DE68907290T2 - Process for the continuous enamelling of wires made of an aluminum alloy, intended for the production of turns. - Google Patents
Process for the continuous enamelling of wires made of an aluminum alloy, intended for the production of turns.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Lacküberziehen von Drahtziehrohdrähten aus Aluminiumlegierung, die zur Herstellung von elektrischen Wicklungen bestimmt sind.The present invention relates to a process for the continuous lacquer coating of wire drawing raw wires made of aluminum alloy intended for the production of electrical windings.
Aluminium ist wie Kupfer ein guter Leiter der Elektrizität, hat jedoch, da es eine geringere spezifische Masse aufweist, den Vorteil, eine merkliche Ersparnis beim Aufbau elektrischer Geräte zu liefern, insbesondere wenn sie für die Industrie der Transporte bestimmt sind, wo sie eine erhebliche Gewichtsverringerung ermöglichen.Like copper, aluminium is a good conductor of electricity, but, because it has a lower specific mass, it has the advantage of providing significant savings in the construction of electrical equipment, especially when it is intended for the transport industry, where it allows a significant reduction in weight.
Daher hat sein Ersatz für Kupfer begonnen, einen gewissen Umfang besonders bei den isolierten Drähten und Kabeln anzunehmen.Therefore, its replacement for copper has begun to assume a certain extent, especially in insulated wires and cables.
Indessen hat es, was seine Verwendung für lacküberzogene Drähte betrifft, derzeit keine merklichen Entwicklungen erfahren.However, as far as its use for enamelled wires is concerned, it has not yet undergone any significant developments.
Bei der Isolierdrahtfertigung wird der Draht meistens einfach mit einer Hülle aus Kunststoffmaterial bedeckt, die seine Isolation zu sichern vermag. Diese Hülle wird durch Extrusion erhalten und umgibt das metallische Substrat, ohne daran zu haften, was es möglich macht, sie leicht zu entfernen, wenn man beispielsweise die Enden des Drahtes entblößen will, um ihn anzuschließen.Insulated wire manufacturing usually involves simply covering the wire with a sheath of plastic material that ensures its insulation. This sheath is obtained by extrusion and surrounds the metal substrate without adhering to it, which makes it easy to remove it if, for example, you want to expose the ends of the wire in order to connect it.
Dagegen muß beim lacküberzogenen Draht das Email oder der Lack die Isolation in Form eines Films viel geringerer Dicke als im vorhergehenden Fall sichern, um den Raumbedarf der Spulen maximal zu verringern, und muß stark an der Metallseele haften, um für nachfolgende Verformungen, z.B. zum Aufwickeln, geeignet zu sein, und dies ohne Abblätterungsgefahr.On the other hand, in the case of enamelled wire, the enamel or varnish must provide insulation in the form of a film of much less thickness than in the previous case in order to reduce the space required by the coils as much as possible and must adhere strongly to the metal core in order to be suitable for subsequent deformations, e.g. winding, without risk of flaking.
Wenn auch dieses Lacküberzugsproblem verhältnismäßig gut gelöst wurde, was das Kupfer betrifft, ist es mit Aluminium nicht der Fall. Tatsächlich ist dieses Metall allgemein von einer dünnen natürlichen Oxidschicht bedeckt, die von Schmiermitteln imprägniert wird, wenn der Draht roh gezogen ist, und diese Verunreinigungen schaden der Haftung der Lacke.Although this varnish coating problem has been relatively well solved as far as copper is concerned, it is not the case with aluminium. In fact, this metal is generally covered by a thin natural oxide layer, impregnated by lubricants when the wire is drawn raw, and these impurities impair the adhesion of the varnish.
Die Anmelderin hat, dieser Tatsache bewußt und mit dem Ziel, das Verwendungsgebiet des Aluminiums zu erweitern, nach einem Mittel zur Überwindung dieses Nachteils gesucht.The applicant, aware of this fact and with the aim of expanding the field of use of aluminium, has sought a means of overcoming this disadvantage.
