Brevet FR2552449A1 — publié le 19850329

Dès 1936, W K 5ster (brevet DE 638 652) a découvert que des alliages Fe Cr Co contenant 8 à 80 % de Co, 5 à 35 % de Cr, le reste étant Fe, avaient des propriétés magnétiques permanentes qui, toutefois, ne correspondaient pas à celles des aimants Alnico Vers la fin des années 1960, H Kaneko (H Kaneko, M Homma, K Nakamura et M Miura: AJP-Conf. Proc volume 5, P 2, 1971, pages 1088 à 1092) a reconnu que le durcissement magnétique des alliages Alnico et des alliages Fe Cr Co se déroule de façon analogue, en passant par une 10 démixtion spinodale de ferrite. Relativement aux alliages Alnico, les alliages Fe Cr Co permettent d'attendre des économies de cobalt et de nickel, une plus grande ductilité ainsi qu'une plus grande aptitude au travail à chaud et à froid avant le traitement de durcis15 sement par précipitation. Industriellement, on peut fabriquer du matériau magnétique par différents procédés comme le laminage, le frittage et la coulée. Le laminage, qui a des avantages dans la fabrication en 20 grande série, nécessite une série de stades préalables comme la coulée en lingots, le forgeage, le recuit, le meulage. L'intervalle de température approprié à la déformation à chaud est limité en dessous de 1100 C à cause de la formation de phase sigma fragile. Le frittage permet la fabrication de petites pièces complexes, à peu près sous forme finie Toutefois, la masse volumique frittée est inférieure à la masse volumique du matériau laminé La fabrication de la poudre, ainsi que le frittage en atmosphère pauvre en oxygène et en azote sont coû30 teux. La coulée des alliages Alnico s'effectue habituellement en moule à carapace A cause du système de coulée, entre autres, le rendement est habituellement inférieur à 60 % En outre, étant donné la ductilité des alliages Fe Cr Co, il se 35 produit des difficultés lorsqu'on retire les pièces coulées de la rigole de coulée. L'invention a pour but, tout en évitant les inconvénients des procédés antérieurs, de fabriquer par un procédé industriel à une seule chauffe une matière magnétique permanente en barreaux formée d'un alliage optimal du type Fe Cr Co qui, après un traitement thermique approprié, présente dans la position axiale préférentielle, malgré un alignement par5 tiellement radial des cristaux, les paramètres magnétiques suivants: Intensité de champ coercitif BHC au moins 50 k A/m Rémanence Br " 1,20 T Produit d'énergie magnétique (BH) ' 39 k J/m 3 B)max" 9 k/3 Le problème partiel concernant le mode opératoire est résolu selon l'invention par fusion ouverte et coulée avec aspiration dans des tubes en verre ou coulée continue dans des lingotières en cuivre La coulée avec aspiration est particulièrement souple quant à la quantité et à la dimen15 sion du produit La coulée continue est rationnelle à cause du rendement élevé et de la moindre dépense de main-d'oeuvre. L'alliage est essentiellement caractérisé, selon l'invention, par: 22,5 à 25,5 % de chrome 15,0 à 17,5 % de cobalt 2,0 à 4,0 % de molybdène 0,1 à 0, 8 % de silicium moins de 0,06 % de carbone = Ceff = % C + 0,86 % N eff moins de 0,10 % d'oxygène, le reste étant formé de fer et d'impuretés inévitables. L'optimisation de l'alliage exige la détermination de valeurs optimales de l'intensité de champ coercitif pour des teneurs en chrome et en cobalt en particulier Comme élément stabilisateur de ferrite, on a préféré, à côté du chrome à 30 raison de 23,5 % en moyenne, le molybdène à raison de 16 % en moyenne, étant donné l'influence étonnamment faible sur l'intensité de champ coercitif Les éléments qui ont un comportement magnétique défavorable, le carbone, l'azote, l'oxygène et le silicium ont été restreints quant à la quantité. 