Brevet FR2282736A1 — publié le 19760319

La présente invention concerne un matériau nouveau pour i fabrication d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérésis à grande vitesse, ainsi qu'un procédé d'obtention de ce matériau. Les moteurs à hystérésis à grande vitesse de rotation sar- vent, par exemple, à entratner un séparateur centri-tige d'enri-chissement de l'uranium. Les performances de es moteurs à hystérésis dépendent du matériau dont est fait le rotor, et il est donc-necessaire que le matériau du rotor soit un matériau magnétique demi-dur, ayant une résistance mécanique et une ducti- lité assez grandes pour permettre la rotation à grande vitesse. Par exemple, un matériau du rotor doit fournir un champ coercitif au moins égal à 40 Oe, une induction rémanente au moins égale à 5 kG, une limite élastique au moins égale à 100 kg/mm, et un allongement au moins égal à 10 %, c'est-a-dire que e doit être un matériau magnétique demi-dur et en meme temps un matériau de construction.Des matériaux magnétiques demi-durs types sont les alliages Fe-V-Co, c'est-à-dire les alliages Vicalloy, et les alliages Fe-Co-Ni-Al, c'est-à-dire les alliages Ainico. Cependant, si ces alliages ont des propriétés magnétiques supérieures en tant que matériaux demi-durs, ils souffrent d'une fragilité remarquable gui n'est pas indiquée pour un matériau de construction, et ils ne sont donc pas très indiqués comme matériaux de construction du rotor utilisables dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation. La présente invention a donc pour objet de fournir un matériau de construction d'un rotor utilisable- dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation, ainsi qu'un procédé d'obtention de ce matériau, ledit matériau fournissant un champ coercitif au moins égal à 40 Oe, une induction rémanente au moins égale à 5 kG, une limite-élastique au moins égale à 100 kg/mm, et une grande ductilité. Selon la présente invention, il est fourni un matériau de construction d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérssis à grande vitesse de rotation1 matériau qui se compose d'un acier "maraging" (acier martensitique durci par vieillissement "aging"), contenant, en pourcentage en poids, de 16 à 20 % de nickel, et fournissant un champ coercitif au oins égal à 40 Oe, une ieduc- tion rémanente au moins égale à 5,0 kG, et une limite élastique au moins égale à 100 kg/mm. Les auteurs de la présente invention ont constaté qu'un acier "maraging" contenant de 16 à 20 % de nickel est le mieux approprié pour un moteur qui entralne un séparateur centrifuge d'enrichissement de l'uranium.A cet égard1 les aciers de ce type doivent fournir un champ coercitif au moins égal à 40 Oe, une induction rémanente au moins égale à 5,0 kg, une limite élastique au moins égale à 100 kg/mm à la température ambiante, et un allongement au moins égal à 10 % à la température ambiante. Cet acier "maraging" se compose de 16 à 20 % de nickel, de 0,3 à 3,0% de titane, de 0,01 à 1,0% d'aluminium, de 7 à 14 5 de cobalt et de 3 à 6 % de molybdène, le solde étant du fer. En outre, on fait subir à cet acier un traitement de dissolution et un traitement de vieillissement pour obtenir une limite élastique au moins égale à 100 kg/mm2, un champ coercitif au moins égal à 40 Oe, et une induction rémanente au moins égale à 5,0 kG.Plus précisément, si cet acier fournit un champ coercitif inférieur à 40 Oe et une induction rémanente inférieure à 5,0 kG, il ne peut permettre le couple voulu. D'autre part, si l'acier a une limite élastique inférieure à 100 kg/mm2 à la température ambiante, il ne permet pas au moteur de tourner à vitesse assez grande, et il ne convient donc pas pour la fabrication d'un séparateur centrifuge d'enrichissement de l'uranium. Cependant, le rotor d'un sépa- rateur centrifuge d'enrichissement de l'uranium fournit une vitesse périphérique atteignant 400 à 500 m/seconde, si bien que, pour répondre à la condition citée, le matériau doit avoir une limite élastique au moins égale à 100 kg/mm2 et doit être un matériau de construction ayant la ductilité voulue. Ainsi qu'on l'a déjà décrit plus haut, la présente invention fournit un acier "maraging" contenant de 16 à 20 % de nickel, et ayant une composition chimique convenable, cet acier étant obtenu selon un procédé convenable, présentant un champ coercitif au moins égal à 40 Oe, une