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ALLIAGES ET PROCEDE DE FABRICATION D'AIMANTS FRITTES.
La présente invention, a trait à un nouveau mode de fabrication des aimants de grande énergie, par frittage; elle permet d'obtenir un produit BH max que l'on ne réussissait jusqu'alors à réaliser qu'avec les meilleures qua- lités d'alliages fondus du type Alnico, c'est-à-dire dont les ingrédients fonc- damentaux sont l'aluminium, le nickel, le cobalt et le fer,
La demanderesse a décrit dans son brevet belge n 430.226 déposé le 17 septembre 1933 (comme ler perfectionnement au 423.175 du 13 août 1937) une méthode de frittage;
perfectionné conduisant à un produit de structure cristalline à grain fin, comme c'est le cas des produits obtenus par les pro- cédés habituels de métallurgie des poudres, Ces aimants, d'une densité in- îérieure à celle de ceux fabriqués par fusion, ont des propriétés magnétiques moins bonnes que ceux-ci.
On sait que l'on a réussi à accroître considérablement le produit BHmax de certains alliages magnétiques dans une direction privilégiée en pro- cédant à leur refroidissement sous champ magnétique, C'est ainsi qu'un allia- ge connu sous la dénomination commerciale - Alnico 5, répondant à la composi- tion suivante A1 8 p.c., Ni 14 p.c., Co 24 p.c., Cu 3 p.c., le reste étant du fer, a les qualités magnétiques suivantes
Hmax 2.0CO oersteds
Bmax 15.700 gauss
Champ coercitif maximum 575 oersteds
Induction résiduelle 12.000 gauss
BHmax 4,5 x 106 gauss-oersteds
EMI1.1
U VtSICaIiVHL Sous forme frittée, ces alliages accusent une perte très sensi- ble de leurs performances magnétiques.
Outre l'impossibilité de réaliser une densité aussi importante que par fusion, d'autres facteurs que Ceux d'or-
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dre chimique interviennent pour obtenir des qualités magnétiques très élevées.
La présente invention résoud cette difficulté par un procédé qui confère à la structure cristalline obtenue, par voie de frittage, une forme massive,
Pour faciliter l'exposé de l'invention, il est utile de rappeler le processus décrit dans le brevet belge précité de la Demanderesse, Des alliages denses, de structure cristalline fine et de très bonne résistance à la traction peuvent être fabriqués, avec des tolérances précises, suivant les prescriptions de ces inventions,..en.¯ apportant l'aluminium sous forme d'un alliage auxiliaire, en vue d'éviter son oxydation, Un alliage auxi- liaire type est constitué par 50 p.c, d'aluminium et 5C p.c. de fer; étant très fragile, il se prête aisément au broyage au moyen d'un broyeur à bou- lets.
L'alliage d'aluminium ainsi finement broyé est mélangé de façon inti- me avec le restant des ingrédients en poudre et pressé à la forme désirée.
Le frittage des pièces s'effectue en atmosphére d'hydrogène à une températu- re inférieure, mais voisine de celle du point de fusion de l'alliage.. Pour obtenir la consolidation par inter-diffusion des composants pulvérisés de l'alliage, on a effectué le frittage à une température supérieure à celle de fusion de l'alliage Al - Fe.
Cn a également essayé d'utiliser des compositions de l'alliage Al Feou Al - Ni autresque cellesdes proportions 50 : 50. On est arrivé a la conclusion que, pour que les résultats soient acceptables, il faut que la température de fusion de l'alliage auxiliaire soit voisine, mais inférieu- re à celle de l'alliage final. Par exemple Go RITZAU, dans "Wiss.
Veroff. aus den Siemens-Werken-Werkstoff", Sonderheft 37, 1940, conclut que les allia- ges auxiliaires utilisables sont ceux qui ont une phase liquide à la tempéra- ture de frittage et qui ne sont pas caractérisés par une température de fusion maxima, S.I.GARVIN arrive à la même conclusion dans un article publié le 6 juin 1947, dans "Engineering"
Les produits commerciaux fabriqués suivant les indications de ces auteurs sont tous caractérisés par une structure à grain fin, de l'ordre de grandeur des particules métalliques ayant servi à la fabrication des alliages, contrairement aux enseignements de l'art antérieur. La présente invention permet de fabriquer des alliages frittés de structure à très gros grain at- teignant, dans certains cas,celle d'un cristal unique.
