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PROCEDES DE PRODUCTION DE MATIERES ET D ARTICLES MAGNETIQUES A PERMEABILITE
ELEVEE
La présente invention est relative à des procédés de production de matières à perméabilité extraordinairement élevées, à faible force coerci- tive et à faible perte par hystérésiso
Bien que dans les dernières années, on se soit sans cesse effor- cé de produire des matières magnétiques douces à perméabilité de plus en plus élevée, la perméabilité initiale la plus élevée mentionnée dans la lit- térature, pour toute matière antérieure à la présente invention et pour au- tant que la demanderesse en ait connaissance,, avait une valeur comprise entre 40.000 et un peu plus de 5000000 Suivant la présente invention,
on a produit - des matières magnétiques qui ont, à 20 gauss, des perméabilités allant jusqu'à 1850000, pour lesquelles les valeurs de perméabilité initiale obtenues par extrapolation, ont été indiqués comme étant de l'ordre de 170.000. Lorsque le procédé faisant l'objet de la présente invention a été appliquée de manière à faire apparaître la perméabilité maximum la plus élevée au lieu de la per- méabilité initiale la plus élevée, on a produit des perméabilités maximum al- lant jusqu'à 1.500.000.Ainsi, par un traitement approprié, on a produit des forces coercitives faibles de l'ordre de 0,0015 oerstedo Il est évident que ces valeurs spectaculaires marquent un progrès d'une importance considérable dans cette technique.
Ces résultats remarquables ont été obtenus avec certains alliages nickel-fer-molybdène. Le processus par lequel ces propriétés ont été communi- quées à ces alliages comprend une purification à température élevée de l'al- liage solide dans de l'hydrogène, suivie d'un traitement thermique à une tem- pérature plus basse, afin de développer les propriétés magnétiques optima.
Toutefois, les propriétés magnétiques remarquables mentionnées ci-dessus ne peuvent être obtenues par ce traitement que lorsqu'il est fait usage d'allia- ges nickel-fer-molybdène qu'on a préparé en fondant les ingrédients initiaux de l'alliage par une technique dans laquelle sont maintenues certaines con- ditions qu'on ne considérait antérieurement pas comme importantes au point de
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vue des propriétés magnétiques.
C'est sur la découverte que ces propriétés magnétiques remarquables peuvent être développées dans des alliages nickel- fer-molybdène, par la combinaison de ces stades de traitement de fusion et de chauffage, qu'est basée la présente inventiono
La préparation et les propriétés du "permalloy" de molybdène or- dinaire, qui constitue un alliage nickel-fer-molybdène ayant la perméabilité initiale la plus élevée connue à ce moment là,sont décrites dans le brevet belge n 337.360 du 16 octobre 1926o Bien que la composition de ce permalloy de molybdène soit nominalement du même ordre que celle des alliages auxquels se rapporte la présente invention, la perméabilité initiale la plus élevée, mentionnée dans le brevet belge susmentionné est d'environ 21.000.
La perméa- bilité maximum la plus élevée mentionnée dans ce brevet belge, est d'environ 750000, et la force coercitive la plus faible d'environ 0,04 oersted.
La purification de matières magnétiques douces par traitement thermique dans de l'hydrogène à des températures voisines de leurs points de fusion dans le but d'améliorer leur perméabilité, a été décrite dans le bre- vet U.S.A. n 201100569 accordé le 8 mars 1938 à Paul Po Cioffio Le brevet Cioffi rapporte qu'on a atteint, lorsqu'on applique ce traitement thermique avec de l'hydrogène au permalloy de molybdène du brevet belge précité, une perméabilité initiale de 320500 et une perméabilité maximum de 13400000
Conformément à la pratique commerciale usuelle de la fabrication en grandes quantités d'alliages ferreux magnétiques doux, les ingrédients de l'alliage sont d'abord fondus ensemble, par exemple dans un four à arc, sous une scorie oxydante,
telle qu'une scorie calcique à forte teneur en oxyde de fer, comme composant d'oxydationo Pendant ce stade initial, le carbone et d'autres impuretés sont oxydés par l'oxyde de fer et éliminés du baino En- suite, la scorie oxydante est éliminée de la masse en fusion, et de la chaux, du sapth fluor et de la poussière de coke sont ajoutés pour former une sco- rie au carbure réductrice, en vue, en premier lieu, de neutraliser le bain qui est saturé d'oxydes, et, en second lieu, d'éliminer le soufreo Puisque la réaction neutralisante est gouvernée par la loi de l'action des masses et se produit à la limite interfaciale de la scorie et du métal, il est pratique- ment impossible que la réaction s'achèveo Par conséquent, des additions de calcium, de silicium, d'aluminium et de magnésium,
seuls ou en combinaison sont nécessaires pour achever la désoxydation du baino
Dans une opération de ce type, l'emploi d'un fort désoxydant du type précité est considéré comme essentiel puisque, à moins qu'il ne soit ajouté un désoxydant à affinité pour l'oxygène suffisante, des gaz dissous, habituellement constitués principalement d'oxyde de carbone provenant de l'oxydation du carbone dans le bain se dégagent pendant la solidification de l'alliage fondu, en donnant lieu à la production d'un lingot défectueux im- propre à être travaillé à moins que la solidification soit exécutée à une allure contrôlée et d'une lenteur pratiquement impossible à obtenir.
Pour cette raison, il est d'usage d'ajouter de tels désoxydants pendant le der- nier stade de toute opération de fusion, dans laquelle le bain a été soumis à des conditions oxydantes, quel que soit le type de four employé et qu'une couche de scorie ait été utilisée ou non pour le baino Les désoxydants métal- liques, qui sont habituellement ajoutés dans une proportion d'une fraction de pourcent du poids du bain, sont sensiblement complètement consommés par oxydation.
