Brevet FR2493346A1 — publié le 19820507

La présente invention concerne un procédé de pré- paration d'un alliage magnétique amorphe et notamment un procédé pour préparer un alliage magnétique amorphe à perméabilité élevée et à flux magnétique saturé et élevé, utilisable comme matériau pour un noyau magnétique doux, pour des têtes magnéti- ques ou analogues. Il est connu d'utiliser des alliages amorphes comme matériaux pour les noyaux magnétiques doux de type Fe, Co-Fe, Co-Fe-Ni, Fe-Ni. Les alliages amorphes se fabriquent par un procédé de trempe centrifuge, par un procédé de laminage simple ou de laminage double. Lorsque ces alliages amorphes sont uti- lisés pour les têtes magnétiques, il faut une forte perméabilité dans une plage basse fréquence. Toutefois ces procédés de fabri- cation, mentionnés ci-dessus, engendrent des contraintes inter- nes 6 dans le ruban amorphe, au cours des phases de fabrication et des contraintes internes qui, associées à la magnétostriction X, détériorent les caractéristiques magnétiques et en parti- culier la perméabilité magnétiquejw (,& c 1/ 6>). Il est bien connu que lorsqu'on utilise un alliage amorphe du type Fe, les contraintes internes engendrées pendant la phase de fabrication peuvent se réduire par recuit dans un champ magnétique ou en l'absence de champ magnétique après la fabrication, pour améliorer la perméabilité. Toutefois, on détériore la perméabilité du fait des contraintes engendrées lors du matriçage d'un ruban d'alliage amorphe pour le mettre sous forme de noyau, après le recuit ou au cours de la phase d'attaque chimique, inconvénients que l'on ne peut éviter de façon satisfaisante dans les procédés classiques. La publication japonaise 80 303/1980 montre que l'alliage amorphe du type Co-Fe permet une amélioration impor- tante de la perméabilité par une trempe rapide après avoir main- tenu l'alliage à une température T supérieure à la température de Curie Tc et inférieure à la température de cristallisation Tcry (0,95 x TcC T le flux magnétique saturé de l'alliage amorphe, il faut augmen- ter la proportion des éléments de métaux de transition tels que Co, Fe, Ni ou analogues contenus dans l'alliage; toutefois si l'on augmente la quantité des éléments métalliques de transi- tion, on a une tendance générale à la diminution de la tempéra- ture de Curie Tc et en même temps à une augmentation de la tem- pérature de cristallisation Tory de l'alliage amorphe. Par exemple pour des quantités totales de Co et Fe dans l'alliage amorphe du type Co-Fe-Si-B dépassant 78 % atomiques, la tempé- rature de cristallisation Tcry est abaissée en-dessous de la température de Curie Tc. Cela provient du fait que dans certains cas, lorsque la proportion de métal de transition est augmentée pour augmenter le flux magnétique saturé et que la quantité de métal de transition dépasse par exemple 78 % atomiques dans le cas de l'alliage amorphe de type Co-Fe-SiB, il est impossible d'améliorer la perméabilité en effectuant une trempe à partir d'une température supérieure à la température de Curie comme cela a été mentionné. De plus, un alliage de type Co-Fe, pré- sente en particulier une anisotropie magnétique, induite, impor- tante, provenant de la composante Co existant dans l'alliage, si bien que même si l'on avait réalisé un alliage à flux magné- tique saturé élevé, cet alliage ne pourrait s'utiliser en pra- tique sans traitement, du fait de sa faible perméabilité. Il a déjà été proposé selon le brevet français 8014452, de faire le traitement thermique ou de recuit à une température inférieure à la température de cristallisation tout en soumettant un matériau d'alliage amorphe à une rotation rela- tive dans un champ magnétique statique ou dans un champ magné- tique rotatif. Ce procédé permet de faire disparaître l'anosi- tropie magnétique induite dans l'alliage amorphe et améliore considérablement la perméabilité. De plus, comme ce procédé ne dépend pas de la relation entre la température de Curie Tc et la température