Alliage magnétique

Alliages magntiques doux

par Georges COUDERCHONResponsable du groupe Alliages magntiques au Dpartement Recherche et Dveloppement de la socit IMPHY SA (Groupe USINOR)

1. Alliages ferromagntiques..................................................................... M 350 - 3

2. Mcanismes daimantation des alliages magntiques doux ........ 7

3. Physico-chimie des alliages magntiques doux industriels ......... 12

4. Tles pour llectrotechnique ............................................................... 15

5. Alliages pour usages spciaux.............................................................. 21Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 1

e magntisme intresse les hommes depuis longtemps (ds 3000 4 000 ans avant Jsus-Christ, semble-t-il, en Chine, en gypte et chez les

Sumriens) ; Thals de Milet (640-547 av. J.-C.) prtend que, vers 800 av. J.-C.,on tait dj fascin par les interactions quexercent entre eux des morceaux demagntite. Le gnie lectrique tait donc n mais il fallut attendre la fin duXIXe sicle pour quil spanouisse.

Les matriaux magntiques ont largement particip ce phnomne et leurdveloppement ponctue celui du gnie lectrique (1900 : fer-silicium et machi-nes lectriques ; 1920 : fer-nickel et tlphonie ; 1950 : ferrites et tlvision). Eneffet, chaque fois que lon produit, transforme ou utilise de lnergie lectrique,on a besoin deux. Ils se trouvent ainsi au cur de nombreux dispositifs dansdes domaines aussi divers que llectrotechnique, les communications, linfor-matique... Leur varit est de ce fait trs grande.

On distingue habituellement, dun point de vue pratique, en se rfrant lavaleur du champ coercitif Hc, deux grandes classes :

les aimants permanents ou matriaux magntiques durs qui demeurentaimants quand ils lont t (Hc suprieur quelques milliers dampres parmtre) ;

les matriaux magntiques doux qui saimantent et se dsaimantent facile-ment (Hc < 1 000 A m

-1).Les matriaux magntiques doux sont composs de trois familles princi-

pales. Les alliages de la famille du fer (FeSi), produits en gros tonnage, sont les

matriaux magntiques de bases pour llectrotechnique traditionnelle. Les alliages spciaux (FeNi, FeCo, amorphes, etc.), produits en quantits

plus limites, sont rservs des usages spcifiques en raison du prix lev desmatires employes pour leur fabrication.

6. Alliages issus dune structure amorphe............................................. 26

7. Proprits magntiques de quelques aciers spciaux ................... 28

8. Conclusion .................................................................................................. 30

9. Annexe. Aperu sur les proprits magntiques des acierscourants....................................................................................................... 30

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. M 350

L

ALLIAGES MAGNTIQUES DOUX __________________________________________________________________________________________________________

Les ferrites, mlanges doxydes ferrimagntiques fritts, sont utiliss sur-tout aux frquences leves (f > 50 kHz) cause de leur grande rsistivitlectrique (1 W m < r < 105 W m). Les industries de la tlvision, de la radio, dela tlphonie... en sont les principaux consommateurs.

Notations et Symboles

Symbole Unit Dfinition

B T induction magntique

DB ; Bm T excursion dinduction ; valeur maximale de cette excursion dinduction

Br T induction rmanenteToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 2 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

d mm paisseur dune tle

f Hz frquence du champ magntisant

H ; Hm A m-1 champ magntique (champ dexcitation) ; valeur maximale de ce champ

Hc A m-1 champ coercitif

J T aimantation

Js T aimantation saturation

K1 J m-3 constante danisotropie magntocristalline

Ku J m-3 constante danisotropie magntique uniaxiale induite

W kg-1 pertes massiques pour une excursion dinduction de x (T) la frquence de y (Hz)

l100 , l111 nombres coefficients de magntostriction dans les directions cristallographiques [100] et [111]

m0 H m-1 permabilit du vide (m0 = 4p 10

-7 H m-1, en units SI)

mr nombre permabilit relative

mcc nombre permabilit relative en polarisation continue

mmax cc nombre permabilit relative maximale en polarisation continue

mz nombre permabilit relative dimpdance

m5z nombre permabilit relative dimpdance dans un champ de 0,4 A m-1 (5 mOe)

mmax z nombre permabilit relative maximale dimpdance

r W m rsistivit lectrique

W xy

__________________________________________________________________________________________________________ ALLIAGES MAGNTIQUES DOUX

1. Alliages ferromagntiques et(2)

S tant la section droite du circuit magntique.

donc, disposer, dans celui-ci, dune forte aimantation saturation Js(dfinie 2.2).

Pour raliser ce transfert de faon avantageuse, il faut galementque le matriau magntique absorbe peu dnergie dans cette op-ration, cest--dire quil saimante facilement dans le champ excita-teur H, ce que lon caractrise globalement par la permabilit :

(3)

(ou les pertes) dans les conditions de fonctionnement.

Pour russir tout cela, qui est la clef de llectrotechnique classi-que, on met en uvre une proprit originale de quelques mtaux :le ferromagntisme ; il est intressant den rappeler les traits essen-tiels pour la comprhension des matriaux magntiques.

Lexprience a montr depuis longtemps que les propritsmagntiques des lments ou de leurs alliages sont sensibles lafois la nature des lments, la composition des alliages, la

Remarque prliminaireLemploi du systme international SI nest pas systmatique

dans le domaine des matriaux magntiques et on utilise encoretrs frquemment le systme CGS et mme des units anglo-saxonnes. Cest pourquoi le tableau ci-dessous donne quelquesquivalences utiles.

Par ailleurs, lintrieur du SI, concernant les matriaux, onutilise simultanment deux dfinitions de laimantation.

Les physiciens crivent gnralement linduction :

Laimantation est alors exprime en A m-1 comme le champ

;

Les lectrotechniciens et producteurs de matriauxprfrent :

B m0 H M+( )=

M

H

B m0 H J+=

B m 0 H J +=

mrB

m0H----------=Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 3

1.1 Alliages pour le gnie lectrique

Pendant longtemps, pour construire une machine lectrique, il asuffi de conducteurs, disolants et de matriaux magntiques. Lerle du matriau magntique est de coupler entre eux les diffrentscircuits lectriques (conducteurs) et ainsi de permettre le transfertde lnergie lectromagntique.

Pour changer beaucoup dnergie lectromagntique par unitde volume, il faut produire un flux magntique important dans lematriau de couplage :

F = BS (1)

structure cristalline, aux impurets, ltat de cristallisation, auxcontraintes etc. Il sagit donc dun vaste sujet dont nous ne donnonsquun aperu trs simplifi en partant du niveau atomique pourrejoindre laspect macroscopique des matriaux.

1.2 Ferromagntisme : phnomne coopratif

1.2.1 Aspects gnraux

Dans ldifice atomique, chaque particule lmentaire apporte sacontribution au moment magntique de latome. La contribution dunoyau atomique est toujours ngligeable et le moment magntiquede latome dpend essentiellement de la somme des moments deslectrons que les physiciens expriment en magnton de BohrmB (1 mB = 9,27 10

-24 A m2).

Dune faon gnrale, pour satisfaire les rgles de la physiqueatomique, les lectrons se regroupent pour constituer des couchesaussi compltes que possible, o ils sont apparis deux deux avecdes spins opposs qui conduisent un moment magntique rsul-tant nul. Le moment magntique dun atome ne provient donc quedes lectrons non apparis [32]. Cette simple observation a desconsquences importantes pour les matriaux :

le moment magntique est trs sensible lenvironnement chi-mique puisque ce sont les lectrons externes qui interviennent aussidans les liaisons chimiques ; ainsi, on mesure 2,2 mB par atome pourle fer mtallique, mais 4 mB pour Fe

++ et 5 mB pour Fe+++ ;

les lments susceptibles de donner un moment magntiqueimportant sont ceux qui ont beaucoup dlectrons non apparis :

mtaux de transition (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) ; mtaux des terres rares (La, Ce, Pr, etc.) ;

les lments qui nappartiennent pas aux sries de transition(Al, Mg, Sn, Cu, etc.) ne possdent pas gnralement de momentatomique, ou il est si faible quil na pas dintrt pour les matriauxmagntiques.

Dans les tats peu condenss de la matire (gaz, liquide), il ny apas dinteraction entre les moments magntiques datomes prochesvoisins. En revanche, la situation peut tre trs diffrente dans lessolides o les atomes porteurs de moments sont proches et ordon-ns sur un rseau cristallin. En simplifiant, on a deux situations :

(que lon devrait appeler polarisation magntique) est unegrandeur commode pour valuer les performances des mat-riaux industriels. Elle est donne en tesla comme linduction.

Cest la relation que nous utilisons ici, avec

videmment : .

Quelques quivalences utiles

Unit courante Unit SI Symbole Dsignation

1 Oe 79,6 A m-1 H Champ magntique

1 G 10-4 T B Induction

1 erg/cm3 0,1 J/m3 nergie volumique

1 G Oe 7,96 10-3 J/m3 nergie volumique

1 W/lb 2,2 W/kg W Puissance massique (pertes dans les tles)

1 W/lb 60 Hz 1,67 W/kg 50 Hz

(environ)

W Puissance massique (pertes dans les tles)

J

B m0 H J+=

J m0 M=


ParamagntiqueFerromagntiqueJs /J0

rseau ferromagntique basse tempraturea

1,0

1

2

3

2,19 T

1,82 T

0,65 T

Fe

Co

Ni

Aimantation saturation Js (T)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 4 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

soit les atomes voisins signorent et la somme de leursmoments magntiques demeure statistiquement nulle : cest leparamagntisme qui est sans intrt pour llectrotechnique ;

soit il apparat une interaction entre les moments magntiqueset ils sordonnent, soit paralllement (ferromagntisme), soit antipa-ralllement (antiferromagntisme), soit quelquefois de faon pluscomplexe (ferrimagntisme).

Le cas le plus simple et le plus intressant pour les applicationsest le ferromagntisme (figure 1) que lon observe dans le fer, lecobalt et le nickel et la plupart de leurs alliages. Lalignement desmoments magntiques atomiques conduit une sorte de magn-tisme gant : laimantation saturation est trs grande (figure 2).