Lorsque des alliages nickel-fer-molybdène sont fondus et coulés dans ces conditions habituelles, le traitement thermique subséquent de l'al- liage solide dans l'hydrogène pendant plusieurs heures à des températures voisines du point de fusion, ne donne pas des produits capables de dévelop- per les perméabilités élevées et la faible force coercitive obtenues par le procédé faisant l'objet de la présente inventiono La demanderesse a constaté que le fait que les alliages produits par ces procédés classiques ne présen- taient pas les perméabilités élevées qui sont communiquées par le procédé
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suivant la présente invention, peut, dans une large mesure, être expliqué sur la base de la théorie d'après laquelle les désoxydants commerciaux standards ajoutés au bain, avant qu'elle soit coulée,
réagissent avec l'oxygène qui est dissous ou combiné dans le bain et forment des particules submicroscopiques d'oxydes extrêmement stables, dispersées dans le baino Ces particules ne se séparent pas sous forme de scories et restent dès lors dispersées dans le lin- got après sa solidificationo Ces particules d'oxydes dispersées dans l'allia- ge ne sont pas réduites par le traitement thermique subséquent à l'hydrogène et restent dès lors dans le métal où elles produisent une sollicitation dans le réseau cristallin, qui empêche l'alliage de présenter la perméabilité éle- vée qu'il pourrait présenter en l'absence de cette sollicitation.. En outre, l'emploi de forts désoxydants dans le bain primitif,
rend plus critique et plus variable le traitement thermique final appliqué à l'alliage magnétique en vue de développer les valeurs magnétiques optima, en sorte qu'il est plus difficile d'atteindre mêmes les valeurs optima les plus basses de perméabili- té, qu'il est théoriquement possible d'obtenir dans ces alliages désoxydéso
Suivant la présente invention, l'aptitude des alliages nickel- fer-molybdène a développé les perméabilités.élevées dont il est question ci- dessus, lorsqu'ils sont soumis au traitement thermique requis à basse tempé- rature, est communiquée par le traitement thermique dans l'hydrogène et à température élevée, d'alliages qui ont été produits par un processus de fu- sion,
dans lequel le bain est maintenu exempt de forts désoxydants chaque fois que des conditions d'oxydation existent dans le baino On peut exécuter ce contrôle de l'opération de fusion soit en protégeant le bain contre l'oxy- dation, soit en le maintenant pratiquement exempt de désoxydants forts ou par une combinaison des deux procédéso
On a constaté que ces forts désoxydants dont il ne doit pas exis- ter de quantité importante dans le bain, tant que règnent des conditions d'oxydation, sont les éléments qui ont une plus grande affinité pour l'oxy- gène que n'en a le manganèse, et qui forment des oxydes stables aux tempéra- tures du baino Le manganèse, substance qui a une action désoxydante qui est moins efficace que celle des désoxydants forts conventionnels,
n'exerce pas d'action nuisible sur les propriétés magnétiques des alliages produits à par- tir des masses fondues auxquelles il est ajoutée En fait, environ 0,5 pour- èent de manganèse résiduel qui reste dans le bain améliore la perméabilité initiale du produit final d'approximativement 50 pourcento On peut encore améliorer ce résultant en augmentant la teneur en manganèseo
Parmi les éléments ayant une affinité plus forte pour l'oxygène que n'en a le manganèse, les éléments métalliques sont ceux qui sont plus électropositifs que le manganèse dans la série électromotrice des éléments.
On définira mieux le groupe entier des éléments qui ne devraient pas être présents en quantité importante dans le bain lorsque règnent des conditions d'oxydation, si l'on dit qu'il est constitué des éléments capables de former des oxydes stables aux températures du bain, et capables de former des oxydes ayant une chaleur de formation par atome-gramme d'oxygène plus élevée que celle de l'oxyde de manganèse le plus stable (MnO) ou, en d'autres termes, une chaleur de formation supérieure à 90 kilogrammes-calories par atome-gram- me d'oxygène entrant dans l'oxydeo Par oxydes stables à la température du bain, on entend les oxydes qui existent à cette température, à un état autre que l'état gazeuxo
Comme indiqué ci-dessus, les éléments de ce groupe qui sont com- munément utilisés comme désoxydants sont le calcium,
le silicium, le magnésium et l'aluminium. Les éléments pour lesquels les chaleurs de formation d'oxyde sont les plus élevées, par exemple, le calcium, le magnésium et l'aluminium, lorsqu'ils sont employés comme désoxydants, ont un effet plus nuisible sur les propriétés magnétiques, qu'une quantité égale de silicium pour lequel la chaleur de formation d'oxyde est moindre et plus voisine de celle du manganè- seo Il est souhaitable que le bain soit aussi exempt que possible de ces sub- stances lorsque règnent des conditions d'oxydation.
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On notera que toute action nuisible de particules d'oxydes ré- fractaires dans l'alliage magnétique, est limitée aux particules formées in situ par l'addition de désoxydants métalliques a un bain contenant de l'oxygène, puisqu'on a constaté qu'il est possible d'obtenir les valeurs magnétiques élevées de la présente invention, même dans des alliages dans lesquels ces poudres d'oxyde à haute stabilité ont été mêlées à la masse en fusion préalablement à sa solidification. Il est possible d'expliquer cette distinction par le fait que la sollicitation introduite par les par- ticules d'oxyde augmentent considérablement lorsque la dimension des parti- cules diminue et le degré de dispersion augmente.
