Procédé de fabrication d'un noyau magnétique doux nanocristallin utilisable dans un disjoncteur différentiel et noyau magnétique obtenu

Description

[0001] La présente invention concerne un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin utilisable notamment pour la fabrication d'un disjoncteur différentiel de la classe A.

[0002] Les disjoncteurs différentiels de la classe A sont des disjoncteurs différentiels à propre courant sensible non seulement aux courants de défaut sinusoïdaux, mais également aux courants de défauts pulsés. Ces disjoncteurs différentiels comportent un noyau magnétique en alliage magnétique doux ayant une perméabilité magnétique maximale d'impédance µ_z à 50 Hertz élevée et un rapport Br/Bm de l'induction rémanente à l'induction à saturation inférieure à 0,2, et une bonne stabilité en température des propriétés magnétiques dans la plage de température de fonctionnement qui s'étend de - 25 °C à + 100 °C. La perméabilité magnétique maximale d'impédance µ_z doit être élevée, car, plus elle est élevé, plus il est possible de réduire les dimensions du noyau magnétique et donc de miniaturiser le disjoncteur différentiel ; ; le rapport Br/Bm doit rester faible pour préserver la sensibilité du disjoncteur aux courants pulsés. De plus, la sensibilité du disjoncteur aux courants de défaut pulsés est d'autant meilleur que les grandeurs ΔB_stat et ΔB_dyn sont plus élevés ; ΔB_stat et ΔB_dyn étant les amplitudes de variation de l'induction magnétique engendrées par un champ d'excitation alternatif redressé demi-onde dans le premier cas et pleine onde dans le second.

[0003] On peut fabriquer des noyaux magnétiques pour disjoncteurs différentiels de la classe A en utilisant un alliage magnétique doux du type comprenant plus de 60 atomes % de fer, du cuivre, du silicium, du bore et un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse. Ces noyaux magnétiques sont obtenus en coulant l'alliage sous forme d'un ruban amorphequi est enroulé pour former un tore, puis soumis à un traitement thermique de cristallisation destiné à conférer à l'alliage une structure nanocristalline, et, enfin, soumis à un traitement thermique sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau appliqué de façon continue tout au long du traitement thermique, le traitement thermique se faisant vers 400 °C. Les noyaux magnétiques ainsi obtenus ont une stabilité en température satisfaisante et un rapport Br/Bm inférieur à 0,2. Mais ils ne permettent pas d'obtenir une perméabilité magnétique d'impédance µ_z mesurée à 50 Hz dans un champ d'excitation maximale de 10 mA/cm (valeur de crête) à 25 °C supérieure à 170 000 ni des valeurs de ΔB_stat et ΔB_dyn supérieures à 0,19 Tesla pour un champ d'excitation d'amplitude maximale de 10 mA/cm, ce qui limite les possibilités de miniaturisation.

[0004] DE 4 019 636 décrit un procédé d'amélioration des propriétés magnétiques de matériaux ferromagnétiques amorphes consistant à les soumettre de façon continue à un champ magnétique alternatif dont la fréquence est comprise entre 50 et 50 kHz, à forme sinusoïdale, à angles droits ou triangulaire et la densité de courant comprise entre 10 et 500 A/cm².

[0005] Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen pour fabriquer un noyau magnétique utilisable dans un disjoncteur différentiel de la classe A ayant à la fois une perméabilité magnétique d'impédance µ_z mesurée à 50 Hz dans un champ d'excitation maximale de 10 mA/cm (valeur de crête) supérieure à 200 000 et des valeurs de ΔB_stat et ΔB_dyn supérieures à 0,2 Tesla pour un champ d'excitation d'amplitude maximale de 10 mA/cm.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour la fabrication d'un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin dont la composition chimique comprend plus de 60 atomes % de fer, de 10 à 20 atomes % de silicium, de 0,1 à 2 atomes % de cuivre, de 5 à 20 atomes % de bore, de 0,1 à 10 atomes % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse, ainsi que des impuretés résultant de l'élaboration; la somme des teneurs en silicium et en bore étant inférieure à 30 atomes %; l'alliage nanocristallin étant obtenu par un traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe. Selon ce procédé, on effectue sur le noyau magnétique un traitement thermique sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau à une température comprise entre 250 °C et 450 °C, le champ magnétique étant appliqué sous forme de créneaux.

[0007] De préférence, le traitement thermique sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau est effectué à une température comprise entre 300 °C et 400 °C.

[0008] Ce procédé s'applique plus particulièrement aux alliages magnétiques doux nanocristallins dont la composition chimique comprend de 10 à 17 atomes % de silicium, de 0,5 à 1,5 atomes % de cuivre, de 5 à 14 atomes % de bore et de 2 à 4 % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse.

