Procédés d'affinage du grain et améliorations des performances magnétiques des aimants Alnico coulés

Abstrait

Les aimants Alnico, parmi les premiers matériaux magnétiques permanents développés, présentent des avantages uniques pour les applications magnétiques à haute température et haute stabilité. L'affinage du grain est un moyen important d'améliorer leurs propriétés magnétiques. Cet article propose une analyse approfondie des procédés d'affinage du grain des aimants Alnico coulés, incluant le traitement chimique, les vibrations et l'agitation mécaniques, ainsi que le traitement par champ physique externe. Il explore également l'impact de cet affinage sur les principaux indicateurs de performance magnétique, tels que la coercivité, la rémanence et le produit énergétique magnétique maximal, et présente des perspectives de recherche dans ce domaine.

Mots clés

Aimants Alnico coulés ; Affinage du grain ; Performances magnétiques ; Traitement chimique ; Traitement par champ physique externe

1. Introduction

Les aimants Alnico, mis au point par le métallurgiste japonais Mishima Tokushichi en 1932, ont longtemps dominé le marché des aimants permanents avant l'avènement des matériaux à base de terres rares. Reconnus pour leur température de Curie élevée (jusqu'à 890 °C), ils offrent une excellente résistance et stabilité à haute température. Leur bonne résistance à la corrosion garantit également une fiabilité à long terme, même dans des environnements difficiles. Bien que leur part de marché ait diminué face à la concurrence des ferrites frittées économiques et des aimants permanents haute performance à base de terres rares, les aimants Alnico conservent des atouts uniques pour les applications à haute température (supérieure à 500 °C) et sont largement utilisés dans des applications exigeant une grande stabilité et une longue durée de vie, comme les haut-parleurs, les compteurs d'énergie, les moteurs électriques, les générateurs et les alternateurs.

Les propriétés magnétiques des aimants Alnico sont étroitement liées à leur microstructure, et l'affinage du grain constitue un moyen efficace d'améliorer ces propriétés. En réduisant la taille des grains, le nombre de joints de grains augmente, ce qui peut entraver le mouvement des parois de domaines magnétiques et ainsi améliorer la coercivité. Parallèlement, une microstructure plus uniforme peut également accroître la rémanence et le produit énergétique magnétique maximal de l'aimant. Par conséquent, l'étude des procédés d'affinage du grain des aimants Alnico coulés revêt une grande importance pour améliorer leurs performances magnétiques et étendre leur champ d'application.

2. Procédés d'affinage du grain des aimants Alnico coulés

2.1 Traitement chimique

Le traitement chimique est une méthode courante d'affinage du grain des matériaux métalliques, et il est également largement utilisé dans la production d'aimants Alnico coulés. Cette méthode consiste à ajouter une petite quantité de substances chimiques, appelées inoculants ou modificateurs, au métal en fusion. Ces substances favorisent la nucléation hétérogène dans le bain, augmentent le nombre de germes et affinent ainsi le grain.

Pour les aimants Alnico, le choix des inoculants est crucial. Selon la théorie du degré de désaccord de maille et la théorie électronique empirique, différents inoculants influencent différemment la nucléation hétérogène des phases δ-Fe et γ-Fe. Par exemple, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ et MgO ont un impact significatif sur la nucléation hétérogène de δ-Fe, tandis que ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ et CeO₂ sont plus efficaces pour γ-Fe.

Lors de l'ajout d'inoculants, il est essentiel de veiller à leur finesse et à leur bonne dispersion dans le bain de fusion. En effet, leur agrégation risque d'empêcher l'affinage des grains et d'affecter les performances des aimants Alnico. De plus, la quantité d'inoculant ajoutée doit être précisément dosée. En général, une quantité appropriée permet un bon affinage des grains, mais un excès peut entraîner une augmentation des inclusions non métalliques dans le bain de fusion, ce qui nuit aux propriétés magnétiques des aimants.

2.2 Vibrations mécaniques et agitation

Les vibrations mécaniques et le brassage sont des méthodes physiques qui permettent d'obtenir un affinement du grain en provoquant un mouvement relatif entre les phases liquide et solide dans le bain métallique fondu, favorisant la rupture et la prolifération des bras dendritiques.

