FR3000835A1 - Procede de fabrication d'aimants permanents par utilisation d'un fluide supercritique tel que le co2 supercritique - Google Patents

Abstract

Ce procédé de fabrication d'un aimant permanent à base de poudre ferromagnétique comprenant les étapes suivantes : • enrobage des grains de poudre à l'aide d'un premier polymère soluble dans un fluide supercritique ; • mélange des grains ainsi enrobés et d'un second polymère non soluble dans ledit fluide supercritique ; • mise en forme du mélange ; • exposition du mélange mis en forme au fluide supercritique ; • application d'un champ magnétique sur le mélange mis en forme et exposé au fluide supercritique ; • arrêt de l'exposition au fluide supercritique.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'AIMANTS PERMANENTS PAR UTILISATION D'UN FLUIDE SUPERCRITIOUE TEL LE COaRIURI PERCE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'aimants permanents à base de poudres, voire d'alliages ferromagnétiques. De tels aimants constituent des aimants permanents de haute performance, c'est-à-dire présentant une induction rémanente (Hr) et une énergie spécifique (BHmax) supérieures à celles des aimants de l'art antérieur. De tels aimants trouvent de nombreuses applications dans l'industrie, notamment pour les machines tournantes électriques, telles que moteurs ou alternateurs que l'on trouve par exemple dans le domaine automobile. Le procédé selon l'invention vise aussi bien la réalisation de plasto-aimants que d'aimants massifs frittés. De manière caractéristique, le procédé selon l'invention prévoit l'enrobage de la poudre ferromagnétique dans un premier polymère soluble dans un fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique, puis son introduction dans un second polymère, dit de structure, non soluble dans ledit fluide supercritique. Après mise en forme, l'ensemble est soumis à une exposition audit fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique, de sorte à entrainer la fluidification sélective du premier polymère, puis un champ magnétique est appliqué entrainant l'alignement des grains de la poudre ferromagnétique.

ETAT DE LA TECHNIQUE Les aimants permanents sont nécessaires pour le fonctionnement de nombreux dispositifs, par exemple dans les moteurs électriques, les rotors, les haut-parleurs, ou les supports d'enregistrement. La fabrication de ces aimants reste cependant relativement complexe et comprend de nombreuses étapes, rendant difficile la réalisation d'aimants permanents offrant d'excellentes performances, notamment une forte aimantation, ainsi qu'un champ coercitif et une induction rémanente élevés. Le champ coercitif (HO correspond à l'induction magnétique qu'il faut appliquer à un aimant pour annuler son aimantation. L'induction rémanente (Hr) correspond à la valeur de l'induction magnétique dans l'aimant immédiatement après avoir porté son aimantation à saturation. L'énergie spécifique (BHmax) représente l'énergie maximum qui peut être emmagasinée dans l'aimant.

Un aimant permanent de haute performance se définit comme présentant notamment des valeurs élevées d'induction rémanente (Hr) et/ou d'énergie spécifique (BHmax). Lorsque celui-ci est réalisé à partir de poudres, l'alignement de l'axe (c) des grains constitutifs de la poudre contribue à l'amélioration de la performance.

Parmi les procédés de fabrication les plus utilisés, le moulage par injection de poudres (encore appelé procédé PIM pour l'acronyme anglo-saxon «Powder Injection Moulding») est le procédé couramment employé pour réaliser des plasto-aimants ou des aimants massifs frittés. On entend par plasto-aimants des aimants composés d'un mélange entre des poudres ferromagnétiques et des substances plastiques ou polymères. Les aimants massifs frittés désignent des aimants obtenus par l'assemblage de poudres ferromagnétiques métalliques ou céramiques, qui ne renferment pas de polymères ou dont le polymère a intégralement disparu lors de l'étape de déliantage du procédé PIM.

Le procédé PIM consiste à mélanger une poudre ferromagnétique avec un liant, avantageusement un polymère, à injecter ledit mélange dans un moule permettant d'obtenir un composant de forme voulue, et éventuellement à retirer le liant lors d'une phase dite de déliantage.

Au cours de l'étape de mise en forme, par extrusion et sous pression, les grains d'alliages ferromagnétiques de la poudre adoptent une orientation aléatoire, non compatible avec le niveau de performances attendu pour l'aimant final. Ainsi, il est important d'orienter les grains de la poudre ferromagnétique par l'application d'un champ magnétique externe au mélange, tant que les grains sont mobiles. Cet alignement des grains doit être réalisé lorsque le mélange est à l'état liquide, avant solidification du polymère. Pendant cette phase, les grains de la poudre ferromagnétique peuvent se mouvoir et s'orienter suivant le champ appliqué dans le polymère liquide. En pratique, l'alignement des grains de la poudre ferromagnétique se fait au moment de l'introduction du mélange dans le moule, par application d'un champ magnétique.

