Brevet FR2672305A1 — publié le 19920807

a présente invention concerne un procédé pour former un revêtement isolant adhérent sur une tôle d'acier et notamment sur une tôle d'acier magnétique, utilisable dans -la construction de machines électriques comme par exemple des transformateurs et moteurs, procédé dans lequel, on applique sur ladite tôle une couche uniforme d'une solution comprenant dans sa composition de l'acide phosphorique et/ou un sel dudit acide et on chauffe cette couche de solution pour obtenir un revêment sec isolant Un tel procédé est connu du brevet FR-A-2 154 625. Il est décrit dans ce brevet un procédé pour former une pellicule isolante sur une tôle au silicium à grains orientés, consistant à appliquer sur tôle d'acier au silicium une solution composée en poids de 4 à 16% de silice à l'état colloidal, de 3 à 24% de phosphate d'aluminium (pourcentage calculé sous forme de biphosphate d'aluminium), de 0,2 à 4,5% d'au moins un composé choisi dans le groupe constitué par l'anhydride chromique et les chromates, et à cuire la solution de revêtement ainsi appliquée à une température supérieure à 350'C. Pour former le revêtement, de l'acide borique est ajouté à la solution, dans des proportions entre 1 et 5 grammes pour 100 cm3 de silice à l'état colloïdal dispersée dans de l'eau.De la silice particulaire dont les particules sont de dimension extrêmement petites est ajoutée à la solution dans des proportions entre 0,25 et 2 grammes pour 100 cm de la dispersion aqueuse de silice à l'état colloïdal Le but du procédé connu est de réaliser une tôle d'acier au silicium à grains orientés, sur laquelle est formée une pellicule superficielle servant à réduire les pertes et à améliorer les caracté ristiques de magnétostriction, cette pellicule superficielle uniforme présentant une bonne adhérence sur la tôle d'acier précitée. Un revêtement tel que réalisé par le procédé décrit, confère à la tôle une isolation électrique, mais son adhérence n'est pas d'une qualité satisfaisante. La présente invention a pour but d'améliorer de manière significative l'adhérence et la résistance d'isolement du revêtement, sans dégradation des propriétés physiques et métallurgiques des tôles, comme par exemple les propriétés magnétiques et/ou d'empilement desdites tôles, empilement exprimé par un facteur de foisonnement. L'invention a pour objet un procédé dans lequel on applique sur la tôle une couche uniforme d'une solution comprenant de l'acide phosphorique et/ou un sel de cet acide, et on chauffe cette couche de solution pour obtenir un revêtement sec isolant, caractérisé en ce que ladite solution contient un agent organique chélatant, et que le chauffage est effectué à une température supérieure à 200 C sous atmosphère neutre ou peu oxydante pour obtenir le revêtement isolant et éliminer, en outre, les produits de décomposition de l'agent chélatant. Dans une forme particulière du procédé, on applique la solution contenant l'agent chélatant sur la tôle préalablement recouverte d'un composé de séparation, nécessaire à son traitement métallurgique en bobine. On applique la solution contenant l'agent chélatant notamment sur la tôle préalablement décapée par exemple dans un bain acide. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - l'agent chélatant est un acide polycarboxylique ou un de ses sels; - l'acide polycarboxylique peut être choisi notamment parmi les acides citrique, oxalique, tartrique, malique, glutamique, aspartique, malonique; - l'agent chélatant peut être choisi parmi les acides gluconique et glucoheptonique ou un de leurs sels; - on ajoute l'agent chélatant, dans la solution, dans une proportion inférieure à 10% en poids et notamment de 0,3 à 3% en poids; - la solution contient préférentiellement 20 à 40% en poids de H3P04; - la solution peut contenir, en outre moins de 5% d'oxyde de zinc ou d'oxyde de magnésium; - la solution contient, en composition pondurale : - moins de 50% de diphosphate d'aluminium - moins de 30% de silice colloïdale - moins de 2% de silice finement divisée - moins de 5% d'anhydride chromique et/ou un de ses sels. L'invention concerne également une tôle sur laquelle est déposé un revêtement isolant adhérent obtenu par le procédé ci-dessus. La description qui suit, accompagnée d'exemples mettant en évidence les effets de l'agent chélatant, fera bien comprendre l'invention. Le procédé selon l'invention concerne notamment la production de tôles d'acier au silicium, qu'il s'agisse de