Alliage magnétique doux

Bref historique

La production et l'application d'alliages magnétiques doux ont une histoire de plus de 100 ans. En 1890, la production de fer pur thermomagnétique (ou d'acier à faible teneur en carbone) a été utilisée pour fabriquer des noyaux de moteurs et de transformateurs. L'alliage Fe-silicium (tôle d'acier au silicium) est sorti en 1900, qui a rapidement remplacé le fer pur, et a été le plus grand matériau magnétique doux en production. Avec le développement et les besoins du système téléphonique, l'américain GWElmen inventa en 1913 un alliage nickel-fer (appelé permalloy) qui avait de meilleures propriétés magnétiques que l'acier au silicium sous des champs magnétiques faibles et moyens. De 1929 à 1931, ils ont continué. Des alliages fer-cobalt et des alliages fer-silicium aluminium avec différentes propriétés magnétiques à des fins spéciales sont apparus. Au début des années 1970, un alliage magnétique doux amorphe avec une structure et une méthode de production complètement différentes de celles des alliages magnétiques doux traditionnels est sorti. Le développement de l'entreprise est entré dans une nouvelle étape. La Chine produit des tôles d'acier au silicium laminées à chaud depuis les années 1950, divers alliages magnétiques doux à base d'alliages Fe-Ni et Fe-Co ont été produits dans les années 1960, des tôles d'acier au silicium orientées laminées à froid ont été produites dans les années 1970, et de grandes quantités ont commencé entre le milieu et la fin des années 1980. Réalisation d'essais d'alliages magnétiques doux amorphes. Les alliages magnétiques doux microcristallins et nanocristallins ont été développés dans les années 1990. Depuis les années 1980, la Chine a successivement formulé et promulgué des normes nationales pour les conditions techniques de production de divers alliages magnétiques doux.

Classification

Il existe de nombreux types d'alliages magnétiques doux. Selon les différents éléments de l'alliage, ils peuvent être divisés en fer pur électromagnétique (fer pur industriel), alliage fer-silicium, alliage fer-nickel, alliage fer-aluminium, alliage fer-silicium et alliage fer-cobalt, etc. Si les propriétés magnétiques de l'alliage sont différentes, il peut être divisé en alliage à haute saturation magnétique, alliage à haute perméabilité, alliage à rapport d'équerrage élevé, acier électrique, alliage à perméabilité constante, alliage à haute teneur en △B, alliage magnétique doux résistant à la corrosion et thermomagnétique alliage de compensation. Etc. Selon la structure interne de l'alliage, il peut être divisé en alliage magnétique doux cristallin, alliage magnétique doux amorphe et alliage magnétique doux nanocristallin. Le tableau 1 répertorie les propriétés de plusieurs principaux alliages magnétiques doux.

Tableau 1 Propriétés magnétiques de plusieurs principaux alliages magnétiques doux

Fer pur électromagnétique Fer et acier doux avec une teneur en carbone inférieure à 0,04%, y compris le fer électrique pur, le fer diélectrique et le fer carbonyle. La caractéristique est que la magnétisation de saturation est jusqu'à 2,15T, le prix est bas et les performances de traitement sont bonnes; mais la résistivité est faible et la perte par courants de Foucault est importante lorsqu'elle est utilisée sous un champ magnétique alternatif, ce qui ne convient qu'à une utilisation dans des conditions statiques. Il est principalement utilisé comme conducteur magnétique du noyau de l'électro-aimant, de la chaussure polaire, du relais et du haut-parleur, et du bouclier magnétique.

Alliage Fe-Si Alliage Fe-silicium avec une teneur en silicium de 0,5% à 4,8%, généralement produit sous forme de tôles minces, comprenant l'acier au silicium laminé à chaud, l'acier au silicium laminé à froid non orienté et l'acier au silicium laminé à froid orienté, etc. Après avoir ajouté du silicium au fer, le grave phénomène de vieillissement magnétique du fer pur peut être éliminé. Avec l'augmentation de la teneur en silicium, bien que la saturation magnétique (magnétisation à saturation) diminue, sa résistivité et sa perméabilité augmentent, la force coercitive et la perte par courants de Foucault sont réduites, ce qui peut étendre son application dans le domaine de la communication. En raison de son bas prix, il est devenu le produit phare des alliages magnétiques doux et est largement utilisé dans l'industrie électrique, l'électronique mécanique et les industries des instruments en tant que transformateurs, amplificateurs de puissance, inducteurs, stators et rotors de moteur, etc. En général, fer pur électromagnétique et les tôles d'acier au silicium sont collectivement appelées acier électrique.

