Procédé et installation de réalisation de pièces à usage magnétique

Abstract

 L'invention a pour objet un procédé et une instal­lation de réalisation de pièces à usage magnétique consti­tuées en un alliage métallique se présentant sous forme d'une bande continue (3) à partir de laquelle les pièces (33) sont découpées, l'alliage étant soumis à un traitement thermique comprenant au moins une opération de recuit réali­sée en présence d'un champ magnétique.
Selon l'invention, l'opération de recuit est divi­sée en au moins deux phases successives, respectivement une première phase d'initiation en présence d'un champ magnéti­que, réalisée au défilé sur l'alliage en forme de bande continue (3) et une seconde phase de maturation réalisée sur les pièces séparées (33) obtenues à partir de la bande (3) ayant subi la première phase d'initiation.
L'invention permet de réaliser des pièces notam­ment pour l'industrie électrotechnique.

Description

[0001] L'invention a pour objet un procédé et une instal­lation de réalisation de pièces métalliques à usage magnéti­que et couvre également les produits obtenus par le procédé et servant à la réalisation de telles pièces.

[0002] On connaît différents alliages ayant des proprié­tés magnétiques particulières et servant à la fabrication de pièces utilisables, grâce à leurs propriétés magnétiques, dans l'industrie électrotechnique ou électronique, par exem­ple pour la fabrication de relais, compteurs, transduteurs, etc... .

[0003] En particulier, on utilise couramment des alliages quaternaires, à base de Fer, Aluminium, Nickel, Cobalt qui ont des propriétés magnétiques intéressantes mais que l'on remplace avantageusement, dans certains cas, par des allia­ges ternaires à base de Fer, Cobalt, Chrome. De tels allia­ges présentant en effet l'avantage de pouvoir être mis en forme par découpe ou estampage de l'alliage se présentant sous forme de produits allongés tels que des bandes ou des fils continus, des feuilles ou des barres.

[0004] Les propriétés magnétiques des alliages peuvent être réglées en fonction des besoins en jouant d'une part sur la composition de l'alliage et d'autre part sur les traitements thermiques auxquels il est soumis. En parti­culier, les alliages Fe, Co, Cr comprenant 26 à 32% de chro­me et 9 à 25% de cobalt ont l'avantage de développer des propriétés magnétiques voisines des alliages quaternaires Fe, Al, Ni, Co et pouvant en outre être découpés et mis en forme, par exemple par estampage ou forgeage. C'est pourquoi on peut les appeler des aimants formables.

[0005] Les traitements thermiques susceptibles de déve­lopper les propriétés désirées sont assez compliqués et com­portent différentes opérations de chauffage, de maintien en température ou de refroidissement avec des vitesses détermi­nées de variation de température. Cependant, depuis un cer­tain temps, on a constaté qu'il était intéressant de sou­ mettre l'alliage magnétique à une opération de recuit réali­sée par exemple vers 650°C et en présence d'un champ magné­tique élevé, supérieur 160,000 A/m) (2000 Oe).

[0006] Cette opération de recuit en présence d'un champ magnétique donne des résultats très intéressants mais pré­sente l'inconvénient de nécessiter l'utilisation d'un électro-aimant ou tout appareil similaire pour la production d'un champ magnétique aussi intense. De ce fait, l'instal­lation est assez coûteuse et difficile d'utilisation.

[0007] L'invention a pour objet une nouvelle méthode de réalisation du recuit sous champ magnétique permettant no­tamment d'éviter l'emploi d'un électro-aimant du fait que le champ magnétique utilisé est beaucoup plus faible que dans les méthodes connues auparavant.

[0008] Conformément à l'invention, l'opération de recuit est divisée en au moins deux phases successives, respective­ment une première phase d'initiation, en présence d'un champ magnétique, réalisée sur le produit allongé avant découpage des pièces et une seconde phase de maturation réalisée sur les pièces séparées obtenues à partir du produit ayant subi la première phase.

[0009] Dans le cas où le produit allongé est une bande ou un fil continu susceptible d'être déroulé à partir d'une bo­bine, la première phase d'initiation est réalisée en continu par défilement de la bande ou du fil à l'intérieur d'un four tubulaire muni de moyens de production d'un champ magnétique constitué, de préférence, par un solénoïde alimenté en cou­rant électrique et incorporé au four tubulaire.

