Aimant samarium-cobalt

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Un aimant samarium-cobalt est un type d'aimants permanents fait d'un alliage de samarium et de cobalt^[1].

Les alliages samarium-cobalt (Sm-Co) font partie des grandes classes de matériaux pour aimants permanents aux côtés des alnicos, des ferrites durs et des Néodyme-Fer-Bore. Ces familles sont les plus couramment utilisées pour réaliser des aimants permanents. Ils ont néanmoins comme défauts majeurs des propriétés mécaniques médiocres : fragilité, dureté et caractère cassant. Ce sont les propriétés intrinsèques de ces alliages qui déterminent leurs propriétés magnétiques.

Généralités

Les alliages à base de terres rares sont apparus dans le domaine des aimants permanents dans les années 1960. Les deux caractéristiques déterminantes qui ont poussé à s’intéresser à ces alliages sont leur grande densité volumique d’énergie ainsi que leur résistance supérieure à la désaimantation. Les deux familles les plus courantes sont Sm-Co, qui nous intéressent dans cet article et les Néodyme-Fer-Bore.

Le samarium et le cobalt forment un système binaire. Les composés définis de ce mélange binaire sont : $Sm_{2}Co_{7}$ (~78 % de Co), $SmCo_{5}$ (~83 % de Co) et $Sm_{2}Co_{17}$ (~90 % de Co). En 2009, les composés obtenus dans l’industrie se cantonnaient à $SmCo_{5}$ et $Sm_{2}Co_{17}$ .

Élaboration des alliages SmCo₅ et Sm₂Co₁₇

Deux procédés permettent d’obtenir ces deux composés :

soit en deux étapes :
- coréduction des mélanges d’oxydes
- fusion sous vide
soit directement par fusion sous vide du samarium et du cobalt.

L’alliage obtenu est ensuite broyé sous forme de poudre puis pressé sous champ magnétique avant d’être fritté à environ 1 100 °C dans un four à induction. Le frittage doit être réalisé sous atmosphère inerte ou sous-vide. En effet, le samarium étant très réactif à l’air à l’état de poudre, cette précaution qui rend le procédé coûteux est inévitable. Un palier de refroidissement à 850 °C permet d’avoir de meilleures propriétés magnétiques.

Aimants liés

On peut mélanger les poudres à des résines thermodurcissables ou des thermoplastiques. Les propriétés magnétiques de l’aimant sont alors moins bonnes, mais il présente des propriétés mécaniques intéressantes.

L’alliage liquide produit à partir des poudres est projeté par une buse sur la surface d’une roue de cuivre refroidie. C’est le principe de l’hypertrempe. La vitesse de refroidissement est de l’ordre de 10⁺⁶ K.s^-1. La vitesse de rotation est contrôlée pour éviter la formation d’une phase amorphe. Les rubans obtenus ont une épaisseur comprise entre 30 et 60 µm et peuvent ensuite être liés à des résines thermodurcissables ou thermoplastiques.

Propriétés

Propriétés magnétiques

Les principaux paramètres qui influencent les propriétés magnétiques de l’aimant sont sa composition chimique et sa fabrication : qu’il soit lié ou fritté change considérablement ses propriétés magnétiques.

Si l’on compare induction rémanente, champ coercitif de l’induction, champ coercitif de l’aimantation et énergie volumique des alliages frittés $SmCo_{5}$ et $Sm_{2}Co_{17}$ et les alliages liés il ressort que :

les aimants frittés $SmCo_{5}$ ont les meilleurs champs coercitifs de l’induction et de l’aimantation ;
les aimants frittés $Sm_{2}Co_{17}$ ont une induction rémanente ainsi qu’une énergie volumique plus élevées ;
les aimants liés ont globalement des propriétés magnétiques médiocres avec notamment une énergie volumique bien plus basse ; on peut toutefois noter un champ coercitif de l’aimantation plus élevé que pour les aimants frittés $Sm_{2}Co_{17}$ .

Influence de la température

La température influence doublement ce type d’aimant : de manière réversible (propriétés intrinsèques du matériau ; chute de l’ordre de 0,05 %.K-1) et de manière irréversible (oxydation à l’air ; $SmCo_{5}$ perd 2 % après 100 h à 100 °C et 7 % pour $Sm_{2}Co_{17}$ ).

Le champ coercitif subit également l’influence de la température : une diminution de l’ordre de 0,2 %.K-1 est observée. On peut noter que le signe est opposé à la variation du champ coercitif dans le cas des ferrites.

$SmCo_{5}$ ne peut pas être utilisé au-delà de 250 °C à cause de sa réactivité chimique. $Sm_{2}Co_{17}$ jusqu’à 550 °C.

Autres aimants à base de terre rare

Alliages Dysprosium-aluminium

Ces alliages, de formule Dy₃Al₂, sont considérés comme les aimants les plus puissants à l'heure actuelle. Leur particularité réside dans le fait qu'ils ne sont coercitifs qu'à des températures extrêmement basses (inférieures à 20 K).

À 4,2 K, les propriétés magnétiques des alliages dysprosium-aluminium sont :

induction rémanente : Br = 1,72 T ;
champ coercitif de l'aimantation : HcJ = 1 600 kA m^–1 ;
densité d'énergie volumique : (BH ) max = 570 kJ m^–3.

Bibliographie

Jean-Marie Le Breton, Luc Lechevallier, Philippe Tenaud, et Antoine Morel, « Aimants Permanents - Matériaux et Propriétés », Techniques de l’Ingénieur, 10 mai 2009 [lire en ligne].