de cristallisation Tcry de l'alliage amorphe, on peut appliquer ce procédé à une plage très étendue de type d'alliage amorphe. Toutefois pour ce procédé, il faut effectuer le traitement thermique ou de recuit de façon que la vitesse de variation du champ magnétique soit supérieure à la vitesse moyenne à laquelle les atomes d'alliage sont transférés par la chaleur, ce qui nécessite une vitesse de rotation relativement importante. La présente invention a pour but de créer un pro- cédé de préparation d'un alliage amorphe à perméabilité élevée et à flux magnétique saturé élevé, dans lequel l'anisotropie magnétique puisse être supprimée à une vitesse de rotation suf- fisamment faible. A cet effet, l'invention concerne un procédé de préparation d'un alliage amorphe, procédé selon lequel on effectue un traitement thermique ou de recuit sur un alliage amorphe à une température inférieure à la température de cris- tallisation de l'alliage amorphe tout en créant une rotation relative entre cet alliage et un champ magnétique statique ou un champ magnétique rotatif, à une vitesse satisfaisant à la relation suivante: R1t = 0,5n relation dans laquelle R est le nombre de tours, est la vitesse moyenne nécessaire à l'alliage amorphe pour arriver à l'équilibre thermique de l'anisotro- pie magnétique induite, n est un nombre entier. Il faut dans ce cas que les unités de temps pour les grandeurs R et V se correspondent. o La présente invention sera décrite plus en détail a l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un graphique donnant la variation de l'anisotropie magnétique induite en fonction du temps, pour un champ magnétique appliqué dans une direction parallèle à la direction dans laquelle l'anisotropie magnétique induite dans l'alliage amorphe est saturée ou dans une direction perpendicu- laire à la direction de l'alliage amorphe pour laquelle l'aniso- tropie magnétique induite est saturée dans une direction. - la figure 2 est un schéma donnant l'angle f0 balayé par le champ magnétique en un temps tV-. - la figure 3 est un schéma de la répartition de l'anisotropie magnétique induite AKi dans l'angle - la figure 4 est un graphique de la relation théorique entre la perméabilité j> et la grandeur Z 0 multipliées par la vitesse de rotation R. - la figure 5 est un graphique donnant la relation entre la perméabilité ". et le nombre de tours ou vitesses de rotation R dans un alliage amorphe de composition Fe4,7CO. 753si 4Bl6' DESCRIPTION DETAILLEE DE DIFFERENTS MODES DE REALISATION PREFE- RENTIELS DE L'INVENTION: Le procédé selon l'invention est applicable à une plage très étendue d'alliages amorphes en particulier à des alliages amorphes qui présentent l'effet obtenu par une trempe dans le champ magnétique, car cela ne dépend pas de la relation entre la température de Curie Tc et la température de cristal- lisation Tcry de l'alliage amorphe. En particulier, le procédé selon l'invention est extrêmement efficace pour des alliages amorphes tels que par exemple des alliages de type Co-Fe-Si-B contenant plus d'environ 78 % atomiques d'un métal de transi- tion, dont la température de cristallisation est inférieure à- la température de Curie et pour lesquels les solutions classi- ques sont inapplicables à cause de la faible perméabilité malgré un flux magnétique saturé, élevé. L'expression " rotation relative " et les expres- sions correspondantes, utilisées ci-après concernent un mouve- ment de rotation en deux dimensions ou un mouvement de rotation en trois dimensions résultant de la combinaison ou de la syn- thèse de plusieurs mouvements de rotation en deux dimensions. On remarque également dans les cas pour lesquels l'anisotropie magnétique induite de l'alliage amorphe dans une direction d'un plan est seule prise en compte comme dans le cas par exemple d'un alliage mis sous la forme d'une pièce mince, ces termes englobent une variation du champ magnétique qui donne un schéma projeté sur un plan et correspondant à un tel mouvement