14.
Đối với băng tam nguyên Co86,5Hf11,5B2 thu được tính chất từ Br = 0,71 T, Hc = 192 kA/m và (BH)max = 34,4 kJ/m3. Với x = 1, Br và Hc được cải thiện và
12
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, Hc = 128 kA/m và (BH)max = 23,2 kJ/m3. Trong
nghiên cứu này, tính chất từ tối ưu với Br = 0,74 T, Hc = 216 kA/m và (BH)max = 52,8 kJ/m3 đạt được với băng Co86,5Hf10,5Zr1B2 .
Hình 1.15 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 873K, phổ nhiễu xạ cho hai
mẫu với 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
Hình 1.15. Phổ XRD của mẫu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 [14]. trình ủ.
Hình 1.16. Ảnh TEM của mẫu băng Co86,5Hf11,5B2(a), Co86,5Hf10,5Zr1B2 (b), Co86,5Hf8,5Zr3B2(c) sau khi kết tinh ở nhiệt độ tối ưu [14].
Hình 1.16 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 =
13
0 đến 5 - 15 nm với x = 1. Tuy nhiên, ủ các băng với x = 3 dẫn đến sự tăng
kích thước 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 cứu băng Co86,5Hf11,5-xZrxB2 là
Co11(Hf,Zr)2.
1.2.3. Hệ hợp kim Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4)
Hình 1.17 cho thấy từ dư σr, lực kháng từ Hc và tích năng lượng
(BH)max của băng hợp kim Co80Zr18-xTixB2 (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 σr và (BH)max đều được cải thiện đáng kể.
Hình 1.18. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr15Ti3B2 ở các tốc độ nhau [28].
Hình 1.17. Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr18-xTixB2 (x = 0 - 4) phun ở tốc độ 30 m/s [28].
Tính chất từ của mẫu băng Co80Zr15Ti3B2 cũng phụ thuộc mạnh vào tốc
độ làm nguội và điều kiện ủ. Hình 1.18 cho thấy tính chất từ của
Co80Zr15Ti3B2 như một hàm của tốc độ làm nguội (vs). Có thể thấy rằng các
14
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 1.20. Đường cong từ trễ của phun ở các mẫu băng Co80Zr15Ti3B2 tốc độ 30 m/s (a) và 40 m/s ủ ở 650oC trong thời gian 2 phút (b) [28].
Hình 1.19. Lực kháng từ của mẫu phun ở các tốc băng Co80Zr15Ti3B2 độ (a) 30 m/s và (b) 40 m/s theo thời gian ủ [28].
Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào điều kiện ủ được thể hiện ở hình
1.19. Rõ ràng là các băng phun ở tốc độ 30 m/s cho thấy một sự suy giảm ổn định của lực 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 1.20 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 Co80Zr15Ti3B2 trơn mượt và chỉ có một pha từ
cứng được thể hiện, trong khi mẫu băng chưa ủ cho giá trị từ độ thấp hơn
15
băng đã ủ.
Hình 1.21 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
Hình 1.21. Phổ XRD của mẫu băng phun ở 40 m/s và ủ ở Co80Zr15Ti3B2 650oC trong các thời gian khác nhau [28].
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 [10, 19,
22]. 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.
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 1.22. Các băng nứt
gãy ở những biên hạt, cho thấy cấu trúc hạt siêu nhỏ. Như được hiển thị trong
hình 1.22a, 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 kích
thước 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
16
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 [1], 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 ở 600 đến 700oC, lực kháng từ của băng Co80Zr15Ti3B2
được phun ở tốc độ 30 m/s giảm mạnh. Đó có thể là do xử lý nhiệt thúc đẩy
các hạt Co11Zr2 tăng vượt 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 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 1.22. Ảnh SEM của mẫu băng (a) Co80Zr18B2, (b) Co80Zr15Ti3B2, và (c) Co80Zr14Ti4B2 [28].
1.2.4. Hệ hợp kim Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4)
Hình 1.23 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 1.24,
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
17
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 1.23. Phổ XRD của mẫu băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) [27]. Hình 1.24. Đường cong từ nhiệt của băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) [27].
Hình 1.25 hiển thị từ độ bão hòa σ20, từ dư σr và lực kháng từ Hc của
băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4). Với x = 0 thì σ20 = 65 emu/g, σr =
43,5 emu/g và Hc = 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, Hc 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 500 - 700oC trong 2
phút. Hình 1.26 hiển thị sự phụ thuộc của lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ. Kết
quả cho thấy, lực kháng từ Hc ở 4 mẫu trên đều có một quy luật giống nhau,
đầu tiên tăng đến một giá trị cực đại sau khi ủ ở nhiệt độ thích hợp và sau đó
giảm dần khi nhiệt độ ủ tăng hơn nữa. Giá trị cực đại của lực kháng từ Hc là 7,0 kOe với x = 3 sau khi ủ ở 550oC. So sánh với giá trị cao nhất Hc là 5,1
kOe đã từng thu được trong Co80Zr18B2 [24], Hc tăng 37,2%. Điều này cho
thấy rằng sự bổ sung thích hợp của Cr trong hợp kim Co80Zr18B2 có thể cải
18
thiện lực kháng từ rất lớn.