Toutefois, cette technique présente le désavantage de dépendre de la vitesse à laquelle le polymère servant de liant se solidifie, sachant que dans les procédés d'injection, cette solidification est très rapide. Ainsi, le choix des molécules organiques servant de liant est contraint par ce paramètre. D'autre part et dans ce type de procédé, l'outillage d'orientation des grains de la poudre ferromagnétique est similaire à une bobine d'aimantation, ce qui peut donner lieu à des couplages avec les éléments métalliques utilisés pour la mise en forme du mélange, lesdits couplages perturbant le champ magnétique appliqué pour orienter les grains d'alliages ferromagnétiques.

Dans ce contexte et à titre d'exemple, le document US 2008/0298995 propose une solution permettant d'améliorer la qualité des aimants obtenus par PIM, aussi bien en termes de propriétés mécaniques que magnétiques, consistant à chauffer par micro-ondes le mélange poudre-liant lors de l'étape de déliantage, de manière notamment à évacuer le liant de façon homogène à la fin du procédé de fabrication de l'aimant. Toutefois, il existe un besoin évident de développer de nouveaux procédés de fabrication d'aimants, de mise en oeuvre aisée et permettant d'obtenir un aimant de haute performance.

EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d'aimants permanents de haute performance dérivé de la technologie PIM, dans lequel l'étape de pré-alignement des grains de la poudre ferromagnétique (permettant l'orientation des axes c des grains dans une direction unique) est dissociée de l'étape de mise en forme de l'aimant. Plus précisément, l'alignement des grains est réalisé de manière postérieure à la mise en forme de l'aimant.

L'invention propose ainsi de manière astucieuse d'utiliser deux polymères en guise de liant dans le procédé de fabrication d'un aimant permanent par PIM : Le premier polymère enrobe les grains d'alliages ferromagnétiques dans des granulés. Le second polymère sert de structure. Un fluide supercritique, avantageusement le CO2 utilisé à l'état supercritique, est un solvant du premier polymère mais pas du second polymère.

En provoquant la solvatation sélective du premier polymère, il est possible d'orienter les grains par l'application d'un champ magnétique sur l'aimant déjà mis en forme. En d'autres termes, la mobilité des grains de poudre ferromagnétique est rendue possible par la fluidification, via sa solvatation par le fluide supercritique, avantageusement du CO2 supercritique, du polymère enrobant les grains.

A titre d'exemple et de manière connue, le dioxyde de carbone (CO2), lorsqu'il est placé dans des conditions données de température et de pression, se trouve à l'état de fluide supercritique et, en tant que tel, peut être utilisé comme solvant, en raison de son pouvoir de solvatation de certains composés. La solvatation correspond à la dissolution d'un composé dans un solvant, la solubilité du composé dans ledit solvant en étant le résultat.

Il est également connu que les polymères organiques, en fonction de leur structure chimique, présentent des solubilités variables dans un fluide supercritique donné, notamment dans le CO2 supercritique. Dans le cas d'un polymère soluble dans le CO2 supercritique, la solvatation dudit polymère par ce solvant entraîne sa fluidification, et dans certaines conditions, le passage de son état solide à l'état liquide. Ainsi, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un aimant permanent à base de poudre ferromagnétique comprenant les étapes suivantes : - enrobage des grains de poudre à l'aide d'un premier polymère soluble dans un fluide supercritique, avantageusement dans le CO2 supercritique ; - mélange des grains ainsi enrobés et d'un second polymère non soluble dans ledit fluide supercritique, avantageusement dans le CO2 supercritique ; - mise en forme du mélange ; - traitement du mélange mis en forme par le fluide supercritique ou exposition du mélange mis en forme au fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique ; - application d'un champ magnétique sur le mélange mis en forme et traité par le fluide supercritique ou exposé au fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique ; - arrêt du traitement par le fluide supercritique ou de l'exposition au fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique. Le matériau à la base des aimants selon l'invention est une poudre ferromagnétique, constituée d'au moins un matériau présentant des propriétés ferromagnétiques. De manière adaptée, il s'agit de poudres inorganiques. Le ou les matériaux présentant des propriétés ferromagnétiques sont avantageusement des métaux. De manière adaptée, il s'agit donc d'une poudre ferromagnétique métallique.