induction rémanente au moins égale à 5,0 kG, 2 et une limite élastique au moins égale à 100 kg/mm . Si le pour- centage de nickel n'est pas compris entre 16 et 20 %, on ne peut obtenir les propriétés magnétiques et la résistance mécanique voulues. En outre, on fait subir à l'acier "maraging", ayant la- dite composition convenable, des traitements thermiques convenables pour obtenir une limite élastique au moins égale à 150 kg/mm, ainsi que les propriétés magnétiques voulues. On fait subir à l'acier "maraging" utilisable pour le rotor d'un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation, à un traitement de dissolution et à un traitement de vieillissement. Pour le traitement de dissolution, on utilise un intervalle de température de 820 à 8500C, c'est-à-dire une température d'austénitisation. On fait ensuite subir à l'acier "maraging" un refroidissement à température ambiante, puis un traitement de vieillissement à une température de 600 à 725 C. Selon un autre aspect de la présente invention, on fait subir à l'acier "maraging" un traitement de dissolution, puis un refroidissement a la température ambiante, un traitement de vieillissement à une température de 700 à 7250C, puis un refroidissement à la température ambiante, et un nouveau traitement de vieillissement à une température de 400 à 5250C, ce qui permet d'améliorer les propriétés de résistance mécanique et les propriétés magnétiques. Si la température du second traitement de vieillissement est inférieure à 4000C, il faut un temps de chauffage trop long pour parvenir a la résistance mécanique voulue, et un tel procédé n'est donc pas pratique. Par contre, si la température précitée excède 5250C, il se forme une structure trop vieillie, ce qui réduit la résistance mécanique. D'autre part, si la température du premier vieillissement est inférieure à 6000C et si la tempé- rature du premier vieillissement dépasse 725-C, les propriétés magnétiques et la résistance mécanique sont alors insuffisantes, et on sort alors du cadre de la présente invention. Ceci est particulièrement vrai pour le champ coercitif.Autrement dit, l'intervalle de température précité entraine à la formation d'une structure austénitique ayant une phase non magnétique, dans la structure martensitique, si bien qu'une précipitation convenable d'une phase austénitique améliore particulièrement bien le champ coercitif. D'autre part, on fait subir à l'acier "maraging" selon la présente invention, un traitement de dissolution, puis un traitement de vieillissement à une température de 600 à 725 C, puis un second traitement de vieillissement à une température de 400 à 525 C, ce qui permet d'obtenir le champ coercitif, l'induction rémanente et la limite élastique voulus. Selon encore un autre aspect de la présente invention, on fait subir à l'acier "maraging un traitement de dissolution, puis un écrouissage à une réduction d'épaisseur utile de 30 à 90 %, un vieillissement à une température de 600 à 725-C, puis un second vieillissement à une température de 400 à 525 C. ce qui permet d'obtenir une résistance mécanique et des propriétés magnétiques améliorées, en particulier une induction rémanente améliorée. On a découvert que l'on pouvait améliorer l'induction rémanente en affinant la structure par écrouissage et vieillissement. Cependant, on ne peut obtenir cet effet si la réduction utile d'epaisseur est inférieure à 30 %, et on ne peut améliorer davantage cet effet au-delà d'une réduction utile d'épaisseur de 90 %, qui, en outre, s'accompagne de difficultés d'écrouissage. Ainsi, la réduction utile d'épaisseur après le traitement de dissolution doit être comprise entre 30 et 90 %. La figure I est formée de courbes montrant la relation entre le champ coercitif et l'induction rémanente d'une part, et la température de vieillissement d'autre part la figure 2 est formée de courbes montrant la relation entre le champ coercitif et l'induction rémanente d'une part, et la durée de vieillissement d'autre part , et la figure 3 est formez de courbes montrant la relation entre le champ coercitif et l'induction rémanente d'une part, et la durée du vieillissement d'autre part, après l'écrouissage. EXEMPLE 1 Dans un four à induction sous vide, à haute fréquence, on place, pour les faire fondre, du fer électrolytique, du nickel électrolytique, du cobalt métallique, du ferro-molybdène et du ferro-titane, auxquels