Hình 1.26. Sự thay đổi lực kháng từ theo nhiệt độ ủ [27].
Hình 1.25. Tính chất từ của mẫu băng Co80-xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) [27].
Hình 1.27 cho thấy phổ nhiễu xạ tia X và đường cong từ nhiệt của mẫu với x = 3 khi ủ ở 550 và 700oC. Như thể hiện ở hình 1.27 (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 cứng Co11Zr2 giảm. Do vậy, sự hình thành của pha Co23Zr6 và fcc-Co là do sự phân hủy của pha Co11Zr2 ở 700oC.
19
Hình 1.27. Phổ XRD và đường cong từ nhiệt của mẫu Co80-xZr18CrxB2 với x = 3 được ủ ở 550 và 700oC [27].
Hình 1.28 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 chúng từ 1 đến 1,5 m.
khi Hình 1.28. Ảnh SEM của mẫu băng Co77Zr18Cr3B2
chưa ủ và ủ ở 550 và 700oC [27].
Hình 1.29 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 băng trơn đều và biểu thị đặc tính trạng thái của pha từ cứng. Với mẫu được ủ ở 550oC cho giá trị lực kháng từ cao nhất.
20
Hình 1.29. Đường cong từ trễ của mẫu băng Co77Zr18Cr3B2 khi chưa ủ (a) và ủ ở 550oC (b) và 700oC (c) [27].
Hình 1.30 cho thấy phổ
xZr18CrxB2 (x = 0, 2, 3 và 4) với (a) x = 0 ủ ở 600oC, (b) x = 2 ủ ở 600oCvà (c) x = 4 được ủ ở 650oC.
nhiễu xạ tia X của mẫu băng Co80-
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 pha từ
Hình 1.30. Phổ XRD của mẫu băng (a) x = 0 ủ ở 550oC, (b) x = 2 ủ ở 600oC và (c) x = 4 ủ ở 700oC[27].
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
21
cũng tăng đối với kích thước giới hạn dẫn đến lực kháng từ cao.
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo mẫu hợp im Co-Zr-Si-B
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 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
22
Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
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 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
23
m, chiều rộng cỡ 2-3 mm.
Hình 2.3. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục.
3
2
6
5
1
4
a)
b)
Hình 2.4. a) Thiết bị phun băng nguội nhanh: 1. Bơm hút chân không, (b)
(a)
2. Buồng mẫu, 3. Nguồn phát cao tần. b) Bên trong buồng tạo băng:
4. Trống quay, 5. Vòng cao tần, 6. Ống thạch anh.
2.2. Các phép đo nghiên cứu cấu trúc và tính chất từ
2.2.1. Nhiễu xạ tia X
Nhiễu xạ tia X (XRD – X-ray Diffraction) là một trong những phương
pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhất trong nghiên cứu cấu trúc tinh
thể của vật liệu. Nguyên lý của phương pháp dựa trên việc phân tích các ảnh
24
nhiễu xạ thu được của tia X sau khi tương tác với mẫu. Nhiễu xạ của mỗi mẫu
sẽ thể hiện các đặc trưng cơ bản của tinh thể mẫu đó. Qua giản đồ nhiễu xạ tia
X ta có thể xác định được các đặc tính cấu trúc của mạng tinh thể như kiểu
mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh, các hằng số cấu trúc.
Các phép đo và phân
tích nhiễu xạ tia X được
thực hiện trên thiết bị tại
Khoa Vật lý, trường Đại
học Khoa học Tự nhiên Hà
Nội.
Hình 2.5. Thiết bị Siemen D-5000.
2.2.2. Xử lý nhiệt
Quá trình ủ nhiệt được thực hiện
trong lò ủ nhiệt dạng ống Thermolyne (hình
2.6) 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
Hình 2.6. Ảnh thiết bị ủ nhiệt [6].
ra và làm nguội nhanh để tránh sự tạo các pha khác ở các nhiệt độ trung gian.
2.2.3. Phép đo từ trễ
Các phép đo từ trễ được thực hiện trên hệ đo từ trường xung với từ
25
trường cực đại lên đến 90 kOe.
Hình 2.8. Hệ đo từ trường xung [6].
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý của hệ đo từ trường xung [15].
