Procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium destinés à la confection de bobinages électriques

Description

[0001] La présente invention se rapporte à un procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium bruts de tréfilage destinés à la confection de bobinages électriques.

[0002] L'aluminium est comme le cuivre un bon conducteur de l'électricité mais, ayant une masse spécifique plus faible, il a l'avantage de procurer une économie appréciable dans la construction d'appareils électriques notamment quand ils sont destinés à l'industrie des transports où ils permettent un allègement important.
C'est pourquoi sa substitution au cuivre a commencé à prendre une certaine extension notamment dans les fils et câbles isolés.

[0003] Toutefois, en ce qui concerne son application aux fils émaillés, il n'a pas pour l'instant connu de développements sensibles.
Dans la filerie isolée, le fil est le plus souvent recouvert simplement d'une enveloppe en matière plastique capable d'assurer son isolation. Cette enveloppe est obtenue par extrusion et entoure le substrat métallique sans y adhérer ce qui permet de l'enlever facilement lorsqu'on veut par exemple denuder les extrémités du fil pour le raccorder.
Par contre, dans le fil émaillé, l'émail ou vernis doit assurer l'isolation sous forme d'un film d'épaisseur beaucoup plus faible que dans le cas précédent afin de réduire l'encombrement des bobines au maximum et doit adhérer fortement à l'âme métallique afin de pouvoir se prêter aux déforma­tions consécutives, par exemple, à l'enroulement et ce sans risque d'écail­lage.

[0004] Or, si ce problème d'émaillage a été relativement bien résolu en ce qui concerne le cuivre, il n'en est pas de même avec l'aluminium. En effet, ce métal est généralement recouvert d'une mince couche d'oxyde naturel, laquelle est imprégnée de lubrifiants lorsque le fil est brut de tréfilage et ces impuretés nuisent à l'adhérence des vernis.

[0005] La demanderesse, consciente de ce fait et ayant pour but d'élargir le domaine d'application de l'aluminium, a cherché un moyen de supprimer cet inconvénient.

[0006] Pour cela, elle s'est inspirée de ses travaux passés et notamment du procédé d'anodisation qu'elle a décrit dans l'USP 4196060. En effet, elle a constaté avec surprise qu'un tel procédé avait non seulement pour fonction de dévelop­per à la surface du fil d'aluminium une couche d'oxyde ayant une résistance de contact faible et stable dans le temps, mais possédait également la propriété de conférer une forte adhérence aux films d'émail ou de vernis à usage électrique.

[0007] D'où la présente invention consistant en un procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium destinés à la confection de bobinages électriques, caractérisé en ce qu'on les fait passer au défilé successive­ment dans une cuve d'anodisation sous courant alternatif renfermant une solution aqueuse contenant de l'acide phosphorique en quantité suffisante pour maintenir la conductance de ladite solution entre 0,02 et 0,1 siemens à une température comprise entre 50 et 80°C et 0,5 à 30 g/l d'un agent tensioactif exerçant une action détergente et émulsionnante sans formation de mousse et ce pendant moins de 15 secondes, puis dans une installation d'émaillage.

[0008] Ainsi, les caractéristiques essentielles du procédé sont :
- d'une part une anodisation dans un bain d'acide phosphorique de conduc­tance relativement constante afin de former une couche d'oxyde qui convient à l'adhérence des émaux. Cette constance est obtenue en mesurant en permanence la conductance et en rajoutant de l'acide si besoin est,
- d'autre part, l'utilisation d'un agent tensioactif exerçant une action détergente et émulsionnante.

[0009] Cet agent peut être choisi parmi des mélanges acides contenant des produits tensioactifs et des produits détergents. Les produits tensioactifs utili­sables peuvent être ou non ioniques, anioniques et/ou amphotériques; parmi eux on peut citer des dérivés organiques polyfluorés comportant une chaîne perfluorée linéaire ou ramifiée ayant de 4 à 20 atomes de carbone, des alcools gras polyéthoxylés, des phénols substitués, des alkylsulfonates, dont la chaîne alkyle contient par exemple 8 ou 9 atomes de carbone. A titre de produits détergents, on peut employer des glycols, des polyéthy­lèneglycols. L'agent utilisé doit abaisser fortement la tension superficiel­le du milieu où il est introduit sans provoquer la formation de mousse et assurer la mise en suspension des résidus de lubrification qui recouvrent les fils traités. Il est préférable, par exemple, que l'agent abaisse la tension superficielle d'une solution aqueuse d'acide phosphorique à 100 g/l de H₃PO₄ à 70°C à une valeur voisine de 30 10⁻⁷ N.m lorsqu'il est ajouté à raison de 30 g/l.

