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Un nouvel alliage de fer et de nickel à perméabilité magnétique élevée
E.-M. Deloraine
To cite this version:
E.-M. Deloraine. Un nouvel alliage de fer et de nickel à perméabilité magnétique élevée. J. Phys.
Radium, 1925, 6 (1), pp.20-28. �10.1051/jphysrad:019250060102000�. �jpa-00205173�
UN NOUVEL ALLIAGE DE FER ET DE NICKEL A PERMÉABILITÉ MAGNÉTIQUE ÉLEVÉE (1)
par M. E.-M. DELORAINE
Sommaire. 2014 Parmi les alliages fer-nickel, ceux dont la composition est voisine de 80 p. 100 de nickel et 20 p. 100 de fer présentent, lorsqu’on les a soumis à un traitement thermique convenable, de remarquables propriétés magnétiques. Ces alliages, de haute perméabilité pour les champs magnétiques faibles, sont désignés sous le nom de
« permalloy ».
L’objet de cet article est de décrire la préparation, les propriétés physiques et les appli-
cations de ces alliages. Une grosse importance, dans la fabrication, revient au traitement thermique : le refroidissement doit se faire à partir d’une température et à une vitesse déterminées. En ce qui concerne les propriétés, on remarque une grande influence des efforts mécaniques sur les propriétés magnétiques. Enfin, on peut envisager de nombreux emplois du permalloy. Parmi les services qu’il peut rendre, il faut citer son application
à l’augmentation de self-induction des câbles sous-marins, qui a donné d’intéressants résultats.
1. Historique. - Il y a déjà quelques années qu’on a observé aux laboratoires de 1’-Xmerican Telephone and Telegraph Co. et de la Western Electric Co., à New York, que les alliages de fer et de nickel peuvent présenter des propriétés magnétiques remarquables lorsqu’ils sont soumis à un traitement thermique, approprié. Ces propriétés spéciales sont
très marquées dans les alliages qui contiennent plus de 30 p. 100 de nickel, et qui présen-
tent la structure cristalline du nickel plutôt que celle du fer. Toute la série constitue un
champ d’étude très important pour ceux qu’intéresse le ferromagnétisme. Les résultats les
plus nets sont obtenus cependant pour une composition d’environ 80 p. 100 de nickel et 20 p. 100 de fer. Dans ce dernier cas, il est possible d’arriver à des valeurs de la perméabi- lité, pour des champs magnétiques faibles, de beaucoup supérieures à celles qui ont été
observées jusqu’ici. Il est commode de donner un nom général à ces alliages spéciaux à
haute perméabilité, et le nom de « Permalloy » leur a été appliqué par les ingénieurs de
l’A. T. and T. Co. et de la Western Electric Co. Ce nom a été choisi de façon à rappeler la-propriété essentielle de ces composés.
La découverte du permalloy, ainsi que nous le verrons, a déjà produit une véritable
révolution dans la construction des câbles sous-marins. Il est bien probable qu’elle permet-
tra aussi d’importants progrès dans d’autres directions et augmentera considérablement nos
connaissances sur le ferromagnétisme.
2. Préparation du permalloy. - La préparation du permalloy se fait à partir de fer
de Suède de première qualité et de nickel commercial très pur. Les échantillons qui sont employés dans les études de laboratoire sont préparés en fonelant ces métaux dans un creu-
set de silice chauffé dans un four à haute fréquence du type Northrup. Un four dont on se
sert couramment peut fondre environ 3 kilogrammes de métal. Une analyse type du lingot
obtenu donne les résultats suivants :
(1) D’après : AR10LD (H.-D.) et ELB1E~ (G.-W.), Permalloy, a ne»- iiiagnetie material of very high permeability, Journal of Franklin Inslitute, t. f95 (1923), p. 621 et JEB~rETT (F.-B.), Permalloy loaded cable,
.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019250060102000
21
Des corps autres que le fer et lenickelsont inévitablement introduits par toute méthode
pratique de préparation. Afin de déterminer l’effet de ces impuretés, on a préparé des
échantillons dans lesquels les corps additionnels se trouvent en proportions variables. On
a trouvé ainsi que les impuretés ont une influence notable sur la valeur de la perméabilité
et que le carbone doit être évité avecun soin spécial. De petites variations dans le traitement
thermique produisent cependant des variations de la perlnéabilité beaucoup plus grandes
que celles qui sont dues à la présence d’impuretés et il n’est pas nécessaire, dans la plupart
des cas, de chercher à dépasser la pureté correspondant à l’analyse précédente.