Hệ được thiết kế theo nguyên tắc nạp - phóng điện qua bộ tụ điện và
cuộn dây (hình 2.7). 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
26
sự dao động của mẫu trong quá trình đo.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hƣởng của pha tạp Si lên cấu trúc và tính chất từ của băng hợp
kim Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) trƣớc khi ủ nhiệt
Hình 3.1 cho thấy phổ nhiễu xạ tia X của mẫu băng Co77Zr20-xSixB3 (x
= 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt. Chúng ta có thể thấy rằng tất cả các mẫu
băng đều xuất hiện các pha tinh thể. Các pha tinh thể này là của hai pha từ
mềm fcc-Co và Co23Zr6 và pha từ cứng Co5Zr. Tuy nhiên một số đỉnh nhiễu
xạ có cường độ nhiễu xạ nhỏ, điều này cho thấy rằng các băng chưa kết tinh
hoàn toàn.
Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của các băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ
Hình 3.2 là đường cong từ trễ của các mẫu băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0,
2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt. Hình chèn bên trong hình 2 là sự phụ thuộc của
lực kháng từ vào nồng độ Si của các băng hợp kim. Có thể thấy rằng lực
kháng từ tăng từ 3,26 đến 3,95 kOe khi nồng độ Si tăng từ 0 đến 2%. Tuy
nhiên, khi nồng độ Si tăng hơn nữa (tăng lên 4%) thì lực kháng từ của băng
27
hợp kim lại giảm mạnh xuống còn 2,1 kOe. Điều này có thể giải thích rằng
các đỉnh nhiễu xạ của pha từ cứng Co5Zr tăng trong các băng với nồng độ Si
tăng từ 0 đến 2% và sau đó giảm với sự tăng hơn nữa của nồng độ Si lên 4%.
Hình 3.2. Đường cong từ trễ của các mẫu băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) trước khi ủ nhiệt 3.2. Ảnh hƣởng của pha tạp Si và ủ nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của
băng hợp kim Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4)
Để cải thiện các tính chất từ của băng hợp kim và nghiên cứu ảnh
hưởng của quá trình ủ nhiệt, chúng tôi tiến hành ủ các băng hợp kim ở các nhiệt độ khác nhau từ 600 đến 750oC trong thời gian 10 phút. Hình 3.3 cho
thấy các đường cong từ trễ của các mẫu băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) ủ ở các nhiệt độ khác nhau 600, 650, 700 và 750oC. Các kết quả cho thấy rằng
lực kháng từ phụ thuộc mạnh vào nồng độ Si và nhiệt độ ủ. Với mỗi nhiệt độ
ủ, lực kháng từ tăng và sau đó giảm với sự tăng hơn nữa của nồng độ Si lên
28
4%.
Hình 3.3. Đường cong từ trễ của các mẫu băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) ủ ở các nhiệt độ khác nhau (a) 600, (b) 650, (c) 700, và (d) 750oC trong 10 phút.
Hình 3.4 là sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ ủ với các nồng
độ Si khác nhau từ 0 đến 4%. Lực kháng từ cao nhất 4,5 kOe đã thu được cho mẫu băng với pha tạp 3% Si và ủ ở 650oC trong thời gian 10 phút. Sự tăng
cường lực kháng từ này có thể được giải thích là do tăng cường tương tác cặp
khi kích thước hạt tối ưu [12]. Tuy nhiên, ở nhiệt độ ủ cao hơn kích thước hạt
29
tăng lên đáng kể khác xa với kích thước hạt tối ưu nên tính chất từ lại giảm.
Hình 3.4. Sự phụ thuôc của lực kháng từ Hc vào nhiệt độ ủ của các băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) khi ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong 10 phút
Hình 3.5 là phổ nhiễu xạ tia X của các băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) khi ủ ở nhiệt độ 650oC trong 10 phút. Có thể thấy rằng phổ nhiễu xạ tia
X của các băng với nồng độ Si là 0, 2 và 4% là tương tự với phổ nhiễu xạ tia
X của chúng lúc trước khi ủ. Trong khi đó cường độ các đỉnh nhiễu xạ của
mẫu băng với nồng độ Si là 3% lại tăng mạnh. Kết quả này phủ hợp tốt với
các tính chất từ thu được.
30
Hình 3.5. Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) ủ ở nhiệt độ 650oC trong 10 phút
Bảng 3.1. Tính chất từ của các băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) ủ ở nhiệt độ 650oC trong 10 phút.
x Br (kG)
0 2 3 4 Ms (emu/g) 74 77 73 74 4.10 4.36 4.26 4.33 Hc (kOe) 3.03 3.34 4.5 3.07 (BH)max (MGOe) 2.99 3.28 3.53 3.44
Tính chất từ của các băng Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) ủ ở nhiệt độ 650oC trong 10 phút được thể hiện trong bảng 3.1. Cụ thể, một sự thay thế
nhỏ của Si cho Zr đã cải thiện đáng kể tính chất từ của băng hợp kim. Đặc
biệt, lực kháng từ Hc và tích năng lượng cực đại (BH)max đã tăng tương ứng là
48,5% và 54%. Kết quả thu được này có thể so sánh với kết quả của Chang và
các cộng sự [12], Hc = 4.5 kOe (tăng 40%), and (BH)max = 5.3 MGOe (tăng
31
30%) đã thu được với băng hợp kim Co80Zr17Si1B2.
