Brevet FR2236961A1 — publié le 19750207

La présente invention concerne un procédé de fabrication de tôles en acier magnétique. On sait que certaines machines électriques telles que, par exemple,des moteurs,dynamos et transformateurs,comportent des piè ces polaires constituées par des empilages tres serrés de tôles fines en acier aul doivent posséder des propriétés magnétiques bien déterminées parmi lesquelles la perméabilité magnétique et la résistivité électrique sont très importantes. Des tôles présentant une résistivité électrique élevée donnent des empilages ayant de faibles pertes par courants de Foucault, ce qui agit favorablement sur le rendement des appareils construits. De plus, on sait que l'on peut diminuer fortement les pertes en watt en augmentant la teneur en certains éléments comme, par exemple, le silicium ou l'aluminium de acier; cette augmentation de la teneur d'un élément apport peut s'obtenir en incorporant ledit élément directement dans le bain au moment de l'élaboration de l'acier destiné à fabriquer les tôles. @ tte méthode exige des opérations de laminage et de recuit complexes et déli- des si ltor veut obtenir des teneurs en silicium ou en aluminium dépassant 3,5% pour des tôles fournies en bobines. aes pertes par- courants de Foucault deviennent d'autant plus importantes que la fréquence du courant alternatif- est élevée. Pour ramener ces pertes à un niveau acceptable, il est nécessaire d'augmenter-dans de fortes proportions la- résistivité électrique des tales d'acier et de réduire fortement leur épaisseur. Oependant, même pour des teneurs en silicium de l'ordre de 3%, il n'estpas possible de réaliser-par laminage à froid, des ttles dont l'épaisseur est --faible et, par exemple, de 0,15 mm,sans effeetuer un cyele complexe et coûteux de laminages et de recuits intermédiaires. Antérieurement on a pu obtenir des tales d'acier à forte teneur en silicium et/ou en aluminium, et dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,10 mm. par laminage à chaud, de tôles séparées, en plaques, et il est impossible par cette technique 'obtenir des bobines de toles- d'acier. La fourniture de ces tôles en plaques entraîne chez l'utilisateur, des frais de manutention élevés. Pour surmonter ces difficultés et éviter le laminage à froid de tôles d'acier à teneur en silicium supérieure à 3,5% il a dé â été proposé d'accroître la teneur en silicium et/ou en aluminium de tôles se présentant à l'épaisseur finale. Ainsi, il est connu de décaper une tôle ou une bande d'acier, de la recouvrir d'une mince couche de métal d'apport, silicium, aluminium ou germanium, de faire diffuser ce métal et, enfin, de soumettre la tôle à un traitement thermique sous champ magnétique; ce procédé nécessite des opérations nombreuses dont un décapage, ainsi que des installations compliquées. On connaît aussi des procédés d'enrichissement d'une tôle en silicium dans lesquels les tales sont soumises à un recuit pendant lequel on fait circuler dans le four un gaz protecteur, non oxydant, con@enant un composé de silicium décomposable thermiquement et tel que le tétrachlorure de silicium, puis à un recuit d'homogénéisa tion-.- Ces procédés par voie gazeuse nécessitent des installations coûteuses, complexes et font intervenir la circulation de produits toxiques comme le tétrachlorure de silicium. Suivant encore un autre procédé, on tasse une pouore conte- nant du silicium sur la surface d'une tôle d'acier à faible teneur en carbone et ayant une épaisseur légèrement supérieure à ltepais- seur finale qui est atteinte par un laminage à froid exécuté après chauffage de la tEle recouverte de la poudre dans une atmosphère protectrice pour provoquer la diffusion, le traitement se terminant par un recuit. Ce procédé exige un équipement spécial, un nombre élevé de phases, de sorte qu'il est compliqué et onéreux. me problème à la base de l'invention est de supprimer toutes les difficultés rencontrées dans les procédés connus et de fournir