Quand on chauffe un solide ferromagntique, lagitation crois-sante des atomes contrarie le couplage entre les moments magnti-ques des diffrents atomes et la perfection de leur alignementdcrot avec la temprature, dabord lentement, ensuite de faoncatastrophique lapproche de la temprature de Curie TC o cet ali-gnement disparat pour laisser place au dsordre paramagntique(figure 1). Lintensit du couplage et, par suite, la temprature deCurie TC dpendent naturellement des lments en prsence.

1.2.2 Alliages

Les alliages magntiques doux industriels sont gnralement dessolutions solides dune grande puret o un lment ferromagnti-que domine. Laction sur laimantation saturation Js ou la temp-rature de Curie TC des impurets en solution, tant mtalliques quenon mtalliques (P, S, C, etc.), est insignifiante si elle namnequune faible dilution (< 0,1 %) des moments magntiques. Enrevanche, les impurets prcipites, particulirement celles donnantdes composs stables, peuvent avoir une action trs nfaste sur lesproprits dusage (permabilit, pertes) comme nous le verronsparagraphe 3.3.

Lorsque lon ajoute volontairement un ou plusieurs lmentsdaddition, la dilution devient sensible. Les lments non magnti-ques amnent, dabord, une baisse linaire de laimantation, puissouvent une baisse plus rapide au moment o la concentration enlment ajout conduit une modification de la structure lectroni-que de lalliage (figure 3).

Quand on mlange deux lments ferromagntiques, les lois dedilution ne sappliquent pas aussi bien. Ainsi quand on ajoute du ferporteur de 2,2 mB au nickel qui nen a que 0,6 mB, on relve laiman-tation saturation de ce dernier et sa temprature de Curie commeon sy attend ; en revanche, une addition de cobalt porteur de 1,7 mBau fer augmente aussi laimantation saturation du fer : phno-mne intressant pour dvelopper des alliages pour machines forte nergie spcifique (matriel embarqu), mais quon ne peutexpliquer que dans la thorie des bandes [32].

Laddition dlments dalliage ou mme une modification de latemprature peuvent amener un changement de phase du solidedans lequel la nouvelle phase peut ne plus tre ferromagntique, carles conditions du couplage ferromagntique ne sont plus remplies.Par exemple :

Figure 1 Comportement ferromagntique

TC T (K)

0

J0 valeur 0 K de l'aimantation saturationTC temprature de Curie

variation de l'aimantation avec la tempratureb

Figure 2 Aimantation saturation du fer, du nickel et du cobalt

00 500 1 000 1 500

Temprature (K)

TC = 358 C TC = 770 C TC = 1 131 C


2,0

2,4

Co

Ni

W

Cr

Al

Aimantation saturation Js (T)

Figure 4 Courbe daimantation dun monocristal de fer

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

00 2 4 6 8 10

Champ magntique (en 104 A/m)

Aimantation saturation (T)

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 5

les alliages FeCo 50-50 sont ferromagntiques en phase a lambiante, mais paramagntiques en phase g ;

les aciers inoxydables ferritiques sont ferromagntiques, alorsque les aciers inoxydables austnitiques sont paramagntiques.

Si, dans lalliage, il apparat deux phases dont lune nest pas fer-romagntique, comme le changement de composition amne unevariation de la proportion des phases, laimantation saturation delalliage varie avec la composition ; en revanche, on nobserve que latemprature de Curie de la phase ferromagntique.

1.3 Anisotropies du ferromagntisme

1.3.1 Anisotropie magntocristalline

Le rseau cristallin des solides provoque lanisotropie de certai-nes proprits physiques. Les proprits magntiques ny chap-pent pas et sont parmi les plus anisotropes.

Ainsi, si nous tudions laimantation dun monocristal de fer (sys-tme cubique centr), nous trouvons quil saimante plus facilementsuivant les directions et plus difficilement suivant les direc-tions (figure 4).

Pour le nickel (cubique faces centres), cest le contraire : est direction de facile aimantation.

On caractrise ce phnomne au moyen dune (ou plusieurs)constante danisotropie magntocristalline K1 qui reprsente lner-gie par unit de volume ncessaire pour amener laimantation dunedirection de facile aimantation sur une direction difficile.

Ces constantes voluent avec la concentration des alliages defaon capricieuse, mais quand laddition dlments dalliage est fai-ble, on observe une loi approximativement linaire (figure 5)comme pour beaucoup dautres proprits du solide. Exceptionnel-lement, lanisotropie magntocristalline peut svanouir dans desalliages tels que FeNi 20-80 et FeCo 50-50 et permet de raliser des

Figure 3 Aimantation saturation de quelques alliages de fer

1,6 Si

Mn

0 5 10

lment d'alliage (% masse)

Figure 5 Premire constante danisotropie K1 de quelques alliages de fer, temprature ambiante

5

4

3

20 2010

Co

Al

V

Cr

Si

Ge

K1 (en 104 J/m3)

lment d'alliage (% atomes)


matriaux techniquement intressants ( 5.3 et 5.5). Dans ces allia-ges faible anisotropie, lanisotropie magntocristalline est forte-ment influence par ltat dordre qui peut alors tre utilis commeparamtre de rglage des proprits magntiques.

Les constantes danisotropie magntocristalline K1 dcroissentgnralement avec la temprature, pour sannuler la tempraturede Curie ou lgrement avant.

1.3.2 Anisotropie magntique induite

Quand certains alliages (FeNi, FeCo, etc.) sont traits une temp-rature infrieure leur temprature de Curie dans un champ magn-tique, il apparat une anisotropie magntique uniaxiale suppl-mentaire Ku, avec un axe de facile aimantation parallle la direc-tion du champ pendant le traitement. Cette anisotropie est due unrarrangement des atomes par rapport laimantation locale. Elle sesuperpose lanisotropie magntocristalline mais son intensit esten gnral plus rduite. Elle permet toutefois des adaptations int-ressantes des proprits magntiques, particulirement sur desalliages FeNi, FeCo, les alliages amorphes et nanocristallins dont lesautres termes danisotropie sont faibles ou vanescents.

Les valeurs de Ku dpendent de la composition chimique et de latemprature du traitement de recuit sous champ comme le montrela figure 6.

1.3.3 Magntostriction

Quand un cristal ferromagntique saimante, il change de dimen-sion. Ce phnomne dune faible amplitude (quelques 10-6) sedcrit au moyen des constantes de magntostriction du cristal l100et l111 [32]. ces changements de dimension sassocie une nergie

4

3

2

60 % N

i

70 % Ni

50

Ku (en 102 J . m3)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 6 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

magntolastique qui dpend des constantes de magntostrictionet des contraintes du cristal. Cette nergie magntolastique estanalogue aux nergies magntocristallines ou induites et interfreavec elles (relation (12)).

Lvolution des constantes de magntostriction dans les alliagesest souvent curieuse, comme le montre la figure 7 relative aux allia-ges FeNi.

1.4 Structure microscopique des corps ferromagntiques

1.4.1 Domaines magntiques

En plus de sa structure mtallographique traditionnelle (grains,phases...), un matriau ferromagntique massif se divise spontan-ment en un grand nombre de petites rgions quon appelle domai-nes lmentaires de Weiss ou domaines magntiques.

Cette structure, une chelle intermdiaire entre lchelle atomi-que et lchelle macroscopique, a t introduite par Pierre Weisspour expliquer pourquoi une substance aimante localement satu-ration apparat dsaimante macroscopiquement (figure 8). Elle nat observe que beaucoup plus tard.

lintrieur des domaines, tous les moments magntiques atomi-ques sont parallles, chaque domaine est ainsi aimant saturationen permanence. Entre deux domaines adjacents, lorientation delaimantation varie continment dans une rgion de transition appe-le paroi de Bloch (figure 9).

Cette structure en domaines prend spontanment naissance pourabaisser lnergie magntique totale du solide. La topographie desdomaines cherche en permanence minimiser la somme des ner-gies magntostatique, magntocristalline et magntolastique.

Dans le cas idal dun monocristal ferromagntique taill avec sesdirections de facile aimantation parallles la surface, on obtientdes structures simples (figure 8) constitues de domaines princi-paux, spars par des parois de Bloch 180o, et de domaines secon-daires ou de fermeture, qui mettent en jeu gnralement des parois 90o plus complexes.

Si lorientation du monocristal par rapport celle du solide nestpas simple, la structure en domaines se complique pour devenirparfois inextricable. Les matriaux magntiques doux industriels

Figure 6 Constante danisotropie induite Ku de quelques alliagesFeNi pour diffrents traitements sous champ magntique

Figure 7 Constante de magntostriction des alliages FeNi

1

0450 500 550 600

% N

i

80 % Ni

Temprature de traitement (C)

40 60 80 100

Ni (% masse)

(en 106)l+ 40

+ 30

+ 20

+ 10

0

10

111

l

l

100


Les consquences pratiques de ces observations sontimportantes :

cause de la tension (ou nergie) superficielle des parois, cel-les-ci prennent des formes simples (plan, cylindre droit, etc.) ;

elles se comportent comme une membrane souple mais quipeut interagir avec les dfauts du solide et, en particulier, sy accro-cher, ce qui stabilise leur position et par la suite contrarie leur mou-vement.

Lanisotropie magntocristalline des corps joue un rle importantsur les caractristiques des parois et ainsi sur les proprits magn-tiques. Un alliage faible anisotropie a des parois larges et souplesqui au cours de leur mouvement ngocient facilement les imperfec-tions du solide, conduisant une grande facilit daimantation. Unalliage forte anisotropie est moins favoris.

Si on soumet un monocristal de structure magntique simple(figure 8) un champ dexcitation parallle la direction des domai-nes principaux, ceux dans lesquels laimantation est dans le mmesens que le champ appliqu ont une nergie plus faible et vont parconsquent se dvelopper, et ceux dans le sens oppos au champdisparatre. Ce processus seffectue par dplacement des parois quicorrespond un retournement de proche en proche des moments.

