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MODE D'APPLICATION D'UN ALLIAGE ET PROCEDE POUR LA PREPARATION DE CET
ALLIAGE,
On sait que les alliages à base de fer, de nickel et d'aluminium, contenant par exemple 20 à 30 % de nickel et 10 à 14 % d'aluminium, consti- tuent des matières précieuses pour la fabrication des aimants permanents, dont les caractéristiques magnétiques peuvent être améliorées par une addi- tion de cobalt, de cuivre et de titane, et une réduction simultanée de la te- neur en nickel et aluminium, Il est également connu de donner une orienta- tion magnétique préférentielle dans un certain sens ou dans un certain plan à des alliages de fer appropriés contenant une proportion de nickel inférieure à 20% et une proportion de cobalt supérieure à 12%, en refroidissant ces al- liages en partant de 1200 C dans un champ magnétique puissant et aussi homo- gène que possible,
les propriétés d'aimantation permanente des alliages subis- sant en même temps une augmentation importante. A tous ces alliages s'appli- que la règle universellement connue d'après laquelle les propriétés magnéti- ques sont altérées surtout par des teneurs en silicium, de même que par les teneurs en manganèse,. chrome, vanadium, antimoine, étain et soufre. Dans la préparation pratique de ces alliages,on attribue donc en général une impor- tance capitale à la réduction au minimum de la teneur en silicium pouvant résulter des matières de départ, de la ferraille utilisée, et de la combus- tion de la matière du creuset.
La présente invention a pour objet un mode d'application de cette constatation que, dans les alliages convenant à la fabrication des aimants permanents à base de fer, de nickel, d'aluminium, de cobalt et de cuivre - (titane), et à l'opposé de ce qu'on croyait jusqu'ici, une teneur en silicium spécialement choisie, et accordée exactement sur la teneur en cobalt, alumi- nium et titane, apporte une amélioration importante des propriétés magnéti- ques.
On envisage à cet effet des alliages à aimants permanents,, présen- tant des teneurs de 12 à 30% en cobalt, de 9 à 26% en nickel,et de 0 à 8% en
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cuivre, à cette condition, concernant les proportions de l'alliage, que la somme des teneurs en nickel plus 1/2 cobalt plus 1/2 cuivre doit être comprise entre 24 et 36%. Les teneurs en aluminium, titane et silicium sont déterminées, d'une part, par les limites de 5,5 à 10% pour l'aluminium, de 0 à 7% pour le titane ; et de 0,3 à 2,0% pour le silicium, d'autre part, par les règles d'après lesquelles les rapports en poids entre le silicium et l'aluminium doivent être compris entre 1: 20 et 1:4 entre le silicium et le titane au-dessus de l': 10 et entre le titane et l'aluminium au-dessous de 1 : 1.
Enfin les teneurs de ces alliages en aluminium, titane et silicium sont limitées en fonction des teneurs en cobalt,'nickel et cuivre par la relation : Aluminium plus 1,2 silicium plus 0,4 titane plus/moins max 1,2% =
0,31 (nickel plus 0,5 cobalt plus 0,5 cuivre).
Pour les symboles chimiques, il faut dans ce cas toujours utiliser les pourcentages en poids de ,ces constituants des alliages.
Les alliages de ce genre se distinguent par des valeurs particu- lièrement favorables de la rémanence Br et de la force coercitive Hc, pour des valeurs également élevées du produit maximum d'énergie BHmax, Ils conviennent donc parfaitement à la fabrication d'aimants permanents. Ce résultat est surprenant, parce que la force coercitive est précisément et fortement réduite par une addition de silicium au fer, aux alliages fer-aluminium, ou aux alliages fer-nickel-cobalt.
En partant de cet état de la technique antérieure, il n'était donc pas possible de prévoir l'amélioration suivant
EMI2.1
l'invention des propriétés magnétiques des alliages fer-cobalt-nickel-cuivre- aluminium-titane pour aimants permanents dans les proportions de composition précédemment décrites, d'autant moins qu'on ne pouvait également pas s'atten- dre à un effet de durcissement complémentaire par l'addition de silicium.
Si l'on établit une comparaison avec des alliages correspondants ne contenant. pas de silicium, la teneur en silicium se traduit surtout par une augmenta- tion de la rémanence et du maximum du produit d'énergie (BxH)max, tels qu' on ne peut les obtenir autrement que par une augmentation importante de la teneur en cobalt, C'est ainsi qu'une addition de 1% de silicium peut rempla- cer par exemple 5 à 10% de cobalt, ce qui réduit considérablement le prix de revient des alliages.