bidimen- sionnel que pour une variation de mouvement, le vecteur magné- tique se déplace par exemple suivant un pendule conique. Dans ces conditions, on peut déplacer le champ magnétique externe alors que l'alliage amorphe reste fixé inversement. Il est éga- lement possible de déplacer à la fois le champ magnétique ex- terne et l'alliage. Les alliages amorphes permettent une anisotropie magnétique induite comme les cristaux et ce phénomène est remar- quable en particulier pour des alliages amorphes de type Co. On suppose que cela résulte du fait qu'un alliage amorphe tel que Fe4,7Co75,3Si4B16 présentant peu de magnétostriction, posséde une faible perméabilité.M-(,4. lv 1,000) lorsqu'aucun autre traitement n'est appliqué à cet alliage amorphe. L'aspect de 1'anisotropie magnétique induite dans l'alliage magnétique amorphe implique que des parties d'atomes d'ordre court ou des atomes d'ordre pair et qui peuvent être induits de façon magnétique existent en faibles quantités. Le procédé selon l'invention consiste à réaliser un état amorphe ou irrégulier en supprimant l'ordre court ou l'ordre pair des parties susceptibles d'"tre induites de façon magnétique, en procédant à un recuit de l'alliage amorphe dans un champ magné- tique présentant une direction relative par rapport au champ magnétique externe. La solution classique consiste à réaliser cet état amorphe ou irrégulier par trempe. Selon l'invention, le traitement thermique ou de recuit se fait dans des conditions satisfaisant à une relation prédéterminée liant le nombre de tours au champ magnétique comme cela a été indiqué. On a constaté qu'il y avait une relation particu- lière entre la vitesse de rotation relative du champ magnétique et la perméabilité, dans des conditions de températuresconstantes. Cette relation permet une amélioration efficace de la perméabi- lité même à des vitesses de rotation faibles. La relation entre la vitesse de rotation et la perméabilité sera explicitée ci-après. On suppose que l'alliage amorphe soit saturé par anisotropie magnétique induite dans une direction et que le champ magnétique qui est appliqué à l'alliage est perpendiculaire à la direction de saturation de l'alliage amorphe par anisotropie magnétique induite. Selon la figure 1, l'anisotropie magnétique induite, saturée à la valeur KO, d'une part, diminue jusqu'à zéro en fonction du temps selon la courbe a. L'anisotropie magnétique induite dans la direction perpendi- culaire augmente par contre en fonction du temps jusqu'à la valeur de saturation K.>, comme le montre la courbe b. On remar- que que les courbes a et b ont une forme voisine des courbes a' et b' représentées respectivement en pointillés. Si le temps nécessaire pour que l'anisotropie magnétique induite arrive à l'équilibre est égal à 0, cette grandeur e est une fonction de la composition de l'alliage amorphe et de la température cette grandeur est considérée comme constante qui se détermine principalement à l'aide de ces deux variables. La vitesse de rotation relative ou nombre de tours R entre l'alliage amorphe et le champ magnétique est lié comme suit à la vitesse angulaire: : W= 2R (1) Pour simplifier le calcul, on utilise une appro- ximation des procédés selon les courbes en pointillés de la figure 1. t0 est approximativement le temps de montée ou d'atté- nuationo L'angle 'O balayé pendant le temps de montée et/ou d'atténuation T O est donné par la formule suivante =. (2)À La combinaison des équations (1) et (2) donne: oo = 2lt%oR (2') Selon la figure 2, l'origine des coordonnées angulaires (f = 0) est mise au milieu de: l'angle 0 est divisé en n oarties égales telles que = o/n. Puis si l'anisotropie magnétique induite pour l'angle q est égale à AKi = K /n, le modèle de répartition rectangulaire dans lequel on suppose que l'anisotropie magnéti- que induite 4Ki est répartie uniformément dans l'angle Y0v de balayage, est donné par la relation suivante: K = K (3) Après transformation, on obtient la formule sui- vante: k=+ n E(e) = -Ki E cos2(e + ka4) (4) k=- n Dans cette formule, k est le nombre ordinal correspondant à une partie de = O En passant à la limite n - G, c'est-à-dire A _ A0 et kAl -> a ? on peut écrire l'équation (4) ci-dessus à partir de l'é equation (3) cormme suit: +4 c/2 K. 2 E(G) = -/ cos2 (e + 4) dû E(o=): û Ri os K5/2 =sin K T 1cos2 (e) + Ko (5) o l K. Dans cette équation Ko =-- ( - sin Y); Ko est une valeur constante. Les équations (1), (2), (5) donnent l'énergie d'anisotropie magnétique Ki dans le champ magnétique rotatif selon la formule (6) ci-après: sin 0 sin2K'= = (6) K.