[0009] Avant d'effectuer le traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, on peut effectuer sur l'alliage à l'état amorphe un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe. De préférence, le traitement thermique de relaxation consiste en un maintien à une température comprise entre 250 °C et 480 °C pendant un temps compris entre 0,1 et 10 heures.

[0010] Le noyau magnétique obtenu par le procédé selon l'invention peut être utilisé avantageusement pour la fabrication d'un disjoncteur différentiel à propre courant de la classe A.

[0011] L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par un exemple.

[0012] Pour fabriquer un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin, on coule l'alliage sous forme d'un ruban amorphe, puis on enroule un segment de ruban de longueur appropriée autour d'un mandrin de façon à former une bobine torique de section rectangulaire ou carrée. La bobine qui va constituer le noyau magnétique est alors soumise à un traitement thermique de cristallisation destiné à déstabiliser la structure amorphe et à provoquer la formation de cristaux dont la taille est inférieure à 100 nanomètres, voire inférieure à 20 nanomètres, et, ainsi, obtenir une structure appelée « nanocristalline ». Ce traitement est, ensuite, complété par un traitement thermique sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau, c'est à dire, sous un champ magnétique parallèle à l'axe du noyau. L'alliage est du type décrit notamment dans les demandes de brevet européen EP 0 271 657 et EP 0 299 498. Il est constitué principalement de fer en une teneur supérieure à 60 atomes %, et contient en outre :

• de 0,1 à 2 at %, et de préférence, de 0,5 à 1,5 at % de cuivre ;
• de 10 à 20 at %, et de préférence, moins de 17 at % de silicium ;
• de 5 à 20 at %, et de préférence, moins de 14 at % de bore ;
• de 0,1 à 10 at % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse; de préférence de 2 et 4 at % de niobium .

L'alliage contient également des impuretés résultant de l'élaboraton.

[0013] La somme des teneurs en silicium et en bore doit, de préférence, rester inférieure à 30 at % et, mieux encore, rester inférieure à 25 at %.

[0014] 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.

[0015] Le traitement thermique effectué sous champ magnétique est effectué à une température comprise entre 250 °C et 450 °C, et de préférence entre 300 °C et 400 °C. Pendant le maintien en température, le champ magnétique est appliqué sous forme d'une succession de créneaux. Un créneau correspond à une période pendant laquelle le champ magnétique appliqué est maximal, suivi d'une période pendant la quelle il est nul ou très faible (inférieur à 10 % du champ magnétique maximal atteint pendant le traitement). Le champ magnétique applique pendant une période peut être continu ou alternatif, dans ce dernier cas, l'intensité du champ magnétique est l'intensité de crête (intensité maximale atteinte à chaque alternance). L'intensité du champ magnétique peut être constante pendant toute la période d'application du champ (créneaux rectangulaires) ou variable. Tous les créneaux peuvent être de même intensité ou au contraire d'intensité variable d'un créneau à l'autre. Le traitement thermique peut se terminer à la fin de la période d'application du champ magnétique du dernier créneau ; l'essentiel étant que le traitement comporte au moins deux périodes pendant lesquelles le champ magnétique appliqué séparées par une période pendant laquelle le champ magnétique n'est pas appliqué. Les inventeurs ont, en effet, constaté qu'en procédant ainsi, la stabilité en température des propriétés magnétiques du noyau magnétique étaient très sensiblement améliorées.

[0016] Par ce procédé on obtient un noyau magnétique dont la perméabilité magnétique d'impédance µ_z mesurée à 50 Hertz dans un champ magnétique d'excitation maximale de 10 mA/cm (valeur de crête) à 25 °C est supérieur à 200 000, et dont la perméabilité magnétique varie de moins de 25 % sur la plage de température comprise entre - 25 °C et + 100 °C. De plus, le rapport Br/Bm de l'induction rémanente à l'induction à saturation est inférieure à 0,2, ΔB_stat et ΔB_dyn sont tous les deux supérieures à 0,2 Tesla, le rapport ΔB_stat/ΔB_dyn étant voisin de 1. Un tel noyau magnétique peut être utilisé dans un disjoncteur différentiel de la classe A. Du fait de ses propriétés magnétiques, à sensibilité égale du disjoncteur, la section du noyau peut être réduite sensiblement par rapport à la section d'un noyau magnétique selon l'art antérieur.

[0017] En complément des traitements thermiques qui viennent d'être décrit, on peut, avant le traitement thermique de cristallisation, effectuer sur le noyau un traitement thermique 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. Ce recuit de relaxation a pour avantage de réduire encore la sensibilité des propriétés magnétiques des noyaux à la température, de réduire la dispersion des propriétés magnétiques de noyaux fabriqués en série et de réduire la sensibilité des propriétés magnétiques aux contraintes.