un un procédé qui permette d'accroître de façon simple, économique et sans danger, la teneur en un métal d'apport tel que le silicium, l'aluminium ou tout autre métal ayant des effets favorables sur les propriétés magnétiques dans une tôle d'acier se présentant sous son épaisseur définitive qui peut être d'environ 0,1G mm. et est obtenue par une -seule phase de laminage à froid, sans recuit intermédiaire. Une solution à ce problème est obtenue, suivant l'invention, par un procédé de fabrication de tôles en acier magnétique par introduction d'un métal d'apport du groupe du silicium ou ae l'alu- minium, dans lequel on applique sur la tôle constituée par un acier -doux auant une teneur en C inférieure à 0,010% et, de préférence, inférieure à 0,005%, un enduit temporaire formé par une bouillie aqueuse contenant le métal apport, une matière inerte réfractaire, une matière activante et un liant; on sèche l'enduit, puis on soumet la tôle à un recuit sous atmospnère réductrice à une température d'enviriron 105000 pendant la durée nécessaire pour provoquer le transport et la diffusion du métal d'apport dans la tôle pour l'amener jusqu'à la teneur voulue. Suivant une particularité, la bouillie contiens une teneur en métal d'apport de 2 à 35%, une teneur en matiere inerte réfrac- taisre de 65 à 98%, une teneur en matière activante de 0,05 à 2%, ces teneurs étant calculées sur le poids total des matières sèches. Selon une autre particularité, le métal d'apport contenu dans la bouillie est constitué par du silicium en poudre pris sous forme de métal pur ou de ferosilicium; ce métal d'apport possède une granulométrie voisine de 50 microns, le silieium utilisé est -pris sous -fqrme d'une poudre contenant 98 à 99% de silicium pur alors que si on utilise le ferrosollclum, celui-ci a une teneur en silicium-comprise entre 45 et 85% et, de préférence d'environ 600. Selon encore une autre paritcularité, la matière inerte,réfractaire, qui peut Btre un oxyde à base d'alumine ou un alumino- silicate tel que-le kaolin, est, préalablement à son utilisation, calcinée à environ 110000, puis broyée pour avoir une granulomé trie comprise entre 1 et 80 microns L'application pratique du procédé de l'invention est aisée, peu compliquée et ne nécessite aucun appareillage ou installation complexe, ni de manipulation délicate de produits dangereux. Pour appliquer le procédé de l'invention, on utilise une tôle ayant l'épaisseur finale voulue, constituée par de l'acier dont les teneurs en 0, S, P et N sont aussi faibles que possible. Un acier décarburé pouvant convenir a une teneur en carbone infé- rieure à 0,010% et, de préférence, inférieure à 0,005%; une teneur en P inférieure à 0,050%; une teneur en S inférieure à 0,015%; quant au silicium et à l'aluminium, ils se trouvent aux teneurs habituelles, c'est-à-dire à des teneurs inférieures à 1%. Sur cette tôle simplement brossée et débarassée de ses oxydes superficiels, on applique suivant une couche adhérente et poreuse, un enduit temporaire formé par une bouillie aqueuse contenant un métal d'apport, une matière inerte, réfractaire, une matière activante et un liant Dans la bouillie, le métal d'apport est constitué par du métal pur ou allié; ainsi, on utilise -du silicium pur ou du ferrosilicium en poudre; quand on emploie du silicium pur, celui-ci est pris sous forme élémentaire et contient de 98 à 99% de silicium alors que si on utilise du ferrosilicium, on prand la qualité commerciale; dans ce cas le ferrosilicium peut avoir-une teneur en silicium comprise entre 45 et 85% et, de préférence, supérieure à 60%. Etant donné que la couche de l'enduit doit avoir une certaine porosité, la poudre à base de silicium a une granulométrie d1enti- ron 50 microns. La quantité de poudre à base du metal d'apport à employer pour composer la bouillie est variable et dépend de la teneur en silicium; elle peut aller de 2 à 50%. La matière inerte, réfractaire, intervient comme diluant mécanique afin de permettre