Alliage magnetique doux pour horlogerie

Abstract

 Alliage magnétique doux du type fer-nickel dont la composition chimique comprends, en % en poids : 34 % ≤ Ni ≤ 40 % ; 7 % ≤ Cr ≤ 10 % ; 0,5 % ≤ Co ≤ 3 % ; 0,1 % ≤ Mn ≤ 1 % ; O ≤ 0,007 % ; S ≤ 0,002 % ; N ≤ 0,004% ; avec N + S + O ≤ 0,01 % ; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Utilisation pour des circuits magnétiques de moteurs d'horlogerie.

Description

[0001] L'invention est relative à un alliage magnétique doux économique ayant une bonne stabilité en température de la perméabilité magnétique et une bonne résistance à l'oxydation en atmosphère humide. Cet alliage est utilisable, notamment, pour la fabrication du stator d'un micro moteur électrique pas à pas pour horlogerie.

[0002] Les micro moteurs électriques pour horlogerie comportent un stator généralement fabriqué en alliage magnétique doux contenant environ 80 % de nickel, quelques % de molybdène ou de cuivre, le reste étant du fer. Un tel alliage a une perméabilité magnétique maximale de 200 000 à 300 000 sur toute la plage de température de fonctionnement (- 20 °C, + 60 °C), de ce fait, les micro moteurs ainsi fabriqués ont une très faible consommation d'énergie. Mais, les alliages à 80 % de nickel sont coûteux et s'oxydent facilement dans des atmosphères humides, ce qui présente plusieurs inconvénients : leur utilisation est délicate dans certaines régions chaudes et humides ; ils sont mal adaptés à la fabrication de montres dont le mécanisme est visible ; ils sont trop coûteux pour la fabrication de montres bon marché.

[0003] Afin de remédier à ces inconvénients, il a été proposé de remplacer les alliages à 80 % de nickel par des alliages du type fer-nickel-chrome contenant moins de 50 % de nickel et quelques % de chrome pour la fabrication des moteurs de montre. Mais, les alliages proposés ont, en général, une perméabilité magnétique à la fois insuffisante et trop sensible à la température. Cette trop grande sensibilité de la perméabilité magnétique à la température est un inconvénient. En effet, un moteur de montre doit fonctionner de façon satisfaisante entre - 20 °C et + 60 °C, ce qui suppose que la perméabilité magnétique ne varie pas trop sur cette plage de température.

[0004] Compte tenu de toutes les contraintes qui s'imposent à un micro moteur pas à pas pour horlogerie, pour fabriquer le stator d'un tel moteur qui soit économique, il est souhaitable de disposer d'un alliage magnétique doux qui a une induction à saturation Bs supérieure ou égale à 5000 Gauss (0,5 tesla), une perméabilité maximale relative en courant continu µ_cc,max supérieure à 70000, une résistivité ρ suffisante pour que µ_cc,max × ρ > 0,05 Ω.m, une stabilité suffisante de la perméabilité magnétique µ_cc,max entre - 20 °C et + 60 °C, une résistance améliorée à l'oxydation, et une teneur en nickel relativement faible. Pour que la perméabilité magnétique ait une stabilité suffisante, il est souhaitable que sa variation en valeur relative, par rapport à sa valeur à 20 °C, reste inférieure à 30 % sur la plage de température considérée.

[0005] Le but de la présente invention est de proposer un alliage qui réponde à ces exigences.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un alliage magnétique doux dont la composition chimique comprends, en % en poids :
   34 % ≤ Ni ≤ 40 %
   7 % ≤ Cr ≤ 10 %
   0,5 % ≤ Co ≤ 3%
   0,1 % ≤ Mn ≤ 1 %
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

[0007] De préférence, les impuretés que sont O, S, N sont telles que :
   O ≤ 0,007 %
   S ≤ 0,002 %
   N ≤ 0,004%
et :
   N + S + O < 0,01%

[0008] II est également préférable que les impuretés Si, Al, Ca, Mg soient telles que :
   Si ≤ 0,3 %
   Al ≤ 0,05 %
   Ca ≤0,03 %
   Mg ≤ 0,03 %
et, que :
   Si + Al + Ca + Mg + Mn ≤ 1%

[0009] Cet alliage peut être utilisé pour la fabrication d'une culasse magnétique, et en particulier, pour fabriquer le stator d'un micro moteur électrique pas à pas pour horlogerie.

