Brevet FR2239001A1 — publié le 19750221

La présente invention se rapporte aux compositions de revêtement pour matériaux constitutifs des noyaux de transforma- teurs. Un acier doux à 3 % de teneur nominale en silicium est d'un usage courant comme matériau constitutif des noyaux de transformateurs, aussi bien du type de puissance que de celui de distribution. Les compositions de revêtement de la présente invention, lorsqutelles sont appliquées à l'acier d'épaisseur standard, puis soumises à un traitement thermique, produisent sur l'acier un revêtement adhérent présentant des fortes valeurs de résistance interlamellaire, facilitant la transformation en orientation (11D) Pool~7, éliminant le soufre et le carbone de l'acier sous-jacent, et conférant à celui-ci des valeurs améliorées de pertes dans le noyau aux fortes inductions de fonctionnement, à savoir des ind-uc- tions dépassant 15 kilogauss. Les aciers au silicium à grains orientés, c'est-à-diro les aciers ayant une orientation de cube sur champ, ou l'orienta- tion représentée par (110) / 001~7 en termes d'indices de Miller, sont utilisés couramment dans les transformateurs depuis plus de trente ans. En raison de l'orientation favorable des grains d'une texture à cube sur champ, les aciers au silicium se sont avérés présenter des propriétés favorables en ce qui concerne les pertes dans le noyau. Cette orientation est habituellement obtenue yrawce à un processus de traitement distinct, couplé à des traitements thermiques qui ont pour effet de produire cette orientation favorable à cube sur champ. Plus particulièrement, on a constaté que, dans le cas dé l'orientation cube sur champ, il est nécessaire quTil existe des particules de sulfure de-manganèse dans la microstructure afin de permettre une augmentation de la teneur en grains d'orientation fa- varable au détriment des grains moins favorablement orientés pour obtenir, dans le produit final, un degré désiré de texture à cube sur champ Toutefois, les particules de sulfure de manganèse présentes sont en soi préjudiciables aux caractéristiques magnétiques de qualité d'extrémité présentées par cet acier, car elles précipitant à nouveau au refroidissement à température ambiante, et par suite ont un effet nuisible sur les caractéristiques magnétiques car elles empêchent le mouvement particulaire dans l'épaisseur, d'ou il s'ensuit le développement de revêtements qui sont susceptibles de retarder l'élimjnation du soufre de l'acier jusqu a ce que le degré désiré d'orientation ait eu lieu et qu'ensuite le revêtement soit efficace dans la désulfurisation de l'acier au cours du traitement à haute température. Le revêtement le plus couramment utilisé pour obtenir ce résultat désiré, était un revêtement de MgO qui réagies-ait avec les constituants de la surface de l'acier pour former une mince couche adhérente d'un constituant du type verre fortement isolant qui avait pour effet de produire un fort degré de résistance interlamellaire, outre la réalisation de ses autres fonctions. On a toutefois constaté que la présence de ce revêtement empêche également toute autre décarburation pouvant se produire au cours du traitement à haute température, ce qui empêche d'atteindre les propriétés optimales dans l'acier final après traitement thermique. Le revêtement selon l'invention supprime ces difficultés et renforce le degré de transformation des grains permettant d'atteindre des caractéristiques magnétiques améliorées, décarbure l'acier encore da-vantage et, de ce fait, on observe une amélioration de la caractéristique de pertes dans le noyau, dans l'acier sous-jacent en cas de fonctionnement à une induction dépassant-15 kilogauss. Le revêtement de la présente invention donne donc un nou ve.l acier magnétique possédant des caractéristiques magnétiques perfectionnées que ne permettaient pas d'obtenir les techniques an térieures appliquées pour la production industrielle de l'acier au silicium du type M-4. Selon la présente invention, une composition de revêtement à l'usage sur les matières de noyau de transformateurs, consiste essentiellement en une composition essentiellement constituée de 15 à 80 % d'oxyde de fer, jusqu'à 50 % de SiO2 et le complément étant au minimum de 20 % essentiellement de MgO. Ce revêtement, appliqué sur la surface de la tôle d'acier magnétique, de préférence sur une épaisseur comprise dans les limites de 0,025 à 0,125 mm par coté, est ensuite soumis à un traitement thermique à une température comprise dans les limites de 11000 à 13000C afin d'effectuer la transformation de l'acier sous-jacent pour produire une forte proportion de grains ayant un type d!orientation (110) / 001 7, pour éliminer le soufre de l'acier ainsi que pour décarburer ce dernier, et