CN103934185A

CN103934185A - 具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法

Info

Publication number: CN103934185A
Application number: CN201410163551.XA
Authority: CN
Inventors: 李登峰; 杨勇杰; 许云鹏; 吉亚明; 赵自鹏; 黄杰; 陈卓雷; 谷维
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: CN103934185B

Abstract

具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，包括如下步骤：1)采用的绝缘涂料成分重量百分比为：有机树脂10-60wt％，无机颜填料28-60wt％，助剂和溶剂1-15wt％，余量为纯水；2)基板表面处理，对含硅量1.5～3.0wt％的Fe-Si合金基板作表面改性处理，基板表面覆盖氧化膜层；基板表面粗糙度≥0.4μm；3)退火，退火温度780～1000℃，保温10～20秒，退火气氛为氢氮混合气；4)烘烤固化，采用烘烤工艺或多波段高红外加热工艺或两者结合。本发明获得的涂层产品成膜性能优秀，同时满足电工钢环保极厚绝缘涂层所需高固体份含量、表面绝缘性和附着性优异、热压稳定性和耐腐蚀性好等特点。

Description

具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法

技术领域

本发明涉及电工钢产品生产技术，特别涉及一种具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，该极厚绝缘涂层应用于大、中型发电机用的电工钢片，在保证涂层要求所必须的绝缘性、冲剪加工性、耐热性等基本性能外，还具有优异的成膜性能，具体表现在涂层的附着性好，对基板有较佳的防护性。

背景技术

电工钢产品广泛应用于电机和变压器的铁芯材料，为减少电工钢片叠层间发生短路而增大涡流损耗，需在其表面涂覆绝缘涂层。大、中型电机要求带涂层的电工钢片能通过指定最大的富兰克林测试电流，表面绝缘性能优异，且在电机工作持续放热时，涂层仍能确保良好的绝缘性；还要能够满足大中型发电机机芯制造过程中的冲压剪切等加工工艺。按照ASTMA976-2003标准，将其归到C6涂层类型。典型的C6涂料加入了大量无机填料的有机基涂层，为无铬低VOC排放的水溶性环保涂料，经高温烘烤固化后，得到单面厚度一般为2～7μm极厚的硅钢绝缘涂层，应用于全工艺无取向硅钢。

咋过专利申请号为200710144412.2公开一种应用于大型发电机的水溶性半无机硅钢片漆及其制备方法，其组份特征是漆料、无机填料、分散剂、水的重量份数比为85：36：65：15。该涂层添加一定含量的无机纳米颗粒，涂层耐热性优异。

专利WO2009/084777A1所述的硅钢涂料中包括20-40％BaSO₄和10-20％TiO₂两种无机填料、15-30％去离子水、30-50％三聚氰胺树脂，以及高沸点的丙三醇和乙二醇。该涂层能获得很好的表面绝缘电阻、抗叠片热压缩性。

美国专利WO2008/154122A1提供了硅钢涂料的成分，包括5-45％至少一种粘结剂树脂(聚氨酯和/或聚丙烯酸酯)、0.1-60％的颜填料或添加剂、0.1-40％纳米颗粒(平均粒径为5-60nm)、0.1-30％至少一种交联剂和5-70％的水和溶剂；类似地，相同发明人在专利WO2009/079540A1中又提供了硅钢绝缘涂料成分。这些专利均得到系列C3、C5、C6硅钢级水溶性绝缘涂层。

上述专利都从组分或配比方面给出C6极厚绝缘涂料的描述，也说明了烘烤固化后的一些涂层性能，但极厚环保涂层在基板上的附着性等成膜性能说明不详。在既定涂料类型和成分的前提下，如何生产制备出成膜性能较好的极厚绝缘涂层产品，目前鲜有文献披露。C6涂层要求极高的表面绝缘、H等级耐热、热压稳定等性能，其涂料配方中一般含有大量亚微米级粒径的无机填料，并且控制涂层干膜厚度为2～7μm；这样的厚涂料涂覆于钢板表面，在成为产品的生产制备过程中存在较大困难，很容易导致涂层缺陷，并使得成膜质量不佳，表现为涂层附着性不良、涂层掉粉形成亮点、涂层抗划伤性差、冲压剪切时涂层脱落或爆漆等系列问题，严重劣化了C6涂层产品的使用特性，甚至无法使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，获得的涂层产品成膜性能优秀，同时满足电工钢环保极厚绝缘涂层所需高固体份含量、表面绝缘性和附着性优异、热压稳定性和耐腐蚀性好等特点，适应于大中型电机剪裁冲压加工。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，包括如下步骤：

1)采用的绝缘涂料成分重量百分比为：有机树脂10-60wt％，无机颜填料28-60wt％，助剂和溶剂1-15wt％，其余为纯水；

2)基板表面处理

对含硅量为1.5～3.0wt％的Fe-Si合金基板在涂层工序前作表面改性处理，改性后的基板表面覆盖有氧化膜层，其平均厚度范围为0.01～0.8μm，氧化膜中成分含量为：硅1～8wt％，铁60～90wt％，氧6～25wt％，铝0.3～15wt％，其余为锰和其他杂质元素；基板表面粗糙度≥0.4μm；