[0010] L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par des exemples.

[0011] La composition chimique de l'alliage magnétique doux comprend, en % en poids :

• plus de 34 % de nickel pour obtenir une induction à saturation et perméabilité magnétique suffisantes. Mais, pour obtenir un alliage économique, et compte tenu notamment d'une addition de chrome, la teneur en nickel doit rester inférieure à 40 %.
• de 7 % à 10 % de chrome pour améliorer la résistance à l'oxydation et augmenter la perméabilité magnétique à basse température ; lorsque la teneur en nickel est comprise entre 34 % et 40 %, une telle teneur en chrome améliore sensiblement la perméabilité magnétique entre - 40 °C et 0 °C.
• de 0,5 % à 3 % de cobalt pour obtenir une stabilité en température suffisante de la perméabilité magnétique. En effet, les inventeurs ont constaté de façon inattendue que, pour des teneurs en nickel comprises entre 34 % et 40 % et des teneurs en chrome comprises entre 7 % et 10 %, une addition modérée de cobalt améliorait sensiblement la stabilité en température de la perméabilité magnétique, entre - 20 °C et + 60 °C.
• de 0,1 % à 1 % de manganèse, et de préférence plus de 0,2 %, pour désoxyder l'alliage et fixer le soufre.
• le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration.

[0012] Les impuretés sont, notamment, l'oxygène, le soufre, l'azote, le silicium, l'aluminium, le calcium et le magnésium.

[0013] Toutes ces impuretés ont un effet défavorable sur les propriétés magnétiques, aussi, afin d'obtenir des propriétés magnétiques satisfaisantes, il est préférable que :

• la teneur en oxygène reste inférieure ou égale à 0,007 %, la teneur en azote reste inférieure ou égale à 0,004 %, la teneur en soufre reste inférieure ou égale à 0,002 %, et la somme O + N + S des teneurs en oxygène, azote et soufre, reste inférieure ou égale à 0,01 % ;
• les teneurs résiduelles en éléments désoxydants tels que Si, Al, Ca, Mg restent inférieures ou égales à 0,3 % pour le silicium, 0,05 % pour l'aluminium, et 0,03 % pour le calcium ou pour le magnésium ; le calcium et le magnésium ont l'avantage de permettre la formation de petits oxydes qui rendent l'alliage plus facilement découpable.

[0014] De plus, il est préférable que la somme Mn + Si + Al + Ca + Mg des teneurs en manganèse, silicium, aluminium, calcium et magnésium, reste inférieure ou égale à 1 %.

[0015] Les teneurs en d'autres impuretés comme le phosphore et le bore, doivent, également, rester les plus faibles possibles.

[0016] L'alliage ainsi défini, qui est du type Fe-Ni- Cr- Co, peut être laminé à chaud, puis à froid, et, éventuellement, soumis à un recuit sous hydrogène à une température supérieure ou égale à 900 °C pendant plus d'une heure, et de préférence entre 1100 °C et 1200 °C pendant 1 à 4 heures. Le recuit à haute température sous hydrogène a l'avantage d'éliminer, au moins partiellement, certains précipités de sulfures ou de nitrures qui ont un effet défavorable sur les propriétés magnétiques.

[0017] Cet alliage a une induction à saturation Bs supérieure à 5000 Gauss, à 70 °C, une perméabilité magnétique relative maximale en courant continu µ_cc,max supérieure à 70000 à 20 °C, une résistivité électrique p supérieure à 70 µΩ.cm à 20 °C, et une stabilité en température de la perméabilité magnétique relative maximale définie pour une température T, par :

[0018] Dans cette formule, Δµ_cc,max(T) représente la variation de µ_cc,max entre 20 °C et T, et µ_cc,max(20 °C) représente la perméabilité en courant continu à 20 °C.

