Alliage fer-cobalt

Abstract

 Alliage fer-cobalt caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids : 35 % ≤ Co ≤ 55 % ; 0,5 %≤ V ≤ 2,5 % ; 0,02 %≤ Ta + 2 x Nb ≤ 0,2 % ; 0,0007 % ≤ B ≤ 0,007 % ; C ≤ 0,05 % ; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

Description

[0001] La présente invention concerne un alliage fer-cobalt a caractéristiques mécaniques améliorées.

[0002] Les alliages fer-cobalt sont bien connus, et se caractérisent à la fois par des propriétés magnétiques très intéressantes et par une très grande fragilité à la température ordinaire, ce qui rend leur utilisation délicate. En particulier, l'alliage Fe50Co50, contenant 50 % en poids de fer et 50 % de cobalt, a une induction à saturation très élevée et une bonne perméabilité magnétique, mais il présente l'inconvénient de ne pas pouvoir être laminé à froid, ce qui le rend inutilisable pratiquement. Cette très grande fragilité résulte de la formation , en dessous de 730°C, environ, d'une phase α' ordonnée, résultant d'une transformation désordre-ordre. Cette transformation désordre-ordre peut être ralentie par une addition de vanadium, ce qui permet de fabriquer un alliage du type fer-cobalt, contenant à peu près 50% de cobalt et à peu près 50% de fer, apte à être laminé à froid après une hypertrempe très énergique. On a, ainsi, proposé un alliage contenant environ 49 % de cobalt et 2 % de vanadium, le reste étant du fer et des impuretés. Cet alliage, qui a de très bonnes propriétés magnétiques après laminage à froid et recuit entre 720°C et 870 °C environ, présente cependant l'inconvénient de nécessiter des précautions particulières lors du réchauffage précédant l'hypertrempe, afin de limiter le grossissement du grain qui détériore la ductilité.

[0003] Pour faciliter le réchauffage avant hypertrempe, on a proposé, notamment dans le brevet US 3,634,072, d'ajouter de 0,02 % à 0,5 % de niobium et éventuellement de 0,07 % à 0,3 % de zirconium afin de limiter le risque de grossissement du grain au cours du réchauffage. L'alliage ainsi obtenu a des propriétés magnétiques et une ductilité comparables, mais pas meilleures, que l'alliage ne contenant que 2 % de vanadium. Le réchauffage avant hypertrempe est simplement plus facile à réaliser.

[0004] Par ailleurs, il a été constaté que le vanadium pouvait être remplacé par du niobium ou du tantale. C'est ainsi qu'il a été proposé dans le brevet US 4,933,026, un alliage contenant au moins un élément pris parmi le niobium et le tantale en des teneurs telles que leur somme soit comprise entre 0,15 % et 0,5 % (en poids). Cet alliage qui présente une ductilité comparable au précédent, à l'avantage de pouvoir être recuit à plus haute température ce qui permet d'obtenir des propriétés magnétiques meilleures. Mais il présente l'inconvénient d'avoir une résistivité électrique relativement faible, ce qui augmente les pertes par courants induits et limite ses possibilités d'emploi.

[0005] Enfin, tous ces alliages présentent des caractéristiques mécaniques de résistance à la traction insuffisantes pour certaines applications telles que les circuits magnétiques de machines tournantes à très grande vitesse de rotation. Il n'est, en effet, guère possible d'obtenir une limite d'élasticité supérieure à 480 MPa.

[0006] Afin d'améliorer ces caractéristiques mécaniques, il a été proposé, notamment dans la demande de brevet internationale WO 96/36059, un alliage contenant essentiellement (en poids) 48 % à 50 % de cobalt, 1,8 % à 2,2 % de vanadium, 0,15 % à 0,5 % de niobium et de 0,003 % à 0,02 % de carbone, le reste étant du fer et des impuretés. Dans cette demande de brevet il est précisé que le niobium peut être remplacé totalement ou partiellement par du tantale à raison de 1 atome de tantale pour 1 atome de niobium, ce qui, compte tenu des poids atomiques respectifs du tantale et du niobium, correspond à plus de 2 % en poids de tantale pour 1 % en poids de niobium. Dans cet alliage, le niobium (ou le tantale), forment le long des joints de grain des phases de Laves qui empêchent le grain de grossir, ce qui augmente significativement la limite d'élasticité sans toutefois améliorer sensiblement la ductilité. A titre d'exemple, après un recuit à 720 °C, la limite d'élasticité peut dépasser 600 MPa. Cependant, ces caractéristiques mécaniques ne peuvent être obtenues qu'avec des additions relativement importantes de niobium ou de tantale.

[0007] Les additions relativement importantes de niobium ou de tantale sont nécessaires pour obtenir une limite d'élasticité élevée tout en effectuant un recuit dans le haut de la plage de température de recristallisation, ce qui a l'avantage de conduire à une faible sensibilité du résultat obtenu à la température effective de recuit. En revanche, cette solution présente l'inconvénient de diminuer l'aptitude de l'alliage au laminage à chaud.

