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"Procédé de fabrication d'aimants permanents anisotropes"
La présente invention se rapporte à la fabrication d'aimants permanents anisotropes par frittage d'alliages et elle a en particulier pour but d'améliorer les propriétés ma- gnétiques de ces produits frittés, C' est un fait bien connu que les alliages tels que ceux décrits dans le brevet anglais N 522.731 du et ayant la composition suivante :
EMI1.1
<tb> Co <SEP> 16 <SEP> à <SEP> 30 <SEP> %
<tb> Ni <SEP> 12 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> % <SEP> ( <SEP> 7 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> )
<tb>
<tb> Al <SEP> 6 <SEP> à <SEP> 11 <SEP> % <SEP> ( <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 11 <SEP> ) <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 7%
<tb>
<tb> Ti <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3,5%,
<tb>
qui présentent des propriétés magnétiques relativement normales à l'état isotrope :
Br,: 7300 à 9500, H : 640 à 348, BH maximum 1,82 à 1,22 x 106. présentent, après refroidissement, à vitesse déterminée, dans un champ magnétique un cycle d'hystérésis ayant un facteur de saturation anormalement élevé. Du point de vue de leur contexture, ces alliages ne diffèrent pas
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fondamentalement de l'alliage primitif aluminium nickel connu sous le nom de "Mishima Alni", car l'addition de cobalt, de cuivre ou occasionnellement de titane n'introduit pas dans le système de l'alliage de nouvelles considérations métallogra- phiques.
Ces éléments modifient toutefois la nature des phases métallographiques présentes et ont une profonde influence sur le degré d'hystérésis qu'il est possible d'atteindre et sur les conditions nécessaires au développement de l'hystérésis maximum. Ainsi, la présence de cobalt a pour conséquence une amélioration de la valeur de la rémanence, et le point de Curie de l'alliage s'élève également progressivement pour une teneur en cobalt croissant jusqu'à 30 %. En fait, ce phénomène explique la nécessité d'avoir des teneurs en cobalt particulièrement élevées dans les alliages pour aimants aniso- tropes de la série dite "Alnico".
Le cuivre a tendance à inten- sifier le développement de la force coercitive en engendrant une tension interne accrue, et il permet ainsi l'utilisation de vitesses de refroidissement plus réduites que celles nécessaires pour l'alliage Mishima primitif. Il représente par suite un élément d'addition essentiel dans le cas des alliages pour aimants anisotropes décrits plus haut;, car la vitesse de re- froidissement plus réduite permet d'obtenir une période d'acti- vité plus longue du champ magné tique appliqué et destiné à induire l'orientation et l'anisotropie. Malheureusement, l'accroissement de cette tension Interne peut devenir une source dangereuse de fractionnement ou de division si le cui- vre est utilisé sans discrimination.
Le titane, qui améliore également la force coercitive, ne présente pas la même tendance dangereuse à provoquer ce fractionnement. Il provoque l'appa- rition d'un grain plus fin dans la contexture des pièces moulées,
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même s'il n'est utilisé que dans une proportion de 0,5%, et il réduit la température de solution nécessaire.
L'obtention d'un grain plus fin provoque l'appari- tion d'un nombre de grains plus élevé par unité de volume, de façon évidente en raison de la formation d'un plus grand nombre de noyaux dans le métal lors de la solidification.
Par suite, cette solidification s'accompagne d'un degré réduit de ségrégation des éléments constitutifs à bas point de congé- lation à la surface des grains et, en conséquence, le degré de tension à la surface des grains résultant de cette contraction par précipitation est réduit. D'autre part, une nouvelle mise en solution des phases par traitement à haute température est un phénomène progressif, et des divergences importantes de la composition chimique de l'intérieur de grains particuliers vont rendre nécessaire l'application de températures relati- vement élevées en vue du traitement thermique. Les additions de titane, d'où résulte un grain plus fin et par suite une homogénéité chimique plus poussée, vont en conséquence per- mettre l'utilisation de températures de solution plus faibles.
