Alliage fer-cobalt, procédé de fabrication d'une bande en alliage fercobalt et bande obtenue

Abstract

 Alliage Fer-Cobalt caractérisé en ce que sa composition chimique comprend en poids:

        5 % ≤ Co ≤ 40 %



        0 % ≤ Si ≤ 5 %



        0,2 % ≤ Al ≤ 5 %



        0,5 % ≤ Si + Al ≤ 5 %

le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Procédé de fabrication d'une bande et bande obtenue.

Description

[0001] La présente invention concerne un alliage Fer-Cobalt pour la fabrication de circuits magnétiques pour machines électrotechniques.

[0002] les machines électrotechniques telles que les moteurs électriques, les transformateurs ou les relais comportent des circuits magnétiques constitués d'empilages de pièces découpées dans des bandes en alliage dont les propriétés magnétiques sont adaptées. Ces propriétés doivent être d'autant meilleures que les machines sont à forte énergie spécifique, ce qui est le cas, par exemple, pour les machines embarquées sur des véhicules tels que des avions ou des trains à grande vitesse. En effet, pour ces applications il est nécessaire de réduire au maximum le poids des équipements, ce qui passe par une augmentation de l'énergie spécifique, c'est à dire de la puissance par unité de masse.

[0003] Les circuits magnétiques des machines à forte énergie spécifique sont souvent fabriqués en alliage Fer-Cobalt dont la composition chimique comprend, en poids, environ 50 % de cobalt et 2% de vanadium, le reste étant du fer et des impuretés. Mais ces alliages ont plusieurs inconvénients parce qu'ils présentent tous une transformation de phase α / γ qui limite très notablement les possibilités d'action sur les propriétés magnétiques par traitement thermique. De plus, ces alliages ont, en général, une résistivité électrique trop faible et sont trop coûteux.

[0004] Il a été proposé, notamment dans DE - C - 705 516 d'utiliser des alliages fer-cobalt-silicium contenant de 2 % à 18 % de cobalt et de 1 % à 6 % de silicium. Cependant, ces alliages n'apportent pas une solution satisfaisante au problème énoncé ci-dessus. En effet, pour obtenir des propriétés magnétiques satisfaisantes, il est nécessaire que l'alliage contienne plus de 3 % de silicium, il devient alors très fragile et ne peut plus être laminé à froid dans des conditions satisfaisantes, on ne peut donc plus obtenir les faibles épaisseurs souhaitables pour réduire les pertes par courants de Foucault dans les circuits magnétiques.

[0005] Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un alliage du type Fer-Cobalt ayant des propriétés magnétiques proches de celles des alliages connus, mais avec une teneur en cobalt plus faible, de façon à être moins coûteux que les alliages existants, et pouvant être laminé à froid.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un alliage Fer-Cobalt dont la composition chimique comprend en poids:







le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

[0007] Les impuretés résultant de l'élaboration peuvent être, notamment, des éléments tels que le chrome, le titane, le germanium, le vanadium et le molybdène, et des éléments tels que le carbone, l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore.

[0008] De préférence, les impuretés résultant de l'élaboration que sont le carbone, l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore, ont des teneurs inférieures aux valeurs suivantes:









et la somme des teneurs en chrome, titane, germanium, vanadium et molybdène doit être inférieure à 0,5%.

[0009] De préférence également, la composition chimique vérifie une ou plusieurs des relations suivantes: 10 % ≤ Co ≤ 35 %, Si ≥ 2,5 % ou Al ≥ 1,5 % ou Si + Al ≥ 1,5%.

[0010] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une bande en un alliage conforme à l'invention selon lequel:

• on élabore l'alliage soit sous vide soit au four à arc suivi d'une opération de métallurgie en poche et, éventuellement, après une première solidification, on le refond sous vide ou sous laitier électroconducteur pour obtenir un demi produit,
• on lamine à chaud le demi-produit pour obtenir une bande à chaud dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 6 mm,
• on décape la bande à chaud et on la lamine après l'avoir éventuellement réchauffée entre 200°C et 600°C pour obtenir une bande à froid d'épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm,
• on effectue un traitement thermique entre 850 °C et 1200 °C pendant 1 à 10 heures et un revêtement par une couche électriquement isolante.

[0011] Le revêtement par une couche isolante peut être obtenu en recouvrant la bande, soit, après le traitement thermique, d'au moins une couche de vernis minéral ou organique, soit, avant le traitement thermique, d'au moins une couche de méthylate de magnésium.

[0012] Lorsque la teneur en silicium de l'alliage est supérieure à 2 %, le revêtement par une couche isolante peut être obtenu en appliquant sur la bande un lait de magnésie, avant le traitement thermique.

[0013] L'invention concerne, enfin, une bande en un alliage selon l'invention, revêtue d'au moins une couche électriquement isolante, ayant de préférence une texture cubique (100) [001] ou une texture (110) [001], ainsi que son utilisation pour la fabrication d'un circuit magnétique d'une machine électrotechnique.

[0014] L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative.

