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Aimants permanents et procédé de fabrication d'un alliage d'acier pour aimants permanents.
La présente invention a pour objet des aimants permanents ainsi qu'un procédé de fabrication et de traitement thermique d'un alliage d'acier servant à la fabrication d'aimants permanents.
On connaît déjà des alliages de nickel, de cobalt et )ne titane servant à la fabrication des aimants permanents et comportant éventuellement d'autres additions, par exemple de l'aluminium. Il s'est révélé que le traitement thermique recommandé pour ces alliages, à savoir le refroidissement très rapide dans un moule métallique de coulée ou un récipient ana-
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logue, ne conduit pas, en général, à des produits utilisables en pratique.
La présente invention est basée sur la constatation que les alliages de nickel, de cobalt, d'aluminium et de titane, à teneur en cobalt relativement faible, peuvent posséder de très bonnes qualités magnétiques si l'on compense plus ou moins la diminution du pourcentage du ,cobalt par une augmentation de la teneur en nickel et si l'on donne en outre à la vitesse moyenne de refroidissement pendant la trempe une valeur inférieure à celle qu'on obtient dans le cas du refroidissement dans un moule de coulée métallique.
D'après la présente invention, on prépare en conséquence, par fusion ou par concrétion, un alliage exempt de carbone ou pauvre en carbone, destiné à la fabrication d'aimants permanents et contenant 22 à 32 % de nickel, environ 2 à 15 % de cobalt, 7 à 0,5 % de titane, 5 à 12 % d'aluminium, éventuellement 0,5 à 8 % de cuivre et jusqu'à 1,5 % d'impuretés, le reste étant du fer, puis on porte cet alliage à une température élevée, soit immédiatement après la coulée, soit après réchauffage;
on le refroidit ensuite à une vitesse moyenne déterminée par sa composition, de préférence à raison de 3 à 7 C par seconde, depuis environ 1200 C jusqu'à environ 650 C, puis d'une façon quelconque, par exemple dans l'air, jusqu'à la température ordinaire, la vitesse moyenne précitée étant telle qu'on obtienne pour l'expression (B H)max une valeur au moins égale à 1.500.000. Il est bon de faire suivre ce refroidissement de l'un des traitements usuels de revenu.
Le procédé faisant l'objet de la présente invention permet d'obtenir différents avantages. Il supprime le risque de rupture de l'alliage coulé résultant du procédé indiqué en premier lieu, c'est-à-dire du refroidissement dans un moule métallique de coulée d'un alliage de la composition indiquée,
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de sorte qu'on obtient à cet égard une économie de matière et de temps qui est considérable. D'autre part, on obtient une réduction du prix de revient également par le fait que la quantité nécessaire de cobalt est relativement faible et qu'il suffit de remplacer cette matière, qui est relativement coûteuse comme on le sait, par une quantité relativement faible de nickel, dont le prix est notablement inférieur.
Par le procédé conforme à la présente invention, on peut préparer des alliages d'acier magnétique ayant après aimantation une rémanence d'environ 5000 à 7000 gauss et une . force coercitive d'environ 1000 à 600 gauss, les aimants présentant une valeur de (B H)max qui atteint au moins 1.500.000 et pour certains d'entre eux même plus de 2.000.000.
La fabrication des alliages d'acier peut se faire non seulement par coulée mais aussi, d'une manière connue, par mélange des constituants, de préférence sous la forme d'alliages préliminaires et intermédiaires, à l'état broyé, par*-une compression plus ou moins poussée et finalement par homogénéisation au moyen d'une fusion agglomérante.
Bien qu'une addition de cuivre n'améliore pas sensiblement, en général, les propriétés magnétiques des alliages précités, la Demanderesse a observé que, dans certains cas, le cuivre peut être avantageux, du fait que par ce moyen on peut atteindre une force coercitive plus grande, avec toutefois une diminution de la rémanence.
D'autre part, on règle de préférence le rapport entre le titane et l'aluminium de telle façon que la somme des proportions de ces deux constituants soit comprise entre 8 et 16 %, et de préférence .égale à environ 11 à 13 %; la Demanderesse a observé en effet que ce pourcentage confère aux alliages considérés des qualités magnétiques très avantageuses.