Dans le cas d'un mélange de différents matériaux, on parle alors d'alliage ferromagnétique. Le ou les matériaux mis en oeuvre sont choisis en fonction de leur température de Curie (température à laquelle la susceptibilité magnétique d'un ferromagnétique devient nulle), ainsi que le niveau d'aimantation, le champ coercitif et l'induction rémanente recherchés pour l'aimant final. A titre d'exemple, les matériaux mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention peuvent être choisis dans le groupe suivant : fer, nickel, ferrite, AlNiCo (Aluminium-Nickel-Cobalt), matériau à base de terres rares comme le NdFeB (Néodyme-Fer-Bore) ou le samarium cobalt (SmCo). En outre et de manière avantageuse selon l'invention, la poudre ferromagnétique en présence est inerte à un traitement ou à une exposition au fluide supercritique utilisé, avantageusement le CO2 supercritique. Une telle poudre est constituée de grains, chacun présentant un axe principal c. Les grains constitutifs de la poudre peuvent être de tailles différentes et de forme variable.

De manière avantageuse, les grains présentent une taille comprise entre 1 et 200 micromètres de longueur selon leur axe c. De manière encore plus avantageuse, la dispersion dans la taille des grains est faible. De manière classique, le ou les matériaux ferromagnétiques mis en oeuvre se trouvent sous forme d'une poudre, avec une taille de grains compatible avec l'application envisagée. Alternativement, il peut être nécessaire de réduire le ou les matériaux à l'état de poudre, voire d'obtenir une poudre avec une taille de grains optimisée. Ceci peut être réalisé par diverses techniques telles que la pulvérisation, le broyage ou la fonctionnalisation.

La première étape du procédé selon l'invention repose sur l'utilisation d'un premier polymère caractérisé par son aptitude à être solubilisé par un fluide supercritique, celui-ci jouant alors le rôle de solvant.

Le fluide supercritique mis en oeuvre est avantageusement du dioxyde de carbone ou CO2. Celui-ci présente de nombreux avantages dans le cadre de son utilisation en tant que solvant : faible température critique au point critique (31 °C) permettant des procédés basse température, fort pouvoir de diffusion notamment à travers les matériaux polymériques, incolore, chimiquement inerte, ...

Dans le cadre de l'invention et de manière avantageuse, un polymère est considéré comme étant soluble dans le CO2 supercritique, lorsque celui-ci se fluidifie après un traitement au CO2 supercritique, typiquement réalisé dans les conditions suivantes : - à une température supérieure ou égale à 35°C, avantageusement comprise entre 35 et 50 °C ; - à une pression supérieure ou égale à 70 bars, avantageusement comprise entre 70 et 300 bars ; - avantageusement pendant une durée comprise entre 1 et 60 minutes, voire entre 1 et 30 minutes, par exemple égale à 10 minutes. Les conditions expérimentales permettant d'obtenir et de maintenir un composé donné à l'état de fluide supercritique sont connues de l'homme du métier et sont déterminées au cas par cas. Un polymère adapté est par exemple un polymère à base de paraffine, en raison de sa bonne solvatation par le CO2 supercritique. En pratique, l'exposition de la paraffine à du CO2 supercritique, typiquement à une température comprise entre 35 et 50 °C et une pression comprise entre 70 et 300 bar, pendant une durée de quelques minutes, par exemple 10 minutes, permet d'obtenir une paraffine solubilisée. Toutefois, tout autre polymère adapté, choisi notamment en fonction du fluide supercritique utilisé, peut être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention.

L'enrobage des grains de poudre à l'aide du premier polymère consiste à déposer ledit polymère à la surface des grains de manière à réaliser une « coque » autour des grains. Un tel enrobage est avantageusement réalisé à l'aide de la technique dite d'atomisation séchage ou par fonctionnalisation et granulation.

Au cours de cette étape, le premier polymère est donc déposé à la surface des grains, avantageusement de chaque grain de la poudre ferromagnétique. Préférentiellement, cette répartition du premier polymère à la surface des grains se fait de manière homogène, de sorte qu'à l'issue de cette étape, les grains constituent le coeur de structures solides de type granulés sensiblement sphériques. De manière avantageuse, la taille des structures finales ou granulés est comprise entre 1 et 200 microns. En outre, la répartition volumique entre le grain et le polymère dans le granulé est avantageusement de l'ordre de ou égale à 50%.

