Brevet FR2395579A1 — publié le 19790119

L'invention concerne un ferrite polycristallin pressentant les propriétés d'un "semi-aimant" a cycle d'hysteresis approximativement rectangulaire, et un dispositif de commande électromagnétique, utilisant un tel ferrite. Un "semi-aimant" est un matériau magnétique dont le champ coercitif (Hc ) présente une valeur moyenne c'est-à-dire dont l'ordre de grandeur est situé entre celui des ferrites doux (Hc = 0,01 oersted et, au plus quelques oersteds) et des aimants (Hc = plusieurs centaines d'oersteds et jusqu'S 10 000 oersteds). Un semi-aimant présente un cycle d'hystérésis d'autant plus intéressant pour les applications. électro-mécaniques qu'il se rapproche d'un rectangle, c'est-à-dire que le rapport de l'induction rémanente du matériau à l'induction à saturation est plus voisin de l'unité dans les conditions usuelles de fonctionnement. On connait des ferrites mixtes de lithium, de cobalt et de zinc de formule (Li1/2 Fe1/2) 1-x-y Cox Zny Fe2 O4 (1) dans lesquels x et y peuvent éventuellement avoir une somme égale à l'unité (cas du ferrite de zinc et de cobalt), et pour lesquels on observe des champs coercitifs de l'ordre de grandeur envisagé pour l'utilisation du matériau comme semi-aimant. Toutefois les champs coercitifs réalisés avec les procédés de fabrication connus sont inférieurs à 0 oersteds et le caractère rectangulaire du cycle d'hystérésis n'est que grossièrement approché. L'invention permet de se rapprocher davantage des conditions souhaitées pour l'obtention de semi-aimants. Le ferrite polycristallin-selon l'invention est obtenu à partir d'oxydes de fer et de zinc et de carbonate de cobalt en quantités correspondant aux proportions de fer, de zinc et de cobalt définies dans la formule (correspondant au mélange de départ du procédé de fabrication) 0x Znl,x Fe2 (1 - E 04 (2) avec 0,5 a) mélange, en présence d'eau distillée ou d'alcool d'oxydes de fer et de zinc et de carbonate de cobalt très purs (pureté meilleurs que 99,5 ) en quantités correspondant a la formule (2) compte-tenu des pertes ou des additions d'éléments résultant de l'étape suivante ;; b) premier broyage du mélange obtenu, pendant 24 heures, en jarres d'acier contenant des billes en acier ; c) séchage en étuve suivi de chamottage au four à une température de 1 0000 C et 1 2000 C pendant plusieurs heures ; d) deuxième broyage du produit obtenu, en milieu aqueux ou alcoolique, dans des conditions identiques à celles du premier broyage pendant 30 heures ; e) séchage et tamisage de la poudre ainsi obtenue ; f) mise en forme, soit par pressage dans un moule en acier, ce qui nécessite l'incorporation d'un liant (que l'on doit retirer ensuite par chauffage), soit par pressage dit "isostatiquet' dans un moule en caoutchouc ; ces pressages sont effectués avec une pression d'environ une tonne par centimètre carré g) frittage, sous oxygène, à une température de 1 3000 C à 1 4000 G pendant douze heures ; h) recuit des pièces frittées, dans le cas où x > 0,75. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels Les figures 1 et 2 représentent deux exemples de cycle d'hystérésis obtenu avec des ferri.tes selon l'invention ; Les figures 3 et 4 sont des schémas de dispositifs de commande électromécanique utilisant les ferrites selon l'invention. Les exemples qui suivent illustrent les résultats obtenus en appliquant le procédé de fabrication précité, avec certaines particularités 1) A l'étape (a) on a tenu compte des additions de fer provenant des broyages en ajustant les valeurs du paramètre ; de façon classique, on a tenu compte dans les-pesées des pertes provenant de la décomposition du carbonate de cobalt ; 2) A l'étape (b) le broyage a été effectué en milieu aqueux (eau distillée introduite au cours du mélange opéré à l'étape précédente) ; 3) A l'étape (c) le chamottage a été effectué à 1 1000 C pendant deux heures.On a vérifié que la phase spinelle est formee à 95 % environ en mesurant la diffraction d'un faisceau de rayons X par un échantillon de poudre après chamottage ; 4) A l'étape (g) le frittage a lieu sous un flux d'oxygène de 5 litres par minute, le palier à la température Tf de frittage durant douze heures (température précisée pour chaque exemple des tableaux ci-après) ; 5) A l'étape (h) le recuit est effectué en portant le ferrite à la température T r et en le refroidissant de T r à 250 C en une heure tout en maintenant la pièce frittée dans un champ magnétique constant de valeur