Si le cristal na pas de dfaut, la paroi se dplace, freine seule-ment par les microcourants de Foucault qui prennent naissance der-rire elle, microcourants dus au renversement de laimantation de

Figure 8 Structure magntique dun monocristal cubique

W

D

Directions de facile aimantation

Paroi 180

Paroi 90

D domaine de fermetureW domaine de Weiss

Direction de facileToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 7

donnent de nombreux exemples de ces situations. Nanmoins,limage des domaines spars par des parois 180o donne une pre-mire approximation des phnomnes.

1.4.2 Parois de Bloch

La structure de la paroi de Bloch reprsente sur la figure 9 avecune rotation continue des moments atomiques correspond unquilibre entre les forces de couplage ferromagntique et les forcesdanisotropie.

Ses caractristiques dpendent donc du matriau considr, prin-cipalement de son anisotropie magntocristalline. En particulier,son paisseur

(avec A constante qui dpend du couplage ferromagntique) estdautant plus faible et son nergie superficielle

dautant plus grande que le matriau est plus anisotrope [32].

2 Js au passage de la paroi (dans son mouvement, la paroi fait pas-ser laimantation en un point de +Js - Js).

Sil sagit dun cristal rel avec des dislocations, des prcipits,etc., les parois interagissent en plus avec ces dfauts et se trouventainsi ralenties, voire bloques, dans leurs mouvements. Le champncessaire pour vaincre tous ces obstacles correspond au champcoercitif du matriau. Comme dans nombre de phnomnes de pro-pagation, on trouve que les obstacles les plus nuisibles ont approxi-mativement la taille de lpaisseur des parois de Bloch.

2. Mcanismes daimantation des alliages magntiques doux

2.1 Structures magntiques des alliages polycristallins

La structure magntique des matriaux polycristallins peut trequelquefois simple et voisine de celle des monocristaux si lorienta-tion de chaque grain est particulire.

La figure 10 b montre ce type de structure sur un alliage fer-sili-cium grains orients industriel. On reconnat les grains et, lint-rieur, les domaines de Weiss (bandes parallles grises) spars pardes parois 180o planes. Dans certains grains, on remarque desdomaines de fermeture en forme de lancettes.

La figure 10 a reprsente une structure analogue idalise.

Les structures des alliages polycristallins se compliquent consi-drablement quand les orientations des grains entre eux et par rap-port aux surfaces libres du solide deviennent quelconques. Lacontinuit du flux magntique est alors contrarie et il apparat, surles surfaces (joints de grains, surface du solide, interfaces avec lesimpurets etc.), des masses magntiques qui contraignent le mat-riau prendre des configurations magntiques locales plus comple-xes pour minimiser laccroissement de son nergie. Il se cregnralement des domaines de fermeture qui, en refermant leslignes dinduction dans la matire, vitent lapparition des masses

Figure 9 Schma dune paroi de Bloch 180 (daprs [2])

aimantation Range atomique

Momentdes atomes

pai

sseu

r

Dom

aine

1

Dom

aine

2

d

angle de dsorientation entre les moments adjacentsF

F

d A K1

e 2K1d( )


Direction de facileaimantation

Parois de Bloch

Domaine de WeissJoints de grains

structure idalisea

II I

Ind

uct

ion

Champ+ Hm

+ Hc Hc Hm

Bm

Br

0

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 8 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

magntiques nergtiquement dfavorables (figure 8). La divisionen domaines spars par des parois 180o est toutefois grossire-ment maintenue, mais on note une largeur des domaines beaucoupplus petite que dans les alliages texturs et une densit de domainesde fermeture importante surtout aux alentours des joints de grainset des surfaces libres des solides.

Dans le cas moins courant de matriaux faible anisotropiemagntocristalline (FeNi, amorphes...) ou dalliages contraintesinternes (aciers), ces structures deviennent encore plus complexeset peuvent parfois ne plus tre bien reproductibles dans ltat dsai-mant.

2.2 Aimantation sous champ lentement variable

Laimantation macroscopique dun matriau magntique dsai-

mant est nulle. Si on le soumet un champ dexcitation , son

aimantation (ou son induction ) dans la direction

du champ crot en suivant dabord une courbe de premire aimanta-tion (courbe I, figure 11), qui devient progressivement asymptote une valeur limite : laimantation saturation, correspondant lali-gnement de tous les moments magntiques atomiques du matriaudans la direction du champ.

Quant partir dune certaine valeur de linduction, on diminue lechamp dexcitation, celle-ci ne revient pas sur le mme chemin maisgarde une valeur notable pour H = 0 : linduction rmanente Br .Il faut appliquer un champ de sens inverse, le champ coercitif Hc ,pour annuler cette induction rsiduelle.

On dit que ces matriaux prsentent de lhystrsis. Quand lechamp dexcitation oscille entre Hm le point reprsentatif de B (H)dcrit une courbe ferme : le cycle dhystrsis (courbe II,figure 11).

Pour caractriser rapidement les performances des matriauxindustriels qui dcoulent de la forme du cycle dhystrsis on uti-lise principalement les grandeurs suivantes :

la permabilit relative [relation (3)] :

avec m0 = 4p 10-7 H m-1 ;

linduction rmanente Br, induction rsiduelle en champ nulaprs aimantation au voisinage de la saturation, ou le rapport Br/Bmqui dcrit rapidement la forme du cycle dhystrsis ;

le champ coercitif Hc, champ ncessaire pour annuler linduc-tion ou laimantation macroscopique ;

les pertes W, qui correspondent lnergie dissipe dans lematriau au cours dun cycle ; elles dpendent videmment de lavaleur de lexcursion dinduction et de la frquence de travail et sontproportionnelles la surface du cycle.

Figure 10 Structure magntique dun alliage FeSi polycristallin grains orients

structure relle observeb

H

J B m0H J +=

Figure 11 Variation de linduction B avec le champ H appliqu dans un matriau ferromagntique

Bm

Bm excursion maximale d'inductionBr induction rmanenteHc champ coercitifHm valeur maximale du champ appliqu

I courbe de premire aimantationII cycle d'hystrsis

mrB

m0H----------=


On distingue souvent trois rgions dimportance pratique in-gale dans la courbe daimantation et on a pu leur associer desmcanismes daimantation prpondrants.

a) La rgion des faibles inductions correspond la

permabilit initiale et, principalement, des processus daimanta-tion par dplacement sur des courtes distances des parois de Bloch.

Dans cette rgion, linduction suit la loi de Rayleigh qui scrit :

B = m iH + nH2

avec m i permabilit initiale,

n constante de Rayleigh.

Il en dcoule :

pour linduction rmanente :

(4)

pour les pertes par cycle :

2.3 Aimantation en champ alternatif

Dans la plupart de leurs applications, les alliages magntiquesdoux sont utiliss en rgime alternatif (frquence f de 50 Hz 100 kHz). La variation de laimantation ces frquences rsultetoujours du dplacement des parois qui vont chercher se mouvoir la frquence du champ. Dans leur mouvement, elles provoquentun renversement de laimantation de - Ms + Ms qui cre autourdelles des microcourants de Foucault dautant plus intenses que lavitesse de dplacement des parois est grande (loi de Lenz).

Il apparat ainsi un freinage lectromagntique au mouvementdes parois qui sajoute celui amen par les dfauts du milieu mat-riel et qui tend limiter la vitesse de variation de laimantation glo-bale quand la frquence du champ dexcitation crot.

Pratiquement, ce phnomne est bien connu, il correspond ladiminution des permabilits et laccroissement des pertes quandla frquence crot (figure 12).

La puissance dissipe au cours de ces mouvements de paroisscrit [5], dans le cas dune tle, en supposant que les parois ne sedforment pas dans leurs dplacements et sont animes dun mou-vement sinusodal (B = Bm cos wt) :

BBm-------- 0,05

J Js 1 aH ----

=

Figure 12 Courbes pertes-frquence

B

= 2 T dans le FeCo Transformer pour trois paisseurs

W W m 3( )16B m

2 f 2 d ,

p

r

------------------------------ n 3 coth n p ,

d ----------

n

impair

=

400

350

250

200

150

0

50

0 400 600 800 1 000200

100

300

Frquence (Hz)

Pertes massiques (W/kg)

d =

0,3

4 m

m

d =

0,20 m

m

d = 0,

10 mm

+

+

++x

+x

+x+x


Une forme limite de cette formule est celle o le nombre de paroisdans chaque grain devient trs grand (, 0).

Alors :

(7)

Cette expression est la mme que celle obtenue sur un matriauidalement isotrope du point de vue magntique (pas de domaine)et on peut la considrer comme la valeur minimale des pertes parcourants de Foucault.

En utilisant le mme modle, on trouve pour les tles dalliagesmagntiques doux, en ngligeant lhystrsis, une permabilitmaximale dimpdance :

(8)

Les relations ci-dessus montrent le rle de la gomtrie du mat-riau magntique en fonctionnement alternatif et soulignent lancessit de feuilleter les circuits magntiques (diminuer d) pourlimiter les pertes et viter une chute trop rapide des permabilitssurtout dans les alliages mtalliques dont la rsistivit est gnrale-ment faible.

Wp2f 2Bm

2 d 2

6r---------------------------

mmax zp2r

16fd,----------------

0

0,5

1,0

Bx / B0Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 10 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

Il convient galement de noter que la structure magntique desmatriaux intervient non seulement dans lhystrsis, mais aussisur leur comportement dynamique et joue ainsi le rle fondamentalsur les proprits dusage.

La description du processus daimantation en rgime alternatif,comme nous venons de la faire, nest valable que si la frquence etlpaisseur de la tle sont suffisamment faibles pour que la pntra-tion du champ dans le matriau soit complte, cest--dire quil nyait pas deffet pelliculaire. Il nen est pas toujours ainsi.

Pour un matriau magntiquement isotrope dont on admet que lapermabilit demeure constante et indpendante du champ appli-qu, on montre que la valeur de linduction la distance x du planmdian dune tle dpaisseur d scrit :

(9)

avec paisseur de peau :

(10)

B0 induction la surface.

