EP1474812A1 - Blindage magnetique basse frequence en alliage magnetique doux - Google Patents

Blindage magnetique basse frequence en alliage magnetique doux

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EP1474812A1
EP1474812A1 EP03722655A EP03722655A EP1474812A1 EP 1474812 A1 EP1474812 A1 EP 1474812A1 EP 03722655 A EP03722655 A EP 03722655A EP 03722655 A EP03722655 A EP 03722655A EP 1474812 A1 EP1474812 A1 EP 1474812A1
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alloy
magnetic
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less
field
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Thierry Waeckerle
Hervé FRAISSE
Sylvain Witzke
Bruno Boulogne
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Aperam Alloys Imphy SAS
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Imphy Alloys SA
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    • H05K9/0075—Magnetic shielding materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
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    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/14708—Fe-Ni based alloys

Definitions

  • the present invention relates to a low frequency magnetic shield made of a soft magnetic alloy, as well as to the use of this alloy for the manufacture of low frequency shields.
  • the term “low frequency” designates frequencies between 50 Hz and 3000 Hz.
  • the magnetic shields are made of magnetic alloy with high permeability, and in particular, of an alloy of the Fe-Ni80 type, containing about 80% of nickel. They have, in fact, a permeability in continuous field ⁇ c c greater than 100,000, and a permeability in alternating field at 300 Hz, ⁇ 3 oo H z > greater than 10,000. In addition, these alloys have a coercive field Hc less than 20 mOe and an induction at saturation Bs greater than ⁇ OOOGauss. However, these alloys are very expensive because they contain a high nickel content.
  • alloys of the Fe-Ni36 type are used, containing approximately 36% of nickel.
  • these alloys have a permeability in continuous field ⁇ cc between only 20,000 and 30,000, a permeability in alternating field at 300Hz, M3O O H Z , between 8000 and 9000, a coercive field Hc between 50 and 100 mOe, and a saturation induction Bs close to 13000Gauss.
  • the shields obtained are less efficient than the shields made of Fe-Ni80 alloy. It has also been proposed, for example in US Pat. No.
  • This alloy has the advantage of having a higher permeability P 3OO H Z than the alloy Fe-Ni36 and of containing chromium, which gives it a certain resistance to corrosion, but, its better permeability cannot be obtained. with very low oxygen contents which makes its manufacture restrictive. In addition, it would desirable to have an economic alloy having an even better magnetic permeability.
  • the object of the present invention is to provide an economical soft magnetic alloy, suitable for the manufacture of low frequency magnetic shields, more efficient and less restrictive to manufacture than known alloys.
  • the first object of the invention is a magnetic shielding for a frequency field between 50 Hz and 3000 Hz, consisting of a soft magnetic alloy whose composition comprises, in% by weight:
  • the silicon content is less than 0.15%, that the manganese content is greater than 0.05%, than the sum of the cobalt and copper is greater than 0.015%.
  • the oxygen content can be greater than 0.0050%.
  • the alloy according to the invention contains in% by weight:
  • One or more elements taken from copper and cobalt the sum of their contents being between 0% and 4%, and, preferably, greater than 0.015%, and better still, greater than 0.5%, and better still , greater than 1%, in order to increase the induction at saturation Bs and to make it possible to obtain a high magnetic permeability when the nickel content is relatively low.
  • strips are produced, for example, by hot rolling and then cold rolling.
  • the strips are annealed at least 1050 ° C, and preferably above 1100 ° C, preferably also under a reducing atmosphere of hydrogen or a steam mixture and hydrogen.
  • cooling to room temperature should preferably be carried out at a slow speed, that is to say requiring more than one hour to reach 200 ° C. in order to optimize the magnetic permeability at 300 Hz.
  • the alloys marked 1 to 21 have been produced in accordance with the invention, and the alloys marked 22 to 32 given for comparison.
  • the compositions and properties of these alloys are given in Tables 1 and 2, and the magnetic properties of the alloys are given in Tables 3 and 4.
  • the magnetic properties were measured on strips 0.6 mm thick for the coercive field Hc, expressed in mOe, and for the permeability in continuous field ⁇ cc which was measured at 0 ° C and 40 ° vs.
  • the saturation induction Bs expressed in Gauss, was measured at 40 ° C.
  • Permeability magnetic field in alternating field at 30Hz, ⁇ 3ooHz was measured at 40 ° C on 0.4mm thick strips.
  • the alloys were produced in a vacuum induction furnace, then cast in the form of ingots hot rolled then cold to obtain strips from which samples were cut which were annealed for 4 hours at 1170 ° C under pure and dry hydrogen. , with rapid cooling when they were intended to measure permeability in direct field and slow cooling when they were intended to measure permeability in alternating field.
  • Alloys 1 to 21 all have a coercive field significantly less than 100mOe, a permeability in continuous field greater than 40,000 at both 0 ° C and 40 ° C, a permeability in alternating field at 300Hz greater than 15,000, and an induction saturation greater than 4000G.
  • Alloy 22 has too high a chromium content which does not satisfy the conditions Cr + Mo ⁇ 0.8 x Ni + 0.9 x (Co + Cu) - 18.4 and Cr + Mo ⁇ 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124, its saturation induction is very low. Alloys 23, 24 and 25 have chromium contents too high to satisfy the condition 4 x (Cr + Mo)> 125 - 3 x Ni, and their permeability in continuous field is significantly less than 40,000.
  • Alloy 26 does not satisfy the Cr> 5% relationship, and its permeability in alternating field at 300Hz is significantly less than 15000.
  • Alloy 27 has an oxygen content greater than 160 ppm and its permeability in continuous field is significantly less than 40000.
  • Alloys 28 and 29 do not meet the condition 4 x (Cr + Mo)> 125 - 3 x Ni and alloy 28 does not meet the condition Cr> 5%. On the one hand their permeabilities in continuous field are appreciably lower than 40000, but especially their permeabilities in alternating field are appreciably lower than 15000. Alloy 30 does not meet the condition Cr + Mo ⁇ 0.8 x Ni + 0.9 x (Co + Cu) - 18.4 and its permeability in continuous field is significantly less than 40,000.
  • Alloy 31 does not meet the conditions Cr + Mo ⁇ 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124 and 4 x (Cr + Mo)> 125 - 3 x Ni, and its magnetic permeability both in alternating field and 'in continuous field is insufficient.
  • Alloy 32 does not satisfy the condition 4 x (Cr + Mo)> 125 - 3 x Ni, and its magnetic permeability is very insufficient.

