Brevet FR2518528A1 — publié le 19830624

COMPOSITION POUR LA REALISATION D'UNE PIECE MAGNETIQUE ET PROCEDE DE REALISATION D'UNE PIECE MAGNETIQUE UTILISANT CETTE COMPOSITION La présente invention concerne une composition pour la réali sation d'une pièce magnétique et en particulier d'un tore à base d'une poudre de matériau magnétique et/ou magnétisable. Elle con cerne également un procédé de réalisation d'une pièce magnétique utilisant cette composition. Les tores magnétiques et leurs procédés de fabrication sont connus par exemple du brevet américain 2 105 070. Ces tores ont des applications variées mais sont utilisés très souvent dans les bobines de charge, les transformateurs, etc... Ces tores sont réalisés par enduction des particules magnétiques de faibles dimensions avec une composition isolante à base de silicate métallique et d'hy- droxyde de magnésium. De nombreux perfectionnements ont été réalisés depuis lors pour la mise en oeuvre des matériaux isolants avec lesquels sont enduits les particules magnétiques. On peut citer par exemple les compositions décrites dans le brevet américain 3 498 918 dans lequel les particules de permalloy sont enduites d'un mélange de silicate métallique et d'hydroxyde de magnésium auquel on a ajouté des produits organiques du type alcool polyvynilyque et carboxy méthyl cellulose. Les tores sont obtenus alors par compression à froid de cette composition magnétique, puis traitement à une température de l'ordre de 600 à 7000C pendant environ vingt minutes, sous une atmosphère d'hydrogène. L'inconvénient principal d'une telle composition résulte du fait que le traitement thermique auquel est soumis le tore magnétique ne peut être effectué à une température inférieure à 600"C. En effet, compte tenu de cette température élevée, il est nécessaire de réaliser ce traitement thermique sous atmosphère réductrice. Par conséquent, un tel procédé est non seulement long à mettre en oeuvre mais il est également onéreux compte tenu de la présence d'hydrogène qui le complique singulièrement. La composition selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Dans ce but, elle est caractérisée en ce qu'elle est constituée par un mélange d'une poudre de matériau magnétique et/ou - magnétisable et d'une poudre de verre, de manière à isoler électriquement les grains de matériau-magnétique et/ou magnétisable les uns des autres. De préférence, on utilisera un verre à température de ramollissement inférieure à environ 5000C. En pratique, les verres contenant au moins 50% en poids d'oxyde de plomb répondent généralement à ce critère. En effet, en utilisant une poudre de verre, de préférence à faible granulométrie, on a constaté qui'il était généralement inutile de chauffer à plus de 5000C les compositions selon l'invention afin de réaliser des pièces magnétiques ayant de bonnes magnétiques et mécaniques. De ce fait, il n'existe aucun risque d'oxydation de la poudre magnétique etlou magnétisable au cours du traitement thermique ce qui permet d'éviter l'utilisation d'une atmosphère neutre ou réductrice dans les fours de traitement. Dans tout cet exposé, le terme température de ramollissement signifie la température de ramollissement de lîttelton qui correspond à la température où le verre a une viscosité de 107'6 poises. - De part et d'autre de cette température de ramollissement, on définit une plage de ramollissement du verre comme étant la plage de températures dans laquelle les grains d'une poudre de ce verre adhèrent les uns aux autres de manière à rester souder entre eux après abaissement de la température. Afin de faciliter la réalisation de pièces magnétiques, on choisira de préférence des verres ayant une plage de ramollissement la plus large possible, ce qui permet de ne pas réguler en température les fours de traitement des pièces puisque llon assure malgré tout la cohésion des grains de verre entre eux dans toute la plage de ramollissement. On constate ainsi qu'avec les compositions selon l'invention, le chauffage à une température se trouvant dans la plage de ramollissement du verre utilisé permet au grains de verre de se souder les uns aux autres tout en emprisonnant les grains de matériau magnétique et/ou magnétisable. La poudre de verre contenue dans les compositions magnétiques selon l'invention contiendra de préférence d'environ 70 à 90% en poids d'oxyde de plomb. Dans ce cas, en effet, la température