[0018] A titre d'exemple, à partir d'un ruban en alliage Fe_73,5Si_13,5B₉Cu₁Nb₃, (73,5 at % de fer, 13,5 at % de silicium, etc.), de 20 µm d'épaisseur et 10 mm de largeur obtenus par trempe directe sur une roue refroidie, on a fabriqué deux séries A et B de noyaux magnétiques qui ont été soumises toutes les deux à un traitement de cristallisation de 1 heures à 530 °C (sans traitement de relaxation). A titre de comparaison, la première série A de noyaux a été soumise à un traitement thermique de 1 heure à 350 °C sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau appliqué de façon continue. Conformément à l'invention, l'autre série, B, a été soumise à un traitement thermique de 1 heure à 350 sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau appliqué sous forme de créneaux de 5 mn sous champ magnétique séparées par des périodes de 15 mn sans champ magnétique. Pour l'une des séries, on a mesuré à 25 °C les grandeurs µ_z, ΔB_stat et ΔB_dyn pour un champ magnétique d'excitation alternatif à 50 Hertz d'amplitude maximale de 10 mA/cm ; on a également mesuré le rapport Br/Bm. Les résultats ont été les suivants :

série	µ (10 mA/cm°	ΔBstat (T)	ΔBdyn (T)	ΔBstat / ΔBdyn	Br/Bm
A compar.	153 000	0,172	0,169	1,017	0,05
B invention	230 000	0,240	0,234	1,025	0,1

[0019] Ces exemples montrent bien l'amélioration de propriétés magnétiques apportées par le procédé selon l'invention : µ_z supérieur à 200 000, ΔB_stat et ΔB_dyn supérieurs à 0,2 Tesla, avec ΔB_stat/ΔB_dyn voisin de 1 et Br/Bm inférieur à 0,2.

Revendications

1. Procédé pour la fabrication d'un noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin dont la composition chimique comprend plus de 60 atomes % de fer, de 10 à 20 atomes % de silicium, de 0,1 à 2 atomes % de cuivre, de 5 à 20 atomes % de bore, de 0,1 à 10 atomes % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse, ainsi que des impuretés résultant de l'élaboration, la somme des teneurs en silicium et en bore étant inférieure à 30 atomes %, l'alliage nanocristallin étant obtenu par un traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, caractérisé en ce que on effectue sur le noyau magnétique un traitement thermique sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau à une température comprise entre 250 °C et 450 °C, le champ magnétique étant appliqué sous forme de créneaux.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement thermique sous champ magnétique parallèle à l'axe du noyau est effectué à une température comprise entre 300 °C et 400 °C.

3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que la composition chimique de l'alliage magnétique doux nanocristallin comprend de 10 à 17 atomes % de silicium, de 0,5 à 1,5 atomes % de cuivre, de 5 à 14 atomes % de bore et de 2 à 4 % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que, avant d'effectuer le traitement thermique de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe, on effectue sur l'alliage à l'état amorphe un traitement thermique de relaxation à une température inférieure à la température de début de cristallisation de l'alliage à l'état amorphe.

5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le traitement thermique de relaxation consiste en un maintien à une température comprise entre 250 °C et 480 °C pendant un temps compris entre 0,1 et 10 heures.

6. Noyau magnétique en alliage magnétique doux nanocristallin dont la composition chimique comprend plus de 60 atomes % de fer, de 10 à 20 atomes % de silicium, de 0,1 à 2 atomes % de cuivre, de 5 à 20 atomes % de bore, de 0,1 à 10 atomes % d'au moins un élément pris parmi le niobium, le titane, le zirconium, le hafnium, le vanadium, le tantale, le chrome, le molybdène, le tungstène et le manganèse, ainsi que des impuretés résultant de l'élaboration, la somme des teneurs en silicium et en bore étant inférieure à 30 atomes %, l'alliage nanocristallin pouvant être obtenu par un traitement thermique de cristallisation sous un champ parallèle à l'axe du noyau de l'alliage à l'état amorphe, caractérisé en ce que, pour un champ magnétique d'excitation alternatif à 50 Hertz d'amplitude maximale de 10 mA/cm, à 25 °C, la perméabilité magnétique d'impédance µ_z est supérieure à 200 000, le rapport Br/Bm de l'induction rémanente Br à l'induction à saturation Bm inférieur à 0,2 et les grandeurs ΔB_stat et ΔB_dyn sont supérieures à 0,2 Tesla.