Hr Les tableaux précisent les valeurs de T r et Hr. Tableau 1 : x = 0,5 Avant recuit Recuit Après recuit Exemple Tf @ Hc Br Tr Hr Hc Br N ( C) (Oe) (gauss) ( C) (Oe) (Oe) (gauss) 1 0,02 1 300 5 1 980 350 10 6 1 930 2 0,04 1 300 6 2 740 350 10 7 2 280 3 0,06 t 300 | 5 2 000 350 10 -5 1 950 4 0,02 1 350 5 2 360 5 0,04 1 350 5 2 270 6 0,06 1 350 4 2 240 La rectangularité du cycle d'hystérésis (évaluée par le rapport Br/B5 de l'induction rémanente à l'induction de saturation) est de l'ordre de 0,6 à 0,7. Tableau 2 : x # 0,75 Avant recuit Recuit Après recuit Exemple Tf Hc Br Tr Hr Hc Br N ( C) (Oe) (gauss) ( C) (Oe) (Oe) (gauss) 7 0,02 1 300 40 1 980 400 30 45 3 020 8 0,04 1 300 52 2 855 400 30 47 3 020 9 0,06 1 300 40 1 320 400 30 - - 10 0,02 1 1 350 35 2 500 400 30 37 3 110 11 0,04 1 350 32 2 840 400 30 38 3 140 12 0,06 1 350 36 2 290 400 30 32 3 275 13 0,02 1 375 35 2 780 400 30 | 33 3 200 14 0,04 1 375 38 2 780 400 30 | 42 3 350 15 0,06 1 375 23 2 235 400 30 32 3 230 La rectangularité avant recuit est de 0,4 à 0,66 et, après recuit, de 0,73 à 0,79 Tableau 3 = x -= 1 Avant recuit Recuit Après recuit Exemple Tf Hc Br Tr Hr Hc Br # N ( C) (Oe) (gauss) ( C) (Oe) (Oe) (gauss) 16 0,02 1 300 - - 550 10 100 2 335 17 0,04 1 300 - - 550 10 140 2 455 18 0,06 1 300 - - 550 10 150 1 890 19 0,02 1 350 - - 550 10 52 2 875 20 0,04 1 350 - - 550 | 10 71 2 500 21 0,06 1 350 - - 550 10 90 2 360 22 0,02 1 375 - - 520 10 72 2 945 23 0,04 1 375 - - 520 10 75 2 710 24 0,06 1 375 - - 520 10 88 2 450 On n'observe pas de cycle d'hystérésis- pour les pièces non recuites. La rectangularité après recuit est de 0, 83 S 0,91. Les résultats les plus intéressants en vue des applications électromécaniques sont obtenues après recuit, pour des teneurs en cobalt (paramètre x) de 0,75 à 1. Une explication théorique du rôle respectif des ions zinc et colbalt est la suivante :. l'ion zinc entre dans le site octaédrique de la structure cristalline, ce qui a pour effet d'augmenter le moment magnétique à OOK, de réduire le point de Curie et de diminuer fortement l'anisotropie magnétocristallîne de l'ion cobalt. Le recuit n'améliore pas les propriétés de semi-aimant du ferrite pour x = 0,5, tandis outil développe le cycle d'hystérésis dans le cas de x = 0,75 et surtout de x = 1. Le champ coercitif après recuit est fonction de la température de frittage qui agit sur la grosseur des grains de céramique : il diminue quand cette température augmente dans la gamme 1 300 - 1 4000 C. A titre d'exemple, on a représenté figures 1 et 2 les cycles d'hystérésis mesurés sur des matériaux selon l'invention correspondant respectivement aux exemples 14 et 22 des tableaux precédents. L'invention est applicable à de nombreux dispositifs de commande où l'on a besoin de semi-aimants permettant de maintenir magnétiquement une ou plusieurs pièces, par exemple des armatures de relais. La présence d'un semi-aimant permet d'assurer le maintien magnétique sans être obligé de fournir en permanence le courant d'excitation d'une bobine de commande magnétique pendant la durée du maintien. Dans l'exemple de dispositif représenté schématiquement figure 3, un interrupteur en enveloppe scellée 1 comporte deux lames souples 11 et 12 en matériau magnétique portées par des tiges magnétiques 110 et 120 connectées respectivement à des bornes de raccordement électriques 13 et 14. Ces tiges constituent une partie d'un circuit magnétique 2 comportant ûn noyau 21 en ferrite semi-aimant selon l'invention et de deux pièces 22 en ferrite isolante qui forment des joues latérales traversées par lesdites tiges. Le noyau 21 est entouré de deux bobinages 23 et 24 en cuivre émaillé terminés respectivement par des bornes de raccordement 25 et 26, 27 et 28. Entre les deux bobinages on trouve éventuellement un appendice 210 en ferrite de meme nature que celle du noyau 21.Cet appendice offre au champ magnétique un chemin de dérivation qui joue un rôle dans l'un des deux états stables du dispositif, ainsi qu'il est indiqué ci-après (deuxième cas). Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Si l'on envoie des impulsions de courant simultanément dans les enroule ments 23 et 24, deux cas sont possibles, conduisant chacun à un état stable du dispositif. Premier cas . les impulsions sont de même sens et créent dans le circuit magnétique des champs qui s'ajoutent en provoquant la fermeture de l'interrupteur i par suite de l'attraction des pôles de nom contraire apparaissant aux extrémités respectives des lames Il et 12. Quand les impulsions cessent, l'induction résiduelle du semi-aimant maintient l'interrupteur dans la position de fermeture. Deuxième cas : les impulsions sont de sens contraire et créent dans les deux moitiés du noyau 21 des champs magnétiques opposés (cas représenté figure 3) ce qui provoque l'ouverture de l'interrupteur. Cette situation subsiste quand les impulsions cessent grâce à l'induction rémanente. Dans le cas représenté figure 3, où il existe un appendice 210, les lignes de force du champ magnétique se referment par l'appendice et par les tiges magnétiques 11 et 12, contribuant ainsi à la stabilité de l'état ouvert de l'interrupteur. Dans la réalisation d'un dispositif analogue représentée en coupe figure 4, on a dessiné les six connexions de branchement du dispositif en deux groupes de trois bornes décalées légérement l'une par rapport à l'autre pour faciliter la lecture du dessin Les bornes 13 et 14 du circuit commandé par l'interrupteur cachent en partie les bornes 25 et 26 d'une part, 27 et 28 d'autre part permettant d'alimenter les bobines 23 et 24. Ces bobines sont montées sur une carcasse 40 divisée en deux compartiments. Cette carcasse est en matériau thermoplastique et, munie de ses bobinages, se monte sur le noyau 21 provisoirement dépourvu de l'une de ses joues latérales 22. Les ferrites des joues latérales sont percés de trous permettant le raccordement des fils d'entrée et de sortie des bobinages. Dans le modèle représenté, on a supprimé l'appendice 210 qui n'est pas rigoureusement indispensable. Le dispositif est protégé par un capot en matériau magnétique susceptibie de constituer un blindage magnétique 41 (alliage de fer et de nickel), lequel est fermé par une plaquette en matériau thermoplastique 42 traversée par les bornes 13 et 14 et dans laquelle s'encastrent les joues 22 du circuit magnétique. REVENDICATIONS 1. Ferrite polycristallin présentant des propriétés de semi-aimant, caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir d'oxydes et de sels en proportions correspondant à la formule Cox Zn1-x Fe2 (1 - #) O4 avec 0,5 0,02 e 0,06 2. Procédé de fabrication d'un ferrite selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une opération finale de recuit à une température comprise entre 3500 C et 5500 C. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit recuit est effectué en portant-la pièce frittée à une température T r et en la refroidissant de T r à 250 C en une heure, tout en maintenant ladite pièce dans un champ magnétique continu de valeur Hr, avec 350 C # Tr # 550 C 10 4. Ferrite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans ladite formule on a x = 0,75 e = 0,04 5. Procédé de fabrication d'un ferrite selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de frittage à 1 3750 .C et une opération de recuit de une heure à une température de départ de 4000 C, la pièce frittéeétant maintenue dans un champ magnétique de 30 oersteds. 6. Ferrite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans ladite formule on a x = 1 e = 0,02 7. Procédé de fabrication d'un ferrite selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de frittage à 1 3750 C et une opération de recuit de une heure à une température de départ de 5200 C, la pièce frittée étant maintenue dans un champ magnétique de 10 oersteds. 8. Dispositif de commande électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins ur,e pièce en ferrite polycristallin selon la revendication 1. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite pièce en ferrite est incluse dans un circuit magnétique, ledit circuit comportant d'une part un noyau entouré par au moins un bobinage constituant le circuit de commande du dispositif, et d'autre part, au moins un interrupteur à lames souples. 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique comporte, outre ledit noyau, deux joues en ferrite isolant raccordant magnétiquement ledit noyau aux tiges magnétiques dudit interrupteur à lames souples. 11. Dispositif suivant la revendication 10, calactérisé en ce qu'il comporte une carcasse en matériau isolant muni de deux bobinages distincts et isolés électriquement l'un de l'autre, ladite carcasse entourant ledit noyau. 12. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un capot en matériau susceptible de constituer un blindage magnétique ; ledit capot étant fermé par une plaquette en matériau isolant traversée par les connexions électriques dudit dispositif.