Brevet FR2704239A1 — publié le 19941028

La présente invention concerne un procédé d'enrichissement en un élément d'alliage d'une tôle en acier magnetique. On connaît deux grands familles de tôles en acier magnétique utilises pour la realisation des circuits magnétiques des équipements électriques : les tôles à grains orientés et les tôles à grains non orientés. Les tôles à grains orientés servent presque exclusivement à la construction des transformateurs. C'est la texture de Goss, C110) en notations cristallographiques, qui leur confère des propriétés magnétiques optimales quand les lignes d'induction sont parallèles à la direction de laminage des tôles, qui est sensiblement parallèle à la direction de facile aimantation Les tôles à grains non orientés sont surtout utilisées pour la construction des machines tournantes (alternateurs, moteurs, générateurs. . . La résistivité électrique est une des principales caractéristiques des tôles en acier magnétique. En effet, l'accroissement de la résistivité électrique par addition d'un élément d'alliage tel que le silicium, l'aluminium ou le manganèse en solution solide dans le fer a pour conséquence une diminution des pertes d'énergie volumique. Les tôles préalablement laminées à chaud sont difficiles à laminer à froid lorsque la teneur en élé- ments d'alliage est trop élevée. En particulier, l'addition de silicium au fer est limitée en pratique à environ 3,4% en masse en raison des difficultés de laminage à froid des aciers à teneur élevée en silicium. Afin de remédier à cet inconvénient, on a proposé un procédé d'enrichissement en un élément d'alliage d'une tôle en acier magnétique, dans lequel on dépose sur au moins une face de la tôle un revêtement comprenant l'élément d'alliage et on effectue un recuit de la tôle revêtue pour faire diffuser l'élément d alliage dans la tôle. Selon ce procédé, il est connu d'obtenir une tôle à grains orientés de teneur en silicium égale à 6,5 en masse en déposant un revêtement de silicium en phase vapeur sur une tôle à grains orientés contenant environ 3% de silicium puis en faisant diffuser le silicium dans l'épaisseur de la tôle par traitement thermique de la tôle revêtue. La tôle ainsi obtenue présente cependant une grande fragilité qui rend difficile sa mise en oeuvre. Par ailleurs, le- dépôts d'un élément d'alliage en phase vapeur sont généralement coûteux à réaliser et difficiles à mettre en oeuvre. Il est connu également de revêtir une tôle d'une couche d'aluminium en enroulant cette tôle et une bande d'aluminium l'une contre l'autre, et de faire diffuser l'aluminium dans la tôle revêtue en faisant subir à l'enroulement obtenu un traitement thermique adapté. Ce procédé a pour inconvénient de ne pas assurer une bonne maîtrise de l'élément diffusant par suite d'une adhésion médiocre et de ne pas permettre de réaliser en continu le dépôt et le traitement de diffusion de l'aluminium. Le dépôt d'un élément d'alliage sur une tôle en vue de faire diffuser cet élément dans la tôle peut être également réalise par trempage de la tôle dans un bain contenant l'élément d'alliage. Cependant, un tel procédé de trempage ne permet pas de contrôler précisément l'épaisseur de la couche d'elément d'alliage déposée sur la tôle, et entraîne la formation de composés intermetalliques qui sont un frein à la diffusion de l'élément d'alliage. L'invention a pour but de déposer un élément d'alliage sur une tôle en acier magnétique en contrôlant facilement la qualité et la quantité du revêtement, en vue de faire diffuser l'elément d'alliage dans la tôle, ceci avec des moyens faciles à mettre en oeuvre et permettant de traiter la tôle en continu. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'enrichissement en un élément d'alliage d'une tôle en acier magnétique, du type précité, caractérisé en ce que l'élément d'alliage est déposé au moyen d'au moins une torche à plasma produisant un jet de particules ionises comprenant l'élément d'alliage. Suivant d'autres caractéristiques do ce procédé: - la torche à plasma est du type à arc stabilisé par un liquide plasmagène - le liquide comprend un composant choisi parmi l'eau, les picolines, les toluidines, les alcools - la torche à plasma est du type à arc transféré, ou semi transféré et l'on règle le potentiel de la tôle en fonction d'une quantité prédéterminée d'élément d'alliage que l'on veut déposer sur la tôle et d'une température prédéterminée de la tôle - la quantité prédéterminée d'élément d'alliage à deposer sur la tôle est telle