Hierzu hat sie auf ihre vergangenen Arbeiten und insbesondere auf das Anodisierungsverfahren zurückgegriffen, das sie im US-Patent 4 196 060, entsprechend der FR-A-2 298 619, beschrieben hat. Sie hat nämlich mit Überraschung festgestellt, daß ein solches Verfahren nicht nur zur Wirkung hatte, an der Oberfläche des Aluminiumdrahts eine Oxidschicht mit einem geringen und im Zeitverlauf stabilen Kontaktwiderstand zu entwickeln, sondern auch die Eigenschaft besaß, den Email- oder Lackfilmen eine starke Haftung zur elektrischen Verwendung zu verleihen.To this end, it drew on its previous work and, in particular, on the anodising process described in US patent 4 196 060, corresponding to FR-A-2 298 619. It was surprised to find that such a process not only had the effect of developing on the surface of the aluminium wire an oxide layer with a low contact resistance that was stable over time, but also had the property of giving the enamel or varnish films a strong adhesion for electrical use.
Daher ist die vorliegende Erfindung, die in einem Verfahren zum kontinuierlichen Lacküberziehen von Drähten aus Aluminiumlegierung, die zur Herstellung von elektrischen Wicklungen bestimmt sind, besteht, bei dem die Drähte im Durchlauf nacheinander durch eine Anodisierungswanne unter Wechselstrom geführt werden, die eine wäßrige Lösung enthält, die Phosphorsäure in einer zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit der Lösung von zwischen 0,02 und 0,1 S ausreichenden Menge bei einer Temperatur zwischen 50 und 80 ºC und 0,5 bis 30 g/leines grenzflächenaktiven Mittels enthält, das eine Detergenswirkung und emulgierende Wirkung ohne Schaumbildung ausübt, und dies für weniger als 15 s, dadurch gekennzeichnet, daß der so behandelte Draht mit aufeinanderfolgenden Überzugsschichten einer Dicke von weniger als 50 um verkleidet wird.Therefore, the present invention, which is a process for continuously coating aluminum alloy wires, intended for the manufacture of electrical windings, in which the wires are passed one after the other through an anodising tank under alternating current containing an aqueous solution containing phosphoric acid in an amount sufficient to maintain the conductivity of the solution at between 0.02 and 0.1 S at a temperature of between 50 and 80 ºC and 0.5 to 30 g/l of surfactant exerting a detergent and emulsifying action without foaming, and this for less than 15 s, characterized in that the wire thus treated is coated with successive layers of coating with a thickness of less than 50 µm.
So besteht das Verfahren, wie im US-Patent 4 196 060, in einer Oberflächenbehandlung der Drähte, die aufweist:Thus, as in US Patent 4,196,060, the process consists in a surface treatment of the wires which comprises:
- einerseits eine Anodisierung in einem Phosphorsäurebad verhältnismäßig konstanter Leitfähigkeit, um eine Oxidschicht zu bilden, die sich für die Haftung der Lacke eignet. Diese Konstanz wird erhalten, indem man laufend die Leitfähigkeit mißt und bei Bedarf Säure zufügt,- on the one hand, anodization in a phosphoric acid bath with relatively constant conductivity in order to form an oxide layer suitable for the adhesion of the paint. This constancy is maintained by continuously measuring the conductivity and adding acid if necessary,
- andererseits die Verwendung eines oberflächenaktiven Mittels, das eine Detergenswirkung und eine emulgierende Wirkung ausübt.- on the other hand, the use of a surfactant which has a detergent and an emulsifying action.