Dans le but d’étudier les échantillons de permalloy au laboratoire, on amène le lingot
à l’état de barre, puis de fil et enfin de ruban de 3,2 mm de large et 0,15 mm d’épaisseur.
L’emploi du ruban est indiqué plus spécialement dans l’étude de l’influence du traitement
thermique sur les propriétés de l’alliage, par suite du rapport élevé de la surface du métal à sa masse et de la facilité avec laquelle on peut manipuler le permalloy sous cette dernière
forme. Toute la série des ferro-nickels peut ètre travaillée au point de vue mécanique sans grande difficulté si l’on prend quelques précautions, et il est possible d’amener tous les
échantillons à étudier à avoir une forme donnée et être dans un état mécanique bien
défini. On a pu faire ainsi une étude micrographique de toute la série dans des conditions strictement comparables.
3. Propriétés du permalioy. - La caractéristique la plus importante du permalloy
est sa perméabilité élevée. En conséquence, la valeur de la perméabilité est employée
comme mesure de l’effet du traitement thermique et mécanique.
Un perméamètre à bague d’un type spécial a été employé dans la plupart des mesures.
La bague à étudier est obtenue en enroulant une vingtaine de tours de ruban de permalloy
autour d’un disque de 8 cm de diamètre. Le disque central est alors enlevé, et le permalloy
se trouve sous forme d’une bague ayant une section rectangulaire de 3,2 min sur 6 lm en-
viron.
Un seul tour d’un conducteur de cuivre massif est couplé sur ce noyau et forme le secondaire d’un transformateur dont l’enroulement primaire est intercalé dans l’un des bras d’un pont de iR~heatstone.
.
La méthode du pont convient bien à la mesure de la perméabilité du permalloy dans
les champs faibles, car en employant une source de courant à fréquence audible, on peut
se servir d’écouteurs téléphoniques et d’amplificateurs à lampes, augmentant pour ainsi dire à volonté la sensibilité de la méthode.
Les laininations de la bague sont suffisamment minces pour que les courants de Fou- cault n’introduisent pas d’erreur appréciable. Ceci fut vérifié en faisant t des mesures à des
fréquences variées.
Un perméamètre légèrement différent a servi pour des essais thermiques. La periiiéa-
bilité peut être mesurée avec cet appareil, sans manipuler l’échantillon, depuis la tenlpéra-
rature de l’air liquide jusqu’à 1000° centigrades.
Les essais comprennent généralement des mesures de la perméabilité pour des champs magnétiques de l’ordre de 0,002 et 0,001 gauss. La courbe de la perméabilité en fonc-
tion du champ est ensuite extrapolée jusqu’à l’axe des ordonnées. La perméabilité à ce point est appelée « perméabilité initiale » de l’échantillon considéré.
Le traitement thermique du permalloy est de la plus haute importance. Le refroidis-
serment qui donne la perméabilité initiale maximum doit se produire à partir d’une tent- 1)érature déterminée et à une vitesse déterminée. Il est bien clair qu’une petite portion de
l’échantillon seulc recevra le traitement thermique optimum. La vitesse de refroidissement de la partie centrale de l’échantillon dépend essentiellelnent de la configuration géométrique
de cet échantillon. L’emploi d’un ruban tiiiiiee permet d’obtenir cependant des résultats
comparativement uniformes dans toute la masse tant que le changement de température
n’est pas trop rapide.
La vitesse de refroidissement qui donne les résultats les nleilleurs n’est pas très élevée,
et ne diffère que peu de celle du ruban exposé à l’ntlI10sphère. On a trouvé par expérience
que le refroidissement à partir de 300° C jusqu’à la température ambiante n’a que très peu d’influence sur les proliriétés du produit final, mais que le facteur important est la vitesse
de refroidissement, depuis une température légèrement supérieure à la température de
transformation magnétique (point de Curie) jusqu’à une température d’environ il>0’> C.