Par suite, le titane est parfois utilisé pour remplacer une partie du cuivre dans les bains liquides des alliages dénommés "Ticonal, Alcomax ou Alnico 5" qui doivent être coulés à la forme des aimants lorsque la tendance accrue au fractionnement ou craquèlement des alliages à teneur élevée en cuivre condui- rait à l'obtention d'un nombre excessif de pièces défectueuses ou de rebut. Malheureusement, le titane présente une tendance marquée à diminuer la rémanence et par suite la valeur du pro- duit énergétique (BH max), de même qu'à provoquer une réduction du facteur de saturation de la courbe de démagnétisation.
Les alliages de coulée normaux ne renferment par
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suite d'une façon générale pas de titane, et le tableau 1 indique les propriétés magnétiques obtenues constamment avec des aimants de moulage du commerce obtenus à partir de bains de fusion sans titane.
TABLEAU 1.
EMI4.1
Nom Composition Br He ; BH max.
"Alnico 5" Al 8;'e Ni 14%, Go 24g 12500 550 4,5 x 106 Cu 5%, reste Fe "Ticonal" Ni 15.,:5, Co 84%, i 12700 610 ' 4,7 x 10 6 Al 8/"J, Ou 5%, reste Fe' "Alcomax II" Ni 11,8%, Co 24,5,eo . 12400 , 570 î 3 x 106 Al '7,8;ô, Cu 5e7
EMI4.2
<tb> , <SEP> reste <SEP> Fe
<tb>
Comme tous ces alliages sont très dura et ne peuvent être usi- nés autrement que par meulage et avec d'extrêmes difficultés, il est particulièrement intéressant de pouvoir développer une technique de frittage satisfaisante de ces alliages pour aimants anisotropes d'un potentiel énergétique et d'un facteur de satu- ration exceptionnellement élevés.
D'une façon fondamentale, la présence, dans tous ces alliages, de quanbités appréciables d'aluminium ayant une gran- de affinité pour l'oxygène.présente, une difficulté majeure dans la mise en oeuvre de procédés de la métallurgie des pou- dres. On a remédié à cette difficulté en utilisant, comme at- mosphère de four, de l'hydrogène spécialement purifié et par- faitement sec ou, d'une façon plus efficace et plus économique, en utilisant un agent protecteur d'enveloppement spécial dé- nommé en anglais "getter" (brevet anglais N 571.317 du et demande de brevet anglais N 34091/47 du ) lorsqu'il est possible d'utiliser dans le
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four de l'hydrogène commercialement pur.
Il est possible, par application de l'une de ces méthodes, de fabriquer des alliages pour aimants isotropes frittés présentant des pro- priétés magnétiques vraiment satisfaisantes.
Etant donné que le processus de formation de ces al- liages qu nternaires complexes à partir d'un mélange de poudre présente métallique/, pendant le frittage et le refroidissement, des réactions qui divergent de façon fondamentale de celles se produisant dans la solifification d'une masse fondue, on a pensé que l'addition de titane, qui produit un affinement du grain, aide au traitement thermique en vue d'une nouvelle so- lution des coulées et empêche pendant la solidification la sé- grégation des éléments constitutifs à bas point de fusion à la surface des grains des masses coulées, ne serait d'aucune utilité pour les aimants frittés et pourrait facilement avoir des effets nuisibles en provoquant une réduction de la rémanence,
qui a déjà tendance à être faible dans les aimants frittés du type dénommé "Alnicl". Il semblerait par suite que les alliages du tableau 1, qui ne renferment pas de titane et contiennent certains des alliages pour aimants disponibles les plus forts, conviendraient mieux à la fabrication par les procédés de la métallurgie des poudres. Toutefois, les essais d'application des mêmes techniques qui s'étaient révélées avoir des résultats satisfaisants pour la fabrication des alliages isotropes frittés, ont abouti à des résultats assez médiocres.
Le frittage dans une atmosphère d'hydrogène très pur n'a pas eu de conséquence notable sur les propriétés magnétiques des alliages frittés, et l'on n'est parvenu à des caractéristiques magnétiques se rapprochant de celles des alliages de coulée que très rarement et d'une façon.inexplicable. L'utilisation d'un agent d'enve-
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loppement protecteur ou getter (brevet anglais N 571317 et demande de brevet N 34091/47) a eu pour conséquence l'obten- tion de propriétés magnétiques meilleures, mais le degré de constance n'était pas entièrement satisfaisant.