Dans certains cas, on peut constater une augmen- tation de la force coercitive en même temps que celle de la rémanenceo L'addition de silicium permet également d'économiser une quantité de titane de deux à trois fois supérieure, ce qui abaisse davantage le prix de revient La seule condition imposée au remplacement d'une partie des constituant coû- teux (cobalt et titane) est la stricte observation de la règle précédemment indiquée pour l'interdépendance des teneurs en aluminium, silicium, titane cobalt, nickel, et cuivre. On peut obtenir des résultats particulièrement favorables en réduisant la tolérance précitée de plus/moins 1,2%, par exemple à plus/moins 0,5% ou plus/moins 0,3%.
Pour l'obtention de forces coercitives aussi élevées que possible avec une teneur en cobalt relativement réduite, on utilise l'alliage de pré- férence avec une teneur en nickel, de 20% à 26%.
Voici à titre d'exemple deux alliages, fondus dans les mêmes con- ditions dans un four à haute fréquence, ayant subi le traitement thermique usuel, et analysés par le même procédé ;
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<tb> Alliage <SEP> 1 <SEP> Alliage <SEP> II
<tb>
EMI2.3
0 0,03% 0,03 %
EMI2.4
<tb> Ni <SEP> 18,3 <SEP> " <SEP> 18,6 <SEP> "
<tb>
<tb> Co <SEP> ¯ <SEP> 19,3 <SEP> " <SEP> 19,5 <SEP> "
<tb>
EMI2.5
Cu 4 p foi 4,1 If
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EMI3.1
Al 8el % 7,4 % Ti 4,1 Il 4,1 il Si . oeil5 Il os75 Ii
EMI3.2
<tb> Fe <SEP> reste <SEP> reste
<tb>
<tb>
<tb> Br <SEP> 6500 <SEP> 6500 <SEP> Gauss <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Hc <SEP> 810 <SEP> 835 <SEP> Oersted
<tb>
EMI3.3
BI\na.."1!:
1,9 10 2 3 . 10 Gauss x
EMI3.4
<tb> Oersted
<tb>
L'alliage II suivant l'invention présente donc par rapport à l'al- liage I, pratiquement sans silicium, une amélioration de la rémanence de 10% et même de 20% environ pour le maximum du produit d'énergie (BxH) qui dé- finit en premier lieu la qualité de l'aimant permanent. Les deux allia- ges ont été refroidis dans l'air comprimé en partant de 1200 C environ, et le revenu a été effectué ensuite pendant 1 heure et demie à 650 C, et pendant 3 heures à 540 C. Un revenu plus long exécuté pour l'alliage II, pour une rémanence de 6600 Gauss a même permis d'obtenir une force coercitive de 942 Oersted pour un maximum du produit d'énergie de 2,3 x 106 Gauss x Oersted, ce qui représente une amélioration de la force coercitive d'environ 16%.
La réduction de la teneur en cobalt et (ou) titane, rendue possi- ble par l'addition de silicium, ressort avec une netteté particulière du ta- bleau de comparaison ci-après de deux alliages pratiquement sans silicium, et de deux alliages suivant l'invention contenant du silicium.
ALLIAGES
EMI3.5
<tb> III <SEP> IV <SEP> V <SEP> VI
<tb>
EMI3.6
% 0903 % OeO3 % 0,04 % Ni 18 " 18,5 Ii 16,6 11 9,,3 Il Co 35 uv 26,5 tu 26,7 Il 21,7 il ou - - 2,4 il 3,3 tu Ai 6 Il bzz fi 6,0 fi 6,9 fi Ti 8 Il 6,8 " 5,6 " 4,3 ut
EMI3.7
<tb> Si <SEP> 0,2% <SEP> 0,2 <SEP> Il <SEP> 1,3 <SEP> Il <SEP> 1,0 <SEP> "
<tb>
<tb> Fe <SEP> reste <SEP> reste <SEP> reste <SEP> reste
<tb>
<tb> Br <SEP> 5800 <SEP> 5800 <SEP> 6900 <SEP> 6850
<tb>
<tb> Hc <SEP> 950 <SEP> 970 <SEP> 970 <SEP> 985
<tb>
EMI3.8
BH 1,5 1,8x10 2,.5.,10 2 , 5 5 o 106
EMI3.9
<tb> max
<tb>
Pour l'alliage III, ce tableau indique la composition et les pro- priétés magnétiques des alliages de ce genre usuels aux Etats-Unis d'Améri- que.