Alliage fer-aluminium L' alliage fer-aluminium avec une teneur en aluminium de 6%-16% a de bonnes propriétés magnétiques douces, non seulement une perméabilité et une résistivité élevées, mais également une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure. Cependant, il est de nature relativement cassante, difficile à rouler et à estamper, et son utilisation est affectée. L'alliage est principalement utilisé pour les noyaux des têtes magnétiques et des petits transformateurs, des amplificateurs magnétiques et des relais.

Alliage Fe-Si-Al L'ajout de silicium à l' alliage binaire fer-aluminium peut rendre l'anisotropie magnétocristalline K ₁ et magnétostrictive s en même temps tendre vers zéro pour obtenir un alliage magnétique doux sendust aux propriétés magnétiques élevées, nommé alliage Sendust. Sa composition typique est de 9,6 % de silicium, 5,4 % d'aluminium et le reste est du fer. Il se caractérise par une dureté extrêmement élevée, une saturation magnétique élevée (environ 1T), une perméabilité élevée et une résistivité élevée et d'autres caractéristiques ; l'inconvénient est que le magnétisme est très sensible à la fluctuation de la composition, est cassant et a des performances de traitement médiocres. Cet alliage est principalement utilisé pour les têtes audio et vidéo.

Alliage fer-nickel Alliage fer-nickel avec une teneur en nickel de 30 à 90 %, souvent appelé Permalloy. Dans cette gamme de composition, en ajoutant des éléments d'alliage appropriés et en adoptant des processus appropriés, des alliages magnétiques doux avec différentes propriétés magnétiques telles qu'une perméabilité élevée, une perméabilité constante et un magnétisme à moment constant peuvent être obtenus. Le permalloy a une grande plasticité et peut être laminé à froid en bandes ultrafines de 1 µm. C'est l'alliage magnétique doux le plus largement utilisé. Il peut être utilisé comme noyau de fer et blindage magnétique dans un champ magnétique faible, comme transformateur d'impulsions et noyau d'inductance à faible rémanence et perméabilité constante, ainsi qu'alliage à rapport d'équerrage élevé, alliage de compensation thermomagnétique et alliage magnétostrictif, etc. . L'inconvénient est qu'il est coûteux et que la perte est relativement importante lorsqu'il est utilisé dans un champ magnétique UHF.

Alliage Fe-Co L'alliage Fe-Co avec une teneur en cobalt de 27 % à 51 % a la magnétisation de saturation la plus élevée. Par exemple, l'induction magnétique de saturation de l'alliage 35Co-Fe atteint 2,43T. 13% plus élevé que le fer pur électromagnétique. L'alliage binaire fer-cobalt a de mauvaises propriétés mécaniques et une faible résistivité. L'ajout de quantités appropriées de chrome et de vanadium peut améliorer les performances de traitement. Il convient particulièrement aux matériaux d'induction magnétique à saturation élevée et aux matériaux magnétiques doux haute performance. Il est principalement utilisé pour les chaussures polaires, les rotors de moteur et le stator, le noyau de transformateur, etc.

Alliage magnétique doux amorphe Un alliage sans processus long et sans grains cristallins, également connu sous le nom de métal amorphe ou de verre métallique. Les alliages amorphes avec des propriétés magnétiques douces ont une perméabilité magnétique élevée, une faible coercivité, insensibles aux contraintes et ont les caractéristiques de résistance à la corrosion et de haute résistance. De plus, sa résistivité est élevée et peut être utilisée pour les hautes fréquences. L'inconvénient est qu'il va cristalliser à une température plus basse, et la structure va se détendre à une température plus basse, ce qui va changer le magnétisme. Par conséquent, la température de travail ne doit pas être trop élevée et ne doit pas dépasser 100-150°C. Il existe deux principaux types d'alliages magnétiques doux amorphes : le type métal-métalloïde et le type métal-métal. Le premier est largement utilisé et se divise en trois catégories : à base de cobalt, à base de fer et à base de fer-nickel. Les alliages magnétiques doux amorphes ont différents types de propriétés magnétiques, qui peuvent remplacer d'autres matériaux magnétiques doux.

Alliage magnétique doux ultramicrocristallin Un alliage magnétique doux récemment découvert depuis les années 1980. Composé d'une phase cristalline inférieure à 50 nm et d'une phase amorphe aux joints de grains, il possède de meilleures propriétés magnétiques globales que les alliages cristallins et amorphes. Non seulement il a une perméabilité élevée, une faible coercivité, une faible perte et un magnétisme de saturation Un sens élevé et une bonne stabilité. Par exemple, les alliages ultra-microcristallins à base de fer comprennent principalement FeCuNbSiB et FeZrB. Comme les permalloys à haute teneur en nickel, différents procédés de traitement thermique peuvent être utilisés pour obtenir différentes propriétés magnétiques.