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Bien entendu, on peut également obtenir la teneur de 0,5 à 7 % de titane par une addition correspondante du ferro-titane usuel pour les applications de ce genre et qu'on peut estimer contenir, suivant sa qualité, environ 20 à 40 % de titane. Mais, dans ce cas, il faut tenir compte des additions telles que l'aluminium, le silicium, le cuivre et le manganèse qui,existent dans l'alliage ferreux en plus du fer et du titane. Il est à noter que le silicium qui existe presque toujours dans le ferro-titane ne doit pas représenter un pourcentage trop élevé de l'alliage magnétique, c'est-à-dire qu'il ne doit constituer que moins de 1 % de cet alliage, sinon les qualités magnétiques des alliages indiqués sont influencées d'une façon défavorable. Le manganèse qui existe dans l'alliage ferreux ne modifie pas sensiblement les propriétés magnétiques des alliages.
Les pourcentages les plus élevés indiqués ci-dessus pour le nickel, le cobalt et le titane ne doivent pas, de préférence, être utilisés simultanément dans le même alliage, étant donné que dans ce cas on ne peut pas en général atteindre les valeurs maxima des qualités magnétiques par un traitement thermique industriel simple. Aux teneurs faibles en nickel correspond une teneur élevée en cobalt, et réciproquement.
Bien que les alliages soient relativement peu sensibles aux écarts par rapport au traitement thermique le plus favorable, il y a toutefois lieu de signaler que, pour pouvoir obtenir les valeurs maxima possibles de la rémanence et de la force coercitive, il faut pour chaque alliage d'acier magnétique une vitesse de refroidissement déterminée à partir de la température ci-dessus indiquée, cette vitesse étant fonction de sa composition.
En général, on procède au traitement thermique selon la présente invention en portant la pièce coulée à une tempé-
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rature aussi élevée que possible, et en tout cas à une température supérieure à 1150 C, après quoi on la refroidit jusqu'à 650 C environ à une vitesse qui est déterminée au préalable par des essais sur des éprouvettes, mais qui doit être inférieure à 35 C par seconde, puis on la refroidit d'une façon quelconque, par exemple à l'air.
Les moyens qu'on peut utiliser de préférence pour la trempe précitée sont, par exemple, l'huile ou l'eau argileuse, qu'on utilise de préférence pour les pièces de dimensions relativement grandes, l'air comprimé, le sable humide, l'air au repos, le sable sec ou des fours chauffés à une température appropriée.
L'opération de revenu que l'on fait en général suivre et qui consiste en un réchauffage de l'alliage jusqu'à une température de 600 à 700 C peut également s'effectuer immédiatement après le refroidissement de trempe, sans refroidissement intermédiaire jusqu'à la température ordinaire.
Dans certains cas spéciaux, par exemple dans le cas de pièces coulées de dimensions modérées et de forme favorable, il est même possible de refroidir la pièce par une simple coulée dans un moule approprié en sable de moulage sec ou humide, de façon à obtenir automatiquement, sans autres précautions, la vitesse de refroidissement nécessaire pour la pièce, de telle sorte qu'une trempe ultérieure devient superflue.
Pour faire ressortir nettement le progrès que repré- sente l'invention, quelques valeurs obtenues par des essais vont être indiquées ci-après à titre d'exemple.
Les pièces dont on est parti avaient des dimensions de 10 x 30 x 32 mm.