qu'après diffusion de cet élément dans la tôle, la teneur moyenne en l'élément d'alliage dans la tôle soit comprise entre 1 et 10% en masse - l'élément d'alliage contenu dans le plasma est introduit sous forme de poudre dans la torche, ou bien, l'élément d'alliage contenu dans le plasma provient de l'anode de la torche dont la composition comprend cet élément d'alliage - on effectue les étapes de dépôt et de diffusion de l'élément d'alliage en continu - on effectue le dépôt de l'élément d'alliage après une étape de recuit de recristallisation secondaire totale ou partielle de la tôle - la diffusion de l'élément d'alliage est effectuée au cours d'une étape de recuit d'épuration de la tôle ultérieure à l'étape de recuit de recristallisation secondaire, à une température supérieure à celle du recuit de recristallisation secondaire - l'élément d'alliage est choisi parmi l'aluminium, le silicium, le manganèse ou le germanium - la tôle est du type à grains orientés comprenant plus de 2% de silicium en masse ou bien la tôle est du type à grains non orientés comprenant plus de 0,01% de silicium en masse. Des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention seront decrits ci-dessous en se référant à la figure unique annexée qui est une vue schématique d'une torche à plasma pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure unique, on a représenté une torche à plasma 10 destinée à déposer un revêtement à base d'aluminium sur une tôle 12 en acier magnétique à grains orientés en vue d'enrichir cette tôle 12 par diffusion de l'aluminium du revêtement à l'intérieur de la tôle. De façon classique, la tôle 12 a subi, préalablement au dépôt du revêtement à base d'aluminium, au moins un laminage à froid avec un recuit sous atmosphère d'hydrogène, un recuit de décarburation, de manière que les grains de la tôle soient à l'état de recristallisation primaire, et un recuit de cristallisation secondaire partielle ou totale. La torche à plasma 10 est de type connu à arc stabilisé par un liquide plasmagène pouvant être par exemple de l'eau. Classiquement, les plasmas sont constitués par un mélange d'espèces physico-chimiques instables et complexes, crée artificiellement à partir de molécules excitées, dissociées et ionisées sous l'effet d'un arc électrique. La torche 10 comporte, de façon connue en soi, deux électrodes 14,16 entre lesquelles est créé un arc électrique destiné à former le plasma. L'eau est introduite dans la torche 10 par des moyens connus et se dissocie au contact avec l'arc électrique créé entre les électrodes 14,16. L'aluminium est introduit sous forme de poudre, par des moyens connus, dans la torche 10 de manière à se combiner avec l'eau dissociée pour former un jet de plasma 18. Les particules chargées dans le plasma se recombinent en libérant une énergie thermique importante provoquant une température élevée du jet 18. En variante, l'aluminium contenu dans le jet de plasma 18 provient de l'anode 16 de la torche 10 ellemême fabriquée en aluminium. A la pointe du jet de plasma, toutes les particules sont recombinées et projetées sur la tôle 12 pour former un revêtement à base d'aluminium. La torche 10 est du type à arc transféré ou semitransfére, c' est-à-dire que la tôle 12 forme une anode de manière que la pointe du jet 18 soit en contact avec la tôle 12. On comprend donc que le contact du jet 18 avec la tôle 12 permet de transférer de la chaleur provenant du jet 18 de température élevée vers la tôle 12. L'eau utilisée pour former le jet de plasma 18 permet de contrôler les transferts thermiques. Par ailleurs, l'eau permet de projeter les particules contenues dans le plasma à des débits relativement élevés. En variante, l'eau destinée à former le plasma peut être remplacée par d'autres liquides, par exemple des alcools, des picolines, ou des toluidines. On décrira ci-dessous deux exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans lesquels on a effectué les étapes de dépôt et de diffusion d'aluminium dans la tôle 12 de préférence en continu. Ces étapes ont été réalises après le recuit de recristallisation secondaire d'une tôle magnétique à grains orientés et avant une étape de dépôt d'un revêtement d'isolation électrique de la tôle. Le dépôt d'aluminium a été réalisé en projetant le jet d'au moins une torche à plasma 10 sur chacune des faces de la tôle 12. Exemple 1. Sur une tôle d'acier 12 à grains orientés d'épaisseur finale 0,10 mm et contenant 3,1% de silicium, un dépôt d'aluminium d'épaisseur 2 microns a été déposé sur chaque