Procédé de fabrication d'un composant magnétique en alliage magnétique doux à base de fer ayant une structure nanocristalline

Description

[0001] La présente invention concerne la fabrication de composants magnétiques en alliage magnétique doux à base de fer ayant une structure nanocristalline.

[0002] Les matériaux magnétiques nanocristallins sont bien connus et ont été décrits, en particulier, dans les demandes de brevet européen EP 0 271 657 et EP 0 299 498. Ce sont des alliages à base de fer, contenant plus de 60 at % (atomes %) de fer, du cuivre, du silicium, du bore, et éventuellement au moins un élément pris parmi le niobium, le tungstène, le tantale, le zirconium, le hafnium, le titane et le molybdène, coulés sous forme de rubans amorphes puis soumis à un traitement thermique qui provoque une cristallisation extrêmement fine (les cristaux ont moins de 100 nanomètres de diamètre). Ces matériaux ont des propriétés magnétiques particulièrement adaptées à la fabrication de noyaux magnétiques doux pour appareils électrotechniques tels que des disjoncteurs différentiels. En particulier, ils ont une excellente perméabilité magnétique et peuvent présenter soit un cycle d'hystérésis rond (Br/Bm ≥ 0,5), soit un cycle d'hystérésis couché (Br/Bm ≤ 0,3) ; Br/Bm étant le rapport de l'induction magnétique rémanente à l'induction magnétique maximale. Les cycles d'hystérésis ronds sont obtenus lorsque le traitement thermique est constitué d'un simple recuit à une température comprise entre 500°C et 600 °C. Les cycles d'hystérésis couchés sont obtenus lorsque le traitement thermique comporte au moins un recuit sous champ magnétique, ce recuit pouvant être le recuit destiné à provoquer la formation de nanocristaux.

[0003] Les rubans nanocristallins, ou plus exactement, les composants magnétiques fabriqués avec ces rubans, présentent cependant un inconvénient qui limite leur utilisation. Cet inconvénient est une stabilité insuffisante des propriétés magnétiques lorsque la température s'élève au dessus de la température ambiante. Cette stabilité insuffisante entraîne un manque de fiabilité de fonctionnement des disjoncteurs différentiels équipés de tels noyaux magnétiques.

[0004] Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen pour fabriquer des noyaux magnétiques en matériau nanocristallin ayant des propriétés magnétiques dont la stabilité en température est sensiblement améliorée.

[0005] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant magnétique en alliage magnétique doux à base de fer ayant une structure nanocristalline dont la composition chimique comprend, en atomes %, Fe ≥ 60 %, 0,1 % ≤ Cu ≤ 3 %, 0 % ≤ B ≤ 25 %, 0 % ≤ Si ≤ 30 %, et au moins un élément pris parmi le niobium, le tungstène, le tantale, le zirconium, le hafnium, le titane, et le molybdène en des teneurs comprises entre 0,1 % et 30 %, le reste étant des impuretés résultant de l'élaboration, la composition satisfaisant en outre la relation 5 %≤Si + B ≤ 30 %, selon lequel :

• on fabrique avec l'alliage magnétique un ruban amorphe,
• avec le ruban on fabrique une ébauche de composant magnétique,
• et on soumet le composant magnétique à un traitement thermique de cristallisation comprenant au moins un recuit de cristallisation à une température comprise entre 500°C et 600°C pendant un temps de maintien compris entre 0,1 et 10 heures, afin de provoquer la formation de nanocristaux, et, avant d'effectuer le traitement thermique de cristallisation, on réalise un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de recristallisation de l'alliage amorphe.

[0006] Le traitement thermique de relaxation peut être un maintien pendant un temps compris entre 0,1 et 10 heures, à une température comprise entre 250 °C et 480 °C.

[0007] Le traitement thermique de relaxation peut également consister en un chauffage progressif depuis la température ambiante jusqu'à une température supérieure à 450 °C, à une vitesse de chauffage comprise entre 30 °C/heure et 300 °C/heure entre 250 °C et 450 °C.

[0008] Selon les propriétés magnétiques souhaitées, en particulier selon la forme désirée pour le cycle d'hystérésis, et conformément à l'état de l'art, au moins un recuit constituant le traitement thermique peut être effectué sous champ magnétique.

[0009] Ce procédé s'applique plus particulièrement aux alliages magnétiques doux à base de fer ayant une structure nanocristalline, dont la composition chimique est telle que Si ≤ 14 %.

[0010] L'invention va maintenant être décrite plus en détails, mais de façon non limitative et illustrée par des exemples.

