MATERIAU MAGNETIQUE A BASE DE FER. DE COBALT. DE TERRES RARES ET DE BORE ET AIMANT A BASE DE CE MATERIAU MAGNETIC MATERIAL BASED ON IRON. OF COBALT. RARE EARTH AND BORON AND MAGNET BASED ON THIS MATERIAL
La présente invention concerne un matériau magnétique à base de fer, de cobalt, de terres rares et de bore et un aimant à base de ce matériau.The present invention relates to a magnetic material based on iron, cobalt, rare earths and boron and a magnet based on this material.
On sait qu'il y a, dans le domaine des aimants, un besoin croissant en un matériau dont les performances soient situées entre celles qui sont faibles des aimants du type ferrites et celles élevés du type aimants frittes à base de néodyme, de fer et de bore. II existe déjà des aimants satisfaisant en partie ce besoin. Il s'agit d'aimants liés à base de néodyme, de fer et de bore et obtenus par trempe sur roue (melt-spining). On a aussi proposé des aimants à plus basse teneur en terres rares et à rémanence élevée mais qui ne sont pas entièrement satisfaisants car ils présentent une coercivité qui peut être insuffisante dans certaines applications. L'objet de la présente invention est de fournir un matériau magnétique à faible teneur en terres rares et présentant des propriétés magnétiques améliorées et, notamment, une coercivité accrue.It is known that there is, in the field of magnets, an increasing need for a material whose performance is situated between those which are weak of magnets of the ferrite type and those high of the type sintered magnets based on neodymium, iron and boron. There are already magnets which partially satisfy this need. These are magnets bonded on the basis of neodymium, iron and boron and obtained by quenching on a wheel (melt-spining). Magnets with a lower rare earth content and a high remanence have also been proposed, but which are not entirely satisfactory because they have a coercivity which may be insufficient in certain applications. The object of the present invention is to provide a magnetic material with a low rare earth content and having improved magnetic properties and, in particular, increased coercivity.
Dans ce but, le matériau magnétique de l'invention est caractérisé en ce qu'il présente la composition définie par la formule suivante :For this purpose, the magnetic material of the invention is characterized in that it has the composition defined by the following formula:
R1 χR2yf=eiOO-x-y-z^w-tCθ2MlvM2t-3w (1)R 1 χ R 2 yf = eiOO-xyz ^ w-tCθ 2 Ml v M2 t -3 w (1)
dans laquellein which
R1 représente au moins un élément choisi parmi le lanthane, le cérium, le praséodyme, le néodyme, le samarium et l'europium, au moins un des éléments praséodyme et néodyme étant présent et majoritaire,R 1 represents at least one element chosen from lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium and europium, at least one of the praseodymium and neodymium elements being present and predominant,
R2 représente au moins un élément choisi parmi le terbium, le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium et le lutécium, au moins un des éléments terbium et dysprosium étant présent et majoritaire, M1 représente au moins un élément choisi parmi le titane, le vanadium, le molybdène, le niobium, le zirconium, l'hafnium, le tantale, le manganèse et le tungstène,R 2 represents at least one element chosen from terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium, at least one of the elements terbium and dysprosium being present and predominant, M 1 represents at at least one element chosen from titanium, vanadium, molybdenum, niobium, zirconium, hafnium, tantalum, manganese and tungsten,
M2 représente au moins un élément choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le gallium, le carbone et le silicium, et où x, y, z, v, w et t vérifient les relations suivantes :M 2 represents at least one element chosen from aluminum, copper, gallium, carbon and silicon, and where x, y, z, v, w and t satisfy the following relationships:
3< x <53 <x <5
0,1< y <1 ,50.1 <y <1, 5
0< z <15
0< V <30 <z <15 0 <V <3
15< w <2515 <w <25
0< t ≤30 <t ≤3
L'invention concerne aussi un aimant caractérisé en ce qu'il est à base du matériau défini ci-dessus.The invention also relates to a magnet characterized in that it is based on the material defined above.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront encore plus complètement à la lecture de la description qui va suivre, ainsi que des divers exemples concrets mais non limitatifs destinés à l'illustrer.Other characteristics, details and advantages of the invention will appear even more completely on reading the description which follows, as well as various concrete but nonlimiting examples intended to illustrate it.
Le matériau de l'invention est tout d'abord caractérisé par sa composition. Cette composition répond à la formule (1) donnée plus haut. Les proportions des différents éléments constitutifs du matériau de l'invention sont donc exprimées en % atomique.The material of the invention is first of all characterized by its composition. This composition corresponds to formula (1) given above. The proportions of the various constituent elements of the material of the invention are therefore expressed in atomic%.