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Abstract

Blindage magnétique pour champ de fréquence comprise entre 50 Hz et 3000 Hz, constitué d'un alliage magnétique doux dont la composition comprend, en % en poids : 30% < Ni < 40%, 0% < Cu + Co < 4%, 5% < Cr + Mo < 17%, 5% < Cr, 0% < Nb < 2 %, Mn < 0,35 %, Si < 0,2 %, C < 0,050 %, O < 0,0160 %, S < 0,0020 %, B < 0,0010 %, éventuellement, au moins un élément pris parmi le magnésium et le calcium en des teneurs telles que leur somme reste inférieure à 0,1%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations : Cr + Mo < 0,8 x Ni + 0,9 x (Co + Cu) - 18,4 ; Cr + Mo < 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124 ; 4 x (Cr + Mo) > 125 - 3 x Ni. Utilisation de cet alliage pour la fabrication de blindages magnétiques basse fréquence.

Description

BLINDAGE MAGNETIQUE BASSE FREQUENCE EN ALLIAGE MAGNETIQUE
DOUX La présente invention est relative à un blindage magnétique basse fréquence constitué d'un alliage magnétique doux, ainsi qu'à l'utilisation de cet alliage pour la fabrication de blindages basse fréquence. Dans le cadre de la présente demande, on désigne par basse fréquence, les fréquences comprises entre 50 Hz et 3000 Hz.
Les blindages magnétiques sont réalisés en alliage magnétique à haute perméabilité, et en particulier, en alliage du type Fe-Ni80, contenant environ 80% de nickel. Ils ont, en effet, une perméabilité en champ continu μcc supérieure à 100000, et une perméabilité en champ alternatif à 300Hz, μ3ooHz> supérieur à 10000. En outre, ces alliages ont un champ coercitif Hc inférieur à 20 mOe et une induction à saturation Bs supérieure à βOOOGauss. Mais, ces alliages sont très coûteux car ils contiennent une importante teneur en nickel.
Lorsqu'on cherche à fabriquer des blindages moins coûteux, on utilise des alliages du type Fe-Ni36, contenant environ 36% de nickel. Mais, ces alliages ont une perméabilité en champ continu μcc comprise entre 20000 et 30000 seulement, une perméabilité en champ alternatif à 300Hz, M3OOHZ , comprise entre 8000 et 9000, un champ coercitif Hc compris entre 50 et 100 mOe, et une induction à saturation Bs voisine de 13000Gauss. Avec de telles propriétés magnétiques, les blindages obtenus sont moins performants que les blindages réalisés en alliage Fe-Ni80. On a également proposé, par exemple dans le brevet US 5,158,624, d'utiliser un alliage contenant 35 à 40% de nickel et 5 à 14% de chrome, le reste étant du fer et des impuretés. La composition satisfaisant les relations 3 x Ni - 5 x Cr < 80 et Ni - Cr > 25. En outre, les teneurs en oxygène, soufre et bore doivent être strictement contrôlées, en particulier, la teneur en oxygène doit rester inférieure à 0,005%. De plus, l'alliage contient environ 0,5% de manganèse, environ 0,2% de silicium, environ 0,01% d'aluminium. Cet alliage a une perméabilité en champ alternatif à 300Hz, M3OOHZ , comprise entre 9400 et 14900, un champ coercitif Hc compris entre 10 et 80 mOe, et une induction à saturation Bs comprise entre 5000 G et 8200G.
Cet alliage a l'avantage d'avoir une perméabilité P3OOHZ plus élevée que l'alliage Fe-Ni36 et de contenir du chrome, ce qui lui donne une certaine résistance à la corrosion, mais, sa perméabilité meilleure ne peut être obtenue qu'avec de très faibles teneurs en oxygène ce qui rend sa fabrication contraignante. De plus, il serait souhaitable de disposer d'un alliage économique ayant une perméabilité magnétique encore meilleure.
Le but de la présente invention est de proposer un alliage magnétique doux économique, apte à la fabrication de blindages magnétiques basse fréquence, plus performant et moins contraignant à fabriquer que les alliages connus.
A cet effet, l'invention a pour premier objet un blindage magnétique pour champ de fréquence comprise entre 50 Hz et 3000 Hz, constitué d'un alliage magnétique doux dont la composition comprend, en % en poids :