bobines ou de feuilles, ayant une grande résistance électrique superficielle, tôles destinées par exemple à la fabrication de transformateurs et de machines tournantes électriques. L'obtention d'une grande résistance d'isolement entre les feuilles des circuits magnétiques est recommandée afin de réduire les pertes dues aux courants de Foucault. Cette grande résistance superficielle est en général obtenue par application d'un revêtement isolant sur les tôles magnétiques. En pratique industrielle, un revêtement isolant peut être obtenu par enduction de la tôle par une solution contenant de l'acide phosphorique, et éventuellement de la magnésie ou de l'oxyde de zinc, ou l'un de ses sels de l'acide phosphorique tel que le diphosphate d'aluminium. La cuisson est effectuée à une température supérieure à 200 C en atmosphère neutre ou peu oxydante. Le revêtement ainsi formé doit posséder les caractéristiques suivantes - une résistance électrique élevée mesurée en n.cn ; . cm2 - une grande adhérence pour eviter le décollement lors du découpage,.pliage ou bobinage; - un facteur de foisonnement le plus élevé possible et voisin de 1. On entend par facteur de foisonnement pour un même empilement de tôles, le rapport de la masse réelle à la masse fictive. La masse fictive est calculée à partir du volume de cet empilement placé entre les plateaux d'une presse et ou mis à une pression de 1 N/mm2. le facteur de foisonnement f est calculé selon la formule suivante M : masse du paquet de tôles S : aire de la surface des tôles individuelles h : hauteur de l'empilement de tôles soumis à une pression de I N/mm2 d : masse volumique du matériau Dans un exemple d'application selon le procédé de l'invention, on ajoute, comme agent organique chélatant, l'acide gluconique ou l'un de ses sels, tel que le gluconate de magnésium, à une solution de phosphatation afin d'améliorer, de manière significative, les caractéristiques d'adhérence et de résistance d'isolement du revêtement sans dégradation aucune du coefficient de foisonnement et des propriétés magnétiques de la tôle. La solution dans lequelle est ajouté l'agent chélatant peut être appliquée sur une tôle d'acier magnétique qui contient ou non du silicium et de l'aluminium, quel que soit le procédé de fabrication de cette tôle, que la structure finale du produit soit amorphe, à grains orientés ou non, que le métal soit décapé ou recouvert d'un film d'oxydes généré par un traitement thermique Ainsi et sans que cela puisse limiter la présente invention, la solution peut être appliquée sur une tôle magnétique - après coulée directe d'une bande mince à partir de métal liquide, - avant ou après un recuit final d'optimisation de la microstructure d'une tôle magnétique, - avant ou après un recuit de relaxation de contraintes, - après un recuit de décarburation, - après un recuit de recristallisation secondaire qui provoque la formation de la texture de Goss, d'orien-tation (110) /001/ selon la notation de Miller. Dans ce dernier cas, la solution est appliquée, sur la tôle d'acier au silicium à grains orientés dont la surface est constituée essentiellement de silicate de magnésium formé par réaction de la magnésie, qui empêche le collage des tôles pendant le recuit avec la surface oxydée de la tôle, ou encore sur la tôle d'acier au silicium préalablement décapée par exemple au moyen d'un bain acide. Dans les exemples qui suivent l'adhérence a été appréciée sur un échantillon de dimensions 30 x 305 mm plié à 180' sur un cylindre de 30 mm de diamètre, puis redressé à la main. L'adhérence est alors définie à partir d'une cotation basée sur l'aspect de surface du revêtement A = aucun défaut du revêtement apres pliage et redressage de l'éprouvette B = décollement local du revêtement avec mise à nu du métal sur des zones de petites dimensions (quelques mm) C = nombreux décollements se propageant sur toute la largeur de l'éprouvette visibles sous forme de rayures transversales de 1 mm maximum dans le sens longitudinal. D = décollements de grande largeur caractérisés par la mise à nu transversale de l'éprouvette sur plusieurs mm à plusieurs centimètres dans le sens longitudinal. L'épaisseur de la couche de solution déposée sur la tôle peut être calibrée. La solution pour former le revêtement de la présente invention est appliquée sur la surface de la tôle d'acier magnétique par immersion ou par pulvérisation, l'épaisseur de la solution étant ensuite cali-brée par passage entre deux rouleaux. Elle