R"! est choisi dans le groupe des terres rares du type terre rares légères qui a été défini plus haut avec comme conditions, d'une part, que le matériau comprenne au moins comme élément R" du praséodyme ou du néodyme ou une combinaison de ces deux éléments et, d'autre part, que le praséodyme, le néodyme ou la combinaison de ces deux éléments soit majoritaire, c'est à dire constitue plus de 50% atomique de l'ensemble des terres rares constituant R Les proportions respectives du néodyme et du praséodyme l'un par rapport à l'autre peuvent être quelconques, le néodyme pouvant être plus particulièrement en proportion majoritaire. De préférence la terre rare R1 est le néodyme.R " ! Is chosen from the group of rare earths of the light rare earth type which has been defined above with the conditions, on the one hand, that the material comprises at least as element R " of praseodymium or neodymium or a combination of these two elements and, on the other hand, that the praseodymium, the neodymium or the combination of these two elements is in the majority, that is to say constitutes more than 50 atomic% of the set of rare earths constituting R The respective proportions of the neodymium and praseodymium with respect to each other can be any, the neodymium being more particularly in majority proportion. Preferably the rare earth R1 is neodymium.
R^ est choisi dans le groupe des terres rares du type terres rares lourdes qui a été défini plus haut avec comme conditions, d'une part, que le matériau comprenne au moins comme élément R^ du terbium ou du dysprosium ou une combinaison de ces deux éléments et, d'autre part, que le terbium, le dysprosium ou la combinaison de ces deux éléments soit majoritaire, c'est à dire constitue plus de 50% atomique de l'ensemble des terres rares constituant R^. Les proportions respectives du terbium et du dysprosium l'un par rapport à l'autre peuvent être quelconques, le terbium pouvant être plus particulièrement en proportion majoritaire. De préférence, la terre rare R^ est le terbium. En ce qui concerne les proportions respectives des éléments données plus haut, on peut indiquer qu'une teneur en terre rares inférieure à la teneur minimale décrite induit une coercivité insuffisante du matériau et une teneur supérieure à la teneur maximale décrite entraîne une perte de coercivité, qui peut être totale, du matériau. Les éléments M^ et M2 sont utilisés comme additifs. Une quantité trop importante de ces additifs peut entraîner une diminution de la magnétisation à saturation. La teneur en bore décrite permet d'obtenir les phases en équilibre Fβ3B, Fe et (R1 ,R2)2Fei4-3. En dehors de cette teneur, on ne forme pas cette combinaison de phases.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention, les teneurs en éléments R1, R2, Co, M1, M2 et B peuvent varier dans des gammes plus réduites. Ainsi, les valeurs de x et y peuvent vérifier la relation 3,5< x+y <4,5. Par ailleurs, la valeur de y peut vérifier plus particulièrement la relation 0,1< y <1. Selon un autre mode de réalisation particulier, z présente la valeur suivante 1 ,5< z <7,5 et encore plus particulièrement 2,5< z <7,5. En outre, v ou t peuvent présenter des valeurs d'au plus 1. Enfin, w peut varier plus particulièrement dans les proportions suivantes : 17< w ≤20.R ^ is chosen from the group of rare earths of the heavy rare earth type which has been defined above with the conditions, on the one hand, that the material comprises at least as element R ^ terbium or dysprosium or a combination of these two elements and, on the other hand, that the terbium, the dysprosium or the combination of these two elements is in the majority, that is to say constitutes more than 50 atomic% of the set of rare earths constituting R ^. The respective proportions of the terbium and of the dysprosium with respect to each other can be arbitrary, the terbium possibly being more particularly in the majority proportion. Preferably, the rare earth R ^ is terbium. With regard to the respective proportions of the elements given above, it may be indicated that a rare earth content lower than the minimum content described induces an insufficient coercivity of the material and a content greater than the maximum content described results in a loss of coercivity, which can be total, of the material. The elements M ^ and M 2 are used as additives. Too much of these additives can lead to a reduction in saturation magnetization. The boron content described makes it possible to obtain the phases in balance Fβ3B, Fe and (R 1 , R 2 ) 2Fei4-3. Apart from this content, this combination of phases is not formed. According to particular embodiments of the invention, the contents of elements R 1 , R 2 , Co, M 1 , M 2 and B can vary within more reduced ranges. Thus, the values of x and y can verify the relation 3,5 <x + y <4,5. In addition, the value of y can more particularly verify the relation 0,1 <y <1. According to another particular embodiment, z has the following value 1, 5 <z <7.5 and even more particularly 2.5 <z <7.5. In addition, v or t can have values of at most 1. Finally, w can vary more particularly in the following proportions: 17 <w ≤20.