30% < Ni < 40% 0%<Cu + Co<4%
5%<Cr+Mo<17%
5% < Cr
0% < Nb < 2 %
Mn < 0,35 % Si < 0,2%
C < 0,050 %
0< 0,0160%
S < 0,0020 %
B< 0,0010% éventuellement, un ou plusieurs éléments pris parmi le magnésium et le calcium en des teneurs telles que leur somme reste inférieure à 0,1%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. En poutre, la composition chimique satisfaisant les relations :
Cr + Mo < 0,8 x Ni + 0,9 x (Co + Cu) - 18,4 Cr+ Mo<4xNi + 3x(Co + Cu)- 124
4x(Cr+Mo)>125-3xNi De préférence, il est préférable que la teneur en silicium soit inférieure à 0,15%, que la teneur en manganèse soit supérieure à 0,05%, que la somme des teneurs en cobalt et cuivre soit supérieure à 0,015%. La teneur en oxygène peut être supérieure à 0,0050%.
L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par des exemples. L'alliage selon l'invention contient en % en poids :
- plus de 30% de nickel pour obtenir de bonnes propriétés magnétiques, et en particulier une perméabilité magnétique et une induction à saturation suffisantes, mais moins de 40% car le nickel est un élément cher et au delà de 40% il n'améliore pas les propriétés magnétiques recherchées.
- Un ou plusieurs éléments pris parmi le cuivre et le cobalt, la somme de leurs teneurs étant comprise entre 0% et 4%, et, de préférence, supérieure à 0,015%, et mieux, supérieure à 0,5%, et mieux encore, supérieure à 1%, afin d'augmenter l'induction à saturation Bs et de permettre d'obtenir une perméabilité magnétique élevée lorsque la teneur en nickel est relativement faible.
- Un ou plusieurs éléments pris parmi le chrome et le molybdène, la somme de leurs teneurs étant comprise entre 5% et 17%, et la teneur en chrome étant supérieure à 5%. Ces éléments augmentent la perméabilité magnétique et diminuent le champ coercitif tant que leurs teneurs ne sont pas trop élevées. En outre, pour obtenir les propriétés magnétiques souhaitées, à savoir, Bs > 4000G à 40°C, et une bonne perméabilité magnétique, les teneurs en Cr, Mo, Ni, Cu et Co doivent être telles que : Cr + Mo < 0,8 x Ni + 0,9 x (Co + Cu) - 18,4 et Cr + Mo < 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124 de plus, pour avoir une bonne perméabilité magnétique, les teneurs en Cr, Mo et Ni doivent être telles que :
4 x (Cr + Mo) > 125 - 3 x Ni
- éventuellement jusqu'à 2% de niobium pour augmenter la résistance mécanique,
- moins de 0,35%, et, de préférence plus de 0,05%, de manganèse ainsi que moins de 0,20% et de préférence moins de 0,15% de silicium. Ces éléments sont nécessaires à l'élaboration, mais, les inventeurs ont constaté de façon nouvelle qu'en limitant les teneurs en ces éléments, on augmente sensiblement la perméabilité magnétique à 300Hz, μ3ooHz, même pour des teneurs en oxygène importantes pouvant aller jusqu'à 0,0160%.
- Moins de 0,0500% de carbone, moins de 0,0020% de soufre, moins de 0,0010% de bore, moins de 0,0200% d'azote, moins de 0,0160% d'oxygène. Ces limites de teneurs en impuretés permettent d'obtenir une perméabilité magnétique élevée. A noter cependant, que la teneur en oxygène peut être supérieure à 0,0050% sans détériorer les propriétés magnétiques, ce qui permet d'élaborer l'alliage plus facilement et de façon plus économique, ce qui est souhaitable. - Eventuellement du magnésium ou du calcium et des teneurs dont la somme peut atteindre 0,1000%, et, de préférence doit rester inférieure à 0,0500%, mais être supérieure à 0,0010%, afin de former des oxydes de magnésium ou de calcium qui facilitent la découpe mécanique de pièces dans des bandes. Le reste de la composition est du fer et, éventuellement des impuretés.