[0011] Pour fabriquer en série des composants magnétiques, par exemple noyaux magnétiques pour disjoncteur différentiel de la classe AC (sensible aux courants de défaut alternatifs), on utilise un ruban en alliage magnétique doux ayant une structure amorphe, susceptible d'acquérir une structure nanocristalline, constitué principalement de fer en une teneur supérieure à 60 atomes %, et contenant en outre :

• de 0,1 à 3 at %, et de préférence, de 0,5 à 1,5 at % de cuivre ;
• de 0,1 à 30 at %, et, de préférence, de 2 à 5 at % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le tungstène, le tantale, le zirconium, le hafnium, le titane, et le molybdène ; de préférence, la teneur en niobium est comprise entre 2 et 4 at %;
• du silicium et du bore, la somme des teneurs en ces éléments étant comprise entre 5 et 30 at %, et, de préférence, entre 15 et 25 at % ; la teneur en bore pouvant aller jusqu'à 25 at %, et, de préférence, étant comprise entre 5 et 14 at % ; la teneur en silicium pouvant atteindre 30 at %, et, de préférence, étant comprise entre 12 et 17 at %.

[0012] Outre ces éléments, l'alliage peut comporter de faibles teneurs en impuretés apportées par les matières premières ou résultant de l'élaboration.

[0013] Le ruban amorphe est obtenu de façon connue en elle même par solidification très rapide de l'alliage liquide, coulé, par exemple, sur une roue refroidie.

[0014] Les ébauches de noyau magnétique sont fabriquées également de façon connue en elle même, en enroulant le ruban sur un mandrin, en le coupant et en fixant son extrémité par un point de soudure, afin d'obtenir des petits tores de section rectangulaire.

[0015] Pour conférer aux ébauches leurs propriétés magnétiques définitives, on les soumet d'abord à un recuit dit "de relaxation", à une température inférieure à la température de début de cristallisation de la bande amorphe, et, de préférence, comprise entre 250°C et 480 °C, puis à un recuit de cristallisation pouvant, ou non, être effectué sous champ magnétique, et, éventuellement, être suivi par un recuit à plus basse température effectué sous champ magnétique. Les inventeurs ont, en effet, constaté de façon tout à fait inattendue, que ce recuit de relaxation avait pour avantage de réduire de façon très sensible la sensibilité des propriétés magnétiques des noyaux à la température. Les inventeurs ont également constaté que le recuit de relaxation préalable au recuit de cristallisation avait l'avantage supplémentaire de réduire la dispersion des propriétés magnétiques des noyaux observées sur des fabrications en série.

[0016] Le recuit de cristallisation est destiné à faire précipiter dans la matrice amorphe des nanocristaux de taille inférieure à 100 nanomètres, de préférence comprise entre 10 et 20 nanomètres. Cette cristallisation très fine permet d'obtenir les propriétés magnétiques souhaitées. Le recuit de cristallisation consiste en un maintien à une température supérieure à la température de début de cristallisation et inférieure à la température de début d'apparition des phases secondaires qui détériorent les propriétés magnétiques. En général, la température de recuit de cristallisation est comprises entre 500 °C et 600 °C, mais elle peut être optimisée pour chaque ruban, par exemple, en déterminant par des essais la température qui conduit à la perméabilité magnétique maximale. La température de recuit de cristallisation peut alors être choisie égale à cette température, ou, mieux, être choisie pour lui être supérieure d'environ 30 °C.

[0017] Afin de modifier la forme du cycle d'hystéresis ce qui est nécessaire pour les disjoncteurs différentiels de la classe A (sensibles aux courants de défaut polarisés), le recuit de cristallisation peut être effectué sous champ magnétique transversal. Le traitement de cristallisation peut également être complété par un recuit à une température inférieure à la température de début de cristallisation, par exemple vers 400°C, effectué sous champ magnétique transversal.

[0018] D'une façon plus générale, le traitement thermique des ébauches de composant magnétique comportent un recuit de relaxation, un recuit de cristallisation éventuellement effectué sous champ magnétique, et, éventuellement, un recuit complémentaire effectué sous champ magnétique.

[0019] Le recuit de relaxation qui précède le recuit de cristallisation, et qui peut être effectué aussi bien sur le ruban amorphe lui même que sur l'ébauche de composant magnétique, peut consister en un maintien à une température constante pendant un temps qui, de préférence, doit être compris entre 0,1 et 10 heures. Ce recuit peut également consister en une montée progressive en température, qui précède, par exemple, le recuit de cristallisation, et qui doit se faire à une vitesse de montée en température comprise entre 30 °C/ h et 300 °C/h, au moins entre 250°C et 450 °C ; de préférence, la vitesse de montée en température doit être d'environ 100 °C/h.

[0020] Dans tous les cas, il est préférable d'effectuer les traitements thermiques dans des fours à atmosphère contrôlée, neutre ou réductrice.