A la suite d’une longue série d’études expérimentales, on s’est arrêté au traitement
thermique suivant.
On chauffe tout d’abord l’échantillon à 1100° C pendant une heure, on le laisse ensuite refroidir lentement tout en le protégeant contre l’oxydation. On le chauffe enfin jusque
11)0° C ; on le retire rapidement du four et on
le laisse refroidir sur une plaque de cuivre à
la température ambiante.
Il n’est pas seulement vrai de dire que des échantillons de formes différentes doivent subir des traitements thermiques différents,
mais le traitement thermique optimum varie
pour des échantillons de même forme dont la
composition diffère. Il en résulte qu’il n’a
pas été possible de déterminer le traitement
thermique optimum pour tous les alliages de
la série fer et nickel. On a localisé la région
80 p. 100 de nickel et 20 p. 100 de fer comme étant celle qui correspond aux perméabilités
initiales les plus élevées, et le traitement
thermique optimum a été déterminé exclusi- vement dans le cas de ces derniers alliages.
Sans changer le traitement thermique,
on a déterminé à nouveau les proportions
exactes les plus favorables, et on est arrivé
aux pourcentages de 78,5 p. 100 de nickel et
2.1 ,D p. 100 de fer.
La figure 1, tirée de la circulaire n° 58 du Bureau of Standards, représente le dia-
gramme d’équilibre entre le fer et le nickel. On voit qu’il existe une température maximum
dans le diagramme pour 70 p. 900 de nickel. Il est naturel de penser que la perméabilité
initiale maximum qu’on avait trouvée pour
78,5 p. 100 de nickel, pourrait être réellement obtenue pour 70 p. 100 de nickel, à conditions de trouver le traitement thermique optimum correspondant. Des alliages à 70 p. 100 de nickel furent soumis à uu grand nombre de trai- tements thermiques, mais aucune des méthodes essayées ne put produire une perméabilité
initiale aussi élevée que celle qu’on obtient avec l’alliage à 78",0 p. 900 de nickel.
La figure 2 montre d’une façon générale comment la perméabilité initiale varie dans la série fer-nickel lorsqu’on applique à tous les alliages le traitement thermique qui a été
reconnu le meilleur pour la composition à 78,5 p. 100 de nickel. Il est bien clair, après ce
que nous avons dit, qu’on ne doit pas attacher trop d’importance à la forme de la courbe en
dehors de la région correspondant à 78,5 p. 100 de nickel, étant donné que l’on n’a pas
appliqué le traitement le plus favorable pour chaque composition. Les alliages étudiés
varient dans leur composition par degrés de 5 p. 100, sauf aux environs du maximum où
un nombre considérable d’échantillons furent étudiés. Dans tous les cas, on a pris comme
base l’analyse chimique, et non pas la composition correspondant aux éléments introduits,
mais naturellement la différence n’est jamais bien considérable. On se rendra compte jus- qu’à quel point les résultats obtenus sont extraordinaires si l’on pense que le permalloy,
tout en ayant une aimantation à saturation du même ordre que celle du fer, est déjà presque
Fig. 1.
-Diagramme d’équilibre fer’-nickel.
23
saturé dans le champ magnétique terrestre. Il est donc nécessaire de prendre des précau-
ticns spéciales pour protéger le permalloy de l’in’tuence des champs magnétiques extérieur.
’
Fig. 2.
’La figure 3 montre, à des échelles différentes, les valeurs de la perméabilité initiale
pour des échantillons en forme d~ bague dans le cas du permalloy et dans le cas du fer de
Suède recuit.
La valeur de l’aimantation à saturation du permalloy ne dépend que peu du traite-
ment thermique. On sait que la valeur de l’aimantation à saturation par atome-gramme
varie presque linéairement avec la composition pour toute la série nickel-fer depuis 222.
pour le fer jusqu’à 59 pour le nickel (loi d’approche de iNTeiss). La valeur 84, qui corres- pond au permalloy, n’est donc’pas anormale.