Far contre, l'alliage IV présente une composition usuelle en Allemag- ne, permettant d'obtenir des propriétés magnétiques à peu près correspondan- tes, Mais une augmentation de la teneur en silicium permet de réaliser une augmentation extrêmement importante de la rémanence et du produit BHmax'
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ainsi que l'indiquent les chiffres présentés par ce tableau pour les allia- ges V et VI, Pour l'alliage V, la teneur en titane et celle en aluminium ont été réduites dans la proportion de l'addition nominale de silicium,.
Pour l'alliage VI, et par rapport à l'alliage IV, une augmentation de la te- neur en silicium de 0,8% correspond à une réduction de la teneur en titane de 2,5% qui représente une proportion en poids trois fois supérieureo Il en résulte déjà une réduction du prix de --revient de l'alliageo Mais on peut simultanément réduire de 4,8 % la teneur en cobalt de l'alliage VI par rapport à celle de l'alliage IV, c'est-à-dire qu'on économise six fois là quantité de cobalt par l'addition de silicium, tandis que la faible augmenta= tion de la teneur en nickel et cuivre n'a qu'une influence négligeable sur le prix de revient. Ce résultat d'une économie importante de constituants d'alliage est réalisé par l'amélioration surprenante de la rémanence et du produit BHmax, telle que l'indiquent les chiffres du tableau ci-dessus.
On a obtenu des valeurs particulièrement favorables avec l'allia- ge ci-après:
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<tb> Alliage <SEP> VII <SEP> C <SEP> 0,02 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ni <SEP> 16,8 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> Co <SEP> 25,0 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> Cu <SEP> 2,4 <SEP> " <SEP> Br <SEP> = <SEP> 7250 <SEP> Gauss
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> Al <SEP> 6,4 <SEP> " <SEP> Hc <SEP> = <SEP> 1010 <SEP> Oersted <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ti <SEP> 5,6 <SEP> " <SEP> BHmax <SEP> = <SEP> 2,84.
<SEP> 106
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> Si <SEP> 0,65 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fe <SEP> reste
<tb>
Par rapport à l'alliage IV, la teneur additionnelle en silicium remplace dans ce cas une quantité 2,5 fois supérieure de titane et 4 fois ' supérieure de cobalt.
En ce qui concerne le produit BHmax de cet alliage VII, il y a lieu.de noter que cette valeur de l'alliage igotrope dépasse même d'environ 25% la limite supérieure de 2,2 à 2,3. 10 Gauss x Oersted, indiquée dans la littérature comme étant celle qu'on peut pratiquement attein- dre avec des alliages aluminium-nickel=-cobalt-cuivre-titane, sans que cette limite soit le maximum qu'on puisse réaliser avec une addition de silicium car, étant donné le grand nombre de variables, un simple essai peut conduire à un grand nombre de compositions d'alliages.
Grâce à la technique des alliages suivant l'invention, et grâce à la teneur réduite de l'ensemble des constituants, notamment du titane, il est possible d'agir favorablement sur les propriétés mécaniques des al- liages, et notamment sur les propriétés d'usinage. En l'espèce, on peut ainsi réduire la nature cassante de ces matières.
Bien entendu, pour agir favorablement sur les caractéristiques moins importantes de ces matières pour aimants permanents, il rentre dans le cadre de l'invention de prévoir en dehors des impuretés usuelles provenant des matières de départ utilisées des pré=alliages, et de la matière du creuset, certaines additions réduites d'un ou de plusieurs éléments tels que le carbone, le manganèse, le phospho- re, le soufre, le chrome, le vanadium, le tantale, le niobium, le zirconium, le cérium, le calcium, l'antimoine, le zinc ou l'étain. Mais la totalité de ces additions ne doit pas dépasser 2%.
