Brevet FR2856190A1 — publié le 20041217

Description Corps creux à symétrie de révolution en alliage magnétique dur déformable, et utilisation et procédé de fabrication d'un tel corps creux L'invention concerne des corps creux à symétrie de révolution en alliages magnétiques durs déformables, notamment des corps creux en forme de 10 cuvette, qui sont aussi appelés bagues en L, et des corps creux annulaires, qui sont aussi appelés bagues en I. On sait jusqu'à présent qu'on peut fabriquer de telles bagues en I ou en L par des 15 procédés de frittage. A titre d'exemple, des bagues en alliages d'aluminium-cobalt- nickel, dites bagues AlNiCo, sont fabriquées par frittage conformément à la métallurgie des poudres. Un tel procédé et de telles bagues sont par exemple connus par le 20 document US-4 818 305. Mais les bagues frittées présentent d'une part le grand inconvénient d'être très cassantes, c'est- à-dire d'avoir tendance à se briser en utilisation. D'autre part, les matériaux de base appropriés à cet effet, AlNiCo notamment, ne 25 présentent que des propriétés magnétiques sousoptimales, de sorte qu'on ne peut pas fabriquer de bagues présentant à la fois d'excellentes propriétés magnétiques et d'excellentes propriétés mécaniques. On sait en outre qu'on peut fabriquer des 30 bagues en I pour lesquelles un feuillard est d'abord cintré en un anneau en I, puis assemblé par soudage à ses extrémités. Cette méthode de fabrication pose d'importants problèmes magnétiques et mécaniques. Des défauts tant magnétiques que mécaniques 35 apparaissent dans la région de la soudure. En particulier, la rotondité des bagues en I fabriquées est très déficiente. Les tolérances de fabrication sont excessives pour de nombreux domaines - 2 d'utilisation. Il faut généralement effectuer dans la région de la soudure d'importantes opérations de retouche. Des bagues en I qui ont été fabriquées d'après ce procédé de fabrication sont par exemple connues par le document DE-199 36 681-A1. Il existe donc depuis longtemps un besoin de corps creux sans soudure à symétrie de révolution en alliages magnétiques durs qui présentent de très petites tolérances de fabrication quant à la 10 rotondité. L'invention répond à ce besoin au moyen d'un corps creux sans soudure à symétrie de révolution réalisé par formage sans enlèvement de matière à partir d'un alliage magnétique dur 15 déformable qui est constitué pour l'essentiel de 5,0 à 20,0 % (en poids) de cobalt, 20,0 à 35,0 % (en poids) de chrome, et le reste de fer ainsi que d'impuretés consécutives à la fusion et/ou aléatoires. Par l'expression " est constitué pour l'essentiel de ", on entend ici et ci-après que l'alliage sélectionné selon l'invention présente, en plus des parties constitutives principales indiquées de cobalt, chrome et fer, seulement de faibles 25 additions d'autres métaux, qui servent au réglage fin des propriétés mécaniques et magnétiques. L'alliage peut donc présenter en plus un ou plusieurs des éléments Zr, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Si, Al, Ni, Sn, Cu, Zn, Ge, B et terres 30 rares, dans une part totale de moins de 5% (en poids) de l'alliage. Parmi la multitude d'alliages magnétiques durs déformables connus, le système d'alliage exposé ci-dessus s'est avéré approprié pour des procédés de 35 formage sans enlèvement de matière. Le système d'alliage selon l'invention présente une ductilité remarquablement élevée et peut être coulé et laminé en une structure cristalline très fine. Le système d'alliage selon l'invention présente donc une capacité de forgeage qui convient pour le formage sans enlèvement de matière. Par " procédés de formage sans enlèvement 5 de matière ", on entend ici et ci-après, entre autres, le laminage axial en matrice, le moulage de profilés creux par compression, le laminage de profilés, et surtout le laminage sous pression. Par " laminage sous pression ", on entend 10 un procédé de formage sans enlèvement de matière de corps creux à symétrie de révolution. Une ébauche est ici fixée en position entre un mandrin de pression et une contre-poupée, et mise en rotation. L'ébauche est habituellement appelée " rond ". Une 15 particularité est ici que le formage s'effectue partiellement par contrainte de pression, qui est introduite dans le matériau par des cylindres de pression guidés radialement. Le matériau flue et prend, en passant sur les cylindres, le contour du 20 mandrin en position intérieure. Selon la forme du mandrin de pression, on peut fabriquer des corps creux en forme de pot ou des corps creux coniques. La précision de fabrication correspond à celle d'un usinage fin par enlèvement de matière. 