[0021] A titre d'exemple, on a fabriqué deux rubans en alliage Fe₇₃Si₁₅B₈Cu₁Nb₃, (73 at % de fer, 15 at % de silicium, etc), de 20 µm d'épaisseur et 10 mm de largeur obtenus par trempe directe sur une roue refroidie. Avec chacun des rubans, on a fabriqué deux séries d'ébauches de noyaux magnétiques repérés respectivement A1 et A2 (pour le premier ruban) et B1 et B2 (pour le deuxième ruban). Les séries d'ébauches de noyaux magnétiques A1 et B1 ont été soumises à un traitement thermique conforme à l'invention et consistant en un recuit de relaxation de 3 heures à 400°C suivi d'un recuit de cristallisation de 3 heures à 530 °C. Les séries d'ébauches de noyaux magnétiques A2 et B2 ont, à titre de comparaison, été traité conformément à l'Art Antérieur par un unique recuit de cristallisation de 3 heures à 530 °C. Sur les quatre séries d'ébauches de noyaux magnétiques on a mesuré la perméabilité magnétique maximale à 50 Hz à différentes températures comprises entre - 25°C et + 100°C, et on l'a exprimée en % de la perméabilité magnétique maximale à 50 Hz à 20°C. Les résultats sont les suivants :

échantillon	-25 °C	-5°C	20°C	80°C	100°C
A1 (inv)	100 %	102 %	100 %	93 %	86 %
A2 (comp)	102 %	103 %	100 %	87 %	78 %
B1 (inv)	97 %	98 %	100 %	88 %	78 %
B2 (comp)	98 %	99 %	100 %	75 %	60 %

[0022] Ces résultats doivent être interprétés en examinant séparément le cas des échantillons A1 et A2 d'une part, et des échantillons B1 et B2 d'autre part. En effet, bien que l'alliage constituant tous les échantillons soit le même, on a utilisé deux rubans fabriqués séparément et qui, de ce fait, ont des propriétés un peu différentes.

[0023] Cette remarque faite, on peut constater que, aussi bien pour le groupe A1, A2 que pour le groupe B1, B2, la dégradation de la perméabilité magnétique engendrée par un échauffement à 80 °C ou 100 °C, est beaucoup plus faible pour les échantillons conformes à l'invention que pour les échantillons donnés à titre de comparaison. A100 °C, par exemple, la perte de perméabilité magnétique est, pour les échantillons conforme à l'invention, environ moitié de ce qu'elle est pour les échantillons fabriqués conformément à l'art antérieur.

[0024] Outre l'effet obtenu sur la stabilité en température des propriétés magnétiques, les inventeurs ont constaté que l'invention améliorait la reproductibilité des propriétés magnétiques de noyaux fabriqués en série. Cet effet favorable va maintenant être illustré par les deux exemples suivants.

[0025] Le premier exemple, concerne des noyaux magnétiques toriques fabriqués à partir de rubans de 20 µm d'épaisseur et 10 mm de largeur obtenus par trempe directe sur une roue refroidie, d'un alliage de composition (en at %) Fe_73,5Si_13,5B₉Cu₁Nb₃. Après la trempe sur roue, on a vérifié par rayons X que le ruban était bien complètement amorphe. On a alors séparé le ruban en trois tronçons, l'un, A, est resté en l'état, les deux autres, B et C, ont été soumis à un recuit de relaxation, pour l'un, B, 1 heure à 400 °C, pour l'autre, C, 1 Heure à 450 °C. On a mesuré le champ coercitif dont les valeurs minimales et maximales étaient, en mOe (1 mOe = 0,079577 A/m) :A de 80 à 200 mOe, B et C de 25 à 35 mOe. Ces résultats montrent l'effet du traitement de relaxation qui non seulement réduit la dispersion du champ coercitif, mais également, réduit très sensiblement sa valeur.

[0026] Les trois portions de ruban ont alors été utilisées pour former des ébauches de noyaux magnétiques toriques et ces noyaux ont été d'abord soumis à un recuit de cristallisation de 1 heure à 530 °C pour obtenir un cycle d'hystérésis rond, puis à un recuit sous champ magnétique transverse d'1 heure à 400 °C pour obtenir un cycle d'hystérésis couché. Les valeurs de champ coercitif, perméabilité maximale à 50 Hz, et, pour les cycles couchés uniquement, le rapport Br/Bm (induction rémanente sur induction à saturation) ont été déterminés.

