The physics and the technology of rare earth permanent magnets

Résumé
Les aimants permanents que l'on peut fabriquer à base d'alliages de terres rares ont des propriétés magnétiques qui dépassent notablement les valeurs obtenues auparavant avec les aimants Alnico ou ferrites en ce qui concerne l'énergie spécifique (3 à 6 fois supérieure) et la résistance à la désaimantation (30 à 4 fois supérieure), mais le coût des matériaux de départ est de 3 à 30 fois plus élevé. L'impact qu'auront ces matériaux dans les industries électrotechniques et électriques sera régi par le nombre d'applications nouvelles qu'ils peuvent créer et le volume d'applications anciennes qu'ils peuvent améliorer. D'abord, nous examinons comment les propriétés physiques essentielles : forte aimantation, grande anisotropie, point de Curie supérieur à la température ambiante sont obtenues dans les alliages terres rares-métaux de transition ; ensuite, comment la coercivité est créée dans les cristaux élémentaires, soit par la résistance à la nucléation d'une paroi, soit par la résistance à sa propagation. Ceci est important : a) pour distinguer les deux familles d'aimants en compétition, du type SmCo₅ ou de type Sm(Co, Cu)_z, (z = 5 à 8,5), b) pour essayer de prévoir le type de substitution à employer pour la terre rare ou le métal de transition, et introduire des quantités notables de terres rares moins chères ou plus abondantes sans trop amoindrir la coercivité. Enfin, le processus de fabrication est décrit : préparation d'alliages par fusion ou co-réduction, broyage, compression sous champ magnétique, frittage, traitement thermique et usinage, sans oublier l'aimantation et la désaimantation, la stabilisation thermique, la résistance à l'oxydation et aux variations de température.

Abstract
The permanent magnets which can be manufactured from rare earth base alloys have magnetic properties which substantially exceed the values obtained before with the Alnico and Ferrite magnets where the specific energy (from 3 to 6 times) and the resistance to de-magnetization (from 30 to 4 times) are concerned, but at a higher primary material cost (from 3 to 30 times). The extent that these materials penetrate into the electrotechnical and electrical industries will be governed by the volume of new applications they can create and the volume of old applications which they can improve or re-introduce. In the first instance, we examine how the essential physical properties : high magnetisation, strong anisotropy, higher than ambient Curie point, are obtained in the rare earth transition metal alloys. In the second instance, we see how the coercivity is created in the elementary crystals of these alloys, whether by resistance to the nucleation of a wall, or by opposition to its propagation. This is important : - on one hand, to differentiate between the two families now in competition, the magnet type SmCo₅ and the magnet type Sm(Co, Cu)_z (z = 5 to 8.5), - on the other hand, to try to forecast the type of substitution to employ on the rare earth or transition metals, as a means of introducing significant quantities of less expensive or more plentiful rare earths, without disturbing the coercivity too much. Finally, the manufacturing process is described : preparation of alloys by fusion or by co-reduction, milling, compression in a magnetic field, sintering, heat treatment, machining not forgetting magnetisation and de-magnetisation, the temperature stabilisation, the resistance to oxidation and temperature variations.