on ajoute, comme oxydants, une petite quantité d'aluminium, de silicium et de manganèse, et on obtient ainsi des aciers "maraging" à 18 2 de nickel, dont les résistances à la traction sont respectivement de 175, 210 et 245 kg/mm2. La composition de ces aciers est indiquée dans le tableau I ci-dessous. Dans ce tableau, le solde est représenté par du fer. On fait subir aux lingots respectifs, un forgeage à une tem pérature de 900 à 11000C, puis un recuit à 1200ex suivi d'un refroidissement à l'air. De plus, on fait subir aux lingots un recuit et un écrouissage intermédiaires, pour obtenir les éprouvettes de résistance à la traction et les éprouvettes de proprietés magnétiques. TABLEAU 1 Résistance No. C Si Mn P S Ni Co Mo Ti Al à la traction 1 0,009 0,15 0,09 0,003 0,003 18,95 8,21 4,74 0,50 0,07 175 kg/mm 2 0,008 0,14 0,10 0,003 0,002 18,72 9,24 4,91 0,86 0,09 210 kg/mm 3 0,01 0,17 0,13 0,002 0,003 17,15 12,70 3,71 1,73 0,10 245 kg/mm Ensuite, on fait subir aux éprouvettes respectives un traitement de dissolution pendant une heure, à une température de 8200C, puis un traitement de vieillissement.La figure 1 montre les variations du champ coercitif et de l'induction rémanente dans les éprouvettes N 1 et 2, après le traitement de vieillissement à une température de 5750 à 7250C pendant 30 minutes. Cette figure révèle que les éprouvettes N 1 et 2 présentent une netie augmentation du champ coercitif, quand on leur fait subir le traitement de vieillissement à une température avoisinant 6500 à 6750C, car elles présentent un champ coercitif d'environ 200 Oe et une induction rémanente d'environ 3 kG.D'autre part, quand on lui fait subir un traitement de vieillissement à une température de 7000C environ, l'acier "maraging" présente un champ coercitif de 80 Oe et une induction rémanente de 8,4 kG dans l'échantillon N 1, et un champ coercitif de 103 Oe et une induction rémanente de 7,7 kG dans l'échantillon N 2, et il présente donc des propriétés magnétiques supérieures. Par contre, le traitement de vieillissement à une température de 7200C donne des éprouvettes dont l'induction rémanente est au moins égale à 10 kGZ tandis que le champ coercitif est réduit à pas plus de 40 Oe environ, traduisant une certaine réduction des caractéristiques magnétiques recherchées.L'éprouvette NO 3, à la différence des éprouvettes N l et 2, se caractérise en ce que, quand on lui fait subir un traitement de vieillissement à une température de 675 C, elle présente un champ coercitif de 120 Oe, tandis que son induction rémanente n'-est réduite que dans une mesure extrêmement faible, même Si on porte la température de vieillissement jusqu'à 700 ou 725 C. De plus, l'induction rémanente commence à croitre à partir de la température de vieillissement de 6750C.Quand on fait subir à cette éprouvette un traitement de vieillissement à une température de 7250C, on obtient un champ coercitif de 110 Oe et une induction rémanente de 10,4 kG, si bien que l'acier maraging'1 selon la présente invention, convient très bien comme matériau de construction du rotor d'un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation, en raison de ses excellentes carac téristiques magnétiques. Considérons maintenant la résistance mécanique de l'acier "maraging" selon la présente invention. Quand on fait subir l'éprouvette N 1 un traitement de dissolution à une température de 6000C pendant 3 heures, on obtient pour cette éprouvette un champ coercitif de 74 Oe, une induction rémanente de 7,3 kG, 2 une limite élastique de 125,5 kg/mm à la température ambiante, un allongement de 16,7 %, et une striction de 43,7 %. D'autre part, quand on fait subir à l'éprouvette N 2 un traitement de dissolution à une température de 6000C pendant 10 heures, on obtient un champ coercitif de 69 Oe, une induction rémanente de 2 7,1 kG, une limite élastique de 121,5 kg/mm à la température ambiante, un allongement de 15,2 %, et une striction de 49,7 %, c'est-à-dire les caractéristiques magnétiques voulues et une limite élastique atteignant plus de 100 kg/mm, c'est-à-dire un matériau qui répond aux conditions d'un matériau de construction d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation. EXEMPLE 2 Le tableau 2 montre les caractéristiques magnétiques et les propriétés mécaniques des éprouvettes n 1 et 2 auxquelles on a fait subir le traitement de dissolution, puis le