[0010] Dans un autre mode de réalisation de l'invention, applicable aussi bien à des bandes ou fils continus qu'à des produits sous forme de feuilles ou de barres, on fait sta­tionner dans un four tubulaire muni de moyens de production d'un champ magnétique au moins une partie du produit de lon­gueur correspondant à celle du four, pendant le temps néces­saire à la réalisation de la première phase du traitement.

[0011] Selon une autre caractéristique intéressante, la bande est mise sous traction pendant la première phase d'initiation en présence d'un champ magnétique.

[0012] De façon particulièrement avantageuse, le champ magnétique appliqué pendant la première phase d'initiation peut être inférieur à 80.000 A/m (1000 Oe).

[0013] L'invention couvre également l'installation pour la réalisation du procédé comprenant un four tubulaire asso­cié à des moyens de production d'un champ magnétique et des moyens de commande du défilement de la bande d'alliage à l'intérieur du four.

[0014] Lorsque l'ensemble du traitement et de la prépara­tion des pièces est réalisé au même endroit, l'installation comporte deux fours séparés, respectivement un four tubulai­re de réalisation de la première phase d'initiation sur la bande défilant en continu et un four de réalisation de la seconde phase de maturation sur les pièces découpées, l'installation de découpe et éventuellement de formage des pièces étant placées entre les deux fours.

[0015] Mais il est possible également de séparer les deux phases du traitement de recuit et l'invention couvre le pro­duit constitué d'une bande continue d'alliage ayant subi la première phase d'initiation de l'opération de recuit et pou­vant par la suite être découpée en pièces séparées, celles-­ci étant enfin soumises à la deuxième phase de maturation.

[0016] L'invention sera mieux comprise par la description détaillée d'un mode de réalisation de pièces magnétiques par le procédé de l'invention, en se référant aux dessins an­nexés.

La Figure 1 représente très schématiquement et à titre d'exemple une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.

La Figure 2 est un diagramme des températures du traitement thermique.

[0017] L'invention résulte d'une étude réalisée sur des alliages ternaires, Fer, Chrome, Cobalt, élaborés dans un four sous vide dans lequel on réalise successivement une désoxydation au carbone d'un mélange de fer et de cobalt, l'addition de chrome puis du manganèse, la mise à la nuance, et la coulée en chute. Les lingots obtenus subissent plu­sieurs opérations de transformation à chaud pour la réalisa­tion de barres qui, après refroidissement, sont écroutées. On réalise alors un laminage à chaud des barres pour l'obtention de plats ou de fils qui sont enfin soumis à une trempe à l'eau et, éventuellement à une opération d'écrouis­sage.

[0018] Le traitement thermique auquel est soumis l'allia­ge peut se définir comme une transformation de phase condui­sant au durcissement magnétique par décomposition spinodale de la phase α en deux phases α₁ riche en cobalt et for­tement magnétique et α₂, riche en chrome et peu ou pas ma­gnétique.

[0019] Pour obtenir le maximum de phase α, le traite­ment de décomposition spinodale est précédé, de préférence, d'un traitement de recristallisation de courte durée effec­tué vers 900-950°C. L'alliage est ensuite soumis à une opé­ration de recuit aux alentours de 600-650°C qui permet de réaliser la décomposition spinodale. Or on a observé que ce traitement pouvant être effectué en deux phases séparées l'une de l'autre, respectivement une phase d'initiation pen­dant laquelle il est avantageux d'appliquer sur l'alliage un champ magnétique et une phase de maturation qui, en revan­che, ne nécessite pas l'application du champ magnétique. On peut penser que la phase d'initiation permet de conduire une démixion localisée conduisant à une variation périodique de la composition dont la période est réglée avec précision pour avoir des précipités de la phase α₁ dans la phase α₂, la phase de maturation permettant de provoquer un écart de concentration entre les phases aussi élevé que pos­sible.

[0020] Ce traitement de maturation nécessite un temps de maintien en température assez long, de l'ordre de 10 à 20 heures, à une température inférieure à la température du traitement d'initiation, alors que la première phase d'initiation peut être réalisée plus rapidement.