Les particules d'oxyde, qui sont formées par oxydation d'éléments dissous dans le bain, seront plus petites et mieux dispersées que les particules d'oxyde ajoutées au bain.
En fait, l'examen microscopique optique de l'alliage ne révèle pas la pré- sence de particules dans le premier cas, tandis que des particules peuvent être décelées de cette manière dans le dernier cas.
Il est évident que, si les forts désoxydants dont il est ques- tion ci-dessus, sont exclus du bain, les fonctions des désoxydants telles qu'elles sont spécifiées ci-dessus sont également éliminées. C'est pour- quoi, si on doit former au moyen du bain des lingots en bon état et propres à être travaillés, il faut soit éviter la formation excessive de gaz dans le bain, soit éliminer tout gaz déjà absorbé par le bain préalablement à la coulée et à la solidification. Dans la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention, ceci a été accompli par des additions de manganèse.
Si la fusion est pratiquée dans un four, tel qu'un four à induc- tion dans lequel la surface du bain est petite comparativement à son volume, et si le temps pendant lequel le bain est exposé à l'air n'est pas indûment prolongé, il est possible d'obtenir un bain, sans avoir recours à un revête- ment de scories, qui se solidifiera sans dégagement excessif de gaz, en se basant uniquement sur l'action désoxydante modérée du manganèse ajouté pen- dant l'opération de fusion, en quantité d'au moins environ 0,3 pourcent en poids du bain et allant jusqu'à 1 pourcent ou même 2 pourcents et plus.
La coulée et la solidification peuvent se faire à l'airo
Un procédé qui peut être utilisé, quelle que soit la surface du bain, et qui peut, dès lors, être adopté à la production en grande quantité dans un four tel qu'un four à arc, consiste à maintenir le bain pendant tou- te l'opération de fusion en-dessous d'une scorie non oxydante, c'est-à-dire une scorie neutre ou réductrice, et à ajouter du manganèse dans les propor- tions mentionnées ci-dessus à un certain moment, avant la coulée.
Une teneur importante en carbone dans'le bain, par exemple allant jusqu'à 0,25 pourcent en poids ou même jusqu'à 0,5 pourcent dans certains cas, existant fortuite- ment dans les ingrédients ou additionnée intentionnellement, ne constitue pas un inconvénient, et peut contribuer à empêcher l'oxydationo La présence de carbone dans l'alliage ne constitue pas un inconvénient puisque celui-ci est éliminé au cours du traitement thermique subséquent dans l'hydrogène. La coulée et la solidification peuvent se faire à l'airo
On peut également éviter la nécessité de recourir à de forts dés- oxydants nuisibles en procédant à la fusion et à la coulée sous un vide suf- fisamment poussé pour empêcher l'absorption de gaz de l'atmosphère.
Bien qu'il ne soit pas nécessaire de recourir à des désoxydants si la fusion se fait sous vide, il est néanmoins souhaitable d'ajouter du manganèse au bain dans les quantités mentionnées ci-dessus, puisque sa présence tend à accroître la perméabilité du produit final et à empêcher celui-ci d'être cassant à chaud et à froid.
En outre, puisque la fusion sous vide élimine tout l'oxygène qui existerait fortuitement dans la masse, et maintient, dès lors, le bain dans des conditions de non-oxydation, il est possible d'ajouter les forts désoxy- dants mentionnés ci-dessus au bain, après que les conditions de non-oxydation ont été établies, sans que ceci ait le même effet sur les propriétés magnéti- ques que lorsque ces substances ont été ajoutées lorsqu'existaient des condi- tions d'oxydationo Il est néanmoins préférable d'éviter l'addition de telles
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substances, puisqu'elles rendent le traitement thermique subséquent plus cri- tique et plus difficile, comme il apparaîtra à ci-après,
Lorsqu'une partie ou la totalité de l'opération de fusion est pra- tiquée sous vide, comme, par exemple,
dans un four à induction à haute fré- quence et à atmosphère contrôlée, la pression absolue de l'air peut être main- tenue à une valeur désirée quelconque, par exemple en dessous de 30 ou 20 emo de mercure.Une pression d'environ 5 cm.de mercure est une pression d'air convenable qui doit être maintenue en l'absence de manganèseo Après la fusion, la coulée et la solidification peuvent être pratiquées sous vide ou dans une atmosphère d'un gaz inerte insoluble dans le bain, tel que l'hélium, ou peu- vent être pratiquées dans l'air si la masse fondue est pratiquement exempte des désoxydants forts mentionnés ci-dessuso
Etant donné le volume considérable des ingrédients solides ini- tiaux, une fraction seulement de la capacité d'un four à vide peut être utili- sée,
si la charge solide est placée dans le four et si ce dernier est fermé et mis sous vide préalablement à la fusiono C'est pourquoi,.lorsqu'il est fait usage d'un four à vide il est plus souhaitable de laisser fondre au moins une partie de la charge solide alors que le four est ouvert à l'air, de ma- nière que, lorsque le volume de la charge est réduit par la fusion, une char- ge supplémentaire puisse être ajoutée jusqu'à ce que la capacité du four'soit atteinte.Le four peut alors être fermé et le vide être faiteLa coulée et la solidification peuvent être pratiquées sous vide dans un gaz inerte ou à l'airo Dans ce procédé, le manganèse, contenu dans la charge initiale ou ajouté préa- lablement à la coulée, s'est révélé un désoxydant efficace.