= K. R K. K i = 40 KZ= 2't( O Kit (6) La relation de l'énergie d'anisotropie magnétique Ki et la perméabilitéu est donnée par la formule suivante: ic 1/ Ki (7) dans cette formule l'aimantation repose sur le déplacement de la paroi du domaine: fo l/Ki (8) Dans cette formule, l'aimantation dépend de la rotation. On suppose que l'aimantation jusqu'à une fréquence de l'ordre de 100 kHz dépend du déplacement de la paroi du domaine comme cela est donné par la formule (7) ci-dessus, si bien que les équations (6) et (7) donnent l'équation suivante: r2ltRt: o U 4cc (9) sin21tRt 0 Dans l'équation (9), comme le produit 2qtRRt0 intervient dans le troisième ou le quatrième quadrant, la grandeur * devient un nombre imaginaire, si bien qu'il faut prendre la valeur abso- lue du dénominateur pour obtenir un chiffre valable à savoir: 2T 1R Tf /U M (9') / sin21rR1oI Cette relation est donnée par la figure 4. Il est clair que selon la formule ci-dessus, la valeur de M diverge vers l'infini pour l'égalité suivante: RtO = 0,5n (10) Dans cette formule n est un nombre entier tel que n = 1, 2, 3... Toutefois il est à remarquer que comme d'autres facteurs interviennent en pratique, il n'y a pas de divergence de cette grandeur vers l'infini et on obtient la valeur maximum lorsque 1 tequatio;10O) est satisfaite. Dans le modèle de distribution rectangulaire illus- tre cl-dessus: on suppose que l'anisotropie magnétique induite obtenue pour l'angle de balayage if est répartie uniformément. En effet au cours de la rotation du champ, l'anisotropie magné- tique induite disparaît de sorte que le modèle de distribution triangulaire indiqué en pointillés à la figure 3 donne une approximation plus proche, Dans le modèle, on a la formule suivante: AK. ( + Ki (1/2 + /o) K (1/2 + /) 3') En calculant de nouveau le modèle de distribution rectangulaire mentionné ci-dessus en utilisant la formule (3'), on obtient l'équation (6') suivante: 1 1 t 2 tg21tRv0 2 tR-10)j sin2ltRr Ki = x K (6') 4 2 tR V o Dans la formule ci-dessus, la grandeur {3 + 1/2 ( 1 _ /4 tg 2R 2r est l'effet de la modification découlant du modèle de distribu- tion triangulaires L'effet de la modification agit sur la valeur maximale. En fait, il s'agit d'un modèle transitoire entre le modèle de distribution rectangulaire et le modèle de distribu- tion triangulaire. La description ci-dessus montre clairement que le nombre de tours pendant le traitement thermique est défini comme satisfaisant principalement à la relation de l'équation (10), ce qui permet d'avoir une perméabilité relativement élevée même pour une vitesse de rotation faible. Par exemple pour un alliage de composition Fe4 7Co75 3Si4B16t on a O = 0,067 seconde à 370 C. L'équation (10) montre ainsi que le nombre de tours R peut être fixé à environ 450 tours par minute pour n = 1 ou 900 tours par minute pour n = 2 etc. Selon la formule RtO = 0,5n, on a la perméabilité maximale. Pour Rt O = an, a étant une grandeur comprise entre 0,4 et 0,6, l'augmentation de la perméabilité est remarquable. Bien qu'il soit nécessaire que la température du traitement thermique soit inférieure à la température de cris- tallisation Tcry de l'alliage amorphe, cette température peut être située dans une plage permettant le transfert thermique des atomes. La plage de températures peut varier avec la compo- sition des alliages amorphes, l'intensité du champ magnétique externe, le temps nécessaire au traitement thermique