[0015] Les inventeurs ont constaté de façon nouvelle qu'en ajoutant de l'aluminium à un alliage Fer-Cobalt contenant éventuellement du silicium, on augmentait sensiblement la résistivité de l'alliage sans trop baisser l'aimantation à saturation, et, qu'en choisissant convenablement la teneur en cet élément en tenant compte de l'éventuelle teneur en silicium, on pouvait faire disparaître la transformation de phase α/γ tout en obtenant un matériau suffisamment ductile pour être apte au laminage à froid. Cela permet d'obtenir une bande dont les propriétés magnétiques peuvent être améliorées par un traitement thermique et par l'obtention d'une texture favorable.

[0016] Outre le fer et les impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique de l'alliage selon l'invention comprend en poids:

• de 5% à 40% et de préférence de 10% à 35% de cobalt qui est le seul élément connu améliorant l'aimantation à saturation du fer; le cobalt étant un élément très coûteux sa teneur est ajustée, pour chaque application particulière, à la teneur juste nécessaire pour obtenir les caractéristiques magnétiques souhaitées pour l'application;
• de 0,2 % à 5 % d'aluminium et de 0% à 5% de silicium pour réduire l'étendue du domaine d'existence de la phase γ ; l'aluminium présente l'avantage supplémentaire d'augmenter la résistivité électrique et de ne pas détériorer la ductilité à froid ; le silicium qui réduit également le domaine d'existence de la phase γ, présente cependant l'inconvénient de rendre difficile les opérations de laminage à froid ; de préférence, soit la teneur en aluminium est supérieure ou égale à 1,5%, soit la teneur en silicium est supérieure ou égale à 2,5%, soit la somme des teneurs en silicium et aluminium est supérieure ou égale à 1,5%, car au delà de ces valeurs, la phase γ n'existe plus, ce qui permet des traitements thermiques à haute température pour faire grossir le grain et développer une texture favorable, et ainsi, améliorer les propriétés magnétiques;

[0017] Les impuretés résultant de l'élaboration sont, notamment, des éléments tels que le chrome, le titane, le germanium, le vanadium et le molybdène qui peuvent être tolérées à condition que la somme de leurs teneurs reste inférieure à 0,5%. Les impuretés sont également des éléments tels que le carbone, l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore dont les teneurs doivent être le plus faible possible et, de préférence, telles que :C ≤ 0,03 %, O ≤ 0,005 %, N ≤ 0,003 %, S ≤ 0,003 %, P ≤ 0,003 %.

[0018] Afin d'obtenir un niveau de pureté suffisant, l'alliage peut être élaboré au four sous vide ou au four à arc suivi d'un traitement en poche sous vide puis coulé sous forme d'un demi produit. Avantageusement, l'alliage peut être refondu sous vide ou sous laitier électroconducteur. Dans ce cas, après l'élaboration sous vide ou après l'opération de traitement en poche sous vide, l'alliage est coulé sous forme d'une électrode de refusion qui est refondue sous vide ou sous laitier éléctroconducteur pour obtenir le demi produit.

[0019] Le demi produit est enfourné encore chaud dans un four de réchauffage pour être porté à la température de laminage, puis laminé à chaud pour obtenir une bande à chaud d'épaisseur comprise entre environ 1 mm et environ 6 mm. La bande à chaud est alors décapée puis, éventuellement, dégourdie par chauffage entre 200°C et 600°C et enfin, laminée à froid (ou à tiède lorsque la bande est dégourdie) en plusieurs passes avec, éventuellement des recuits intermédiaires entre 700°C et 1100°C, pour obtenir une bande à froid d'épaisseur comprise, en général, entre 0,05 mm et 0,5 mm.

[0020] Dans certains cas, la succession de laminages à froid et de recuits intermédiaires permet d'obtenir une texture cubique (100) [001] ou une texture (110) [001] très favorables à l'obtention de bonnes propriétés magnétiques. Afin d'éviter l'oxydation de l'aluminium ou de silicium, les recuits intermédiaires doivent, de préférence, être faits sous atmosphère d'hydrogène pur et sec.

[0021] La bande à froid est ensuite soumise à un traitement thermique par chauffage et maintien en température entre 850°C et 1200°C pendant un temps compris entre 1 heure et 10 heures et revêtue d'au moins une couche isolante électriquement. Le traitement thermique qui est fait sous atmosphère d'hydrogène pur et sec permet de faire grossir le grain ce qui améliore les propriétés magnétiques.

[0022] Au moins une couche électriquement isolante peut être constituée d'un vernis minéral ou organique déposé après le traitement thermique, ou de méthylate de magnésium déposé avant le traitement thermique.

[0023] Lorsque la teneur en silicium de l'alliage est suffisante, c'est à dire supérieure à 2%, au moins une couche électriquement isolante peut être obtenue en appliquant sur la bande, avant le traitement thermique, un lait de magnésie. Pendant le traitement thermique, le silicium situé en surface de la bande réagit avec la magnésie pour former un verre isolant.

[0024] Les bandes ainsi obtenues peuvent être découpées pour obtenir des pièces qui, après empilage, forment des circuits magnétiques pour des transformateurs, des moteurs électriques, des relais ou pour tout autre machine électrotechnique.