[0019] De plus, compte tenu de sa teneur en chrome, l'alliage a une bonne résistance à l'oxydation en atmosphère humide.

[0020] A titre d'exemple on a fabriqué des rondelles de 20 mm de diamètre intérieur et 30 mm de diamètre extérieur, découpées dans des bandes laminées à froid de 0,6 mm d'épaisseur en alliages selon l'invention et en alliages donnés à titre de comparaison, élaborés par fusion sous vide de matières premières pures. Les rondelles ont été recuites sous hydrogène à 1170 °C pendant 4 heures. On a mesuré l'induction à saturation Bs à 70 °C, le champ coercitif Hc à 20 °C, la résistivité électrique ρ à 20 °C, la perméabilité magnétique relative maximale en courant continu µ_cc,max à 20 °C et la valeur maximale de sa variation relative |Δµ_cc,max(T)/µ_cc,max(20 °C)| sur la plage de température - 20 °C, + 60 °C (en abrégé, cette valeur maximale de variation est appelée Δµ/µ).

[0021] Les compositions chimiques des alliages 1 à 4, correspondant à l'invention, et 5 à 17 donnés à titre de comparaison, sont indiquées au tableau 1 et les caractéristiques magnétiques, au tableau 2.

Tableau 1

rep	Ni	Cr	Co	Mn	C	Si	P	N	O	S	N+O+S
1	35,79	8,92	3,03	0,29	0,009	0,03	0,002	0,001	0,0069	0,0005	0,0084
2	37,45	8,72	3,06	0,3	0,0089	0,03	0,002	0,0012	0,0068	0,0005	0,0085
3	37,75	9,54	1,02	0,3	0,0091	0,03	0,002	0,0007	0,0062	0,0005	0,0074
4	39,49	9,6	1,02	0,287	0,0096	0,021	0,003	0,0029	0,0029	0,001	0,0068
5	35,8	9,05	1,04	0,3	0,0083	0,03	0,002	0,0005	0,009	0,0005	0,0100
6	37,63	9,31	0,5	0,293	0,0086	0,01	0,003	0,0027	0,009	0,0008	0,0125
7	37,95	9,56	1,42	0,289	0,0083	0,017	0,003	0,003	0,0084	0,0009	0,0123
8	36,54	9,03	0,096	0,306	0,006	0,164	0,007	0,0027	0,008	0,0014	0,0121
9	36,97	9,02	0,04	0,293	0,0046	0,15	0,0057	0,0027	0,010	0,002	0,0147
10	37,82	8,95	0,002	0,48	0,005	0,013	0,004	0,0042	0,0066	0,0042	0,0150
11	35,85	5,89	2,85	0,308	0,0083	0,031	0,0034	0,0006	0,0052	0,0005	0,0063
12	37,69	3,14	1,06	0,296	0,009	0,031	0,0035	0,0005	0,0057	0,0005	0,0067
13	37,74	5,76	0,97	0,308	0,0092	0,033	0,0038	0,0008	0,0058	0,0005	0,0071
14	35,77	5,6	1,01	0,306	0,0094	0,035	0,004	0,0008	0,0075	0,0005	0,0088
15	37,77	5,8	2,87	0,287	0,0069	0,033	0,0037	0,0009	0,0083	0,0005	0,0097
16	33,96	2,64	1,96	0,259	0,0089	0,032	0,0035	0,0051	0,0085	0,0005	0,0141
17	37,86	10,55	0,96	0,299	0,0049	0,019	0,003	0,0027	0,014	0,001	0,0177

Tableau 2

rep	Bs (G)	Hc (Oe)	ρ (µΩ.cm)	µcc,max	Δµ/µ (%)
1	5800	27,4	92	92700	26
2	6800	24,5	94,4	87500	16
3	6000	21,9	93,2	95400	9
4	6500	20,6	98,5	72000	2
5	4800	23,9	91,1	70000	16
6	5500	22	92,9	67000	4
7	5800	25,7	93,5	67000	12
8	4300	23,3	95	78400	55
9	4700	22	96	67000	37
10	5400	15,5	95	76500	48
11	8400	45,4	90,9	53200	53
12	11000	54,3	82,6	54200	33
13	8700	33,9	90,2	83600	54
14	7600	44,5	90,5	49700	65
15	9400	44,2	90,9	57900	61
16	9200	85	83,5	20200	60
17	4700	21,9	96,2	62000	57