etc. Selon l'invention, cette température peut être en général supérieure à 2000C et l'effet recherché par l'invention devient remarquable. Plus la température du traitement thermique est élevée et plus court sera le temps de traitement. En particulier, une tempéra- ture pour laquelle % est de l'ordre d'une minute est une tempé- rature préférentielle pour le temps de traitement. EXEMPLE On pèse les composants Fe, Co, Si, B pour obtenir une composition dont les rapports atomiques correspondent à la formule Fe 7Co 75 Si4B16; on dissout le mélange dans un four à induction haute fréquence pour obtenir un alliage de base que l'on trempe par trempe au laminoir comme décrit dans le brevet UnS 4 212 344 pour obtenir un alliage amorphe sous la forme d'un ruban d'une épaisseur de 20 à 40 microns et d'une largeur de 10 à 15 mm. Par analyse de diffraction aux rayons X, on constate que l'alliage ainsi obtenu sous forme de ruban est amorphe. L'analyse thermique différentielle donne sa température de cristallisation à savoir Tcry = 4200C. Dans ce ruban d'alliage, on a découpé des échan- tillons de 12 x 12 mm; on les a soumis à un traitement thermi- que ou traitement de recuit à une température Ta = 3700C et pendant une durée ta de 10 minutes tout en tournant à vitesse constante dans un champ magnétique de H = 2,4 KOe, engendré par un courant continu. La température de l'échantillon a été réglée à l'aide d'un thermocouple alumel-chromel. Immédiatement après la fin du traitement thermique, on a trempé l'échantillon dans un champ rotatif. Dans l'échantillon, on a poinçonné un échantillon en forme d'anneau d'un diamètre extérieur de 10 mm et d'un diamètre intérieur de 6 mm en utilisant une machine de découpage aux ultra-sons; on a mesuré la perméabilité j44. La mesure de la perméabilité A a été faite à l'aide d'un pont de Maxwell dans un champ magnétique de 10 mOe. La relation entre le nombre de tours R (tours par minute) et la perméabilité /4 est donnée à la figure 5. Selon la figure 5, la relation entre le nombre de tours ou vîitesses de rotation R et la perméabilité A est très proche de la courbe théorique de la figure 4; on voit que des pics existent pour des nombres de tours R égaux à 450, 900 et 1 350 tours par minute On suppose que la perméabilité magnéti- que pour chacun des maximums se situe dans une plage comprise entre 30 000 et 40 000. Cela vient du fait que pour améliorer la perméabilité j4, au-delà de 10 000 (ce qui correspond à une plage pratique) on peut choisir un nombre de tours ou une vitesse de rotation R voisine de la position des pics ou des maxima. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé de fabrication d'un alliage amorphe, procédé caractérisé en ce qu'on effectue un traitement thermique ou de recuit de l'alliage amorphe à une température inférieure à la température de cristallisation Tcry en faisant tourner l'alliage par rapport à un champ magnétique à une vitesse de rotation R satisfaisant à la relation suivante Rt'0 = 0,5 n R, étant le nombre de tours (ou vitesse de rotation), YCo est le temps moyen nécessaire pour obtenir l'alliage amorphe à l'état d'équilibre d'anisotropie magnétique induite, n est un nombre entier. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation de l'alliage amorphe se fait en faisant tourner l'alliage dans un champ magnétique fixe. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation relative de l'alliage amorphe consiste à faire tourner le champ magnétique et à conserver l'alliage fixe. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation relative consiste à faire tourner l'alliage amorphe par rapport à un champ magnétique rotatif. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que R est approximativement égal à 450 tours par minute avec n égal à 1. 60) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que R est égal à 900 tours par minute avec n égal à 2. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que R est égal à 1350 tours par minute avec n égal à 3.