3)退火

退火温度780～1000℃，保温10～20秒，退火气氛为氢氮混合气，其中氢气比例为20～50％，另外控制气氛露点为-20～50℃；

4)烘烤固化

采用烘烤工艺或多波段高红外加热工艺或两者结合，其中：

常规烘烤工艺：全炉段热风循环对流加热，保温炉段炉温设定240～380℃，对应板温为240～300℃，烘烤时间不少于30秒；

多波段高红外加热工艺：在基板温度常温～180℃的加热炉区，全部密集而均匀地布置波长为0.75～3μm的近、中红外发射源装置；在基板温度180～300℃的加热炉区，布置波长为0.75～3μm的近、中红外发射源装置为主，交替布置波长为4～20μm远红外发射源装置；

常规烘烤结合高红外的复合加热工艺：全炉段热风循环对流加热，保温炉段炉温设定200～380度，保证最高板温满足200～300℃，烘烤时间为30～90秒；在基板温度60～180℃的加热炉区，交替布置波长为0.75～3μm的近、中红外发射源装置；在基板温度180～300℃的加热炉区，交替布置远红外发射源装置。

进一步，所述绝缘涂料采用ASTM A976-03标准中硅钢C6极厚绝缘涂料。

所述的基板表面的氧化膜层的平均厚度为0.01～0.5μm。

另外，所述的退火工艺可与电工钢冷轧后的再结晶退火工艺合并实施，也可经冷轧后单独实施再进入再结晶退火工序。

优选地，烘烤固化步骤中，常规烘烤结合高红外的复合加热工艺效果最佳；并且选择波长为1～3μm的近、中红外和波长为5～12μm的远红外波段。

本发明基于电工钢环保极厚绝缘涂料，其中无机颜填料含量越高、涂层越厚，本发明的实用性越强。

对含硅量为1.5～3.0wt％的无取向电工钢的常规退火工艺，其目的之一是避免形成表面氧化层，避免对钢板磁性和后续剪、冲加工性的影响。然而本发明却对基板进行合适的预处理，形成特定的表面氧化膜层后，再实施涂层作业。这样的基板具备了一定的表面状态，保证基板和极厚涂层的界面结合良好，并对涂层本体的成膜密度起到促进作用。因为本发明的表面氧化膜层厚度受控，且铁、氧、硅、铝等元素含量受控，故基本不影响到涂层钢板的使用特性。

为提高厚涂层的加热效率、避免涂层缺陷目的，红外辐射加热技术在卷材涂料的烘烤固化方面已有工业应用，但主要应用的是以近红外波长为基础的高红外辐射技术。本发明根据涂料(如C6涂料)在烘烤固化过程中的溶剂挥发阶段和交联反应阶段，各类分子或官能团对应不同波长红外线的吸收效率，要求选择特定波段的近、远复合红外线。其中近红外线避免了厚涂层固化过程中出现的涂层缺陷并提高烘烤效率；远红外线能促进有机官能团发生交联固化反应程度，保证涂层固化过程中成膜质量的提高，且远红外与传统的热风循环对流加热和/或近红外线配合，能保证加热效率和能量。这样的高红外加热技术在卷材涂料的烘烤固化方面还未有公开报道。

本发明所述环保涂层产品成膜质量优秀，绝缘性能优异，热压稳定性好，重涂性好，能满足大、中型电机对硅钢片极厚涂层的冲剪加工和使用要求。

在本发明基板表面处理中，对含硅量为1.5～3.0wt％的Fe-Si合金基板在涂层工序前作表面改性处理，改性后的基板表面覆盖有氧化膜层；基板表面粗糙度≥0.4μm，较未改性前提高10％；增加的表面凹凸点起到表面毛化效果，利于涂层附着性。形成的表面氧化膜对极厚涂层的成膜性能起到如下促进作用：对基板表面进行毛化处理，可提高涂层和基板见的界面结合力；而氧化膜层外表面存在的硅羟基团，增强它与水溶性绝缘漆中活性官能团在高温烘烤下的交联固化反应密度；进一步地，在极厚涂层烘烤成膜过程中，无机氧化膜可将基板—涂层界面的热量部分反射回涂层本体，提高极厚涂层在界面处的交联固化程度。这样在涂料中无机颜填料含量越高，有机树脂含量越少，则其交联固化程度对涂层成膜质量的影响就越大，本发明的实用性越强。

关于基板表面覆盖氧化膜层的形成和控制，例举但不限于的常规方法是对基板作退火处理，即改变退火气氛以改善表面状态。退火工艺关键点为：退火温度780～1000℃，保温10～20秒，退火气氛为氢氮混合气，其中氢气比例为20～50％，另外控制气氛露点为-20～50℃。该退火工艺可与电工钢冷轧后的再结晶退火工艺合并实施，也可经冷轧后单独实施再进入再结晶退火工序。