La figure 13 donne une illustration de ce quest leffet de peaumagntique 50 Hz sur des tles de FeSi de diffrentes paisseurs.On note que, pour avoir une induction peu prs constante danslpaisseur de la tle, il faut la rduire aux environs de lpaisseur depeau. On peut alors estimer lpaisseur de la tle qui permet, pourchaque frquence de travail, dutiliser au mieux le matriau ferro-magntique en vitant leffet de peau. Le tableau 1 donne, pourdivers alliages FeSi et FeNi, ces estimations. On remarquera quellescorrespondent aux paisseurs retenues dans la pratique indus-trielle.

Une autre manifestation bien connue et fcheuse de leffet depeau est la baisse rapide de la permabilit avec la frquence defonctionnement du matriau.

Pour les matriaux rels, qui saimantent par dplacement deparois de Bloch, la situation est encore plus complexe, car le champeffectif sur la paroi dcrot partir de la surface de la tle et conduit une courbure des parois qui se dplacent davantage en surfacequau cur de la tle. Ensuite, comme il apparat un dphasageentre le champ excitateur et la variation locale dinduction, lesparois ne peuvent plus rester en phase avec les variations duchamp, ce qui conduit progressivement linefficacit de leur mou-vement et une dcroissance de la permabilit avec la frquenceencore plus rapide que pour le matriau magntiquement isotrope.

Nous avons dcrit le fonctionnement en rgime alternatif dunetle magntique dans le cas simple unidirectionnel o linductionreste macroscopiquement parallle au champ et o on suppose unevariation approximativement sinusodale de linduction.

En fait ce type de fonctionnement bien que trs habituel nest pasle seul, et tend se rduire avec lusage de plus en plus courant desdispositifs lectroniques dalimentation des machines. En effet,dune part, on utilise frquemment des formes dondes non sinuso-dales [trapzes, sinusodes redresses etc., voir cycles spciaux( 5.4)], dautre part, dans les machines tournantes, le champ dexci-tation et linduction sont rarement colinaires en permanence.

Ainsi, quand on soumet des tles magntiques un champ tour-

nant, il apparat un dphasage dans lespace entre et .

Bx B0 ch 2 x d ( ) 2 x d ( ) cos +

ch d

d ( )

d

d

( )

cos +

-------------------------------------------------------------- 1 2

=

d

d rpm0mrf------------------=

Figure 13 Reprsentation schmatique de leffet de peau magntique, 50 Hz, dans un alliage FeSi

(daprs [2])

0,4 0,8 1,6 mm

B H

Tableau 1 paisseur des tles en fonction de la permabilit pour viter leffet pelliculaire 50 Hz

Permabilit relative maximale

m

max cc

. . . . . . . . . . . . . . (en 10

-

3

) 10 20 50 100 300 600

paisseur maximale FeSi conseille . . . . . . . . . . . . . . . . . . (mm) 0,48 0,35 0,22 0,16

paisseur maximale FeNi conseille. . . . . . . . . . . . . . . . . . (mm) 0,53 0,38 0,24 0,17 0,10 0,07


Dans la zone o il existe encore des parois (loin de la saturation),laimantation continue se faire par dplacements des parois deBloch, mais ceux-ci sont plus complexes et amnent des rorganisa-tions locales de la structure magntique. La dissipation dnergie estalors plus forte, ce qui conduit aux faibles et moyennes inductionsde travail des pertes plus leves quen rgime unidirectionnelclassique (figure 14).

En revanche, lapproche de la saturation, o la majorit desparois a disparu et laimantation essaie de suivre le champ par rota-tion des moments, les pertes sont moindres et tendent vers unelimite la saturation (figure 14).

2.4 Principe de la mesure des caractristiques magntiques

Le lecteur pourra se reporter la rfrence bibliographique [33].

Nous nous limitons ici la dtermination des caractristiquesprincipales demploi des matriaux magntiques doux cest--direpermabilit, pertes, relev du cycle dhystrsis... pour diffrentschamps dexcitation et frquence modre (0 < f < 10 kHz).

Ces caractristiques dcrivent la rponse du matriau un champexcitateur H. On veut connatre, en gnral, quelle induction B (ouaimantation J) prend le matriau dans le champ H ; on en dduitensuite les permabilits, la forme du cycle dhystrsis... Pour cela,on excite le matriau avec un bobinage primaire, ayant n1 spires(figure 15), qui cre un champ H proportionnel au courant i1, qui leparcourt ( tant la longueur du circuit magntique) :

(thorme dAmpre) et on dtecte linduction B prise par le mat-riau avec un bobinage secondaire en mesurant la tension induite v2 ses bornes :

Lintgration de v2 donne la valeur de linduction :

,

Hn1,

------ i 1 =

v2 n2 d

f d

t -------=

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M 350

-

11

S

tant la section de lchantillon.

Le principe des mesures est simple, mais leur ralisation beau-coup plus dlicate car plusieurs complications viennent sy greffer.

La premire complication est d

ordre instrumental,

car, pourobtenir

B

, il faut intgrer

v

2

(souvent de faible niveau) ; cela se faitsoit avec des fluxmtres (lectromcanique ou lectronique), soitnumriquement, mais cest une opration dlicate cause du bruitet de la drive des appareils.

Une autre complication est d

ordre fondamental,

car un chan-

tillon ferromagntique formant un circuit magntique ouvert estsoumis son propre champ dmagntisant :

N

tant le coefficient de champ dmagntisantcaractristique de la forme de lchantillon.

Ce champ

H

d

est gnralement trs grand devant les champsappliqus, et sa correction est incertaine. Pour sen affranchir, onsarrange, dans toute la mesure du possible, effectuer les mesuressur des circuits ferms (figure

15

) :

soit sur un tore fait de rondelles empiles ou dune bandeenroule ; cest la meilleure solution pour les matriaux trspermables ;

soit sur un circuit ferm dmontable constitu de bandes ou detles en U ; les alliages FeSi sont ainsi caractriss, principalement,au cadre Epstein ;

soit, enfin, en utilisant un chantillon droit dont le flux estreferm sur lui mme par une culasse en matriau trs permable.Les permamtres, ainsi raliss, sont trs commodes et donnentde bons rsultats pour la mesure du champ coercitif et des pertes,mais sont moins fiables pour les permabilits.

Ces mthodes de mesure ont t normalises et sont dcritesdans les normes CEI 404-2, 404-3, 404-4, 404-6 et 404-7 entre autres.

Figure 14 Pertes en induction unidirectionnelle (sens longitudinal

W

L

et sens transversal

W

T

) et en induction circulaire (champ tournant)

W

r

dune tle de FeNi 50-50 en 0,3 mm dpaisseur

Figure 15 Principe dune exprience de mesure des proprits magntiques

+

+

+

+

+

+

+

+

++++

++

++++

++

++

++

++

00

0,5

0,5

1 1,5Induction (T)

1Direction transversale

Champ tournant

Wr (B)

WL (B)

WT (B)

Direction de laminage

Pertes massiques(W/kg)

A

Hz V

i1

n1 n 2 v2

Matriau mesurer

A ampremtreHz frquencemtreV fluxmtre

n 1 enroulement primairen 2 enroulement secondaire

B 1Sn2---------- v 2 t d =

Hd Nm0------ J =


3. Physico-chimie des alliages magntiques doux industriels

Le comportement des alliages magntiques doux idaux estapparu complexe cause de leur structure magntique. Les mat-riaux rels avec leurs imperfections de fabrication le sont encoredavantage. En nous aidant des phnomnes voqus prcdem-ment, nous allons tenter de donner une vue globale de leurs pro-prits macroscopiques. Pour ce faire, nous serons amen recourir dimportantes simplifications.

Il existe une grande varit de matriaux magntiques doux, tou-tefois la plupart des alliages magntiques appartiennent deuxfamilles principales :

les tles pour llectrotechnique (FeSi), qui travaillent hauteinduction et pour lesquelles les pertes sont la caractristiquemajeure ;

les alliages usages spciaux (FeNi, amorphes...) utiliss prin-cipalement pour traiter des signaux de faible amplitude et, dans cecas, ce sont les permabilits et la forme des cycles qui deviennentimportants.

Cette relation, peut finalement, se mettre, en utilisant des expres-sions usuelles pour mcc et mCF, sous la forme :

(12)

Cette relation simplifie montre que, en plus de la stabilit du fer-romagntisme, quelques paramtres seulement interviennent pourdterminer les proprits magntiques dusage des alliagesindustriels :

Js : laimantation saturation donne le maximum de flux magn-tique que peut transporter un matriau magntique ;

r : la rsistivit limite les pertes par courants de Foucault en fonc-tionnement alternatif et donc amliore le rendement des changesdnergie lectromagntique ;

K1, Ku : les anisotropies magntocristalline et induite permettentdadapter la structure magntique ;

l : la magntostriction traduit leffet des contraintes mcaniquess ;

b : ce terme dnergie magntostatique rend compte du rle desprcipits, joints de grains... ;

f, d, : ce sont respectivement la frquence de fonctionnement,lpaisseur des bandes, la largeur des domaines de Weiss.

1mz-----

b K1 Ku ls + + +

AJs-------------------------------------------------- 16fd,

p2r----------------+

,

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M 350

-

12

Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

3.1 Modle simplifi

Les proprits des alliages dcoulent de lvolution de leur struc-ture magntique quand on applique un champ. Cependant exceptdans quelques cas particuliers, on ne sait dcrire ni la structuremagntique des alliages ni son volution. On est ainsi amen, dansune premire approximation, ignorer le dtail de cette structure et exprimer les proprits macroscopiques des alliages directement partir de leurs caractristiques physiques.

Dans cette approche, le

modle de Bertotti

[6] sest montr trsfructueux. Ce modle sintresse aux entits magntiques locales,les

objets magntiques

(dont le plus simple peut tre une paroide Bloch), et essaie den donner le comportement statistique. Pourcela, il considre que le champ local agissant sur un objetmagntique doit vaincre le champ coercitif local plus un champsupplmentaire d aux courants de Foucault locaux.

On peut alors exprimer les pertes totales Wt comme la somme deplusieurs termes.