C'est un fait bien connu que les pellicules d'oxyde intergranulaires sont souvent l'origine de difficultés dans les produits de la métallurgie des poudres. Tandis que des recherches ont permis de déterminer que l'utilisation d'hy- drure de titane avait un effet marqué dans l'obtention d'un produit supérieur et beaucoup plus uniforme, il s'est égale- ment évéré que l'on pouvait parvenir au même résultat par l'addition aux poudres mélangées de petites quantités de ti- tane métallique. Par suite, les améliorations ne sont pas dues à l'élimination des pellicules d'oxyde par l'hydrogène déga- gé par l'hydrure, mais à l'action du titane, qui fixe les impu- retés telles que le carbone et l'azote, qui auraient sans cela un effet nuisible sur l'alliage pour aimant.
On peut ajouter le titane sous la forme d'hydrure, de métal, d'un alliage tel que les alliages Ni-Ti, Co-Ti, ou Ni-Ti-Al, Ti-Al, etc. tant que le véhicule se présente lui-même sous un état de grande pureté et n'est pas contaminé par des impuretés non métalli- ques. La quantité de titane ajoutée à. la poudre s'est avérée excessivement critique. Il est essentiel d'ajouter une faible quantité déterminée de titane, car autrement aucun résultat uniforme et satisfaisant ne peut être garanti, mais on doit prendre grand soin de ne pas ajouter trop de titane, car un excès de titane a un effet nuisible très marqué sur les carac- téristiques du produit.
Le procédé de fabrication d'aimants permanents aniso- tropes en alliages frittés suivant l'invention est caractérisé
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en ce qu'on ajoute au mélange devant être soumis au frittage une quantité de titane allant de 0,1 à 25 en poids. On préfère procéder à une addition comprise dans une gamme allant de 0,15 à 0,7% car, au delà de cette valeur, les propriétés magnétiques du produit fritté peuvent commencer à dégénérer.
Ce procédé est applicable dans le cas de l'utilisation d'une atmosphère de four purifiée ou d'une atmosphère impure en utilisant un agent d'enveloppement protecteur spécial (bre- vet anglais N 531317 du et demande de brevet anglais N 34091/47 du) comme indiqué plus haut. Il constitue dans chaque cas une précaution de sécurité supplémentaire en fixant toutes les impuretés qui pourraient atteindre le produit fritté. Il fixe en outre toutes les im- puretés qui pourraient déjà être présentes dans la masse de poudres pressées.
On comprendra que l'on peut bien entendu utiliser en des quantités équivalentes d'autres éléments présentant des pro- priétés de fixation analogues, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. On peut ainsi citer: la niobium, le vanadium, le cérium, le bore, le zirconium, le tantale et les métaux des terres rares. Toutefois, le titane con,stitue l'élément préféré et c'est la raison pour laquelle on a plus spécialement insisté sur son utilisation. Ces éléments de fixation peuvent être uti- lisés séparément ou en combinaison les uns avec les autres.
L'élément additionnel peut être ajouté sous la forme d'un hydrure, de métal, d'alliage binaire, par exemple Ni-Ti, Co-Ti, d'alliage ternaire, par exemple Ni-Ti-Al, Co-Ti-Al, Cu-Ti-Al, ou de tout autre alliage complexe renfermant un ou plusieurs des éléments constitutifs de l'alliage magnétique utilisé.
On a effectué une série d'essais pour déterminer l'effet
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des additions de titane au mélange de poudres métalliques utilisé dans la fabrication d'aimants anisotropes frittés du type décrit au tableau 1. On ajoute le titane en des quantités di- verses, allant jusqu'à 2,5% en poids. On a représenté dans le tableau 2 ci-après quelques-uns des résultats obtenus au cours de ces essais.
TABLEAU 2.
