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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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Matériaux métalliques de type alnico
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1. Classification des matériaux à aimants permanents
Les progrès réalisés dans la fabrication des aimants permanents au cours du XXe siècle sont absolument spectaculaires, notamment ceux des trois dernières décennies. Grâce à la découverte de nouvelles phases magnétiques toujours plus performantes, en moyenne, sur le siècle, la densité de l’énergie spécifique a doublé tous les 12 ans. Cette évolution au cours des années est représentée sur la figure 1.
Les alliages à aimants permanents peuvent être classés de plusieurs façons : ordre chronologique, puissance (valeurs de H c , (BH )max ou B r) , stabilité en température, densité, résistivité, tenue mécanique, facilité de mise en forme, résistance à la corrosion, prix, etc. La classification la plus naturelle repose sur l’origine du mécanisme de durcissement. Aujourd’hui, seuls trois types de matériaux sont utilisés pour la réalisation d’aimants permanents. Il s’agit des alliages alnico, des ferrites durs et des composés des métaux de transition ou des terres rares qui constituent l’essentiel du marché. La coercitivité des alnico est gouvernée par l’anisotropie de forme ; celle des trois autres types de matériaux est imposée par l’anisotropie magnétocristalline. Quelques autres matériaux peuvent continuer à être fabriqués en quantités limitées, en raison de propriétés très spécifiques, notamment mécaniques. La figure A en donne la répartition du marché des principaux aimants permanents tandis que le tableau 1 et la figure 2 de cet article comparent leurs principales caractéristiques magnétiques.
Dans la suite, nous présentons les procédés de fabrication et les propriétés des quatre principales nuances d’aimants permanents, soit dans l’ordre : alnico, ferrites, Sm-Co, Nd-Fe-B, ce qui respecte à la fois le classement en fonction du mécanisme dominant la coercitivité et l’ordre chronologique de l’apparition de ces aimants sur le marché. Nous avons regroupé, pour mémoire, les autres catégories d’aimants dont nous donnons une description très succincte dans l’article .
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