Au lieu de maintenir le vide au-dessus du bain pendant toute l'o- pération de fusion ou pendant la dernière partie de celle-ci, on peut substi- tuer au vide une atmosphère d'un gaz inerte insoluble dans le bain, tel que l'hélium. L'addition de manganèse est souhaitable mais non pas nécessaire, comme indiqué ci-dessus. D'autres conditions de fusion peuvent évidemment ê- tre employées à condition que le bain ne soit pas exposé simultanément à un fort désoxydant et à des conditions d'oxydation et à condition que le bain soit suffisamment exempt de gaz, lorsqu'il est prêt à la coulée. Ainsi, la fusion peut être pratiquée dans une atmosphère d'hydrogène ou d'un autre gaz non oxydant et ensuite, si cela est nécessaire, sous vide ou dans une at- mosphère d'hélium pour dégazer la masse.
Il est même possible bien qu'impra- ticable au point de vue commerciale de mettre l'invention en pratique en cou- lant une masse fondue ayant une teneur en gaz importante, et en la laissant se solidifer à une allure assez lente pour que le gaz se dégage suffisamment lentement pour ne pas produire un lingot inutilisable.
On peut communiquer les propriétés magnétiques remarquables men- tionnées ci-dessus à l'alliage produit par fusion dans les conditions expo- sées ci-dessus, en soumettant celui-ci à un traitement thermique de purifi- cation dans l'hydrogène à des températures élevées, suivi d'un traitement thermique contrôlé à basse température. Puisque le corps magnétique à pro- duire doit être exempt de sollicitation mécanique, afin de posséder les pro- priétés magnétiques désirées, la conformation mécanique se rattachant à la fabrication du corps devra être exécutée avant le traitement thermique.
Dans les dessins ciannexées - la Figure 1 est un graphique montrant la variation de la per- méabilité initiale en fonction de la variation de la vitesse de refroidisse- ment dans le traitement thermique final à basse température, pour des allia- ges formés à partir de bains préparés avec et sans fort désoxydant; - La Figure 2 est une vue en perspective d'un noyau annulaire formé d'un ruban enroulé d'un alliage produit par le procédé qui fait l'ob- jet de la présente invention;
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- La Figure 3 est un graphique montrant la variation de la perméabilité à une faible densité de flux, suivant le temps auquel l'alliage, dans l'opération de traitement thermique final, est maintenu aux diverses températures montrées;
et - la figure 4 est un graphique montrant la variation de la perméabilité à une faible densité de flux, la perméabilité maximum et la force coercitive suivant la vitesse du refroidissement de l'alliage dans le traitement thermique finale
L'effet frappant de l'addition de 0,3 pourcent de calcium-sili- cium, désoxydant commercial standard, à un bain formé d'un alliage fer-niekel-molybdène est illustré par les courbes A et B de la figure 1, où la perméabilité à B = 20 gauss est portée en ordonnée, et la vitesse du refroidissement en C/H en absisseo La courbe A montre la variation de la perméabilité initiale suivant la vitesse du refroidissement final pour un alliage produit par le procédé faisant l'objet de la présente invention,
dans lequel le bain était exposé à des conditions d'oxydation et dans lequel il n'était pas ajouté de forts désoxydantso On peut voir qu'à la vitesse de refroidissement optimum, une perméabilité de 1500000 est atteinteo La courbe B montre la variation de la perméabilité initiale suivant la vitesse du refroidissement final pour un alliage¯produit de la même manière, si ce n'est que 0,3 pourcent de calcium-silicium était ajouté au bain comme désoxydanto On peut voir que la perméabilité la plus élevée obtenue à la vitesse de refroidissement optimum est seulement de 50.000.
Le noyau constitué par un ruban enroulé en spirale et montré à la figure 2, illustre un corps magnétique formé d'un alliage produit par le procédé suivant la présente invention. On peut former ce noyau en laminant les lingots d'alliage, avec recuits intermédiaires, de manière à en faire des rubans ayant une épaisseur comprise, par exemple, entre environ 0,025 mm.
et 0,355 mmo On peut alors si on le désire, revêtir les rubans au moyen d'une matière réfractaire isolante, qui est capable de résister au traitement thermique subséquent à température élevée, dans l'hydrogèneoOn a constaté qu'une fine couche d'oxyde de magnésium finement divisée convenait à cet effeto On a essayé de nombreuses autres substances isolantes, telles que la silice, l'alumine, l'oxyde de béryllium et la zircone, et on a constaté que ces substances ont une action nuisible sur les propriétés magnétiques des corps formés de minces rubans de l'alliage, cet effet nuisible étant, ainsi qu'on le suppose, dû à quelque interaction avec l'alliage pendant le traitement thermique à l'hydrogène ou à la sollicitation physique due à des différences entre les coefficients de dilatation thermique.
Il apparaît que l'isolement à l'oxyde de magnésium n'exerce pas d'action sur la perméabilité initiale du rubanoCelui-ci est un matériau qui convient parfaitement pour l'isolement, particulièrement pour des noyaux destinés à fonctionner à de faibles densités de flux!) et convient le mieux parmi tous les matériaux du groupe soumis à l'essai.
La matière isolante peut être appliquée d'une manière appropriée quelconque; notamment en faisant passer le ruban à travers une suspension de la matière sous forme finement divisée, dans un liquide volatil inerte, tel que du tétrachlorure de carbone et, en laissant ensuite le liquide s'évaporero Une suspension appropriée peut être composée d'environ une livre anglaise d'oxyde de magnésium finement divisé, dispersé dans chaque gallon de tétrachlorure de carbone dans lequel sont dissous environ 45 gr. d'"Aérosol O.T" (di-octyl sulfosuccinate de sodium) comme agent de dispersion et d'humidification.
