Brevet FR2772181A1 — publié le 19990611

PROCEDE DE FABRICATION D'UN NOYAU MAGNETIQUE EN ALLIAGE MAGNETIQUE DOUX NANOCRISTALLIN UTILISABLE DANS UN DISJONCTEUR DIFFERENTIEL DE LA CLASSE A ET NOYAU MAGNETIQUE OBTENU. La présente invention concerne un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin utilisable notamment pour la fabrication d'un disjoncteur différentiel de la classe A. Les disjoncteurs différentiels de la classe A sont des disjoncteurs différentiels à propre courant sensible non seulement aux courants de défaut sinusoïdaux, mais également aux courants de défauts pulsés. Ces disjoncteurs différentiels comportent 0o un noyau magnétique en alliage magnétique doux ayant une perméabilité magnétique maximale d'impédance pz à 50 Hertz élevée et un rapport Br/Bm de l'induction rémanente à l'induction à saturation inférieure à 0,2, et une bonne stabilité en température des propriétés magnétiques dans la plage de température de fonctionnement qui s'étend de - 25 C à + 100 C. La perméabilité magnétique s 5 maximale d'impédance pz doit être élevée, car, plus elle est élevé, plus il est possible de réduire les dimensions du noyau magnétique et donc de miniaturiser le disjoncteur différentiel; le rapport Br/Bm doit rester faible pour préserver la sensibilité du disjoncteur aux courants pulsés. De plus, la sensibilité du disjoncteur aux courants de défaut pulsés est d'autant meilleur que les grandeurs ABstat et ABdylyn sont plus élevés; ABstat et ABdyn étant les amplitudes de variation de l'induction magnétique engendrées par un champ d'excitation alternatif redressé demi- onde dans le premier cas et pleine onde dans le second. On peut fabriquer des noyaux magnétiques pour disjoncteurs différentiels de la classe A en utilisant un alliage magnétique doux du type comprenant plus de 60 atomes % de fer, du cuivre, du silicium, du bore et un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse. Ces noyaux magnétiques sont obtenus en coulant l'alliage sous forme d'un ruban amorphequi est enroulé pour former un tore, puis soumis à un traitement thermique de cristallisation destiné à conférer à l'alliage une structure nanocristalline, et, enfin, soumis à un traitement thermique sous champ magnétique transverse appliqué de façon continue tout au long du traitement thermique, le traitement thermique se faisant vers 400 C. Les noyaux magnétiques 2 2772181 ainsi obtenus ont une stabilité en température satisfaisante et un rapport Br/Bm inférieur à 0,2. Mais ils ne permettent pas d'obtenir une perméabilité magnétique d'impédance pz mesurée à 50 Hz dans un champ d'excitation maximale de 10 mA/cm (valeur de crête) à 25 C supérieure à 170 000 ni des valeurs de ABstat et s ABdyn supérieures à 0,19 Tesla pour un champ d'excitation d'amplitude maximale de mA/cm, ce qui limite les possibilités de miniaturisation. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen pour fabriquer un noyau magnétique utilisable dans un disjoncteur différentiel de la classe A ayant à la fois une perméabilité magnétique 0o d'impédance pz mesurée à 50 Hz dans un champ d'excitation maximale de mA/cm (valeur de crête) supérieure à 200 000 et des valeurs de ABstat et ABdyn supérieures à 0,2 Tesla pour un champ d'excitation d'amplitude maximale de mA/cm. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour la fabrication d'un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin dont la composition chimique comprend plus de 60 atomes % de fer, de 10 à 20 atomes % de silicium, de 0,1 à 2 atomes % de cuivre, de 5 à 20 atomes % de bore, de 0,1 à 10 atomes % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse, ainsi que des impuretés résultant de l'élaboration; la somme des teneurs en silicium et en bore étant inférieure à 30 atomes %; I'alliage nanocristallin étant obtenu par un traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe. Selon ce procédé, on effectue sur le noyau magnétique un traitement thermique sous champ magnétique transverse à une température comprise entre 250 C et 450 C, le champ magnétique étant appliqué sous forme de créneaux. De préférence, le traitement thermique sous champ magnétique transverse est effectué à une température comprise entre 300 C et 400 C. Ce procédé s'applique plus particulièrement aux alliages magnétiques doux nanocristallins dont la composition chimique comprend de 10 à 17 atomes % de silicium, de 0,5 à 1,5 atomes % de cuivre, de 5 à 14 atomes % de bore et de 2 à 4 % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse. 3 2772181 Avant d'effectuer le traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, on peut effectuer sur l'alliage à l'état amorphe un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe. De préférence, le traitement thermique