[0010] Les produits tensioactifs contenus dans l'agent peuvent y être en très faible quantité par exemple moins de 3% en poids pour les dérivés fluorés cités ci-dessus, de l'ordre de 5 à 10% en poids pour les alcools gras étho­xylés et de l'ordre de quelques % en poids pour les alkysulfonates ou les phénols substitués. Les polyéthylèneglycols ou les glycols peuvent être présents à raison de quelques %, par exemple 2 à 5 %. La quantité d'agent utilisée est généralement comprise entre 0,5 et 30 g/l avec un optimum déter­miné en fonction de sa composition.

[0011] Si la nature et la concentration du constituant de base de l'électrolyte d'anodisation et la présence de l'agent sont des moyens nécessaires à l'invention, les autres conditions d'anodisation ne sont pas critiques pour autant qu'elles permettent un traitement rapide et en tout cas de durée inférieure à 5 secondes. Par exemple la tension dépend, comme usuelle­ment, des caractéristiques du bain, de la forme de l'appareillage, de la vitesse de passage et de la densité de courant qui est le paramètre électrique le plus important du procédé.

[0012] La densité de courant, comprise entre 2 et 20 A/dm², de préférence entre 6 et 12 A/dm² pour un bain sans circulation forcée, peut être fortement augmentée si l'on assure une circulation forcée du bain. La tension est généralement comprise entre 4 et 45 volts. De même, la température n'est pas critique; elle est déterminée principalement par la nature des matériaux utilisés pour l'appareillage et par les caractéristiques de l'agent tensio­actif utilisé. Les électrodes immergées sont constituées, de préférence, en une matière inerte vis à vis du bain, par exemple en graphite.

[0013] Le temps de traitement est, comme il a été dit, très court, généralement compris entre 3 et 10 secondes. Cela permet de traiter le fil en continu en le faisant défiler dans le bain, par exemple selon une technique connue dite "à prise de courant liquide" à des vitesses aussi élevées que 100 mètres par minute pour une cuve de 5 mètres de long.

[0014] Le procédé selon l'invention peut être appliqué directement à un fil sortant de tréfilage dont la surface est recouverte d'un film plus ou moins continu du lubrifiant utilisé et d'autres impuretés.

[0015] Ce procédé s'insère parfaitement dans une ligne d'émaillage construite pour le cuivre car il suffit d'intercaler une cuve d'anodisation entre les dérouleurs de fils bruts de tréfilage et les fours destinés à recuire les fils pour leur donner les caractéristiques mécaniques convenables.
De telles lignes d'émaillage conçues pour le passage simultané de plusieurs fils ont été décrites par exemple dans le brevet français n° 1403541.

[0016] Les vernis ou émaux mis en oeuvre peuvent être de tout type généralement utilisé pour le cuivre et en particulier appartiennent aux familles de produits constitués par les polyuréthannes,les polyesters, les polyesterimi­des, les polyvinyles, les polyamides, le formvar.
Ces vernis sont généralement déposés sous forme de films d'épaisseur infé­rieure à 50 µm par couches successives.
Le raccordement de tels fils se fait aisément par dissolution locale du vernis dans un solvant adéquat. On met ainsi à nu le métal traité anodique­ment qui garde les propriétés de résistance de contact faible et stable dans le temps qu il avait initialement.

[0017] Les fils d'aluminium émaillés selon l'invention présentent des caractéristi­ques d'isolement remarquables grâce à une parfaite adhérence des émaux sur le métal.