25 L'allure ininterrompue des fibres du matériau et l'augmentation - fonction de degré de formage - de la résistance caractérisent l'utilisation du laminage sous pression. On peut façonner par laminage sous pression des alliages forgeables. On 30 sait par l'état de la technique qu'on peut façonner par laminage sous pression différents aciers inoxydables et surtout différents alliages d'aluminium. Ces matériaux peuvent être façonnés jusqu'à une résistance à la traction d'environ 2 200 35 M/mm2. Dans le laminage sous pression, on distingue différentes sous-catégories: Avec le laminage sous pression cylindrique, on peut réaliser des formes d'enveloppe extérieure qui sont en principe impossibles à obtenir avec d'autres procédés de formage, par exemple l'étirage et l'emboutissage. Trois cylindres de pression, respectivement décalés de 120 , sont ici simultanément engagés. Dans le laminage sous pression dit " dans le même sens ", la direction axiale d'avancement des cylindres de pression et la direction de fluage du matériau sont identiques. On peut fabriquer d'une 10 manière particulièrement avantageuse des corps creux courts en forme de pot, ce qu'on appelle des bagues en L, qui sont formées en combinant en aval un cintrage et un laminage sous pression cylindrique, en passant par le dessus. Dans le laminage sous pression à contresens, le mouvement du matériau dans la direction du mouvement axial d'avancement des cylindres de pression est limité par une butée, de sorte que le matériau flue sous les cylindres à l'encontre de la 20 direction d'avancement. Cela permet la fabrication de corps creux cylindriques particulièrement longs. Dans le laminage sous pression à projection, une forme initiale plane est projetée par un cylindre de pression sur l'angle 25 d'inclinaison du mandrin de pression. Pendant le formage, le matériau est déplacé axialement dans la zone de mise en forme. Le diamètre de la forme initiale correspond alors au diamètre de la forme finale. On peut fabriquer des corps creux coniques 30 ou à courbure concave ou convexe. Dans le cas le plus simple, un rond, qui sert de forme initiale, est mis en forme sur un mandrin de pressage conique. L'épaisseur finale de paroi qui peut être obtenue est directement fonction 35 de l'angle d'inclinaison du contour de la pièce et de l'épaisseur initiale de la t8le. Pour des corps creux qui nécessitent une particulièrement grande précision, le laminage sous pression à projection est effectué avec deux cylindres en vis-à-vis. Lors du formage sous pression, les ronds de tôle ou encore des ébauches préfabriquées par 5 exemple par emboutissage sont serrées entre un mandrin de pression et un disque presseur, puis fixées en position en engagement par friction, et mises en rotation par l'entraînement principal et enfin façonnées en corps creux à symétrie de 10 révolution. Le rouleau de pression agit localement sur la périphérie de la pièce et façonne le rond pas à pas, jusqu'à ce que la pièce s'applique contre le mandrin de pression en position intérieure. Lors de ce formage, l'épaisseur de paroi reste approximativement constante. Dans le cas du procédé selon l'invention pour fabriquer un corps creux sans soudure à symétrie de révolution à partir d'un alliage magnétique dur déformable, un alliage est d'abord 20 fondu, puis coulé dans une lingotière. La fusion de l'alliage magnétique dur déformable, qui est constitué de 5, 0 à 20,0 % (en poids) de