De plus, les alliages magnétiques anisotropes fabriqués par ce procédé, ont un BHmax, dans une di- rection privilégiée, notablement plus élevée que les alliages anisotropes fon- dus de même composition,
Ces résultats sont obtenus par un nouveau procédé de frittage qui diffère de ceux que l'on trouve dans l'art antérieur, en ce que l'introduction des ingrédients à bas point de fusion, en particulier ceux oxydables, tels que l'aluminium, se fait sous forme d'un alliage auxiliaire dont le point de fusion est au moins égal à celui de la température de frittage, au lieu de lui être inférieur, comme dans les procédés connus,
3ien que l'invention ne soit pas limitée à ce type d'alliage, on va en décrire une application à un alliage fritté de même composition chimi- que que l'Alnico 5.
Conformément à l'invention, la préparation des alliages frittés se fait de la façon suivante : les constituants métalliques pulvérisés sont mélangés dans les proportions requises avec l'aluminium que l'on ajoute sous forme d'un alliage de Cobalt, Nickel ou Fer à haut point de fusion, On peut, si on le trouve désirable, ajouter le cuivre qui fond aussi au-dessous de la température de frittage (1200 à 1400 C.) sous forme d'un alliage à haut point de fusion, avec les autres métaux, Cependant, quand la teneur totale de cui- vre est faible, c'est-à-dire environ 3 à 5 -la, ce processus n'est pas nécessai- re, probablement parce que pendant le frittage, le cuivre non encore allié
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1@ Len combinaison, de faon mntinue, pour former un alliage à point de fu- sion élevé, de telle sorte qu'il se forme, en fait,
un alliage répondant aux spécifications de l'invention.
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Sauf en ce qui concerne l'introduction des métaux à bas point de fusion, tels que l'aluminium sous forme d'un alliage n'ayant pas de phase li- quide en-dessous de la température de frittage, les alliages de la présente invention sont fabriqués sensiblement de la même façon que les aimants Alnico frittés fabriqués suivant le procédé objet des brevets de la demanderesse ci- tés plus haut. L'alliage d'aluminium finement pulvérisé est mélangé avec les autres ingrédients métalliques, pour obtenir le mélange de composition dési- rée, puis les pièces sont pressées à la forme voulue, frittées entre 1200 et 1400 C., en atmosphère d'hydrogène, de préférence au dessous mais au voisina- ge du point de fusion de l'alliage.
Le temps nécessaire au frittage dépend évidemment de la taille du four et des dimensions des pièces ; est, en gé- néral, de l'ordre de 3 à 5 heures. Le métal fritté qui a alors une structure cristalline dix à vingt mille fois plus grosse que celle de la poudre métal- lique initiale peut alors être soumis au traitement sous champ magnétique dé- crit par D.A. OLIVER & J.W. SCHEDDEN. On effectue, de préférence, le trai- tement thermique sous champ magnétique, en retirant les pièces de la zone de frittage du four où la température est de l'ordre de 1250 C. et en réglant la vitesse de refroidissement et le champ magnétique, de façon à obtenir le résultat désiré..
Un traitement complémentaire à température plus basse peut, en outre, être appliquée
Ce procédé, entant que l'on considére la production d'une struc- ture cristalline à gros grain, est préférable à tout autre mode de fabrica- tion utilisé jusqu'alors pour obtenir de gros cristaux par coulée d'un allia- ge fondu.