Bien entendu, l'invention comprend aussi le mode de réalisation particulier dans lequel x, y, z, v, t et w vérifient simultanément les relations qui ont été données dans le paragraphe précédent.Of course, the invention also includes the particular embodiment in which x, y, z, v, t and w simultaneously verify the relationships which have been given in the preceding paragraph.
L'élément M2 peut être plus particulièrement le silicium et M1 et M2 peuvent constituer plus particulièrement une combinaison de cuivre et de niobium. Dans ce dernier cas, le cuivre et le niobium peuvent être présents en quantités égales ou sensiblement égales. On notera aussi que le matériau de l'invention ne comporte pas de chrome à titre d'élément constitutif, à l'exception toutefois des traces éventuelles de cet élément pouvant provenir des matières premières utilisées dans la préparation du matériau.The element M 2 can more particularly be silicon and M 1 and M 2 can more particularly constitute a combination of copper and niobium. In the latter case, copper and niobium can be present in equal or substantially equal amounts. It will also be noted that the material of the invention does not contain chromium as a constituent element, with the exception however of possible traces of this element which can come from the raw materials used in the preparation of the material.
Le matériau de l'invention se présente généralement sous la forme d'une poudre. Habituellement, cette poudre présente une taille moyenne de particule comprise entre environ 10μm et environ 500μm, plus particulièrement entre 10Oμm et 300μm.The material of the invention is generally in the form of a powder. Usually, this powder has an average particle size of between approximately 10 μm and approximately 500 μm, more particularly between 10 μm and 300 μm.
Le matériau est constitué en outre de cristallites dont la taille moyenne peut être comprise entre 5nm et 300nm, de préférence entre 10 et 50nm.The material also consists of crystallites whose average size can be between 5nm and 300nm, preferably between 10 and 50nm.
Un premier procédé de préparation du matériau de l'invention va maintenant être décrit. Ce procédé comprend les étapes suivantes :A first process for preparing the material of the invention will now be described. This process includes the following steps:
- on fond un mélange de départ comprenant les éléments constitutifs du matériau dans les proportions nécessaires;- A starting mixture is melted comprising the constituent elements of the material in the necessary proportions;
- on refroidit le mélange fondu;- the molten mixture is cooled;
- on soumet éventuellement à un traitement thermique ledit produit, ce par quoi on obtient le matériau magnétique.- The said product is optionally subjected to a heat treatment, whereby the magnetic material is obtained.
Le mélange de départ, par exemple un alliage des différents éléments, est fondu dans un premier temps, sous atmosphère inerte généralement, par exemple sous argon. La deuxième étape du procédé consiste à refroidir le mélange fondu.The starting mixture, for example an alloy of the different elements, is firstly melted, generally under an inert atmosphere, for example under argon. The second step in the process is to cool the molten mixture.
On peut utiliser différentes techniques pour ce faire comme la trempe sur roue. On utilise habituellement des vitesse de refroidissement qui peuvent varier entre environ 10^ et environ 107°C par seconde, de préférence entre 10^ et 10^°C par seconde. Lorsque le refroidissement est rapide, c'est à dire supérieur à 10^°C/s, on
obtient un produit essentiellement amorphe. Le produit ainsi obtenu peut éventuellement être broyé.Different techniques can be used to do this, such as wheel quenching. Cooling rates are usually used which can vary between about 10 ^ and about 10 7 ° C per second, preferably between 10 ^ and 10 ^ ° C per second. When the cooling is rapid, that is to say greater than 10 ^ ° C / s, we obtains an essentially amorphous product. The product thus obtained can optionally be ground.
Dans une dernière étape, on fait peut faire subir au produit obtenu précédemment un traitement thermique. Ce traitement n'est pas toujours nécessaire si la vitesse de refroidissement est faible, c'est à dire comprise entre 104°C/s et 1θ5°C/s par seconde. Par contre, un tel traitement est utile dans le cas d'un vitesse de refroidissement supérieure à 10^oC/s. Dans ce cas, on provoque une cristallisation dans le produit amorphe et, plus précisément l'apparition de cristallites fins. La température de ce traitement peut être comprise entre environ 400 et environ 800°C, plus particulièrement entre environ 650 et environ 750°C. La durée du traitement peut varier entre environ 0,001 seconde et environ 2 heures, de préférence entre 0,01 seconde et environ 10 minutes. La vitesse du chauffage peut varier de 0,1°C/s à 100°C/s. Le traitement se fait de préférence sous gaz inerte comme l'argon.In a final step, the product obtained previously can be subjected to a heat treatment. This treatment is not always necessary if the cooling rate is low, that is to say between 10 4 ° C / s and 1θ5 ° C / s per second. On the other hand, such a treatment is useful in the case of a cooling rate greater than 10 ^ o C / s. In this case, crystallization is caused in the amorphous product and, more precisely, the appearance of fine crystallites. The temperature of this treatment can be between approximately 400 and approximately 800 ° C., more particularly between approximately 650 and approximately 750 ° C. The duration of the treatment can vary between approximately 0.001 seconds and approximately 2 hours, preferably between 0.01 seconds and approximately 10 minutes. The heating speed can vary from 0.1 ° C / s to 100 ° C / s. The treatment is preferably carried out under an inert gas such as argon.
