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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 :
Matériaux à propriétés magnétiques dures : notions de base 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 Matériaux à propriétés magnétiques dures spécifiques et en devenir ;
auxquels est associé un fascicule de documentation :
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Matériaux céramiques ou ferrites durs
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2. Matériaux métalliques de type alnico
2.1 Alni. Alnico
Initialement, l’alliage alni du type AlNiFe2 , découvert au Japon en 1932 par Mishima, avait pour composition pondérale : 58Fe-30Ni-12Al. Son champ coercitif voisin de 3,45 × 104 A · m– 1 (430 Oe) était deux fois plus élevé que celui des meilleurs aciers au tungstène alors utilisés. En 1938, des additions de cobalt, effectuées afin d’augmenter Ms et TC , ainsi que des ajouts de cuivre et de titane, permirent de découvrir l’effet bénéfique d’un traitement thermique sous champ magnétique sur les propriétés magnétiques anisotropes de cette famille de matériaux. Désignés sous le nom d’alnico, ces alliages prirent alors le pas sur tous les autres matériaux pour aimants permanents de l’époque. Au prix de nombreuses recherches menées dans les années 1940-1950, on est parvenu peu à peu à accroître les caractéristiques magnétiques et à obtenir des nuances extrêmement nombreuses, couvrant un très vaste domaine d’applications [22] [23] [24] [25]. Ce n’est qu’en 1952 que se présentera un concurrent sérieux : le ferrite de baryum dont il est question plus loin. Aujourd’hui, du fait d’un champ coercitif trop réduit et d’un prix de revient élevé, les aimants alnico sont de moins en moins utilisés (cf. figure A en ), leur part de marché ayant diminué ces dernières années d’environ 5 % par an. Mais, pour le moment, grâce à une rémanence élevée (0,8 à 1,3 T) et surtout une excellente stabilité thermomagnétique [α (Br) » – 0,02 %/K] jusqu’à des températures élevées (500 à 550 oC), leur utilisation reste substantielle tandis que leur part de marché tend vers un niveau stable. En effet, ils sont irremplaçables dès qu’il s’agit d’utiliser des aimants dans des applications où la stabilité thermique est essentielle (appareils de mesure, par exemple). Ils offrent aussi une bonne résistance à la corrosion.
À cause d’une grande dureté et d’une relative fragilité, la préparation des aimants alnico s’effectue par fusion et coulée. Ils sont alors usinés par rectification à la meule avec des risques d’écaillage et d’apparition de fissures, par électroérosion...
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