cobalt, 20,0 à 35,0 % (en poids) de chrome, et le reste de fer, s'effectue de préférence 25 sous une atmosphère de gaz protecteur ou sous vide, afin que la teneur en impuretés reste minimale. Une faible teneur en impuretés est très importante pour les propriétés magnétiques, ce qui veut dire que les impuretés consécutives à la fusion et/ou aléatoires, 30 en métaux et en P, O, S, N, C et B, doivent être maintenues minimales. On peut aussi envisager des procédés de métallurgie en poche. Le lingot coulé est ensuite déformé à chaud en une brame mince puis en un feuillard à 35 chaud, à une épaisseur intermédiaire et avec un degré de déformation à chaud supérieur à 90%. La déformation à chaud s'effectue généralement à des températures supérieures à 1100 C. On s'attache à obtenir une structure cristalline fine, dont la grosseur moyenne de grain ne dépasse pas 300 microns. De plus, lors de cette étape de déformation à chaud, il faut s'attacher à ne pas induire 5 d'anisotropie dans le feuillard à chaud (anisotropie de laminage). Ensuite, le feuillard à chaud est soumis à un recuit intermédiaire et homogénéisé à une température supérieure à 800 C. Le feuillard à chaud soumis au recuit intermédiaire et homogénéisé est ensuite déformé à froid en un feuillard, avec un degré de déformation à froid inférieur à 20%. A partir du feuillard ainsi obtenu, on 15 fabrique maintenant des ronds. Le diamètre des ronds est établi en fonction du diamètre des bagues en L ou des bagues en I à fabriquer ultérieurement. Comme la qualité de surface des ronds joue un rôle décisif pour le laminage sous pression 20 consécutif, les ronds sont soumis à un traitement de surface approprié. Comme traitement de surface, on envisage ici soit un processus de meulage, soit un processus de tournage. De plus, des procédés chimiques comme 25 le décapage ou le polissage électrique ainsi que le grenaillage doivent également être considérés comme appropriés. Avec ces procédés, on recherche l'obtention de profondeurs maximales de rugosité 30 inférieures à 15 microns. Les défauts de surface tels qu'engagements au laminage, repliures de laminage et fissures doivent être évitées ou supprimées. On a en outre constaté que les arêtes des ronds devaient être usinées. Ces arêtes sont 35 érodées au tour sur les deux faces, afin de supprimer les éventuelles bavures et fissurations. A partir des ronds, on fabrique maintenant comme décrit plus haut, par laminage sous pression, les - 7 corps creux sans soudure à symétrie de révolution selon l'invention. Typiquement des bagues en L, à partir desquelles ont peut ensuite tronçonner plusieurs bagues en I. Le procédé de fabrication selon l'invention s'achève par un recuit final magnétique du corps creux. On règle ici les valeurs magnétiques nécessaires pour l'application. Ce recuit final s'effectue typiquement sur un corps de recuit ayant 10 des propriétés définies. Les corps creux sans soudure à symétrie de révolution selon l'invention ainsi fabriqués présentent des tolérances de rotondité inférieures à 0,15 mm pour un diamètre d'environ 120 mm, et sont 15 ainsi nettement meilleurs que les bagues fabriquées selon le procédé classique. Le procédé selon l'invention convient en particulier pour des corps creux avec des épaisseurs de paroi inférieures à 3 mm et des diamètres 20 inférieurs à 350 mm. L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide d'exemples comparatifs et d'exemples de réalisation, ainsi que des dessins annexés parmi lesquels: la Fig. 1 est une mesure matérialisée avec une bague en I selon l'état de la technique, et la Fig. 2 est une mesure matérialisée avec une bague en I selon la présente invention. Exemple comparatif 1 On a fabriqué 10 bagues en I d'un diamètre de 110,7 mm et d'une épaisseur de paroi de 1,5 mm, en cintrant en un anneau un feuillard réalisé en un alliage constitué de 27,5 % (en poids) de chrome, 10,5 % (en poids) de cobalt et le reste de fer, puis 35 en soudant bout à bout les extrémités de l'anneau. On a ainsi obtenu, après un traitement thermique, une