De manière générale, l'enrobage présente des dimensions supérieures ou égales à la plus grande dimension du grain, typiquement la longueur du grain selon son axe c. Ainsi, les grains de poudre peuvent réaliser une rotation totale à l'intérieur de l'enrobage. Dans un second temps, les grains ainsi enrobés sont mélangés avec un second polymère, destiné à jouer le rôle de polymère de structure. En pratique, le second polymère est ajouté aux grains enrobés. Ainsi, le terme « mélange » peut aussi bien s'entendre comme une simple mise en contact que comme un mélange actif, un mélange actif étant préféré.

De manière adaptée selon l'invention et dans les conditions de traitement ou d'exposition au fluide supercritique, avantageusement au CO2 supercritique, permettant la fluidification du premier polymère, le second polymère ne doit pas être affecté par ce traitement ou exposition et ne doit pas être soumis à solvatation.

Ainsi et de manière appropriée, pour un traitement donné à l'aide du fluide supercritique en présence, le second polymère doit rester à l'état solide alors que le premier polymère est dissous. Ainsi, le second polymère mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention est défini comme étant non soluble dans le fluide supercritique en présence, avantageusement dans le CO2 supercritique. Dans le cas particulier du CO2 supercritique, le second polymère doit donc rester inerte lors d'une exposition à du CO2 dans les conditions susmentionnées, à savoir : - à une température supérieure ou égale à 35°C, avantageusement comprise entre 35 et 50 °C ; - à une pression supérieure ou égale à 70 bars, avantageusement comprise entre 70 et 300 bars, - avantageusement pendant une durée comprise entre 1 et 60 minutes, voire entre 1 et 30 minutes, par exemple égale à 10 minutes.

Un polymère de type polyéthylène glycol peut satisfaire à ce critère. Comme pour le premier polymère, tout autre polymère adapté peut être mis en oeuvre, la condition principale étant sa non solubilité dans le fluide supercritique en présence, dans les conditions de traitement ou d'exposition entrainant la dissolution du premier polymère dans ce fluide supercritique.

Dans cette étape de mélange, il est nécessaire de conserver les deux polymères en présence sous forme non miscible. Avantageusement, les grains enrobés à l'aide du premier polymère sont insérés dans la matrice du second polymère.

Pour permettre cette incorporation des grains enrobés dans la matrice, le second polymère présente avantageusement la propriété d'être soluble dans un solvant, par exemple de l'eau, qui n'est pas apte à solubiliser le premier polymère. Selon ce mode de réalisation, le second polymère est donc solubilisé en tout ou en partie, préalablement à l'incorporation des grains enrobés qui ne sont pas affectés par le solvant en présence. A l'issue du mélange, le solvant est éliminé, avantageusement par évaporation.

Comme mentionné ci-dessus et en combinaison avec la paraffine, le polyéthylène glycol, outre sa résistance au pouvoir de solvatation du CO2 supercritique, est un polymère de choix car il présente l'avantage d'être soluble dans l'eau, alors que la paraffine ne l'est pas. Selon un mode de réalisation privilégié, le second polymère est donc dissous dans un solvant adapté et les grains enrobés à l'aide du premier polymère sont ajoutés. Pour garantir une répartition homogène, le mélange peut être soumis à agitation. Comme déjà mentionné, le solvant est ensuite éliminé, avantageusement par évaporation. A l'issue de cette étape et selon ce mode de réalisation privilégié, on obtient donc, a l'état solide, des grains de poudre ferromagnétique enrobés à l'aide du premier polymère dans une matrice composée du second polymère. 15 De manière avantageuse et en vue de la mise en forme, le second polymère occupe entre 40% et 80% du volume total du mélange (second polymère + grains enrobés du premier polymère). Cette proportion permet d'obtenir une densité de grains suffisante pour l'aimantation recherchée, tout en permettant au second polymère de jouer son rôle structurant vis-à-vis des grains enrobés et leur permettre de pivoter pendant 20 l'application du champ magnétique. L'étape suivante est la mise en forme du mélange ainsi obtenu. De manière classique selon la technologie PIM, cette étape nécessite une élévation de la température du mélange qui permet de le fluidifier, et donc de l'injecter pour lui conférer la forme 25 voulue, notamment grâce à l'utilisation d'un moule. Les techniques classiques mises en oeuvre à cette étape du procédé sont par exemple l'injection ou le pressage à chaud. De manière appropriée, l'élévation de la température lors de cette étape de mise en forme est brusque et rapide, de manière à ne pas entraîner le mélange des deux 30 polymères en présence. Avantageusement, l'élévation en température dure entre 1 et 30 secondes, avec une température maximale atteinte comprise entre 50 et 120°C, typiquement au-dessus de la température des deux polymères en présence. De manière classique à l'issue de cette étape de mise en forme, la température est 35 abaissée, avantageusement à température ambiante, de sorte que le mélange redevienne solide et présente la forme souhaitée. A ce stade du procédé, les grains de la poudre ferromagnétique présentent une orientation quelconque (direction de leur axe c aléatoire) dans la matrice du second polymère. 10 L'étape suivante, caractéristique de l'invention, consiste à fluidifier le premier polymère enrobant les grains, de sorte que la forme globale soit maintenue. Avantageusement, il s'agit d'appliquer un traitement ou une exposition au fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique, permettant de solubiliser et donc de fluidifier sélectivement ce premier polymère. Encore plus avantageusement et dans le cas d'un traitement ou d'une exposition au CO2 supercritique, un flux de CO2 est appliqué dans des conditions de température supérieure ou égale à 35 °C, voire comprise entre 35 °C et 50 °C, et des conditions de pression supérieure ou égale à 70 bar, voire comprise entre 70 bar et 300 bar. Le temps d'exposition ou de traitement est avantageusement compris entre 1 et 60 minutes, voire entre 1 et 30 minutes, par exemple égal à 10 minutes. Avantageusement, le mélange mis en forme est disposé dans une enceinte alimentée en fluide supercritique, avantageusement en CO2 gazeux, et soumise aux conditions de température et de pression susmentionnées permettant de maintenir le fluide en présence sous forme supercritique. Ainsi, le fluide, avantageusement le CO2 à l'état supercritique, grâce à son pouvoir de diffusion, pénètre et diffuse à l'intérieur du mélange mis en forme et solubilise sélectivement le premier polymère enrobant les grains de poudre ferromagnétique, alors que le second polymère non affecté par ce traitement ou exposition permet de maintenir la forme globale de la structure.