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Quelques-uns des résultats obtenus sont reproduits sur le tableau suivant, les constituants existant dans le ferro-titane, comme par exemple l'aluminium, étant compris dans les pourcentages indiqués.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Composition <SEP> Vitesse <SEP> moyenne <SEP> de
<tb> de <SEP> refroidissement <SEP> valeurs <SEP> obtenues
<tb> l'alliage <SEP> entre <SEP> 1250 <SEP> et <SEP> 600 C
<tb> Brem. <SEP> 5.300
<tb> 28% <SEP> Ni
<tb> 12% <SEP> Co <SEP> H
<tb> 12% <SEP> Ferrotitane <SEP> (= <SEP> environ <SEP> 4.5 <SEP> C/sec <SEP> coerc. <SEP> 900
<tb> 2.6% <SEP> Ti <SEP> et <SEP> 1.2%
<tb> Al) <SEP> (BH)
<tb> 11.2% <SEP> Al <SEP> max. <SEP> 1.620.000
<tb> B
<tb> rem. <SEP> 6.750
<tb> 25% <SEP> Ni
<tb> 7% <SEP> Co <SEP> H
<tb> 12% <SEP> FeTi <SEP> environ <SEP> 6.5 <SEP> C/sec <SEP> coerc. <SEP> 650
<tb> 9.2% <SEP> Al.
<tb>
(BH)
<tb> max. <SEP> 1.700.000
<tb> B
<tb> rem. <SEP> 6.000
<tb> 27% <SEP> Ni
<tb> 4% <SEP> Co <SEP> environ <SEP> 6.5 <SEP> C/sec <SEP> H
<tb> 12% <SEP> FeTi <SEP> coerc. <SEP> 700
<tb> 10.2% <SEP> Al. <SEP> (BH)
<tb> max. <SEP> 1.540.000
<tb> B
<tb> rem. <SEP> 6.000
<tb> 27% <SEP> Ni
<tb> 4% <SEP> Co <SEP> H
<tb> 12% <SEP> FeTi <SEP> environ <SEP> 4 <SEP> C/sec <SEP> coerc. <SEP> 700
<tb> 10.2% <SEP> Al
<tb> 1.5% <SEP> Cu <SEP> (BH)
<tb> max. <SEP> 1.
<SEP> 600.000
<tb>
A titre d'exemple tiré de la construction des hautparleurs, on peut encore indiquer qu'un aimant annulaire ayant la grandeur actuellement adoptée dans les haut-parleurs électrodynamiques et une composition obtenue par la coulée d'un alliage comprenant environ 25 % de nickel, 7 % de cobalt, 12 % de ferro-
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titane (soit environ 2,5 % de titane), 8 % d'aluminium, le reste étant principalement du fer, a fourni les valeurs magnétiques suivantes:
EMI7.1
<tb>
<tb> B
<tb> rem <SEP> 6. <SEP> 900 <SEP> gauss
<tb> H
<tb> coerc <SEP> 650 <SEP> gauss
<tb> (BH)
<tb> max <SEP> 1. <SEP> 600.000
<tb>
Les dimensions de l'anneau étaient les suivantes:
EMI7.2
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> extérieur <SEP> 74 <SEP> mm
<tb> Diamètre <SEP> intérieur <SEP> 47 <SEP> mm
<tb> Hauteur <SEP> 37 <SEP> mm <SEP>
<tb>
L'anneau a été coulé et ensuite porté à nouveau à une température de 1250 C, après quoi il a été refroidi jusqu'à 600 C environ, en deux minutes et demie, dans de l'eau argileuse à la température ordinaire, puis à l'air. Il en résulte une vitesse de refroidissement d'environ 4,5 C par seconde.
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Permanent magnets and a method of making a steel alloy for permanent magnets.
The present invention relates to permanent magnets as well as a method of manufacturing and heat treatment of a steel alloy used in the manufacture of permanent magnets.
Nickel, cobalt and) non-titanium alloys are already known which are used in the manufacture of permanent magnets and which optionally include other additions, for example aluminum. It has been found that the recommended heat treatment for these alloys, namely very rapid cooling in a metal casting mold or an ana-
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logue, does not generally lead to products that can be used in practice.
The present invention is based on the observation that the alloys of nickel, cobalt, aluminum and titanium, with a relatively low cobalt content, can have very good magnetic qualities if one more or less compensates for the decrease in the percentage. of, cobalt by increasing the nickel content and if the average cooling rate during quenching is also given a lower value than that obtained in the case of cooling in a metal casting mold.