Les rubans isolés sont ensuite enroulés en spirale sur des mandrins pour former les noyaux, comme montré à la figure 20 Sur cette figure, le noyau 2 a la ferme d'une bague annulaire formée des enroulements en spirale du ruban 1. Lorsqu'ils ont reçu leur forme finale, on soumet les corps magnétiques à un traitement thermique à température élevée, dans de l'hy-
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drogène pratiquement pur, afin de purifier la matière magnétique et de re- lâcher la sollicitation interneo Si on le désire, on peut préparer de l'hy- drogène électrolytique commercial pour cet usage, en faisant passer de l'hy drogène sur un catalyseur au palladium, pour convertir en eau tout oxygène existant, et en le faisant ensuite passer dans une chambre de séchage conte- nant de l'alumine activée.
L'hydrogène traité de cette manière a un point de rosée d'environ -40 C. ou plus bas et convient très bien pour être utili- sé dans le procédé suivant la présente inventiono L'atmosphère d'hydrogène est maintenue dans le four de traitement thermique par un passage continu d'hydrogène à travers le four, l'atmosphère d'hydrogène dans le four étant maintenue de préférence à la pression atmosphériqueo
On obtiendra les résultats satisfaisants attendus, si le traite- ment à température élevée est pratiqué dans une atmosphère d'hydrogène pré- paré par la méthode ci-dessus.
Il est toutefois évident que l'hydrogène peut être préparé par tout autre procédé souhaité qui lui confère la pureté re- quiseo La pression de l'hydrogène dans le four de traitement thermique n'est pas nécessairement limitée à la pression atmosphérique, bien que celle-ci convienne si on se sert des fours ordinaireso On réalisera la plus grande amélioration des propriétés de l'alliage dans le temps le plus court, en maintenant la température aussi près que possible du point de fusion de l'al- liage, sans endommager la structure du corps magnétiqueo On a constaté qu'une température d'environ 1300 C était souhaitable, mais en raison des limita- tions des fours commerciaux de traitement thermique, une température de 1150 C à 1200 C. est plus pratique.
Des températures notablement en dessous d'envi- ron 1100 C ne confèrent pas les propriétés désirées dans un temps raisonna- ble.
Le temps requis pour accomplir la purification nécessaire pour obtenir des résultats satisfaisants dépendra naturellement de la pureté ini- tiale de l'alliage, de l'épaisseur de la matière et de la pureté de l'atmos- phère d'hydrogène maintenue dans le four, ainsi que de la température du traitement thermique, Des dispositions doivent être prises pour assurer un flux adéquat d'hydrogène, à travers l'intérieur de la chambre de traitement thermique du four, et des précautions convenables sont nécessaires pour évi- ter la contamination de l'atmosphère d'hydrogène par des gaz se dégageant du garnissage du four.
Dans ces conditions et avec un flux d'hydrogène d'en- viron 72,8 kilolitres par heure par mètre cube d'espace dans la chambre de traitement thermique, les résultats satisfaisants attendus ont été obtenus, le temps du traitement thermique dépendant de l'épaisseur et de la tempéra- tureo On a constaté qu'à 1300 C deux heures environ étaient suffisantes pour une matière d'une épaisseur de 0,025 mm.
et vingt heures environ pour une matière d'une épaisseur de 0,355 mmo Des temps plus longs sont nécessaires à des températures plus basseso L'alliage qui a été produit par ce traite- ment thermique à l'hydrogène est capable de développer les propriétés magné- tiques remarquables dont il est question ci-dessus, après avoir été soumis à un traitement thermique dans lequel la relation température-temps entre 600 C et 300 C est contrôlée.
L'application d'un tel traitement thermique final est nécessai- re pour tirer profit de l'aptitude des alliages, produits de la manière dé- crite, à développer les propriétés magnétiques remarquables de la présente inventiono Chacune des propriétés magnétiques désirées se comporte comme si elle dépendait d'un degré critique d'ordonnance dans l'alliageo Il apparaît qu'il existe une transformation ordre-désordre, dans l'alliage, au voisina- ge de 600 C., l'alliage se trouvant dans un état fortement désordonné au- dessus de cette température et dans un état progressivement plus ordonné lors- que la température est réduite en dessous de cette valeur, pourvu que l'alli- age soit maintenu à chaque température particulière pendant un temps suffi- sant pour qu'il puisse se produire le maximum de mise en ordre possible.
Dans un tel état de chose, il existe théoriquement en dessous de 600 Co une température à laquelle le.degré d'équilibre d'ordre est le même que le degré critique d'ordre associé à la valeur optimum de la propriété
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magnétique désiréeo Au-dessus de cette température d'ordre critique, le de- gré d'équilibre d'ordre est inférieur à la valeur requise, de sorte que, dans un alliage possédant un ordre moindre que le degré requis d'ordre, la valeur optimum de la propriété magnétique désirée ne peut être obtenue par le main- tien de l'alliage au-dessus de la température d'ordre critique, quel que soit le temps pendant lequel l'alliage reste à cette températureo
En-dessous de la température d'ordre critique,
le degré d'équili- bre d'ordre est supérieur à la valeur optimumPuisqu'à toute température particulière, le degré d'ordre augmente avec le temps jusqu'à la valeur d'é- quilibre, il est possible, dans un alliage possédant un degré d'ordre infé- rieur au degré d'ordre requis, d'obtenir le degré critique d'ordonnance, en maintenant l'alliage à une température ou en dessous de la température d'or- dre critique, exactement pendant le temps nécessaire pour que le degré re- quis d'ordre soit obtenu, et en faisant ensuite rapidement refroidir l'allia- ge pour empêcher que l'ordonnance se poursuive
Si le degré d'ordre dans l'alliage est plus grand qu'on ne le' désire,
on peut le diminuer en chauffant l'alliage à une température à la- quelle le degré d'équilibre d'ordre est égal ou inférieur au degré désiré d'ordre (c'est-à-dire en le chauffant à la température d'ordre critique ou à une température plus élevée). La rapidité à laquelle l'ordre (ou le désordre) se produit (jusqu'à la valeur d'équilibre) est plus grande aux températures élevées et diminue progressivement lorsque la température baisse.