traitement de vieillissement à une température de 7000C pendant 30 minutes, puis un second traitement de vieillissement à une température de 480 C pendant 3 heures. TABLEAU 2 Epronvette Hc (Oe) Br (kG) Limite Allond'élasticité gement Striction (kg/mm) (%) (%) N 1 80 8,4 152,3 14,7 43,5 N Z 103 7,7 187,3 12,9 42,7 Ce tableau montre que, même si on fait subir aux éprouvettes un traitement de vieillissement a une température de 7000C, puis un refroidissement à la température ambiante, et un second traitement de vieillissement à une température de 4800C pendant 30 minutes, les caractéristiques magnétiques demeurent inchangées, tandis que l'on obtient une limite élastique au moins égale à 150 kg/mm, s'accompagnant d'une amélioration de la ductilité et de la ténacité, l'élongation par exemple étant au moins égale à 10 % et la striction au moins égale à 40 %. Ceci confirme les avantages de l'acier "maraging" comme matériau de construction d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation. Le tableau 3 montre les caractéristiques magnétiques et les propriétés mécaniques de l'éprouvette N 3, à laquelle on a fait subir un traitement de dissolution, puis un traitement de vieillissement aux températures respectives de 7000 et 7250C, pendant 30 minutes, puis un second traitement de vieillissement à une température de 4800C, pendant 3 heures. TABLEAU 3 Conditions Limite Allon- Striction de traitement Hc (Oe) Br (kG) d'élasticité I gement thermique (kg/mm2? (%) (z) 7000C x 30 mn + 4800C x 115 8,8 189,7 13,2 41,9 3 heures 7250C x 30 mn + 4800C x 110 10,4 195,3 11,3 39,7 3 heures Comme on peut le voir sur le tableau 3, même si on fait subir à l'éprouvette un second traitement de vieillissement à une température de 4800C, le champ coercitif et l'induction rémanente demeurent inchangés, tandis que la limite élastique est portée à 190 kg/mm environ, et s'accompagne d'une augmentation de l'allongement et de la striction. Ainsi donc, l'acier "maraging" ainsi traité présente d'excellentes propriétés de résistance mécanique, de ductilité et de ténacité, en tant que matériau de construction d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation. La figure 2 montre la relation entre le champ coercitif et l'induction rémanente d'une part, et la durée de vieillissement d'autre part, à une température de 6000C (courbe a), pour l'éprouvette N0 3 à laquelle on a fait subir un traitement de dissolution, ainsi que la relation entre le champ coercitif et l'induction rémanente d'une part, et la durée de vieillissement d'autre part, à une température de 7000C (courbe b), pour l'éprouvette n 3 à laquelle on a fait subir un traitement de vieillissement à une température de 7000C et un second traitement de vieillissement à une température de 4800C pendant 3 heures.Le second traitement de vieillissement n'a pas d'effet important sur le champ coercitif et sur l'induction rémanente, et ainsi l'induction remanente demeure inchangée, comme le montre la figure 2 > tandis gu'il faut conduire le traitement de vieillissement à une température de 7000C, plutôt qu'à une température de 6000C, afin d'obtenir un champ coercitif deux fois plus grand, et on peut obtenir ainsi un acier ayant les propriétés magnétiques d'un matériau demi-dur. EXEMPLE 3 La figure 3 montre la relation entre le champ coercitif et l'induction rémanente d'autre part, et la durée de vieillissement d'autre part, à une température de 7000C pour les éprouvettes N 2 et 3 dont l'orientation est parallèle à la direction de laminage, les éprouvettes N 2 et N 3 précitées ayant été sounises à un traitement de dissolution à une température de 8200C pendant une heure, puis à un écrouissage par laminage à une réduction utile d'épaisseur de 50%, puis à un traitement de vieillissement à une température de 7000C pendant 1 à 10 heures, et enfin à un second traitement de vieillissement à une température de 4800C pendant 3 heures.Comme le montre la figure 3, le champ coercitif et l'induction rémanente dépendent de la durée du vieillissement, tandis que les éprouvettes présentent d'excellentes propriétés magnétiques, ayant par exemple un champ coercitif de 60 à 130 Oe et une induction rémanente de 7 à 15 kG. En outre, les éprouvettes présentent d'excellentes propriétés mécaniques, par exemple des limites élastiques de 170 à 200 kg/mm (éprouvette N 2) et de 270 a 190 kg/mm (éprouvette N 