,.Fig. 4 .
On a déterminé les caractéristiques magnétiques du permalloy dans des limites plus
étendues en employant la méthode balistique.
Les figures 4, D et 6 montrent les courbes de variations de l’induction magnétique en
. ---
~_ 1 1
- 1----
---i
~
Fig. J.
fonction du champ magnétisant avec trois échelles différentes pour le champ magnétisant.
Les courbes correspondent à un échantillon de permalloy et un échantillon de fer de Suède.
La figure 6 met bien en évidence la susceptibilité magnétique élevée du permalloy pour
les champs magnétiques faibles.
25.
Fig, 6.
La figure 7 montre à une même échelle les cycles d’hystérésis du permalloy et du fer de Suède.
â
.:
--~ . -;
.
Fig. 7.
-Cycles d’hystérésis du fer de Suède et du permalloy
La figure 8 représente la valeur de la perméabilité en fonction de l’induction magné- tique pour les mêmes échantillons. La perméabitité maximum du permalloy est ici de
87 000. Cette valeur, qui n’est pas exceptionnelle, dépasse cependant de beaucoup les
valeurs les plus élevées obtenues avec les aciers au siliciuln.
Dès le début de l’étude du permalloy, on a trouvé que les propriétés de cet alliage
étaient fortement modifiées par les efforts de tension, de compression, de flexion ou de torsion. Des études systématiques furent conduites afin de trouver des méthodes pour éli- miner ces effets perturbateurs. On fit aussi une étude séparée de l’effet des efforts méca-
niques sur la perméabilité et la conductivité électrique dans le cas d’échantillons rectilignes.
On étudia enfin l’effet réciproque de la magnétisation sur les dimensions et sur la conduc-
tivité des échantillons. L’intensité de ces phénomènes est beaucoup plus importante que pour les métaux ou alliages obtenus jusqu’à ce jour. L’effet de la tension sur la magnétisa-
tion est opposé pour des alliages à 65 et 84 p. 100 de nickel. La tension n’a pratiquement
aucun effet sur la magnétisation d’un alliage à 81 p. 100 de nickel. Ces propriétés peu- vent être masquées complètement si l’opération de recuit n’a pa s été complète. On a observé
aussi que les pertes par hystérésis diminuent chaque fois que la magnétisation est aug- mentée par la tension mécanique.
Dans un alliage recuit avec un
soin spécial et contenant 7H ,5 p.
~ 00 de nickel, ces phénomènes
sont très importants. On peut
réduire ainsi l’hystérésis à Z ~ ~ 00
de la valeur correspondant aux
aciers au silicium les plus parfaits.
L’hystérésis résiduelle est si faible
qu’il est naturel de l’attribuer à
un manque d’ho111ogénéité de l’alliage plutôt que d’en faire une
caractéristique essentielle du pro-
cessus de la magnétisation.
Tant que les efforts mécani- ques ne dépassent pas la limite
d’élasticité, les effets produits peu- vent être répétés, et disparaissent
avec l’effort qui les produit. On peut ainsi faire varier la perméa-
bilité depuis sa valeur normale
en l’absence d’effort jusqu’à un
dixième de cette valeur.
La cozicluctivité diminue lors-
qu’un effort mécanique es[ ap-
pliqué, mais dans des propor- tions plus restreintes. La varia- tion maximum est de l’ordre de 2 p. 100, ce qui est t encore
une valeur élevée en comparaison des autres métaux. La magnétisation réduit aussi la conductivité de 2 p. 100 environ, pour un champ de 1 gauss. Ceci rend facile la mesure du
champ magnétique terrestre, par exemple, avec une approximation de 1 p. 100 : on cherche l’intensité du champ opposé qui ramène le permalloy à présenter sa conductivité Inaxill1Uln.
Il est intéressant de remarquer que le changement de conductivité que l’on obtient par
inagnétisation a la même valeur que celui qu’on peut obtenir par déformation élastique.