Wt = Wh + WCF + Ws

avec Wh pertes par hystrsis proportionnelles lasurface du cycle, donc la frquence et auchamp coercitif,

WCF pertes par courants de Foucault dont les relationsdu paragraphe 2.3 donnent une expression,

Ws pertes supplmentaires pour prendre en comptele caractre irrversible des processus daiman-tation.

Par commodit, on ne retient souvent que les deux premiers ter-mes qui sont les plus importants.

Dune faon analogue, on peut exprimer la permabilit maxi-male alternative par [7] :

(11)

avec mcc permabilit relative en polarisation continue,

mCF permabilit relative due aux courants deFoucault.

A est une constante.

3.2 Constantes lectromagntiques

La relation (12) souligne que quatre constantes sont essentiellespour les alliages magntiques doux : Js, r, K1, l.

Malheureusement, des lments avec la fois une grande aiman-tation saturation, une grande rsistivit et de faibles anisotropiesnexistent pas. Il ny a alors gure que deux alternatives pour lesmatriaux industriels :

soit on part dun lment ou dun alliage prsentant uneaimantation saturation importante et on amliore sa rsistivit pardes additions convenables (exemples : silicium dans le fer, vana-dium dans les FeCo) ;

soit on choisit des alliages faibles anisotropies et on adapteleur rsistivit par laddition dlments dalliages appropris(exemple : Mo ou Cr dans les FeNi).

Laddition dun lment tranger dans le rseau dun autre aug-mente gnralement sa rsistivit. Toutefois, toutes les combinai-sons ne sont pas quivalentes.

Lutilisation de la relation de Linde est un guide commode pourchoisir les additions intressantes permettant daugmenter la rsis-tivit des mtaux ferromagntiques. En effet, cette relation nousindique que la rsistivit dun lment A saccrot par addition dunlment B proportionnellement la concentration C de ce dernier etau carr de lcart dlectropositivit des deux lments A et B :

On comprend alors pourquoi le silicium et parfois laluminiumsont additionns au fer pour augmenter sa rsistivit (figure 24), lemolybdne aux FeNi (figure 31) ou le vanadium dans le FeCo.

3.3 Imperfections des alliages

Lvolution des constantes lectromagntiques principales (Js, r,K1, l) en fonction de la composition est gnralement connue et ellepermet la plupart du temps le choix des alliages suivant lapplica-

1mz----- 1

mcc-------- 1

mCF---------+

Dr k zA zB( )2C


tion. Chaque composition devrait ainsi conduire des caractristi-ques magntiques spcifiques.

En ralit, ce nest quune premire approximation, car les pro-prits magntiques dusage (permabilits, pertes etc.) des allia-ges sont extrmement sensibles toutes les imperfections dumatriau, quelles soient chimiques (impurets, prcipits etc.),physiques (lacunes, dislocations, joints de grains) ou mcaniques(contraintes). Leur prsence ralentit, bloque ou rend plus irrversi-ble le mouvement des parois et ainsi dgrade les proprits dusagedes alliages magntiques doux.

La nocivit des impurets chimiques et leur mode dactiondpendent la fois de leur nature, de leur concentration, de la formesous laquelle elles se trouvent et du type dalliage. Essayons dersumer les grandes lignes.

Les lments faiblement lectropositifs ou faiblement lectron-gatifs, qui peuvent rester en solution solide dans lalliage, modifientpeu les caractristiques magntiques des produits. La situation estoppose pour les lments fortement lectrongatifs ou fortementlectropositifs qui souvent agissent simultanment ou en associa-tion (prcipits).

La dgradation des caractristiques magntiques par cesimpurets relve alors essentiellement de deux processus.

++ +

+

++

++++

++++

+

+

+

C = 30 p.p.m

C = 60 p.p.m

C = 120 p.p.m

C = 180 p.p.m

C = 240 p.p.m

4

3

2

1

00

5

50 100 150 200Dure du vieillissement (h)

D .Hc (en 102 A /m)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 13

En combinaison, les impurets lectrongatives forment desinclusions non magntiques (oxydes, carbures, sulfures, etc.), quilest pratiquement impossible dliminer ds que lalliage est solidifiet qui contribuent dtriorer les caractristiques magntiques.

Leur rle dpend, de leur nombre et de leur taille (figure 16), maispeu de leur nature chimique ; celles dont le diamtre est voisin delpaisseur de la paroi de Bloch du matriau sont les plus nocives.

En solution solide, la migration des impurets de faible rayon ato-mique (carbone, azote), puis leur lente prcipitation au cours dutemps provoquent une dgradation progressive des caractristi-ques en fonctionnement appele vieillissement magntique(figures 17 et 18).

On parvient minimiser le rle des impurets en utilisant desmatires premires slectionnes, des techniques dlaborationsophistiques (laboration sous vide) et des atmosphres de recuitpurificatrices ou au minimum non polluantes (hydrogne pur).

3.4 tats de recristallisation

La mise en forme des alliages magntiques, souvent utiliss enbandes minces, ncessite dimportants corroyages froid. Les

Figure 16 Variation du champ coercitif avec le nombre dinclusions dune taille voisine de celle de la paroi de Bloch pour des Permalloys issus de diffrentes laborations

0,4

0,2

0500 100

0,6

Nombre d'inclusions au mm2

Hc (A . m1)

Figure 17 Vieillissement 100 oC dun acier dcarbur (concentration de carbone < 10 p.p.m masse) provoqu par lazote (daprs [3])

Figure 18 Vieillissement 150 oC dun alliage FeNiMo 15-80-5 provoqu par le carbone

C concentration d'azote (p.p.m masse)

++ ++

+

++

+

00

2

4

6

8

10

12

14

50 100 150 200 250 300 350 400

C concentration de carbone (p.p.m masse)

Dure du vieillissement (h)

Variation de Hc (%)

++++

++

+

C = 180 p.p.m.

C = 170 p.p.m.

C = 60 p.p.m.


+

+

+

+

+

++

00

50

100

150

20 40 60 80 100 120 1401O

(mm1)

Hc (A . m1)

100

80

60

40

20

00 2010 30 40 50 60 70

1O

(mm1)

Hc (A . m1)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 14 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

recuits destins, dune part, liminer les dfauts du solide croui,dautre part, provoquer la recristallisation jouent un rle capitalsur les proprits magntiques et doivent tre pratiqus avec grandsoin. Diffrents phnomnes, favorables ou non, sobservent aucours des traitements thermiques.

Dabord, relaxation des contraintes, puis recristallisationde lalliage. Ces phnomnes sont indispensables pour obtenir desmatriaux magntiques doux performants. Dans la plupart des cas,la permabilit crot et le champ coercitif dcrot avec la taille desgrains suivant une relation linaire (figures 19 et 20).

a et b sont des coefficients propres chaque alliage et N est la den-sit dinclusions non magntiques dont la taille est de lordre degrandeur de lpaisseur de la paroi de Bloch de lalliage considr.

Dans les tles minces (d < 0,3 mm), par recristallisation primairepousse, la taille des grains est limite des diamtres du mmeordre de grandeur que lpaisseur de la tle. Cette taille des grainsest donc en moyenne de plus en plus rduite mesure que lpais-seur de la tle dcrot. Ainsi, les pertes par hystrsis croissentquand lpaisseur de la bande dcrot et viennent contrebalancer labaisse des pertes par courants de Foucault amene par une rduc-tion dpaisseur. Cela explique que, pour la plupart des alliagesmagntiques en tles, les pertes totales passent par un minimum(figure 21) et les permabilits par un maximum (figure 22) enfonction de lpaisseur [10].

Ensuite, purification des alliages. Elle est favorise par uneatmosphre convenable (souvent rductrice), des conditions ther-modynamiques permettant aux ractions daffinage de se produire(temprature, dilution, etc.) et des conditions cintiques adaptes(faible paisseur des tles, bonne circulation des gaz de ractionetc.)

Toutefois, aux tempratures ncessaires la recristallation cer-tains alliages, surtout sils contiennent des lments facilement oxy-dables (Si, Al...), peuvent aussi soxyder ou plus gnralement sepolluer en surface. On peut, alors, assister une dgradation des

proprits dusage comme lillustre la figure 21 sur des bandes deFeSiAl recuites dans de lhydrogne humide.

Enfin, et plus exceptionnellement (FeSi 3 %, FeNi 50-50), appari-tion dune texture au cours de la recristallisation. Parfois, cettetexture peut tre favorable, mais ce nest pas toujours le cas.

En effet, comme les cristaux ferromagntiques saimantent plusfacilement suivant certaines directions (anisotropie magntocristal-line), si lon russit orienter tous les grains qui constituent la tlesuivant lune de ces directions et si lon applique le champ dexcita-

Figure 19 Champ coercitif Hc en fonction du diamtre des grains dans un alliage FeCoV 50 % de cobalt

gamme Rotor gamme Transformer+

Hca---- bN+

Figure 20 Champ coercitif Hc en fonction du diamtre des grains dans un alliage FeNiMo 15-80-5

Figure 21 Pertes , 1,5 T et 50 Hz, en fonction de lpaisseur

dalliages FeSiAl traits dans diffrentes atmosphres

2,9

2,6

2,3

1,70,1 0,2 0,3 0,50,4 0,6 0,7

2

paisseur de la tle (mm)

H2 pur

H2 humide

Pertes W 1,5 (W/kg)50

W 1,550


prature et cela dautant plus que leurs anisotropies sont faibles(donc que leurs permabilits sont leves) comme le montre larelation ci-dessous dduite de la relation (12) :

(13)

3.6 Caractristiques technologiques des alliages magntiques industriels

Les alliages magntiques, comme beaucoup de matriaux, doi-vent remplir ct de leur fonction principale des fonctions secon-daires qui peuvent prendre une grande importance. Chaqueapplication spcifique associe des proprits particulires ; certai-nes dentre elles se retrouvent nanmoins assez souvent.