Du reste, compte tenu de la pres- cription précitée pour le dosage de l'alliage, ces additions peuvent être négligées, parce qu'elles sont déjà comprises dans les indications de tolé- ranceo
L'influence favorable précitée d'une augmentation de la teneur
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EMI5.1
en silicium des alliages fer-nîckel-cobalt-ouivre-aluminium pour aimants permanents, avec ou sans teneur en titane, influence qui dépend également du dosage indiqué pour les alliages, est bien entendu très remarquable dans les aimants recevant par traitement thermique dans un champ magnétique une orientation magnétique préférentielle dans le sens du champ magnétique appliqué, ou dans un plan magnétique préférentiel correspondant.
La réduc- tion, notamment de la teneur nécessaire en titane, entraîne dans ce cas une élévation du point Curie des alliages, et par conséquent une sensibilité plus forte au champ magnétique appliqué.
C'est ainsi que pour l'alliage II suivant l'invention, après un refroidissement en partant de 1200 C dans un champ magnétique homogène de 2500 Oersted environ, et traitement de revenu consécutif à 650 et 540 C, on a mesuré les valeurs suivantes:
Br = 7800 Gauss ;
Hc = 960 Oersted
BHmax = 2,95 106 Gauss x Oersted tandis que, pour l'alliage I, on n'a pratiquement constaté aucune augmentation par le traitement dans le champ magnétique. les valeurs obtenues dans le sens préférentiel pour l'alliage II n'ont pu être obtenues jusqu'ici qu'avec des alliages pratiquement sans silicium, ayant une teneur en cobalt allant de 26 à 30%, ce qui fait particulièrement ressortir le progrès réalisé par l'inven- tion
Voici un autre exemple d'un alliage VIII sans titane suivant l'in- vention :
ALLIAGE VIII
EMI5.2
<tb> C <SEP> 0,02 <SEP> % <SEP> a)B <SEP> r <SEP> = <SEP> 6900 <SEP> Gauss <SEP>
<tb> Mn <SEP> 0,2 <SEP> " <SEP> Hc <SEP> = <SEP> 755 <SEP> Oersted <SEP>
<tb>
EMI5.3
Si 1,15" 91 BH = 2,05 10 6 Gauss x
EMI5.4
<tb> max <SEP> -Oersted
<tb>
<tb>
<tb> Ni <SEP> 22,9 <SEP> " <SEP> b)Br <SEP> = <SEP> 8300 <SEP> Gauss <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cpo <SEP> 14,5 <SEP> " <SEP> Hc <SEP> = <SEP> 760 <SEP> Oersted <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cu <SEP> 4,0 <SEP> " <SEP> BHmax <SEP> = <SEP> 2,820106 <SEP> Gauss <SEP> x
<tb>
<tb> max <SEP> Oersted
<tb>
<tb>
<tb> Al <SEP> 8,3 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fe <SEP> reste
<tb>
Les valeurs indiquées sous a) concernent dans ce cas l'alliage isotrope ayant subi un traitement thermique.
Les valeurs indiquées sous b) ont été mesurées après le traitement thermique dans le champ magnétique, et après le traitement de revenu dans le sens préférentiel. Il y a lieu d'insis= ter sur le fait que, jusqu'ici, on a jugé impossible d'obtenir des valeurs proportionnellement aussi élevées de la force coercitive pour des valeurs éga- lement aussi élevées de la résonance et du maximum de produit d'énergie BHmax, avec des alliages préparés de la manière usuelle, pratiquement sans sili- cium, sans titane, et présentant une teneur aussi faible en cobalt.
Le pro- cédé suivant 1'invention permet donc de réaliser une économie importante en métaux d'alliage coûteux, et de donner en même temps aux.alliages des proprié- tés magnétiques et mécaniques amélioréeso
On a trouvé qu'il est indiqué de maintenir les alliages suivant
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l'invention dans le champ magnétique de la manière usuelle au cours du refroi- dissement en partant de températures au-dessus du point Curie, jusqu'à des températures d'environ 180 C au-dessous de la température Curie, pour obtenir une orientation magnétique préférentielle aussi prononcée que possible.
De même, on a trouvé qu'il est avantageux de soumettre les aimants fabriqués avec l'alliage à un traitement de revenu au-dessous de 700 C en deux temps, (unique ou répété), et d'une durée de plusieurs heures, après le traitement dans le champ magnétique ou après le refroidissement en partant du recuit d'homogénéisation sans l'utilisation d'un champ magnétique.