On a observé aussi que le changement maximum du à une seule cause n’est pas augmenté
par la superposition de la seconde. Les efforts mécaniques et le champ magnétique produi-
sent cependant des effets additifs lorsclu’il‘ sont t1e faible aiiiplitude. Ceci conduit naturel- lement à penser que les deux causes produisent le même effet dans le mécanisine du phéno-
mène de conduction.
On a étudie finalement l’effet réciproque de l11agnétostriction. Les résultats obtenus
indiquent que, dans les conditions ordinaires de l’expérience, l’alliage à 78,5 p. 100 de
nickel présente, après traitement t thermique, une magnétostriction plus importante que celle qui correspond au cas du fer.
Ayant maintenant présent à l’esprit les propriétés magnétiques remarquables du per-
malloy, on s’attend naturellement à trouver des particularités du même genre pour les autres propriétés de cette alliage.
On a déjà v u cependant que le diagramme d’équilibre ne présente pas de point
Fig. g.
27
particulier pour 80 p. 100 de nickel. La courbe de conductivité de la série nickel-fer
ne présente qu’un point particulier, qui est un minimum aux environs de 30 p. 100 de nickel. La structure cristalline de l’alliage est celle du nickel, et le type de cristallisation
ne change pas tant que la proportion de nickel reste au-dessus de 35 p. 100. La densité varie d’une façon continue pour toute la série. Les propriétés mécaniques des alliages à 80 p. 900 de nickel, enfin, ne présentent pas de particularités.
On peut donc dire que le permalloy montre que le ferro-magnétisme est associé à la
structure atomique d’une façon qui diffère de celle des propriétés physiques et chimiques.
Non seulement les propriétés qui viennent d’être énoncées ne sont pas spéciales au
le cas du perinallo>., mais il est surprenant de constater que ces propriétés ne sont pas
changées d’une façon appréciable par le traitement thermique qui affecte si profondément
les propriétés magnétiques. Donc, autant qu’on a pu le déterminer, seules les propriétés magnétiques du permalloy sont exceptionnelles.
4. Applications du permalloy. - Il est év ident que le permalloy sera d’une grande
utilité dans les laboratoires. Sa haute sensibilité et la facilité avec laquelle on peut faire
varier ses propriétés facilitera un grand nombre de mesures. Il sera très utile aussi dans
une étude des relations réciproques du traitement thermique, de la magnétisation et des
efforts mécaniques, car les effets produits sont mesurés beaucoup plus facilement qu’avec
les autres alliages ferro-magnétiques.
Si nous nous plaçons maintenant au point de vue de la technique industrielle, il est bien clair que le permalloy permettra de résoudre un grand nombre de problèmes dont on
n’avait pas trouvé la solution jusqu’à présent. Un succès très remarquable a été obtenu récemment dans la technique des communications sous-marines.
On sait que les câbles sous-marins ont tous été d’un type unique depuis l’installation du
premier càble transatlantique, en 1858.
Alors que les méthodes évoluaient rapidement dans les autres branches de la technique
des communications, les câbles ont surtout augmenté de dimensions et de poicls ; on a été jusqu’à atteindre 500 kg de cuivre par mille nautique. La cause des progrès relativement ,
lents dans la technique des càbles sous-marins peut être trouvée dans la nécessité d’éviter tout risque, étant donné les capitaux très considérables engagés dans la construction et l’installation d’un câble transocéanique.
On sait depuis longtemps qu’on a intérêt à augmenter la self-inductioa d’un câble sous-marin. La plus grande difficulté à laquelle on se heurte dans la transmission de signaux
par câble provient de la déformation progressive des impulsions électriques. Le signal au départ se présente sous forme d’une impulsion brusque, commençant rapidement et se ter-
minant rapidement. La forme de cette impulsion s’arrondit en se propageant le long du
câble. le colnmencement et la fin de l’impulsion perdent leur netteté et le courant reçu à l’autre extrémité augmente avec une certaine lenteur, passe par un maximum et diminue de même. Lorsqu’on envoie une succession rapide de signaux bien séparés, ces signaux
s’effacent pendant la propagation et se recouvrent à un tel point qu’ils sont indéchiffrables
au delà d’une certaine vitesse de transmission qui est pratiquement la vitesse maximum à
laquelle le câble peut être utilisé. On peut combattre ces effets jusqu’à un certain point,
mais la vitesse de transmission des câbles les plus modernes reste faible et très au-dessous des vitesses qu’on atteint sur les lignes continentales de même longueur.
