Influences de silicium sur les propriétés magnétiques, physiques et métallurgiques

Influence de silicium sur les propriétés magnétiques, physiques, mécaniques et métallurgiques 

L’avantage des alliages Fe-Si réside dans leur conductibilité électrique considérablement réduite. Ainsi par exemple par rapport à celle d’un fer pur, la conductibilité d’un alliage à 3.1% de Si est réduite d’un facteur supérieur à 4. La diminution de la conductibilité thermique permet d’avoir une réduction des pertes (évacuations de chaleurs réduites), une bonne conductibilité thermique présente un critère favorable de l’alliage Fe-Si. On sait que ceux sont les courants induits qui sont responsables des pertes dans la masse métallique car ils freinent le déplacement de parois Bloch durant le processus de l’aimantation et la désaimantation. La conductibilité thermique de l’alliage Fe-Si de 3.2% -3.5% de Si est 4 fois inferieure que celle de fer pure. L’avantage métallurgique, le fer pur passe de la structure cubique centre (CC le fer α) à la structure cubique à faces centrées (CFC le fer γ) à température 910°c, cette transition complique énormément les traitements à des températures élevées. L’ajout de 1.8% de silicium stabilise la phase α à toute température, autorisant ainsi à toute une gamme de traitements métallurgiques sans transformation de phase (laminage, affinages et recristallisation). La constante K1d’anisotropie magnéto cristalline à une température ambiante passe de 4.8 104 J /m3 pour le fer pur à 3.4 104 J/ m3pour l’alliage à 3.5% de Si. La rotation des moments s’entrouvrent donc facilement, ainsi que sa nucléation des nouveaux domaines aux joints de grain. L’addition de silicium avec l’aluminium entraine à un durcissement du métal, ce durcissement rend possible la découpe dans les tôles minces par poinçonnage et à des cadences élevées, de formes compliqués comme celles qu’utilisent les constructeurs des machines. La présence de Si dans le fer présente cependant deux légers inconvénients puisque la polarisation à saturation et la température de Curie passent respectivement de 2.15T à 2T et 770°c à 760°c. La constante magnétostriction λ100 passe de 2 106 à 5 106 environ. La figure -1- montre les effets de l’addition de silicium sur les propriétés électromagnétiques de fer :

la magnétostriction :

Les effets de la magnétostriction, légère déformations statiques, dans un cristal ferromagnétique, accompagne une variation de l’aimantation, présentent une forte analogue avec ceux de l’électrostriction ou le piézo-électrique. C’est –à-dire le changement de la configuration d’un corps magnétisable dans le champ magnétique, conduit aux changements périodiques de la longueur d’un corps dans le champ magnétique alternatif. Il en va de même pour les tôles à grains orientés GO. La fréquence de cette magnétostriction dans le champ alternatif est deux fois celle du champ d’excitation, par exemple l’excitation d’une tôle magnétique par 50Hz donne une fréquence fondamentale de la magnétostriction de l’ordre de 100Hz. la variation de longueur en fonction de l’induction n’est pas strictement linéaire, de sorte que la magnétostriction dans le champ alternatif présente, mis à part l’oscillation fondamentale, des oscillations harmoniques dans le cas d’une induction alternée .

Les harmoniques des oscillations de la magnétostriction sont indésirables car elles sont génératrices de bruit, se situant dans une fourchette de fréquence à laquelle l’oreille humaine est particulièrement sensible. C’est pourquoi il convient de réduire au minimum tout effet oblique ou transversal et aussi d’éviter des amplitudes d’induction très élevées dans le sens de laminage pour les tôles utilisées dans la fabrication de transformateurs. Normalement, pour des tôles à grains orientés GO exemptes de contraintes, la magnétostriction présente une tendance négative croissante dans le cas d’une aimantation dans le sens du laminage pour une induction de d’ordre 1.7T environ, c’est-à-dire la tôle se raccourcit de façon continue au fur et à mesure que l’induction augmente. Au delà de ce point, le procédé est inversé et la tôle s’allonge, s’atteignant sa longueur originale entre 1.8 et 2.0T. En augmentant l’induction, la magnétostriction qui en découle devient maintenant positive. Le schéma suivant présente l’influence de l’induction magnétique sur la longueur de la tôle.

Recuit de relaxation ou dimensionnement :

En cas de déformation plastique il est recommandé de faire subir aux tôles à grains orientés un recuit de relaxation car celui –ci rétablit largement la qualité magnétique d’origine. En fonction de l’usage prévu de la tôle, le recuit de relaxation est à prévoir en atmosphère libre pour un recuit d’une courte durée, ou sous atmosphère inerte pour un circuit de durée prolongée. Pour le recuit des tôles utilisées dans les noyaux empilés, le recuit d’une courte durée dans un four a rouleaux s’est imposé ces dernières années. Il ne dure que quelques minutes, le séjour étant de 1-2minutes et la température de séjour pouvant être de 860 °C maximum. Puisque le recuit est effectué dans l’air, les bords coupés subissent une oxydation qui leurs confère une couche isolante. La graisse et l’huile des étapes de transformation antérieures sont brulées, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas nuisibles, tout au moins en petites quantités. Le recuit de courte durée n’entraine aucune détérioration de la planéité des tôles, et la résistivité de la couche isolante des tôles à grains orientés ne diminue en aucun cas. Le recuit de durée prolongée est recommande pour les noyaux bobinés il est réalisé dans un four à moffle. Pour une isolation courante la température maximum de séjour est de 820°c (pour un fil de silicate est de 1000°c maximum). La durée de chauffage de séjour et de refroidissement dépend largement de la taille de four et de la quantité de tôles à recuire. Pour éviter tout gauchissement lors de bobinage la durée de chauffage et de refroidissement ne devra pas être trop courte. La durée de séjour doit être telle qu’est les tôles à recuire atteignent partout la température de séjour. Il est recommandé d’utiliser l’azote comme gaz inerte. Des traces d’oxygène sont inoffensives. Par contre il ne doit absolument pas y avoir d’apport d’hydrogène. Les tôles à recuire doivent être exemptes de graisse, d’huile et d’autres substances organiques susceptibles de provoquer un ré carburation des tôles.

Au terme de cette étude, nous constatons que les résultats expérimentaux et théoriques sont très proches entre eux .Cela démontre que le travail effectué à partir d’un système normalisé nous permet de faire un rapprochement. Même si des écarts peuvent apparaitre lors d’une évaluation ou analyse dans la fabrication des circuits magnétiques surtout quand il s’agit d’un montage traditionnel (à la main), beaucoup de considérations sont prises en compte telles que :

Découpage des tôles par la machine n’assure pas un taux de bavures très faible ; donc une tolérance est permise ;

Dimensions des pièces de noyau (culasse, colonnes) sont aussi dans une limite tolérée. la valeur théorique – la valeur réelle = la valeur acceptable ;

Empilement : la façon avec laquelle on réalise le noyau diffère d’un agent à un autre (dépend de sa compétence et de son efficacité). Les pertes à vide mesurées par les deux méthodes sont différentes à moins de 15% ce qui est accepté par la norme CEI.

Ce travail, outre l’aspect pratique nous a permis aussi de compléter nos connaissances sur l’aspect théorique en en utilisant les équations mathématiques. Nous souhaitons que notre travail puisse faire l’objet d’un enrichissement par un approchement meilleur.