[0025] Ces bandes ont un champ coercitif faible (Hc < 0,55 Oe ; 1 Oe = 79,577 A/m) et une résistivité électrique élevée (ρ > 33 µ.Ω.cm), ce qui les rend particulièrement aptes à la fabrication de circuits magnétiques pour des machines électrotechniques à forte énergie spécifique destinées notamment à équiper des véhicules tels que des trains à grande vitesse ou des aéronefs.

[0026] A titre d'exemple on a fabriqué les alliages C à D (composition chimique en poids en %):

alliage	Fe	Co	Si	Al	C	N	O	S
C	bal	15	-	1,54	0,016	0,0008	0,001	0,0005
D	bal	15	-	2,4	0,027	0,0005	0,001	0,0005
E	bal	15	-	3,1	0,011	0,0005	0,001	0,0005
F	bal	15	0,98	1,55	0,011	0,0012	0,0013	0,0005

[0027] Tous ces alliages ont été élaborés au four sous vide, laminé à chaud puis à froid pour obtenir des bandes de 0,2 mm d'épaisseur. Les bandes ont été soumises à un traitement thermique sous hydrogène. Les conditions de traitement thermique et les caractéristiques magnétiques obtenues étaient:

alliage	Θ°C	t (heures)	ρ (µ.Ω.cm)	B à 600Oe (G)	Hc (Oe)
C	900	4	35	22100	0,5
C	1050	4	35	22100	0,53
D	900	4	38	21200	0,53
D	1150	4	38	21200	0,4
E	900	4	40	21000	0,43
E	1150	4	40	21000	0,4
F	900	4	39,5	21500	0,4
F	1000	4	39,5	21500	0,32

[0028] A titre de comparaison, on a fabriqué une bandes en alliage Fer-Cobalt selon l'art antérieur (repéré A) dont la composition chimique était :

alliage	Fe	Co	Si	Al	C	N	O	S
A	bal	15	0,98	-	0,01	0,0014	0,0027	0,0005

[0029] Après traitement thermique à 900 °C et 1000 °C, leurs caractéristiques étaient :

alliage	Θ°C	t (heures)	ρ (µ.Ω.cm)	B à 600Oe (G)	Hc (Oe)
A	900	4	30	22500	0,58
A	1000	4	30	22500	0,71

[0030] On constate que les alliages selon l'invention ont une résistivité plus élevée , un champ coercitif plus faible et une aimantation comparable à celle de l'alliage A.

[0031] En général, les alliages fer-cobalt selon l'art antérieur contiennent p)lus de 15 % de cobalt et les caractéristiques des bandes en ces alliages sont typiquement :

Co %	ρ (µ.Ω.cm)	B à 600 Oe (G)	Hc (Oe)
50	40	22500	1
25	22	22500	1,5

[0032] On constate que les alliages selon l'invention ont une résistivité électrique comparable, un champ coercitif sensiblement plus faible et une aimantation assez voisine malgré une teneur en cobalt très sensiblement plus faible. Ces résultats montrent certains des avantages de l'alliage selon l'invention.

Revendications

1. Alliage Fer-Cobalt caractérisé en ce que sa composition chimique comprend en poids:







le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

2. Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce que les impuretés résultant de l'élaboration que sont le carbone, l'oxygène, l'azote, le soufre et le phosphore ont des teneurs inférieures aux valeurs suivantes:

3. Alliage selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les impuretés résultant de l'élaboration que sont le chrome, le titane, le germanium, le vanadium et le molybdène ont des teneurs dont la somme est inférieure à 0,5%.

4. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que:

5. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que:

6. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que:

7. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que:

8. Procédé de fabrication d'une bande en un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que:

- on élabore l'alliage soit sous vide soit au four à arc suivi d'une opération de métallurgie en poche et, éventuellement, après une première solidification, on le refond sous vide ou sous laitier éléctroconducteur pour obtenir un demi produit,

- on lamine à chaud le demi-produit pour obtenir une bande à chaud dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 6 mm,

- on décape la bande à chaud, éventuellement on la réchauffe entre 200 °C et 600 °C, et on la lamine pour obtenir une bande à froid d'épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm,

- on effectue un traitement thermique entre 850 °C et 1200 °C pendant 1 à 10 heures et un revêtement par une couche isolante.

9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le revêtement par une couche isolante est obtenu en recouvrant la bande, soit, après le traitement thermique, d'au moins une couche de vernis minéral ou organique, soit, avant le traitement thermique, d'au moins une couche de méthylate de magnésium.

10. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que, lorsque la teneur en silicium de l'alliage est supérieure à 2 %, le revêtement par une couche isolante est obtenu en appliquant sur la bande un lait de magnésie, avant le traitement thermique.

11. Bande en un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.

12. Bande selon la revendication 11 caractérisée en ce qu'elle présente une texture cubique (100) [001] ou une texture (110) [001].

13. Bande selon la revendication 11 ou la revendication 12 caractérisée en ce qu'elle est revêtue d'au moins une couche isolante électriquement.