de traitement thermique n'est pas trop élevée et généralement inférieure à 4000C et permet d'obtenir des pièces ayant d'excellentes propriétés magnétiques et une très grande dureté mécanique Un certain nombre d'additifs peut être ajouté à l'oxyde de plomb constituant la partie essentielle de la poudre de verre. Celleci pourra donc contenir par exemple jusqu'à 10% en poids d'oxyde de bore, et/ou 17% en poids d'oxyde de silicium, et/ou 2,5% en poids d'alumine.En pratique, on a obtenu des pièces magnétiques de qualité satisfaisante avec des verres contenant de 73 à 86% en poids d'oxyde de plomb, de 8,5 à 10% en poids d'oxyde de bore, de 2,5 à 17% en poids d'oxyde de silicium, et de 0 à 2,5% en poids d'alumine. Afin d'obtenir une bonne isolation électrique des grains de matériau magnétique les uns des autres, on a constaté que le mélange devait contenir, de préférence, de 0,5 à 20% en poids de poudre de verre et de 99,5 à 80% en poids de poudre magnétique et/ou magnétisable. Les proportions ayant permis d'obtenir les pièces magnétiques ayant les meilleures propriétés mécaniques et magnétiques ainsi que la plus grande facilité de mise en oeuvre des compositions étaient caractérisées par la présence d'environ 1,5 à 10% en poids de poudre de verre et de 98,5 à 90% en poids de poudre de matériau magnétique et/ou magnétisable. L'utilisation de poudre de verre pour réaliser des pièces magnétiques peut se faire avec tous types de matériaux magnétiques et/ou magnétisables. Sans entrer dans le détail de ces différentes poudres magnétiques et/ou magnétisables, on pourra utiliser généralement aussi bien les matériaux magnétiques durs que les maté riaux magnétiques doux. Dans cette première catégorie de matériaux, on utilisera suivant les applications parexemple le fer, les ferrites de manganèse-zinc, du nickel-zinc, et les permalloys, etc... Dans la deuxième catégorie, on utilisera de préférence les matériaux choisis parmi les terres rares-cobalt telles que samariumcobalt, etc... Bien entendu et suivant les cas et les applications, on pourra mélanger plusieurs matériaux magnétiques et/ou magnétisables ainsi que plusieurs poudres de verre de caractéristiques différentes. Le procédé de réalisation de pièces magnétiques à base de la composition telle que décrite ci-dessus consiste essentiellement à réaliser un mélange intime de la poudre magnétique avec la poudre de - verre, éventuellement en présence d'un liquide qui peut être de I'acétone mais est généralement de l'eau. On réalise alors une suspension des poudres dans le liquide à l'aide d'un malaxeur chauffant, le mélange étant poursuivi jusqu'à l'obtention dans un premier stade d'une pâte puis d'un mélange pulvérulent dans lequel les grains de matériau magnétique et/ou magnétisable sont enrobés par la poudre de verre. La pièce magnétique est ensuite réalisée par compression à froid, entre 5 et 20 t/cm2, de cette poudre disposée dans un moule de forme adéquat. Cette compression permet de diminuer la distance entre les-grains magnétiques-et donc diminuer les entrefers de la pièce magnétique. Les pièces sont ensuite démoulées puis passées dans un four de température inférieure à 5000C. C'est un des avantages de l'invention que de permettre le traitement à température élevée sans moule, les propriétés du verre étant telles qu'il n'existe pas de risque de changement de forme de la pièce au cours du traitement athermique. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif: EXEMPLE 1: On mélange, en-poids, 100 parties de poudre de fer de granulométrie comprise entre 50 microns et 120 microns, 2,5 parties de poudre de verre de composition : 85,7% en poids d'oxyde de plomb, 1,5% en poids d'alumine, 9,9% en poids d'oxyde de bore et 2,fui% en poids d'oxyde de silicium et 5D parties d'eau dans un malaxeur chauffant jusqu'à l'obtention d'un produit sec, c'est-àdire pendant environ une heure. Environ 10 minutes avant d'arrêter cette opération, on ajoute 0,75 parties de stéarate de zinc. Le mélange obtenu est alors comprimé sous une pression de 15 t/cm2 dans un moule de façon à obtenir des tores de dimensions 25 mm x 15 mm x 10 mm.