优选地，基板表面形成氧化膜层的平均厚度范围为0.01～0.5μm。基板氧化膜厚度过薄，则导致膜层不连续，涂层性能的均匀性会受到影响；氧化膜层过厚，则对基板的磁性和铁损均劣化到不可接受，同时硬脆膜层非常不利于带涂层基板的后续冲压和剪切。

传统热风循环对流的烘烤方式是涂层外表面先受热，热量由表及里向钢板传热，对极厚涂层容易造成外表面烘烤过度、内里面固化不足的涂层质量问题，并引起针孔、气泡、裂纹等涂层缺陷。而红外线的穿透性好，极厚涂层表、里几乎同时被加热，这样从机理上就避免系列涂层缺陷，并使得极厚涂层表、里固化程度一致。本发明引入多波段的复合高红外加热技术，故涂层膜厚越厚，本发明的实用性越强。

电工钢极厚绝缘涂料的成膜固化过程，首先是涂料中的水和溶剂挥发，之后是氨基树脂中的羟甲基与成膜树脂中的羟基和羧基发生醚化反应，生成以C—O—C键为主的三维网状结构。近中红外波段与涂料中水、极性小分子溶剂的羟基基团的吸收波长匹配，加热除去涂料中的水和溶剂；中远红外波段与涂料中有机溶剂、树脂分子所含系列反应性官能团的吸收波长匹配，促进反应性官能团之间的振动吸收，使得交联固化程度更为完全。

另外，近、中红外线的特点是辐射密度高、加热能量多，可快速烘干固化涂层，但对成膜过程只是提供热量促使各类反应性官能团的键合反应；而远红外虽能促进官能团间的振动吸收，促使交联固化的反应进程，但其辐射密度低、加热能量少。将远红外辐射烘烤和近红外和/或热风循环对流方式结合并用，避免了远红外因加热能量不足、板温过低使得涂层欠缺固化，既保证最佳成膜质量，又兼顾涂层烘烤效率。

本发明的有益效果：

本发明选用电工钢水溶性环保极厚绝缘涂料如C6绝缘涂料，经本发明方法生产制备成单面干膜厚度为1～8μm的涂层产品后，能够实现C6涂层的设计功能，例如绝缘性能优异(表面绝缘电阻高于1500Ω.cm²/片)，无涂层缺陷且相对光泽度高，成膜性能优良(附着性、硬度、抗划伤性优良)，热压稳定性和耐腐蚀性好，冲剪加工性好，满足大中型电机对涂层性能的严格要求。并且绝缘涂料中无机颜填料含量越高、涂层越厚，本发明的实用性越强。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

比较不同基板状态对涂层主要性能的影响。无取向硅钢基板退火处理的工艺条件见表1。该涂液使用了无机固含量为45～55wt％、总固含量为70～80wt％的水溶性极厚C6绝缘涂料，辊涂机涂敷于基板两表面，使用明火烘烤炉在200-280℃板温条件下烘烤成膜，控制涂层单面干膜厚度为5μm。涂层性能结果如表2所示。由此可知，涂层前基板表面形成一定厚度的氧化层后再涂层，其综合性能远好于比较例(表面氧化层过厚或过薄)。

表1

表2

(注1：评价符号为：◎优；〇良；△一般；×较差)

(注2：涂料配方表中数据均为质量份数)

实施例2

比较不同的涂层烘烤固化方式对涂层的影响。无取向硅钢基板退火处理的工艺条件采用上述实施例1-1，按实施例1所述将涂料以辊涂机涂敷于基板表面，控制涂层单面干膜厚度为5μm；采用表3所示的不同烘烤方式(确保每类工艺的板温均在200～280℃范围，优选240～280℃范围)对应者不同的涂层性能结果。

从表3可知，常规对流烘烤结合高红外的复合加热工艺，对涂层的综合性能最佳。

Claims

1.具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，包括如下步骤：

1)采用的绝缘涂料的成分重量百分比为：有机树脂10-60wt％，无机颜填料28-60wt％，助剂和溶剂1-15wt％，其余为纯水；

2)基板表面处理

3)退火

4)烘烤固化

采用烘烤工艺或多波段高红外加热工艺或两者结合，其中：

2.如权利要求1所述的具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，其特征是，所述绝缘涂料采用ASTM A976-03标准中硅钢C6极厚绝缘涂料。

3.如权利要求1所述的具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，其特征是，所述的基板表面的氧化膜层的平均厚度为0.01～0.5μm。

4.如权利要求1所述的具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，其特征是，所述的退火工艺可与电工钢冷轧后的再结晶退火工艺合并实施，也可经冷轧后单独实施再进入再结晶退火工序。

5.如权利要求1所述的具有良好成膜性能的电工钢极厚绝缘涂层的生产方法，其特征是，烘烤固化步骤中，波长匹配：波长为1～3μm的近、中红外和波长为5～12μm的远红外波段。