rémanence d'environ 0,9 T et une intensité de champ coercitif d'environ 290 A/cm. Les bagues en I - 8 fabriquées présentaient des tolérances de rotondité de 0,33 à 0, 43 mm. Exemple comparatif 2 On a fabriqué 10 bagues en I d'un diamètre 5 de 110,7 mm et d'une épaisseur de paroi de 1,5 mm, à partir d'un alliage constitué de 28,5 % (en poids) de chrome, 12,0 % (en poids) de cobalt, 1,0 % (en poids) de molybdène, 0,2 % (en poids) de titane et le reste de fer, par le fait qu'un feuillard réalisé 10 en cet alliage a été cintré en un anneau, puis que les extrémités de l'anneau ont été soudées bout à bout. Avec ces bagues, on a obtenu après le traitement thermique une rémanence d'environ 0,8 T et une intensité de champ coercitif d'environ 15 410 A/cm. Les bagues en I fabriquées présentaient des tolérances de rotondité de 0,33 à 0,38 mm. Premier exemple de réalisation: On a fabriqué 13 bagues en I d'un diamètre de 113 mm et d'une épaisseur de paroi de 1,5 mm, à 20 partir d'un alliage constitué de 28,4 % (en poids) de chrome, 12,0 % (en poids) de cobalt, 1,0 % (en poids) de molybdène, 0,2 % (en poids) de titane et le reste de fer. Les bagues ont été fabriquées au moyen d'un procédé de laminage sous pression tel que 25 décrit plus haut. Une fois le traitement thermique effectué, les bagues en I présentaient une rémanence d'environ 0,85 T et une intensité de champ coercitif d'environ 370 A/cm. Les bagues en I fabriquées présentaient des tolérances de rotondité de 30 seulement 0,03 à 0,10 mm, soit considérablement moins par rapport aux exemples comparatifs cidessus. Deuxième exemple de réalisation: On a fabriqué 56 bagues en I d'un diamètre 35 de 127 mm et d'une épaisseur de paroi de 1,5 mm, à partir d'un alliage constitué de 28,7 % (en poids) de chrome, 12,1 % (en poids) de cobalt, 1,0 % (en poids) de molybdène, 0,2 % (en poids) de titane et le reste de fer. Ces bagues ont été fabriquées au moyen du procédé de laminage sous pression selon l'invention décrit plus haut. Une fois le traitement thermique 5 effectué, les bagues en I présentaient une rémanence d'environ 0,85 T et une intensité de champ coercitif d'environ 400 A/cm. Les bagues présentaient des tolérances de rotondité de 0,05 à 0,15 mm, soit une diminution considérable par rapport aux rotondités 10 des exemples comparatifs ci-dessus. Les corps creux, bagues en I notamment, selon la présente invention conviennent remarquablement bien comme bagues magnétiques pour des accouplements à hystérésis et des freins à 15 hystérésis. De plus, les bagues en I et les bagues en L selon l'invention conviennent également comme bagues magnétiques pour des mesures matérialisées dans des dispositifs de mesure de position. Des mesures matérialisées pour des dispositifs de mesure 20 de position, et des dispositifs de mesure de position en eux-mêmes, sont décrits en détail dans le document DE-199 36 681-A1 mentionné en introduction. La mesure matérialisée représentée sur la 25 Fig. 1 présente un corps de base 1 en forme de tambour, sur la périphérie extérieure duquel est fixée par brasage ou par collage, par sa région de surface intérieure, une bague en I préfabriquée 4 constituée d'un alliage magnétique dur déformable, 30 par le fait qu'une colle ou un métal d'apport de brasage 3 est introduit entre le corps de base 1 et la bague en I 4, et assemble à plat la bague en I 4 au corps de base 1. La bague en I 4 présente des dessins magnétiques 6 disposés en succession dans sa 35 direction circonférentielle, ayant des magnétisations sectoriellement différentes, sur une des faces périphériques circulaires de la bague en I qui sont opposées dans la région de surface - 10 assemblée. La bague en I 4 représentée ici a été formée par cintrage puis réunion par soudage d'un matériau de base en forme de feuillard. Cela a 5 nécessité de prévoir sur la périphérie extérieure du corps de base une gorge 2 dans laquelle pouvait s'engager le bourrelet 7 de la soudure 5 de la bague en I 4. Cela étant, selon l'invention, le 10 bourrelet est supprimé, car les présentes