EP0354132B1 - Procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium destinés à la confection de bobinages électriques - Google Patents

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

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EP0354132B1
EP0354132B1 EP89420236A EP89420236A EP0354132B1 EP 0354132 B1 EP0354132 B1 EP 0354132B1 EP 89420236 A EP89420236 A EP 89420236A EP 89420236 A EP89420236 A EP 89420236A EP 0354132 B1 EP0354132 B1 EP 0354132B1
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EP
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wires
wire
enamelling
process according
continuously
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Jacques Lefebvre
Bernard Loreau
Gabriel Colombier
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Rio Tinto France SAS
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Aluminium Pechiney SA
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
    • H01F5/06—Insulation of windings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • C25D11/06—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing

Definitions

  • the present invention relates to a continuous enamelling process of raw aluminum alloy wire drawn for the manufacture of electrical windings.
  • Aluminum is like copper a good conductor of electricity but, having a lower specific mass, it has the advantage of obtaining an appreciable economy in the construction of electrical apparatuses in particular when they are intended for the industry of the transport where they allow significant reduction. This is why its substitution for copper has started to take on a certain extension, particularly in insulated wires and cables.
  • the wire is most often simply covered with a plastic envelope capable of ensuring its insulation.
  • This envelope is obtained by extrusion and surrounds the metal substrate without adhering to it, which makes it possible to remove it easily when it is desired, for example, to strip the ends of the wire to connect it.
  • the enamel or varnish must provide insulation in the form of a film of much smaller thickness than in the previous case in order to reduce the size of the coils to the maximum and must adhere strongly to the metallic core in order to be able to lend itself to consecutive deformations, for example, to winding and this without risk of chipping.
  • the present invention consisting of a continuous enamelling process of aluminum alloy wires intended for making electric windings, in which said wires are passed in succession successively in an anodizing tank under alternating current containing an aqueous solution containing phosphoric acid in an amount sufficient to maintain the conductance of said solution between 0.02 and 0.1 siemens at a temperature between 50 and 80 ° C and 0.5 to 30 g / l of a surfactant exerting a detergent and emulsifying action without foaming and this for less than 15 seconds, characterized in that the wire thus treated is coated by successive layers of enamel films of thickness less than 50 ⁇ m.
  • This agent can be chosen from acid mixtures containing surfactants and detergents.
  • the surfactants which can be used may or may not be ionic, anionic and / or amphoteric; among them, there may be mentioned polyfluorinated organic derivatives comprising a linear or branched perfluorinated chain having from 4 to 20 carbon atoms, polyethoxylated fatty alcohols, substituted phenols, alkylsulfonates, the alkyl chain of which contains for example 8 or 9 atoms of carbon.
  • As detergent products glycols, polyethylene glycols can be used.
  • the agent used must greatly lower the surface tension of the medium into which it is introduced without causing foaming and ensure the suspension of the lubrication residues which cover the treated wires.
  • the agent it is better, for example, for the agent to lower the surface tension of an aqueous solution of phosphoric acid at 100 g / l of H3PO4 at 70 ° C at a value close to 30 10 ⁇ 7 Nm when added at the rate of 30 g / l.
  • the surfactants contained in the agent can be in a very small amount, for example less than 3% by weight for the fluorinated derivatives mentioned above, of the order of 5 to 10% by weight for the ethoxylated fatty alcohols and on the order of a few% by weight for the alkysulfonates or substituted phenols.
  • the polyethylene glycols or the glycols can be present in an amount of a few%, for example 2 to 5%.
  • the amount of agent used is generally between 0.5 and 30 g / l with an optimum determined according to its composition.
  • the other anodization conditions are not critical insofar as they allow a fast processing and in any case less than 5 seconds duration.
  • the voltage depends, as usual, on the characteristics of the bath, the shape of the apparatus, the speed of passage and the current density which is the most important electrical parameter of the process.
  • the current density 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 bath circulation is ensured.
  • the voltage is generally between 4 and 45 volts.
  • temperature is not critical; it is mainly determined by the nature of the materials used for the apparatus and by the characteristics of the surfactant used.
  • the immersed electrodes are preferably made of a material inert to the bath, for example graphite.
  • the processing time is, as has been said, very short, generally between 3 and 10 seconds. This makes it possible to process the wire continuously by passing it through the bath, for example according to a known technique known as "with liquid current intake” at speeds as high as 100 meters per minute for a tank 5 meters long.
  • liquid current outlet is understood to mean the technique described in French patent 2,526,052 and which consists in connecting the positive pole of a current source to the wire to be treated and the negative pole to an electrode which is immersed in the solution d electrolyte where said wire moves.
  • the treatment method according to the invention can be applied directly to a wire emerging from the drawing, the surface of which is covered with a more or less continuous film of the lubricant used and other impurities.
  • This invention is characterized in that the wire thus treated is then coated by successive layers of enamel films of thickness less than 50 ⁇ m.
  • the coating consists of an insulating plastic envelope obtained by extrusion and which surrounds the wire without adhering to it, which allows it to be easily removed.
  • the enamel insulates the wire in the form of a film of much smaller thickness than in the previous patent and in any case, less than 50 ⁇ m, in order to reduce the bulk. coils obtained from said wire.
  • This film strongly adheres to the wire in order to be able to lend itself easily to winding without risk of chipping.
  • this film is obtained in several passes separated by an intermediate polymerization, which is different from extrusion.
  • the method according to the invention fits perfectly into an enamelling line constructed for copper, because it suffices to insert an anodizing tank between the unwinders of raw wire drawing and the ovens intended for annealing the wires for their give the appropriate mechanical characteristics.
  • enamelling lines designed for the simultaneous passage of several wires have been described for example in French patent n ° 1,403,541.
  • the varnishes or enamels used can be of any type generally used for copper and in particular belong to the families of products consisting of polyurethanes, polyesters, polyesterimides, polyvinyls excluding polyvinyl chloride, polyamides, polyvinyl aceto-formal commercially known under the name: "formvar”.
  • connection of such wires is easily done by local dissolution of the varnish in a suitable solvent.
  • the anodically treated metal is thus exposed, which keeps the properties of contact resistance weak and stable over the time that it initially had.
  • the enameled aluminum wires according to the invention have remarkable insulation characteristics thanks to a perfect adhesion of the enamels to the metal.