Un autre procédé de préparation du matériau de l'invention peut aussi être utilisé. La première étape de ce procédé consiste à allier mécaniquement les éléments constitutifs du matériau dans les proportions nécessaires. La technique d'alliage mécanique est connue, elle consiste à broyer avec une forte énergie soit des poudres des éléments distincts concernés soit des pré-mélanges sous forme d'alliages de ces éléments. Le traitement thermique de l'alliage obtenu à l'étape précédente est ensuite réalisé en mettant en oeuvre des conditions semblables à celles qui ont été décrites pour le premier procédé.Another process for preparing the material of the invention can also be used. The first step in this process consists in mechanically combining the constituent elements of the material in the necessary proportions. The mechanical alloying technique is known, it consists in grinding with high energy either powders of the separate elements concerned or premixes in the form of alloys of these elements. The heat treatment of the alloy obtained in the previous step is then carried out by implementing conditions similar to those which have been described for the first method.
Un troisième procédé est envisageable. Ce procédé comporte, dans une première étape, un traitement thermique sous hydrogène d'un mélange ou d'un alliage de départ comprenant les éléments constitutifs du matériau dans les proportions nécessaires puis, dans une deuxième étape, un traitement thermique sous vide.A third process is possible. This method comprises, in a first step, a heat treatment under hydrogen of a starting mixture or alloy comprising the constituent elements of the material in the necessary proportions, then, in a second step, a heat treatment under vacuum.
L'invention concerne aussi un aimant permanent qui est à base d'un matériau tel que celui qui vient d'être décrit ou tel qu'obtenu par les procédés présentés plus haut. La préparation d'un tel aimant permanent se fait d'une manière connue par exemple par pressage à chaud ou par frittage. En outre, le matériau de l'invention convient particulièrement bien à la préparation d'aimants permanents liés. De tels aimants liés comprennent le matériau de l'invention tel que décrit ci-dessus dans une matrice formée d'un matériau non magnétique à base par exemple d'un verre, d'un polymère, d'une résine, comme une résine époxy ou à base d'un second alliage à bas point de fusion.The invention also relates to a permanent magnet which is based on a material such as that which has just been described or as obtained by the methods presented above. The preparation of such a permanent magnet is done in a known manner, for example by hot pressing or by sintering. In addition, the material of the invention is particularly suitable for the preparation of bonded permanent magnets. Such bonded magnets comprise the material of the invention as described above in a matrix formed of a non-magnetic material based for example on a glass, a polymer, a resin, such as an epoxy resin. or based on a second alloy with low melting point.
Des exemples vont maintenant être donnés.Examples will now be given.
Les matériaux sont obtenus de la manière suivante. On fait fondre un alliage comprenant les quantités nécessaires des différents éléments sous atmosphère
d'argon. L'alliage fondu est projeté sur la surface externe d'une roue maintenue à température ambiante et dont la vitesse circonférentielle est comprise entre 20 et 40m/s. On obtient un matériau sous forme d'un ruban de fine épaisseur. Le matériau subit ensuite un traitement thermique à une température qui est comprise entre 700 et 800°C sous argon.The materials are obtained in the following manner. An alloy comprising the necessary quantities of the various elements is melted under atmosphere argon. The molten alloy is sprayed onto the external surface of a wheel maintained at ambient temperature and whose circumferential speed is between 20 and 40 m / s. A material is obtained in the form of a thin ribbon. The material is then subjected to a heat treatment at a temperature which is between 700 and 800 ° C. under argon.
On indique ci-dessous dans le tableau 1 les compositions des matériaux des différents exemples et dans le tableau 2 les propriétés magnétiques de ces matériaux après le traitement thermique. L'exemple 20 est un exemple comparatif car le matériau ne contient pas de terbium ni de dysprosium. On constate que les matériaux selon l'invention présente une coercivité nettement améliorée avec une rémanence au moins égale et généralement améliorée.The compositions of the materials of the various examples are shown in Table 1 below and in Table 2 the magnetic properties of these materials after the heat treatment. Example 20 is a comparative example because the material does not contain terbium or dysprosium. It can be seen that the materials according to the invention have a markedly improved coercivity with at least equal and generally improved remanence.
Tableau 1Table 1