bagues en I ne sont pas composées au moyen d'une soudure. Grâce au procédé de formage sans enlèvement de matière selon l'invention, on peut fabriquer des bagues sans soudure ayant des rotondités nettement 15 améliorées, de sorte que les mesures matérialisées dans des dispositifs de mesure de position, telles qu'elles sont décrites dans le document DE199 36 681-A1, peuvent être simplifiées et très fortement améliorées. Grâce au procédé selon 20 l'invention, les bagues peuvent être installées nettement plus simplement sur les corps de base, de sorte qu'il n'y a plus de bourrelet, ce qu'on peut immédiatement constater en observant conjointement les Fig. 1 et 2. - 11 REVENDICATIONS 1. Corps creux sans soudure à symétrie de révolution réalisé par formage sans enlèvement de 5 matière à partir d'un alliage magnétique dur déformable constitué pour l'essentiel de 5,0 à 20,0 % (en poids) de cobalt, 20,0 à 35,0 % (en poids) de chrome, et le reste de fer ainsi que d'impuretés consécutives à la fusion et/ou aléatoires. 2. Corps creux selon la revendication 1, l'alliage pouvant en outre présenter un ou plusieurs des éléments Zr, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Si, Al, Ni, Sn, Cu, Zn, Ge, B et terres rares, dans une part totale de moins de 5% (en poids) de l'alliage. 3. Corps creux selon la revendication 1 ou 2, qui présente une forme conique. 4. Corps creux selon la revendication 1 ou 2, qui présente une forme de pot. 5. Corps creux selon la revendication 1 ou 2, qui présente une forme annulaire. 6. Corps creux selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, qui présente en direction circonférentielle un dessin magnétique disposé en succession, de magnétisation différenciée. 7. Utilisation d'un corps creux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans un accouplement à hystérésis. 8. Utilisation d'un corps creux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans un frein à 30 hystérésis. 9. Utilisation d'un corps creux selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans une mesure matérialisée. 10. Utilisation d'un corps creux selon la revendication 9 dans une mesure matérialisée pour un dispositif de mesure de position. 11. Procédé de fabrication d'un corps creux sans soudure à symétrie de révolution selon l'une quelconque - 12 des revendications 1 à 5, comprenant les étapes suivantes: 1. fusion de l'alliage et coulée en un lingot; 2. première déformation à chaud du lingot en une brame mince; 3. deuxième déformation à chaud de la brame mince en un feuillard à chaud ayant une structure cristalline fine dont la grosseur moyenne de grain est inférieure à 300 microns; 4. recuit intermédiaire du feuillard à chaud à une température supérieure à 800 C; 5. déformation à froid du feuillard à chaud en un feuillard; 6. fabrication d'un rond à partir du feuillard; 15 7. laminage sous pression du rond en un corps creux; 8. recuit final magnétique du corps creux. 12. Procédé selon la revendication 11, selon lequel la déformation à chaud du lingot en une brame 20 mince s'effectue à des températures supérieures à 1100 0C. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, selon lequel la deuxième déformation à chaud s'effectue avec un degré de 25 déformation à chaud supérieur à 90%. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, selon lequel la déformation à froid de la brame mince en un feuillard s'effectue avec un degré de déformation à froid inférieur à 20%. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, selon lequel les ronds fabriqués à partir du feuillard sont soumis à un traitement de surface. 16. Procédé selon la revendication 15, selon lequel la profondeur de rugosité des ronds est, au moyen du traitement de surface, réglée à moins de 15 microns. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 ou 16, selon lequel le traitement de - 13 - surface des ronds 18. Procédé revendications 15 surface des ronds s'effectue par voie mécanique. selon l'une quelconque des ou 16, selon lequel le traitement de s'effectue par voie chimique.