[0008] Le but de la présente invention est de proposer un alliage fer-cobalt ayant à la fois une ductilité satisfaisante, de bonne propriétés magnétiques et des caractéristiques mécaniques améliorées, tout en ayant une bonne aptitude au laminage à chaud.

[0009] A cet effet, l'invention a pour objet un alliage fer-cobalt dont la composition chimique comprend, en poids :

• de 35 % à 55 %, et de préférence de 40 % à 50 % de cobalt,
• de 0,5 % à 2,5 %, et de préférence de 1,5 % à 2,2 % de vanadium,
• au moins un élément pris parmi le tantale et le niobium, en des teneurs telles que 0,02 % ≤ Ta + 2 x Nb ≤ 0,2 %, et de préférence telles que 0,03 %≤ Ta + Nb ≤ 0,15 %, et mieux encore, Nb ≤ 0,03 %,
• de 0,0007 % à 0,007 %, et de préférence de 0,001 % à 0,003 %, de bore,
• moins de 0,05 %, et de préférence, moins de 0,007 % de carbone,

le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
De préférence, les impuretés que sont le manganèse, le silicium, le chrome, le molybdène, le cuivre, le nickel et le soufre ont des teneurs telles que : Mn + Si ≤ 0,2 % , Cr + Mo + Cu ≤ 0,2 %, Ni ≤ 0,2 % et S ≤ 0,005 %.

[0010] Les inventeurs ont constaté de façon surprenante, que, lorsqu'on ajoute de 0,0007 % à 0,007 % en poids, ou mieux de 0,001 % à 0,003 %, de bore, à un alliage fer-cobalt contenant, par ailleurs, de 0,5 % à 2,5 %, ou mieux de 1,5 % à 2,2 %, de vanadium ainsi qu'une petite quantité d'éléments tels que le tantale et le niobium, on augmentait de façon très sensible la limite d'élasticité de l'alliage, tout en conservant des caractéristiques magnétiques satisfaisantes et en ayant une très bonne aptitude au laminage à chaud.

[0011] A titre d'exemple et de comparaison, on a élaboré les alliages A et B conformes à l'invention et l'alliage C conforme à l'art antérieur. Avec ces alliages, on a fabriqué par laminage à chaud aux environs de 1200 °C des bandes de 2 mm d'épaisseur qui ont été hypertrempées par refroidissement en moins de 1 seconde entre 800 °C et 100 °C. Les bandes ainsi obtenues ont été laminées à froid pour obtenir des bandes de 0,35 mm d'épaisseur. Ces bandes laminées à froid ont alors été recuites, conformément à l'état de l'art, à des températures comprises entre 700 °C et 900 °C de façon à leur conférer les propriétés d'emploi. On a alors mesuré les caractéristiques mécaniques et magnétiques obtenues. Les alliages A et B ont été laminés à chaud sans difficultés, c'est à dire sans apparition de criques d'angle.

[0012] Les compositions chimiques étaient les suivantes (le complément étant du fer):

	Co	V	Ta	Nb	B	C	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	S	P
A	48,5	1,98	-	0,044	0,0022	0,011	0,102	0,06	0,04	0,11	0,01	0,004	0,005
B	48,1	1,9	0,17	-	0,0012	0,005	0,05	0,05	0,02	0,2	0,01	0,002	0,005
C	48,7	1,97	-	0,064	-	0,010	0,09	0,05	0,04	0,12	0,01	0,003	0,005

Les caractéristiques mécaniques obtenues après recuit à 725 °C, 760 °C et 850 °C étaient (Re0,2 = limite d'élasticité ; HV = dureté Vickers) :

[0013] Les caractéristiques magnétiques mesurées étaient :

• les valeurs de l'induction magnétique B (en tesla), pour des excitations magnétiques H en courant continu de 20 Oe = 1600 A/m, 50 Oe = 4000 A/m et 100 Oe = 8000 A/m ;
• le champ coercitif Hc en A/m,
• les pertes ferromagnétiques (en W/kg) à 400 Hz pour une induction sinusoïdale de 2 tesla de valeur crête.

[0014] Ces valeurs étaient :

• après un recuit à 725 °C :
  
  
• après un recuit à 760 °C :
  
  
• après un recuit à 850 °C :
  
  

[0015] Ces résultats montrent que, tout en ayant des propriétés magnétiques très voisines de celles de l'alliage C selon l'art antérieur, les alliages A et B conformes à l'invention ont des caractéristiques mécaniques nettement plus élevées, puisque la limite d'élasticité peut dépasser 500 MPa, ces caractéristiques sont comparables à celles qu'on obtient avec des alliages selon l'art antérieur ayant 0,3 % de niobium.

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 fer-cobalt selon la revendication 1 caractérisé en ce que :

3. Alliage fer-cobalt selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que :

4. Alliage fer-cobalt selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que :

5. Alliage fer-cobalt selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que :

6. Alliage fer-cobalt selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que :

7. Alliage fer-cobalt selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les impuretés résultant de l'élaboration ont des teneurs telles que :

8. Alliage fer-cobalt selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que :