According to the present invention, therefore, by melting or concretion, an alloy free of carbon or low in carbon, intended for the manufacture of permanent magnets and containing 22 to 32% nickel, approximately 2 to 15%, is prepared. cobalt, 7 to 0.5% titanium, 5 to 12% aluminum, possibly 0.5 to 8% copper and up to 1.5% impurities, the remainder being iron, then one carries this alloy at a high temperature, either immediately after casting or after reheating;
it is then cooled at an average speed determined by its composition, preferably at a rate of 3 to 7 C per second, from approximately 1200 C to approximately 650 C, then in any way, for example in air, up to ordinary temperature, the aforementioned average speed being such that a value at least equal to 1,500,000 is obtained for the expression (BH) max. It is good to follow this cooling with one of the usual tempering treatments.
The method forming the subject of the present invention makes it possible to obtain various advantages. It eliminates the risk of rupture of the cast alloy resulting from the process indicated in the first place, that is to say cooling in a metal casting mold of an alloy of the composition indicated,
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so that in this respect a saving of material and time is obtained which is considerable. On the other hand, a reduction in the cost price is also obtained by the fact that the necessary quantity of cobalt is relatively small and that it suffices to replace this material, which is relatively expensive as is known, by a relatively small quantity. of nickel, the price of which is significantly lower.
By the process according to the present invention, it is possible to prepare magnetic steel alloys having after magnetization a remanence of about 5000 to 7000 gauss and one. coercive force of about 1000 to 600 gauss, the magnets having a value of (B H) max which reaches at least 1,500,000 and for some of them even more than 2,000,000.
The manufacture of steel alloys can be carried out not only by casting but also, in a known manner, by mixing the constituents, preferably in the form of preliminary and intermediate alloys, in the ground state, by * -a more or less extensive compression and finally by homogenization by means of an agglomerating fusion.
Although an addition of copper in general does not substantially improve the magnetic properties of the aforementioned alloys, Applicants have observed that in some cases copper may be advantageous, since by this means a force can be achieved. greater coercive force, but with a decrease in afterglow.
On the other hand, the ratio between titanium and aluminum is preferably adjusted such that the sum of the proportions of these two constituents is between 8 and 16%, and preferably equal to approximately 11 to 13%; the Applicant has in fact observed that this percentage gives the alloys considered very advantageous magnetic qualities.
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Of course, one can also obtain the content of 0.5 to 7% of titanium by a corresponding addition of the usual ferro-titanium for applications of this type and which can be estimated to contain, depending on its quality, about 20 to 40%. titanium. But, in this case, it is necessary to take into account additions such as aluminum, silicon, copper and manganese which exist in the ferrous alloy in addition to iron and titanium. It should be noted that the silicon which almost always exists in the ferro-titanium must not represent too high a percentage of the magnetic alloy, that is to say it must constitute only less than 1% of this. alloy, otherwise the magnetic qualities of the indicated alloys are adversely affected. The manganese that exists in the ferrous alloy does not significantly change the magnetic properties of the alloys.
The highest percentages indicated above for nickel, cobalt and titanium should preferably not be used simultaneously in the same alloy, since in this case it is generally not possible to achieve the maximum values of magnetic qualities by simple industrial heat treatment. The low nickel contents correspond to a high cobalt content, and vice versa.
Although the alloys are relatively insensitive to deviations from the most favorable heat treatment, it should however be noted that, in order to be able to obtain the maximum possible values of the remanence and the coercive force, it is necessary for each alloy 'magnetic steel a cooling rate determined from the temperature indicated above, this rate being a function of its composition.
In general, the heat treatment according to the present invention is carried out by bringing the casting to a temperature.
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rature as high as possible, and in any case at a temperature above 1150 C, after which it is cooled to about 650 C at a rate which is determined beforehand by tests on specimens, but which must be lower than 35 C per second, then cooled in some way, for example in air.
The means which can preferably be used for the aforementioned quenching are, for example, oil or clay water, which is preferably used for parts of relatively large dimensions, compressed air, wet sand, air at rest, dry sand or furnaces heated to a suitable temperature.