face de la tôle. Un recuit de la tôle 12 a été réalisé sous atmosphère d'hydrogène pour faire diffuser l'aluminium jusqu'au coeur de la tôle. Les pertes volumiques mesurées sans dépôt d'aluminium (référence) et avec dépôt d'aluminium par plasma à eau et traitement thermique de diffusion sont présentées dans le tableau 1. Pertes volumiques (mW/cm3) 1T 1,5 T 50 Hz 400 Hz 50 Hz 400 Hz Tôle Fe-Si de référence 4,00 52,78 8,27 103,3 Tôle Fe-Si selon l'invention 2,46 32,76 7,01 81,11 Gain (*) 38,5 37,9 15,2 21,4 Tableau 1 Pour une induction de 1 T (Tesla), les pertes volumiques sont réduites d'environ 38% aux fréquences de 50Hz et 400 Hz, et respectivement 15 et 21% pour une induction de 1,5 T. Exemple 2. Sur une tôle d'acier 12 à grains orientés d'é- paisseur finale 0,23 mm et contenant 3,1% de silicium, un dépôt d'aluminium d'épaisseur 5 microns a été déposé sur chaque face de la tôle. La tôle 12 a ensuite subi un recuit de diffusion de l'aluminium de 5 h à 1O000C sous atmosphère d'hydrogène. Les pertes volumiques mesurées sans et avec enrichissement en aluminium sont présentées dans le tableau 2. Pertes volumiques (mW/cm3) 1T - 50 Hz 1,5 T - 50 Hz II Fe-Si de 2.97 L 6.34 Tôle référence Tole Fe-Si selon I'invention 2.37 5.32 Gain (*) 20,2 16,0 Tableau 2 A 50 Hz, les pertes sont réduites d'environ 20% à 1 T et 16% à 1,5 T. Le dépôt d'aluminium peut aussi être effectué après recristallisation secondaire partielle ou totale à basse température, la diffusion de l'aluminium au sein de la tôle ayant lieu au cours d'un recuit ultérieur d'élimination des impuretés à plus haute température que celle de la recristallisation secondaire. En réglant le potentiel de la tôle 12, on régle le débit et les dimensions du jet 18 en fonction d'une quantité prédéterminée d'aluminium que l'on veut déposer sur la tôle 12, lorsque celle-ci défile devant la torche 10, ainsi que d'une température prédéterminée de la tôle 12 que l'on veut imposer, de manière à réaliser le dépôt d'aluminium dans des conditions optimales de température de la tôle. La tôle ne doit pas atteindre une température au dessus de laquelle il se forme des composés intermétalliques freinant la diffusion. De préférence, la quantité prédéterminée d'aluminium à déposer sur la tôle 12 est telle qu'après diffu sion de l'aluminium dans la tôle, la teneur moyenne de l'aluminium dans celle-ci soit comprise entre 1 et 10% en masse. Le recuit de diffusion de l'aluminium en continu peut être réalisé par passage dans un four, mais aussi par chauffage par induction ou encore en associant un four et un équipement de chauffage par induction. Il est possible d'obtenir, suivant les applications visées, un gradient de concentration optimal de l'aluminium en fonction des paramètres opératoires temps-température du recuit en continu. Le dépôt d'aluminium par torche à plasma suivi d'un recuit de diffusion de l'aluminium dans la tôle peut aussi être effectué sur des tôles en acier magnétique à grains orientés comprenant de préférence plus de 2% de silicium en masse, ou encore sur des tôles en acier magnétique à grains non orientés comprenant de préférence plus de 0,01% de silicium en masse. L'augmentation de la résistivité de l'acier à grains non orientés par enrichissement en aluminium aura le même effet bénéfique que celui décrit dans le cas des aciers à grains orientés. Le dépôt d'aluminium par torche plasma, suivi d'un recuit de diffusion de l'aluminium dans la tôle peut être effectué sur des tôles comportant des grains orientés de type C110) ; C100) et t100i . Par ailleurs, l'aluminium peut être remplacé par un élément d'alliage habituellement utilisé pour la fabrication des tôles en acier magnétique, par exemple le silicium, le manganèse ou le germanium. L'élément d'alliage est alors introduit dans le jet à plasma de façon analogue à l'aluminium comme on l'a décrit plus haut. En outre, on peut utiliser, pour effectuer le dépôt d'un élément d'alliage, une torche à plasma autre que celle décrite précédemment, par exemple une torche à plasma à arc non transféré (ou arc soufflé) dans laquelle le plasma est produit par passage d'un gaz (argon, azote, hélium...) ou d'un liquide (eau, picoline, toluidine,...) dans l'arc électrique créé entre les deux électrodes de la torche. Le dépôt d'un élément d'alliage effectué dans le procédé selon l'invention peut, en fonction de la teneur moyenne en élément d'alliage souhaité pour la tôle et des conditions de traitement thermique de diffusion retenues être réalisé sur une seule ou les