Dieses Mittel kann unter sauren Gemischen gewählt werden, die oberflächenaktive Stoffe und detergierende Stoffe enthalten. Die verwendbaren oberflächenaktiven Stoffe können oder können nicht ionische, anionische und/oder amphoterische sein; unter ihnen kann man organische polyfluorierte Derivate mit einer linearen oder verzweigten perfluorierten Kette mit 4 bis 20 Kohlenstoffatomen, polyoxyethylierte Fettalkohole, substituierte Phenole, Alkylsulfonate, deren Alkylkette z.B. 8 oder 9 Kohlenstoffatome enthält, nennen. Was die Detergensstoffe betrifft, kann man Glycole, Polyethylenglycole verwenden. Das verwendete Mittel muß die Oberflächenspannung des Mediums, wo es eingeführt ist, stark senken, ohne die Schaumbildung hervorzurufen, und das Bringen der Schmiermittelreste, die die behandelten Drähte bedecken, in Suspension sichern. Es wird beispielsweise bevorzugt, daß das Mittel die Oberflächenspannung einer wäßrigen Phosphorsäurelösung mit 100 g/l H&sub3;PO&sub4; bei 70 ºC auf einen Wert nahe 30.10&supmin;&sup7; N.m senkt, wenn es im Anteil von 30 g/l zugesetzt wird.This agent can be chosen from acid mixtures containing surfactants and detergents. The surfactants that can be used can be non-ionic, anionic and/or amphoteric; among them, one can choose organic polyfluorinated derivatives with a linear or branched perfluorinated chain with 4 to 20 carbon atoms, polyoxyethylated fatty alcohols, substituted phenols, alkyl sulfonates whose alkyl chain contains, for example, 8 or 9 carbon atoms. As regards detergents, glycols, polyethylene glycols can be used. The agent used must significantly reduce the surface tension of the medium in which it is introduced without causing foaming and ensure that the lubricant residues covering the treated wires are suspended. For example, it is preferred that the agent reduces the surface tension of an aqueous solution of phosphoric acid containing 100 g/l of H₃PO₄ at 70 ºC to a value close to 30.10⁻⁷ Nm when added in a proportion of 30 g/l.
Die im Mittel enthaltenen oberflächenaktiven Stoffe können hier in sehr geringer Menge, beispielsweise weniger als 3 Gew.-% für die oben erwähnten fluorierten Derivate, in der Größenordnung von 5 bis 10 Gew.-% für die polyoxyethylierten Fettalkohole und in der Größenordnung von einigen Gew.-% für die Alkylsulfonate oder die substituierten Phenole vorliegen. Die Polyethylenglycole oder die Glycole können im Anteil von einigen %, z.B. 2 bis 5 %, vorliegen. Die verwendete Menge des Mittels liegt allgemein im Bereich von 0,5 bis 30 g/l mit einem als Funktion seiner Zusammensetzung bestimmten Optimum.The surfactants contained in the agent can be present in very small quantities, for example less than 3% by weight for the fluorinated derivatives mentioned above, in the order of 5 to 10% by weight for the polyoxyethylated fatty alcohols and in the order of a few% by weight for the alkyl sulfonates or substituted phenols. The polyethylene glycols or glycols can be present in a proportion of a few%, for example 2 to 5%. The amount of agent used is generally in the range of 0.5 to 30 g/l, with an optimum determined as a function of its composition.
Während die Art und die Konzentration des Basisbestandteils des Anodisierungselektrolyten und die Anwesenheit des Mittels für die Erfindung notwendige Mittel sind, sind die anderen Anodisierungsbedingungen nicht kritisch, solange sie eine rasche Behandlung und in jedem Fall einer Dauer unter 15 Sekunden ermöglichen. Beispielsweise hängt die Spannung wie üblich von den Eigenschaften des Bades, der Form der Apparatur, der Durchlaufgeschwindigkeit und der Stromdichte ab, die der wichtigste elektrische Parameter des Verfahrens ist.While the nature and concentration of the basic component of the anodizing electrolyte and the presence of the agent are necessary for the invention, the other anodizing conditions are not critical as long as they allow a rapid treatment and in any case a duration of less than 15 seconds. For example, the voltage depends as usual on the properties of the bath, the shape of the Apparatus, flow rate and current density, which is the most important electrical parameter of the process.
Die Stromdichte, die zwischen 2 und 20 A/dm², vorzugsweise zwischen 6 und 12 A/dm² für ein Bad ohne erzwungene Zirkulation liegt, kann stark gesteigert werden, wenn man eine erzwungene Zirkulation des Bades sichert. Die Spannung liegt allgemein zwischen 4 und 45 Volt. Desgleichen ist die Temperatur nicht kritisch; sie wird hauptsächlich durch die Art der für die Apparatur verwendeten Materialien und durch die Eigenschaften des verwendeten oberflächenaktiven Mittels bestimmt. Die eingetauchten Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem gegenüber dem Bad inerten Stoff, z.B. aus Graphit.The current density, which is between 2 and 20 A/dm², preferably between 6 and 12 A/dm² for a bath without forced circulation, can be greatly increased if forced circulation of the bath is ensured. The voltage is generally between 4 and 45 volts. Likewise, the temperature is not critical; it is mainly determined by the nature of the materials used for the equipment and by the properties of the surfactant used. The immersed electrodes are preferably made of a material that is inert to the bath, e.g. graphite.
