Aimant samarium-cobalt

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.

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 : ${\displaystyle Sm_{2}Co_{7}}$ (~78 % de Co), ${\displaystyle SmCo_{5}}$(~83 % de Co) et ${\displaystyle Sm_{2}Co_{17}}$ (~90 % de Co). En 2009, les composés obtenus dans l’industrie se cantonnaient à ${\displaystyle SmCo_{5}}$et ${\displaystyle Sm_{2}Co_{17}}$.

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.

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.

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 ${\displaystyle SmCo_{5}}$ et ${\displaystyle Sm_{2}Co_{17}}$ et les alliages liés il ressort que :

• les aimants frittés ${\displaystyle SmCo_{5}}$ ont les meilleurs champs coercitifs de l’induction et de l’aimantation ;
• les aimants frittés ${\displaystyle Sm_{2}Co_{17}}$ 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 ${\displaystyle Sm_{2}Co_{17}}$.

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 ; ${\displaystyle SmCo_{5}}$ perd 2 % après 100 h à 100 °C et 7 % pour ${\displaystyle Sm_{2}Co_{17}}$).

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.

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

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.

• 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].

• Aimant permanent
• Aimant aux terres rares

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