A ce stade et lorsque le premier polymère fondu autorise la mobilité des grains de poudre ferromagnétique, un champ magnétique est appliqué. Ce champ magnétique peut être appliqué simultanément au traitement par le CO2 supercritique, ou une fois que le premier polymère se trouve à l'état solvate. De manière adaptée, le traitement au CO2 supercritique est maintenu lors de l'application du champ magnétique.

Le champ magnétique appliqué est avantageusement un champ magnétique statique. Il s'agit avantageusement d'un champ de forte intensité, typiquement compris entre 5 et 7 Teslas. Un tel champ magnétique permet de s'assurer que les grains sont quasiment tous orientés selon la même direction et ainsi d'obtenir un aimant final présentant de bonnes performances.

Un champ magnétique est considéré comme adapté lorsqu'il permet l'alignement, selon la direction recherchée, de l'axe c de la majorité des grains de poudre ferromagnétique, avantageusement d'au moins 90% de ceux-ci.

A l'issue de cette étape d'alignement de l'axe c des grains de poudre ferromagnétique selon la direction souhaitée, il s'agit alors de figer la structure obtenue, en pratique de solidifier le premier polymère. A cette fin, le traitement ou l'exposition au fluide supercritique, avantageusement au CO2 supercritique, est stoppé. Ceci peut être réalisé par arrêt de l'approvisionnement en fluide supercritique. Dans le cas particulier du CO2 supercritique, cela peut être réalisé par : - abaissement de la température, avantageusement à une température inférieure à 35°C, voire inférieure à 30 °C; et/ou - abaissement de la pression, avantageusement à une pression inférieure à 70 bars, voire inférieure à 60 bars ou même inférieur à 50 bars. Le procédé selon l'invention permet donc de contrôler l'orientation et/ou l'intensité d'aimantation, et ce indépendamment de la forme de l'aimant.

A l'issue du procédé décrit, on obtient donc un aimant comprenant, de manière recherchée, des grains de poudre ferromagnétique dont les axes c sont parallèles les uns aux autres, avantageusement orientés dans la direction souhaitée. De manière caractéristique, un tel aimant ou plasto-aimant comprend des grains de poudre ferromagnétique enrobés à l'aide d'un premier polymère soluble dans un fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique, dans une matrice réalisée à l'aide d'un second polymère non soluble dans ledit fluide supercritique, avantageusement le CO2 supercritique.

Un tel aimant peut être utilisé en tant que tel. Alternativement, il peut être soumis à des étapes ultérieures de déliantage et éventuellement de frittage. De manière caractéristique, le déliantage permet d'éliminer les polymères en présence, à savoir aussi bien le premier polymère que le second polymère. Le frittage permet quant à lui de compacter la poudre obtenue à l'issue du déliantage.