EMI8.1
<tb>
) <SEP> Sans <SEP> titane, <SEP> mais
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> avec <SEP> utilisation <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> getter <SEP> H2 <SEP> pur <SEP> et
<tb>
EMI8.2
Ti 1 0,55 0,9 à 1z02- 1 9à 2 2.5 Ti-Al anhydre Br l0700 a 1 9900 à . 9000 à 8800 à 103.00à 9500 à 11200 1 ' 10500 , 9500 9200 11500 11300 : : 540 à 560 580 gaz 590 460 400 lIe '540 à ; 560 à 580 à 590 à 460 à 400 à
EMI8.3
<tb> 550 <SEP> 580 <SEP> 600 <SEP> 630 <SEP> 500 <SEP> 480
<tb>
EMI8.4
BH max 5e5 'Oa 3,8 li2 3.,a 2,8à6,Q 255à6,r152,2 6,3Oi 1,8à26': .X "6 10 x 10 6 îx ! 106 x z x z x z
EMI8.5
<tb> Facteur <SEP> 0,66 <SEP> 0,56 <SEP> 0,52 <SEP> 0,48
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> satu-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ration <SEP> ' <SEP>
<tb>
On peut résumer ces résultats comme suit :
Afin de produire des aimants anisotropes frittés présentant des propriétés magnétiques uniformes, il est essen- tiel d'ajouter le titane ou le produit analogue au mélange de poudres métalliques. Afin d'obtenir l'hystérésis et le facteur de saturation de la courbe de magnétisation optima, on doit maintenir étroitement la quantité ajoutée entre 0,15 et 0,7%.
On peut tolérer des additions allant jusqu'à 1%, mais aux dé- pens d'une diminution de la rémanence et de la valeur énergéti- que du produit. Au delà de 1,5 %, la rémanence décroît jusqu'à une valeur telle que les valeurs énergétiques du produit sont
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nettement réduites. En même temps, le cycle de traitement thermique de ces alliages devient moins critique pour des te- neurs en titane croissant au delà de 0,7%, les températures de solution peuvent être réduites, et des temps de recuit nécessai- res sont beaucoup plus courts.
Ainsi, un alliage à 7,8% de Al,
11,8% de Ni, 24,5% de Co, 35 de Cu, et le reste de Fe, renfer- mant seulement 0,5% de titane, nécessite pour un recuit complet
48 heures à 590 C; plus 48 heures à 550 C. Le même alliage, avec 1% de titane, ne nécessite que 24 heures à la seconde tempé- rature, tandis qu'avec 2% de titane, 36 heures à 590 C sont en- tièrement suffisants pour atteindre la valeur limite de l'énergie magnétique de l'alliage.
Ainsi, tandis que des additions de ti- tane supérieures à 0,7% commencent à agir sur les aimants frittés avec un effet analogue à celui rencontré pour les alliages de coulée, des quantités inférieures à 0,7% ont simplement pour conséquence une uniformité poussée des caractéristiques magné- tiques, sans diminuer le moins du monde les propriétés. Au con- traire, ces additions permettent d'obtenir d'une manière uniforme l'hystérésis optimum. A l'encontre du cas d'une matière de cou- lée, ces faibles additions inférieures à 0,7% de titane au mélan- ge de poudres métalliques ne pénètrent pas dans l'une ou l'autre des phases métallographiques présentes pour provoquer un grain plus fin, mais remplissent un rôle bien différent.
L'effet utile de ces faibles additions est presque certainement dû à la fixation des quantités réduites d'azote et de carbone qui sont inévitable- ment présentes à un degré variable dans les poudres métalliques brutes mais qui empêchent tout alliage avec le fer présent, et par suite toute uniformité des résultats. Il est exact que le titane va fixer le carbone et provoquer ainsi sa stabilisation dans un alliage de coulée, mais cette propriété est dans ce cas
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une considération secondaire, largement dépassée par l'accrois- sement de la face coercitive et l'affinement du grain de l'al- liage de coulée.
En fait, la majorité des produits de coulées pour aimants anisotropesdu commerce ne renferment pas de titane, qui par suite ne peut pas être considéré comme une addition es- sentielle pour fournir avec uniformité un degré élevé d'hys- térésis dans l'alliage de coulée. L'addition d'une quantité étroitement déterminée de titane, ou corps analogue, aux allia- ges frittés est toutefois d'une importance primordiale. Dans le cas d'aimants permanents frittés, il est impossible de ga- rantir des résultats satisfaisants sans cette addition au mélan- ge de poudr es .
Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, on peut apporter des modifications au mode de mise en oeuvre qui vient d'être décrit.
REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'aimants permanents aniso- tropes à partir d'alliages frittés, consistant à ajouter au mé- lange de frittage de 0,1 à 2% en poids de titane.