Brevet FR2491499A1 — publié le 19820409

La présente invention concerne les alliages à anisotropie magnétique basés sur des systèmes Fe-Cr-Mo, destinés à l'utilisation dans des dispositifs magnétiques, ainsi que des procédés de fabrication de ces alliages. On peut concevoir des dispositifs actionnés de façon magnétique pour des buts très divers, comme par exem- ple la commutation électrique, la détection de position, la synchronisation, la mesure de débit et l'agitation. Parmi ces dispositifs, une catégorie particulièrement importante correspond à ce qu'on appelle les relais à tigesdécrits par exemple dans le livre de L.R. Moskowitz, intitulé Permanent Magnet Design and Application Handbook, Cahners Bocks, 1976, pages 211-220; dans les brevets U.S. 3 624 568 et 3 805 378, et dans l'article de M. R. Pinnel intitulé "Magnetic Materials for Dry Reed Contacts", IEEE Transac- tions on Magnetics, Vol. MAG-12, NI 6, novembre 1976, pages 789-794. Les relais à tiges comportent des tiges métalli- ques flexibles qui sont constituées par une matière ayant des propriétés magnétiques demi-dures, caractérisées par un cycle d'hystérésis B-H pratiquement carré et par une induc- tion rémanente Br élevée. Pendant le fonctionnement, les tiges se courbent élastiquement de façon à établir ou à rompre le contact électrique sous l'effet de changements d'un champ magnétique. Parmi les alliages connus ayant des propriétés magnétiques demi-dures figurent les alliages Co-Fe-V connus sous les dénominations de Vicalloy et Remendur, les allia- ges Co-Fe-Nb, connus sous la dénomination Nibcolloy, et les alliages Co-Fe-Ni-Al-Ti, connus sous la dénomination Vaco- zet. Ces alliages possèdent des propriétés magnétiques satisfaisantes, mais ils contiennent des quantités importan- tes de cobalt dont le coût croissant sur les marchés mon- diaux est préoccupant. En outre, les alliages à teneur éle- vée en cobalt tendent à Cetre cassants, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas une aptitude suffisante au façonnage à froid pour permettre la mise en forme, par exemple par laminage, pliage, aplatissement ou étirage à froid. En ce qui concerne les alliages Fe-Cr-Mo, on pourra consulter le livre de R. M. Bozorth, intitulé Ferromagnetism, Van Nostrand, 1959, page 418 et l'article de E. Scheil et col intitulé "Ausscheidungshartung bei Eisen-Chrom-Molybdan-und-Eisen- Chrom-Wolfram-Legierungen", Archiv fur das Eisenhuttenwesen, Vol. 7, N 11, mai 1934, pages 637-640. Des diagrammes de phases pour les alliages Fe-Cr-Mo figurent dans l'ouvrage Metals Handbook, American Society for Metals, Vol. 8, 1973, pages 421-422. Conformément à l'invention, on obtient des proprié- tés magnétiques anisotropes demi-dures dans des alliages Fe- Cr-Mo qui comprennent de préférence Fe, Cr, et Mo en une quantité combinée d'au moins 99% en poids, Cr en une quanti- té dans la plage de 6 à 26% en poids de cette quantité com- binée, et Mo dans une quantité dans la plage de 1 à 12% en poids de cette quantité combinée. Les alliages de l'inven- tion peuvent présenter une texture cristallographique et une microstructure monophase ou multiphase. Des aimants réalisés avec de tels alliages peu- vent être mis en forme, par exemple par laminage, pliage, aplatissement ou étirage à froid, et peuvent être utilisés dans des dispositifs tels par exemple que des interrupteurs électriques, des moteurs à hystérésis et d'autres disposi- tifs actionnés de façon magnétique. La préparation des alliages de l'invention peut comprendre une déformation uniaxiale et un vieillissement. Le vieillissement est effectué de préférence à une tempéra- ture à laquelle un alliage est dans un état à deux phases ou un état multiphase. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente graphiquement les proprié- tés magnétiques d'un alliage Fe-15Cr-5Mo en fonction du pourcentage de réduction de section par tréfilage (on a recuit une tige d'un diamètre de 0,53 cm à une température de 1100 C pendant une durée de 15 mn, on l'a soumise à un tréfilage donnant la réduction de section transversale indiquée sur l'axe horizontal, et on l'a soumise à un vieillissement à une température de 6700C pendant une durée de 5 h); et La figure 2 montre une structure de relais à tiges comportant des tiges en Fe-Cr-Mo correspondant à l'inven- tion. On peut commodément définir des propriétés magné- tiques demi-dures comme étant des propriétés correspondant à une induction magnétique rémanente Br supérieure à 0,7 T, unchamp coercitif Hc supérieur à 79,577 A/m et un rapport de forme Br /Bs supérieur à 0,7. Les alliages ayant de telles propriétés conviennent à l'utilisation dans des dispositifs actionnés de façon magnétique qui peuvent 8tre commodément caractérisés par le fait qu'ils comprennent un élément dont la position dépend de l'intensité, de la direction ou de la présence d'un champ magnétique, et, en outre, par le fait qu'ils comprennent les moyens tels par exemple qu'un con- tact électrique, destinés à détecter la position d'un tel élément. Conformément à l'invention, on a trouvé qu'il était possible de conférer des propriétés magnétiques ani- sotropes demi-dures à des alliages comprenant de préférence les éléments Fe, Cr et Mo en une quantité combinée préférée d'au moins 95% en poids, et de préférence d'au moins 99% en poids, avec Cr en une quantité comprise dans la plage de 6 à 26% en poids de cette quantité combinée et Mo en une quantité comprise dans la plage de 1 à 12% en poids de cette quantité combinée. Des plages préférées plus étroites correspondent à 12- 18% en poids de Cr et à 2-8% en poids de Mo. Les alliages de l'invention peuvent comprendre de peti- tes quantités d'additifs tels par exemple que Co, dans le but d'améliorer les propriétés magnétiques. D'autres élé- ments tels que Ni, Mn, Si, Al, Cu, V, Ti, Nb, Zr, Ta, Hf, et W peuvent être présents en tant qu'impuretés en quanti- tés individuelles de préférence inférieures à 0,2% en poids, et avec une quantité combinée de préférence inférieure à 0,5% en poids. De façon similaire, les éléments C, N, S, P, B, H, et O sont de préférence maintenus au-dessous de 0,1% en poids individuellement et au-dessous de 0, 5% en poids, en combinaison. On doit minimiser les impuretés dans le but de conserver l'aptitude au façonnage de l'alliage, par exem- ple pour développer une structure anisotrope, ainsi que pour donner à l'alliage la forme désirée. Des quantités excessi- ves des éléments mentionnés peuvent réduire la saturation magnétique et peuvent perturber la formation de la texture, dégradant ainsi les propriétés magnétiques. Les alliages magnétiques de l'invention possèdent une structure anisotrope à grains fins, monophase ou multi- phase. Les grains anisotropes allongés ont un facteur de forme préféré d'au moins 10 et de préférence d'au moins 50 avant vieillissement. On peut commodément définir le fac- teur de forme comme étant le rapport longueur/diamètre lorsque la déformation est uniaxiale, comme par exemple dans le cas du tréfilage, et comme étant le rapport longueur/ épaisseur lorsque la déformation se fait dans un plan, comme par exemple par laminage. (On mesure la longueur dans la direction du plus grand allongement et le diamètre ou l'épaisseur dans une direction de réduction maximale.) Le diamètre ou l'épaisseur des grains est de façon caractéris- tique inférieur ou égal à 5 pm et il est de préférence inférieur ou égal à 2 pm. Une telle structure à grains fins procure une ductilité élevée pour un façonnage intérieur. Le rapport de forme, B r/Bs des alliages de l'in- vention est de façon caractéristique supérieur ou égal à 0,85, le champ magnétique coercitif est dans la plage de 159,154 à 15915,4 A/m, et la rémanence magnétique est dans la plage de 1,2 à 1,8 T. On peut par exemple préparer les alliages de l'invention par coulée à partir d'une masse en fusion d'éléments constitutifs Fe, Cr et Mo, dans un creuset ou un four tel par exemple qu'un four à induction. Selon une variante, on peut préparer une masse métallique ayant une composition dans la plage spécifiée en employant les tech- niques de la métallurgie des poudres. La préparation d'un alliage, et en particulier la préparation par coulée à partir d'une masse en fusion, impose de prendre des précau- tions pour se protéger contre l'inclusion de quantités 2 4 9 1 4 9 9 excessives d'impuretés qui peuvent provenir des