Le bénéfice que l'on retire d'une structure à très gros grain qui est souvent un cristal unique, apparaît de façon frappante à la lecture des chiffres du tableau suivant :
Specimen à structure cristalline massive
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<tb> N <SEP> Br <SEP> Hc <SEP> BHmax <SEP> pour <SEP> B <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 12500 <SEP> 655 <SEP> 5,64 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 10.400
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 12550 <SEP> 670 <SEP> 5,96 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 10.450
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 12050 <SEP> 635 <SEP> 5,18 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 9.600
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 12700 <SEP> 690 <SEP> 6,36 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 10.200
<tb>
Specimen à grain fin obtenu à partir d'un alliage auxi- liaire à basse température de fusion :
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<tb> N <SEP> Br <SEP> Hc <SEP> BHmax <SEP> pour <SEP> B <SEP>
<tb> 5 <SEP> 11600 <SEP> 480 <SEP> 2,5 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 80000
<tb>
Les specimens 1 à 4 ont la même composition que l'Alnico 5 et ont été obtenus, conformément à la présente invention, avec un alliage auxiliaire à 25 p.c. d'aluminium, le reste étant du cobalt, Le spécimen 5 avait la mê- me composition, mais était préparé à partir d'un alliage auxiliaire Fe-Al à
50-50 p.c., à bas point de fusion.
Les courbes de désaimantation des échantillons 3, 4 et 5 sont re- produites sur le dessin joint ; peut y voir l'accroissement considérable du BHmax quand l'on passe de la structure à grain fin du specimen 5 aux structu- res à gros grain des specimens 3 et 4. On remarquera, en outre, que les va- leurs de BHmax des specimens 1 à 4 inclus sont toutes plus élevées que cel- les de l'Alnico 5 fondu de même compositiono
L'alliage auxiliaire d'aluminium utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention peut être d'un type sélectionné à partir des diagrammes de pha- ses des alliages binaires :
Fe-Al, Co-Al, et Ni-Al, ne présentant pas de pha- se liquide, à des températures inférieures à celle du frittage, Les alliages utiles du type Al-Co sont ceux contenant depuis environ 67 à 85 p.c. en poids de cobalt, les alliages Al-Ni, depuis 64 à 80 p.c. de nickel et les alliages
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4KéàtJ'%npkE% 18 po co d'aluminium,, Tous ces alliages sont caractérisés par l'absence de phase liquide au-dessous de 1.la.00 Ce; pour des raisons d'ordre pratique, on préfère employer les alliages A1-Coo
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Les avantages que présente le procède objet de l'invention suivant laquelle on ajoute l'aluminium au mélange en poudre, sous forme d'un alliage à haut point de fusion, sont tout-à-fait remarquables.
En plus de l'augmen- tation du produit BHmax de l'alliage anisotrope, suivant la face cristallo- graphique (1.0.0) tous ces alliages permettent de réaliser des pièces ayant un fini comparable au meilleur que l'on puisse obtenir par les méthodes de coulées de précision.
De plus, ces alliages ont une densité qui est plus élevée que celles des-'alliages frittés obtenus en introduisant l'aluminium sous forme d'alliage à bas point de fusion, Bien que le poids spécifique soit inférieur ie j 5 à 6 % à celui de l'alliage magnétique fondu de même com- position, les propriétés magnétiques obtenues sont égales à celles des meil- leurs de ceux-ci et supérieures aux produits que l'on trouve habituellement sur le marché,
On a également trouvé que la ténacité des matériaux frittés ob- tenus par le procédé objet de l'invention était améliorée;
il est probable que la raison en est dans l'absence de phase liquide, la tendance de l'alu- minium à s'oxyder est réduite, si bien que la migration des impuretés est moindre et celles-ci ne sont pas expulsées à la lisière des grains, Les alliages du type Ainico qui ne sont pas fabriqués suivant l'invention, qu'ils soient fondus ou frittés, présentent une phase liquide qui permet aux impu- retés de se rassembler à la lisière des grains en empêchant la croissance.