La structure frittée obtenue est constituée de grains dont l'orientation est uniforme, a savoir qui présentent des axes c parallèles. Pour obtenir un aimant permanent, une nouvelle étape d'aimantation est avantageusement mise en oeuvre, notamment après l'étape de frittage qui se déroule à une température supérieure à la température de Curie.

Un aimant obtenu dans le cadre de la présente invention est considéré comme un aimant à haute performance dans la mesure où il présente une induction rémanente (Hr) et/ou une énergie spécifique (BHmax) supérieures à celles des aimants de l'art antérieur.

Le procédé selon l'invention met en oeuvre des dispositifs classiques des procédés de traitement des poudres. De manière caractéristique selon l'invention, un dispositif de traitement ou d'exposition au fluide supercritique, avantageusement au CO2 supercritique, permettant une alimentation en fluide, avantageusement en CO2 à une température et une pression contrôlées, est disposé en série, voire couplé à un dispositif d'application d'un champ magnétique. Selon l'art antérieur, le dispositif d'application du champ magnétique était couplé au dispositif de mise en forme, par exemple un dispositif d'injection ou de pressage à chaud.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les figures annexées, dans lesquels les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues et dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'une poudre composée de grains d'alliages ferromagnétiques ; - la figure 2 est une vue en perspective schématique d'un ensemble de grains d'alliages ferromagnétiques enrobés dans des granulés de polymère ; - la figure 3 est une vue en perspective schématique d'un ensemble de granulés piégés dans un polymère de structure ; - la figure 4 est une vue en perspective schématique d'un plasto-aimant à grains ferromagnétiques d'orientation aléatoire ; - la figure 5 est une vue en perspective schématique d'un plasto-aimant selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 6 est une vue en perspective schématique d'un aimant massif fritté selon un second mode de réalisation de l'invention.

Certains éléments de ces figures ont été agrandis pour faciliter leur compréhension et peuvent par conséquent ne pas être à l'échelle. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il va à présent être décrit un procédé de réalisation d'aimants permanents permettant d'orienter facilement les grains d'alliages ferromagnétiques constitutifs d'un aimant permanent dur, avec pour conséquence la possibilité d'imposer n'importe quelle direction à l'aimantation d'un aimant permanent et de disposer d'aimants permanents aux propriétés magnétiques accrues, grâce à un alignement des grains d'alliages ferromagnétiques optimisé selon une seule direction parallèle à leur axe c (Figure 1). La présente invention va être illustrée plus avant en relation avec l'utilisation de CO2 supercritique. Toutefois, le présent enseignement peut être appliqué à tout autre fluide supercritique capable de solvater de manière différentielle deux polymères. Le procédé selon l'invention repose en partie sur la technique connue de moulage par injection de poudre (PIM).

La première étape du procédé de fabrication, dont le résultat est représenté à la figure 2, consiste à enrober les grains de la poudre d'alliages ferromagnétiques avec un premier polymère 2, possédant une solubilité favorable dans le CO2 à l'état supercritique, notamment observée dans les conditions suivantes : - à une température supérieure ou égale à 35°C, avantageusement comprise entre 35 et 50 °C ; - à une pression supérieure ou égale à 70 bars, avantageusement comprise entre 70 et 300 bars ; - avantageusement pendant une durée comprise entre 1 et 60 minutes, voire entre 1 et 30 minutes, par exemple égale à 10 minutes Pour réaliser cet enrobage, un dispositif tel que le Proce115 peut être utilisé. Ce dispositif permet grâce à un procédé d'atomisation séchage de projeter le polymère 2 sur la poudre de grains d'alliages ferromagnétiques 1 de manière à enrober chaque grain dans un granulé sensiblement sphérique.

En guise de premier polymère 2, il est envisageable d'utiliser par exemple un polymère à base de paraffine apte à être solubilisé dans le CO2 à l'état supercritique, dans les conditions mentionnées ci-dessus.

La seconde étape du procédé de fabrication, dont le résultat est représenté à la figure 3, consiste à obtenir un mélange injectable dans un moule. Pour y parvenir, les granulés obtenus lors de l'étape précédente sont mélangés avec un second polymère 3.

Pour la suite du procédé, le second polymère 3 est choisi de sorte qu'il ne soit pas soluble dans le CO2 à l'état supercritique dans les conditions mentionnées ci-dessus, à savoir celles permettant de solvater le premier polymère 2, en l'occurrence le polymère à base de paraffine. Il s'agit par exemple du polyéthylène glycol.