[0027] Les résultats ont été les suivants :
a) cycles ronds :

échantillon	traitement relaxation	champ coercitif (mOe)	perméabilité max à 50 Hz
A	sans	6,1	650 000
B	1 h à 400 °C	5,2	690 000
C	1 h à 450 °C	5,1	760 000

b) cycles couchés :

échantillon	Trait relax	ch coercitif (mOe)	Br / Bm	perm max à 50 Hz
A	sans	5	0,12	200 000
B	1 h à 400 °C	3,8	0,08	215 000
C	1 h à 450 °C	3,4	0,07	205 000

[0028] Ces résultats montrent bien l'amélioration des propriétés magnétiques engendrée par le traitement de relaxation : diminution du champ coercitif, augmentation de la perméabilité maximale, et plus grande facilité pour obtenir des cycles couchés.

[0029] Le deuxième exemple, concerne des noyaux magnétiques toriques fabriqués à partir de rubans de 20 µm d'épaisseur et 10 mm de largeur obtenus par trempe directe sur une roue refroidie, d'un alliage de composition (en at %) Fe₇₃Si₁₅B₈Cu₁Nb₃. Avec le ruban, on a fabriqué deux lots de 300 tores de diamètre intérieur 11 mm et diamètre extérieur 15 mm à l'aide de machines à enrouler automatiques. Les lots ont alors été traités dans de fours à atmosphère neutre. Un lot témoin A n'a été soumis qu'à un recuit de cristallisation d'1 heure à 530 °C. Le deuxième lot a été traité conformément à l'invention : on a d'abord réalisé un recuit de relaxation d'1 heure à 400 °C, puis un recuit de cristallisation d'1 heure à 530 °C. Les tores ont été mis sous boîtier et calés avec une rondelle de mousse. Pour chaque lot, on a déterminé la moyenne et l'écart type de la perméabilité maximale à 50 Hz.

[0030] Les résultats ont été les suivants :

traitement	perméabilité max à 50 Hz moyenne	perméabilité max à 50 Hz écart type
sans relaxation (lot A)	585 000	28 000
avec relaxation (lot B)	615 000	20 000

[0031] Ils montrent l'effet du recuit de relaxation qui, d'une part, améliore la valeur moyenne de la perméabilité maximale, et, d'autre part, réduit la dispersion.

[0032] Les deux lots ont ensuite été traités pendant 1 heure à 400 °C sous champ magnétique transverse afin d'obtenir des cycles d'hystérésis couchés. On a mesuré le champ coercitif, le rapport Br/Bm et la perméabilité à 5 mOe à 50Hz. Les résultats ont été les suivants :

Traitement	ch coercitif (mOe)	Br / Bm	perm à 5mOe à 50 Hz
sans relaxation (lot A)	5,2	0,08	117 000
avec relaxation (lot B)	4,3	0,06	124 000

[0033] Ces résultats montrent bien l'amélioration des propriétés magnétiques engendrées par le traitement de relaxation : diminution du champ coercitif, augmentation de la perméabilité dans 5 mOe à 50 Hz, et plus grande facilité pour obtenir des cycles couchés.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un composant magnétique en alliage magnétique doux à base de fer ayant une structure nanocristalline dont la composition chimique comprend, en atomes %, Fe ≥ 60 %, 0,1 % ≤ Cu ≤ 3 %, 0 % ≤ B ≤ 25 %, 0 % ≤ Si ≤ 30 %, et au moins un élément pris parmi le niobium, le tungstène, le tantale, le zirconium, le hafnium, le titane, et le molybdène en des teneurs comprises entre 0,1 % et 30 %, le reste étant des impuretés résultant de l'élaboration, la composition satisfaisant en outre la relation 5 % ≤ Si + B ≤ 30 %, selon lequel :

- on fabrique avec l'alliage magnétique un ruban amorphe,

- avec le ruban, on fabrique une ébauche de composant magnétique par enroulement du ruban magnétique autour d'un mandrin de façon à former un tore,

- et on soumet le composant magnétique à un traitement thermique de cristallisation comprenant au moins un recuit de cristallisation à une température comprise entre 500°C et 600°C pendant un temps de maintien compris entre 0,1 et 10 heures, afin de provoquer la formation de nanocristaux, caractérisé en ce que, avant le traitement thermique de cristallisation on effectue un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de cristallisation de l'alliage amorphe.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement thermique de relaxation est un maintien pendant un temps compris entre 0,1 et 10 heures, à une température comprise entre 250 °C et 480 °C.

3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement thermique de relaxation consiste en un chauffage progressif depuis la température ambiante jusqu'à une température supérieure à 450 °C, à une vitesse de chauffage comprise entre 30 °C/heure et 300 °C/heure entre 250 °C et 450 °C.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le recuit de cristallisation est effectué sous champ magnétique.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que on effectue en outre un recuit complémentaire sous champ magnétique à une température inférieure à la température de début de cristallisation.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la composition chimique de l'alliage est telle que Si ≤ 14 %.