Procédé de traitement d'une poudre de fer-carbonyle et poudre obtenue par ce procédé Le présent brevet a pour objet un procédé de traitement d'une poudre de fer-carbonyle, et une poudre obtenue par ce procédé.
La poudre de fer-carbonyle, c'est-à-dire une poudre de fer obtenue par décomposition ther mique du fer-pentacarbonyle en espace ouvert, est particulièrement appropriée à la fabrica tion de noyaux magnétiques.
L'invention est basée sur la découverte que la grandeur Q (rapport de la réactance à la résistance effective) peut être améliorée en vi trant la poudre et en la traitant thermiquement. La nitration peut être effectuée en chauffant la poudre dans de l'ammoniac.
On a proposé de décarburer et de désoxyder la poudre de fer-carbonyle, en chauffant la poudre de fer dans de l'hydrogène ou de l'am moniac à 5000 C environ, et en traitant ensuite thermiquement la poudre décarburée à 500 6000 C dans un gaz ne produisant aucun changement chimique dans le fer à hautes tem pératures. Pour agir comme agent de décarbu- ration, l'ammoniac doit se décomposer en azote et hydrogène, le carbone présent dans le fer étant éliminé sous forme de méthane sous l'ac tion de l'hydrogène.
La décomposition ou cracking de l'ammoniac se fait à des tempéra tures de 4500 C et au-dessus, et doit être aussi complète que possible si l'on veut obtenir la décarburation la plus efficace. En conséquence, dans un procédé efficace de décarburation, il ne se produit au plus qu'une faible nitration, si même elle se produit.
En-outre, on a proposé de décarburer la poudre de fer-carbonyle à des températures ne dépassant pas 4300 C, par un gaz réducteur qui est de préférence l'hydrogène, mais qui peut être l'ammoniac, avec pour objet de produire une poudre à partir de laquelle on puisse faire des noyaux magnétiques de haute perméabilité. Il est bien connu que pour obtenir les plus fortes perméabilités, il est nécessaire d'éviter la présence non seulement de carbone, mais aussi d'azote dans la poudre.
Le procédé selon l'invention pour traiter une poudre de fer-carbonyle, en vue d'augmen ter les valeurs de la grandeur Q à haute fré quence, est caractérisé en ce qu'on produit une nitration notable de la poudre sans décarbura- tion notable, la poudre étant également traitée thermiquement à une température d'au moins 3000 C pour produire la diffusion de l'azote dans les particules.
On a constaté en outre que la structure de réseau de la poudre est un facteur qui permet de côntrôler les valeurs améliorées obtenues de la grandeur Q aux hautes fréquences. La pou dre non nitrée présente une structure de réseau cubique centrée caractéristique du fer a pur.
Les deux nitrures de fer répondant aux formules Fe4N et Fe3N présentent respectivement une structure de réseau cubique à faces centrées (phase y) et une structure de réseau hexago nale compacte (phase s). On a observé que les meilleures valeurs de Q sont obtenues quand la structure de réseau est entièrement cubique à faces centrées. Quand la teneur en Fe3N de la poudre augmente, c'est-à-dire quand la propor tion de la phase e augmente, il se produit une chute rapide des valeurs Q qui peuvent même devenir inférieures aux valeurs correspondant à la poudre non nitrée.
Fe3N lui-même est pratiquement non magnétique.
Ces faits sont illustrés par le dessin annexé, dont la figure unique est un graphique montrant comment varient les valeurs de Q d'une poudre type avec la structure de réseau. Les valeurs de Q sont portées en ordonnée, et les propor tions des phases en abscisse.
La courbe A est obtenue à la fréquence de 20 mc/sec et la courbe B à une fréquence de 30 mc/sec On peut voir que le maximum de la valeur Q est clairement défini pour 20 et 30 mc/sec à 100 1% de phase y'. On peut voir aussi que la présence de la phase a du fer non nitré dimi nue
beaucoup moins les valeurs de Q que la présence de la phase s de Fe3N.
La structure de réseau ne dépend pas seu lement de la teneur en azote, puisqu'une par tie de l'azote de Fe4N et de Fe3N peut être rem placée par du carbone sans que les structures des réseaux soient détruites. Avec de hautes te neurs en carbone, par exemple de 0,6 ou 0,7 0/0 le carbone présent n'entre pas totalement dans les réseaux des nitrures de fer, une partie étant présente sous forme de carbure de fer Fe3C. Le carbone qui entre dans les réseaux des ni trures de fer est plus efficace que la même quantité d'azote pour déterminer la structure de réseau.
Ces découvertes ont montré la nécessité d'une nitration notable dans le présent pro cédé. De préférence, elle devrait être telle que la proportion de la phase y' soit au moins de 50 1% et puisse atteindre au moins 75,%. La valeur de Q augmente avec ce pourcentage, de sorte que le pourcentage idéal est de 100'%. Une telle valeur est difficile à atteindre prati quement,
mais il est indiqué de chércher à ce qu'elle atteigne toujours 90'% ou plus.