Les deux polymères à base de matériaux organiques sont non miscibles, de manière à avoir un mélange comprenant trois éléments distincts : - des grains inorganiques d'alliages ferromagnétiques 1, - des granulés enrobant lesdits grains, l'enrobage des granulés étant constitué d'un premier polymère organique 2, dit polymère de rotation, et - un polymère de structure formé par un second polymère organique 3. Lors de cette seconde étape, il est utile de solubiliser le second polymère 3, dit polymère de structure, avec un solvant qui n'a pas d'effet sur le premier polymère 2. Ainsi, il est par exemple possible d'utiliser en guise de second polymère 3, du polyéthylène glycol et de le solubiliser avec de l'eau. On peut avantageusement solubiliser toute quantité voulue de polymère de structure 3 et y incorporer les granulés formés lors de l'étape précédente. On veillera cependant à ce que le polymère de structure 3 représente entre 40% et 80% en volume du mélange final obtenu de manière à ce qu'il soit réellement structurant pour le mélange obtenu. On élimine ensuite le solvant, par exemple par évaporation, afin d'aboutir au mélange rigide représenté sur la figure 3. Lors d'une troisième étape, dont le résultat est représenté sur la figure 4, le mélange obtenu à l'étape précédente est mis en forme dans un moule. Cette étape peut être réalisée de différentes façons, par exemple par injection ou par pressage à chaud.

Les moyens utilisés pour la mise en forme reposent sur une élévation de la température jusqu'à une valeur supérieure à la température de fusion des deux polymères 2 et 3 en présence, permettant de fluidifier pendant un bref instant le mélange. La durée de cette élévation de température est suffisamment brève pour ne pas permettre une réorganisation importante de l'agencement des grains 1 dans les granulés et des granulés dans le polymère de structure 3. Ainsi, il n'y a pas de mélange entre les différents composants organiques. Pendant ce bref instant où la température est supérieure aux températures de fusion des deux polymères 2 et 3 en présence, le mélange épouse la forme du moule et retrouve, à la fin de l'étape qui dure quelques secondes, sa température initiale. Le composant mis en forme 4 obtenu à l'issue de cette étape ne présente pas encore une aimantation optimisée dans la mesure où les grains d'alliages ferromagnétiques 1 ont tous des orientations aléatoires.

Lors d'une quatrième étape, dont le résultat est représenté à la figure 5, les grains d'alliages ferromagnétiques sont orientés selon une seule direction imposée par un champ magnétique externe. Le champ magnétique appliqué au composant 4 obtenu à l'issue de l'étape précédente est avantageusement un champ magnétique statique possédant une valeur comprise entre 5 et 7 Teslas. Le principe de cette étape consiste à provoquer, avant l'application du champ magnétique, la solvatation sélective du premier polymère 2 situé autour des grains de poudre ferromagnétique 1, de telle sorte que le premier polymère d'enrobage 2 se fluidifie sans que le polymère de structure 3 ne soit affecté, en particulier ne devienne liquide. Ainsi, les grains d'alliages ferromagnétiques 1 sont libres de se réorienter à l'intérieur du volume défini par les granulés et délimité par le polymère de structure 3. Le champ magnétique externe appliqué au composant 5 force les grains d'alliages ferromagnétiques 1 à s'orienter le long des lignes de champ et donc à s'orienter suivant une seule et même direction d'aimantation. En pratique et pour fluidifier sélectivement le premier polymère 2, le composant 4 est avantageusement introduit dans une enceinte de traitement sous CO2 supercritique. De manière appropriée, les conditions de température et de pression permettent d'avoir du CO2 à l'état supercritique et de solvater la paraffine sont les suivantes : - température au-dessus de 35 °C, avantageusement comprise entre 35 °C et 70 °C ; - pression au-dessus de 70 bars, avantageusement comprise entre 70 bars et 300 bars.

Un tel traitement ou exposition est généralement appliqué pendant quelques minutes, typiquement pendant 10 minutes. Dans ces conditions, le CO2 à l'état supercritique va pénétrer à l'intérieur du composant 4 grâce à son haut pouvoir de diffusion et va sélectivement entrainer la solvatation du premier polymère 2 enrobant les grains de poudre ferromagnétique 1. Sous l'effet du CO2 supercritique servant de solvant, le premier polymère 2 se fluidifie voire se liquéfie, permettant la mobilité des grains de poudre ferromagnétique 1, alors que le second polymère 3 servant de polymère de structure demeure à l'état solide et permet de conserver la géométrie du composant. En pratique et sous l'action du CO2 supercritique, la paraffine se trouve à l'état solvaté, alors que le polyéthylène glycol reste à l'état solide. À l'issue de cette étape et après orientation des grains 1, il suffit d'arrêter le traitement au CO2 supercritique, ce qui est typiquement réalisé en modifiant les conditions de température et/ou de pression de sorte que le CO2 ne soit plus à l'état supercritique. De manière adaptée, il s'agit de redescendre la température du composant 5 à une température inférieure à 35 °C, voire inférieure à 30 °C. Alternativement ou additionnellement, il s'agit de faire chuter la pression du CO2 à une pression inférieure à 70 bars, voire inférieure à 60 bars ou même à 50 bars.