Die Behandlungszeit ist, wie erwähnt wurde, sehr kurz, allgemein zwischen 3 und 10 Sekunden. Dies ermöglicht, den Draht kontinuierlich zu behandeln, indem man ihn das Bad, beispielsweise nach einer bekannten, sogenannten Technik "mit Flüssigkeitsstromzuführung", bei so hohen Geschwindigkeiten wie 100 m je Minute bei einer Wanne von 5 m Länge, durchlaufen läßt.The treatment time is, as mentioned, very short, generally between 3 and 10 seconds. This allows the wire to be treated continuously by passing it through the bath, for example using a well-known technique called "fluid flow feed", at speeds as high as 100 m per minute for a 5 m long tank.
Man versteht unter "Flüssigkeitsstromzuführung" die Technik, die im französischen Patent 2 526 052 beschrieben ist und darin besteht, den positiven Pol einer Stromquelle mit dem zu behandelnden Draht und den negativen Pol mit einer Elektrode zu verbinden, die in die Elektrolytlösung eintaucht, durch die der Draht wandert.The term "fluid current supply" refers to the technique described in French patent 2 526 052, which consists in connecting the positive pole of a current source to the wire to be treated and the negative pole to an electrode immersed in the electrolytic solution through which the wire passes.
Das Behandlungsverfahren gemäß der Erfindung kann direkt auf einen vom Drahtziehen kommenden Draht angewandt werden, dessen Oberfläche von einem mehr oder weniger zusammenhängenden Film des verwendeten Schmiermittels und anderen Verunreinigungen bedeckt ist.The treatment process according to the invention can be applied directly to a wire coming from wire drawing, the surface of which is covered by a more or less continuous film of the lubricant used and other impurities is covered.
Diese Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der so behandelte Draht anschließend durch aufeinanderfolgende Schichten von Lackfilmen einer Dicke unter 50 um bedeckt wird.This invention is characterized in that the wire thus treated is subsequently covered by successive layers of varnish films with a thickness of less than 50 µm.
Dieses Merkmal unterscheidet die Erfindung vom durch die FR-A-2 298 619 gebildeten Stand der Technik.This feature distinguishes the invention from the prior art constituted by FR-A-2 298 619.
In diesem Patent besteht nämlich der Überzug aus einer Hülle aus isolierendem Kunststoff, die durch Extrusion erhalten wird und die den Draht umgibt, ohne an ihm zu haften, was es ermöglicht, sie leicht abzulösen.In this patent, the coating consists of a sheath of insulating plastic obtained by extrusion, which surrounds the wire without adhering to it, which allows it to be easily removed.
Dagegen sichert bei der vorliegenden Erfindung der Lack die Isolation des Drahtes in Form eines Films einer viel geringeren Dicke als im vorgenannten Patent und in jedem Fall unter 50 um, um den Raumbedarf der von diesem Draht ausgehend erhaltenen Spulen zu verringern. Dieser Film haftet stark am Draht, um sich leicht ohne Gefahr eines Abblätterns zum Aufwickeln zu eignen.On the other hand, in the present invention, the varnish insulates the wire in the form of a film of much less thickness than in the aforementioned patent and in any case less than 50 µm, in order to reduce the bulk of the coils obtained from this wire. This film adheres strongly to the wire so as to lend itself easily to winding without risk of peeling off.
Es ist auch zu erwähnen, daß dieser Film in mehreren, durch eine Zwischenpolymerisation getrennten Schritten erhalten wird, was von der Extrusion verschieden ist.It should also be noted that this film is obtained in several steps separated by an intermediate polymerization, which is different from extrusion.