former un revêtu tement tenace qui est fondu et recouvre la surface de l'acier afin d'assurer une forte valeur de résistance interlamellaire. On obtint de bons résultats avec un chauffage de l'acier et son refroidissement à partir de la température de traitement thermique, à un régime de 50 C à l'heure. L'acier ainsi traité à une épaisseur de 0,280 mm présente une perte dans le noyau inférieure à environ 1,5 W/kg, mesurée à 17 000 gauss à une fréquence de 60 Hertz. L'acier magnétique selon la présente invention est un acier d'une teneur nominale de 3 % en silicium, qui peut atteindre de 2 à 5 % en poids de silicium, 0,06 à 0,12 % de manganèse, de 0,01 à 0,03 % de soufre, moins de 0,03 % de carbone, et le complé- ment essentiellement de fer avec les impuretés éventuelles. L'acier est à l'état travaillé à froid, et normalement d'un calibre final de 0,028 à 0,033 mm d'épaisseur, bien que lton puisse traiter des calibres plus épais ou beaucoup plus minces, d'approximativement 0,050 mm. Avant l'application du revêtement à .l'acier, il est préférable de soumettre celui-ci à un recuit de décarburation en bande, habituellement à une température comprise dans les limites de 750 à 9000C, en le soumettant à une atmosphère d'hydrogène humide, c'est-à-dire une atmosphère ayant un point de rosée supérieur à environ +15,5 O. Ainsi décarburé, l'acier est prêt pour l'application du revêtement à sa surface. On a constaté que l'oxyde de fer peut prendre toute forme dont on dispose facilement, et l'on obtint de bons résultats en utilisant Fe203, ainsi que la magnétite minérale naturelle (Fe304) et des mélanges d'oxydes de fer. On a également constaté l'obtention de bons résultats en.substituant tout ou partie de I'oxyde de fer par de l'oxyde de nickel. Quelle que soit la forme effective de l'oxyde de fer, il est préférahle que ce dernier, la SiO2 et MgO soit finement à ltétat divisé afin de permettre un mélange intime; et leur suspension facile dans un véhicule liquide. On obtint de bons résultats avec une dimension de particules de chaque constituant de la composition de revêtement, d'environ -120 ouvertures au centimètre alinéaire. Les plages préférentielles d'utilisation de la corposi- tion de.revêtement sont de 30 à 6Q % d'oxyde de fer et de 30 à 50 % SiO2, le complément étant essentiellement du MgO. Les constituants des revêtements sont habituellement mis en suspension dans I'eu, et un agent de suspension, tel que l'alcool polyvinylique, en quantités s'élevant jusqu'à 4 %, peut être ajouté afin d'améliorer l'adhérence du revêtement à la bande d'acier nu. Le revetement peut être appliqué par immersion, au rouleau, au pinceau, ou par pulvérisation au pistolet pneumatique, ou de toute autre manière convenable.Toutefois, on remarquera que ltépaisseur du revêtement appliqué, non fondu, doit être comprise dans les limites de 0,025 à 0,125 mm par côté de la tôle d'acier. Puisque le MgO est le constituant actif pour l'élimina- tion du soufre au cours du traitement thermique qui suit, il est préférable de maintenir la teneur en MgO à un minimum d'approximativement de 50 % lorsque ltépaisseur du revêtement approche de la limite inférieure d'environ 0,025 mm par côté. D'autre part, lorsque ltépaisseur de revêtement approche de la limite supérieure de 0,125 mm par côté, le MgO peut être présent en une quantité minimale d'environ 2D %. On sèche de préférence la suspension de revêtement appliquée pour en éliminer le véhicule liquide, puis l'acier revêtu peut être enroulé en bobine, ou si le revêtement est appliqué saune tôle en forme, on peut empiler les tôles individuelles et les charger dans un four avant le commencement du traitement thermique. L'acier revêtu est ensuite soumis à un traitement thermique à une température comprise dans les limites de 11000 à 13000C pendant une durée allant de 6 à 36 heures. Un traitement thermique préféré consiste à chauffer les matières portant le revêtement à une température comprise dans les limites de 11500 à 12500E pendant une durée allant de 18 à 30 heures.Au cours du traitement thermique à haute température, l'acier est maintenu dans une atmosphère réductrice de protection, de préférence d'hydrogène ayant un point de rosée inférieur à -400. Au cours de ce traitement thermique, la croissance de grains primaires est empêchee par la présence du sulfure de manganèse jusqu'à ce qu'ait lieu la recristallisation secondaire durant laquelle les grains d'orientation préférée (110) r001 7 croissent au détriment des grains environnants dus à 11 entrée en solution des particules de sulfure de manganèse. L'acier est égale ment encore décarburé par réaction avec ltoxyde de fer et le dioxyde de silicium présents dans le revêtement.Simultanément, les constituants