[0018] L'application de tests sévères tels que l'enroulement du fil sur son propre diamètre ou l'essai de traction jusqu'à rupture n'ont pas révélé de craque­lures, de décollements ou d'écaillages des émaux.
De plus, l'exceptionnelle adhérence des vernis d'émaillage sur la surface du fil entraîne une meilleure inertie chimique du revêtement aux solvants liquides et huiles dans lesquelles sont généralement immergés les bobinages de moteurs électriques et les transformateurs.

[0019] L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application sui­vants:

1. Un fil en alliage d'aluminium 1370-50 suivant la norme de l'Aluminium Association de diamètre 1,7 mm a été émaillé à l'aide d'un vernis polyesteri­mide, classe H, grade 2
. sans préparation de surface, ce fil émaillé enroulé sur son propre diamètre présente de nombreux écaillages
. après traitement aucune craquelure n'est observée sur le fil au cours du même test.

2. Un fil en 1370-50 de diamètre 1,7 mm a été émaillé à l'aide d'un vernis Formvar classe E, grade 2 :
. sans préparation de surface, ce fil émaillé enroulé sur son propre diamètre après allongement à la rupture présente un décollement total du vernis,
. après traitement selon l'invention, ce fil émaillé dans les mêmes conditions ne présente aucune craquelure.

3. Des fils en 1370-50 (⌀ 0,5 à 5 mm) et en 1340-50 (⌀ 0,1-0,5 mm) ont été émaillés sur une installation industrielle comportant une cuve de 2,5 m de longueur dans laquelle ils défilaient à la vitesse de 12 m/min pour les fils de diamètre 3 mm jusqu'à 40 m/min pour les fils de 1 mm. Après traitement, ces fils étaient rincés et passaient dans un four de séchage puis dans une machine d'émaillage traditionnelle multipasse où ils recevaient différentes couches de vernis, isolant électrique du type Formvar ou polyester imide, polymérisé à chaque passe.
Les fils d'aluminium émaillé ainsi obtenus ont subi avec succès les essais normalisés prévus pour les fils de cuivre émaillé tels que : traction brusque, enroulement sur mandrin, claquage sous tension, thermo­plasticité, choc thermique.
Plus particulièrement, en ce qui concerne l'essai de torsion qui consiste à dénuder le fil émaillé suivant deux génératrices d'une longueur de 50 cm puis à le tordre le long de son axe de symétrie, on constate
- sur un fil non traité, un décollement de l'émail après environ 50 tours,
- sur un fil traité selon l'invention il n'y a aucun décollement après plus de 100 tours, alors que cette valeur entraînait généralement la rupture du film.

[0020] Ces performances sont comparables à celles du fil de cuivre émaillé et permettent aux émailleurs d'envisager, sans investissements importants, le remplacement du fil de cuivre par du fil d'aluminium dans le domaine des moteurs électriques, des transformateurs et autres bobinages électri­ques, application qui répond parfaitement aux préoccupations actuelles d'économie d'énergie.

Revendications

1. Procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium destinés à la confection de bobinages électriques caractérisé en ce qu'on les fait passer au défilé successivement dans une cuve d'anodisation sous courant alternatif renfermant une solution aqueuse contenant de l'acide phosphorique en quantité suffisante pour maintenir la conductance de ladite solution entre 0,02 et 0,1 siemens à une température comprise entre 50 et 80°C et 0,5 à 30 g d'un agent tensioactif exerçant une action détergente et émulsionnante sans formation de mousse et ce pendant moins de 15 secondes puis dans une installation d'émaillage.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le courant d'anodi­sation est amené aux fils par une prise de courant liquide.

3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la densité du courant d'anodisation est comprise entre 2 et 20 A/dm².

4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'agent tensio­actif est formé d'au moins un produit appartenant au groupe constitué par les glycols et les polyethylèneglycols et au moins un produit apparte­nant au groupe constitué par les dérivés organiques polyfluorés, les alcools gras polyethoxylés, les phénols substitués, les alkylsufonates.

5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'émail appartient au groupe constitué par les polyuréthannes,les polyesters, les polyesteri­mides, les polyvinyles, les polyimides, le formvar.

6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'émail a une épaisseur inférieure à 50 µm.