Title:
Process for continuously enamelling pieces made of an aluminium alloy for making electrical windings
Kind Code:
B1


Abstract:
Abstract of EP0354132
The invention relates to a process for continuously enamelling aluminium alloy wires in a raw state from wire drawing. This process consists in treating the wire surface by phosphoric anodizing in a solution of specified conductance in the presence of a surface-active agent before enamelling it. It finds its application in the manufacture of electrical windings such as especially motor and transformer windings.



Inventors:
Lefebvre, Jacques (8, rue de la Rivoire, Voiron, F-38500, FR)
Loreau, Bernard (8, rue de Grand Champ, Sucy en Brie, F-94370, FR)
Colombier, Gabriel (19, rue A. Muguet, St. Egreve, F-38120, FR)
Application Number:
EP19890420236
Publication Date:
06/23/1993
Filing Date:
07/03/1989
Assignee:
Aluminium, Pechiney (23, rue Balzac, Paris Cédex 08, F-75008, FR)
International Classes:
H01B13/16; C23D3/00; C25D9/06; C25D11/00; C25D11/06; C25D11/18; (IPC1-7): C25D11/06; C25D11/18
European Classes:
C25D11/06; C25D11/18
View Patent Images:
Domestic Patent References:



Foreign References:
FR2298619A
Attorney, Agent or Firm:
Vanlaer, Marcel (PECHINEY 28, rue de Bonnel, Lyon Cédex 3, F-69433, FR)
Claims:
1. A process for continuously enamelling wires of aluminium alloy which are intended for the production of electrical coils wherein said wires are passed in a moving mode through an ac anodisation tank containing an aqueous solution containing phosphoric acid in an amount sufficient to maintain the conductance of said solution at between 0.02 and 0.1 siemens at a temperature of between 50 and 80°C and 0.5 to 30 g/l of a surface active agent performing a detergent and emulsifying action without the formation of foam, for a period of less than 15 seconds, characterised in that the wire when treated in this way is coated with successive layers of films of enamel of a thickness of less than 50 µm.

2. A process according to claim 1 characterised in that the enamel is selected from polyurethanes, polyesters, polyesterimides, polyvinyls excluding polyvinyl chloride, polyimides and polyvinyl aceto-formal.

3. A process according to claim 1 characterised in that the anodisation current is fed to the wires by a liquid current feed.

4. A process according to claim 1 characterised in that the density of the anodisation current is between 2 and 20 A/dm².

5. A process according to claim 1 characterised in that the surface active agent is formed of at least one substance belonging to the group formed by glycols and polyethylene glycols and at least one substance belonging to the group formed by organic polyfluorinated derivatives, polyethoxylated fatty alcohols, substituted phenols and alkyl sulphonates.

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 10̅7 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 (&osol 0,5 à 5 mm) et en 1340-50 (&osol 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.