du revêtement sont aussi fondus pour former sur la surface de l'acier sous-jacent, un film, mince, très tenace, analogue à du verre, qui a une très forte résistance interlamellaire, et isole les circonvolutions de la bobine qu les tOise adjacentes empilées, sans adhérence mutuelle. Après son maintien à la température de traitement thermique pendant la durée requise, l'acier est ensuite refroidi à température ambiante. Le chauffage à la température du traitement thermique et le refroidissement de cette température à la tempéra ture ambiante a lieu à un régime ne dépassant pas, de préférence, 50 C à l'heure. Après refroidissement à température ambiante, l'acier sous-jacent présente des pertes améliorées en watts, mesurées aux fortes inductions, ctest-à-dire dépassant 17000 -gause. Pour démontrer la présente invention, on se réfèrera aux données suivantes : la tôle d'acier au silicium ayant une épaisseur de 0,028 mm après recuit de décarburation avait la composition chimique suivante Silicium 3,03 Manganèse 0,093 % Soufre 0,023 % Carbone 0,005 % Phosphore 0,006 - Aluminium 0,001 % Des échantillons Epstein de l'acier ci-dessus furent recouverts soit au pinceau, soit par pulvérisation au pistolet pneumatique, d'un coulis à l'eau désionisée renfermant 1 % d'alcool polyvinylique et les diverses matières de revêtement du tableau I, suivi d'un séchage sous des lampes thermiques.Les échantillons portant les divers revêtements énumérés ci-dessous, furent ensuite soumis à un recuit dans I'hydrogène sec (point de rosée -40 C) pendant 24 heures à 1200 C, le chauffage et le re froidissement s'effectuant au au régime de 50 C à l'heure. On se réfèrera maintenant au tableau I qui indique la .som- position des revêtements et les caractéristiques magnétiques qu'ils présentent, à la suite du traitement selon la description. TABLEAU I courant continu 60 Hz Revêtement Hc Br B10 Pc17 Pc18 C % (Oe) (kg) (kg) (W/kg) (W/kg) 100 MgO (moyenne) D,090 15,4 1E,6 1,54 1,93 0,0024 50 Fe3O4.50 MgO 0,085 15,4 18,7 - 1,45 1,82 0,0014 30 Fe3O4,30 Fe2O3, 0,090 15,9 18,8 1,47 1,80 0,0013 40 MgO 30 Fe304,40 SiO2, 0,065 15,2 16,6 1,43 1,60 0,0017 30 MgO Type M4 -- -- 18,4 1,58 2,00 - Aux fins de comparaison, le tableau I renferme des données relatives à l'acier recouvert de MgO seul, ainsi que des données de 11 acier au silicium M-4, du type AlSl concernant les caractéristiques magnétiques. D'après les résultats d'essais indiqués au tableau I, on voit immédiatement qu'il n'existe aucun changement significatif dans les caractéristiques du B10 concernant l'acier revêtu de MgO par rapport à l'acier revêtu des compositions de la présente invention.Toutefois, une comparaison des pertes à 17 kilogauss et à 18 kilogauss, met,en évidence un perfectionnement appréciable des caractéristiques de pertes de puissance lorsqu'on utilise les revêtements de la présente invention. Ces caractéristiques de pertes dans le noyau montrent également un perfectionnement appréciable par-rapport aux caractéristiques du type M-4 à la même induction. Une comparaison de la dernière colonne du tableau concernant la teneur en carbone, indique qu'après le traitement thermique, avec l'application du revêtement de la présente invention il existe une réduction appréciable de la teneur en carbone, qui constitue évidemment un facteur contribuant à l'amélioration de la caractéristique de perte en puissance aux fortes inductions. Les revêtements renfermant Fe3O4, mesurent tous des pertes appréciablement inférieures aux fortes inductions, par rapport aux revêtements de MgO seul, et le niveau de perte de l'acier portant un revêtement de 50 Fe304, 50 MgO est considérablement inférieur à la moyenne des aciers revêtu de MgO. En outre, les revêtements de la présente invention présentent tous une bonne adhérence, et de fortes valeurs de résistance interlamellaire. On effectua une série supplémentaire d'expériences en utilisant un acier au silicium ayant la même composition chimi que, divers rapports et proportions de Fe203 et de Fa 304 étant ajoutés au MgO, et à nouveau soumis à un traitement thermique de la même manière que les échantillons du tableau I. Les résultats obtenus sont indiqués au tableau II. TABLEAU II Courant continu 60 Hz- Revetemenx H c Br B10 PC17 Pc18 C % (oye) (ks) (ka) (W/ko lW/ks) 25 Fe304, 75 MgO 0,089 15,7 18,7 1,54 1,89 0,0015 75 Fe304 25 MgO 0,091 15,9 18,7 1,47 1,87 0,0015 20 Fe203, 80 MgO 0,069 16,0 18,7 1,47 1,91 0,0013 50 Fe2O3, 50 MgO 0,91 15,7 18,6 1,47 1,91 0,0012 80 Fe2O3 20 MgO 0,91 15,7 18,7 1,49 1,49 0,0012 D'après les résultats d'essais indiqués au tableau II, il ressort que l'utilisation des revêtements ayant les compositions indiquées à ce tableau permet d'obtenir desperfectionnements des propriétés de perte