est également applicable par tout procédé connu. Dans les exemples présentés, la pression du serrage des rouleaux et le débit de la pompe de pulvérisation ont été réglés de façon à obtenir une masse de revêtement, exprimée en terme P205, égale à 3 g par m et par face. EXEMPLE 1 Des échantillons de 0,30 x 30 x 305 mm ont été prélevés côte à côte dans la même bobine d'acier à grains orientés à 3% de silicium après un recuit statique ayant pour objet la recristallisation secondaire et l'élimination des précipités inhibiteurs, notamment caux à base de soufre. Après nettoyage avec une solution d'acide sulfurique dilué pour éliminer l'excès de magnésie utilisée comme séparateur de recuit, les échantillons sont enduits d'une solution appelée R1 contenant (pourcentages en poids) - 5% MgO - 35% H3P04 à 75% (d = 1,57) - 60% H20 et une addition de 5 g/l de gluconate de magnésium, soit 0,4% en poids de R1. Les échantillons sont ensuite portés à 850'C pendant 1 minute en atmosphère neutre ou non oxydante. -Les caractéristiques obtenues sont exprimés dans le Tableau I. TABLEAU I Adhérence Résistance Foisonnement d'isolement #.cm(2 faces) Solution R1 D > 200 > 0,98 Solution R1+5 g/l gluconate de magnésium A > 250 > 0,98 EXEMPLE 2 Les échantillons de 0,30 x 30 x 305 mm pré levés côte à côte dans la même bobine d'acier à grains orientés à 3% de silicium ont subi un décapage dans une solution d'acide chlorhydrique et d'acide fluorhy drique éliminant totalement le film de silicate de magnésium -formé au cours du recuit de recristallisa tion secondaire. Les échantillons décapés ont été enduits avec la solution R1 contenant une addition de 20 g/l d'acide gluconique, soit 1,5% en poids. Les conditions de chauffage sont analogues à celles de l'exemple 1. Les caractéristiques obtenues sont exprimées dans le Tableau II. TABLEAU II Adhérence Résistance Foisonnement d'isolement #.cm2 (2 faces) Solution R1 D > 200 > 0,94 Solution R1 + 20 g/l d'acide gluconique A > 200 > 0,94 EXEMPLE 3 Les conditions expérimentales sont analogues à celles de l'exemple 2, mais en utilisant la solution R2 qui a la composition pondérale suivante - 24 de diphospate d'aluminium Al(H2P04)3 - 16% de silice colloïdale - 0,5% de silice finement divisée - 3% d'anhydrique chromique CrO3, additionnée de 1,5% d'acide gluconique. Le chauffage est analogue à celle des exem ples précédents. Les caractéristiques sont exprimées dans le tableau III. TABLEAU III Adhérence Résistance Facteur de d'isolement foisonnement #.cm(2 faces) Solution R2 C > 70 > 0,96 Solution R2 + 1,5% acide gluconique A > 70 > 0,96 Il est donc mis en évidence que l'addition d'acide gluconique ou de l'un de ses sels tel que le gluconate de magnésium se traduit essentiellement par une amélioration de l'adhérence du revêtement sur le métal, que celui-ci soit nu (état décapé) ou recouvert de la couche de silicate de magnésium formée pendant le recuit de recristallisation secondaire des bobines d'acier au silicium. L'addition de l'agent organique chélatant permet une augmentation du nombre de sites de germination des cristaux du revêtement. Une amélioration notable de la résistance d'isolement a été aussi observée. Cette tendance qui découle de l'exploitation statistique d'un grande nombre de mesures n'est pas mise en évidence par la lecture des tableaux précédents. Dans un exemple, dans les conditions expérimentales de l'exemple 1, les résultats sur l'amélioration de la résistance d'isolement ont été obtenus et sont donnés dans le tableau IV suivant TABLEAU IV Adhérence Résistance d'isolement #.cm (2 faces) Solution R1 B 25 Solution R1 + 0,4% de gluconate de magnésium B > 120 Il a été remarqué que la qualité de l'adhérence du revêtement réalisée avec la solution R1 est obtenue au détriment de la résistance d'isolement. Cependant les améliorations de l'adhérence et de la résistance d'isolement ne se font pas aux dépens d'une diminution du coefficient du foisonnement, qui n'est pas modifié par l'addition de l'acide gluconique ou de l'un de ses sels. L'addition d'une quantité trop grande d'acide gluconique ou de l'un de ses sels, supérieure à. 10% en poids peut entraîner une inflammation de la surface de la tôle en cours de cuisson. L'addition bénéfique de l'acide gluconique ou de l'un de ses sels est efficace pour les aciers contenant ou ne contenant pas de silicium, qu'ils soient à grains orientés de texture (110) /001/ ou (100) /001/ ou non orientés, et pour une solution composée de diphosphate d'aluminium