Alnico

2 Les matériaux des aimants permanents

Les types d’aimants les plus courants utilisés actuellement sont les aimants en ferrite dur, les aimants à base de terres rares comme le SmCo ou le NdFeB, et les aimants de type alnico. Parmi ces derniers, les aimants alnico n’ont qu’une coercivité modeste, ce qui entraîne des caractéristiques de démagnétisation non linéaires. Pour cette raison, leur applicabilité est très limitée par rapport aux deux autres types. Les ferrites dures ont des coercivités plus élevées que les aimants alnico et leurs caractéristiques de démagnétisation sont linéaires. Cependant, la rémanence et le produit énergétique maximal concomitant sont déjà faibles et sont encore diminués par le collage. En raison de leur faible coût, les aimants en ferrite sont encore largement utilisés, bien que la plupart des dispositifs magnétiques correspondants soient plutôt encombrants et offrent souvent des performances loin d’être optimales. Les aimants permanents en ferrite dominent actuellement l’industrie automobile et de nombreuses autres applications en raison de leur faible coût et de leur stabilité à long terme (voir Alnicos et Hexaferrites). Les aimants à base de terres rares ont des valeurs élevées de coercivité qui leur confèrent des caractéristiques de démagnétisation linéaires (voir Aimants à base de terres rares : matériaux). Ils ont des rémanences élevées et les valeurs typiques des produits énergétiques atteints dans les aimants frittés sont de 150 kJ m-3 pour SmCo5, et 300 kJ m-3 pour Nd2Fe14B. Les premiers types d’aimants sont fréquemment utilisés dans des applications à haute température, ce que ne permettent pas les aimants à liant (voir Aimants : haute température). Les aimants de type SmCo5 sont chers en raison du prix élevé du samarium et du cobalt. La situation est plus favorable pour les aimants NdFeB car le néodyme est moins cher que le samarium et le fer est beaucoup moins cher que le cobalt, les arts de traitement métallurgique des poudres étant comparables à ceux du SmCo5. Le rapport performance/prix du Nd2Fe14B est donc meilleur que celui du SmCo5. Bien que les aimants à liant puissent être fabriqués à partir de tous les matériaux mentionnés ci-dessus, seuls les aimants à liant de ferrite et les aimants à liant de Nd2Fe14B ont pénétré le marché dans une mesure appréciable. Les ferrites peuvent être facilement obtenues sous forme de poudre (voir Alnicos et Hexaferrites). Un traitement un peu particulier des poudres de ferrite permet d’obtenir des plaquettes hexagonales qui peuvent être facilement alignées mécaniquement lors du processus de formation d’aimants à liant souple. La situation est plus difficile dans le cas du Nd2Fe14B, car une simple voie métallurgique des poudres à partir de lingots de Nd2Fe14B coulés ou recuits ne conduit généralement pas à des poudres d’une coercivité suffisamment élevée pour être utilisées dans des aimants à liant. Les poudres de NdFeB coercitives peuvent cependant être obtenues par filage à chaud (voir Filaments métalliques). Dans cette technique, un fin courant d’alliage fondu est pulvérisé sur la surface extérieure d’une roue à rotation rapide, ce qui produit de minces rubans ou flocons rapidement refroidis. Pendant le filage à l’état fondu, le matériau est protégé de l’oxydation en réalisant ce processus dans une atmosphère protectrice ou sous vide. La vitesse de trempe est de l’ordre de 105 K s-1 et peut être modifiée en changeant la vitesse de rotation de la roue de filage. Des vitesses de trempe différentes conduisent à des microstructures différentes qui déterminent à leur tour les propriétés magnétiques du matériau filé à l’état fondu. Les conditions optimales de filage par fusion conduisent à un alliage nanocristallin constitué de grains fins (typiquement 30 nm) du composé Nd2Fe14B, entouré d’une fine couche d’une phase eutectique riche en néodyme. En pratique, des résultats plus fiables et reproductibles peuvent être obtenus en utilisant un taux de trempe légèrement plus élevé et en recuisant ensuite le matériau filé à l’état fondu dans des conditions soigneusement contrôlées. Le matériau filé à l’état fondu est assez fragile et peut être broyé en une poudre fine adaptée à la fabrication d’aimants à liant. Comme les grains de Nd2Fe14B ont une orientation aléatoire, ces aimants liés sont isotropes. Les particules de poudre de forme sphérique s’écoulent mieux dans le processus de moulage par injection, ce qui permet un facteur de charge plus élevé. Une telle poudre peut être préparée par un procédé d’atomisation sous gaz inerte avec des valeurs typiques pour le diamètre moyen des particules de 45 mm. Un autre avantage du processus d’atomisation est le taux de production élevé et les faibles coûts de traitement des poudres (Ma et al. 2002). Une autre voie menant à des poudres NdFeB coercitives consiste en un processus dit HDDR (voir Aimants : Processus HDDR). Ce procédé comporte essentiellement quatre étapes : l’hydrogénation de Nd2Fe14B à basse température, la décomposition de Nd2Fe14BHx en NdH2.7 + Fe + Fe2B, la désorption du gaz H2 de NdH2.7 et la recombinaison de Nd + Fe + Fe2B en Nd2Fe14B. Ce processus bénéficie du fait que la formation de grains de Nd2Fe14B dans la dernière étape est une réaction à l’état solide et se déroule donc à une vitesse considérablement plus faible que lors de la solidification à partir de la masse fondue au cours d’un processus de coulée normal. La taille moyenne des grains de Nd2Fe14B reste de l’ordre du nanomètre et donne lieu à des coercivités suffisamment grandes. Un autre avantage est le fait que le procédé HDDR peut être utilisé avec succès pour obtenir des particules anisotropes. Takeshita et Nakayama (1992) ont découvert que les additifs de zirconium, hafnium et gallium, en particulier, sont très efficaces pour produire une poudre HDDR anisotrope. La quantité d’additif nécessaire est étonnamment faible (par exemple, Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Des études microscopiques décrites par Harris (1992) ont révélé que de gros grains de HDDR à facettes s’étaient formés dans le grain original de l’alliage tel que coulé. Ces grains facettés ont une orientation commune, qui est probablement la même que celle du grain original. La nature anisotrope des poudres HDDR d’alliages tels que Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 peut donc être visualisée en supposant que les grains HDDR ont été nucléés et se sont développés à l’intérieur d’une région de grain original tel que coulé à partir de grains submicroniques, ces derniers ayant une orientation commune (Harris 1992).Tomida et al. (1996) ont utilisé la diffraction des rayons X pour établir une corrélation entre la nature anisotrope de la poudre HDDR finale et la quantité de phase Nd2Fe14B restant non réagie dans le processus d’hydrogénation. Les études TEM réalisées par Tomida et al. sur la poudre hydrogénée dans des conditions optimales de produit énergétique ont montré qu’après l’hydrogénation, la poudre se compose principalement d’α-Fe et de Fe2B à gros grains, avec des particules nanocristallines enchâssées entre les deux. Ces particules ont été identifiées par diffraction électronique comme des particules de NdH2. Cependant, de nombreuses particules ont été identifiées comme des particules de Nd2Fe14B ayant une orientation cristallographique presque identique à celle des grains de Nd2Fe14B coulés d’origine. Les spectres dispersifs d’énergie ont en outre montré que ces particules ont une concentration en cobalt et en gallium plus élevée que celle correspondant à la concentration moyenne de l’alliage de départ. Ces résultats ont conduit Tomida et al. à proposer que ce type de particules nanocristallines de Nd2Fe14B servent de centres d’initiation dans le processus de recombinaison et sont à l’origine de l’effet de mémoire d’orientation dans les poudres HDDR.Une autre catégorie de matériaux qui semble être prometteuse est celle des aimants composites nanocristallins à base de terres rares. Dans des circonstances particulières, les matériaux composites biphasés peuvent présenter un comportement coercitif des plus intéressants. Un tel comportement a été décrit par Kneller et Hawig (1991), qui ont étudié l’effet combiné de deux phases magnétiques finement dispersées et mutuellement couplées par échange. L’une de ces phases possède une grande constante d’anisotropie uniaxiale et est capable de générer une coercivité élevée. En revanche, la seconde phase est magnétiquement douce. Elle présente une température d’ordre magnétique plus élevée et, en même temps, une énergie d’échange moyenne plus importante que la phase dure. C’est l’aimantation à saturation comparativement élevée de la phase douce qui, lorsque cette dernière est couplée par échange à la phase dure, confère une rémanence élevée à l’aimant composite. La possibilité de préparer des aimants présentant un renforcement de la rémanence a déclenché des recherches approfondies dans ce domaine (voir Aimants : renforcement de la rémanence). Dans la plupart des systèmes pour lesquels un renforcement de la rémanence a été signalé, la phase magnétiquement douce est α-Fe ou un alliage riche en fer ou en cobalt. Des exemples de phases magnétiquement dures sont Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17, et Nd(Fe,Mo)12Nx. Les microstructures de tous ces aimants composites ont en commun de consister en une distribution très fine des particules magnétiques, de l’ordre du nanomètre. Pour obtenir cette distribution fine, diverses techniques sont utilisées, notamment le filage à chaud et l’alliage mécanique (voir Aimants : alliés mécaniquement). Ce groupe de matériaux est appelé aimants permanents à terres rares maigres. Leurs avantages par rapport aux alliages standard sont leur excellente résistance à la corrosion et le fait qu’ils atteignent la saturation dans un champ appliqué relativement faible. Leur inconvénient est leur coercivité relativement faible. La possibilité d’utiliser ces matériaux dans des aimants liés à la résine a été décrite par Croat (1997). Un autre groupe intéressant de matériaux est constitué par les composés R2Fe17 modifiés de manière interstitielle. Bien que les basses températures de Curie et les anisotropies magnétocristallines comparativement faibles rendent les composés R2Fe17 moins attrayants pour les applications en tant que matériaux d’aimant permanent, des améliorations considérables en ce qui concerne l’anisotropie de la température de Curie et la coercivité ont été atteintes en formant des solutions solides interstitielles obtenues en combinant ces matériaux avec du carbone ou de l’azote. On pense généralement que la composition des nitrures et carbures ternaires correspondants R2Fe17Cx et R2Fe17Nx est limitée à l’intervalle 0≤x≤3. Plus de détails sur les plages de formation et l’emplacement des atomes interstitiels le réseau sont décrits dans la revue de Fujii et Sun (1995).Des aimants liés à la résine à partir de poudres Sm2Fe17 azotées ont été préparés avec BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, et μoBHc = 6.5 T. Afin d’explorer le coefficient de température favorablement bas de la coercivité dans les corps magnétiques adaptés aux applications à haute température, Rodewald et al. (1993) et Kuhrt et al. (1993) ont étudié des aimants liés à l’étain et au zinc. Dans ces cas, cependant, les rémanences obtenues étaient assez faibles (Br<0,7 T).