Il est probable que trois causes, au moins, contribuent à la for- mation d'une structure cristalline à gres grains dans le procédé objet de l'invention, Par suite des conditions de surface de l'alliage de base d'a- luminium, l'oxydation de la poudre est réduite au minimum, Deuxièmement, l'al- longement de la durée de frittage d'au moins deux heures et l'adoption de températures, pour cette opération, qui avoisinent de 15 à 50 le point de fusion de l'ensemble du mélange, est favorable à la croissance d'une struc- ture cristalline massive, dans des conditions qui ne favorisent pas le ras- semblement des impuretés. Troisièmement,, l'absence de toute phase liquide réduit considérablement la tendance qu'a l'aluminium à s'oxyder pendant le frittage.
L'expérience suivante illustra les différences de résultats que l'on atteint en employant un alliage auxiliaire à haut point de fusion com- parativement à un alliage ayant les mêmes constituants, mais à un point de fusion plus bas. Cn a préparé deux lots de composition identique, l'un com- portant un alliage de base Al-Co 50-5C p.c.,l'autre un alliage des mêmes métaux dans la proportion 25-75 p.c.
Les deux alliages furent réduits en poudre passant au tamis américain de 2CC mailles, dans des conditions telles que soit évitée une oxydation appréciable de i'aluminium,
Deux lots de poudre répondant à la composition de l'Alnico 5, furent préparés à partir de ces alliages binaires, et des barres d'essais pressées ;
une barre de chaque lot a été placée dans une nacelle de frittage (les barres étant côte à côte) et celle-ci mise dans un four continu, porté à la température de 1380-1385 , la vitesse des pièces étant de 25 cm en 2,25 heures,
L'examen des échantillons ainsi obtenus a montré que les barres faites avec l'alliage 50-50 Al-Co étaient fortement déformées, fendues et pleines de trouse Par contre, les barres faites avec l'alliage 25-75 Al-Co présentaient une surface continue et n'étaient pratiquement pas déformées, En brisant ces barres, on a trouvé que celles faites avec l'alliage 25-75 Al- Co présentaient une structure cristalline à gros grains, alors que celles pro- venant du lot d'alliage 50-50 Al-Co avaient un grain fin comparable de ce point de vue,
avec les alliages d'aimants Al-Co obtenus dans les procédés an- térieurs. Les alliages à structure cristalline grossière avaient un BHmax du même ordre que celui du specimen 1 à 4 du tableau ci-dessus, alors que les aimants faits avec l'alliage 50-50 Al-Co avaient un BHmax comparable à celui
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I9INAt.CJ.l1len N v), Selon une variante de la présente invention, le procédé peut être modifié en vue d'obtenir une structure cristalline à gros grains, par orienta-
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tion du cristal dans la direction la plus favorable à l'influence du champ magnétique appliqué pendant le traitement thermique, en vue d'obtenir un alliage anisotrope.
L'alliage Al-Co, du type obtenu par le procédé objet de l'invention, présente un réseau cristallin cubique avec les arêtes des cubes parallèles ou perpendiculaires à la direction du champ magnétique appliqué pendant le traitement thermique ce qui est l'orientation la plus favorable. Afin d'ob- tenir un pourcentage élevé d'alliage à gros grain, orienté comme il vient d'être dit, on place un cristallin germe près d'une extrémité de la barre pendant le pressage. Ces germes cristallins sont orientés par rapport au plan cristallin (1.0.0.) bien défini, de telle sorte qu'il se développe une structure cristalline à gros grain, possédant l'orientation désirée.
Les barres ainsi obtenues sont soumises au frittage dans un four, comme il a été indiqué plus haut, avec l'extrémité portant le cristal germe, pénétrant de préférence, la première dans le four. Après frittage, on trouve qu'au moins 75 des pièces ainsi traitées ont une orientation cristalline favorable, de telle sorte que les produits BHmax atteignent la valeur théorique maxima.
Les cristaux germes, utilisés dans le procédé qui vient d'être décrit, peuvent être obtenus, par exemple, en brisant les pièces présentant une structure cristalline grossière, fabriquées suivant la présente invention.
La fracture se produit selon la face cristallographique (1.0.0), et les cris- taux germes sont disposés avec leur face convenablement orientée.