[0021] En outre, on a constaté que les opérations de dé­coupe et de formage des pièces pouvaient être réalisées après la première phase d'initiation.

[0022] Il est donc possible, selon la caractéristique es­sentielle du procédé, de soumettre l'alliage à la première phase d'initiation lorsqu'il est sous la forme d'une bande continue, puis de découper les pièces et enfin de soumettre celles-ci à la deuxième phase de maturation.

[0023] Comme on l'a représenté schématiquement sur la Figure 1, une installation pour la mise en oeuvre du procédé comprendra donc au moins deux enceintes de chauffage sépa­rées, respectivement un premier four 1 pour la réalisation de la première phase d'initiation et un second four 2 pour la réalisation de la phase de maturation. L'alliage se pré­sente sous forme d'une bande 3 qui est déroulée à partir d'une bobine 31 pour s'enrouler sur le tambour 32. La bande 3 défile ainsi suivant une direction longitudinale à l'intérieur du four 1 de forme tubulaire. Celui-ci est, de préférence, précédé d'un four 11 à l'intérieur duquel est réalisé le traitement de recristallisation à 950°C environ.

[0024] A la sortie du four 1 est placé un dispositif de découpe 4 qui permet d'obtenir à partir de la bande 3 des pièces séparées 33 ayant la forme voulue et qui, éventuelle­ment après refroidissement, sont dirigées vers le four 2 pour y subir le traitement de maturation.

[0025] Le four tubulaire 11 délimite un espace interne allongé 12 dans lequel on fait passer la bande 3. D'autre part, le four 1 est muni de moyens de production d'un champ magnétique, par exemple un solénoïde 13 relié à une source de courant électrique 14 et qui est incorporé à la paroi du four 1 de façon à entourer complètement l'espace central 12 à l'intérieur duquel est ainsi produit le champ magnétique par passage du courant.

[0026] Selon un avantage essentiel de l'invention, du fait que le champ magnétique est appliqué sur un produit de longueur très grande par rapport à son épaisseur et ayant par conséquent un champ démagnétisant faible, il n'est pas nécessaire de produire dans le four 1 un champ magnétisant très élevé pour développer les propriétés magnétiques re­cherchées. En pratique, on a constaté que le champ magnéti­sant nécessaire qui dépend du résultat recherché et de la composition de l'alliage, pouvait même être inférieur à 80.000 A/m (1000 Oe), alors que, jusqu'à présent, il était nécessaire d'utiliser un champ d'au moins 16.000 A/m (2000 Oe pour des pièces de petites dimensions. On évite donc l'utilisation d'un électro-aimant toujours coûteux. A la sortie du four tubulaire 1, la bande 3 passe dans le dispo­sitif de découpe 4, l'opération de découpe ne modifiant pas la structure magnétique développée.

[0027] Un cycle de température a été représenté à titre d'exemple sur la Figure 2 qui est un diagramme indiquant la température de traitement en fonction du temps.

[0028] La bande qui est à la température ambiante et se déroule à partir de la bobine 31 passe d'abord dans le four 11 où sa température monte jusqu'à environ 900°C, selon le tracé OAB. A partir du point B, la bande passe dans le four tubulaire 1 dans lequel sa température descend jusqu'à une température de l'ordre de 630°C en suivant le tracé BC qui est donc effectué en partie en présence du champ magnétique produit par le solénoïde 13. la bande est alors refroidie rapidement selon le tracé CD.De préférence, la découpe des pièces 33 s'effectue à froid. Les pièces 33 sont alors diri­gées dans le four 2 où leur température est maintenue pen­dant le temps nécessaire, par exemple de 10 à 20 heures, à une température décroissant régulièrement de préférence de 610 à 520°C

[0029] Etant donné que, de préférence, la bande est sou­ mise au défilé, tout d'abord au traitement de recristalli­sation puis à la phase d'initiation, la durée du maintien en température sera réglée en agissant sur la vitesse de défi­lement et en fonction des longueurs relatives du four tubu­laire 1 et du four de recristallisation 11, le traitement de recristallisation étant appliqué normalement pendant 1/2 heure à 1 heure.

