Brevet FR2526814A1 — publié le 19831118

"Eléments cn feuilles d'acier revêtus d'un phosphate isolant" Ltinvention concerne des éléments en feuilles d'acier revêtus d'un phosphate isolant. Les noyaux magnétiques utilises dans des générateurs, des transformateurs, des moteurs électriques, etc, sont faits de préférence de pieces de coupées en acier laminé avec un revêtement de matière isolante sur chaque feuille-. Comme il est bien connu dans la technique ces noyaux sont formés de feuilles au lieu d'acier massif de façon que les courants parasites soient réduits au minimum pendant l'utilisation des noyaux. Ltorthophosphate d'aluminium, désigné aussi comme monophosphate d'aluminium, est.une solution minérale de revêtement qui est utilisée sous forme diluée pour produire une couche isolante entre les feuille sur les bandes et piéces découpées en tôles d'acier . On l'utilise pour réaliser une résistance entre les feuilles du noyau des moteurs générateurs et transformateurs et en plus pour réduire au minimum les pertes par courants parasites dans les machines.La solution de revêtement, à la concentration non diluée, est constituée d'un mélange d'acide phosphorique et d'alunine hydratée et contient environ 33 % en poids de P205, 8% en poids d'AI203 et 59 ffi en poids d'H20. On peut trouver ce type de solution de revêtement dans le commerce, par exemple sous la désignation commerciale d'Alkophos, et on l'utilise largement dans l'industrie de l'appareillage électrique. On l'applique sur l'acier pour usages électriques chez le fabricant dappareils ou chez le fournisseur de l'acier. La solution de mono-phosphate d'aluminium décrite ci-dessus est généralement diluée encore avec de l'eau avant usage. Les concentrations que l'on utilise habituellement sont d'environ 0,5 à 4 volumes d'H20 pour I volume de solution de monophosphate d'aluminium suivant la résistance et l'épaisseur voulue, et suivant l'app reil de revêtement qde l'on utilise pour son application. Cette solution est appliquée avec des applicateurs à un rouleau en feutre ou en caoutchouc sur l'acier puis cuite dans un four monté en tandem. Ces types de revEtements avec un phosphate sont bien connus dans la technique, et sont utilisés comme reveXtements principalement pour l'acier laminé à chaud, comme il est décrit dans la spécification du brevet U.S. NO 2 743 203 (Steinherz), ou l'on propose une cuisson des feuilles d'acier à 135 à 5000C, et l'élimination de l'eau par la chaleur, ce qui laisse une mince couche de phosphate qui a réagi avec la surface métallique la feuille. Le rev8tement obtenu a de bonnes propriétés isolantes et un bon facteur d'espace.Ce revêtement a aussi fait preuve de son aptitude à résister aux différents risques mécaniques, thermiques et chimiques que l'on rencontre dans les machines électriques ou dans les étapes des opérations au cours de leur production. Dans la pratique actuelle toutefois, où l'on utilise généralement de l'acier laminé à froid, dont la surface est facilement réactive, la température des feuilles d'acier du commerce, nécessaire pour cuire ce revêtement au phosphate non modifié, est d'environ 34O0C. Afin d'atteindre cette température des feuilles d'acier qui sera aussi la température du revêtement au phosphate, la température du four doit etre réglée à un niveau beaucoup plus élevé, de l'ordre généralement de 425 à 65O0C, suivant le modèle de four, la vitesse du transporteur et l'épaisseur de laminage. Une cuisson d'une température aussi élevée représente une opération onéreuse, en raison du prix élevé du gaz naturel ou de l'électricité pour le four2 au coût important du travail dû aux faibles vitesses de revêtement utilisant un matériel non modifié, aux frais importants de ltentretien de l'appareillage, plus des problèmes supplémentaires, tels que l'importante rétro-action de la chaleur sur les rouleaux d'enduction, et un risque accru d'insuffisance de cuisson. On s'est efforcé depuis longtemps de trouver un nouveau revêtement ou une amélioration du procédé qui soient simples et peu coûteux, tout eh assurant un revêtement entre feuilles : une isolation et un facteur d'espace dont les caractéristiques soient équivalentes à celles du revêtement ou procédé actuel. En conséquence l'invention consiste en un élément en tales d'acier portant un revêtement en phosphate isolant cuit, dérivé d'une solution aqueuse comprenant 100 volumes de phosphate d'aluminium aqueux et-de I à 15 volumes d'acide nitrique. Ce revêtement phosphaté est un mélange d'une solution de phosphate d'aluminium diluée, composée de préférence d'un volume solution de monophosphate d'aluminium/ plus 0,5 à 4 volumes supplémentaires d'eau de dilution, et de 3 à 12 46 en volume, calculé sur la solution de monophosphate d'aluminium, d'acide nitrique. Dtune façon inattendue, cette addition d'acide nitrique peut abaisser la température