La nitration ne doit pas être telle qu'elle ré duise réellement les valeurs de Q au-dessous de celles de la poudre de départ. Le graphique montre qu'une même amélioration de la valeur de Q n'est pas obtenue pour toutes les fréquen ces du courant dans un enroulement disposé autour du noyau fait de cette poudre. A titre de définition, on peut dire que la valeur de Q d'une poudre, à haute fréquence, est améliorée si cette valeur à 20 mc/sec est supérieure à la valeur correspondant à la poudre de départ.
A cet effet les 25 % au plus de la poudre de- vraient être de préférence en phase s.
Comme indiqué ci-dessus, le but du pro cédé est de produire le maximum de phase -y'. On a trouvé que si la nitration n'est pas effec tuée dans de bonnes conditions, la proportion d'azote dans les particules de la poudre peut varier grandement, certaines particules conte nant plus d'azote et d'autres moins que la pro portion correspondant à la phase y'. Cela pro vient du fait que lorsque l'ammoniac passe sur la poudre de fer-carbonyle, l'hydrogène libéré à partir de l'ammoniac qui réagit avec les par ticules rencontrées en premier lieu dilue l'atmo sphère d'ammoniac en contact avec les par ticules rencontrées ensuite, et peut même con duire à une certaine élimination de l'azote préa lablement absorbé.
Pour éviter cela et s'assurer que chaque particule absorbe pratiquement la même proportion d'azote, les conditions de ni tration doivent être choisies de manière que l'atmosphère en contact avec chaque particule ait pratiquement une composition uniforme. Ceci peut être réalisé en assurant l'écoulement de l'ammoniac à une vitesse suffisante pour que l'hydrogène formé soit rapidement sous trait au contact de la poudre.
La nitration peut être effectuée à des tem pératures allant de 250 à 500 C. Les facteurs affectant le taux de nitration, dans un four donné, sont la surface spécifique de la poudre, la vitesse d'écoulement de l'ammoniac sur la charge et la température. Pour une charge de 300 g formant une couche de 12,7 X 3,8 X 1,3 cm, traitée dans un four cylindrique de 5 cm de diamètre avec un débit d'ammoniac de 20 litres par heure, les durées préférées de ni tration sont approximativement de 42 heures à 250o C, de 17 heures à 300 C, de 5 heures à<B>3500</B> C et de 3 heures à 4000 C.
La tempéra ture est de préférence comprise entre 250 et 4250 C, car dans ce domaine il est plus facile d'obtenir une absorption uniforme de l'azote par la poudre, et la tendance de celle-ci à s'agglomérer est réduite. Si la température de nitration est plus élevée, il est nécessaire d'uti liser un grand volume d'ammoniac et de l'obli ger à s'écouler sur la poudre à une vitesse assez élevée pour que la concentration de l'hydrogène formé par la décomposition ne soit pas suffi sante pour empêcher une nitration efficace ou pour produire une décarburation notable.
Par décarburation notable , on entend une ré duction de la teneur en carbone. d'une valeur élevée à une faible valeur, par exemple à 0,1 % à partir d'une valeui initiale usuelle de 0,5 à 0,7 0/0.
Pendant la nitration, la poudre peut être agitée pour exposer toutes les particules de ma nière égale à l'ammoniac, ou elle peut circuler à contre-courant de l'ammoniac dans le ré cipient dans lequel s'effectue la nitration.
La nitration procède vers l'intérieur à par tir des surfaces des particules de la poudre, et en l'absence d'un traitement thermique suffi sant pour produire la diffusion, l'azote n'est pas uniformément distribué dans chaque par ticule. Une particule peut ainsi contenir les deux phases a et s et ne pas avoir une struc ture homogène correspondant à sa teneur moyenne en azote. On remédie à ceci par la diffusion de l'azote dans les particules, assurée par le traitement thermique.
Si la nitration est effectuée à<B>3500</B> C ou au- dessus, le traitement thermique se produit en même temps.
Quand le traitement thermique a été com plètement réalisé, chaque particule ne con tient pas plus de deux des trois phases a, y' et E, et si la nitration s'est effectuée uniformé- ment, les particules contiendront les mêmes phases. Ainsi la quantité de la phase y' sera maximum pour la teneur particulière en azote.
La durée du traitement thermique néces saire pour rendre la structure homogène varie avec la température. Ainsi avec une poudre de 5 1, on a trouvé qu'une durée totale de 20 heures à<B>3000</B> C, de 2 heures à<B>3500</B> C, d'une heure à 4000 C et d'une demi-heure à 5001) C est avantageuse. Ces chiffres montrent qu'une poudre nitrée pendant 8 heures à<B>3500,C</B> ne nécessite pas un traitement thermique séparé.