[0030] Toutefois, au lieu de réaliser le traitement en continu dans le four tubulaire,on pourraît aussi faire avan­cer la bande à intervalles réguliers en faisant stationner dans le four une partie de la bande de longueur correspon­dante pendant le temps nécessaire. On pourraît d'ailleurs procéder de la même façon sur un produit allongé en forme de feuilles ou de barres séparées mais présentant une assez grande longueur par rapport à leurs dimensions transversales pour que le traitement magnétique puisse être effectué sous un champ relativement faible. Les feuilles ou barres se suc­céderaient alors dans le four en y stationnant le temps né­cessaire à la première phase du traitement, les pièces étant ensuite découpées pour subir la seconde phase.

[0031] Selon les propriétés que l'on désire développer et la composition de l'alliage, le champ magnétique créé par le solénoïde 13 à l'intérieur du four 1 sera compris entre 8000 et 12.000 A/m (100 à 1500 Oe)., par exemple 4800 A/m (600 Oe).

[0032] La structure magnétique obtenue après la première phase d'initiation est permanente et, par conséquent, l'opération de découpe et la deuxième phase de maturation du traitement peuvent être effectuées un certain temps après la réalisation de la première phase. Il est donc possible de traiter d'abord la bande d'alliage en lui faisant subir la première phase d'initiation éventuellement précédée d'un traitement de recristallisation et de la livrer chez l'utilisateur qui réalisera la découpe des pièces et les soumettra à une deuxième phase de maturation, celle-ci pou­ vant être effectuée de façon assez simple puisqu'elle est appliquée sur des pièces de petites tailles et sans champ magnétique.

[0033] A titre de simple exemple, l'invention a été mise en oeuvre de la façon suivante:

EXEMPLE N° 1

[0034] On prépare par les méthodes conventionnelles d'élaboration et coulée sous vide un lingot de composition en poids Co 10,2%, Cr 28%, Mn 0,5%, Fe reste, et les impure­tés habituelles dues aux procédés de fabrication. Le lingot est ensuite laminé à chaud vers 1200 - 1250°C et refroidit rapidement. On réalise avec le produit laminé à chaud une bande de 0,75 mm d'épaisseur par laminage à froid.

[0035] La bande laminée à froid est ensuite traitée au défilé dans le système des fours représentés figure 1, de telle sorte que dans le premier four 11 la température de la bande atteigne 950°C pendant environ 30 mn. La distance en­tre le four 11 et le four 1 ainsi que le calorifugeage sont tels que à partir d'environ 700°C la bande se refroidit à environ 100°C/h et entre dans le four 1 dans lequel on ap­plique un champ magnétique à au moins 650°C. La température du four 1 est réglée à 630°C et le champ magnétique axial est de 800 Oe (48000 Am⁻¹) la durée de défilement dans le four 1 est d'au moins 30 mn. A la sortie du four 1 la bande est refroidie rapidement et enroulée.

[0036] Sur la bande précédemment traitée, on découpe des pièces pour réaliser les mesures et pour l'utilisation: par exemple des disques percés utilisés dans les compteurs des automobiles. Ces pièces sont ensuite traitées dans un four ordinaire dont la température descend progressivement de 620°C à 520°C en 20 heures, par exemple le four 2.

[0037] Les propriétés magnétiques obtenues sont les sui­vantes et illustrent l'intérêt du procédé.

EXEMPLE 2

[0038] On utilise la même bande que dans l'exemple N° 1 mais avant de procéder au traitement au défilé dans les fours 11 et 1, cette bande est soumise à un traitement à 950°C pendant une heure sous hydrogène et refroidie rapide­ment à la fin du traitement.

[0039] Cette bande prétraitée, est ensuite traitée au dé­filé dans les fours représentés figure 1. Au cours de ce traitement au défilé la bande est soumise à une traction uniaxiale dans le sens de la longueur de 10 kg mm⁻² environ.

[0040] La température du four 11 est de 700°C et la bande entre dans le four 1 à 650°C. La température du four 1 est réglée à 630°C et le champ magnétique axial vaut 800 Oe. La durée de défilement dans le four 1 est de 40 mn. A la sortie du four 1 la bande est rapidement refroidie et enroulée.