2.2.1 Agitation mécanique

L'agitation mécanique peut créer différents degrés de mouvement relatif entre les phases liquide et solide du métal en fusion, c'est-à-dire un mouvement de convection du métal liquide. Ce mouvement de convection peut provoquer la rupture des bras dendritiques, et les fragments de dendrites ainsi obtenus peuvent servir de nouveaux germes pour la croissance cristalline, augmentant ainsi le nombre de germes et affinant le grain.

Cependant, l'agitation mécanique présente aussi des inconvénients. D'une part, elle favorise l'introduction de gaz dans le bain de fusion. Si ce gaz n'est pas compensé rapidement par le métal en fusion, des défauts tels que des porosités et des retassures peuvent apparaître. D'autre part, lors de l'agitation de métaux à point de fusion élevé, l'agitateur s'use, ce qui peut contaminer le bain et engendrer de nouveaux problèmes de qualité.

2.2.2 Vibrations mécaniques

Les vibrations mécaniques exploitent également le mouvement convectif du métal en fusion pour briser les dendrites et provoquer la prolifération des germes de nucléation, permettant ainsi un affinement du grain. Cependant, en pratique, lorsque la fréquence des vibrations mécaniques augmente, l'effet d'affinage du grain lors de la solidification du métal peut diminuer, et des problèmes tels que la ségrégation des carbures et le manque de cohésion dans le lingot d'acier peuvent s'aggraver.

2.3 Traitement par champ physique externe

Le traitement par champ physique externe est une technologie prometteuse d'affinage du grain, qui présente l'avantage d'être respectueuse de l'environnement et facile à mettre en œuvre. Il comprend principalement le traitement par courant électrique, le traitement par champ magnétique et le traitement par ultrasons.

2.3.1 Traitement actuel

Lorsqu'un courant pulsé intense et à variation rapide traverse un bain de métal en fusion, un champ magnétique pulsé intense et à variation rapide est généré au sein de ce bain. L'interaction entre ce courant et ce champ magnétique induit une forte force de contraction dans le bain, provoquant une compression répétée et un mouvement de va-et-vient perpendiculaire au courant. Ce mouvement de va-et-vient permet non seulement de briser les cristaux dendritiques, mais aussi de réduire rapidement la surchauffe du bain et d'accroître le taux de nucléation. Par conséquent, plus le courant pulsé est intense, plus l'effet d'affinage du grain est marqué.

2.3.2 Traitement par champ magnétique

Lors de la solidification d'un métal en fusion dans un champ magnétique alternatif, un courant induit se crée au sein du système de solidification. L'interaction entre le champ magnétique et ce courant induit produit une force électromagnétique qui, radialement, contraint le métal vers l'axe de solidification ou l'en éloigne, provoquant ainsi des fluctuations régulières. Ces fluctuations ont un effet similaire à la convection renforcée habituellement utilisée, ce qui confère au champ magnétique alternatif un effet d'affinage du grain.

Du point de vue de l'effet de fluctuation induit par le champ magnétique, plus l'intensité de l'induction magnétique est forte, plus la pression électromagnétique est importante, et donc plus la fluctuation est intense, ce qui améliore l'affinage du grain. Cependant, lorsque l'intensité de l'induction magnétique augmente, le courant induit augmente proportionnellement, ce qui accroît l'effet thermique dans le système de solidification, réduit le degré de surfusion et diminue ainsi la vitesse de nucléation. Par conséquent, la courbe illustrant la relation entre l'intensité du champ magnétique et l'affinage du grain présente une valeur extrême.

De plus, les champs magnétiques pulsés peuvent générer des courants de Foucault pulsés dans le bain de fusion. L'interaction entre ces courants et le champ magnétique produit des forces de Lorentz et des pressions magnétiques, fortement variables et bien supérieures à la pression dynamique du métal en fusion. Ceci induit de fortes vibrations du métal en fusion, augmentant le degré de surfusion lors de la solidification, améliorant ainsi la vitesse de nucléation et provoquant une convection forcée. Cette convection empêche la croissance des dendrites, voire les fragmente. Les particules dendritiques brisées flottent dans le liquide au front de cristallisation et deviennent de nouveaux germes de croissance. Par conséquent, plus l'intensité de l'induction magnétique pulsée est élevée, plus l'effet d'affinage du grain est important.