Das Verfahren gemäß der Erfindung fügt sich vorzüglich in eine für Kupfer konstruierte Lackierstrecke ein, da es genügt, eine Anodisierungswanne zwischen den Wickeln von Drahtziehrohdrähten und den Öfen einzufügen, die zum Anlassen der Drähte bestimmt sind, um ihnen die zweckmäßigen mechanischen Eigenschaften zu verleihen.The process according to the invention fits perfectly into a painting line designed for copper, since it is sufficient to insert an anodizing tank between the coils of raw wire drawing wires and the furnaces intended for tempering the wires in order to give them the appropriate mechanical properties.
Solche Lackierstrecken, die zum gleichzeitigen Durchlauf mehrerer Drähte entworfen sind, wurden beispielsweise im französischen Patent No. 1 403 541 beschrieben.Such painting lines, designed for the simultaneous passage of several wires, were described, for example, in French Patent No. 1 403 541.
Die eingesetzten Lacke oder Emails können von jeder allgemein für Kupfer verwendeten Art sein und gehören insbesondere zu den Gruppen von Stoffen, die durch die Polyurethane, die Polyester, die Polyesterimide, die Polyvinyle mit Ausnahme des Polyvinylchlorids, die Polyamide, das Polyvinylacetoformal, das im Handel unter der Bezeichnung "Formvar" bekannt ist, gebildet werden.The varnishes or enamels used may be of any type generally used for copper and belong in particular to the groups of substances formed by polyurethanes, polyesters, polyesterimides, polyvinyls with the exception of polyvinyl chloride, polyamides and polyvinyl acetoformal, known commercially under the name "Formvar".
Das Anschließen solcher Drähte erfolgt leicht durch örtliche Auflösung des Lacks in einem geeigneten Lösungsmittel. Man legt so das anodisch behandelte Metall bloß, das die Eigenschaften geringen und im Laufe der Zeit stabilen Kontaktwiderstands beibehält, die es anfangs hatte.The connection of such wires is easily carried out by locally dissolving the varnish in a suitable solvent. This exposes the anodized metal, which retains the properties of low contact resistance, stable over time, that it initially had.
Die lacküberzogenen Aluminiumdrähte gemäß der Erfindung weisen dank einer vollkommenen Haftung der Lacke auf dem Metall bemerkenswerte Isolationseigenschaften auf.The lacquer-coated aluminium wires according to the invention have remarkable insulating properties thanks to the perfect adhesion of the lacquers to the metal.
Die Anwendung strenger Tests, wie z.B. das Aufwickeln des Drahtes auf seinen eigenen Durchmesser oder der Zugversuch bis zum Bruch, hat keine Risse, Abreißvorgänge oder Abblättervorgänge der Lacke ergeben.The application of rigorous tests, such as winding the wire to its own diameter or tensile testing to failure, has shown no cracks, tears or flaking of the paint.
Außerdem bringt die außergewöhnliche Haftung der Emaillacke auf der Oberfläche des Drahtes eine bessere chemische Beständigkeit des Überzugs gegenüber den flüssigen Lösungsmitteln und Ölen, in die die Wicklungen elektrischer Motoren und die Transformatoren allgemein eingetaucht werden, mit sich.In addition, the exceptional adhesion of the enamels to the surface of the wire provides better chemical resistance of the coating to the liquid solvents and oils in which the windings of electric motors and transformers in general are immersed.
Die Erfindung kann mit Hilfe der folgenden Anwendungsbeispiele erläutert werden:The invention can be explained with the help of the following application examples:
1. Ein Draht aus der Aluminiumlegierung 1370-50 nach der Norm der Aluminium Association eines Durchmessers von 1,7 mm wurde mit Hilfe eines Polyesterimidlacks, Klasse H, Stufe 2, beschichtet:1. A wire made of aluminum alloy 1370-50 according to the Aluminium Association standard with a diameter of 1.7 mm was coated with a polyesterimide varnish, class H, level 2:
- Ohne Oberflächenbehandlung zeigt dieser lacküberzogene, auf seinen eigenen Durchmesser aufgewickelte Draht zahlreiche Abblätterungen,- Without surface treatment, this lacquer-coated wire, wound to its own diameter, shows numerous flaking areas,
- nach Behandlung wurde auf dem Draht im Lauf des gleichen Tests kein Riß beobachtet.- after treatment, no crack was observed on the wire during the same test.