matières premières, du four ou de l'atmosphère au-dessus de la masse en fusion. Pour minimiser l'oxydation ou l'inclusion exces- sive d'azote, il est souhaitable de préparer une masse en fusion avec une protection par des scories, dans le vide ou une atmosphère inerte. Des lingots coulés d'un alliage de l'invention peuvent être traités de façon caractéristique par travail à chaud, travail à froid et recuit de mise en solution, dans des buts tels par exemple que l'homogénéisation, l'affine- ment du grain, la mise en forme ou le développement de propriétés mécaniques souhaitables. Le traitement visant à l'obtention d'une structu- re anisotrope souhaitable peut être effectué par diverses combinaisons d'étapes de traitement séquentielles. Une séquence de traitement particulièrement efficace comprend (1) un recuit à une température dans la plage de 800-12500C, correspondant à la prédominance d'une phase alpha, (2) un refroidissement rapide, (3) une déformation à froid impor- tante, par exemple par étirage, emboutissage ou laminage, et (4) un vieillissement à une température dans une plage préférée d'environ 500 à 8000C et pendant des durées com- prises dans une plage caractéristique d'environ 5 mn à h. Un tel traitement thermique de vieillissement procu- re, entre autres avantages, une amélioration du champ coercitif Hc et du rapport de forme Br/Bs du cycle B-H, ceci pouvant résulter d'un ou de plusieurs effets métallur- giques tels par exemple que la formation de précipités correspondant par exemple à des phases Cr-Mo, Cr-Fe, Mo-Fe, ou Cr-Mo-Fe. La déformation de l'étape (3) peut s'effectuer à la température ambiante ou à n'importe quelle température dans la plage générale de -1960C (la température de l'azote liquide) à 5000C. Si la déformation est effectuée à une température supérieure à la température ambiante, l'alliage peut par la suite être refroidi à l'air ou trempé à l'eau. La déformation préférée est uniaxiale, comme par exemple par tréfilage, et donne une réduction d'aire de section transversale d'au moins 90% et de préférence d'au moins % ou même 98%. Une telle déformation peut avoir plusieurs buts et, en particulier, elle peut améliorer le champ coercitif d'un alliage et peut contribuer à développer une texture anisotrope. La déformation peut également améliorer les caractéristiques cinétiques d'un vieillissement ulté- rieur dans une structure à deux phases ou une structure multiphase. On assure une ductilité appropriée pour la déformation en limitant la présence d'impuretés. Pour faci- liter le tréfilage, par exemple à travers des filières économiques en carbure, on peut revêtir les alliages de l'invention avec une matière lubrifiante telle par exemple que du cuivre. On peut laisser ce revêtement sur le produit final ou on peut le faire disparattre après les étapes de tréfilage ou entre elles. Un revêtement de Cu, en particu- lier, n'affecte ni l'aptitude au façonnage à froid du fil étiré (par exemple par aplatissement), ni les propriétés magnétiques finales, après vieillissement d'un alliage revêtu. On peut employer un tel revêtement pour sa résistan- ce à la corrosion et sa facilité de soudage. Les propriétés magnétiques finales d'un alliage dépendent de la température et de la durée du vieillisse- ment, ainsi que de l'importance de la déformation. Les alliages de l'invention demeurent fortement ductiles, même après une déformation importante, comme par exemple un étirage à froid conduisant à une réduction de section de 95 à 99,5%. De tels alliages déformés peuvent être soumis à une mise en forme ultérieure, par exemple par pliage ou aplatissement, sans risque de les voir se fendre ou de faire apparaitre des fissures. Le pliage peut produi- re un changement de direction atteignant 300 avec un rayon de courbure ne dépassant pas l'épaisseur. Pour un pliage sur des angles plus élevés, le rayon de courbure de sécurité peut croître linéairement jusqu'à une valeur de 4 fois l'épaisseur pour un changement de direction de 90 . L'apla- tissement peut produire un changement du rapport largeur/ épaisseur d'un facteur de 2, au moins. Une excellente aptitude au façonnage après tréfi- lage est particulièrement avantageuse