Les alliages magntiques sont principalement utiliss en tlesminces pour limiter les courants de Foucault, ce qui ncessiteau moins deux proprits complmentaires :

une facilit de laminage froid, qui varie beaucoup suivant

lalliage ; les alliages cubiques faces centres (FeNi) se laminentfacilement, alors que les alliages cubiques centrs (FeSi, FeCo) se

Figure 22 Permabilit dimpdance dun alliage FeNiMo 15-80-5

450

430

410

390

370

3500,02 0,04 0,06 0,08 0,1

paisseur de la tle (mm)

max 50 Hz (en 103)m

1m--- m

T

------ 1

2

K

1

---------- K

1

T

--------- Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 15

tion dans cette direction, on obtient, dans ce cas favorable, unecourbe daimantation voisine de celle du monocristal et des propri-ts magntiques douces trs intressantes dans les directions favo-rises.

Dans la pratique, les textures ne sont jamais parfaites, les grainsprsentent entre eux de lgres dsorientations qui jouent un rledfavorable sur les proprits magntiques des produits texturs( 4.4).

3.5 Variation des proprits magntiques avec la temprature

Mme aux tempratures modres o travaillent les machineslectriques (T < 150 oC), la temprature modifie les propritsmagntiques des matriaux essentiellement par deux processus :

soit par une volution irrversible de leur composition locale(vieillissement, 3.3) ; dans ce cas, la dure de maintien en temp-rature du matriau est galement importante puisquil sagit duneraction chimique lente ;

soit par la variation rversible de leurs constantes lectroma-gntiques (Js, r, K1, l) avec la temprature.

Les alliages de la famille du fer (FeSi, FeCo...) ont une tempraturede Curie leve (TC > 700

oC), aussi, au voisinage de lambiante, lavariation de leurs constantes lectromagntiques est-elle lente. Il endcoule naturellement une bonne stabilit des proprits magnti-ques en fonctionnement.

La variation de laimantation saturation avec la temprature nesaccentue quenviron 100 oC avant la temprature de Curie(figure 2) ; lanisotropie magntocristalline et la magntostrictiondcroissent, elles aussi, avec la temprature. La rsistivit crot.

Tous ces comportements concourent un accroissement lent dela permabilit (relation (12)) et une diminution modre du champcoercitif et des pertes quand la temprature slve. Quelquefois lesphnomnes semballent et se compliquent lapproche de la tem-prature de Curie.

Les alliages faibles anisotropies (FeNi, amorphes, nanocristal-lins) sont en gnral beaucoup plus sensibles aux variations de tem-

laminent beaucoup plus difficilement ; lisolation des surfaces des tles, pour viter les court-circuits

entre elles lors du fonctionnement en alternatif ; cette isolation destles peut tre obtenue naturellement par oxydation des alliages(par exemple : FeSi semi process, FeCo etc.) ou par dpt dun rev-tement minral (MgO) ou organique (vernis, polymre etc.) ; les cir-cuits magntiques ont souvent des formes complexes (par exemple,moteurs), obtenues par dcoupe des tles ; la duret des tles etleur facilit se dcouper jouent alors un rle important ; souvent,des vernis adapts amliorent sensiblement laptitude la dcoupe(FeSi).

Dune faon plus gnrale, les caractristiques mcaniquessont prises en compte par les constructeurs, spcialement ceux demachines tournantes. Pour certaines applications de machinesmcaniquement trs sollicites, on a dvelopp des nuances o lesproprits mcaniques sont garanties au mme titre que les pro-prits magntiques (par exemple : FeCo qualit rotor pour machi-nes embarques). Dans dautres cas, la fragilit des bandes limitelemploi des machines statiques (par exemple : amorphes, nano-cristallins).

De nombreuses autres proprits sont souvent souhaites(inoxydabilit, faible sensibilit aux contraintes etc.) ; elles serontvoques chemin faisant avec les alliages qui apportent une solu-tion.

4. Tles pour llectrotechnique

4.1 Choix des alliages

Les machines lectriques de conversion de lnergie fonctionnentessentiellement en rgime alternatif. Afin de limiter les courants deFoucault dans les culasses, on utilise les alliages magntiques sousforme de tles isoles ( 2.3).

Le choix des alliages prend en compte les aspects techniques,mais galement des considrations conomiques. Lestimationdu prix des produits est rendue difficile la fois par la fluctuationdes cours de certaines matires premires (Co, Ni, Cr etc.) et par la

en fonction de lpaisseur de la tle


1 000

100

10

10,1 1 10 100

FeSisemi process

FeSinon orient

FeSigrains orients

FeSi HiB

FeNi 50-50

FeNi 20-80

Prix (F/kg)

1

2

4

68

2

4

68

2

2

4

4

6

6

8

8 2 4 6 8 2 4 6 8

Co

Ni

20

40

60

80

Mo

Mn

Ge

Si

Al

r (en 10 8 W . m)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 16 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

grande varit des paisseurs de tle et la qualit magntique. Lafigure 23 en donne une ide et montre clairement la relation entre leprix et la qualit magntique, reprsente schmatiquement par lavaleur du champ coercitif.

Le fer pur sutilise peu comme matriau magntique alors quetout le destine a priori cet usage : abondance, prix, aimantation saturation leve, etc. Malheureusement, le fer technique, cest--dire lacier doux, se prsente pratiquement toujours avec un cortgedimpurets qui compromettent son utilisation en lectrotechnique.Le carbone et lazote prcipitent lentement aux tempratures defonctionnement et provoquent le vieillissement magntique(figures 17 et 18). Les lments dsoxydants, ajouts volontaire-ment ou non llaboration (Mn, Si, Cr, Al, etc.), forment des prci-pits nfastes aux proprits magntiques. Enfin, le diagramme dephase est peu propice puisquil prsente des transformations dephase aux tempratures moyennes o se ralisent les traitementsthermiques.

Pour avoir des produits magntiques prix modrs, on a cher-ch adapter le fer aux exigences des lectrotechniciens. Les solu-tions ont volu avec les technologies mais les objectifsdemeurent les mmes.

Augmenter la rsistivit

La faible rsistivit du fer (10-7 W m) conduit des pertes le-ves en rgime alternatif ; on cherche donc laccrotre par laddi-tion dlments dalliage (figure 24), mais en diminuant le moinspossible laimantation saturation. Les lments les plus efficaces(Dr 10-7 W m par pour-cent dalliage) sont le silicium, laluminiumet le germanium. Le germanium nest pas utilis pour des raisonsconomiques et laluminium lest rarement des teneurs sup-rieures 0,5 %, car il complique srieusement la fabrication.

Faciliter la production

Laddition de silicium au fer lui apporte trois avantages suppl-mentaires.

Sa duret et sa rigidit augmentent, ce qui facilite la manutentiondes tles ; toutefois, au-dessus de 3,5 % froid et 4,5 % chaud, lemtal devient fragile et ne peut plus tre lamin.

Une addition dau moins 2,5 % de silicium supprime la transfor-mation du fer, ce qui autorise des traitements aux tempratu-res leves (suprieures 900 oC) favorables laffinage en phasesolide (limination des impurets indsirables par diffusion la sur-face et raction avec lhydrogne ou la vapeur deau) et la recris-tallisation des produits.

Enfin, la prsence de silicium rduit le vieillissement magntique.

Amliorer la puret

On sefforce davoir des concentrations en impurets trs faiblesprincipalement pour lazote, le carbone, le soufre et les lmentstrs lectropositifs (Ti, Al, Cr, etc.). Ces prcautions appellent desmatires premires adquates et des techniques dlaboration soi-gnes.

4.2 Le fer pur

Le cycle de fabrication des produits ferreux par oxydo-rductionne conduit pas naturellement au fer pur. Toutefois, avec lvolutionrcente des techniques sidrurgiques, on peut sen approcher. Ainsi,si on part de matires premires slectionnes et si lon pratique enfin dlaboration une tape de mtallurgie en poche sous vide pourliminer certains rsiduels (N, C, O...) on obtient un fer contenantmoins de 30 p.p.m. (masse) dazote et de carbone, moins de 20p.p.m. doxygne et moins de 10 p.p.m. de soufre.

Ce mtal techniquement pur est ensuite transform suivant deuxvoies selon lapplication vise.

En barres : leur usinage ultrieur fournit des pices utilisesdans divers ensembles lectromagntiques (relais, circuits auxillai-res daimant...). Aprs mise en forme, ces pices doivent tre trai-

Figure 23 Relation prix-qualit magntique

Hc (A . m )

Figure 24 Rsistivit lectrique, 20 oC, de quelques alliages de fer

864200

lment d'alliage (% masse)

a g


tes quelques heures 850 oC sous atmosphre neutre ourductrice. Les caractristiques magntiques atteignent alors :

En tles, spcialement en tles minces (d = 0,1 0,2 mm) : ellessont employes comme cran magntique contre le champ magn-tique terrestre dans les tubes de tlvision couleur et les cransinformatiques. Dans ce cas, les tles lamines froid sont recuites,puis skin passes et enfin traites sous atmosphre oxydante vers750o aprs mise en forme par emboutissage. Ce traitement sert lafois dvelopper les caractristiques magntiques :

et noircir le blindage (pour viter quil rflchisse les radiations etaffaiblisse le contraste du tube cathodique).

4.3 Tles magntiques FeSi non orientes


4.3.1 Les deux classes de tles FeSi non orientes

Les alliages FeSi actuels en tles grains non orients contien-nent de 0,1 3,2 % de silicium, mais la composition nest pas unecaractristique essentielle de cette famille de produits trs utilissen gnie lectrique. Lensemble des considrations techniques(niveau des pertes, facilit de dcoupe...) ou conomiques a conduit proposer, suivant lapplication, deux classes de tles de composi-tions voisines mais de prsentation sensiblement diffrente, bienquobtenue lune et lautre par laminage froid.

Tles semi-process

Elles sont livres lutilisateur ltat non trait (tableaux 2 et 3).Ces tles correspondent souvent des nuances moins charges ensilicium et dans des paisseurs plus fortes. Elles sont utilises prin-cipalement dans les petits moteurs fonctionnement intermittent(lectromnager, accessoires dautomobile).

Ces tles aprs dcoupage en pices doivent tre recuites parlutilisateur 780-800 oC pendant 5 10 minutes (recuit continu). Cerecuit se termine gnralement sous atmosphre oxydante(20 % H2 + 80 % N2 sature en eau 35

oC) qui dveloppe un filmdoxyde suffisant pour isoler les tles entre elles.