[0022] La comparaison des échantillons 1 à 7 d'une part et 8 à 17 d'autre part, montre que une addition de 0,5 % à 3 % de cobalt combinée avec une teneur en nickel comprise entre 34 % et 40 % et une teneur en chrome comprise entre 7 % et 10 %, améliore très sensiblement la stabilité en température Δµ/µ de la perméabilité magnétique en courant continu. En particulier, les échantillons 8 à 10, qui ont des teneurs en nickel et chrome conformes à l'invention, mais qui ne contiennent pratiquement pas de cobalt, ont toujours une valeur de Δµ/µ supérieure à 30, alors que pour les échantillons 1 à 7, Δµ/µ est toujours inférieur à 30.

[0023] De même, les échantillons 11 à 17, qui contiennent du cobalt, mais dont les teneurs en chrome sont en dehors des limites de l'invention, ont des valeurs de Δµ/µ supérieures à 30.

[0024] De plus, la comparaison des échantillons 1 à 4 (conformes à l'invention) dont les teneurs en oxygène sont inférieures à 0,007 % et dont les sommes des teneurs en azote, oxygène et soufre sont inférieures à 0,01 %, ont une induction à saturation Bs supérieure à 5000 Gauss, et une perméabilité magnétique relative maximale en courant continu µ_cc,max supérieure à 70000 à 20 °C, alors que les échantillons 5 à 7 qui ne satisfont pas aux conditions de teneur en oxygène ou de somme N + O + S, ont soit une induction à saturation inférieure à 5000 Gauss, soit une perméabilité magnétique en courant continu inférieure à 70000 à 20 °C. Dans tous les cas, la résistivité est supérieure à 90 µΩ.cm ; le produit µ_cc,max × ρ est supérieur à 0,05 Ω.m.

[0025] Avec l'alliage selon l'invention, on peut fabriquer des stators de micro moteurs pas à pas pour horlogerie, à la fois économiques, ayant une bonne résistance à l'oxydation par une atmosphère humide, et ayant de bonnes performances.

[0026] Du fait de l'induction à saturation supérieure à 5000 Gauss, le couple électromagnétique appliqué au rotor est toujours très supérieur aux couples résistants.

[0027] Du fait de la perméabilité magnétique supérieure à 70000 (à 20 °C), la réluctance magnétique du circuit reste faible, ce qui permet d'utiliser une bobine pas trop grosse.

[0028] Du fait de la résistivité électrique élevée, les courants induits sont limités, ce qui permet d'obtenir des pertes d'énergie faibles.

[0029] Du fait de la présence de plus de 7 % de chrome, la résistance à l'oxydation est bonne.

[0030] Enfin, cet alliage est sensiblement plus économique que les alliages à 80 % de nickel.

Revendications

1. Alliage magnétique doux du type fer-nickel caractérisé en ce que sa composition chimique comprends, en % en poids :
   34 % ≤ Ni ≤ 40 %
   7 % ≤ Cr ≤ 10 %
   0,5 % ≤ Co ≤ 3%
   0,1 % ≤ Mn ≤ 1 %
   O ≤ 0,007 %
   S ≤ 0,002 %
   N ≤ 0,004%
avec   N + S + O ≤ 0,01%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

2. Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce que les impuretés que sont Si, Al, Ca, Mg sont telles que :
   Si ≤ 0,3 %
   Al ≤ 0,05 %
   Ca < 0,03 %
   Mg ≤ 0,03 %
et,
   Si + Al + Ca + Mg + Mn ≤ 1%

3. Utilisation d'un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 pour la fabrication d'une culasse magnétique.

4. Utilisation selon la revendication 3 caractérisée en ce que la culasse magnétique constitue le stator d'un micro moteur électrique pas à pas pour horlogerie.