7. Utilisation d'un noyau magnétique selon la revendication 6 pour la fabrication d'un disjoncteur différentiel à propre courant de la classe A.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 At.% Eisen, 10 bis 20 At.% Silicium, 0,1 bis 2 At.% Kupfer, 5 bis 20 At.% Bor, 0,1 bis 10 At.% mindestens eines Elements, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen enthält, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 At.% liegt und wobei die nanokristalline Legierung durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Magnetkern eine thermische Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 450 °C durchgeführt wird, wobei das Magnetfeld in Form von Pulsen angewandt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung in dem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 300 bis 400 °C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der nanokristallinen weichmagnetischen Legierung 10 bis 17 At.% Silicium, 0,5 bis 1,5 At.% Kupfer, 5 bis 14 At.% Bor und 2 bis 4 At.% mindestens eines Elements umfasst, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung der thermischen Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand eine thermische Relaxationsbehandlung an der Legierung im amorphen Zustand bei einer Temperatur unter der Temperatur der beginnenden Kristallisation der Legierung im amorphen Zustand durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Relaxationsbehandlung darin besteht, eine Temperatur im Bereich von 250 bis 480 °C während einer Zeitspanne von 0,1 bis 10 Stunden zu halten.

6. Magnetkern aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 At.% Eisen, 10 bis 20 At.% Silicium, 0,1 bis 2 At.% Kupfer, 5 bis 20 At.% Bor, 0,1 bis 10 At.% mindestens eines Elements, das unter Niob, Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadin, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen enthält, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 At.% liegt, wobei die nanokristalline Legierung erhältlich ist durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand in einem zur Achse des Kerns parallelen Feld, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mit 50 Hz und mit einer maximalen Amplitude von 10 mA/cm alternierenden magnetischen Anregungsfeld bei 25 °C die magnetische Permeabilität (Impedanz) µ_z über 200 000 liegt, das Verhältnis Br/Bm der Remanenz Br und der Sättigungsflussdichte Bm unter 0,2 liegt und die Werte ΔB_stat und ΔB_dyn über 0,2 Tesla liegen.

7. Verwendung eines Magnetkerns nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters mit Eigenstrom der Klasse A.

Claims

1. Process for manufacturing a magnetic core from a nanocrystalline soft magnetic alloy, the chemical composition of which comprises more than 60 at% iron, 10-20 at% silicon, 0.1 to 2 at% copper, 5 to 20 at% boron and 0.1 to 10 at% of at least one element taken from niobium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten and manganese, as well as impurities resulting from the smelting, the sum of the silicon and boron contents being less than 30AT% and the nanocrystalline alloy being obtained by a crystallization heat treatment of the alloy in the amorphous state, characterized in that a heat treatment is carried out on the magnetic core in a magnetic field parallel to the axis of the core at a temperature between 250°C and 450°C, the magnetic field being applied in the form of square pulses.

2. Process according to Claim 1, characterized in that the heat treatment in a magnetic field parallel to the axis of the core is carried out at a temperature between 300°C and 400°C.

3. Process according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that the chemical composition of the nanocrystalline soft magnetic alloy comprises 10 to 17 at% silicon, 0.5 to 1.5 at% copper, 5 to 14 at% boron and 2 to 4% of at least one element taken from niobium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten and manganese.

4. Process according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that, before the crystallization heat treatment of the alloy in the amorphous state is carried out, a relaxation heat treatment is carried out on the alloy in the amorphous state at a temperature below the crystallization onset temperature of the alloy in the amorphous state.

5. Process according to Claim 4, characterized in that the relaxation heat treatment consists of a soak at a temperature between 250°C and 480°C for a time between 0.1 and 10 hours.

6. Magnetic core made of a nanocrystalline soft magnetic alloy, the chemical composition of which comprises more than 60 at% iron, 10-20 at% silicon, 0.1 to 2 at% copper, 5 to 20 at% boron and 0.1 to 10 at% of at least one element taken from niobium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten and manganese, as well as impurities resulting from the smelting, the sum of the silicon and boron contents being less than 30 at%, it being possible to obtain the nanocrystalline alloy by a crystallization heat treatment of the alloy in the amorphous state in a field parallel to the axis of the core, characterized in that, for a 50 Hz AC excitation magnetic field with a maximum amplitude of 10 mA/cm, at 25°C, the impedance magnetic permeability µ_z is greater than 200 000, the ratio B_r/B_m of the remnant induction B_r to the saturation induction B_m is less than 0.2 and the quantities ΔB_stat and ΔB_dyn are greater than 0.2 tesla.

7. Use of a magnetic core according to Claim 6 for the manufacture of a Class A residual-current circuit breaker.