KẾT LUẬN
Trong quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã thu
được một số kết quả sau:
- Biết cách tiến hành một nghiên cứu khoa học
- Đã tìm hiểu được một số quy trình công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng:
nấu hồ quang, phun băng nguội nhanh, ủ nhiệt,…
- Đã chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của pha tạp Si và ủ nhiệt lên cấu
trúc và tính chất từ của băng hợp kim Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4). Cấu
trúc của băng hợp kim Co77Zr20-xSixB3 (x = 0, 2, 3 và 4) gồm 2 pha từ mềm
fcc-Co và Co23Zr6 và pha từ cứng Co5Zr. Lực kháng từ và tích năng lượng
(BH)max lớn nhất tương ứng 4,5 kOe và 3,53 MGOe đã thu với băng hợp kim khi pha
32
3% Si thay thế cho Zr.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A.M. Gabai, N.N. Schegolewa, V.S. Gaviko, G.V. Ivanova, Phys Met.
Metall. 95, 122–128 (2003).
[2] C.C. Hsieh, C.W. Shih, Z. Liu, W.C. Chang, H.W. Chang, A.C. Sun, J.
Appl. Phys. 111, 07E306 (2012).
[3] C.H. George, J.M.M.M. 200, 373 (1999).
[4] D.C. Jiles, J. Acta Materialia. 51, 5907-5939 (2003).
[5] D.J. Branagan, M.J. Kramer, R.W. McCallum, J. Alloys Compd. 244,
27 (1996).
[6] 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.
[7] E.F. Kneller, R. Hawig, IEEE Transactions on Magnetics. 27, 3588
(1991).
[8] G.V. Ivanova, N.N. Shchegoleva, A.M. Gabay, J. Alloys Comp. 432,
135–141 (2007).
[9] H. Kronmuller, S. Parkin, John Wiley & Sons Ltd, 1943 (2007).
[10] H.H. Stadelmaier, T.S. Jang, E.Th. Henig, Mater. Lett. 12, 295–300
(1991).
[11] H.W. Chang, C.C. Hsieh, J.Y. Gan, Y.T. Cheng, M.F. Shih, W.C.
Chang, Journal of Physics D: Applied Physics. 44, 064002 (2011).
[12] 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).
[13] H.W. Chang, C.H. Chiu, W.C. Chang, Appl. Phys. Lett. 82, 4513
(2003).
[14] H.W. Chang, Y.H. Lin, C.W. Shih, W.C. Chang, C.C. Shaw, J. Appl.
33
Phys. 115, 17A724 (2014).
[15] 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.
[16] J. Bauer, M. Seeger, A. Zern, H. Kronmüller, J. Appl. Phys. 80, 1667
(1996).
[17] J.F. Herbst, Reviews of Modern Physics. 63, 819 (1991).
[18] 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).
[19] K.H.J. Buschow, J.H. Wernick, G.Y. Chin, J. Less Common Met. 59,
61 (1978).
[20] M.E. McHenry, D.E. Laughlin, Acta Materialia. 48, 223-238 (2000).
[21] R. Coehoorn, D. B. Mooij, J.P.W.B. Duchateau and K. H. J. Buchow,
Journal de physique. 49, 669-670 (1988).
[22] S.F. Cheng, W.E. Wallace, B.G. Demczyk, Pittsburgh, PA, October
1990, Carnegie-Mellon University, Pittsburgh, PA, 477–487 (1991).
[23] T. Saito and M. Itakura, J. Alloys Compd. 572, 124-128 (2013).
[24] T. Saito, Appl. Phys. Lett. 82, 2305–2307 (2003).
[25] W. Zhang, S. Zhang, A. Yan, H. Zhang, B. Shen, J.M.M.M. 225, 389-
393 (2001).
[26] W.C. Chang, D.Y. Chiou, S.H. Wu, B.M. Ma, C.O. Bounds, Appl.
Phys. Lett. 72, 121 (1998).
[27] Z. Hou, H. Li, W. Wang, J. Alloys Compd. 593, 1-6 (2014).
[28] Z. Hou, S. Xu, J. Zhang, C. Wu, D. Liu, F. Su, W. Wang, J. Alloys
34
Compd. 555, 28-32 (2013).
