Trong thế giới hiện đại, nhu cầu về nam châm đất hiếm lớn hơn rất nhiều lần so với những gì chúng ta nghĩ. Chưa kể có những sản phẩm xung quanh ta cần có nam châm để hoạt động mà ta không hề biết, đảm bảo khi biết rồi bạn sẽ bất ngờ đó! Cùng ULVAC tìm hiểu về nam châm, ứng dụng và cách tạo ra nó có dễ hay không nhé^^
Nam châm là gì
Đó là một vật có khả năng hút các kim loại và hợp kim của chúng. Nam châm có hai cực Bắc và Nam. Xung quanh nam châm luôn tồn tại một từ trường có đường sức từ đi từ Bắc đến Nam.
Các loại nam châm
- Nam châm Alnico: là một loại nam châm vĩnh cửu bao gồm các thành phần nhôm (Al), Niken(Ni) và Cobalt (Co). Trước khi phát minh ra nam châm đất hiếm thì nam châm Alnico là nam châm mạnh nhất.
- Nam châm Ferrite: nó có thành phần chính là hợp chất sắt 3 Oxit (Fe2O3) và Barium Oxit (BaO). Nam châm Ferrite có giá thành rẻ do công đoạn sản xuất không quá phức tạp. Do đó nó được sử dụng nhiều cho các ứng dụng phổ thông, không đòi hỏi quá cao về đặc tính.
- Nam châm Samarium-Cobalt: nó được phân loại là một trong những loại nam châm đất hiếm. Nó được cấu thành từ 2 hợp chất của kim loại là Samarium(Sm) và Cobalt(Co). Đây là loại nam châm có sức mạnh từ tính đứng thứ hai chỉ sau nam châm Neodymium. Tuy nhiên nó có khả năng chịu nhiệt cực tốt, có thể lên tới 500 độ C.
- Nam châm đất hiếm Neodymium, ký hiệu NdFeb, là loại nam châm vĩnh cửu có lực từ mạnh nhất thế giới đến thời điểm hiện tại. Nó được làm từ hợp kim Neodymium, sắt tinh khiết và Boron (Bo) tạo thành Nd2Fe14B, gọi tắt là NdFeB. Nếu so sánh với các loại nam châm khác thì nam châm Neodymium dù có khối lượng và kích thước nhỏ hơn nhưng lại có lực từ cao hơn hẳn. Đây là loại nam châm đang góp phần thay đổi thế giới hiện nay.
Ứng dụng của nam châm
1. Máy tính, điện thoại thông minh
Chúng ta có thể đang sử dụng máy tính, điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh… Trong cuộc sống hàng ngày nhưng chưa bao giờ thắc mắc về sự hiện diện của nam châm bên trong nó. Tuy nhiên nam châm lại là một trong những thành phần tối quan trọng và không thể thiếu trong những sản phẩm đó.
2. Ô tô Hybrid
Động cơ, một trong những bộ phận chính của ô tô hybrid, dùng để truyền động điện từ, được trang bị rôto bằng nam châm vĩnh cửu và nó quay đồng bộ với tần số 3 pha AC. Xe hybrid yêu cầu động cơ nhẹ hơn với công suất cao hơn. Nam châm vĩnh cửu được sử dụng cho chúng là nam châm thiêu kết neodymium. Vì chúng có lực từ mạnh với thân máy nhỏ gọn. Các nam châm thiêu kết neodymium dự kiến sẽ phát triển ở những thị trường nơi những động cơ như vậy có thân máy nhỏ gọn và hiệu suất cao được yêu cầu.
3. TV, loa âm thanh, radio
Nam châm được sử dụng bên trong TV, loa âm thanh và radio. Cuộn dây nhỏ và nam châm bên trong loa biến đổi tín hiệu điện tử thành rung động âm thanh.
4. Máy phát điện
Nam châm được sử dụng bên trong máy phát điện để biến năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Ngược lại, các loại động cơ khác sử dụng nam châm để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
5. Hút kim loại
Nam châm tích điện có thể giúp cần cẩu di chuyển các mảnh kim loại lớn.
Nam châm được sử dụng trong các máy lọc tách quặng kim loại khỏi đá nghiền.
Nó cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm để tách các mảnh kim loại nhỏ ra khỏi ngũ cốc, v.v.
Nam châm có thể giúp thu thập tất cả những chiếc đinh nằm rải rác trên mặt đất sau khi sửa chữa.
Ở nhà, bạn sử dụng nam châm khi dán một tờ giấy lên tủ lạnh để ghi nhớ điều gì đó. Gắn dụng cụ mở chai từ tính vào tủ lạnh có thể rất hữu ích.