Hc 50 A m 1

; m max cc 8 000

Hc 80 A m 1

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Tableau 2 Caractristiques magntiques normalises de quelques tles lectriques non orientes

Qualit paisseur(mm)

Pertes garanties

(W kg-1)

Induction minimale pour

Application principale2500 A m-1 10000 A m-1

fully process

0,35 2,5 1,49 1,71 Grosses machines tournantes

0,50 2,70 1,49 1,71 Moteurs de grosse et moyenne puissance

0,65 6,00 1,54 1,75 Moteurs de moyenne et faible puissance

semi process0,50 3,90 1,54 1,75 Moteurs de moyenne puissance

0,65 10,00 1,58 1,79 Petits moteurs, lectromnager

W 1,550

Tableau 3 Caractristiques gnrales des tles FeSi non orientes

Teneur en silicium (ou Si + Al)

Aimantation saturation

Champ coercitif

Aimantation pour

H = 2500 A m-1Pertes pour d = 0,5 mm Proprits mcaniques (1)

Applications

(%) (T) (A.m-1) (T)(W.kg-1) (W.kg-1)

R(MPa)

A(%)

1 2,12 60 100 1,51 2,60 6,00 340 35 Petits moteurs, relais, etc.

2 2,04 40 80 1,49 1,70 4,00 420 30 Moteurs, appareillages divers, etc.

3 2,02 20 50 1,48 1,35 3,10 500 23 Grosses machines tour-nantes, transforma-teurs, etc.

(1) R : rsistance mcanique la tractionA : allongement la rupture.

W 150 W 1,5

50


Tles fully process

Elles sont livres lutilisateur prtes lemploi (tableaux

2

et

3

).Elles possdent toutes leurs caractristiques magntiques et il nestpas ncessaire de les soumettre un traitement thermique aprsdcoupage chez le constructeur de machines lectriques.

Les tles fully process ont non seulement t recuites chez lefabricant, mais elles ont t galement revtues dune fine coucheisolante sur chaque face. Le type disolant choisi et son paisseurdpendent de la machine construire. Plus la machine est grosse,plus on soigne lisolation entre tles.

Tableau 4 Principales couches isolantes dposes

sur les tles FeSi non orientes

Nature paisseur

(

m

m)

Fonction principale

Vernis synthtique 1 2 isolation + amlioration de la dcoupe

Phosphatation 1 2 isolation + tenue en temprature

Vernis synthtique 4 7 haute isolation

C < 0,02 % 0,02 < P < 0,15 % 0,1 < Si < 3,2 % 0,1 < Mn < 0,4 %

laboration et coule continue :

Laminage chaud(d 2,5 mm)

Filirefully process

Filiresemi process

Dcapage Dcapage

Laminage froid :paisseur finale

Laminage froid :paisseur finale + 6 8 %

Traitement thermique en continu(dcarburation, recristallisation) Traitement thermique en continuToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 18 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

Il existe trois types principaux disolant pour les tles FeSi nonorientes fully process (tableau 4).

On rappelle que signifie pertes pour une induction de 1,5 T une frquence de 50 Hz.

4.3.2 Fabrication des tles lectriques non orientes

Elle a largement bnfici de lvolution des techniques dacirie :laboration loxygne, traitement du mtal liquide sous vide, cou-le continue, etc. qui permettent dobtenir des alliages bas rsi-duels (O, S, etc. < 30 p.p.m. masse et C < 80 p.p.m. masse).

Le laminage froid conduit des tles dune grande rgularitdpaisseur et dun excellent tat de surface qui permettent dobte-nir de bons coefficients de remplissage des circuits magntiques

.

Ce mode de fabrication conduit toutefois une lgre anisotropiedes caractristiques magntiques (les proprits sont meilleuresdans le sens longitudinal de la tle) qui dpend principalement dutaux de rduction au dernier laminage.

Le cycle de fabrication de ces tles est donn figure 25.

4.3.3 Fonctionnement des tles non orientes

Les tles FeSi non orientes sutilisent essentiellement dans lesmachines tournantes (tableaux 2 et 3) o laimantation du matriaunest pas toujours colinaire au champ dexcitation. Les pertes sontalors plus complexes analyser, on les dcompose parfois en troisfractions quivalentes :

les pertes alternatives habituelles ; les pertes rotationnelles provoques par le champ tournant ; les pertes harmoniques dues aux harmoniques de la machine.

Bien que ces pertes aient toutes pour origine le mouvement desparois, les facteurs mtallurgiques les affectent diffremment.

Les pertes alternatives dpendent de la puret du mtal, maisaussi de la taille des grains (figure 26), car lorientation alatoireentre les grains et la forte anisotropie de lalliage FeSi favorisent peula continuit des structures magntiques entre grains.

+ charges minrales

Les tableaux 2 et 3 donnent, titre documentaire, quelquescaractristiques de tles lectriques industrielles. Comme pourtous les produits magntiques, seul le fabricant peut donneravec prcisions les proprits de ses produits. Les normes (parexemple CEI 404-8-9, 404-8-4) fournissent galement une docu-mentation intressante.

W 1,550

r 0,95>( )

Figure 25 Cycles de fabrication des tles lectriques non orientes

Figure 26 Pertes , 1,5 T et 50 Hz, en fonction de la taille des grains dans un alliage FeSi non orient (daprs [14])

Mise en placedu revtement isolant

Skin pass (allongement contrl)

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 50 100 150 200

2,8 % Si

3,2 % Si

1,85 % Si

Diamtre moyen des grains (mm)

Pertes W 1,5 (W . kg1)50

(% de silicium en masse)

W 1,550


Cest dans les plans cristallographiques {001} que laimantationtourne le plus facilement, aussi les textures {001} sont-ellesfavorables.

La seule mthode pour abaisser les

pertes harmoniques

, outre ladiminution dpaisseur, est laugmentation de la rsistivit mais icion se heurte rapidement la technologie de fabrication.

4.4 Tles magntiques FeSi grains orients


4.4.1 Gnralits

En rsum, la tle idale devrait tre pure, avoir suffisam-ment de silicium, une faible paisseur et une texture {001} .

Les meilleures qualits remplissent les trois premiers points,mais les textures sont, pour linstant, mal matrises.

1,00

0,90

0,80

0,70

0 5 10 15

B800

W 1,550

2,0

1,9

1,8

1,7

Pertes W 1,5 (W . kg1)50 Induction B800 (T)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 19

Dans les tles FeSi non orientes, dune part, lorientation desgrains, issus de la recristallisation primaire, est quelconque, dautrepart, la teneur en silicium varie de 0,1 3,2 %. La situation est radi-calement diffrente dans les FeSi grains orients :

la teneur en silicium est toujours voisine de 3 % ; lorientation des grains obtenus par recristallisation secon-

daire est trs marque.

En effet les tles FeSi 3 % Si, labores et paracheves dans desconditions particulires ( 4.4.3 et 4.4.4), conduisent par recristalli-sation secondaire la texture (110) [001] ou texture de Goss o tousles grains de la tle ont leurs plans cristallins {110} parallles lasurface de la tle et la direction de facile aimantation parallle la direction de laminage. Cette orientation des grains conduit une structure magntique particulirement simple avec des domai-nes en bandes parallles spars par des parois 180o trs mobiles(figure 10) qui permettent dobtenir des proprits magntiquesexcellentes dans la direction de laminage.

4.4.2 Importance de la texture [17]

Les grains bien orients possdent une structure en domainesfavorable mais, ds que leur orientation scarte de la valeur idale,la structure magntique se complique, rendant le chemin magn-tique plus complexe et la mobilit des parois moindre. On assisteainsi une baisse progressive des proprits magntiques mesureque la dsorientation entre grains saccentue (figure 27).

On observe dans les tles texture de Goss que la rpartition desdsorientations des grains est approximativement constante lintrieur dun angle solide entourant lorientation idale. On mon-tre alors que les proprits magntiques techniquement importan-tes (pertes, aimantation dans un champ de 800 A m-1, etc.)dpendent seulement de langle de dsorientation maximal qui dfi-nit langle solide. La figure 27 reprsente lvolution des pertes etde laimantation pour un champ de 800 A m-1 avec la dsorienta-tion maximale et montre toute limportance de ce paramtre.

La valeur de la dsorientation maximale spare ainsi les FeSi grains orients en deux catgories :

les tles conventionnelles ou qm . 5 7o ( 4.4.4) ;

les tles haute permabilit plus rcentes o qm , 5o environ

( 4.4.5).

4.4.3 Revtement minral (glass-film)

Le recuit final des tles FeSi se ralise sur grosses bobines(10 tonnes) 1 170 oC sous hydrogne pendant une vingtaine dheu-res. Pour viter le collage interspire, on enduit la bande avant enrou-lage dun lait de magnsie. Au cours du recuit haute temprature,une partie de cette magnsie ragit avec les lments superficiels dela bande pour donner un silicate de fer et de magnsium : le glass-film.

Ce film de verre, de quelques micromtres dpaisseur, adhrefortement la bande et assure, dune part, une excellente isolationdilectrique, dautre part, une protection contre loxydation jusqudes tempratures de lordre de 800 oC o se pratique ventuelle-ment le traitement des bandes aprs dcoupage. Il est enfin insensi-ble aux huiles des transformateurs.

On amliore encore les proprits du revtement par dpt dunphosphate de magnsium qui colmate le glass-film, augmente latenue dilectrique et diminue la friction entre bandes au cours dumontage des transformateurs.

Enfin, depuis lapparition des nuances pour haute permabilit,on a dvelopp des revtements minraux complexes moins dilata-bles (4 10-6 K-1 au lieu de 8 10-6 K-1) qui mettent la bande souslgre tension uniaxiale, en amliorent la structure magntique etrduisent ainsi les pertes (figure 28) et le bruit des circuits.

4.4.4 Tles grains orients conventionnelles

Les tles grains orients sont employes dans la constructiondes transformateurs o leurs excellentes qualits magntiques dansle sens du laminage peuvent tre utilises au mieux. On vite, enrevanche, de faire circuler le flux dans la direction transverse quiprsente des proprits moins avantageuses (pertes 2 4 fois plusimportantes).