Tout le procédé est effectué de préférence à 3500 C ou au-dessus, de sorte que la nitra tion et le traitement thermique se produisent simultanément. Cependant, le procédé peut être effectué en deux stades, à savoir à une température inférieure à 300o C à laquelle l'azote est absorbé, et à une température supé rieure à<B>3000C</B> à laquelle l'azote est diffusé par le traitement thermique.
Les indications suivantes sont données à titre d'exemple. Une poudre produite par la décomposition de fer-carbonyle est utilisée comme matière de départ et présente les ca ractéristiques suivantes
EMI0003.0027
Grosseur <SEP> des <SEP> particules <SEP> . <SEP> . <SEP> 5,3 <SEP> microns
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> azote <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,68'%
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> carbone <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,64'%
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> Q <SEP> à <SEP> 20 <SEP> mc/sec <SEP> . <SEP> . <SEP> 162
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> Q <SEP> à <SEP> 50 <SEP> mc/sec <SEP> . <SEP> .
<SEP> 129 On traite 50 g de cette poudre, sous forme d'une couche de 15,2 cm de longueur et d'une épaisseur maximum de 0,6 cm, dans un tube de 2,5 cm de diamètre à<B>2500</B> .C pendant une période de 24 heures, sous un courant d'am moniac anhydre s'écoulant à raison de 5 litres par heure. On laisse refroidir la poudre qui est légèrement agglomérée, de sorte qu'il faut la moudre pour la réduire en particules discrètes.
A ce stade, les caractéristiques sont les sui vantes
EMI0003.0030
Teneur <SEP> en <SEP> azote <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 4,69%
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> carbone <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,64'%
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> <B>Q <SEP> 'à</B> <SEP> 20 <SEP> mc/sec <SEP> . <SEP> . <SEP> 167
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> Q <SEP> à <SEP> 50 <SEP> me/sec <SEP> . <SEP> . <SEP> 146 La poudre est alors introduite à nouveau dans le tube et traitée thermiquement à 3500 C pendant deux heures sous une atmosphère d'azote exempte d'oxygène. La poudre est à nouveau refroidie et se présente légèrement ag glomérée, de sorte qu'elle doit être moulue à nouveau.
Ses teneurs en azote et en carbone sont les mêmes que précédemment, mais ses propriétés magnétiques sont les suivantes Valeur de Q à 20 mc/sec , . 182 Valeur de Q à 50 mc/sec . . 178 L'examen de la poudre obtenue finalement par diffraction aux rayons X montre que les 90 '% sont en phase -y% et le reste en phase a.
On étudie l'effet d'une variation de la tem pérature de nitration par des essais sur une autre poudre contenant 0,6'% d'azote et 0,7 0/0 de carbone (la teneur en azote résultant de l'emploi d'ammoniac dans la décomposition du carbonyle). Des échantillons de cette poudre sont nitrés à différentes températures, dont l'une de 2500 C, la poudre nitrée à cette tempéra ture étant ensuite traitée thermiquement pen dant deux heures à 350o C.
Les résultats ob tenus sont donnés dans la table suivante
EMI0004.0030
Temp. <SEP> de <SEP> <B>1/0</B> <SEP> nitration <SEP> Q <SEP> Q <SEP> / <SEP> Phases <SEP> présentes
<tb> <B>OC</B> <SEP> 20 <SEP> mc/sec <SEP> 30 <SEP> me/sec <SEP> N <SEP> C <SEP> /o <SEP> a <SEP> /o <SEP> a <SEP> /o <SEP> y'
<tb> - <SEP> <B>1</B>58 <SEP> 148 <SEP> 0,6 <SEP> 0,7 <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 250 <SEP> 148 <SEP> 160 <SEP> 5,6 <SEP> 0,7 <SEP> 50 <SEP> 25 <SEP> 25
<tb> (nitration)
<tb> 250 <SEP> 165 <SEP> 187 <SEP> 5,6 <SEP> 0,7 <SEP> 30 <SEP> - <SEP> 70
<tb> (après <SEP> trait.
<tb> thermique)
<tb> 350 <SEP> 177 <SEP> 187 <SEP> 5,3 <SEP> 0,7 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 80
<tb> 400 <SEP> 177 <SEP> 196 <SEP> 5,0 <SEP> 0,6 <SEP> - <SEP> - <SEP> 100
<tb> 470 <SEP> 173 <SEP> 192 <SEP> 4,9 <SEP> 0,4 <SEP> - <SEP> 12 <SEP> 88
<tb> 500 <SEP> 170 <SEP> 190 <SEP> 5,1 <SEP> 0,
4 <SEP> - <SEP> - <SEP> <B>1</B>00 Les valeurs de Q données ci-dessus sont ob tenues avec des noyaux faits à partir des pou dres. LaL valeur réelle de Q dépend de la di mension et de la forme du noyau essayé, de sorte que les valeurs obtenues sont relatives et que celles correspondant à différentes poudres doivent être toutes obtenues pour une même dimension et une même forme du noyau si l'on veut faire une comparaison valable. Les valeurs données dans la présente description sont tou tes obtenues avec un noyau standard.