Facteurs qui influencent

Facteurs affectant les propriétés magnétiques douces

Les paramètres des propriétés magnétiques douces peuvent être divisés en deux catégories : (1) Structure sensible, comme la perméabilité initiale _i , la perméabilité maximale _m , la rémanence B _r , la coercivité H _c , la perte par hystérésis P _h et la perte par courants de Foucault Pe, etc. ( 2) Type insensible à la structure, tel que l'induction magnétique à saturation B _s , la température de Curie T _c , le coefficient de magnétostriction _s , etc. Le premier est étroitement lié au processus de magnétisation, tandis que le second est lié à la composition chimique et à la microstructure de l'alliage . Il s'est avéré dans la pratique que de nombreux facteurs métallurgiques et physiques ont des effets significatifs sur les propriétés magnétiques des alliages magnétiques doux. Les principaux facteurs d'influence sont :

Composition La composition chimique détermine les performances des alliages magnétiques doux. L'un des principaux facteurs, par exemple, dans les alliages fer-nickel, de bonnes propriétés magnétiques douces apparaissent dans la plage de 36 % à 83 % de nickel. L'ajout de certains éléments d'alliage tels que le molybdène peut augmenter la résistivité, réduire la sensibilité aux contraintes et augmenter la perméabilité initiale en même temps, mais la magnétisation de saturation et le point de Curie diminueront. Un autre exemple est celui des alliages fer-silicium-aluminium. Les propriétés magnétiques sont plus étroitement liées à la composition. Si la composition est légèrement déviée, les propriétés magnétiques chuteront fortement. Dans les alliages fer-cobalt, à mesure que la teneur en cobalt augmente, l'induction magnétique de saturation augmente et le point de Curie augmente également. A 35% de Co, B _s peuvent atteindre plus de 2.4T.

Impuretés Certains éléments d'impuretés existent dans l'alliage magnétique doux sous forme de solutions solides interstitielles ou substituées, provoquant une distorsion du réseau et provoquant une contrainte microscopique pour entraver le libre mouvement des parois du domaine. Certains éléments ne peuvent pas être dissous dans une solution solide pour former des composés de carbone, d'azote et d'oxygène. Ces inclusions non magnétiques peuvent épingler la paroi du domaine, augmentant ainsi la force coercitive et réduisant la perméabilité magnétique. Pour les alliages magnétiques doux de haute qualité, en plus de nécessiter des matières premières d'alliage pur et de faibles impuretés, la fusion sous vide et le traitement thermique à haute température dans de l'hydrogène sec pur ou sous vide poussé sont souvent utilisés pour éliminer davantage les impuretés.

Contraintes Les propriétés magnétiques des alliages magnétiques doux sont très sensibles aux contraintes. La contrainte interne dans le processus de fabrication peut réduire la perméabilité magnétique de l'alliage et augmenter la perte. La force externe affecte également les propriétés magnétiques des alliages magnétiques doux dans une certaine mesure, en particulier pour les alliages plus performants, ses effets néfastes sont plus importants. Par conséquent, le noyau de fer doit être placé dans la boîte de protection. Le couplage entre la contrainte externe et la magnétostriction va changer la direction de l'aimantation, provoquant une anisotropie de contrainte. Selon la méthode d'application de la force, la perméabilité magnétique de l'alliage peut être améliorée ou détériorée.

Orientation des grains Il existe des directions d'aimantation faciles et des directions d'aimantation difficiles dans le cristal. Lorsqu'elles sont magnétisées le long de la direction de magnétisation facile, les propriétés magnétiques sont meilleures. Les alliages magnétiques doux sont principalement fabriqués par traitement à froid et à chaud. Les propriétés magnétiques des matériaux travaillés à chaud sont fondamentalement isotropes, mais après le travail à froid, des textures laminées à froid ou des textures cristallines sont produites, provoquant la formation d'orientations de grains. Magnétisés dans différentes directions, les propriétés magnétiques sont différentes et les alliages fer-nickel et fer-silicium ont de meilleures propriétés magnétiques dans le sens du laminage. Par conséquent, il doit être magnétisé dans le sens de laminage en cours d'utilisation.

Température Les changements de température ambiante et les changements de température centrale causés par une perte affecteront les propriétés magnétiques. À mesure que la température augmente, la disposition des atomes a tendance à être chaotique, l'aimantation spontanée devient plus petite et les changements de perméabilité magnétique et de coercivité sont liés au changement d'anisotropie magnétocristalline et de coefficient de magnétostriction avec la température.

