Brevet FR2335070A1 — publié le 19770708

L'invention concerne les techniques des courants électriques forts et, plus précisément, un matériau au charbon électrographité pour balais de machines électriques, ainsi -utà un procédé de préparation dudit matériau. L'une des voies actuelles du progrès et du perfection- nenent des machines électriques consiste à améliorer la aiabilite (tout en réduisant leur poids spécifique) des matnriatex électrotechniques actifs par unité de puissance, en particulier en augrLentant les vitesses de rotation des machines et les températures de service de leurs enroulements. Dans les machines électriques à collecteurs ces tendances se heurtent à des difficultés sérieuses quand on cherche à obtenir une eommutation suffisamment sûre et une tenue à l'usure suffisante d'un couple de contact glissant. C'est la réalisation de la tenue en service des contacts de balais aux températures supérieures à 150 C, lorsque l'adsorption de la vapeur d'eau contenu dans l'atmosphère ambiante sur les surfaces de contact frottantes devient minimale, qui devient particulièrement ardue. ttune des voies en vue d'éliminer ces difficultes consiste à améliorer les caractéristiques du matériau au charbon électrographité en l'imprégnant de compositions variées. Divers brevets indiquent un grand nombre de formules de compositions de ce genre, en particulier à base d'huiles végétales siccatives, de résines variées, de polyesters et autres substances d'origine organique ou inorganique. On peut citer à ce propos les brevets de la République Fédérale d'Allemagne n 1 091 218 et 1 241 903 ; le brevet français 1 005 261 ; les brevets des Stats-Unis d'Amérique n 2 989 490, 2 425 046, etc. Toutefois, une analyse approfondie et les recherches effectuées par les auteurs de la présente invention montrent que les formules connues des compositions et des additifs imprégnants augmentent en moyenne de deux ou trois fois le potentiel d'utilisation des balais électriques (si on laisse de côté leurs régimes axe fonctionnement spécialzx) en moyenne.Ces compositions et additifs sont aptes à l'utilisation à des températures de service jusqu'à 200-a500C, Le matériau le plus proche de l'objet de la présente invention est un matériau au charbon électrographité pour balais de machines électriques qui contient du pyrophosphate de sodium et un mélange durci de résines non saturées (polyesters), suivant le brevet délivré en Grande-Bretagne sous le numéro 823 964, priorité du 2 juillet 1956, sous le titre "Perfection- nement aux balais de contact électriques". les balais décrits dans ledit brevet sont destinés 11a fonctionner en régimes pénibles et à hautes altitudes".Toutefois, leur matériau ne permet pas d'obtenir un fonctionnement satisfaisant des balais dans un large intervalle de températures, car le pyrophosphate de sodium, comme d'ailleurs les phosphates des métaux légers, se décompose relativement vite. Le but de la présente invention consiste à éliminer les inconvénients susdits. On s'est donc proposé de créer un matériau au charbon électrographité pour balais de machines électriques, ainsi qu'un procédé de préparation dudit matériau, qui permettent d'augmenter sensibleent (d'un ordre décimal ou davantage) la tenue à l'usure d'un couple de contact glissant de machines électriques à collecteurs lors de leur fonctionnement dans une large plage de températures, de pressions et d'humidité, par imprégnation d'un matériau poreux en charbon électrographité de phosphates, de préférence de métaux lourds, à savoir par des ultraphosphates de zinc, de manganèse et d'autres métaux, suivie de leur enrobage par des résines polymérisables filmogène, qui améliorent les caractéristiques de contact dudit matériau et qui confèrent aux ultraphosphates une bonne tenue à l'hydrolyse. La solution consiste en un matériau au charbon électrographité pour balais de machines électricues, contenait des composés de phosphore répartis dans son volume et une composition hermétisante, et dans lequel lesdits composés de phosphore sont, suivant l'invention, des ultraphosphates de métaux, tandis que ladite composition hermétisante consiste en des polymères organiques filmogènes et leurs mélanges, qui améliorent les caractéristiques de contact du matériau au charbon électrographité. I1 est avantageux de réaliser le procédé