2. Ein Draht aus 1370-50 eines Durchmessers von 1,7 mm wurde mit Hilfe eines Formvar-Lacks, Klasse E, Stufe 2 beschichtet:2. A 1370-50 wire with a diameter of 1.7 mm was coated using a Formvar varnish, class E, level 2:
- Ohne Oberflächenbehandlung weist dieser lacküberzogene, auf seinen eigenen Durchmesser aufgewickelte Draht nach Dehnung bis zum Bruch eine völlige Ablösung des Lacks auf,- Without surface treatment, this lacquer-coated wire, wound to its own diameter, exhibits a complete detachment of the lacquer after stretching until it breaks,
- nach Behandlung gemäß der Erfindung weist dieser unter den gleichen Bedingungen lacküberzogen Draht keinen Riß auf.- after treatment according to the invention, this wire, coated with varnish under the same conditions, shows no cracks.
3. Drähte aus 1370-50 (∅ 0,5 bis 5 mm) und aus 1340-50 (∅ 0,1 - 0,5 mm) wurden in einer industriellen Anlage mit einer Wanne von 2,5 m Länge lacküberzogen, in der sie mit der Geschwindigkeit von 12 m/min für die Drähte eines Durchmessers von 3 mm bis zu 40 m/min für die Drähte von 1 mm durchliefen. Nach der Behandlung wurden diese Drähte gespült und liefen in einen Trocknungsofen, dann in eine herkömmliche Vielschritt-Uberzugsmaschine, wo sie mehrere Schichten von elektrisch isolierendem Lack des Formvar- oder Polyesterimidtyps erhielten, der nach jedem Schritt polymerisiert wurde.3. Wires of 1370-50 (∅ 0.5 to 5 mm) and 1340-50 (∅ 0.1 - 0.5 mm) were coated in an industrial plant with a 2.5 m long tank, in which they were coated at a speed of 12 m/min for wires with a diameter of 3 mm to 40 m/min for wires with a diameter of 1 mm. After treatment, these wires were rinsed and passed through a drying oven, then into a conventional multi-step coating machine where they received several layers of electrically insulating varnish of the formvar or polyesterimide type, which was polymerized after each step.
Die so erhaltenen Drähte aus lacküberzogenem Aluminium überstanden erfolgreich die für die Drähte aus lacküberzogenem Kupfer vorgesehenen Standardversuche, wie z.B.: schroffer Zug, Aufwicklung auf Dorn, Durchschlag unter Spannung, Thermoplastizität, schroffer Temperaturwechsel.The enamelled aluminium wires thus obtained successfully withstood the standard tests required for enamelled copper wires, such as: sharp tension, winding on a mandrel, breakdown under tension, thermoplasticity, sharp temperature changes.
Insbesondere, was den Torsionsversuch betrifft, der darin besteht, den lacküberzogenen Draht längs zweier Mantellinien einer Länge von 50 cm freizulegen und ihn dann längs seiner Symmetrieachse zu tordieren, stellt manIn particular, as regards the torsion test, which consists in exposing the lacquer-coated wire along two 50 cm long lines and then twisting it along its axis of symmetry,
- am nichtbehandelten Draht eine Ablösung des Lacks nach etwa 50 Drehungen fest und- on the untreated wire, the varnish peels off after about 50 turns and
- an einem erfindungsgemäß behandelten Draht gibt es keine Ablösung nach mehr als 100 Drehungen, während dieser Wert allgemein zum Bruch des Films führte.- on a wire treated according to the invention, there is no detachment after more than 100 turns, whereas this value generally led to breakage of the film.
Diese Eigenschaften sind mit denen des Drahtes aus lacküberzogenem Kupfer vergleichbar und ermöglichen den Lacküberzugsfachleuten, ohne große Investitionen den Ersatz des Kupferdrahts durch den Aluminiumdraht auf dem Gebiet der Elektromotoren, der Transformatoren und anderer elektrischer Wicklungen ins Auge zu fassen, eine Verwendung, die vollkommen den gegenwärtigen Überlegungen zur Energieeinsparung entspricht.These properties are comparable to those of enamelled copper wire and enable enamelled wire specialists to consider, without major investments, the replacement of copper wire by aluminium wire in the field of electric motors, transformers and other electrical windings, a use which is fully in line with current energy saving considerations.
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