une bonne dispersion du métal d'apport et une bonne circulation des matières gazeuses entre les spires de la bobine au cours du recuit; cette matière est à base-d'alumine et peut être constituée par de l'alumine pure ou par un aluminosi- licate. Sur le poids de matière sèche de la bouillie, l'alumine intervient pour 65 à 98%. Préalablement à son usage, l'alumine est calcinée à une température environ 110000 jusqu'à poids constant, puis elle est broyée jusqu'à atteindre une granulométríe d'environ 80 microns. L'alumine ayant été traitée de cette façon présente l'avan- tage de ne pas reprendre d'eau de cristallisation.La matière actif vante qui se trouve dans la bouillie suivant une teneur de 0,005 à 2% est constituée par un dérivé halogéné du groupe du fer, du silicium, de l'aluminium ou de l'ammonium; comme matière activan te, on peut utiliser un cops libérant un ion du groupe des halo gènes, ce corps étant choisi parcs qui ne dégage pas de vapeurs dangereuses ou desagréables à la temperature ambiante; ainsi, par exemple, on utilise de préférence de l'iodure ammonique et du chlorure ammoniaque. Oependant, dans le- cas où le métal d'apport est du silicium, on peut ajouter au mélange constitué avec la matière inerte, de l'iodure de silicium seul ou en @élange avec de l'iodure ammonique; pourtant, comme dans la pratique il est plus -avantageux de se procurer de l'iodure ammonique, il a été constaté qu'il était préférable de former Sil4 en soumettant directement le mélange contenant la poudre à base du métal d'apport, la matière à base d'alumine et NE4I à un chauffage à une température environ 10500C préalablement à la formation de la bouillie, ou lors de la montée en température de la tôle recouverte de l'enduit formé par la bouillie, Le mélange à base du métal d'apport, de la matière inerte et de l'activant est additionné d'eau pour former la bouillie à laquelle on ajoute un liant de façon à assurer un bon collage ae ladite bouillie appliqués sur la tôle. Ce liant qui doit être volatil, ne doit pas fournir de dépôt de carbone lors de sa décomposition au cours du recuit Parmi les liants utilisables se trouvent surtout les alcools polyvinyliques; en pratique on utilise avantageusement un alcool polyvinylique connu dans le commerce sous le nom Rhodoviol, ajouté à raison de 5 grammes par litre d'eau. Exemple l. On constitue à sec un mélange comportant 2 kg d'A1203 ayant une granulométrie d'environ 80 microns, l kg de ferrosilicium en poudre fine d'environ 60 microns et ayant une teneur en silicium d'environ 75%, 4 gr de NH4I qui se présente à l'état solide, ce qui facilite les manipulations. Ce mélange sec est ensuite porté à une température de 1050 C pendant 24 heures puis ajouté dans 1200 cm3 d'eau dans laquelle on a préalablement introduit 6 gr de polyalcool connu sous le nom de Rhodoviol. On obtient ainsi une bouille aqueuse que l'on applique au pistolet pour constituer un enduit sur une face dSune tonie d'acier ayant 0,35 mm d'épaisseur et dont la teneur en carbone est de 0,003% alors que sa teneur en silicium est de la même importance que la teneur des impuretés résiduelles de l'acier. La quantité. de bouillie déposée est telle qu'il y ait envi- ron 142 gr de silicium déposé par m2 de tôle. Des tales sont pourvues chacune d'une couche d'enduit puis sont soumises à un chauf- fage à une température d'environ 25000 pendant une faible durée, de façon'à sécher l'enduit, puis elles sont empilées et soumises à un recuit à une température d'environ 1050 C pendant une duréede 24 heures sous une atmosphère protectrice contenant surtout de. l'hydrogène sec. De cette façon, on a finalement obt-enu des tôles en acier magnétique ayant une teneur en silicium d'environ 3,5%; le silicium est uniformément réparti dans toute l'épaisseur de-la tôle. Exemple 2. Comme dans l'exemple 1, on prépare une bouillie que lton applique au pistolet sur des tôles identiques à celles dudit exemple. La quantité de. bouillie est telle que