6. Máy móc trong lĩnh vực y tế như máy MRI
Nam châm được sử dụng trong các máy MRI được sử dụng để tạo ra hình ảnh về cấu trúc xương, các cơ quan và mô. Ngay cả nam châm cũng được sử dụng để chữa bệnh ung thư.
7. La bàn
Chúng ta thường sử dụng một chiếc la bàn bỏ túi để tìm phương hướng khi đi phượt. La bàn bỏ túi sử dụng kim nam châm để chỉ hướng bắc.
8. Thẻ ngân hàng
Dải tối ở mặt sau của thẻ ghi nợ và thẻ tín dụng có từ tính và được sử dụng để lưu trữ dữ liệu giống như ổ cứng của máy tính.
Quy trình sản xuất nam châm đất hiếm với sự góp mặt của hàng loạt thiết bị do ULVAC sản xuất:
1. Chuẩn bị nguyên liệu thô (Nd, Fe, Boron, Dy,…)
Quy trình sản xuất bắt đầu bằng việc khai thác các nguyên liệu thô cần thiết để sản xuất nam châm đất hiếm.
2. Cân (Scaling)
Ở bước này, ta sẽ cân đo đong đếm các loại nguyên liệu khác nhau theo tỉ lệ phù hợp để làm hỗn hợp nóng chảy ở công đoạn sau.
3. Nấu nóng chảy/ tạo thành cách mảnh mỏng dài (Melting/ Casting)
Nguyên liệu thô đã được cân theo tỉ lệ phù hợp sẽ được nấu chảy trong chân không bằng lò luyện kim chân không (vacuum melting furnace). Hợp kim được làm nóng chảy trong khuôn. Sau đó được đổ lên trục quay được làm lạnh bằng nước. Hợp kim bị làm nguội đột ngột sẽ cứng lại thành từng mảnh mỏng.
Các phương pháp nóng chảy (melting) của ULVAC được các maker sản xuất nam châm lựa chọn:
- Nóng chảy và làm nguội bằng trục quay – phổ biến nhất ( dòng FMI)
- Theo kiểu vòng cung (dòng FMA)
- Plasma (dòng FMP)
- Bắn electron (dòng FME)
4. Phân rã Hydro
Sản phẩm của công đoạn trên sẽ được đưa vào buồng lò phân rã Hydro. Tại đây khí Hydro được nạp vào. Các nguyên tử Hydro đi vào vị trí xen kẽ giữa pha chính của hợp chất và đi vào ranh giới của ‘’hạt giàu’’ Nd, hình thành hợp chất xen kẽ. Do đó khoảng cách giữa các nguyên tử tăng lên. Thể tích mạng được mở rộng. Kết quả là ứng suất bên trong sẽ tạo ra sự nứt vỡ tinh thể. Quá trình này đi kèm với những tiếng răng rắc nên gọi là phân rã Hydro. Quá trình này còn được gọi là quá trình HD. Việc phân rã này tạo ra sự thuận lợi rất lớn cho công đoạn nghiền phản lực tiếp theo.
5. Nghiền phản lực (Jet milling)
Quá trình này sử dụng một tia khí trơ tốc độ cao. Để tăng tốc bột thô lên vận tốc siêu âm và tác động bột vào nhau. Kích thước hạt sau khi nghiền quyết định tính năng của nam châm. Do đó công đoạn này rất quan trọng. Sau khi nghiền phản lực, kích thước hạt đạt từ 3 đến 5 micron.
6. Ép định hướng từ trường (Pressing)
Là công đoạn sử dụng sự tương tác giữa bột từ tính và từ trường bên ngoài. Để sắp xếp bột dọc theo hướng để từ hóa dễ dàng. Ép định hướng từ trường là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất nam châm dị hướng. Hợp kim Nd-Fe-B đã được nghiền thành hạt đơn tinh thể trong quá trình nghiền phản lực trước đó. Hạt đơn tinh thể là dị hướng một trục và mỗi hạt chỉ có một hướng từ hóa dễ dàng.
7. Thiêu kết chân không (Sintering)
Mật độ hạt của công đoạn ép định hướng từ trường đạt khoảng hơn 95% theo lý thuyết. Công đoạn thiêu kết giúp các khoảng trống đan xen trong mạng lưới hạt được kín lại. Nhằm đảm bảo tính đồng nhất của mật độ từ thông và tính ổn định hóa học. Nhiệt độ thiêu kết của Nam châm Neodymium trong khoảng 1,050 đến 1,180 độ C. Nếu nhiệt độ quá cao thì sẽ dẫn đến sự phát triển của hạt và giảm lực kháng từ bên trong. Để có được lực kháng từ lý tưởng, sau khi thiêu kết nam châm Neodymium được ủ ở hai giai đoạn, giai đoạn 900 độ C và 500 độ C. Quá trình này được thực hiện trong một lò thiêu kết liên tục nhiều buồng.
