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Auteur(s)
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Jacques DEGAUQUE : Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Toulouse (INSA) Laboratoire de physique de la matière condensée (UMR-CNRS)
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Le sixième du marché des matériaux magnétiques est propre à celui des aimants permanents ; il se développe actuellement à un rythme de 10 % par an. L’ensemble des matériaux pour aimants permanents se répartit en trois familles principales : les métalliques alnico, les céramiques en ferrites durs, les intermétalliques à base de terres rares, auxquels se joignent de faibles quantités d’alliages métalliques (moins de 1 %), tel le coûteux platine-cobalt.
En règle générale, un aimant fait partie intégrante d’un système. Il en résulte que doivent être considérées simultanément des contraintes d’ordres mécanique et magnétique. Selon l’application, une gamme de matériaux sera mieux adaptée qu’une autre, par exemple, selon le volume et la forme de l’espace disponible pour l’aimant (un espace allongé autorise les alnico, un espace plan requiert les ferrites durs ou les alliages à base de terres rares, un volume réduit impose les alliages à base de terres rares). Puis, en fonction des autres conditions susceptibles d’être rencontrées en fonctionnement — champs magnétiques adverses, chocs, températures extrêmes, irradiations, corrosions —, ce choix s’affinera ou se fixera sur une des autres familles avec, bien sûr, une nouvelle conception de l’espace autorisé. Mais il ne faudra pas non plus oublier les contraintes de mise en forme (usinage généralement difficile), de prix, de disponibilité, etc.
Le présent article a pour objectif de présenter les caractéristiques principales, les procédés de fabrication et les causes de durcissement magnétique des matériaux pour aimants permanents appartenant aux trois familles citées ci-dessus. Il devrait ainsi aider les utilisateurs d’aimants permanents à choisir et à exploiter au mieux les matériaux nécessaires à leurs applications.
Cet exposé fait partie d’un ensemble de trois articles :
[M 4 600] Matériaux à propriétés magnétiques dures : notions de base ;
[M 4 601] Matériaux à propriétés magnétiques dures : matériaux industriels ;
Matériaux à propriétés magnétiques dures spécifiques et en devenir ;
auxquels est associé un fascicule de documentation :
Matériaux à propriétés magnétiques dures. « Pour en savoir plus ».
Pour les notations et symboles se reporter à l’article [M 4 600] Matériaux à propriétés magnétiques dures : notions de base.
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Principales applications des aimants permanents
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4. Matériaux intermétalliques
4.1 Composés métaux de terres rares - métaux de transition : généralités
À partir des années 1960, grâce à la mise à leur disposition des éléments de terres rares en quantité importante et de grande pureté, de nombreux laboratoires de recherche se sont intéressés à l’étude de leurs alliages, notamment avec les métaux de transition. En effet, nous avons vu dans l’article [M 4 600], (§ 3.1) que le magnétisme de la matière condensée résulte d’un ensemble de moments de spin couplés entre eux par les interactions d'échange, d’un ensemble de moments orbitaux couplés au réseau cristallin par le champ cristallin et d’une interaction entre ces deux ensembles, le couplage spin-orbite. Les prépondérances de ces contributions diffèrent selon que l’on considère, isolément, les métaux de transition (MT) 3d (soit uniquement des moments magnétiques de spin) ou de terres rares (TR) 4f (c’est-à-dire des moments de spin auxquels s’ajoutent ou se retranchent de forts moments orbitaux).
Examinons ce qu’il advient du rôle des interactions lorsque TR et MT sont alliés l’un à l’autre. On peut alors considérer deux types de composés [18] [40].
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Composés riches en métaux de terres rares
Leur structure a généralement un même motif fondamental constitué d’un prisme trigonal dont les sommets sont occupés par des atomes de terres rares et le centre par l’atome 3d, plus petit. Ce dernier ne peut contribuer au magnétisme de l’alliage car, les distances entre ces atomes étant grandes, les interactions magnétiques qui les couplent sont négligeables. Chaque spin de terre rare induit autour de lui une polarisation des spins des électrons de conduction qui oscille avec la distance, et induit ainsi des couplages indirects entre les terres rares (interaction RKKY : Rudermann- Kittel‐Kasuya‐Yoshida). Ces couplages peuvent alors être négatifs ou positifs...
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