[0041] Des pièces sont découpées dans la bande ainsi traitée sous champ magnétique et sous traction. Ces pièces subissent ensuite le traitement de maturation dans un four classique où la température s'abaisse progressivement de 620°C à 500°C en 20 heures. Un traitement complémentaire à 500°C de 24 heures est bénéfique. Les propriétés obtenues sont les suivantes:

EXEMPLE N° 3

[0042] Un alliage à Co = 12%, Cr= 28%, Mn= 0,5% en poids, le solde étant du fer et les impuretés habituelles, est éla­boré sous vide et coulé en lingots. Les lingots sont ensuite laminés à chaud en bandes de 5 mm, puis laminés à froid en bandes de 1 mm d'épaisseur.

[0043] La bande est ensuite soumise à un traitement de 1/2 heure à 1050°C sous hydrogène. Ce traitement se termine par un refroidissement rapide.

[0044] La bande est ensuite cisaillée à la largeur néces­saire à l'application et coupée en tronçons de 1,5 mètres. Ces tronçons sont ensuite assemblés en fagots de petit dia­mètre et disposés dans le four 1.

[0045] La température du four 1 est portée rapidement vers 700°C puis on le laisse refroidir jusqu'à 620°C à une vitesse d'environ 100°C/h. A partir de 650°C on applique le champ magnétique de 800 Oe. La durée du maintien à 620°C est de une heure. A la fin de ce traitement à 620°C les fa­gots de bandes sont refroidis rapidement.

[0046] Les pièces pour mesure et utilisation sont décou­pées dans les bandes et traitées ensuite dans un four dont la température descend de 620°C à 520°C en 20 heures. Un traitement complémentaire de 24 heures à 500°C améliore en­core les propriétés magnétiques.

[0047] Les propriétés obtenues à la suite de cet ensemble de traitement sont les suivantes:

[0048] Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux dé­tails du mode de réalisation qui vient d'être décrit et qui pourrait faire l'objet de variantes sans d'écarter du cadre de protection défini par les revendications. En particulier, les températures de traitement ont été indiquées pour un al­liage comprenant sensiblement 10% de cobalt mais pourraient être modifiées en fonction des propriétés recherchées et de la composition de l'alliage. D'ailleurs, il serait possible de réaliser des traitements thermiques plus complexes com­prenant notamment différents paliers de températures éven­tuellement séparés par des phases de refroidissement plus ou moins rapides. En effet même lorque le traitement est réa­lisé sur l'alliage sous forme de bande, on peut disposer les fours les uns à la suite des autres en les séparant par des zones calorifugées pour réaliser les différentes températu­res souhaîtées.

[0049] Bien entendu, si le terme de "bande" a été utilisé dans le texte, l'invention couvre également l'utilisation de tout produit allongé, tel qu'un fil continu ou bien des feuilles ou des barres, le produit pouvant, en section transversale, être adapté à la forme des pièces. De même, après leur découpe, celles-ci peuvent subir diverses opéra­tions de mise en forme, par exemple par forgeage.

[0050] Par ailleurs, il pourraît être intéressant, en ré­glant les vitesses relatives de déroulement et d'enroulement de la bande ou bien au moyen d'un dispositif associé au four, d'exercer sur le produit une certaine traction de façon à combiner l'action de celle-ci avec celle de la tem­pérature et du champ magnétique. Ce dernier peut d'ail­leurs être créé par différents moyens connus, en utilisant un courant continu ou un courant alternatif et, en adaptant le circuit, le courant électrique pourrait d'ailleurs pro­duire simultanément le champ magnétique et le chauffage du four.