Mời bạn đọc tham khảo thông tin lò thiêu kết chân không ULVAC chuyên dùng cho sản xuất nam châm tại đây
8. Gia công (machining)
Ngoài hình dạng thông thường với kích thước vừa phải, nam châm Neodymium thiêu kết khó có thể trực tiếp đạt được độ chính xác về hình dạng và kích thước cần thiết cùng một lúc do những hạn chế kỹ thuật trong quá trình nén định hướng từ trường, do đó, gia công là một quá trình không thể tránh khỏi đối với nam châm Neodymium thiêu kết. Neodymium thiêu kết rất cứng và giòn, do đó chỉ có thể áp dụng công nghệ cắt, khoan và mài cho quy trình gia công của nó trong công nghệ gia công thông thường. Việc cắt bằng lưỡi thường sử dụng lưỡi được phủ kim cương hoặc phủ CBN. Quá trình khoan của nam châm Neodymium thiêu kết chủ yếu được sử dụng kim cương và laser.
9. Magrise:
Quá trình này giúp tăng hiệu suất từ tính của nam châm, ít bị khử từ tính trong môi trường nhiệt độ cao.
Một nam châm theo phương pháp nạp Dy thông thường có hàm lượng nguyên tố Dy là 3%. Nhưng với những nam châm được khuếch tán ranh giới cấu tạo với hàm lượng Dy 3.5% bằng thiết bị Magrise sẽ làm cho hiệu suất từ tính của nó tốt hơn hoặc tương đương với hàm lượng 7% theo phương pháp thông thường => lượng Dy giảm một nửa!
Hình ảnh EPMA cho thấy Dysprosium lan vào ranh giới cấu tạo:
Thiết bị Magrise này được cấp bằng sáng chế bởi ULVAC, Inc.
10. Già hóa
Quá trình già hóa giúp khử tạp chất, nam châm sạch nhất có thể và không còn khí bên trong.
11. Xử lý bề mặt
Xử lý bảo vệ bề mặt là một quy trình cần thiết đối với nam châm Neodymium. Nam châm Neodymium thiêu kết sở hữu vi cấu trúc đa pha và bao gồm pha chính Nd2Fe14B, pha giàu Nd và pha giàu B. Pha giàu Nd thể hiện xu hướng oxy hóa rất mạnh và sẽ tạo thành pin sơ cấp với pha chính trong môi trường ẩm ướt. Một lượng nhỏ các nguyên tố thay thế có khả năng tăng cường tính ổn định hóa học của nam châm, nhưng phải trả giá bằng hiệu suất từ tính. Do đó, việc bảo vệ nam châm Neodymium thiêu kết chủ yếu nhằm vào bề mặt của nó.
Xử lý bề mặt của nam châm Neodymium thiêu kết có thể được phân loại thành quy trình ướt và quy trình khô. Quá trình (QT) ướt đề cập đến nam châm được xử lý xử lý bảo vệ bề mặt trong nước tinh khiết hoặc dung dịch. QT ướt bao gồm phốt phát, mạ điện, mạ điện, điện di, sơn phun và sơn nhúng. Quá trình khô đề cập đến nam châm được xử lý bảo vệ bề mặt thông qua quá trình vật lý hoặc hóa học mà không tiếp xúc với dung dịch. Quy trình khô thường bao gồm lắng đọng hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa học (CVD).
12. Từ hóa
Sau khi được xử lý bề mặt, nam châm cần nạp từ trường bên ngoài. Cách làm: đặt nó bên trong một cuộn dây mà khi có dòng điện chạy qua, sẽ tạo ra từ trường mạnh gấp ba lần cường độ cần thiết của nam châm.
ULVAC tự hào khi là maker tiên phong trong phát triển các thiết bị để sản xuất ra những chiếc nam châm có lực hút mạnh nhất trên thế giới.
Ngoài cung cấp các thiết bị chúng tôi còn có hỗ trợ tư vấn giải pháp tổng thể, bảo trì, sửa chữa, khắc phục sự cố trong vòng 24h với đội ngũ kỹ sư chuyên nghiệp từ trong Nam ra ngoài Bắc. Hot line 24/24: 0988 248 567 (Mr Ngọc) hoặc 0936 151138 (Ms Hảo)