A environ 300 C. ou moins la rapidité à laquelle l'ordre se fait est si faible, qu'elle ne présente que peu ou pas d'intérêt pratiqueo
Le fait que l'explication théorique ci-dessus du comportement de l'alliage lors du traitement thermique final concorde étroitement avec le com- portement observé de l'alliage est mis en évidence par les courbes montrées à la figure 3 qui seront décrites plus loin en détailo Les considérations théoriques ci-dessus suggèrent que le traitement à la chaleur final soit exé- cuté selon l'un des procédés suivants:
(1) On refroidit rapidement l'alliage de 600 C. ou davantage jusqu'à la tem- pérature d'ordre critique ou plus bas; on maintient l'alliage à cette tempé- rature pendant le temps nécessaire pour conférer les propriétés optima, et on refroidit ensuite rapidement l'alliage à une température à laquelle la rapidité de l'ordonnance est insignifiante, telle par exemple que sous 300 Co Puisqu'au-dessus d'environ 600 C existe pratiquement le désordre complet, il est indifférent que ce traitement thermique final soit appliqué directement à l'alliage lorsqu'il se refroidit à la suite du traitement thermique à l'hy- drogène ou que l'alliage soit refroidi , par exemple à la température ambian- te, entre les deux traitements thermiques, puis rechauffé à 600 C ou plus.
Si on laisse refroidir l'alliage, par exemple à la température ambiante, la rapidité du refroidissement et du chauffage subséquent, est sans importance.
(2) Quel qu'ait été le traitement thermique antérieur de l'alliage, on main- tiendra ce dernier à une température pratiquement égale à la température d'ordre critique, pendant un temps suffisant pour arriver au degré¯critique d'ordre et on refroidira ensuite rapidement l'alliage jusqu'à une tempéra- ture inférieure à 300 C environ pour empêcher que l'ordonnance se poursuiveo Ainsi, on peut refroidir l'alliage à une vitesse de refroidissement quelcon- que de 600 C ou plus, jusqu'à la température d'ordre critique et ensuite le maintenir à cette température jusqu'à ce que l'ordonnance désirée se soit produite.
D'un autre côté, il peut être nécessaire pour des raisons techni- ques de fabrication, de refroidir l'alliage jusqu'à la température ambiante ou à toute autre température inférieure à la température d'ordre critique avant le traitement thermique final à la température d'ordre critiquée S'il en est ainsi, il est indifférent que ce refroidissement se fasse si rapide- ment que, le degré d'ordre soit encore en dessous de la valeur désirée ou si lentement que le degré d'ordre soit au-dessus de la valeur désirée.
Dans l'un et l'autre cas, en chauffant l'alliage à nouveau à la température d'or-
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dre critique, on augmentera ou diminuera le degré d'ordre à la valeur dési- rée, si nécessaireo (3) On refroidira l'alliage de 600 C environ ou davantage jusqu'à une tempé- rature inférieure à 300 C environ, suffisamment rapidement pour assurer que le degré d'ordre soit inférieur à la valeur critique; on le réchauffera ra- pidement à une température entre environ 350 C et la température d'ordre cri- tique; on maintiendra l'alliage à cette température pendant un temps suffi- sant pour amener le degré critique d'ordre et on le refroidira ensuite ra- pidement jusqu'à une température inférieure à 300 C environ.
(4) On refroidira l'alliage à une vitesse pratiquement uniforme d'environ 600 C à environ 300 C ou plus bas,la vitesse étant celle qui convient pour produire les propriétés magnétiques désirées, comme expliqué plus en détail en référence à la figure 4.
(5) Comme indiqué ci-dessus, la vitesse de transition dans les,propriétés magnétiques, est une fonction de la températureo C'est pourquoi, on peut évi- demment établir, de façon générale, que tout processus de refroidissement entre environ 600 C et environ 300 C dans lequel l'intégrale de temps de cet- te fonction fournit la valeur optimum, conviendra. De même, là où on a réa- lisé une ordonnance excessive en refroidissant jusqu'à une température infé- rieure à la température d'ordre critique, et où on approche du degré désiré d'ordre par une opération d'altération de l'ordre, la rapidité à laquelle se produit le désordre est également une fonction de la température.
C'est pour- quoi, tout processus de chauffage entre environ 600 C et environ 300 C, dans lequel l'intégrale de temps de cette fonction de désordre fournit la valeur optimum, conviendra.
On a constaté que les procédés rangés dans la catégorie (5) ci- dessus convenaient le mieux au point de vue commercial. On comprendra plus aisément la manière dont on peut obtenir les.valeurs:optima pour les proprié- tés magnétiques désirées, en se référant aux courbes montrées aux figures 3 et 4.A ces figures, les valeurs de la perméabilité et de la force coerciti- ve sont calculées suivant une simple échelle proportionnelle, tandis que les valeurs du temps et de la vitesse de refroidissement sont, pour la facilité, calculées suivant une échelle logarithmique.