En l'absence de solvant, en l'occurrence du CO2 à l'état supercritique, le premier polymère 2 retrouve son état solide, ce qui permet de figer les grains d'alliages ferromagnétiques 1 dans leur position orientée selon un unique axe d'aimantation à l'intérieur du composant 5.

II est possible d'utiliser le composant 5 tel quel. Le composant 5 est alors un plasto- aimant, c'est-à-dire un alliage aimant polymère. Alternativement, il est aussi possible de procéder à l'élimination des éléments organiques, autrement dit de procéder au déliantage du premier polymère 2 et du polymère de structure 3. Par la suite, on procède à un frittage des poudres inorganiques qui est suivi d'une nouvelle opération d'aimantation du composant afin d'obtenir un aimant permanent massif fritté dur 6 (Figure 6).

Ainsi, l'invention propose de réaliser une orientation des grains d'alliages ferromagnétiques 1 lors d'un procédé de fabrication d'aimants permanents postérieurement à l'étape de mise en forme des aimants. Le nouveau procédé de fabrication d'aimants permanents proposé ici permet ainsi d'obtenir une excellente orientation des grains d'alliages ferromagnétiques 1 selon une seule direction, ainsi que de choisir librement l'orientation souhaitée des grains 1, dans la mesure où l'orientation des grains 1 s'effectue postérieurement au moulage de l'aimant.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un aimant permanent (5, 6) à base de poudre ferromagnétique (1) comprenant les étapes suivantes : - enrobage des grains de poudre (1) à l'aide d'un premier polymère (2) soluble dans un fluide supercritique ; - mélange des grains ainsi enrobés et d'un second polymère (3) non soluble dans ledit fluide supercritique ; - mise en forme du mélange; - exposition du mélange mis en forme (4) au fluide supercritique ; - application d'un champ magnétique sur le mélange mis en forme (4) et exposé au fluide supercritique ; - arrêt de l'exposition au fluide supercritique. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon la revendication 1, dans lequel le fluide supercritique est le CO2 supercritique. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la poudre ferromagnétique (1) comprend au moins un matériau choisi dans le groupe suivant : fer, nickel, ferrite, AlNiCo ou matériau à base de terres rares comme le NdFeB (Néodyme-Fer-Bore) ou le samarium cobalt (SmCo). Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le premier polymère (2) est un polymère à base de paraffine. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enrobage des grains de la poudre (1) à l'aide du premier polymère (2) est réalisé par atomisation séchage. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel le second polymère (3) est du polyéthylène glycol. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélange des grains enrobés et du second polymère est réalisé par introduction des grains enrobés dans le second polymère solubilisé, par exemple dans de l'eau. 10 152. 3. 20 4. 25 5. 30 6. 7. 35 8. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second polymère (3) représente de 40 à 80% en volume du mélange. 9. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la mise en forme du mélange est réalisée par injection ou pressage à chaud. 10. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une des revendications 2 à 9, dans lequel l'exposition au CO2 supercritique est réalisée à une température comprise entre 35 °C et 50 °C, et à une pression comprise entre 70 bars et 300 bars. 11. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le champ magnétique appliqué est un champ magnétique statique compris entre 5 et 7 Teslas. 12. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une des revendications 2 à 11, dans lequel l'exposition au CO2 supercritique est arrêtée par abaissement de la température et/ou de la pression. 13. Procédé de fabrication d'un aimant permanent selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre les étapes suivantes : - déliantage de l'aimant (5) ; - frittage de la poudre issue du déliantage ; - aimantation de l'aimant (6) ainsi obtenu. 14. Plasto-aimant (5) susceptible d'être obtenu à l'aide du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant des grains de poudre ferromagnétique enrobés à l'aide d'un premier polymère dans une matrice réalisé à l'aide d'un second polymère. 15. Plasto-aimant (5) selon la revendication 14 dont les axes (c) des grains sont parallèles. 16. Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 13 comprenant un dispositif d'exposition à un fluide supercritique couplé à un dispositif d'application de champ magnétique.