à laquelle on porte les tôles d'acier du commerce pour cuire le phosphate qui les revêt jusqu'à environ 900C, tout en maintenant les caractéristiques de revêtement, isolation et facteur d'espace du revêtement obtenu sans modification. L'abaissement de la température de cuisson a aussi l'avantage supplémentaire de diminuer sensiblement les problèmes de manipulation et de réduire la consommation d'énergie. On peut traiter suivant l'invention des feuilles ou tôles à base de différentes cualités de métal ferreux. On peut ainsi revêtir des toles de ferro-silicium contenan: jusqu'à 7% de silicium. On peut traiter des toles magnétiqu s en nickel-ler contenant jusqu'à 85% de nickel. D'autres feuilles magnétiques contenant une proportion d fer élevée allié à un ou plusieurs métaux peuvent être aussi traitées ainsi. Généralement toutes ces tôles sont laminées à froid en continu. Le terme "tôles d'acier en feuilles1, sera employé ici en comprenant toutes les autres. Le revêtement phosphaté cuit de l'invention est dérivé d'un mélange de phosphate d'alumnium aqueux dilué, et de 1 à 15 volumes %, de préférence de 3 à 12 volumes S ou mieux encore de 3 à 8 volumes %, basés sur le volume de phosphate d'alumnium dilué, d'HN03. En dessous de 1% en volume d'HNO3, la cuisson n'est pas améliorée. Plus de 15 % en volume dtHN 3 se montreraient trop corrosifs. La composition aqueuse diluée d'orthophosphate d'alumniuù est constituée par 100 volumes d'une solution aqueuse de phosphate d'alumnium. Cette composition de phosphate d'alumnium est généralement un mélange d'acide phosphorique et d'alumine hydratée que l'on peut décrire en termes de teneur en ingrédients actifs, P205 et A1203. La composition de phosphate d'aluminium contient de 28 à 38 % en poids, de préférence 30 à 35 ,% -en poids de P205, de 5 à 12 % en poids, de préférence 7 à 10 % en poids, d'Al2O3 et de 50 à 70 % en poids d'eau ; et de préférence de 50 à 400 volumes, et mieux de 100 à ?50 volumes d'eau de dilution additionnelle. Ltutilisation de moins de 50 volumes d'eau de dilution additionnelle donnerait des revêtements qui pourraient être difficiles à appliquer mme sur l'acier électrique. Plus de 400 volumes d'eau de dilution additionnelle donnerait des revAtements qui seraient trop minces, ce qui causerait une perte de l'effet isolant. Par suite, la composition de mono-phosphate d'aluminium aqueux est constituée de 33 à 50 % en poids de matières solides P205 plus A1203 où les autres matières telles que le zinc, le phosphate de zinc et le nickel sont spécialement exclues. Toutefois, on peut utiliser une proportion efficace d'un agent mouillant non-ionique pour l'acier, habituellement jusqu'à 1,5 volume % et de 0,5 à 1,2 volume ffi de matières telles que celles qui contiennent un groupe alcoyle à chatne de longueur moyenne fixé à un groupe oll R est un groupe assurant la solubilisation à l'eau. comme il est bien connu dans cette technique. Avec moins de 0,5 volume % d'agent mouillant l'acier ne serait pas mouillé ni n'adhérerait au revêtement phosphate. Une formule type pour un revêtement phosphate modifié à l'acide nitrique pour utilisation à basse température est constitué de : 10 litres d'une solution de phosphate d'aluminium faite de 33 % en poids de P205, 8,6 en poids d'A1203 et 58,4 % en poids d'H2O, 20 litres d'eau de dilution additionnelle, environ 0,3 litres d'un agent mouillant non-ionique et 1,5 litre d'HNO3, c'est-à-dire environ 5 % volume HN03 basés sur la combinaison des ingredients précédents. Le terme "acide nitrique" tel qu'il est défini ici est TON03 à une concentration supérieure à 65 % ctest-à-dire, en degré réactif, habituellement une concentra- tion en HN03 de 69 à 71 %. Cette composition de revdtement phosphate modifiée à l'acide nitrique est appliquée sur l'acier électrique, généralement du type laminé â froid, par des techniques d'application au rouleau, utilisant des rouleaux applicateurs cannelés en caoutchouc ou en feutre. Quand cette composition est appliquée sur la surface d'une feuille d'acier sousjacente, et quand ensuite cette feuille d'acier et par suite le revêtement phosphate sont chauffés en portant la t81e d'acier à une température d'environ 90 à 1300C pendant une durée suffisante pour éliminer la plus grande partie de lteau, le revêtement appliqué durcit en une masse homogène adhérant sur le substrat.Cette couche de revêtement adhérente communique au substat une bonne résistance entre feuilles qui diminue fortement les pertes de courants parasites quand les feuilles séparées sont empilées pour être utilisées dans un appareil électromagnétique. Ce revsstenent au phosphate amélioré par l'acide nitrique peut être utilisé en couches multiples et peut être appliqué sur d'autres revêtements phosphatés de base. te terme tttemperature de la feuille dtacier" signifie la température de l'acier et du revêtement mesurée avec un thermo-couple ou autres et non la température généralement beaucoup plus élevée du four. Ce revêtement phosphaté modifié à l'acide nitrique donne une densité après cuisson qui se situe entre I et 1,5 g par centimere cube environ.