Pour les exemples précités des alliages I à VIII, on a pratiquement appliqué un traitement de revenu d'une durée d'une à deux heures à 650 C, en faisant suivre un autre traitement de revenu d'une durée de trois à huit heures à 540 C répondant' ',,, à la constatation que, même pour les alliages à aimants permanents prati- quement sans silicium rentrant dans la gamme des compositions précédemment indiquées, un deuxième traitement de revenu à une température au-dessous de 560 C exerce une action favorable sur les propriétés magnétiques.
Bien en- tendu, il est possible de procéder au deuxième traitement de revenu immé- diatement après le premier, ou d'obtenir le même effet technique par un re- froidissement convenablement lent des aimants dans le four et dans une gamme de températures allant de 560 à 480 C, après la mise en oeuvre du premier traitement de revenu.
Les résultats chiffrés indiqués ci-avant ont été mesurés sur des aimants à surface oxydée, c'est-à-dire non repolis après le traitement ther- mique, et présentant par conséquent en général une couche superficielle austé- nitique qui diminue, comme on le sait, les propriétés des aimants permanents.
Pour les comparaisons avec des échantillons polis sur toutes les faces, il est donc nécessaire de majorer d'environ 10% les résultats chiffrés indiqués.
Il existe bien des alliages à base de fer-nickel -aluminium-cobalt (cuivre) - titane présentant parfois des valeurs plus élevées pour l'indice BHmax. Par rapport à ces alliages, les alliages à teneur en silicium à uti- liser suivant l'invention se distinguent par le fait qu'ils possèdent une sta- bilité très supérieure dans des champs extérieurs, pour des valeurs de BHmax égales ou inférieures, stabilité qui se traduit par une force coercitive beaucoup plus élevée. Ils se distinguent également par cet autre fait que les valeurs élevées nécessaires de la force coercitive sont obtenues par des. teneurs en nickel, cobalt, cuivre ou titane, inférieures à celles d'alliages pratiquement sans silicium. Ils sont donc particulièrement économiques et parfaits pour des applications exigeant une précision élevée et permanente.
D'autre part, et grâce à leur grande force coercitive, ils constituent par exemple une matière idéale pour la fabrication d'aimants matricés à l'aide d'une matière mécaniquement divisée avec addition d'agglomérants.
La préparation des alliages décrits peut avoir lieu non seulement par voie de fusion, mais également par le procédé de frittage pour lequel la teneur prévue en silicium exerce également une action avantageuse. Dans ce cas, la teneur en silicium peut être introduite dans le mélange de poudrer à fritter, de préférence par l'intermédiaire du pré-alliage usuel à haute teneur en aluminium. On peut également remplacer la poudre en fer pur relativement coûteuse, par exemple en fer au carbonyle, de préférence en par- tie par un autre préalliage de fer avec des teneurs de 4 à 30% (aluminium plus silicium) par exemple avec 6% d'alûminium et 10% de silicium, qui se prête à la pulvérisation avec une extrême facilité.
Il est également avantageux d'utiliser comme constituant quanti- tatif, dans la fabrication d'aimants frittés de haute qualité, une certaine proportion de matière coulée pour aimants permanents en alliage au silicium suivant l'invention, matière qui se distingue par une finesse particulière des grains suivant la teneur en constituants d'alliage.
On a également trouvé qu'on réalise un avantage de mise en oeuvre non négligeable en ce sens que la préparation des alliages suivant l'inven- tion n'exige plus un ferro-titane largement débarrassé du silicium, et qu'on
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peut au contraire utiliser par exemple un ferro-titane contenant 35 à 45% de titane, 5 à 10 % due silicium, et 6 à 10% d'aluminium.
Une autre particularité extrêmement importante c'est que les al- liages suivant l'invention, même ceux à haute -teneur en titane, peuvent être fondus dans des fours à revêtement acide, et plus particulièrement dans des fours à haute fréquence, On sait que le revêtement acide du creuset est beau- coup moins sensible que le revêtement basique ayant fortement tendance à la fissuration et-pouvant facilement donner lieu à des fuites et à des destruc- tions d'enroulements ou même du four. La combustion du silicium.inévitable avec un revêtement acide, ne peut agir que favorablement sur les alliages suivant 1-'invention, et on en tient compte dès le début au moment du dosage de la composition de l'alliage.
Il en résulte à la fois des avantages de mise en oeuvre, des dépenses de fusion plus faibles., un plus grand nombre d'opérations du four, et une plus grande sûreté de fonctionnement-.