2.3.3 Traitement ultrasonique

Le traitement ultrasonique exploite les phénomènes de cavitation et de flux acoustiques générés par la propagation des ondes ultrasonores dans un liquide pour affiner le grain. Lorsque les ondes ultrasonores agissent sur le métal en fusion, les molécules du liquide sont soumises à un champ sonore alternatif périodique, générant ainsi des phénomènes de cavitation et de flux acoustiques. Ces phénomènes induisent des modifications des champs d'écoulement, de pression et de température au sein du bain, créant des zones de haute température et de haute pression. La vibration du liquide provoque le détachement des bras dendritiques du front de solidification, qui agissent alors comme des germes de nucléation hétérogène. L'effet de dispersion des ondes ultrasonores sur le bain assure une distribution plus homogène des particules. De plus, la métallurgie ultrasonique permet également d'éliminer les gaz et les scories, constituant ainsi une technique de purification du bain.

3. Impact du raffinement du grain sur les indicateurs de performance magnétique des aimants Alnico coulés

3.1 Coercivité

La coercivité est un indicateur important de la résistance d'un aimant permanent à la démagnétisation. L'affinage du grain permet d'améliorer significativement la coercivité des aimants Alnico. Dans une structure à gros grains, les parois de domaines magnétiques peuvent facilement se déplacer à travers les joints de grains, rendant l'aimant plus sensible à la démagnétisation. Après affinage du grain, le nombre de joints de grains augmente et ces derniers peuvent servir de centres d'ancrage pour les parois de domaines magnétiques, entravant leur mouvement. Par conséquent, un champ magnétique externe plus intense est nécessaire pour déplacer les parois de domaines magnétiques, ce qui explique l'augmentation de la coercivité de l'aimant.

Par exemple, dans les aimants Alnico 5, grâce à des procédés d'affinage des grains appropriés, la coercivité peut être augmentée de sa valeur initiale à un niveau supérieur, améliorant ainsi la capacité de l'aimant à maintenir ses propriétés magnétiques en présence de champs magnétiques inverses ou de perturbations externes.

3.2 Rémanence

La rémanence désigne l'intensité d'induction magnétique résiduelle dans l'aimant après suppression du champ magnétique externe. L'affinage du grain peut également améliorer la rémanence des aimants Alnico. Une microstructure plus uniforme, obtenue par affinage du grain, réduit la dispersion des moments magnétiques et les aligne davantage dans la même direction, augmentant ainsi la rémanence de l'aimant.

De plus, le raffinement du grain permet également de réduire le nombre de défauts tels que les pores et les inclusions dans l'aimant. Ces défauts peuvent perturber l'alignement des domaines magnétiques et réduire la rémanence. En éliminant ou en réduisant ces défauts, la rémanence de l'aimant peut être encore améliorée.

3.3 Produit d'énergie magnétique maximale

Le produit énergétique magnétique maximal est un indicateur complet de la capacité de stockage d'énergie d'un aimant permanent. Il est proportionnel au produit de la rémanence et du carré de la coercivité. L'affinage du grain des aimants Alnico améliorant à la fois la coercivité et la rémanence, il entraîne inévitablement une augmentation du produit énergétique magnétique maximal.

Un produit énergétique magnétique maximal plus élevé signifie que l'aimant peut stocker et restituer davantage d'énergie magnétique à volume égal, ce qui est crucial pour les applications exigeant une forte puissance magnétique, comme les moteurs et générateurs électriques. Par exemple, lors de la conception de moteurs électriques à haut rendement, l'utilisation d'aimants Alnico à produit énergétique magnétique maximal élevé permet de réduire la taille et le poids du moteur tout en améliorant ses performances.

4. Analyse de cas

4.1 Cas 1 : Affinement du grain des aimants Alnico 5 par traitement chimique

Dans une entreprise de production d'aimants Alnico, afin d'améliorer les propriétés magnétiques des aimants Alnico 5, un traitement chimique d'affinage du grain a été mis en œuvre. L'inoculant choisi était un composé contenant du titane et du bore. Lors du processus de production, une quantité appropriée d'inoculant a été ajoutée au bain d'Alnico en fonction de la masse de ce dernier.

