Brevet FR2432054A1 — publié le 19800222

La présente invention se rapporte à la métallurgie des métaux non ferreux et a notamment pour objet un alliage à base de nickel. Elle trouve des applications dans la production des alliages magnétostrictifs, qui sont largement employés en particulier dans la fabrication des vibrateurs de fréquence sonique et supersonique. En plus, les alliages à base de nickel sont utilisés dans la fabrication des dispositifs magnétostrictifs employés dans les détecteurs sous-marins, sondeurs par écho, pour l'intensification des processus technologiques (par exemple, dans la métallurgie), pour le nettoyage supersonique des articles. Depuis quelques années on.construit des sondeuses munies de vibrateurs magnétostrictifs, à l'aide desquels on imprime à l'outil de forage, en plus du mouvement rotatif, un mouvement oscillatoire. Cela permet d'augmenter considérablement ltefficacité de l'outil. Il est connu que l'efficacité des dispositifs magnéto- i Ectifs est d'autant plus haute que l'amplitude de la vibration est grande, et cette dernière s'accroit, à son tour, avec l'augmentation de la valeur absolue de la magnétostriction statique de saturation. Parmi les matériaux utilisés pour la fabrication des dispositifs magnétostrictifs, on utilise souvent le nickel techniquement pur et un alliage de nickel avec 4%, en poids, de cobalt. On sait qu'un ruban réalisé zen nickel pur a une magnétostriction de - 35 x 10 6, un ruban en alliage de nickel avec du cobalt, en fonction de la technologie de production, a une magnétostriction variant de - 30 x 10 6 à - 45 x 10 6. L'augmentation de la magnétostriction, dans le cas de l'alliage de nickel avec du cobalt, est assurée par fusion dans le vide et par laminage à froid avec déformation de 95%. L'inconvénient du nickel pur est l'impossibilité d'obtenir une grande magnétostriction (plus de -40 x 10 6). L'invention dudit alliage de nickel avec du cobalt est la présence, dans celui-ci, de cobalt cher et déficitaire. En outre l'alliage nickel-cobalt a de faibles propriétés mécaniques : un ruban recuit à une température de 800 à 9000C possède une limite d'élasticité On sait qu'un ruban fabrique en nickelhautement pur a une magnétostriction d'environ - 50 x 10 '. Cependant on n'observe pratiquement cette magnétostriction que dans le cas où le température de recuit du ruban n'excède pas 700 à 7500C. La technologie de fabrication des vibrateurs magnétostrictifs prévoit le chauffage du ruban jusqu'à 800-10000C. A cette température il se produit une recristallisation secondaire et la magnétostriction tombe jusqu'à -35 x 10 6. En outre, le défaut de nickel de haute pureté est sa faible limite d'élasticité (près de 4 kg/mm2), ce qui nuit à ses qualités d'exploitation. Les alliages connus à base de nickel-cobalt (avec addition du silicium en quantité de 2% en poids, ou de chrome en quantité de 2% en poids) ont une magnétostriction ne dépassant pas - 25 a 35 x 10 6. En outre, on connatt un alliage contenant, en poids, 7 à 27% de manganèse et au moins un élément choisi dans le groupe comprenant le fer (0 - 10%), le vanadium (O - 9%) le silicium (0 - 5%), le titane (O - 7%), le molybdène (O - 8%) l'aluminium (O - 6%), le chrome (O - 6%), le tungstène (O - 9%) l'antimoine (O - 11%), l'étain (0 - 10%), le cobalt (0 - 22%) le cuivre (O - 10%), le reste étant du nickel. Cet alliage a une magnétostriction relativement faible, ne dépassant pas - 20 x 10 60 Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients indiqués. On s'est proposé pour cela de. mettre au point un alliage à base de nickel, renfermant des éléments d'addition et difficilement fusibles introduits en quantités permettant d'obtenir non seulement de hautes propriétés mécaniques (limite d'élasticité élevée), mais aussi une valeur élevée de magnétostriction. Ce problème est résolu du fait que l'alliage à base de nickel, contenant du manganèse, du cuivre et au moins l'un des éléments : titane, vanadium, molybdène, chrome, tungstène, niobium, tantale, est caractérisée, suivant la présente invention, en ce qu'il renferme lesdits constituants dans les proportions suivantes (% en poids) manganèse ............ 0,05 à 6,5 cuivre ............ 0,01 à 6. Au moins l'un des éléments : titane, vanadium, molybdène, chrome, tungstène, niobium, tantale ............. 0,01 à 5 nickel .................. ........................ le reste. L'alliage proposé possède une magnétostriction atteignant - 50 x 10-6 après recuit à une température de 700 à 1200 C. La limite d'élasticité (#0,2 ) de l'alliage conforme à l'invention est de 6,5 à 20kg/mm. D'autres buts et avantages de la présente invention saxtt mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation non limitatif et d'exemples concrets et non limitatifs de compositions d'alliage conforme à l'invention. Suivant la présente invention , l'alliage à base de nickel comporte, en qualité d'éléments d'addition, du manganèse et du cuivre, et en qualité d'éléments difficilement fusibles assurant le durcissement nécessaire de l'alliage, du titane et/ou du vanadium et/ou du molybdène et/ou du chrome et/ou du tungstène et/ou du niobium et/ou du tantale. Lors du choix des constituants de l'alliage et de la détermination de leur proportion optimale dans l'alliage, les auteurs de l'invention ont tenu compte du fait que la magnétostriction dépend de la structure de l'alliage et de la valeur des constantes de magnétostrictinn (celles du nickel pur sont maximales). En cas d'addition des éléments au nickel, les deux facteurs changent. Le choix des éléments d'addition et leur proportion dans l'alliage résultent des raisonnement suivants 1. Les additions doivent influer aussi peu que possible sur les constantes de magnétostriction A 100 et /t111. 2. Le durcissement de l'alliage doit être le plus fort possible. 3. Lors du recuit à l'air, la surface du ruban en alliage doit se recouvrir d'une pellicule d'oxyde solide ayant une grande résistance électrique et une bonne adhésion au métal. Ces considérations ont amené les auteurs de l'invention à choisir, à titre d'éléments d'addition, le cuivre et le manganèse, dont l'effet de diminution (en valeur absolue) des constantes 1 100 et & 11 est minimale, ainsi que des 111 éléments difficilement fusibles qui assurent le durcissement nécessaire de l'alliage. Ces éléments sont le titane, le vanadium, le molybdène, le chrome, le tungstène, le niobium, le tantale. Les proportions minimales des éléments d'addition dans l'alliage à base de nickel, proposées dans la présente invention, sont déterminées par les propriétés de ladite pellicule d'oxyde et la stabiXté de la structure de l'alliage au cours du recuit : plus la température de recuit est élevée, plus leur concentration doit être grande. Les concentrations maximales des éléments d'addition dans l'alliage sont choisies de manière à obtenir une magnétostriction et une limite d'élasticité suffisamment élevées. On a constaté qu'avec desproportions, dans l'alliage, de 6,5%, en poids, de manganèse et de 0,01%, en poids, de cuivre, et la présence, dans l'alliage proposé, d'au moins l'un des éléments difficilement fusibles (titane, vanadium, molybdène, chrome, tungstène, niobium, tantale) enquantité dépassant 5% Xn poids), la magnétostriction diminue jusqu'à - 20 à 25 x 10-6.D'autre part, avec les valeurs maximales indiquées, la structure stable nécessaire est conservée pendant le recuit à des températures de 1100 à 11500C. En plus, les essais effectués ont montré qu'avec l'augmentation de la proportion du cuivre jusqu'à 6% en poids, la stabilité de la structure de l'alliage lors de son chauffage augmente mais qu'avec un plus grand pourcenta#ge de cuivre dans l'alliage, sa stabilité ne se modifie pratiquement pas. Avec une teneur de l'alliage proposé en manganèse inférieure à 0,05% en poids, et en cuivre, inférieure à 0,01% en poids, et avec une teneur en élément ou éléments difficilement fusibles inférieure à 0,01% en poids, la structure de l'alliage devient instable même à 7500C, ce qui se traduit par une brusque diminution de la magnétostriction. En outre, en cas de diminution de la quantité minimale indiquée d'éléments d'addition dans l'alliage, les propriétés mécaniques de ce dernier ne sont pas supérieures à celles du nickel pur, c'est-à-dire qu'on observe une faible limite d'élasticité de alliage. De la sorte, l'alliage proposé dans la présente invention et comprenant, en poids, 0,05 à 6,5% de manganèse, 0,01 à 6% de cuivre et 0,01 à 5% de titane et/ou de vanadium et/ou de molybdène et/ou de chrome et/ou de tungstène et/ou de niobium et/ou de tantale, le reste étant du nickel, possède une magnétostriction atteignant - 50 x 10 6 après recuit à une température de 700 à 12000C. La limite d'élasticité de de l'alliage proposé s'échelonne de 6,5 à 15-20 kg/mm2. Lors du chauffage du ruban en alliage proposé à une température de 700 à 1200 C, sa surface se recouvre d'une pellicule d'oxyde solide, ce qui permet de fabriquer le dispositif magnétostrictif sous forme d'un paquet de rubans. Il faut noter que pour la fabrication de vibrateurs puissants, fortement chargés, il est préférable d'utiliser l'alliage proposé avec une teneur maximale en éléments d'addition (principalement ceux difficilement fusibles), mais la magnétostriction, dans ce cas, diminue. Au contraire, pour les vibrateurs faiblement chargés, il est recommandé d'utiliser un alliage peu allié, assurant une valeur élevée de magnétostriction, avec une limite d'élasticité de 6,5 à 8 kg/mm2. Exemple 1. Un alliage contenant (en poids) 95,5% de nickel, 2,0% de cuivre, 2,0% de manganèse et 0,5% de titane est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, dans une atmosphère d'argon. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset, est fondue, après quoi le métal est désoxydé par un procédé classique. Ensuite, on introduit des charges de manganèse et de titane. L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud, à la température de 1100 C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm avec recuits intermédiaires à 7509C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. Pour la mesure de la magnétostriction, on colle aux deux faces de l'échantillon des capteurs extensométriques, reliés en série, ayant chacun une résistance de 200 ohms et connectés en pont. L'équilibrage du pont s'effectue à l'aide d'une boîte de résistances à 10 -4 ohmprès. L'échantillon est placé dans un solénoïde, dans lequel est créé un champ magnétique d'une intensité de 20 à 500 oersteds. Du fait de la magnétostriction de l'échantillon, dans le circuit en pont apparat un déséquilibre qui est enregistré au moyen d'un amplificateur photoélectronique et d'un galvanomètre. La valeur # R du déséquilibre est mesurée par rééquilibrage du pont à laide de la boite de résistances. Dans le champ de saturation, le déséquilibre #R du pont est de 375 x 10 -4 ohm. La magnétostriction se calcule suivant la formule: # = #R RC où R est la résistance totale des capteurs extensométriques collés à l'échantillon, C est le facteur de sensibilité des capteurs extensométriques, égal à 2,04 375 x 10-4 # = ----------- = 46 x 10 6 400 x 2,04 La limite d'élasticité de l'échantillon contrôlé est de 9,5 kg/mm2. Exemple 2. Un alliage contenant (en poids) 93,48% de nickel, 0,01% de cuivre, 6,5% de manganèse, 0,01% de niobium est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, sous flux. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Ensuite, on introduit des charges de manganèse et de niobium L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 110 C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et ensuite laminé dans un lamonoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à la température de 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur A se fait d'après la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à 11 essai est de - 25 x 10-6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 17 kg/mm. Exemple 3. Un alliage contenant (en poids) 94,8% de nickel, 0,1% de cuivre, 0,1% de manganèse et 5,0% de chrome est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, sous vide. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Ensuite on introduit des charges de manganèse et de chrome. L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et est soumis au laminage dans unbminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à la température de 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10xO,2mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité, La mesure de la grandeur A s'effectue par la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de - 23 x 10 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 26 kg/mm2. Exemple 4 Un alliage contenant (en poids) 93,45% de nickel, 6,0% de cuivre, 0,05% de mangénèse et 0,5% de tungstène est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, dans une atmosphère d'argon. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Le métal est désoxydé par un procédé classique. Ensuite, on introduit des charges de manganèse et de tungstène. L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et ensuite traité dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2mm, avec recuits intermédiaires à la température de 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour M détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur tse fait par la méthode décrite dans lsexemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de - 48 x 10-6 La limite d'élasticité de cet échantillon est de 10 kg/mm2. Exemple 5. Un alliage contenant (en poids) 99,84% de nickel, 0,01% de cuivre, 0,05% de manganèse et 0,1% de vanadium est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, sous vide. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Le métal est désoxydé par un procédé classique. Ensuite on introduit des charges de manganèse et de vanadium. L'alliage est coulé dans une lingotière. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et est laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec un recuit intermédiaire à 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeus se fait par la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostriction de ltéchantillon soumis à l'essai est de -52 x 10 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 5,5 kg/mm. Exemple 6. Un alliage contenant (en poids) 96,5% de nickel, 2,0% de cuivre, 1,0% de manganèse et 0,5% de molybdène est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, sous flux. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Le métal est désoxydé par le procédé ordinaire. Ensuite on introduit des charges de manganèse et de molybdène. L'alliage est coulé dans une lingotière. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, un échantillon de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur A se fait par la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de - 48 x 10 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 6,5 kg/mm2. Exemple 7 (comparatif) Un alliage contenant (en poids) 99,98% de nickel, 0,005% de cuivre, 0,01% de manganèse et 0,005% de tungstène est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, dans une atmosphère d'argon. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Le métal est désoxydé par le procédé ordinaire. Ensuite on introduit des charges de manganèse et de tungstène. L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à la température de 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur Ase fait par la méthode décrite dans L'exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de -38 x 10 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 4,0 kg/mm2. Exemple 8 (comparatif) Un alliage contenant (en poids) 92,94% de nickel, 0,05% de cuivre, 7,00% de manganèse et 0,01% de chrome est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, dans une atmosphère d'argon. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Le métal est désoxydé par un procédé classique. Ensuite on introduit des charges de manganèse et de chrome. L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à la température de 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur ) steffectu far la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostrictIon de l'échantillon soumis à l'essai est de -20 x 10 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 16 kg/mm2. Exemple 7. Un alliage contenant (en poids) 97,94% de nickel, 1,0% de cuivre, 1,0% de manganèse, 0,01% de titane et 0,05% de molybdène est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, dans une atmosphère d'argon. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Le métal est désoxydé par le procédé ordinaire Ensuite on introduit des charges de manganèse, de molybdène et de titane. L'alliage est coulé dans une#lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à 7500C. On découpe, dans le ruBan obtenu, des échantillons de 200 x10x 0, 2nom pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la magnétostriction se fait par la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de -46 x 10 6. La limite d'élasticité de l'échantillon contrôlé est de 7,0 kg/mm2. Exemple 8 Un alliage contenant (en poids) 97,1% de nickel, 2,0% de cuivre, 0,5% de manganèse, 0,19 de molybdène, 0,3% de chrome est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, sous flux. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue. Ensuite on introduit des charges de manganèse, de molybdène et de chrome. L'alliage est coulé dans une lingotière en fonte. Le lingot de 110 mm d'épaisseur #st laminé dans un laminoir à chaud à la température de 11000C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, avec recuits intermédiaires à 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la déter#mination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur k se fait par la méthode décrite dans l t exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de -47 x 10 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 7 kg/mm2. Exemple 9. Un alliage contenant, en poids, 96,85% de nickel, 0,1% de cuivre, 2,0% de manganèse, 1,0% de chrome et 0,05% de niobium est élaboré dans un four à induction à creuset en magnésite, sous vide. La matière sous forme de nickel cathodique et de cuivre cathodique est chargée dans le creuset et est fondue, après quoi le métal est désoxydé. Ensuite, on introduit des charges de manganèse, de chrome et de niobium. L'alliage est coulé daxsune lingotière. Le lingot de 110 mm d'épaisseur est laminé dans un laminoir à chaud à la température de 1100 C, jusqu'à une épaisseur de 12 mm, puis il est fraisé et laminé dans un laminoir à froid jusqu'à une épaisseur de 0,2 mm, en utilisant un recuit intermédiaire à 7500C. On découpe, dans le ruban obtenu, des échantillons de 200 x 10 x 0,2 mm pour la détermination de la magnétostriction et de la limite d'élasticité. La mesure de la grandeur se fait par la méthode décrite dans l'exemple 1. La magnétostriction de l'échantillon soumis à l'essai est de -44 x nô 6. La limite d'élasticité de cet échantillon est de 10,0 kg/mm2. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre i la revendication qui suit. REV:END I C AT ION Alliage à base de nickel, contenant du manganèse, du cuivre et au moins l'un des éléments suivants : titane, vanadium, molybdène, chrome, tungstène, niobium, tantale, caractérisé en ce qu'il contient lesdits constituants dans les porportions suivantes (% en poids) manganèse .................................. 0,05 à 6,5 cuivre .................................. 0,01 à 6,0 au moins l'un des éléments suivants titane vanadium, molybdène, chrome, tungstène, niobium, tantale **L 0,01 à 5,0 nickel .................................. le reste