Les courbes de la Figure 3, (où le temps à la température en heures est porté en abscisse et la perméabilité à 20 gauss en ordonnée) ont été obtenues avec un noyau annulaire formé d'un ruban épais de 0,025 mm. iso- lé avec de la magnésie, le ruban ayant été formé au moyen d'un alliage de 79 % de nickel, 5 % de molybdène, 0,5 % de manganèse et le reste de fer, avec des impuretés accidentelles, préparé comme décrit ci-dessus, dans lequel on avait pratiqué le traitement thermique final, en refroidissant rapidement le noyau de 600 C.
à diverses températures intermédiaires, à savoir 500 C., 480 C., 450 C., et 400 ., en maintenant le noyau à ces températures pendant des laps de temps variant entre 0,01 heure et 65 heureso, et en le refroidis- sant ensuite rapidement à la température ambianteo Sur chaque courbe est in- diquée la température à laquelle le traitement a eu lieu et'chacune des cour- bes montre la variation de la perméabilité à 20 gauss (pratiquement la perméa- bilité initiale) suivant la variation de la durée du traitement à la tempé- rature indiquée.
On peut voir que si on maintient le noyau à 600 C pendant les laps de temps divers, il ne se produit pas de changement notable dans la per- méabilitéoA 500 c., il apparaît qu'il est impossible de produire le degré d'ordre requis pour obtenir les hautes perméabilités de la présente inven- tion, quelle que soit la durée du traitemento A 480 C, il apparaît qu'il se produit pratiquement l'ordonnance maximum et que la valeur optimum de perméa- bilité entre 1100000 et 1150000 peut être obtenue en maintenant la tempéra- ture pendant le laps de temps considérable d'une heure environ à dix heures.
C'est pourquoi, il apparaît que, suivant l'explication théorique ci-dessus,
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la température d'ordre critique pour les perméabilités initiales élevées et les perméabilités élevées aux faibles densités de flux, est située au voisi- nage de 480 C.
Aux températures plus basses, où l'équilibre permet un degré d'ordre plus élevé et où l'ordonnance a lieu à une rapidité moindre, la du- rée du chauffage devient plus critique. Ainsi, à 450 C et 400 C, la valeur optimum de perméabilité d'environ 100.000 est obtenue après un chauffage d'environ une heure et demi et d'environ dix heures respectivement. Des é- carts des durées de chauffage optimum pour ces températures produisaient une forte diminution de la perméabilité. En général,la température d'or- donnance ne devra pas être située en dessous de 400 C environ, si on dési- re obtenir la perméabilité optimum dans un temps raisonnable.
Comme indiqué ci-dessus, la température d'ordre critique (pour une perméabilité à 20 gauss) pour l'alliage employé pour obtenir les cour- bes de la figure 3, est voisine de 480 C. La température d'ordre critique ne s'écartera pas notablement de cette valeur, lorsqu'on change la composi- tion de l'alliage dans les limites de la composition données plus loin.
A la figure 4 (où la vitesse de refroidissement en degrés cen- tigrades par heure est indiquée en abscisse) les courbes ont été obtenues d'après les mesurages de la perméabilité et de la force coercitive exécutées sur un noyau magnétique annulaire fait d'un ruban non isolé enroulé, ayant une épaisseur de 0,355 mm. Le noyau est formé du même alliage que celui em- ployé pour obtenir les courbes de la figure 3 et est préparé par le procédé décrit ci-dessus. Pendant le traitement thermique final, le noyau est re- froidi dans un four de 600 C à 300 C à des vitesses pratiquement uniformes comprises entre 1 C par heure et 1000 C par heure.
La courbe 3 de la figure 4 montre la variation de la perméabili- té à 20 gauss, lorsque la vitesse du refroidissement change. On peut voir que la valeur optimum d'environ 1500000 pour la perméabilité à cette densi- té de flux est produite, lorsque la vitesse du refroidissement est d'environ 100 C par heure ou d'environ 2 C par minute Cette valeur tombe lorsque la vitesse est accrue ou diminuée.La courbe 4 montre la variation de la perméa- bilité maximum en fonction des vitesses de refroidissement. La valeur opti- mum de la perméabilité maximum est bien supérieure à 1.000.000 et est pro- duite avec une vitesse de refroidissement voisine de 20 C par heureo La cour- be 5 montre la variation de la force coercitive en fonction de la vitesse de refroidissement.
La valeur la plus basse de la force coercitive (environ 0,002) est produite avec une vitesse de refroidissement voisine de 60 C par heure. On choisira évidemment des vitesses de refroidissement intermédiai- res, par exemple, comprises entre 50 C et 100 C. par heure, lorsqu'on désire obtenir un compromis entre les valeurs optima de différentes propriétés ma- gnétiqueso
La valeur optimum pour la vitesse de refroidissement dans un al- liage particulier diminue lorsque la teneur en molybdène augmente et lorsque la teneur en nickel diminue. La vitesse de refroidissement est habituellement légèrement moindre pour faire apparaître la valeur la plus basse de la force coercitive que pour faire apparaître la valeur optimum de la perméabilité initiale, cette.vitesse étant encore moindre pour faire apparaître la va- leur optimum de la perméabilité maximum.
Toutefois, avec certains alliages, les vitesses de refroidissement optima pour les trois propriétés coincident pratiquement. A 300 ou moins, la vitesse de changement des propriétés magné- tiques est tellement basse que le contrôle du refroidissement entre cette température et la température ambiante est inutile.