35 On a prévu une faible teneur en silicium pour la désoxydation du bain. Par la figure 1, on peut voir l'alignement partiellement radial des cristaux de l'alliage Fe Cr Co Mo optimisé, dans une section polie d'un barreau coulé avec aspiration. Selon l'invention, le traitement thermique comprend trois stades principaux: a) recuit d'homogénéisation b) traitement thermomagnétique c) revenu. Le recuit d'homogénéisation pour l'obtention d'une phase purement ferritique et des meilleures propriétés magnétiques a été adapté à l'alliage selon l'invention par un re10 cuit dans l'intervalle de 1230 à 1280 C pendant 15 minutes à 3 heures, de préférence à 1260 C pendant 30 minutes, avec ensuite refroidissement à l'eau. Le traitement thermomagnétique pour l'obtention de propriétés magnétiques anisotropes par alignement de la crois15 sance des domaines ferromagnétiques de démixtion dans le champ magnétique s'amorce par un recuit de détente dans l'intervalle de 720 à 7400 C pendant 10 à 30 minutes, de préférence à 730 C pendant 15 mn Après transfert à chaud dans le four à champ magnétique, la démixtion spinodale s'effec20 tue dans un champ magnétique axial d'alignement d'environ à 240 k A/m, entre 630 et 6450 C, en l'espace de 10 à 120 mn, de préférence de 160 k A/m à 6400 C pendant 60 mn. Le traitement de revenu entre environ 600 et 5000 C n'influence pas notablement la constitution anisotrope de la structure de démixtion spinodale, engendrée par le traitement dans le champ magnétique entre environ 600 et 6600 C. Un champ magnétique n'assure, lors du revenu, aucune amélioration des propriétés magnétiques Toutefois, étant donné la présence de la lacune de miscibilité, à mesure que la température de revenu s'abaisse jusqu'à la limite de diffusion des atomes de substitution, les différences de composition des domaines de démixtion riches en fer et en cobalt et riches en chrome augmentent Pour régler dans une large mesure la concentration d'équilibre conformément aux limites 35 de la lacune de miscibilité, en évitant des S 6 parations discontinues aux limites de grains et en empêchant les séparations secondaires dans les régions de démixtion, on considère comme revenu idéal un refroidissement approximativement continu conformément à la fonction in (C t) %/l/T, avec t = durée, T = température et C = constante (S Jin, G Y. Chin et B C Wonsiewicz: JEEE-Trans, on Magnetics 16, 1980, pages 139 à 146) Or de façon surprenante on a constaté que 5 l'alliage Fe Cr Co ayant la composition selon l'invention atteint les meilleurs paramètres magnétiques permanents, plus simples à obtenir au point de vue du mode opératoire, après un traitement de revenu en plusieurs parties: c) Revenu c a) ler stade: 590 à 6250 C pendant 0,25 à 10 h (optimal 6000 C pendant 1 h) c b) 2 ème stade: 555 à 585 C pendant 0,5 à 30 h (optimal 5650 C pendant 15 h) c c) 3 ème stade: 540 à 500 C pendant O à 50 h (optimal 5200 C 15 pendant 24 h). Dans les différents stades de revenu, il faut faire correspondre les plus grandes valeurs de la durée de recuit aux plus petites valeurs des températures de recuit et inversement. Le revenu peut s'effectuer dans chaque cas avec ou sans refroidissement intermédiaire entre les différents stades. EXEMPLES Exemple 1: (non conforme à l'invention) Matériau: Fe 24 % Cr 16 % Co 1 % Si 0,4 % Nb 0,4 % V 25 Procédé de fabrication: coulée continue Traitement thermique: 1240 C 60 mn/eau + 7400 C 15 mn/640 C 160 k A/m 60 mn/refroidissement à l'air + 6200 C 1 h + 5800 C 16 h + 5400 C 48 h/refroidissement à 30 l'air Propriétés magnétiques: Rémanence Intensité de champ coercitif Produit d'énergie magnétique Coefficient d'utilisation de la