de relaxation consiste en un maintien à une température comprise entre 250 C et 480 C pendant un temps compris entre 0,1 et 10 heures. Le noyau magnétique obtenu par le procédé selon l'invention peut être utilisé avantageusement pour la fabrication d'un disjoncteur différentiel à propre courant de la classe A. io L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par un exemple. Pour fabriquer un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin, on coule l'alliage sous forme d'un ruban amorphe, puis on enroule un segment de ruban de longueur appropriée autour d'un mandrin de façon à former une bobine torique de section rectangulaire ou carrée. La bobine qui va constituer le noyau magnétique est alors soumise à un traitement thermique de cristallisation destiné à déstabiliser la structure amorphe et à provoquer la formation de cristaux dont la taille est inférieure à 100 nanomètres, voire inférieure à 20 nanomètres, et, ainsi, obtenir une structure appelée " nanocristalline ". Ce traitement est, ensuite, complété par un traitement thermique sous champ magnétique transverse, c'est à dire, sous un champ magnétique parallèle à l'axe du noyau. L'alliage est du type décrit notamment dans les demandes de brevet européen EP 0 271 657 et EP 0 299 498. Il est constitué principalement de fer en une teneur supérieure à 60 atomes %, et contient en outre: - de 0,1 à 2 at %, et de préférence, de 0,5 à 1,5 at % de cuivre; - de 10 à 20 at %, et de préférence, moins de 17 at % de silicium; - de 5 à 20 at %, et de préférence, moins de 14 at % de bore; - de 0,1 à 10 at % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse; de préférence de 2 et 4 at % de niobium. L'alliage contient également des impuretés résultant de l'élaboraton. 4 2772181 La somme des teneurs en silicium et en bore doit, de préférence, rester inférieure à 30 at % et, mieux encore, rester inférieure à 25 at %. Le recuit de cristallisation consiste en un maintien à une température supérieure à la température de début de cristallisation et inférieure à la température de début d'apparition des phases secondaires qui détériorent les propriétés magnétiques. En général, la température de recuit de cristallisation est comprises entre 500 C et 600 C, mais elle peut être optimisée pour chaque ruban, par exemple, en déterminant par des essais la température qui conduit à la perméabilité magnétique maximale. La température de recuit de cristallisation peut alors être io choisie égale à cette température. Le traitement thermique effectué sous champ magnétique est effectué à une température comprise entre 250 C et 450 C, et de préférence entre 300 C et 400 C. Pendant le maintien en température, le champ magnétique est appliqué sous forme d'une succession de créneaux. Un créneau correspond à une période pendant laquelle le champ magnétique appliqué est maximal, suivi d'une période pendant la quelle il est nul ou très faible (inférieur à 10 % du champ magnétique maximal atteint pendant le traitement). Le champ magnétique appliqué peut être continu ou alternatif, dans ce dernier cas, I'intensité du champ magnétique est l'intensité de crête (intensité maximale atteinte à chaque alternance). L'intensité du champ magnétique peut être constante pendant toute la période d'application du champ (créneaux rectangulaires) ou variable. Tous les créneaux peuvent être de même intensité ou au contraire d'intensité variable d'un créneau à l'autre. Le traitement thermique peut se terminer à la fin de la période d'application du champ magnétique du dernier créneau; l'essentiel étant que le traitement comporte au moins deux périodes pendant lesquelles le champ magnétique appliqué séparées par une période pendant laquelle le champ magnétique n'est pas appliqué. Les inventeurs ont, en effet, constaté qu'en procédant ainsi, la stabilité en température des propriétés magnétiques du noyau magnétique étaient très sensiblement améliorées. Par ce procédé on obtient un noyau magnétique dont la perméabilité magnétique d'impédance pz mesurée à 50 Hertz dans un champ magnétique d'excitation maximale de 10 mA/cm (valeur de crête) à 25 C est supérieur à 2772181 000, et dont la perméabilité magnétique varie de moins de 25 % sur la plage de température comprise entre - 25 C et + 100 C. De plus, le rapport Br/Bm de l'induction rémanente à l'induction à saturation est inférieure à 0,2, ABstat et ABdyn sont tous les deux supérieures à 0,2 Tesla, le rapport ABstat/ABdyn étant voisin de 1. Un tel noyau magnétique peut être utilisé dans un disjoncteur différentiel de la classe A. Du fait de ses propriétés magnétiques, à sensibilité égale du disjoncteur, la section du noyau peut être réduite sensiblement par rapport à la section d'un noyau magnétique selon