Après solidification et traitement thermique, la microstructure des aimants Alnico 5 a été observée au microscope métallographique. Il a été constaté que la taille des grains des aimants traités avec l'inoculant était nettement inférieure à celle des aimants non traités. La taille moyenne des grains est passée d'environ 100 μm à environ 30 μm.

Les tests des propriétés magnétiques ont montré que la coercivité des aimants Alnico 5 à grains affinés passait de 52 kA/m à 60 kA/m, la rémanence de 1,2 T à 1,25 T et le produit énergétique magnétique maximal de 40 kJ/m³ à 48 kJ/m³. Ceci indique qu'un traitement chimique avec un inoculant approprié permet d'affiner efficacement les grains des aimants Alnico 5 et d'améliorer significativement leurs propriétés magnétiques.

4.2 Cas 2 : Affinement du grain des aimants Alnico 8 par traitement ultrasonique

Dans un autre projet de recherche, un traitement ultrasonique a été appliqué pour affiner le grain des aimants Alnico 8. Lors de la solidification du bain d'Alnico 8, une sonde ultrasonique a été insérée dans le bain et des ondes ultrasoniques d'une puissance et d'une fréquence spécifiques ont été appliquées pendant une durée déterminée.

L'analyse métallographique a montré que les grains des aimants Alnico 8 traités aux ultrasons étaient beaucoup plus fins que ceux des aimants non traités. Le traitement ultrasonique a brisé les dendrites dans le bain de fusion, augmenté le nombre de germes de cristallisation et permis un affinement du grain.

Les mesures des propriétés magnétiques ont révélé que la coercivité des aimants Alnico 8 traités par ultrasons passait de 140 kA/m à 160 kA/m, la rémanence de 1,0 T à 1,05 T et le produit énergétique magnétique maximal de 60 kJ/m³ à 70 kJ/m³. Ceci démontre que le traitement par ultrasons est une méthode efficace d'affinage du grain des aimants Alnico 8 et permet d'améliorer significativement leurs performances magnétiques.

5. Conclusion et perspectives

L'affinage du grain est un moyen important d'améliorer les propriétés magnétiques des aimants Alnico coulés. Le traitement chimique, les vibrations et l'agitation mécaniques, ainsi que le traitement par champ physique externe sont autant de procédés efficaces d'affinage du grain. Parmi eux, le traitement chimique est simple à mettre en œuvre et offre un affinage significatif, mais le choix et la quantité d'inoculants doivent être rigoureusement contrôlés. Les vibrations et l'agitation mécaniques permettent d'affiner le grain par des moyens physiques, mais peuvent engendrer des défauts. Le traitement par champ physique externe, tel que le traitement par courant électrique, le traitement par champ magnétique et le traitement par ultrasons, présente l'avantage d'être respectueux de l'environnement et facile à mettre en œuvre, et offre un fort potentiel de développement.

Le raffinement du grain permet d'améliorer la coercivité, la rémanence et le produit énergétique magnétique maximal des aimants Alnico, les rendant ainsi plus adaptés aux applications magnétiques hautes performances. Les recherches futures pourront approfondir les aspects suivants :

• Optimiser les procédés d'affinage du grain, tels que l'étude des paramètres optimaux du traitement chimique, des vibrations et de l'agitation mécaniques, et du traitement par champ physique externe, afin d'obtenir le meilleur effet d'affinage du grain.
• Développer des inoculants ou des agents de raffinage des grains nouveaux et plus efficaces afin d'améliorer l'efficacité du raffinage et de réduire les coûts.
• Combiner différentes méthodes d'affinage du grain pour tirer pleinement parti de leurs avantages respectifs et améliorer encore les propriétés magnétiques des aimants Alnico.
• Étudier la relation entre le raffinement du grain et d'autres facteurs tels que le traitement thermique, la composition de l'alliage et la technologie de traitement afin d'améliorer globalement les performances des aimants Alnico.

En conclusion, grâce à la recherche et à l'innovation continues dans les procédés d'affinage des grains, les propriétés magnétiques des aimants Alnico coulés peuvent être constamment améliorées, élargissant ainsi leur champ d'application et favorisant le développement de l'industrie des aimants permanents.