lton dépose environ 190 gr de silicium par m2 de surface de tôle. Après avoir reçu l'enduit, les tôles sont soumises à un chauffage à. environ 25000 pendant un temps court pour produire le séchage, puis on les soumet à un recuit à 10500C pendant 24 heures dans une atmosphère réductrice d'hydrogène sec. Dans les tôles ainsi obtenues le silicium uniformément réparti a une teneur de 5%. Exemple 3. Comme dans l'exemple 1, on prépare une bouillie que l'on applique au pistolet sur des tôles identiques à celles de cet exemple. La quantité de bouillie appliquée est telle que l'on dépose environ 185 gr de silicium p-ar n2 de surface de tôle. Après avoir séché l'enduit comme dans les exemples 1 et 2 précédents, on empile.l.es tôes et on les soumet à unrecuit'à 10500C pendant une durée de 32 heures- dans uné atmosphère d'hydrogène sec. Dans les tôles ainsi obtenues, le silicium uniformément ré- parti a une teneur de 4,85%. La tôle ayant une épaisseur de 0,4 mm, on a relevé par mesure au cadre Epstein, les propriétés magnétiques suivantes: sous 1 Tesla et 50 Ez les pertes ont été trouvée ébales à 1 V/kg; sous 1,5 Tesla et 50 Hz les pertes sont de 2,37 W/kg. Ltinauction obtenue à 10 0e était de 1,32 Tesla. les tôles ont été ensuite portées à 6500C et refroidies immédiatement pendant qu'on les soumettait à l'action d'un champ ma@ gnétique de 100 Oe. On a alors obtenu les résultats suivants: sous 1 g et 50 Hz les pertes sont inférieures à 0,9 W/kg et sous 1,5 T et 50 Hz les pertes sont-de 2,23 W/kg. La proportion de matière sèche à incorporer dans l'eau pour former la bouillie est variable selon la méthode utilisée pour l'appliquer; si la quantité de matière est trop importante, la bouillie n'est pas assez molle et elle est trop pâteuse; elle ne applique pas facilement et ne colle pas convenablement sur la tôle; si la quantité de matière est trop faible, la bouillie est trop fluide et elle glisse lorsqu'on déplace la tôle enduite. le poids de la bouillie à déposer sur là tôle est variable et dépend surtout de l'épaisseur des tôles à traiter et de la teneur finale en métal d'apport que celles-ci doivent atteindre. En opérant de la façon expliquée ci-dessus, notamment dans les exemples, l'enduit constitué par la bouillie séchée sur la tô- le adhère fortement ce qui est avantageux lors de l'empilage destôles en plaque ou de l'enroulement en bobine d'une tôle présentée sous forme d'une bande qui est enroulée pour que enduit se trouve -situé vers l'intérieur des spires. De cette façon, il -est inutile de procéder au compactage de l'enduit@ Les tôles empilées ou enroulées en bobines sont alors soumises à un chauffage dans un four dans une atmosphère protec trice ne contenant ni-O, ni N2, ni 2 mais contenant du E2 sec. -La température est progressivement élevée jusqu'à atteindre envi ron 105000; celle-ci est maintenue pendant une durée d'environ 40 heures. lorsque la température de chauffage atteint 250 C, l'iodure d'ammonium de l'enduit se décompose selon la réaction: Alors, avec le silicium contenu dans le ferrosilicium, se produit la réaction: La- product-ion. d'hydrogène au cours de cette réaction contri- bue à maintenir l'atmosphère réductrice, ce qui. est avantageux. Au-dessus de 290 C environ', Sirs qui est gazeux, se trans ;porte par convection vers la surface de la tôle où a lieu laréaction: Le silicium ainsi produit diffuse dans la tôle et augmente la teneur en silicium de celle-ci. De plus, Fe I2 qui est aussi un gaz à la température du traitement, se transporte par convectison dans enduit où il réagit avec le silicium suivant la réaction: Les deux dernières font apparaître que la tôle s'enrichit en silicium alors que l'enduit s'appauvrit en ce même élément. Au bout d'un certain temps s'établit un équilibre qui dépend de la quantité de silicium et de fer contenue dans l'enduit et de la température à laquelle est exécuté le recuit. La température du recuit qui est généralement comprise entre 950 C et 1250 C et, de préfence, de 