l'art antérieur. En complément des traitements thermiques qui viennent d'être décrit, on peut, 0o avant le traitement thermique de cristallisation, effectuer sur le noyau un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de cristallisation de la bande amorphe, et, de préférence, comprise entre 250 C et 480 C. Ce recuit de relaxation a pour avantage de réduire encore la sensibilité des propriétés magnétiques des noyaux à la température, de réduire la dispersion des propriétés magnétiques de noyaux fabriqués en série et de réduire la sensibilité des propriétés magnétiques aux contraintes. A titre d'exemple, à partir d'un ruban en alliage Fe73,5Si13,5B9Cu1Nb3, (73,5 at % de fer, 13,5 at % de silicium, etc.), de 20 pm d'épaisseur et 10 mm de largeur obtenus par trempe directe sur une roue refroidie, on a fabriqué deux séries A et B de noyaux magnétiques qui ont été soumises toutes les deux à un traitement de cristallisation de 1 heures à 530 C (sans traitement de relaxation). A titre de comparaison, la première série A de noyaux a été soumise à un traitement thermique de 1 heure à 350 C sous champ magnétique transverse appliqué de façon continue. Conformément à l'invention, I'autre série, B, a été soumise à un traitement thermique de 1 heure à 350 sous champ magnétique transverse appliqué sous forme de créneaux de 5 mn sous champ magnétique séparées par des périodes de 15 mn sans champ magnétique. Pour l'une des séries, on a mesuré à C les grandeurs pz, ABstat et ABdyn pour un champ magnétique d'excitation alternatif à 50 Hertz d'amplitude maximale de 10 mA/cm; on a également mesuré le rapport Br/Bm. Les résultats ont été les suivants: 6 2772181 série ||p (10 mA/cm ABstat (T) ABdyn (T) [ ABstat / ABdyn Br/Bm A compar. 153 000 0,172 0,169 1,017 0,05 B invention 230 000 0,240 0,234 1,025 0,1 Ces exemples montrent bien l'amélioration de propriétés magnétiques apportées par le procédé selon l'invention: pz supérieur à 200 000, ABstat et ABdyn supérieurs à 0,2 Tesla, avec ABstat/ABdyn voisin de 1 et Br/Bm inférieur à 0,2. 7 2772181 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication d'un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin dont la composition chimique comprend plus de 60 atomes % de fer, de 10 à 20 atomes % de silicium, de 0,1 à 2 atomes % de cuivre, de 5 à 20 atomes % de bore, de 0,1 à 10 atomes % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse, ainsi que des impuretés résultant de l'élaboration, la somme des teneurs en silicium et en bore étant inférieure à 30 atomes %, I'alliage nanocristallin étant obtenu par un traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, caractérisé en ce que on effectue sur le noyau magnétique un traitement thermique sous champ magnétique transverse à une température comprise entre 250 C et 450 C, le champ magnétique étant appliqué sous forme de créneaux. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement thermique sous champ magnétique transverse est effectué à une température comprise entre 300 C et 400 C. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la composition chimique de l'alliage magnétique doux nanocristallin comprend de 10 à 17 atomes % de silicium, de 0,5 à 1,5 atomes % de cuivre, de 5 à 14 atomes % de bore et de 2 à 4 % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que, avant d'effectuer le traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, on effectue sur l'alliage à l'état amorphe un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe. 5 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le traitement thermique de relaxation consiste en un maintien à une température comprise entre 250 C et 480 C pendant un temps compris entre 0,1 et 10 heures. 8 2772181 6 - Noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin dont la composition chimique comprend plus de 60 atomes % de fer, de 10 à 20 atomes % de silicium, de 0,1 à 2 atomes % de cuivre, de 5 à 20 atomes % de bore, de 0,1 à atomes % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse, ainsi que des impuretés résultant de l'élaboration, la somme des teneurs en silicium et en bore étant inférieure à 30 atomes %, I'alliage nanocristallin étant obtenu par un traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, caractérisé en ce que, pour un champ magnétique d'excitation alternatif à 50 Hertz d'amplitude maximale de 10 mA/cm, à 25 C, la perméabilité magnétique d'impédance pz est supérieure à 200 000, le rapport Br/Bm de l'induction rémanente Br à l'induction à saturation Bm inférieur à 0,2 et les grandeurs ABstat et ABdyn sont supérieures à 0,2 Tesla. 7 - Utilisation d'un noyau magnétique selon la revendication 6 pour la fabrication d'un disjoncteur différentiel à propre courant de la classe A.