deux faces de la tôle. La tôle sur laquelle est effectué le dépôt d'aluminium par torche à plasma et le traitement de diffusion de l'aluminium est, soit une tôle laminée à chaud, soit une bande obtenue par un procédé de solidification rapide, par exemple par coulée en continu de métal liquide entre rouleaux, de composition chimique adéquate et ayant subi un traitement aval comprenant un ou des laminages à froid et un ou des traitements thermiques avant ou(et) après laminage à froid partiel ou complet permettant d'obtenir la microstruture et la texture désirée avant dépôt. Le dépôt d'aluminium par torche plasma et le traitement de diffusion de l'aluminium peuvent être réalisés avant ou au cours de ce traitement aval dans la mesure où ils ne perturbent pas la formation de la microstructure et de la texture désirées. L'invention comporte de nombreux avantages. Le dépôt par torche à plasma effectué dans le procédé selon l'invention permet de mieux maîtriser la quantité d'élément d'alliage diffusant déposé sur une tôle et par conséquent de mieux maîtriser l'augmentation de la résistivité de cette tôle, par rapport aux procédés classiques. Par ailleurs, le procédé selon l'invention permet de substituer l'étape classique de recuit statique de diffusion effectuée sur des bobines formées par enroule ment d'une tôle et d'une bande d'élément d'alliage en contact avec cette tôle, par une étape de recuit de diffusion au défilé de la tôle beaucoup plus économique. En outre, le dépôt d'un élément d'alliage par torche à plasma sur une tôle se fait en générant des liaisons chimiques entre le revêtement à base d'élément d'alliage et la tôle ce qui augmente la qualité de ce revêtement et favorise la diffusion de l'élément d'alliage dans la tôle. REVENDICATIONS 1. Procédé d'enrichissement en un élément d'alliage d'une tôle en acier magnétique, dans lequel on dépose sur au moins une face de la tôle (12) un revêtement comprenant l'élément d'alliage et on effectue un recuit de la tôle (12) revêtue pour faire diffuser l'élément d'alliage dans la tôle, caractérisé en ce que l'élément d'alliage est déposé au moyen d'au moins une torche (10) à plasma produisant un jet (18) de particules ionisées comprenant l'élément d'alliage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la torche à plasma (10) est du type à arc stabilisé par un liquide plasmagène. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide comprend un composant choisi parmi l'eau, les picolines, les toluidines, les alcools. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la torche à plasma (10) est du type à arc transféré ou semi-transféré, et en ce que l'on règle le potentiel de la tôle (12) en fonction d'une quantité prédéterminée d'élément d'alliage que l'on veut déposer sur la tôle (12) et d'une température prédéterminée de la tôle (12). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la quantité prédéterminée d'élément d'alliage à déposer sur la tôle (12) est telle qu'après diffusion de cet élément dans la tôle, la teneur moyenne en l'élément d'alliage dans la tôle soit comprise entre 1 et 10% en masse. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément d'alliage contenu dans le plasma est introduit sous forme de poudre dans la torche (10). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément d'alliage contenu dans le plasma provient de l'anode (16) de la torche (10) dont la composition comprend cet élément d'alliage. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on effectue les étapes de dépôt et de diffusion de l'élément d'alliage en continu. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on effectue le dépôt de l'élément d'alliage après une étape de recuit de recristallisation secondaire totale ou partielle de la tôle (12). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la diffusion de l'élément d'alliage est effectuée au cours d'une étape de recuit d'épuration de la tôle ultérieure à l'étape de recuit de recristallisation secondaire, à une température supérieure à celle du recuit de recristallisation secondaire. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 10, caractérisé en ce que l'élément d'alliage est choisi parmi l'aluminium, le silicium, le manganèse ou le germanium. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la tôle (12) est du type à grains orientés comprenant plus de 2% de silicium en masse. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la tôle (12) est du type à grains non orientés comprenant plus de 0,01% de silicium en masse.