ou d'acide phospho rique, l'addition facultative d'oxyde de magnésium pouvant être remplacée par une addition facultative d'oxyde de zinc. La tôle d'acier au silicium n'est pas sujette au vieillisement car on constate que les produits de décomposition de l'agent chélatant sont totalement éliminés, lors du traitement thermique de cuisson. Le revêtement isolant particulièrement adhérent, selon l'invention, a aussi un effet non négligeable sur l'amélioration des caractéristiques de magnétostriction et des pertes magnétiques d'une tôLe d'acier par exemple au silicium à grains orientés (I 10) /001/. Le revêtement selon l'invention a un coefficient de dilatation thermique très faible de sorte que la contrainte exercée par ledit revêtement sur la tôle d'acier est élevée, ce qui se traduit par une réduction des pertes. Dans la fabrication des tôles d'acier magnétique, il est économique d'effectuer, en continu, l'étape consistant à former un revêtement superficiel isolant. L'application de la solution, objet de la présente invention, peut avoir lieu avant un traitement thermique final d'optimisation de la microstructure de la tôle magnétique, la cuisson du revêtement et le traitement thermique étant effectués simultanément en continu. La solution peut aussi être appliquée avant un traitement en continu de planage à chaud, la cuisson du revêtement et le traitement thermique de planage de la tôle étant effectués simultanément en continu. Ainsi, dans le cas de la fabrication des tôles d'acier à grains d'orientation (110) /001/, l'application de la solution, objet de la présente invention, peut avoir lieu avant le recuit de planage à chaud qui a pour but l'élimination du cintrage de la tôle induit par le recuit en bobines à haute température. Bien que les exemples soient donnés en utilisant de l'acide gluconique et du gluconate de magnésium, l'acide glucoheptonique, les acides polycarboxyliques et leurs sels ont le même effet chélatant dans les solutions phosphoriques. REVENDICATIONS 1. Procédé pour former un revêtement isolant adhérent sur une tôle d'acier, notamment une tôle d'acier magnétique, procédé dans lequel on applique sur ladite tôle une couche uniforme d'une solution comprenant de l'acide phosphorique et/ou un sel dudit acide, et on chauffe cette couche de solution pour obtenir un revêtement sec isolant, caractérisè en ce que ladite solution contient un agent organique chélatant, et que le chauffage est effectué à une température supérieure à 200'C sous atmosphère neutre ou peu oxydante pour obtenir le revêtement isolant et éliminer, en outre1 les produits de décomposition de l'agent chélatant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique la solution contenant l'agent chélatant sur la tôle préalablement recouverte d'un composé de séparation nécessaire à son traitement métallurgique en bobine. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu on applique la solution contenant l'agent chélatant sur la tôle préalablement décapée. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que Agent chélatant est un acide polycarboxylique ou un de ses sels. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'acide polycarbopxylique est choisi parmi les acides citrique, oxalique, tartrique, malique, glutamique, aspartique et malonique. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent chélatant est choisi parmi les acides gluconique et glucoheptonique ou un de leurs sels. 7. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on ajoute l'agent chélatant, dans le bain, dans une proportion inférieure à 10% en poids. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'agent chélatant est dans une proportion de 0,3 à 3% poids. 9. Procédé selon l'une des revendications I à 8, caractérisé en ce que la solution contient 20 a 40% en poids de H3P04. 10. Procédé selon la revendication 9, caracterisé en ce que la solution comprend moins de 5 en poids de ZnO. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la solution comprend moins de 5% en poids de MgO. 12. Procédé selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la solution contient, en composition pondérale - moins de 50% de diphosphate d'aluminium - moins de 30% de silice colloïdale - moins de 2% de silice finement divisée - moins de 5% d'anhydride chromique et ou un de ses sels. 13. Tôle sur laquelle est déposée un revêtement isolant adhérent, caractérisée en ce que le revêtement est obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.