dans le noyau. On remarquera, toutefois, que l'addition de la silice et des Fe203 et Fe3O4 mélangés a donné des résultats inférieurs bien que l'on ait enregistré un perfectionnement général avec l'addition de l'oxyde de fer au revêtement de MgO.Une fois encore, une comparaison des teneurs en carbone révèle l'obtention d'une décarburation appréciable, à laquelle on peut probablement attribuer l'amélioration de la caractéristique de pertes an puissance présentée par l'acier traité selon la présente in invention. Puisque les revêtements de la présente invention peu-. vent être appliqués selon les modes de fabrication présentement utilisés dans la production industrielle de l'acier à 3 % de silicium sans addition d'appareillage supplémentaire, on peut appliquer facilement-les présents revêtements à la production de l'acier au silicium permettant d'obtenir les caractéristiaues mantiques perfectionnées dans l'acier au silicium du type d'orientation 110) [ 001], notamment en cas d'utilisation de la matière à une forte induction de fonctionnement, c'est-à-dire supérieure à environ 17 kilogauss. Ces résultats montrent que des valeurs très stables de pertes de puissance d'environ 1,5 W/kg, au maximum, à 17 kilogauss sont obtenues dans les-toles de 0,028 mm d'épaisseur avec les compositions et traitements selon la présente invention. REVENDICATIONS 1. Composition de revêtement à l'usage sur les matières de noyau de transformateurs, caractérisée par le fait que cette composition se compose essentiellement de 15 à 80 % d'oxyde de fer, jusqu'à 50 % de Si02, et le complément d'au moins 20 % essentiellement de MgO. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée par le fait que 11 oxyde de fer est présent sous la forme de magnétite (Fe304). 3. Composition selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'oxyde de fer est présent sous la forme de Fe203. 4. Composition selon le revendication 1, caractérisée par le fait que l'oxyde de fer est présent en un mélange de magnétite et de Fe203. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle présente de 30 à 60 % d'oxyde de fer et de 30 à 50 % de SiO2. 6. Acier électrique d'une texture de grains dont une proportion majeure des grains ont une orientation (110) / 001, et qui est pourvu d'un revêtement tenace, fondu, recouvrant sa surface, acier caractérisé par le fait que ce revêtement, avant fusion, a une composition telle que spécifiée dans l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Acier selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le revêtement, appliqué à la tôle d'acier et avant sa fusion à celui-ci a une épaisseur comprise dans les limites de 0,025 à 0,125 mm par côté. 8. Acier selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'oxyde de magnésium est présent en une quantité minimale d'environ 20 % lorsque l'épaisseur du revêtement approche de la limite inférieure de 0,125 mm. 9. Acier selon la revendication 6, 7 ou 8, dans lequel le MgO est présent en une quantité minimale d'environ 50 % lorsque l'épaisseur du revêtement approche de la limite inférieure de 0,025 mm. 10. Acier selon la revendication 6 ou 7, dont le revêtement, avant fusion à l'acier, a une épaisseur comprise dans les limites de 0,050 à 0,100 mm par côté, et une composition renfermant de 20 à 40 ?jo de magnétite et de 30 à 50 % de Si02, cet acier portant son revêtement fondu présentant une perte dans le noyau inférieure à.1,5 W/kg, mesurée à 17 000 gauss et 60 Hertz. 11. Procédé de perfectionnement des caractéristiques de perte dans le noyau, dans un acier au silicium dont une majeure partie des grains ont une orientation de (110) / 001 7 en termes des indices de Miller, procédé qui consiste à appliquer à la surface de l'acier d'épaisseur de calibre final, un revêtement composé essentiellement de 15 à 80 % d'oxyde de fer, jusqu'à 50 % de SiO2 et le complément d'au moins 20 % essentiellement de MgO, ce revêtemen-t ayant une épaisseur comprise dans les limites de 0,025 à 0,125 mm par coté ; à chauffer l'acier revêtu à une température comprise dans les limites de 11000 à 13000C ; à maintenir l'acier à cette température pendant une durée de 12 à 36 heures pour fondre le revêtement à la surface de l'acier, afin de transformer ce dernier de telle sorte qu'unie proportion majeure de ses grains prenne une orientation (110) rDO1 7 et de le décarburer ; puis à refroidir l'acier à température ambiante ; le chauffage à la température de traitement thermique et le refroidissement à température ambiante n'excédant pas un régime de 500C à ltheure. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le traitement thermique s'effectue lorsque 11 acier est soumis à une atmosphère de protection d'hydrogène d'un point de rosée à -40'.