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Auteur(s)
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Jean-Claude PERRON : Directeur de recherches au CNRS
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’ensemble des ferromagnétiques « doux », cristallins ou non, sont des constituants essentiels de presque tous les dispositifs électriques ou électroniiques de notre civilisation moderne. Ils ont pour rôle principal de canaliser et concentrer les flux magnétiques. Le marché actuel de ces matériaux (cf. tableau ci-dessous) peut être divisé en quatre grandes familles : (a) les aciers électriques (essentiellement les alliages Fe-3 %Si), (b) les alliages fer-nickel et fer-cobalt, (c) les ferrites douces et (d) les alliages métalliques amorphes et nanocristallins.
L’intérêt économique de ces matériaux est à l’image de leurs productions mondiales annuelles. Par exemple, la famille (a) peut être scindée en deux : les tôles Fe-Si à grains orientés (GO) avec une production mondiale de 1 MT/an surtout utilisée pour la fabrication des transformateurs de distribution, et les tôles non orientées (NO) avec une production de 5 MT/an utilisée principalement dans la réalisation des machines électriques. La production des matériaux des familles (b) et (c) atteint respectivement 12 kT et 200 kT/an avec une utilisation importante en électronique. Une estimation raisonnable du tonnage mondial des matériaux de la famille (d), qui nous intéressent ici, est de 20 kT/an avec une progression probable vers 100 kT/an à la fin du millénaire, leurs applications sont décrites par la suite.
Ces matériaux (d) peuvent être obtenus par divers procédés, nous nous intéresserons ici à ceux préparés sous forme de rubans par solidification rapide d’un liquide. Le produit sera amorphe c’est-à-dire que les atomes le constituant ne présentent pas d’ordre à grande distance. Pour certaines compositions atomiques particulières, il sera possible par une cristallisation contrôlée de l’alliage amorphe d’obtenir des matériaux biphasés comportant une phase nanocristalline incluse dans une matrice qui reste amorphe. Les matériaux amorphes et nanocristallins présentent une faible anisotropie magnétique qui peut être adaptée aux applications visées par des traitements thermiques post-trempe. Leurs propriétés magnétiques sont remarquables : un faible champ coercitif, de fortes perméabilités (d’impédance ou initiale), de faibles pertes électromagnétiques. Suivant leurs compositions, ces alliages ont des inductions à saturation comprises entre 0,5 et 1,7 T avec des valeurs de la magnétostriction qui peuvent être voisines de zéro jusqu’à atteindre 35 x 10−6Ce grand éventail des propriétés magnétiques fait que ces matériaux peuvent, pour certaines applications, rentrer en concurrence avec les trois autres catégories de ferromagnétiques doux (a, b, c). Ils sont en effet utilisables dans un large spectre de fréquences qui vont du continu jusqu’à 1 MHz environ. Dans le domaine des basses fréquences on peut citer : les transformateurs de distribution de moyenne puissance et les inductances ; pour les fréquences plus élevées, les composants magnétiques pour l’électronique de puissance. De nombreuses autres applications existent : blindage magnétique, capteurs variés... Si l’on se place d’un point de vue économique, on peut dire schématiquement que les applications basses fréquences sont pilotées par le coût alors que celles en hautes fréquences sont pilotées par la qualité magnétique. Actuellement, dans les pays européens et en ce qui concerne les matériaux sujets de cet article, ce sont ces dernières qui ont le plus intéressé les industriels.
VERSIONS
- Version courante de mai 2023 par Frédéric MAZALEYRAT
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1. Matériaux ferromagnétiques amorphes
1.1 Propriétés générales
Formés au cours des époques géologiques, les verres d’oxydes existent dans l’écorce terrestre. Il y a plusieurs milliers d’années, des objets en verre étaient produits par fusion, façonnage et refroidissement au Moyen-Orient. L’existence de ces objets en verres d’oxydes s’explique par le fait qu’un refroidissement lent à partir de la phase liquide conduit généralement à la phase vitreuse.
Il en est tout autrement des verres métalliques que l’on n’a su élaborer que très récemment. Les alliages métalliques à structure amorphe, encore appelés verres métalliques, sont des matériaux dans lesquels, comme dans les verres d’oxydes, il n’existe pas d’ordre atomique à grande distance. Dans cet article, nous nous intéresserons plus particulièrement aux alliages métalliques amorphes présentant un ferromagnétisme doux, c’est-à-dire ayant un faible champ coercitif et donc des pertes électromagnétiques faibles.
Différentes méthodes de préparation des alliages métalliques amorphes sont possibles ; le principe général consiste en la solidification rapide d’un gaz ou d’un liquide. La vitesse de trempe doit être suffisamment élevée pour qu’il ne puisse y avoir réorganisation structurale durant la solidification. On évite ainsi la germination et la croissance des grains constituant les cristaux des alliages usuels. Ce point peut être illustré schématiquement par un diagramme TTT (temps-température-transformation). Ces diagrammes sont tracés pour un taux de cristallinité x donné ; ce taux représente la fraction volumique cristallisée.
La figure 1 représente un tel diagramme tracé pour x = 10−6, sur ce diagramme est portée en ordonnée la température réduite Tr = T/Tf (Tf est la température de fusion de l’alliage) et, en abscisse, le logarithme du temps t. Le paramètre Tr0 donné sur les courbes est le quotient de la température de transition vitreuse Tg et de la température de fusion Tf (Tr0 = Tg/Tf). La température Tg sera définie par la suite 1.2...
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Matériaux ferromagnétiques amorphes
Liste non exhautive
Metglas Inc. http://www.metglas.com
VAC, Vacuumschmelze GmbH. http://www.vacuumschmelze.de
Importateur P. Balloffet-Technicome. http://www.technicome.com
Imphy Ugine Précision (Groupe Arcelor). http://www.iup-online.com
Toshiba (Japon). http://www.toshiba.co.jp
Hitachi (Japon). http://www.hitachi.co.jp
Hitachi Metals Europe. http://www.hitachi-eu.com
HAUT DE PAGE
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DUWEZ (P) - Trans. Am. Soc. Metals, - 60, 607, 1967.
MIROSHNICHENKO (IS) - SALLI (IV) - Ind. Lab. - , 25, 1463, 1959.
POND (R) - MADDIN (R) - * - TMS-AIME, 245, 2475, 1969.
DUWEZ (P) - LIN (SCH) - J. Appl. Phys., - 38, 4096, 1967.
HASEGAWA (R) - TSUEI (CC) - Phys. Rev., - B2, 1631, 1970.
DAVIES (HA) - Dans Amorphous Metallic Alloys. - (cf. [69]), p. 8.
JANOT (C) - MANGIN (P) - MARCHAL (G) - PIECUCH (M) - * - C.R. du 21e Colloque de Métallurgie,...
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