- Les tores sont placés dans un four continu de façon à subir un traitement thermique à l'air. La montée en température est assez lente et s'effectue entre l'ambiante et une température comprise entre 2800C et 3800C en une heure à 1 heure 30, le four étant aéré de façon à éliminer les fumées provenant de la combustion du lubrifiant. Cette température est maintenue pendant 15 à 30 minutes puis les pièces sont refroidies assez rapidement jusqu l'ambiante pendant environ 30 à 45 minutes.Ces tores subissent ensuite éventuellement différentes opérations d'u-sinage et de tonnelage afin d'arrondir les angles pour faciliter le bobinage et éviter la détérioration de l'émail du fil et de l'enrobage qui les isole. La densité de ces tores est d'environ 7,0 et la perméabilité initiale obtenue avec ces tores est comprise entre 60 et 70 entre 1 KHz et 1 MHz. Ils peuvent être utilisés pour antiparasiter les semi-conåuc- teurs, principalement les thyristors, utilisés comme commutateurs dans les gradateurs de lumière, les moteurs électriques, les systèmes d'allumage et les générateurs d'étincelles, ..En effet, ils possèdent I'avantage de conserver une impédance très importante dans une très large gamme de température, ayant une perméabilité élevée en basses fréquences et des fortes pertes en hautes fréquences et par la suite, ils permettent de réaliser un circuit d'amortissement important aux différents parasites radioélectriques. EXEMPLE 2: On mélange, en poids, 100 parties de poudre de fer de granulométrie comprise entre 50 microns et 120 microns, 2,5 parties de poudre de verre de composition : 73,5% en poids d'oxyde de plomb, 16,7% en poids d'oxyde de silicium, 8,9% en poids d'oxyde de bore et 50 parties d'eau dans un malaxeur chauffant pendant environ 1 heure. Environ 10 minutes avant d'arrêter le malaxeur, on ajoute 0,75 parties de stéarate de zinc. Le mélange est alors comprimé sous une pression de 15 t/cm2 dans un moule de façon à obtenir des tores de dimensions 25 mm x 15 mm x 10 mm puis placé dans un four continu où la température montera pendant 1 heure à 1 heure 30 minutes jusqu'à une température comprise entre 3500C et 4500C. Cette température est maintenue pendant 15 à 30 minutes puis la pièce est refroidie pendant 30 à 45 minutes. Ces tores peuvent être utilisés pour antiparasiter les semi-conducteurs, principalement les thyristors. Ces tores ont des propriétés électriques et mécaniques excellentes, semblables à celles des tores obtenus à l'exemple 1. EXEMPLE 3: On mélange, en poids, 100-parties de poudre de fer de granulométrie inférieure à 80 microns, 15 parties de poudre de verre de composition : 85,7% en poids d'oxyde de plomb, 1,5% en poids d'alumine, 9,9% en poids d'oxyde de bore et 2,596 en poids d'oxyde de silicium et 70 parties d'eau dans un malaxeur chauffant pendant environ une heure. Environ 10 minutes avant d'arrêter le malaxeur, on ajoute 3 parties de stéarate de zinc. Le mélange obtenu est comprimé sous une pression de 10 t/cm2 dans un moule de dimensions 30 mm x 15 mm x 7 mm, puis placé dans un four continu où la température montera pendant 1 heure à 1 heure 30 minutes jusqu'à 3500C. La- température est maintenue entre 2800C et 3800C pendant 15 à 30 minutes puis est redescendue pendant 30 à 45 minutes jusqu'à l'ambiante.On obtient ainsi des pièces magnétiques ayant une perméabilité initiale comprise entre 30 et 40 pour des fréquences de 1 KHz à 1 MHz. De telles pièces peuvent servir dans la réalisation d'inductances d'amortissement aux parasites radioélectriques. EXEMPLE 4: On mélange, en poids, 100 parties de poudre vendue sous la dénomination commerciale "molypermalloy" qui est un alliage fernickel-molybdène dont les proportions sont environ respectivement 17%, 81% et 2%, 1,5 parties de poudre de verre de composition 85,7% en poids d'oxyde de plomb, 1,5% en poids d'alumine, 9,9% en poids d'oxyde de bore et 2,5% en poids d'oxyde de silicium et 40 parties d'eau dans un malaxeur chauffant pendant environ une heure. Environ 10 minutes- avant d'arrêter le malaxeur, on ajoute 0,75 parties de sels d'acide gras. Le mélange est ensuite comprimé sous 15 t/cm2 dans un moule de dimensions 25 mm x 15 mm x 10 mm, puis placé dans un four continu où la température suivra le même cycle que dans les exemples précédentes. La densité de ces tores est environ 8, leur perméabilité initiale est comprise entre 60 et 70 et leurs pertes est environ 100 mW/cm3 à 20 KHz avec une induction de 500 gauss. On fait alors subir à ces tores un second recuit sous atmosphère d'azote--pur à une température légèrement supérieure au premier cycle de chauffage. On maintient la température à environ 4000C pendant à peu