The tempering operation which is generally followed and which consists of reheating the alloy to a temperature of 600 to 700 ° C. can also be carried out immediately after the quench cooling, without intermediate cooling until at room temperature.
In some special cases, for example in the case of castings of moderate dimensions and favorable shape, it is even possible to cool the part by a simple casting in a suitable mold of dry or wet molding sand, so as to automatically obtain , without further precautions, the cooling speed required for the part, so that subsequent quenching becomes superfluous.
In order to clearly demonstrate the progress represented by the invention, a few values obtained by tests will be given below by way of example.
The pieces we started with had dimensions of 10 x 30 x 32 mm.
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Some of the results obtained are reproduced in the following table, the constituents existing in ferro-titanium, such as aluminum, for example, being included in the percentages indicated.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Composition <SEP> Average <SEP> speed <SEP> of
<tb> from <SEP> cooling <SEP> <SEP> values obtained
<tb> the <SEP> alloy between <SEP> 1250 <SEP> and <SEP> 600 C
<tb> Brem. <SEP> 5.300
<tb> 28% <SEP> Ni
<tb> 12% <SEP> Co <SEP> H
<tb> 12% <SEP> Ferrotitanium <SEP> (= <SEP> approximately <SEP> 4.5 <SEP> C / sec <SEP> coerc. <SEP> 900
<tb> 2.6% <SEP> Ti <SEP> and <SEP> 1.2%
<tb> Al) <SEP> (BH)
<tb> 11.2% <SEP> Al <SEP> max. <SEP> 1,620,000
<tb> B
<tb> rem. <SEP> 6.750
<tb> 25% <SEP> Ni
<tb> 7% <SEP> Co <SEP> H
<tb> 12% <SEP> FeTi <SEP> approximately <SEP> 6.5 <SEP> C / sec <SEP> coerc. <SEP> 650
<tb> 9.2% <SEP> Al.
<tb>
(BH)
<tb> max. <SEP> 1,700,000
<tb> B
<tb> rem. <SEP> 6.000
<tb> 27% <SEP> Ni
<tb> 4% <SEP> Co <SEP> approximately <SEP> 6.5 <SEP> C / sec <SEP> H
<tb> 12% <SEP> FeTi <SEP> coerc. <SEP> 700
<tb> 10.2% <SEP> Al. <SEP> (BH)
<tb> max. <SEP> 1,540,000
<tb> B
<tb> rem. <SEP> 6.000
<tb> 27% <SEP> Ni
<tb> 4% <SEP> Co <SEP> H
<tb> 12% <SEP> FeTi <SEP> approximately <SEP> 4 <SEP> C / sec <SEP> coerc. <SEP> 700
<tb> 10.2% <SEP> Al
<tb> 1.5% <SEP> Cu <SEP> (BH)
<tb> max. <SEP> 1.
<SEP> 600,000
<tb>
As an example taken from the construction of loudspeakers, it can also be indicated that an annular magnet having the size currently adopted in electrodynamic loudspeakers and a composition obtained by the casting of an alloy comprising about 25% nickel, 7% cobalt, 12% ferro-
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titanium (roughly 2.5% titanium), 8% aluminum, the rest being mostly iron, provided the following magnetic values:
EMI7.1
<tb>
<tb> B
<tb> rem <SEP> 6. <SEP> 900 <SEP> gauss
<tb> H
<tb> coerc <SEP> 650 <SEP> gauss
<tb> (BH)
<tb> max <SEP> 1. <SEP> 600,000
<tb>
The dimensions of the ring were as follows:
EMI7.2
<tb>
<tb> Outside diameter <SEP> <SEP> 74 <SEP> mm
<tb> Inside diameter <SEP> <SEP> 47 <SEP> mm
<tb> Height <SEP> 37 <SEP> mm <SEP>
<tb>
The ring was cast and then brought again to a temperature of 1250 C, after which it was cooled to about 600 C, in two and a half minutes, in clay water at room temperature, then to the air. This results in a cooling rate of about 4.5 C per second.