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Pour cela, elle s'est inspiré de ses travaux passés et notamment du procédé d'anodisation qu'elle a décrit dans l'USP 4196060 correspondant à FR-A-2 298 619. 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.
  • 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, dans lequel on fait passer lesdits fils 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, caractérisé en ce que le fil ainsi traité est revêtu par couches successives de films d'émail d'épaisseur inférieure à 50 µm.
  • Ainsi, le procédé consiste, comme dans l'USP 4196060 en un traitement de surface des fils comprenant :
    • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • On entend par "prise de courant liquide" la technique décrite dans le brevet français 2 526 052 et qui consiste à relier le pôle positif d'une source de courant au fil à traiter et le pôle négatif à une électrode qui plonge dans la solution d'électrolyte où se déplace ledit fil.
  • Le procédé de traitement 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.
  • Cette invention est caractérisée en ce que le fil ainsi traité est ensuite revêtu par couches successives de films d'émail d'épaisseur inférieure à 50 µm.
  • Cette caractéristique différencie l'invention de l'art antérieur constitué par FR-A-2 298 619.
  • En effet, dans ce brevet, le revêtement est constitué par une enveloppe en matière plastique isolante obtenue par extrusion et qui entoure le fil sans y adhérer ce qui permet de l'enlever facilement.
  • Par contre, dans la présente invention, l'émail assure l'isolation du fil sous forme d'un film d'épaisseur beaucoup plus faible que dans le brevet précédent et en tout cas, inférieure à 50 µm, afin de réduire l'encombrement des bobines obtenues à partir dudit fil. Ce film adhère fortement au fil afin de pouvoir se prêter facilement à l'enroulement sans risque d'écaillage.
  • A noter aussi que ce film est obtenu en plusieurs passes séparées par une polymérisation intermédiaire, ce qui est différent de l'extrusion.
  • Le procédé selon l'invention 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° 1 403 541.
  • 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 polyuréthanes, les polyesters, les polyesterimides, les polyvinyles à l'exclusion du polychlorure de vinyle, les polyamides, l'acéto-formal de polyvinyle connu commercialement sous l'appellation : "formvar".
  • 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.
  • Les fils d'aluminium émaillés selon l'invention présentent des caractéristiques d'isolement remarquables grâce à une parfaite adhérence des émaux sur le métal.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium destinés à la confection de bobinages électriques dans lequel on fait passer lesdits fils au défilé 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 30g/l d'un agent tensioactif exerçant une action détergente et émulsionnante sans formation de mousse et ce pendant moins de 15 secondes, caractérisé en ce que le fil ainsi traité est revêtu par couches successives de films d'émail d'épaisseur inférieure à 50 µm.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émail est choisi parmi les polyuréthanes, les polyesters, les polyesterimides, les polyvinyles à l'exclusion du polychlorure de vinyle, les polyimides, l'acéto-formal de polyvinyle.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu le courant d'anodisation est amené aux fils par une prise de courant liquide.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité du courant d'anodisation est comprise entre 2 et 20 A/dm².
  5. 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 polyéthylèneglycols et au moins un produit appartenant au groupe constitué par les dérivés organiques polyfluorés, les alcools gras polyéthoxylés, les phénols substitués, les alkylsufonates.
EP89420236A 1988-07-06 1989-07-03 Procédé d'émaillage en continu de fils en alliage d'aluminium destinés à la confection de bobinages électriques Expired - Lifetime EP0354132B1 (fr)

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