1050 C, est maintenue pendans une durée suffisante pour que le silicium apporté soit répar- ti d'une façon uniforme dans toute la tôle; cette durée variable selon l'épaisseur dé la t81e et selon la quantité de silicium à apporter, est comprise entre 8 et 70 heures. Le procédé de fabrication selon l'invention est simple car la tôle à traiter, en acier décarburé, et présentee au calibre final, ne doit subir aucune préparation préalable. Ce procédé s'exécute avec des produits non dangereux, non toxiques, non désagréables à manipuler; pour exécuter le traitement il n'est pas nécessaire d'amener des gaz dangereux à partir de sources extérieures; la bouillie s'applique par-un moyen simple quelconque, brosse, pistolet ou autre, de sorte qu'il ne faut pas d'installation compliquée. Enfin, le procédé permet d'obtenir de façon économique, des. tôles à forte teneur en silicium Pet en particulier des tôles. à teneurs élevées en silicium, dans des épaisseurs très faibles et fabriquées en bobines; ceci est dû à ce que, puisque le laminage s'effectue sur des tôles sans silicium ou pauvres en silicium, il 'est plus nécessaires pour obtenir des tôles de faibles épaisseurs et à fortes teneurs en silicium, de recourir comme par le passé, à un cycle complexe et coûteux de laminages et de recuits ou au laminage à chaud de paquets de tôles en plaques de longueurs réduites. REVENDICATIONS 1. Proc-édé de fabrication de tôles en acier magnétique par introduction d'un métal d'apport du groupe du silicium ou de l'aluminium, dans lequel on applique sur la t81e constituée par un acier aoux ayant une teneur en C inférieure à 0,010% et, de préférence, inférieure à 0,005% un enduit temporaire formé par une bouillie aqueuse contenant le métal d'apport, une matière inerte, réfractaire, une matière activante et un liant, on sèche l'enduit puis on soumet la tôle à un recuit sous atmosphère réductrice à une température d'environ 10500C pendant la durée nécessaire pour provoquer le transport et la diffusion du métal d'apport dans la tôle pour l'amener jusqu'à la teneur voulue. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la bouillie possède une teneur en métal d'apport de 2 à 35, une teneur en matière inerte réfractaire de 65 à 98% une teneur en matière activante de 0,05 à 2, ces teneurs étant calculées sur le poids total des matières sèchea. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le métal d'apport contenu dans la bouillie est constitué par du silicium en poudre pris sous forme de métal pur ou de ferrosilicium. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le ferrosilicium a une teneur en silicium comprise entre 45 et 85% et, de préférence, d'environ 60%. 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le silicium utilise est pris sous forme d'une poudre contenant 98 à 99% de silicium pur 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caracterisé en ce que l'élément d'apport possède une granulomé- trie voisine de 50 microns. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, préalablement à son utilisation, la matière inerte1 réfractaire, est calcinée à environ 11000, puis broyée pour avoir une granulométrie comprise entre let 80 microng, 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que la matière inerte, réfractaire, est un oxyde à base d'alumine. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que la matière inerte, réfractaire, est un aluminosilicate tel que le kaolin. -10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2-, caractérisé en ce que la matière activante est un dérivé halogéné du groupe au fer, du silicium, ae l'aluminium ou de l'ammo- nium. 11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 10, caractérisé en ce que la matière activante est constituée par de l'indure a'ammonium. 12. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le liant est un alcool polyvinylique. 13. Tôles en acier magnétique obtenues par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.