près une heure. La perméabilité initiale passe alors à environ 120 ou 130 et les pertes tombent à environ 20 mW/cm3 à 20 KHz avec une induction de 500 gauss. Ces tores peuvent alors être utilisés comme noyaux pour inductance de lissage des alimentations à découpage "continu-continu". EXEMPLE 5: On mélange, en poids, 100 parties de poudre samarium-cobalt non aimantée et de granulométrie comprise entre 0,1 mm et 1 mm, 5 parties de poudre de verre de composition: X5,7% en poids d'oxyde de plomb, 1,5% en poids d'alumine, 9,9% en poids doxyde de bore et 2,5% en poids d'oxyde de silicium et 50 parties d'eau dans un malaxeur chauffant pendant environ 1 heure. Environ 10 minutes avant d'arrêter le malaxeur, on ajoute 3 parties de stéarate de zinc. Le mélange obtenu est comprimé sous une pression de 15 t/cm2 dans un moule rond de diamètre 15 mm et d'épaisseur 2 mm ou rectangulaire de dimensions 12 mm x 15 mm x 2 mm, puis placé dans un four à une température d'environ 280"C. A la fin du traitement thermique, les plaquettes ainsi réalisées sont placées dans un champ magnétique important puisque celui-ci est supérieur à plusieurs dizaines de milliers de gauss, perpendiculaire à la plus grande face des plaquettes afin de magnétiser et d'orienter les aimants élémentaires pendant que la poudre de verre est à I'état pâteux. Les plaquettes sont ensuite ramenées rapidement à la température ambiante. On obtient, ainsi, des aimants anisotropes qui servent à prépolariser les noyaux magnétiques des inductances de lissage des alimentations à découpage "continu-continu' > traversés par des champs alternatifs hautes fréquences de, par exemple, 25 KHz. REVENDICATIONS 1. Composition pour la réalisation d'une pièce magnétique, caractérisée en ce qu'elle comporte un mélange d'une poudre de matériau magnétique et/ou magnétisable et d'une poudre de verre, de manière à isoler les grains de matériau magnétique et/ou magnétisable les uns des autres. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que la poudre de verre a une température de ramollissement inférieure à environ 5000C. 3. Composition selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la poudre de verre contient au moins 50% en poids d'oxyde de plomb. 4. Composition selon l'une des revendications I ou 2, caractérisée en ce que la poudre de verre comporte de 70 à 90% en poids d'oxyde de plomb. 5. Composition selon l'une des revendications I à 4, caractérisée en ce que la poudre de verre comporte jusqu'à 10% en poids d'oxyde de bore. 6. Composition selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la poudre de verre comporte jusqu'à 17% en poids d'oxyde de silicium. 7. Composition selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la poudre de verre comporte jusqu'à 2,5% en poids d'alumine. 8. Composition selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la poudre de verre comporte de 73 à 86% en poids d'oxyde de plomb, de 3,5 à 10% en poids d'oxyde de bore, de 2,5 à 17% en poids d'oxyde de silicium et de 0 à 2,5% en poids d'alumine. 9. Composition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte de 80 à 99,5% en poids de poudre magnétique et/ou magnétisable, et de 0,5 à 20% en poids de poudre de verre. 10. Composition selon llune des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte de 90 à 98,5% en poids de poudre de matériau magnétique et/ou magnétisable, et de 1,5 à 10% en poids de poudre de verre. Il. Composition selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la granulométrie moyenne de la poudre de verre est de l'ordre de 1 micron. 12. Procédé de réalisation d'une pièce magnétique, caractérisé en ce que l'on disperse dans un liquide une composition conforme à l'une des revendications précédentes, de manière à obtenir un mélange intime entre la poudre de verre et la poudre de matériau magnétique et/ou magnétisabie, le mélange pâteux obtenu étant ensuite séché puis comprimé à froid dans un moule de forme adéquat, la pièce, après démoulage, étant introduite dans un four porté à une température située dans la plage de ramollissement de la poudre de verre, pendant une durée suffisante pour permettre aux grains de verre de se souder les uns aux autres tout en emprisonnant les grains de poudre magnétique ou magnétisable. 13. Procédé selon la- revendication 12, caractérisé en ce que le traitement thermique de la pièce est réalisé sous une atmosphère d'air.