Le traitement thermique final décrit ci-dessus devra être exécu- té dans des conditions non oxydantes, par exemple, dans une atmosphère d'hy- drogèneo
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Les procédés décrits ci-dessus peuvent améliorer les propriétés magnétiques d'alliages fer-nickel-molybdène, dans lesquels les proportions de fer, de nickel et de molybdène varient dans une large mesureo Toutefois, ordinairement les propriétés magnétiques de ces alliages diminuent considé- rablement, lorsque les proportions des ingrédients varient en dehors de cer- taines limites. C'est pourquoi, les valeurs extraordinaires et spectaculai- res de la perméabilité et de la force coercitive, qui caractérisent les nou- veaux alliages, auxquels se rapporte la présente invention, et représentent un progrès extrêmement important dans cette technique,
sont obtenues lorsque les procédés décrits ci-dessus sont appliqués à des alliages dont les compo- sitions sont maintenues entre ces limiteso
Ces résultats peuvent être obtenus avec des alliages contenant entre 2 pourcents environ et 7 pourcents environ en poids de molybdène, entre 75 pourcents environ et 85 pourcents environ de nickel, le reste étant du fer avec les impuretés présentes dans les ingrédients provenant de sources commer- cialeso Comme indiqué ci-dessus, on obtient de meilleurs résultats s'il exis- te également du manganèse dans l'alliage final, de préférence, en quantité d'au moins 0,2 pourcent.
On obtient les meilleurs résultats, lorsque les in- grédients sont pratiquement présents dans les proportions d'environ 79 pour- cents de nickel, 5 pourcents de molybdène, 0,5 pourcent de manganèse, le res- te étant du fer avec des impuretéso Des proportions préférées de ces ingré- dients sont les suivantes: entre 78 pourcents environ et 80 pourcents envi- ron de nickel, entre 4 pourcents environ et 6 pourcents environ de molybdène, entre 0,4 pourcent environ et 0,8 pourcent environ de manganèse, le reste étant du fer avec des impuretés.
Il ne semble pas que du cobalt en quantités allant jusqu'à envi- ron 1 pourcent dans le bain original, affecte ni les valeurs optima de perméa- bilité ni la vitesse optimum de refroidissement. Il apparaît que le carbone et le soufre sont pratiquement complètement éliminés dans l'opération de fa- brication et c'est'pourquoi leur présence en quantités raisonnables dans les ingrédients n'est pas préjudiciable.
Comme indiqué ci-dessus, lorsque la fusion initiale a lieu sous vide ou en présence d'un gaz non oxydant, on peut ajouter de forts désoxydants au bain, sans que ceux-ci ne produisent sur les propriétés magnétiques les ef- fets nuisibles qui se font sentir lorsqu'il existe des conditions oxydantes dans le bain= Ainsi, on peut obtenir les propriétés magnétiques désirées, lors- qu'on ajoute jusqu'à 1 pourcent de siliciumo Cependant, la vitesse de refroi- dissement optimum dans le traitement thermique final est réduite à des valeurs trop basses lorsque sont faites de telles additions et le contrôle de la vi- tesse de refroidissement est également rendu plus critique puisque les va- leurs magnétiques diminuent plus brusquement, lorsque la vitesse de refroidis- sement s'écarte de la valeur optimum..En outre,
on doit prendre plus de soins pour éviter l'oxydation dans la préparation des alliages, lorsque ces substan- ces sont présentes que lorsqu'elles ne le sont paso C'est pourquoi, il est ha- bituellement souhaitable d'éviter qu'elles soient présenteso
En général, les ingrédients autres que le fer, le nickel, le molyb- dène et le manganèse, qui se trouvent dans l'alliage avant le traitement ther- mique à l'hydrogène ne doivent de préférence pas excéder notablement 1 pour- cent environo
Les ingrédients utilisés pour former les alliages peuvent être des substances de grande pureté ou de pureté commerciale ordinaireo Ainsi, la sour- ce de fer peut être du fer électrolytique ou l'un quelconque des fers magné- tiques communs tels que le fer armco.
La source de molybdène peut être du mo- lybdène pur ou du ferromolybdène commercial. La source de manganèse peut être du manganèse commercialement pur ou du ferromanganèse. On peut faire usage de nickel électrolytique ou de tout nickel commercial de grande pureté.
On a décrit ci-dessus des formes particulières de réalisation de
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l'invention qui sont destinées à en constituer des exemples et n'en limitent pas nécessairement la portéeo REVENDICATIONS
1. Procédé de formation d'un corps de matière magnétique capable d'acquérir une valeur élevée de perméabilité après un traitement thermique, caractérisé en ce que les ingrédients d'un alliage, contenant entre 75 % et 85 % de nickel, entre 2 % et 7 % de molybdène, jusqu'à 2 % de manganèse, le reste étant du fer avec des impuretés accidentelles, sont mélangés et fondus ensemble dans des conditions telles que, quel que soit le moment auquel des conditions d'oxydation existent dans le bain,
ce dernier est essentiellement exempt d'éléments capables de former un oxyde stable à la température du bain et ayant une chaleur de formation supérieure à 90 kilogrammes -calories par atome gramme d'oxygène entrant dans l'oxyde, en ce qu'on transforme l'alliage en un corps solide, et en ce que le corps est traité à la chaleur dans une atmosphère d'hydrogène anhydre à une température supérieure à 1100 C. mais inférieure au point de fusion de l'alliage pendant au moins une heure, en sorte qu'on obtient un corps d'alliage dans lequel des perméabilités élevées peuvent être produites par le refroidissement de l'alliage à une vitesse con- trôlée entre 600 C et 300 C.