3), en plus d'un allongement atteignant plus de 10 % et une striction atteignant plus de 40 %. Les propriétés magnétiques et les propriétés mécaniques des éprouvettes dont l'orientation est perpendiculaire à la direction du laminage sont du même ordre que celles des éprouvettes dont l'orientation est parallèle à la direction du laminage. D'après ce qui précède, l'acier "maraging" à 18 % de nickel selon la présente invention, présente des niveaux de résistance mécanique de 175 kg/mm2 210 kg/mm2 et 245 kg/mm2 , ainsi que d'excellentes caractéristiques magnétiques, et des propriétés magnétiques bien adaptées à l'emploi dans un rotor d'un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation. De plus, il est indiqué de prolonger la durée du traitement de vieillissement, dans le cas ot la température du premier vieillissement est de 650 à 6750C, pour équilibrer convenablement le champ coercitif et l'induction rémanente, et par suite, il faut conduire le vieillissement à une température avoisinant 7000C pour obtenir les meilleurs résultats. Ensuite, on fait subir à l'acier un second traitement de vieillissement à une température plus basse pour améliorer la résistance mécanique, après le vieillissement à une température avoisinant 7000C. La température du second traitement de vieillissement doit, de préférence, être comprise entre 400 et 5250C. Si la température excède 5250C, il se forme une structure trop vieillie, ce qui réduit les caractéristiques de résistancé mécanique et les caractéristiques magnétiques.Inversement, si la température est inférieure à 4000C, il en résulte une réaction de précipitation ralentie par le vieillissement, si bien qu'il faut chauffer l'acier pendant un laps de temps prolongé pour obtenir la résistance mécanique voulue, ce qui a pour effet de réduire le rendement de l'opération. Le traitement thermique selon la présente invention, tel qu'il a été décrit, permet d'améliorer dans une large mesure les caractéristiques magnétiques et la résistance mécanique d'un acier maraging" à 18 % de nickel. En particulier, dans le cas d'un acier "maraging" à 18 % de nickel dont la résistance mécanique est de 245 kg/mm2, on peut porter le champ coercitif a 100-120 Oe et l'induction rémanente à plus de 7 kG, tout en portant à plus de 180 kg/mm la limite élastique à la température ambiante. Ainsi, on peut obtenir, selon la présente invention, un matériau de grande résistance mécanique et de grande ténacité pour la construction d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation, ce que ne permettaient pas les matériaux de la technique antérieure. REVENDICATIONS 1. Matériau de construction d'un rotor utilisable dans un moteur à hystérésis à grande vitesse de rotation, caractérisé en ce qu'il se compose d'un acier "maraging" qui contient de 16 à 20 % en poids de nickel, et dont le champ coercitif est au moins égal à 40 Oe, l'induction magnétique rémanente est au moins égale à 5,0 kG, et dont la limite élastique est au moins égale à 100 kg/ mm. qu'il se compose, en pourcentages en poids, de pas plus de 0,03 de carbone, de pas plus de 0,2 % de manganèse, de pas plus de 0,2 8 de silicium, de pas plus de 0,03 % de phosphore, de pas plus de 0,03 t de soufre, de 16 à 20 % de nickel, de 7 à 14 B de cobalt, de 3 à 6 % de molybdène, de 0,3 à 3,0 % de titane, et de 0,01 a 1,0 % d'aluminium, le solde étant formé par du fer et par les impuretés inévitables. 3. Matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on a fait subir audit acier "maraging" un traitement de dissolutin, puis un traitement de vieillissement à une température de 600 a 725 C. 4. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on a fait subir audit acier "maraging" un traitement de vieillissement à une température de 600 à 725 C, puis un second traitement de vieillissement à une tèmpérature de 400 à 525'C. 5. Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on a fait subir audit acier 1maraging" un écrouissage plastique a une réduction utile d'épaisseur de 30 à 90 %, entre le traitement de dissolation et le traitement de vieillissement suivant. 6. Matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on a fait subir audit acier "maraging" un écrouissage plastique a une réduction utile d'épaisseur de 30 à 90 %, entre le traitement de dissolution et le traitement de vieillisement suivant, a une température de 600 à 725 C.