dans la fabrication de dispositifs tels que des relais à tiges dont la figure 2 montre un exemple. On voit sur cette figure des tiges apla- ties 1 et 2 qui sont constituées par un alliage Fe-Cr-Mo et traversent une ampoule de verre 3 qui se trouve à l'inté- rieur de bobines magnétiques 4 et 5. Les alliages de l'invention sont plus ductiles que les alliages Co-Fe de l'art antérieur, comme par exem- ple le Remendur. Alors que ce dernier nécessite de façon caractéristique un recuit à haute température des fils éti- rés, en vue d'un adoucissement avant l'aplatissement à froid, aucun recuit de ce type n'est nécessaire dans le cas des alliages de l'invention et, de ce fait, les propriétés magnétiques, l'anisotropie magnétique et la qualité de sur- face du fil étiré sont conservées. Un flux magnétique effectif élevé près de la palette des tiges est important pour les performances de commutation. Outre le fait qu'ils se prêtent aisément au façonnage à froid, les alliages de l'invention demeurent également fortement ductiles aprèsvieillissement, comme il est souhaitable pour la facilité de manipulation des struc- tures de relais montées en ampoule. En particulier, les parties de tige soumises à des contraintes peuvent se plier en laissant intact le scellement verre-tige. Les alliages de l'invention sont suffisamment ductiles pour permettre un pliage sur un angle de 300 avec un rayon de courbure égal à l'épaisseur de l'article. On améliore l'aptitude au façon- nage et la ductilité en réduisant au minimum la présence d'impuretés et, en particulier, la présence d'éléments des groupes 4b et 5b du tableau périodique. Parmi les propriétés avantageuses des alliages magnétiques demi-durs FeCr-Mo, on peut citer: (1) un rapport de forme élevé du cycle magnéti- que, ce qui est souhaitable en commutation et pour d'autres dispositifs actionnés de façon magnétique, (2) l'abondance des éléments constitutifs Fe, Cr et Mo, (3) la facilité de traitement et de façonnage du fait de l'aptitude au façonnage et de la ductilité élevée avant comme après le vieillissement, (4) une faible magnétostriction, qu'on peut spéci- fiée par un coefficient de magnétostriction à la saturation ne dépassant pas 25xlO et ne dépassant pas de préférence 16xlO, ce qui peut être souhaitable, par exemple, pour minimiser le collage de contacts à tiges, (5) la facilité de placage avec un métal de contact tel par exemple que l'or, (6) une excellente résistance à la rouille dans les conditions atmosphériques normales, ce qui fait que la surface de l'alliage demeure pratiquement exempte de rouille pendant au moins 6 mois et de façon caractéristique pendant au moins 5 ans (ce qui assure un entrefer pratiquement cons- tant entre des pièces magnétiques); une excellente résis- tance à la corrosion pendant le traitement chimique des tiges de relais (par exemple par nettoyage avec un acide ou de l'eau acidulée, par rinçage avec de l'eau chaude et par placage d'or); et une excellente résistance à l'oxydation pendant le travail à chaud ou le traitement thermique, et au moment du scellement d'une ampoule de verre, et (7) la facilité de la réalisation du scellement, sans formation de fissures, avec du verre de scellement par infrarouge, à haute teneur en plomb, du type habituellement utilisé pour l'encapsulation des relais à tiges en Remendur. L'exemple qui suit constitue une illustration supplémentaire de la préparation et des propriétés des aimants demi-durs en Fe-Cr-Mo conformes à l'invention. Exemple: On a réalisé des éléments de relais à tiges con- formément à-l'invention, à partir d'un alliage Fe-15Cr-5Mo. On a soumis une tige de l'alliage, de 0,53 cm de diamètre, à un recuit de mise en solution, à une température de 11000C pendant 15 minutes, on l'a refroidie à l'eau et tréfilée jusqu'à un diamètre de 0,053 cm. On a aplati une partie du fil pour produire l'élément de relais à tiges en forme de palette qu'on a ensuite fait vieillir pendant 2 h à une température de 650WC. La mesure des propriétés magnétiques de la partie aplatie de l'élément de relais à tiges a donné les valeurs suivantes (des valeurs comparatives pour un élément de relais à tiges de l'art antérieur ayant la même géométrie mais réalisé à partir d'un alliage de Remendur sont indiquées entre parenthèses pour permettre la comparaison): champ coercitif Hc = 2228,16 A/mn (2148,58 A/m), rémanence Br =10,1 Maxwelltour (9,4 Maxwell-tour). De façon similaire, la mesure des propriétés magnétiques de la partie cylindrique restante a donné les valeurs: Hc = 2307,73 A/m (1909,85 A/m) et Br = 6,5 Maxwell-tour (5,6 Maxwell-Tour). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Elément magnétique comprenant un corps en un alliage magnétique anisotrope ayant un rapport de forme du cycle d'hystérésis qui est supérieur à 0,7 et une induction magnétique rémanente qui est supérieure à 0,7 T, convenant particulièrement à l'utilisation dans des dispositifs dont le fonctionnement est basé sur l'une au moins des caracté- ristiques d'intensité, de direction et de présence d'un champ magnétique, cet alliage comprenant les éléments Fe, Cr et Mo et une faible quantité d'au moins un autre élément, présent soit en tant qu'additif intentionnel, soit en tant qu'impureté impossible à éliminer, caractérisé en ce qu'une quantité d'au moins 99% en poids de l'alliage consiste en Fe, Cr et Mo, avec Cr dans une plage d'environ 6 à 26% en poids de ladite quantité, Mo dans la plage d'environ 1 à 12% en poids de ladite quantité, et le fer constituant la partie restante, cet alliage pouvant contenir en outre l'un au moins des éléments Ni, Mn, Si, Al, Cu, V, Ti, Nb, Zr, Ta, Hf et W avec des quantités individuelles inférieures à 0,2% en poids de l'alliage et une quantité combinée infé- rieure à 0,5% en poids de l'alliage, et/ou l'un au moins des éléments C, N, S, P. B, H et O avec des quantités indi- viduelles inférieures à 0,1% en poids de l'alliage et une quantité combinée inférieure à 0,5% en poids de l'alliage, cet alliage ayant un rapport de forme du cycle d'hystérésis supérieur ou égal à 0,85 et une rémanence supérieure ou égale à 1,2 T. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que Cr est dans la plage de 12 à 18% en poids de ladite quantité et Mo est dans la plage de 2 à 8% de ladite quantité. 3. Elément selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage a une structu- re de grain anisotrope dans laquelle le facteur de forme est supérieur-ou égal à 10 et est de préférence supérieur ou égal à 50. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé il en ce que le diamètre ou l'épaisseur de grain est inférieur ou égal à 5 pm et est de préférence inférieur ou égal à 2 ym. 5. Elément selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que l'alliage a un coeffi- cient de magnétostriction à saturation qui est inférieur ou -6 égal à 25xlO, et qui est de préférence inférieur ou égal -6 à 16xlO6 6. Procédé de fabrication d'un élément magnétique consistant essentiellement en un corps formé par un alliage magnétique basé sur un système Fe-Cr-Mo et ayant un rapport de forme du cycle d'hystérésis qui est supérieur ou égal à 0,7 et une induction magnétique rémanente qui est supérieure ou égale à 0,7 T, caractérisé en ce qu'on accomplit les opérations suivantes: (1) on prépare un corps consistant essentiellement en un alliage comprenant une quantité d'au moins 99% en poids de Fe, Cr et Mo, Cr étant dans la plage de 6 à 26% en poids de ladite quantité et Mo étant dans la plage de 1 à 12% en poids de ladite quantité, (2) on recuit le corps par chauffage à une température dans une plage de 800 à 12500C, (3) on le refroidit rapidement, (4) on le déforme, et (5) on le vieillit à une température dans la plage de 500 à 8000C. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on effectue le vieillissement pendant une durée comprise entre 5 mn et 10 h. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 6 ou 7, caractérisé en ce qu'on accomplit la déforma- tion de façon qu'elle conduise à une réduction d'aire de section transversale d'au moins 90% et de préférence d'au moins 98%. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on façonne facultati- vement le corps après étirage à froid et/ou vieillissement, en le pliant avec un rayon de courbure au moins égal à l'épaisseur du corps déformé et avec un changement de direction de 300 ou plus.