de fabrication du matériau au charbon électrographité pour balais de machines électriques en imprégnant ledit matériau de chlorures de métaux mélangés à une solution aqueuse d'acide orthophosphorique, à le sécher ensuite à l'air et à le traiter thermiquement en élevant progressivement la température jusqu'à 500-6000Ct pendant le laps de temps nécessaire à la formation dans les pores du matériau au charbon électrographité d'ultraphosphates de métaux à raison de 0,1 à l5fo de la masse initiale du matériau, à imprégner ensuite le matériau, après refroidissement, d'une solution de résine polymérisable filmogène qui enrobe les ultraphosphates et améliore les caractéristiques de contact des balais, et à le traiter thermiquement en élevant par échelons sa température jusqutà 180-250 C suivant lacomposition d'imprégnation choisit jsusqu'à sa polymérisation totale avec une teneur en résidu sec de 0,5 à 10je0 de la masse du matériau en charbon électrographité après son imprégnation de composition phosphatée et son traitement thermique. L'introduction dans le matériau au charbon électrographité des ultraphosphates de métaux lui confère, par comparaison à d'autres compositions connues, une plus haute tenue à la chaleur, étant donné que les ultraphosphates, parmi tous les composés de phosphore, sont les générateurs les plus actifs d'anhydride phosphorique et acide phosphorique qui sont capables de s' adsorber fortement aux surfacés de frottement à des températures de service jusqutà 4000C et audessus, ce qui permet de réaliser le fonctionnement normal d'un contact électrique glissant dans un large intervalle de températures de service élevées. Toutefois, les composés ultraphosphatés ne possèdent pas une tenue suffisante à l'hydrolyse et, dans une atmosphère humide (en service ou pendant le magasinage des balais), se décomposent rapidement en agissant activement sur les pièces métalliques des machines électriques. En outre, le début de leur plage de températures de service en tant que générateurs d'knhydride phosphorique est suffisamment élevé, ce qui abaisse l'efficacité de l'utilisation des balais sous des températures de service relativement basses. Pour protéger les ultraphosphates contre l'hydrolyse et étendre la plage de service des températures des balais, on introduit dans le matériau au charbon électrographité contenant des ultraphosphates de métaux une composition hermétisante de polymères filmogènes et leurs mélanges qui, en enrobant les particules d'ultraphosphates au cours de la polymérisation subséquente, protège les ultraphosphates dans les pores du matériau au charbon électrographité. On sélectionne la composition de résines polymérisables filmogènes de façon a améliorer également les caractéristiques de contact des balais.La poussière des balais imprégnée de composition susdite adhère moins aux surfaces isolantes des machines dlectriques, ce qui élève le niveau global de la résistance d'isolement en service et améliore de ce fait la fiabilité de fonctionnement des machines électriques à collecteurs dans des conditions de service pénibles. A titre de composés de phosphore on peut employer des ultraphosphates de manganèse, de zinc, de magnésium, de lithium, de potassium, d'aluminium, de fer, de plomb et d'autres métaux et de leurs mélanges, alors qu'à titre de composition hermétisante on peut mettre en oeuvre un mélange de polymères filmogènes constitué de sels d'acides non saturés aliphatiques, d'huiles végétales siccatives et de différentes résines organiques, de polyesters et alcools tels qu'un mélange de linoléate de cobalt avec une résine glyptal mélamine, des résines époxydes, des résines phénol-formol et des résines synthétiques connues sous la dénomination commerciale '1bakélites", l'alcool furfurolique, des polyesters, des polyimides et d'autres polymères filmogènes. Ainsi, l'invention repose sur l'action commune des ultraphosphates de métaux et de polymères filmogènes qui enrobent-les ultraphosphates dans les pores du matériau au charbon graphité et qui en améliorent les caractéristiques de contact. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple concret mais non limitatif de réalisation d'un matériau au charbon électrographité pour balais de machines électriques, faite en se référant au dessin unique annexé qui représente les caractéristiiaes friction d'un contact glissant balai/collecteur. Exemple de préparation d'un matériau au charbon électrographité On soumet un matériau électrographité pour balais de machines électriqties, préparé par un procédé cuna quelconque et débité en forme débauches à la cote des balais finis, mais sans armature ni canaux électroconducteurs, à un traitement combine. Au début on dessèche les ébauches de balais pour en éliminer l'humidité à une tenpérature de 120 à 13000 pendant 1 à 2 heures et ensuite on les place dans un autaclave où on fait le vide jusqu'à une pression résiduelle de 3 à 5 ma de Hg Ensuite on envoie dans l'autoclave une solution aqueuse contenait 0,4 mole de chlorure de n ana nèse, de zinc ou de chlorures d'autres métaux ou leurs mélanges et 0,6 mole d'acide orthophosphorique par litre d'eau et on refoule de l'azote ou un autre gaz inerte jusqu'à une pression de 5 à tO atm et après maintien des ébauches dans la solution sous pression pendant 0,5 à 2 heures on les retire de l'autoclave et on les dessèche à l'air, à la température ambiante, pendant 3 jours environ. On soumet les ébauches de balais électriques préalablement séchées à l'air à un traitement thermique avec élévation graduelle de température jusqu'à 500 à 6000C Jusqu'à la formation au sein du matériau des balais des ultraphosphates de métaux. On effectue le traitement thermique des ébauches dans des fours à atmosphère d'un gaz inerte sous un lit de coke. Au cours de l'imprégnation en autoclave, au lieu de l'azote on peut utiliser de l'air. Bans certains cas, lorsqu'il s'agit d'obtenir un taux d'imprégnation modéré ou lorsque le matériau a une forte porosité, son imprégnation peut s'effectuer dans des bains (imprégnation ordinaires à l'air, au trempé. La concentration des solutions selon la porosité du matériau et la nécessité de son accroissement de niasse apres traitement thermique peut varier entre de larges limites. On dessèche une nouvelle fois les ébauches imprégnées d'une des compositions à base d'acide orthophospnorique et contenant, après traitement thermique approprié, des ultraphosphates de différents métaux, à raison de 0,1 à 15 de la masse initiale de l'ébauche, à une température de 100 à 1200C jusqu'à élimination totale de l'humidité, on les refroidit jusqu'à 70 à 800G et on les immerge à l'état tiède dans un bain avec la composition imprégnante constituée d'un mélange de ré sinespolymérisables filmogènes. L'une des versions de la formule de la composition d'imprégnation secondaire constituée d'un mélange de résines polymérisables filmogènes améliorant les caractéristiques de contact du matériau, réduisant l'adhérence des poussières de balais à l'isolement des machines électriques et enrobant les ultraphosphates de métaux, contient : 1 ) 20% de la masse totale de la composition : un mélange de résine glyptal et de mélamine dans un rapport de 5/1 dissous dans le toluène jusqu'à la viscosité d'utilisation 2) 80% de la masse totale de la composition : le linolate de cobalt contenant jusqu'à 1r9 d'oxyde de cobalt, en solution dans le toluène. On verse lesdits constituants ensemble et on les brasse soigneusement à la température ambiante. La durée d'imprégnation des ébauches des balais de ladite composition est de 1 à 2 heures. L'imprégnation peut se faire également en autoclave. Après l'imprégnation on maintient les ébauches de balais pendant 4 à 5 heures à l'air et on leur fait subir un traitement thermique dans un four à air ventilé, en enlevant par échelons les températures suivant le régime approximatif suivant 120 C 4 heures, 15000 4 heures, i800C 2 heures. Suivant la marque et l'usage des balais, le résidu sec de la composition d'imprégnation polymère, au bout du traitement thermique secondaire, peut osciller entre 0,5 à 1 6 de la masse des ébauches après la première imprégnation et le premier traitemeilt thermique, ce qu'on obtient en faisant varier la viscosité de service des résines polymérisables filmogènes. Pour assurer une tenue améliorée des balais imprégnés de phosphates et polymères en présence d'une humidité élevée, on peut effectuer une imprégnation et un traitement thermique doubles. Quelques résultats d'essais Le tableau ci-après contient les résultats comparés d'essais de plusieurs versions caractéristiques des balais à une température de service du contact