courbe Br BHC (BH) max 1,28 46 37 T k A/m k J/m 3 " 1 Exemple 2 (selon l'invention) Matériau: Fe 23,4 % Cr 15,8 % Co 2 % Mo 0,6 % Si Procédé de fabrication: coulée avec aspiration 1240 C 60 mn/eau + 7400 C 15 mn/6400 C 160 k A/m 60 mn/refroidissement à l'ai r + 6200 C 1 h + 5800 C 16 h + 5400 C 48 h/refroidissement à l'air Propriétés magnétiques Rémanence Br 1,27 T Intensité de champ coercitif B Hc 52 k A/m Produit d'énergie magnétique (BH) 40 k J/m 3 max Coefficient d'utilisation de la courbe ' 60 % Exemple 3 (selon l'invention) Matériau: Fe 23,5 % Cr 16 % Co 0,3 % Si 3 % Mo Procédé de fabrication: coulée avec aspiration 1260 C 30 mn/eau + 7300 C 15 mn/6400 C 160 k A/m 60 mn/refroidissement à l'air + 6000 C 60 mn/air + 565 o C 15 h/refroidissement à l'air 20 + 520 C 24 h/refroidissement à l'air Propriétés magnétiques: Rémanence Br 1,27 T Intensité de champ coercitif B Hc 60,5 k A/m Produit d'énergie magnétique (BH) 45 k J/m 3 max Coefficient d'utilisation de la courbe 59 % Exemple 4 (selon l'invention) Matériau: Fe 23,5 % Cr 16 % Co 0,3 % Si 3 % Mo Procédé de fabrication: coulée avec aspiration 30 12600 C 30 mn/eau + 730 C 15 mn/640 C 160 k A/m 60 mn/refroidissement à l'air + 6000 C 1 h/air + 565 o C 20 h/refroidissement à l'air Rémanence Br 1,28 T Intensité de champ coercitif BHC 52,5 k A/m Produit d'énergie magnétique (BH)ma 40 k J/m 3 Coefficient d'utilisation de la courbe y\ 60 % Exemple 5 (selon l'invention) Matériau: Fe 23,5 % Cr 16,3 % Co 3,0 %A Mo 0,29 % Si Procédé de fabrication: coulée avec aspiration Traitement thermique 1260 C 60 mn argon/eau + 730 C 15 mn/640 OC 60 mn 160 k A/m/refroidissement à l'air + 62 E 00 C 1 h + 5800 C 16 h + 54 o O C 48 h/refroidissement & l'air Propriétés magnétiques: Rémanence Br 1,33 T H Intensité de champ coercitif B Hc 56,6 k A/m Produit d'énergie magnétique (BH) 43,3 k J/m 3 max Coefficient d'utilisation de la courbe 57,4 % REVENDICATIONS 1) Utilisation de barreaux fabriqués par le procédé de coulée avec aspiration ou de coulée continue, formés d'un alliage patinable, pouvant être travaillé avec et sans enlè5 vement de copeaux, comprenant (en poids) 22,5 A 25,5 % de chrome 15,0 A 17,5 % de cobalt 2,0 A 4,0 % de molybdène 0,1 à 0,8 % de silicium moins de 0,06 % de carbone = Ceff = %C + 0,86 o N moins de 0,10 % d'oxygène, le reste étant formé de fer et d'impuretés inévitables, qui ont été soumis A un traitement thermique comprenant: a) un recuit d'homogénéisation dans l'intervalle de 1230 à 15 1280 e C pendant 15 mn à 3 h et un refroidissement à l'eau ou A l'huile, b) un traitement thermomagnétique dans l'intervalle de 720 A 740 e C pendant 10 à 30 mn, un refroidissement entre 630 et 650 'C, l'application dfun champ magnétique, 80 A 240 k A/m en direction préférentielee axiale pendant 10 à mn et refroidissement A l'air, c) un revenu cumulant, avec ou sans refroidissement intermédiaire à l'air: c a) 590 à 625 C pendant 0,25 A 10 h 25 c b) 555 à 5850 C pendant 0,5 A 30 h c c) 540 à 500 C pendant O A 50 h, comme matériau pour la fabrication d'aimants permanents magnétisés axialement présentant les propriétés suivantes, chaque fois mesurées dans la direction de magnétisation: 30 Intensité de champ coercitif BHC au moins 50 k A/m Rémanence Br " 1,2 T et Produit d'énergie magnétique (BH) x 39 k J/m 3. 2) Utilisation de barreaux selon la revendication 1, mais formés d'un alliage comprenant (en poids): 35 23,0 à 24,7 % de chrome ,5 à 17,0 % de cobalt 2,0 A 3,5 % de molybdène 0,2 A 0,6 % de silicium 255 t 449 moins de 0,06 % de carbone = Ceff = %C + o,86 %N moins de 0,08 % d'oxygène, le reste étant formé de fer et d'impuret 6 S inévitables, étant entendu que: 24,5 % pour l'usage selon la revendication 1.