-Quand il est cuit, on a 2 constaté que ce revêtement donne au moins 2 ohms par cm de 2 feuille et une valeur aussi élevée que 640 ohms par cm de feuille dans le test ASTM A-717 suivant Franklin. Le terme "cuit" tel qu'il est utilisé ici signifie que le revêtement phosphaté est un solide non-collant.On pense que, pendant la cuisson, le HNO3 augmente ltactivité de surface du fer, permettant une réaction beaucoup plus rapide du revttement avec l'acier de la tssle ferreuse, pour former par exemple du phosphate de fer, et provoquer ainsi une précipitation de phosphate d'aluminium. L'invension sera mieux comprise d'après la description ci-après d'un exemple Exemple On prépare une composition de revêtement au phosphate modifiée par 11 acide nitrique, constituée dtun mélange de 10 volumes d'une solution de monophosphate d'aluminium, donnant à l'analyse 33,1 % en poids de 8,6 46 en poids d'A12O3 et 58,4 % en poids d'H2O, ayant une viscosité d'environ 40 centipoises à 250C, un poids spécifique de 1,47 et un poids moléculaire d'environ 318 (vendu dans le commerce par Monsanto Chemical Co, sous le non commercial d'Alkophos C), 20 volumes d'H2O de dilution additionnel et 5 volumes % de HN03 concentré à 71 %, c'està-dire 0,05 x 30 volumes = 1,5 volumes d'HNO3. On a mélangé à 250C, en ajoutant lentement l'acide comme dernier composant. On a ajouté environ I % en volume d'un agent mouillant nonionique à groupe alcoyle à channe de longueur moyenne contenant du phosphore (vendu dans le commerce par Victor Chemical Comp. sous le nom commercial de Victawet 8 12). On a préparé aussi une solution de revêtement comparative au phosphate non-modifiée où lton a inclus les mêmes proportions des mêmes ingrédients, si ce n'est que l'on a exclus l'acide nitrique. On a alors appliqué les deux revêtements au rouleau sur de 11 acier électrique laminé à froid et on a chauffé pour les cuire, puis on a mesuré les caractéristiques isolantes. On a ensuite revêtu les pièces estampées de l'armature et on a examiné la résistance interfeuille s . Les résultats sont donnés dans les tableaux cidessous. TABLEAU 1 Isolation interfeuilles caractéristiques sur de l'acier électrique M22 0,055 m/m r Franklin . Temp. épaisseur Franklin ohmcm2/ Facteur e cuisson mil/côté A. (en feuille d'espace moyenne) (en moyenne) revêtement phosphaté 930C 1,8 0.048 128 98 % modifié avec 3 revêtement phosphaté 3400C 2,2yU 0.042 147 97,9 % non modifié éprouvette TABLEAU 2 Résistance interfeuilles sur des pièces estampées d'armature de 0,062 mm d'épaisseur et 1,5 de diamère HNO3 modifié par revêtement 9.4 ohm cm/feuille phosphaté (en moyenne) * non modifié par 9.4 ohm cm /feuille revêtement phosphaté (en moyenne) éprouvette Comme on peut le voir, les caractéristiques d'isolo- tion et de facteur d'espace du revêtement phosphaté modifié par HiN03 suivant l'invention restent évidents, bien que la température de cuisson ait été abaissée d'environ 2500C par rapport à celle du revêtement phosphaté.standard nonmodifié. REVENDICATIONS 10) Elément ferreux en feuille d'acier, portant un revêtement phosphaté cuit, isolant, élément caractérisé en ce que le revêtement est dérivé d'une solution aqueuse comprenant 109 volumes de phosphate d'aluminium aqueux et de I à 15 volumes d'acide nitrique. 20) Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le phosphate d'aluminium aqueux est un mélange d'acide phosphorique, d'alumine hydratée et d'eau. 30) Elément suivant l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que l'on utilise de 3 à 8 volumes d'acide nitrique. 40) Elément suivant ltune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le phosphate d'aluminium aqueux est constitué essentiellement de 28 à 38 % en poids de P205, de 5 à 12 % en poids d'Al203 et de 50 à 70 % en poids d'H20. 5 ) Elément suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le phosphate d'aluminium aqueux contient de 30 à 35 % en poids de P205 et de 7 à 10 % en poids d'A1203. 60) Elément suivant l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que la solution aqueuse contient de 50 à 400 volumes d'eau de dilution additionnelle, et de 3 à 12 volumes % d'acide nitrique, basé sur le volume de phosphate d'aluminium aqueux et d'eau de dilution. 70) Elément suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'on utilise de 3 à 8 volumes % d'acide nitrique. 80) Elément suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la solution aqueuse contient jusqu'à 1,5 volumes % d'agent mouillant. 90) Elément suivant l'une quelconque des revendications 6, 7 et 8, caractérisé en ce luron utilise de 100 à 250 volumes d'eau de dilution.