glissant jusqu'à 150au. Résultats comparés d'essais de balais caractéristiques dans des conditions atmosphériques normales Nos Versions des Usure en mm au bout de : Résistance de l'isolement balais 100h 200h 300h 400h 500h eroule- ments des machines après 500 h de mar che, mégohm 1 . Matériau au char bon électrogra- phité sans im prégnation 1,9 3,6 5,5 7,8 9,6 1 2 . Comme dans 10, mais contenant des pyrophos phates de sodium et des résines polyesters 0,39 0,65 1,17 1,69 2,24 0,6 3 . Comme dans 10, mais contenant des ultraphos phates de zinc et de manganèse 0,15 0,38 0,61 0,95 1,35 1,6 4 .Comme dans 30, mais contenant un mélange de linoléate de cobalt et de résine mélamine glyptal 0,18 0,39 0w53 0,8 1,0 5 Ainsi que le montre le tableau, le résultat le meilleur et le plus stable avec des valeurs d'un ordre décimal plus basses d'usure et caractérisé par une haute résistance d'isolement a été obtenu avec des balais fabriués en matériau au charbon électrographité suivant l'invention. Pour les balais qui ne contiennent que les ultraphosphates de zinc et de manganèse, au cours du fonctionnement même sous une atmosphère d'un degré d'humidité nor=al, on observe une tendance à une croissance progressive de llusure, alors que pour les balais contenant du pyrophosphate de sodium et des résines polyester, outre une tendance accrue à l'usure (même à une température de service jusqu'à 150 C ) par comparaison aux balais suivant la présente invention et aux autres versions citées de balais, on note, à cause de l'adhérence accrue des poussières de balais au bout de 500 heures de régime, une -éduction rapide de la résistance d'isolement des erouleents de la machine électrique. Au cours des essais dans des machines à températures de service du contact klissazlt supérieures à 2000C, ainsi que dans un milieu d'azote gazeux sec, la tenue à l'usure des nouveaux balais par comparaison aux versions de balais soumises aux essais indiqué s dans le tableau augmente de i à 2 ordres décimaux. Le dessin annexé représente les caractéristiques de friction comparées de contact glissant (c'est-à--dire les variations du coefficient de frottement en fonction de la température en OC) avec mise en oeuvre de balais en charbon électrographité avant et après le traitement suivant l'invention. La courbe 1 concerne les caractéristiques avant traitement, la courbe 2, les caractéristiques après traitement. le collecteur est constitué de bronze au zirconium. Comme l'indiquent ces courbes, le coefficient de frottement des balais ayant subi l'imprégnation combinée est sensiblement plus bas, surtout aux températures de fonctionnement élevées. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés ru'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Matériau au charbon électrographité pour balais de machines lectriques, du type contenant des composés de phosphore et une composition hermétisante répartis dans l'ensemble de son volume, caractérisé en ce qu'il contient, à titre de composés de phosphore, des ultraphosphates de métaux, et à titre de composition hermétisante, des polymères organiques filmogènes et leurs mélanges qui améliorent les caractéristiques de contact du matériau au charbon électrographité. 2. Procédé de préparation du matériau au charbon électrographité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on imprègne ledit matériau de chlorure de métal mélangés à une solution aqueuse d'acide ortho-phosphoique, on le dessèche ensuite à l'air et on le traite thermiiiuesi.ent avec élévation graduelle de la température jusqu'a' 500 à 600 C pendant le laps de temps nécessaire à la formation, dans les pores du matériau au charbon électrographité, d'ultraphosphates de métaux à raison de 0,1 à 150% de la masse initiale du matériau, ensuite, après refroidissement, on imprègne le matériau d'une solution de résines polymérisables filmogènes qui enrobent les ultraphosphates et améliorent les caractéristiques de contact des balais électriques, et on traite thermiquement le matériau avec une élévation éclmelonnée de la température jusqu'à 180 à 25O0C suivant la composition d'imprégnation choisie, jusqu'à sa polymérisation complète avec une teneur en résidu sec de 0,5 à 10% de la masse du matériau au charbon électrographité après son imprégnation d'une composition de phosphates et son traitement thermique.