Vật liệu từ cứng: Khái niệm, Phân loại và Ứng dụng

Vật liệu từ cứng: Khái niệm, Phân loại và Ứng dụng

1. Khái niệm Vật liệu từ cứng

Độ từ thẩm của vật liệu từ cứng thấp hơn vật liệu từ mềm; và lực kháng từ càng cao thì độ thẩm càng nhỏ.

Công dụng chủ yếu của vật liệu từ cứng được dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu mạch từ trong các dụng cụ đo, như cơ cấu đo điện từ (ampe mét, vôn mét). Cực từ của máy điện công suất nhỏ.

Tính chất của vật liệu từ cứng phụ thuộc vào cấu tạo tinh thể và cấu trúc từ. Tất cả các vật liệu từ cứng đạt được tính chất tốt khi có sự biến dạng mạng tinh thể lớn.

Các vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu được đặc trưng bằng các tham số: lực kháng từ, từ dư và năng lượng lớn nhất được vào không gian xung quanh. Nam châm kín (dạng hình xuyến) không mất năng lượng cho không gian bên ngoài. Khi các khe hở không khí giữa các cực sẽ xuất hiện năng lượng truyền ra không gian, giá trị năng lượng phụ thuộc vào chiều dài của khe hở.

2. Các loại vật liệu từ cứng

2.1. Hợp kim từ cứng đúc

Hợp kim ba nguyên tố Al – Ni – Fe thường được gọi alumi có năng lượng từ lớn. Khi cho thêm côban hay silic tính chất từ của hợp kim này tăng lên hợp kim alumi có chất phụ silic gọi là alumisi, nếu cho chất phụ là côban gọi là alumicô, nếu hợp kim alunicô có hàm lượng côban lớn nhất gọi là macnicô.

Hợp kim macnicô được tăng cường không chỉ thành phần của nó, mà còn nhờ gia công đặc biệt làm nguội nam châm sau khi rót ra trong từ trường mạnh. Không đẳng hướng là một đặc tính mạnh của hợp kim manicô. Tính chất từ tốt nhất theo hướng khi làm nguội nó có từ trường tác động.

Nam châm hợp kim manicô nhẹ hơn nam châm alumi cùng năng lượng là 4 lần và nhẹ hơn nam châm thép – crôm thông thường là 22 lần.

Nhược điểm của các hợp kim aluni, alunicô và macnicô là khó chế tạo các chi tiết có kích thước chính xác, hợp kim giòn và cứng, chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài.

2.2. Các nam châm bột

Chế tạo nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp luyện kim bột được để ra vì hợp kim đúc sắt – niken – nhôm không thể chế tạo sản phẩm nhỏ và kích thước chính xác được. Có hai loại nam châm bột: nam châm bột kim loại gốm và nam châm bột có các hạt gần bằng chất kết dính nào đó (nam châm kim loại dẻo).

Nam châm gốm
Nam châm gốm
Nam châm dẻo
Nam châm dẻo

Nam châm bột kim loại gốm được chế tạo ép bột nghiền từ hợp kim từ cứng sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao tương tự như quá trình nung gốm. Các chi tiết nhỏ chế tạo theo công nghệ này tương đối chính xác, không cần gia công thêm.

Nam châm ngược gần bằng chất kết dính chế tạo bằng cách ép các chi tiết bằng chất dẻo nhưng chất độn ở đây nghiền bằng hợp kim từ cứng. Vì chất độn cứng nên cần áp suất riêng để ép cao và có thể bằng 5 tấn/cm2.

Nam châm kim loại bột kinh tế nhất khi sản xuất tự động hoá hàng loạt nam châm có cấu tạo phức tạp và kích thước không lớn. Công nghệ hợp kim dẻo có thể chế tạo nam châm có lõi. Tính chất của các nam châm kim loại dẻo kém nhiều: Lực kháng từ giảm 19-15%, từ dư giảm 35-50%, năng lượng tích luỹ giảm 40-60% so với nam châm đúc. Sự giảm các tính chất từ là do hàm lượng chất kết dính không từ tính lớn (khoảng 30%). Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, do đó có thể sử dụng nó trong các thiết bị có biến đổi từ trường biến đổi tần số cao.