Avec cet alliage on fabrique par exemple des bandes par laminage à chaud puis laminage à froid. A l'épaisseur finale, les bandes sont soumises à un recuit à au moins 1050°C, et de préférence au-dessus de 1100°C, de préférence également sous atmosphère réductrice d'hydrogène ou d'un mélange vapeur d'eau et d'hydrogène. Après le recuit, le refroidissement jusqu'à la température ambiante doit, de préférence, être réalisé à vitesse lente, c'est à dire nécessiter plus d'une heure pour atteindre 200°C afin d'optimiser la perméabilité magnétique à 300Hz.
Pour des bandes ainsi obtenues et d'épaisseur égale à 0,4mm, on obtient les propriétés magnétiques suivantes : μ30oHz > 15000
Pcc > 40000 Bs > 4000 G Hc < 100 mOe Ces propriétés permettent de fabriquer des blindages magnétiques très performants pour les champs basse fréquence, mais aussi pour les champs continu (champ terrestre par exemple).
A titre d'exemple on a réalisé les alliages repérés 1 à 21 conformes à l'invention, et les alliages repérés 22 à 32 donnés à titre de comparaison. Les compositions et les propriétés de ces alliages sont reportés aux tableaux 1 et 2, et les propriétés magnétiques des alliages sont reportées aux tableaux 3 et 4.
Les propriétés magnétiques ont été mesurées sur des bandes de 0,6mm d'épaisseur pour ce qui concerne le champ coercitif Hc, exprimé en mOe, et pour la perméabilité en champ continu μcc qui a été mesurée à 0°C et à 40°C. L'induction à saturation Bs, exprimée en Gauss, a été mesurée à 40°C. La perméabilité magnétique en champ alternatif à 30Hz, μ3ooHz, a été mesurée à 40°C sur des bandes de 0,4mm d'épaisseur. Les alliages ont été élaborés au four à induction sous vide, puis coulés sous forme de lingots laminés à chaud puis à froid pour obtenir des bandes dans lesquelles on a découpé des échantillons qui ont été recuits 4 heures à 1170°C sous hydrogène pur et sec, avec des refroidissements rapides lorsqu'ils étaient destinés à mesurer la perméabilité en champ continu et des refroidissements lents lorsqu'ils étaient destinés à mesurer la perméabilité en champ alternatif.
Les alliages 1 à 21 ont tous un champ coercitif sensiblement inférieur à 100mOe, une perméabilité en champ continu supérieure à 40000 aussi bien à 0°C qu'à 40°C, une perméabilité en champ alternatif à 300Hz supérieure à 15000, et une induction saturation supérieure à 4000G.
Tableau 1
Les alliages 22 à 32, donnés à titre de comparaison, montrent l'importance des limites imposées à la composition chimique.
Tableau 2
L'alliage 22 a une teneur en chrome trop élevée qui ne satisfait pas les conditions Cr + Mo < 0,8 x Ni + 0,9 x (Co + Cu) - 18,4 et Cr + Mo < 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124, son induction à saturation est très faible. Les alliages 23, 24 et 25 ont des teneurs en chrome trop importantes pour satisfaire la condition 4 x (Cr + Mo) > 125 - 3 x Ni, et leur perméabilité en champ continu est sensiblement inférieure à 40000.
L'alliage 26 ne satisfait pas la relation Cr > 5%, et sa perméabilité en champ alternatif à 300Hz est sensiblement inférieure à 15000. L'alliage 27 a une teneur en oxygène supérieure à 160ppm et sa perméabilité en champ continu est sensiblement inférieure à 40000.
Les alliages 28 et 29 ne satisfont pas la condition 4 x (Cr + Mo) > 125 - 3 x Ni et l'alliage 28 ne satisfait pas la condition Cr > 5%. D'une part leurs perméabilités en champ continu sont sensiblement inférieures à 40000, mai surtout leurs perméabilités en champ alternatif sont sensiblement inférieures à 15000. L'alliage 30 ne satisfait pas la condition Cr + Mo < 0,8 x Ni + 0,9 x (Co + Cu) - 18,4 et sa perméabilité en champ continu est sensiblement inférieure à 40000.
L'alliage 31 ne satisfait pas les conditions Cr + Mo < 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124 et 4 x (Cr + Mo) > 125 - 3 x Ni, et sa perméabilité magnétique tant en champ alternatif qu'en champ continu est insuffisante.
Tableau 3
Tableau 4
L'alliage 32 ne satisfait pas la condition 4 x (Cr + Mo) > 125 - 3 x Ni, et sa perméabilité magnétique est très insuffisante.