Un moyen très efficace de combattre la déformation des impulsions électriques dans un
câble est d’augmenter sa self-induction. Ceci diminue la vitesse de propagation des signaux,
mais en même temps conserve leur forme. L’augmentation de la self -induction d’un câble a
été réalisée jusqu’à présent soit par la méthode Pupin qui consiste à introduire des bobines d’inductance de place en place dans la ligne, soit par la méthode Krarup dans laquelle un fil
de fer est enroulé en spirale sur toute la longueur du conducteur de cuivre.
La méthode Pupin est employée partout maintenant sur les câbles téléphoniques ter-
restres, mais elle n’a pas été appliquée aux câbles sous-marins, par suite des difficultés
d’ordre mécanique résultant de l’insertion des bobines d’induction. La méthode Krarup
n’augmente pas la self-induction d’un câble dans des proportions suffisantes, et introduit
de plus des pertes élevées. Le permalloy peut être employé à la façon du fil de fer dans le càble Iirarup, mais les résultats obtenus sont d’un tout autre ordre de grandeur.
La construction du nouveau càble reste très semblable à l’ancienne, ainsi qu’on peut
en juger par l’exainen de la figure 9, mais un ruban de permalloy est enroulé sur toute la
~
Fig. 9.
-
longueur du fil de cuivre sous la couche de gutta-percha. Bien que le ruban n’ait qu’une épaisseur de U,’15 muni, sa présence augmente cependant l’llldilction magnétique autour du
cuivre dans le rapport de 1 à 2 000 environ. Si l’on enroulait un ruban de fer de la même
façon, le champ magnétique augmenterait dans un rapport ne dépassant pas 1 à 200, et les pertes produites par la présence du fer sur un câble de grande longueur feraient plus que contre-balancer le gain dû à l’augmentation de l’inductance.
Le câble du. type permalloy est le résultat de recherches patientes. Environ mille sections de câble furent étudiées et c’est seulement après plusieurs ’années de travail de laboratoire que fut construit le prernier câble. Les recherches de laboratoire ayant montré que les pro-
priétés magnétiques de l’alliage pourraient être modifiées d’une façon permanente par les
procédés de manufacture ordinaire, il a été nécessaire de construire de nouvelles machines et d’étudier de nouvelles méthodes de fabrication du câbles. Celui ci a été fabriqué en Angle-
terre par la Telegraph Construction and Maintenance Co, en coopératiou avec les ingénieurs
de la Western Electric Co.
Les machines spéciales et le ruban de permalloy ont été fabriqués par la Western Electric Co, aux usines de Chicago.
La portion de câble qui est complète à l’heure actuelle s’étend de Neiv-York aux Açores
et a une longueur de 2 300 milles nautiques. Les premiers essais ont eu lieu au mois de septembre 19z4et les résultats ont répondu complètement aux prévisions. Le câble est capable
de transmettre 1 îU0 lettres par minute dans une direction. Il faut 0,3 seconde pour que les
signaux transiiiis à une extrémité arrivent à l’autre extrémité, c’est-à-dire que plus de 8 lettres
se trouvent en propagation sur le càble au même instant. Le nouveau câble est de beaucoup
le plus rapide de tous les câbles de longueur et dimensions comparables. Deux câbles installés par les Allemands et qui suivent pratiquement la même route, sont capables d’une
vitesse maximum de 200 mots clans chaque directiol, la capacité totale étant 400 mots par minute. En supposant des câbles identiques, la capacité de trafic du câble permalloy reste
encore tout près de 4 fois plus grande que celle d’un câble de l’ancien type.
Cette nouvelle invention non seulement permet d’atteindre des vitesses de translnission par càble transocéanique inconnues jusqu’à ce jour, mais rend possible l’installation de càbles directs de longueurs probablelnent supérieures à celles qui seront nécessaires commerc ialement.
~
.