Épaisseur de bande laminée à froid L'influence de l'épaisseur sur la performance de la bande en alliage magnétique doux laminée à froid est que la perte de courant de Foucault causée par l'effet de courant de Foucault sous un champ magnétique alternatif est proportionnelle au carré de l'épaisseur. Dans le même temps, en raison de l'effet de peau, l'épaisseur de l'alliage doit être inférieure à une certaine valeur à une certaine fréquence. Par conséquent, dans la production réelle, l'épaisseur est réduite pour réduire la perte par courants de Foucault et améliorer le taux d'utilisation du matériau. Cependant, l'amincissement de l'épaisseur augmentera la perte anormale et augmentera le coût de production.

Traitement thermique

Un processus clé pour le traitement thermique des alliages magnétiques doux pour obtenir d'excellentes performances. Il modifie la structure interne et la structure magnétique de l'alliage dans un certain milieu chauffant en contrôlant la température de chauffage, le temps de maintien, la vitesse de refroidissement et la méthode de refroidissement pour obtenir les propriétés magnétiques requises. Le traitement thermique des alliages magnétiques doux comprend un recuit à haute température et un traitement thermique par champ magnétique.

(1) Recuit à haute température. Le but est d'éliminer les contraintes de traitement, d'éliminer les inclusions non métalliques nuisibles aux propriétés magnétiques douces, de recristalliser les grains de cristal et de croître de manière totalement uniforme, et de former une orientation des grains de cristal. Il existe deux types de recuit à haute température : le traitement thermique à l'hydrogène et le traitement thermique sous vide. Ce dernier traite principalement des alliages ne fondant pas sous vide et des alliages contenant des éléments facilement oxydables. Afin de modifier le degré d'ordre de l'alliage magnétique doux pendant la transition ordre-désordre, ajustant ainsi la constante d'anisotropie magnétocristalline K ₁ et le coefficient de magnétostriction _s , Afin d'obtenir un meilleur magnétisme, il est généralement obtenu en contrôlant le refroidissement ou changer le temps de maintien en dessous de T _c .

(2) Traitement thermique par champ magnétique. Certains alliages magnétiques doux peuvent former une anisotropie magnétique et une texture magnétique induites uniaxialement après un traitement thermique par champ magnétique, modifiant ainsi le comportement de magnétisation de l'alliage. Surtout pour les alliages avec une anisotropie magnétocristalline relativement faible, cette anisotropie magnétique induite joue un rôle majeur. Par exemple, 65% d'alliage Ni-Fe, K ₁ 0 dans des conditions de refroidissement lent, donc après le traitement thermique par champ magnétique, lorsque le champ magnétique est mesuré dans la direction du champ magnétique appliqué, la boucle d'hystérésis est rectangulaire ; Lorsqu'elle est mesurée perpendiculairement à la direction du champ magnétique appliqué, la boucle d'hystérésis est plate. Il existe deux systèmes de traitement pour le traitement thermique par champ magnétique : l'un consiste à chauffer l'alliage à une température légèrement supérieure à la température de Curie, puis à le refroidir dans un champ magnétique ; l'autre consiste à chauffer l'alliage à une température légèrement inférieure à la température de Curie et à appliquer un champ magnétique pour le traitement thermique. Il existe également deux manières d'appliquer le champ magnétique pendant le traitement : longitudinal et transversal. La direction du champ magnétique du premier est cohérente avec la direction de magnétisation du matériau dans le processus de travail, et ce dernier est perpendiculaire l'un à l'autre.

Perspectives de développement

Après être entré dans les années 1990, les gens ont accordé plus d'attention à l'énergie, à l'électronique et à la protection de l'environnement, et la recherche et le développement d'alliages magnétiques pour l'ingénierie énergétique et les appareils électroniques sont également serrés. Il se développe autour de ces centres. Par exemple, en termes d'énergie électrique, des tôles d'acier au silicium orienté à recristallisation tertiaire extrêmement fine avec des pertes fer inférieures à celles des rubans en alliage amorphe à base de fer sont en cours de développement. Afin de surmonter la difficulté de traitement des tôles d'acier au silicium à 0,5% Si, des recherches sur le processus de production sont également en cours. En matière d'électronique, elle évolue de plus en plus dans le sens de la haute fréquence et de la miniaturisation, et des rubans et fils d'alliages amorphes à base de cobalt extrêmement fins, des alliages ultra-microcristallins, etc. ont été développés. Les supports d'enregistrement magnétique haute densité et les supports magnétiques à composants intégrés en films magnétiques doux attirent également l'attention. À l'avenir, le développement des alliages magnétiques doux continuera à contrôler leur microstructure afin d'améliorer en permanence leurs propriétés magnétiques. L'alliage magnétique doux sera utilisé à une fréquence plus élevée avec une perte plus faible, améliorant ainsi considérablement la fonction du produit.