Revendications

1. Procédé de réalisation de pièces à usage magné­tique constituées en un alliage métallique se présentant sous forme d'un produit allongé (3) à partir duquel les piè­ces (33) sont découpées, l'alliage étant soumis à un traite­ment thermique comprenant au moins une opération de recuit réalisée en présence d'un champ magnétique, caractérisé par le fait que l'opération de recuit est divisée en au moins deux phases successives, respectivement une première phase d'initiation en présence d'un champ magnétique, réalisée sur le produit allongé (3) avant découpage des pièces et une se­conde phase de maturation réalisée sur les pièces séparées (33) obtenues à partir du produit (3) ayant subi la première phase d'initiation.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le produit allongé (3) est une bande ou un fil continu sus­ceptible d'être déroulé à partir d'une bobine, caractérisé par le fait que la première phase d'initiation est réalisée en continu par défilement de la bande ou du fil (3) le long d'un four tubulaire (4) muni de moyens (13) de production d'un champ magnétique.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première phase d'initiation est réalisée dans un four tubulaire (4) de grande longueur, muni de moyen (13) de production d'un champ magnétique, dans lequel on fait stationner au moins une partie de longueur correspon­dante du produit pendant le temps nécessaire à la réalisa­tion de la première phase du traitement.

4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le champ magnétique est produit par passage de courant électrique dans un conducteur (13) incorporé au four tubulaire (1).

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pendant l'application de la phase initia­tion sous champ magnétique, la bande (3) est mise sous tension.

6. Procédé selon l'une des revendications précé­dentes, caractérisé par le fait que l'alliage métallique est un alliage magnétique à base de Fer, Cobalt et Chrome.

7. Procédé selon l'une des revendications précé­dentes, caractérisé par le fait que le champ magnétique ap­pliqué pendant la première phase d'initiation du traitement peut être inférieure à 80.000 A/m (1000 Oe).

8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la première phase d'initiation est réalisée 0 une température comprise entre 600 et 650°C et que la se­conde phase de maturation est réalisée à une température comprise entre 500 et 600°C.

9. Procédé selon l'une des revendications précé­dentes, caractérisé par le fait qu'avant d'être soumise à la première phase d'initiation sous champ magnétique, la bande d'alliage (3) est soumise à un traitement de recristallisa­tion à une température comprise entre 900 et 950°C pendant un temps de 1/2 à 1 h.

10. Produit pour la réalisation de pièces (33) à usage magnétique, caractérisé par le fait qu'il est consti­tué d'une bande ou d'un fil métallique allongé (3) ayant subi la première phase d'initiation du procédé selon l'une des revendications précédentes et dans laquelle des pièces (33) peuvent, par la suite, être découpées et soumises à la deuxième phase de maturation.

11. Installation de réalisation de pièces à usage magnétique à partir d'un produit allongé (3) un en alliage métallique dans lequel les pièces sont découpées, ledit al­liage subissant un traitement thermique réalisé en présence d'un champ magnétique, caractérisée par le fait qu'elle com­prend un four tubulaire (1) associé à des moyens (13) de production d'un champ magnétique et à des moyens (31, 32) de commande du passage du produit (3) dans le four tubulaire (1), ce dernier étant associé à des moyens de réglage du temps de passage du produit, de la température et du champ magnétique de façon à réaliser une première phase d'initiation du traitement pendant le défilement de la bande d'alliage, le traitement thermique comprenant une deuxième phase de maturation réalisée sans champ magnétique sur les pièces découpées dans la bande après la première phase d'initiation.

12. Installation selon la revendication 11, carac­térisée par le fait quelle comprend deux fours séparés (1) et (2) pour la réalisation des deux phases du traitement respectivement sur le produit allongé (3) et sur les pièces découpées (33) et un dispositif (4) de découpe des pièces (33) placé entre les deux fours (1) et (2).

13. Installation selon la revendication 11, carac­térisée par le fait que les moyens de production du champ magnétique sont constitués par un solénoïde (13) incorporé dans la paroi du four tubulaire (1) et alimenté en courant électrique.

14. Installation selonla revendication 12, carac­térisée par le fait quele solénoïde (13) est alimenté en courant alternatif.

15. Installation selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisée par le fait que, le produit allongé (3) étant constitué d'une bande ou d'un fil continu enroulé sur une bobine (31) l'installation comprend des moyens de com­mande du déroulement de la bobine (31) et du défilement du produit (3) à l'intérieur du four.

16. Installation selon l'une des revendications 11 et 15, caractérisé par le fait que le four est associé à des moyens de mise sous tension du produit (3) à l'intérieur du four.

Dessins