Claims

REVENDICATIONS
1. Blindage magnétique pour champ de fréquence comprise entre 50 Hz et 3000 Hz, constitué d'un alliage magnétique doux dont la composition comprend, en % en poids :
30% < Ni < 40% 0% < Cu + Co < 4% 5%<Cr + Mo< 17% 5%<Cr
0% < Nb < 2 %
Mn < 0,35 %
Si < 0,2 %
C < 0,050 % 0< 0,0160%
S < 0,0020 % B< 0,0010% éventuellement, au moins un élément pris parmi le magnésium et le calcium en des teneurs telles que leur somme reste inférieure à 0,1%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations :
Cr + Mo < 0,8 x Ni + 0,9 x (Co + Cu) - 18,4 Cr + Mo < 4 x Ni + 3 x (Co + Cu) - 124 4x(Cr+Mo)>125-3xNi
2. Blindage selon la revendication 1 , caractérisé en outre en ce que :
Si < 0,15%
3. Blindage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en outre en ce que :
Mn > 0,05%
4. Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en outre en ce que :
Co + Cu > 0,015 %
5. Blindage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en outre en ce que :
O > 0,0050 %
6. Utilisation d'un alliage magnétique doux dont la composition est telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour la fabrication de blindage magnétique pour champ de fréquence comprise entre 50 Hz et 3000 Hz.
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