Figure 27 Pertes , 1,5 T et 50 Hz, et induction B 800

pour un champ de 800 A m-1, en fonction des dsorientations maximales entre les grains

qm ()

W 1,550

qm


4 2 42 6 8 100tensioncompression

Charge (MPa)

10

12

14

16

18

20

Pertes W 1,7 (W . kg1)50

W 1,750 pertes 1,7 T et 50 Hz

grains orients haute inductiongrains orients conventionnelsTles de 0,30 mm sans revtement

Tableau 5 Processus de fabrication des tles FeSi grains orients

Tle conventionnelle Tle haute permabilit

laboration(Si = 3,2 %, C = 0,03 %)

laboration (avec traitement sous vide)

(Si = 3 %, C = 0,07 %)

Laminage chaud 2 mm, aprs rchauffage 1 350 C

Laminage chaud 2 mm, aprs rchauffage 1 400 C

Recuit de normalisation Recuit de normalisation

Laminage froid (rduction 60 %)


Recuit 900 C


Dcarburation (N2 + H2 humide) 800 C

Dcarburation (N2 + H2 humide) 800 C

Enduction de MgO et recuit 1 170 C sous H2

Enduction de MgO et recuit 1 170 C sous H2

Planage + traitement Planage + traitementToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 20 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

Le dveloppement de la recristallisation secondaire gnralise toute la tle sobtient en bloquant, par un inhibiteur convenable(MnS, MnSe etc.), la recristallisation normale qui conduirait unetle isotrope et petits grains.

La fabrication de ces produits relve ainsi dune mtallurgie diffi-cile toutes les tapes (tableau 5) :

dabord, llaboration, o il faut obtenir un alliage trs purmais contenant nanmoins les lments inhibiteurs ;

ensuite, au laminage chaud, o on doit rchauffer les bramesvers 1 350 oC pour obtenir une bonne rpartition des inhibiteursavant le laminage, opration technologiquement difficile car le FeSisoxyde en fayalite (Fe2SiO4) qui fond basse temprature(1 250 oC) et encrasse les outils ;

enfin, au cours des diffrents recuits o les atmosphresjouent un rle trs important.

4.4.5 Tles grains orients haute permabilit

la suite de travaux japonais des annes 60, on a russi mieuxcontrler linhibition de la recristallisation primaire en associant, enparticulier, MnS un deuxime inhibiteur AIN. On peut alors appli-quer des taux de rduction plus levs (t 85 %). Il en rsulte unerecristallisation secondaire plus gros grains (f 10 mm) maisaussi, plus faible dsorientation entre grains conduisant uneinduction pour un champ de 800 A m-1 plus leve (do le nomHi(gh)B), donc une permabilit galement releve, et des pertesplus faibles surtout aux fortes inductions auxquelles travaillent lesgros transformateurs.

La mthode de fabrication est une amlioration de la techniqueconventionnelle avec gnralement lemploi conjugu dune tapedlaboration sous vide, dun deuxime inhibiteur de recristallisa-tion (AIN, Sb...), dun taux dcrouissage froid plus lev etlemploi dun revtement spcifique (tableau 5).

Ce processus de fabrication conduit toutefois des grains gantset ainsi des domaines magntiques trs larges peu favorables larduction des pertes.

Pour diminuer la taille des domaines, on cre des petits dfauts desurface sur la tle (scratching) par exemple avec un laser puls. Cetraitement de la tle finie ne se pratique que sur les nuances les plusnobles.

Une mthode plus conventionnelle pour rduire les pertes, miseen uvre depuis la dernire dcennie, tant sur les nuances conven-tionnelles que haute permabilit, consiste rduire lpaisseur.Cette opration dapparence simple est en ralit trs dlicate car ilfaut conserver la qualit de la texture. Pour ce faire, on a d renfor-cer leffet inhibiteur du MnS en ajoutant un peu de cuivre. On peutalors obtenir industriellement des tles de 0,23 mm dpaisseur.

Le tableau 6 donne les caractristiques magntiques de quelquestles FeSi grains orients.

4.5 Tles en faibles paisseurs

Pour augmenter la puissance massique des machines embar-ques, on travaille 400 Hz. Lpaisseur de peau ( 2.3) pour un FeSi 3 % Si vaut alors d 0,12 mm (tableau 7), ce qui implique derduire lpaisseur des tles au voisinage de cette valeur. On a alorsmis au point, pour ce type dapplication, des tles de faiblespaisseurs : 0,15 0,05 mm. Le dveloppement des alimentationslectroniques et laccroissement des frquences de fonctionnementouvrent un champ nouveau ces produits. Ils sont cependant limi-ts de petits circuits (masse infrieure 10 kg) souvent en bandeenroule.

Ces tles trs minces sobtiennent par relaminage soit de tlesFeSi isotropes, soit de tles orientes. Elles sont gnralement iso-les sur chaque face par un phosphate minral. Elles doivent trerecuites vers 750 oC en atmosphre neutre aprs mise en forme.

Le tableau 8 donne les proprits magntiques de quelques unsde ces produits.

Figure 28 Effet dune contrainte uniaxiale dans le sens du laminage sur les tles FeSi grains orients (daprs [3])

du revtement du revtement


Tableau 6 Caractristiques magntiques de quelques tles FeSi grains orients

Tle grains orients

Qualit paisseur

(mm)

Champ coercitif

(A m-1)

Aimantation pourH = 800 A m-1

(T)

Pertes

(W kg-1) (W kg-1)

conventionnelle

M 6 0,35 8 10 1,78 1,03 1,52

M 4 0,28 8 10 1,82 0,86 1,28

M 3 0,23 8 10 1,80 0,80 1,19

haute permabilit

M 2H 0,30 6 8 1,92 0,82 1,12

M 0H 0,23 6 8 1,90 0,74 1,01

W 1,550 W 1,7

50

Tableau 7 paisseur de peau en fonction de la frquencedans un FeSi (mr = 20 000)

Frquence(Hz)

400 1 000 10 000

Js (T)Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques M 350 - 21

5. Alliages pour usages spciaux

5.1 Caractristiques principales des alliages FeNi

Le lecteur pourra se reporter aux rfrences bibliographiques [22]et [35].

Les alliages FeSi, bien que commercialiss dans un nombreimportant de nuances, sont limits par les caractristiques delalliage 3 % de silicium. Les alliages FeNi et FeCo, au contraire,prsentent une palette plus tendue dans leurs constantes lectro-magntiques qui leur ouvre des applications varies.

Les alliages FeNi ne sont utiliss pour leurs proprits magnti-ques que pour des teneurs en nickel suprieures 28 %. Leur struc-ture est alors cubique faces centres et ils ne prsentent pas detransformation de phase ltat solide (sauf une mise en ordre auvoisinage de Ni3Fe). Ces deux proprits leur confrent une grandefacilit de laminage froid (jusqu 5 10 mm) et de traitements

thermiques qui permettent de dvelopper leurs proprits magn-tiques au mieux.

Les figures 29 et 30 montrent les principales caractristiqueslectromagntiques des alliages FeNi. Elles conduisent, en les asso-ciant ventuellement dautres proprits, silhouetter les princi-pales familles de produits.

Les alliages 36 % Ni associent une trs faible dilatabilit laplus grande rsistivit.

Les alliages vers 48 % Ni sont dots de laimantation saturationla plus leve.

Les alliages environ 80 % Ni qui, traits convenablement, ontsimultanment lanisotropie magntocristalline et la magntostric-tion voisines de zro et conduisent aux permabilits les plus le-ves.

On a galement vu, figures 6 et 7, lvolution des constantesdanisotropie induite et de magntostriction des alliages FeNi enfonction de la teneur en nickel.

paisseur de peau (mm)

0,12 0,08 0,03

Tableau 8 Caractristiques magntiques des tles FeSide faibles paisseurs

Type de tle paisseur(mm)

Pertes

(W kg-1) (W kg-1)

Non oriente 0,10 10 30

Non oriente 0,15 12 34

Oriente 0,10 6 15

W 1400 W 1,5400

Figure 29 Rsistivit lectrique et aimantation saturation des alliages FeNi

40

40

20

20

60

60

80

80

100

100

r r

Js

0 0

0,4

0,8

1,2

1,6

(en

10

8 W

. m

)

Ni (% masse)


Figure 30 Anisotropie magntocristalline des alliages FeNi

K1 (103 J . m3)+ 2

+ 1

0

1

2

3

Ni3 Fe

40 8060 100Ni (% masse)

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,42 4 6 8

Js (T)

Mo (% masse)

40 % Ni58 % Ni

78,5 % Ni

100Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.M 350 - 22 Techniques de lIngnieur, trait Matriaux mtalliques

Comme indiqu paragraphe 3.2, on peut corriger certaines imper-fections des alliages FeNi en leur ajoutant des quantits modresdlments de transition ; leur rle principal est daugmenter larsistivit (figure 31), mais, en contrepartie, ils abaissent laimanta-tion saturation (figure 32) et modifient les constantes lectroma-gntiques de lalliage (K1, l).

5.2 Alliages FeNi pour llectrotechnique miniaturise

Le prix des FeNi les oriente vers des applications spcialises osouvent on met en uvre non seulement leurs proprits magnti-ques remarquables, mais galement des proprits complmentai-res (faible dilatation, facilit de mise en forme etc.) ; en voiciquelques exemples.

5.2.1 Alliages pour compensation thermique des circuits magntiques

La plupart des dispositifs lectromagntiques voient leurs carac-tristiques modifies avec la temprature, soit parce que la forcedes aimants dcrot, soit parce que la rsistivit des bobinages crotet ainsi linduction quils dlivrent baisse. Sil sagit de dispositif pr-cis (appareils de mesure), il faut compenser les variations thermi-ques de flux pour rendre lappareil peu sensible la temprature.

Pour raliser de telles compensations thermiques, on utilise lesalliages FeNi de 28 32 % de nickel, car non seulement on peut ajus-ter leur temprature de Curie en agissant sur la teneur en nickel(figure 33), mais s

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