2.3. Ferít từ cứng

Trong số các ferít từ cứng được biết nhiều nhất là ferít bari (BaO6Fe2O3); khác với ferít từ mềm nó không có cấu trúc lập phương mà là mạng tinh thể hình lục giác có dị hướng một trục.

Công nghệ sản xuất loại nam châm bari đẳng hướng tương tự như ferít từ mềm, còn công nghệ sản xuất loại nam châm bari dị hướng là việc ép tiến hành trong từ trường định hướng có cường độ 650 – 800 kA/m.

Nam châm bari được sản xuất ở dạng rông đen và đĩa mỏng. Chúng có tính ổn định cao đối với tác dụng của từ trường ngoài, chịu được lắc, va đập. Khối lượng riêng ferít bari d = 4,4 – 4,9g/cm3, nhỏ hơn hợp kim sắt – niken đúc 1,5 lần, cho nên nam châm nhẹ hơn. Điện trở suất khối ferít bari r = 106 – 109 W.cm, nghĩa là lớn hơn điện trở suất của hợp kim, kim loại đúc hàng triệu lần. Nam châm ferít bari có thể dùng ở tần số cao và giá thành rẻ.

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nó có nhược điểm đó là: Độ bền cơ thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Ngoài ra nó còn có tính chất từ không thuận nghịch sau khi làm lạnh nó từ nhiệt độ trong phòng đến nhiệt độ thấp -600C rồi lại làm nóng lên đến nhiệt độ ban đầu.

3. Ứng dụng của vật liệu từ cứng

Vật liệu từ cứng (hard magnetic materials) có khả năng giữ lại tính từ trường sau khi đã bị tác động bởi một từ trường bên ngoài và thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến lưu trữ và làm việc với từ trường. Dưới đây là một số ứng dụng quan trọng của vật liệu từ cứng:

  1. Nam châm cố định: Vật liệu từ cứng được sử dụng để tạo ra nam châm cố định, chẳng hạn như nam châm neodymium-iron-boron (NdFeB), trong các ứng dụng như động cơ điện, máy phát điện và máy móc công nghiệp để tạo ra từ trường mạnh và ổn định.
  2. Lưu trữ dữ liệu: Vật liệu từ cứng được sử dụng trong ổ cứng và đĩa cứng để lưu trữ dữ liệu. Các mảnh từ cứng trên bề mặt đĩa cứng giữ lại thông tin dưới dạng từ trường, cho phép lưu trữ dữ liệu trong thời gian dài.
  3. Ứng dụng trong điện tử: Vật liệu từ cứng được sử dụng trong các ứng dụng điện tử như cảm biến từ trường, cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ.
  4. Tạo ra từ trường mạnh: Vật liệu từ cứng được sử dụng trong các thiết bị tạo từ trường mạnh, chẳng hạn như trong MRI (Magnetic Resonance Imaging) để tạo ra từ trường cần thiết để chụp hình cơ quan bên trong cơ thể người.
  5. Điều chỉnh từ trường: Vật liệu từ cứng có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị điều chỉnh từ trường, chẳng hạn như trong bộ định hướng từ trường trong các thiết bị điều hướng.
  6. Ứng dụng trong ngành công nghiệp: Vật liệu từ cứng cũng được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như tách sắt từ các vật liệu khác trong quá trình sản xuất và tái chế.

Những ứng dụng này thể hiện sự quan trọng của vật liệu từ cứng trong việc tạo ra từ trường mạnh và trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, công nghệ và y tế.

Xem thêm: Vật liệu từ mềm – Vật liệu dẫn từ

Share this post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *