CN1227860A - 无取向电工钢的无机/有机绝缘涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在两个表面上均涂覆一种固化的绝缘涂层的无取向电工钢片，其作用是提供一个高水平的表面电阻率，使层间功率损失降至最低。钢片上的固化绝缘涂层包括按每100份干基重量计算20—60份的磷酸铝，20—70份的至少一种无机硅酸盐微粒和10—25份的一种丙烯酸树脂。该固化涂层是由一种酸性水悬浮液形成的，这种悬浮液对每1份树脂可包含按重量计至多1份的一种水溶性有机溶剂。水悬浮液的pH大约为2—2.5,硅酸盐颗粒大小为0.3－60μm，树脂粒径小于lμm，含有低于大约 0.5wt%的未反应的磷酸，其比重大约为1.0—1.3。硅酸盐可以是自硅酸铝、硅酸铝钾和硅酸镁中选择的一种或几种。固化后在钢片每个表面上的涂层厚度为0.5－8μm。绝缘涂覆的无取向电工钢可被用于将电动机，发电机，变压器和其它电气设备的叠片磁芯中的功率损失降至最小。

Description

无取向电工钢的无机/有机绝缘涂层
发明背景
本发明涉及一种无机/有机绝缘涂覆的半制成或完全制成的无取向电工钢，以提供一个高水平的表面电阻率，使层间功率损失降至最小。更具体地说，绝缘涂层是从包含一种磷酸单铝溶液，至少一种无机硅酸盐微粒和一种有机丙烯酸胶乳的一种酸性水悬浮液形成的。本发明的绝缘涂覆无取向电工钢可被用于使电动机，发电机，变压器和其它电气设备的磁芯中的功率损失降至最小。
中型或大型电动机和变压器所用的无取向电工钢片要有一层绝缘涂层，以提供一个高水平的表面电阻率，使得按冲成状态使用由电工钢形成的叠片时层间的功率损失降至最小。在进行热处理，例如应力释放退火(SRA)或在电机修理时为去除绕组绝缘而进行降碳处理后也可能要求这种高水平的表面电阻率。在制造过程中绝缘涂层和钢片必须有很好的附着性，以保证涂层不会从由钢片冲成的叠片边缘剥落。而且绝缘涂层在冲压，开槽或剪断时不应过分粉化，不应堆积在进料辊或其它设备上，不应磨损用于冲压或剪切叠片的模具，应该允许以合理的速度进行由叠片组成的磁芯的焊接，并且应该和磁芯在制造或使用过程中所用的各种化学品及树脂相兼容。
已经知道可以将无机磷酸盐绝缘涂层用于电工钢。无机磷酸盐涂层可以提供优良的表面电阻率和耐热性，但是在冲压叠片时会对模具造成过分的磨损，而且不易和钢片产生良好的附着性。例如美国专利2,501,846报道了可从一种含大约7-50％游离酸的磷酸溶液或一种由溶有氧化镁的磷酸组成的溶液形成一种绝缘膜。美国专利2,743,203报道了一种由溶有氢氧化铝的磷酸溶液形成的用于电工钢的无机磷酸盐绝缘涂层。美国专利3,948,786涉及一种由包含100重量份磷酸铝镁溶液，多达150重量份胶体二氧化硅，和多达25重量份铬酐的溶液形成的用于晶粒取向的电工钢的改进的无机磷酸盐绝缘涂层。这些现有技术的无机磷酸盐绝缘涂层在冲制叠片时与冲制无涂层的电工钢相比都会造成模具磨损的增加。另外，这些涂层和钢片表面的附着性在很大程度上决定于在涂覆前的操作过程中在钢片表面上形成的氧化物膜的性质。
人们也知道可使用含有一种有机树脂的无机绝缘涂层。有机树脂能为固化的涂层提供润滑性，从而降低在冲压涂覆电工钢时模具的磨损速度。包含一种有机树脂的无机磷酸盐涂层能提供优良的表面电阻率，但在钢片的冲压，开槽或剪断过程中可能发生过度粉化，并在冲压，开槽或剪切设备上造成粉化涂层的堆积。在高湿度季节，无机/有机磷酸盐涂层可能吸收大气中的水气而变粘，致使涂层堆积在进料辊，模具，拉伸垫和其它设备上。必须通过清洗从设备上除去聚集的涂层，因而会影响生产率。美国专利4,496,399涉及到一种无机/有机磷酸盐绝缘涂层。此专利披露了一种用于涂覆无取向电工钢的含水组合物，组合物的无机部分包含100份磷酸铝镁及或者是33-250份胶体二氧化硅和10-25份铬酐，或者是30-250份的一种硅酸铝微粒。组合物的有机部分含15-1350份的一种水悬浮液，悬浮液含有40-60 wt％的一种丙烯酸或醋酸乙烯酯树脂的固体。这种涂层的一个缺点是其无机部分含有游离的磷酸，在高温下必定会和钢表面反应，并且还含有磷酸镁化合物，这种化合物必须在高温下使其固化，以预防因未反应的磷酸或吸湿的磷酸盐化合物的存在而引起的粘性。然而在这样高的固化温度下，树脂会发生降解，产生一种不均匀的褐色外观，并使得和钢片的附着性变差。另一个缺点是由于出现薄涂层条纹，用槽轧橡皮计量辊难以在钢片的整个宽度上进行均匀的涂敷。
美国专利3,793,073披露了一种用于涂覆表面不平度至少为20Hr.m.s.微英寸的电工钢的无机/有机绝缘涂层。涂层的有机部分是由选自丙烯酸树脂或共聚物，无水马来酸，氨基酸树脂，木素磺酸钙，聚乙烯醇，酚树脂，醋酸乙烯酯，聚乙烯醇缩醛，醇酸树脂，氯乙烯和环氧树脂的有机树脂构成的。可以使用粒度大于2μm的有机颗粒物质，例如酚醛树脂，三聚氰胺树脂等来提供表面不平度。涂层的无机部分可以包括磷酸类物质或铬酸类物质中的一种或多种。磷酸类物质可包括钙，铝，镁和锌的一种磷酸盐，以及二氧化钛，胶体二氧化硅，胶体氧化铝和硼酸。铬酸类物质可包括钙，镁和锌的一种重铬酸盐，以及二氧化钛，胶体二氧化硅，胶体氧化铝，硼酸和一种有机还原剂。一种用这类无机/有机绝缘涂层涂覆的电工钢具有良好的冲压和焊接质量。这类涂层的一个缺点是当基体金属表面的不平度大于20Hr.m.s.微英寸时不能同时达到很高的表面电阻率、高占空系数及可接受的焊接性。在涂敷到粗糙的钢片表面上时为了保证有良好的电阻率，涂层必须很厚，这会使占空系数很低，并可能对焊缝气孔率造成不利影响。涂层中有一种粒度大于2μm的树脂的另一个缺点是在加工过程中树脂颗粒可能从钢片表面脱离，从而造成过度的粉化和粉化涂层的聚集。这类涂层可能含有铬酸或铬酸盐，因而在涂层的涂敷、涂覆钢片的加工和废涂层的处置过程中还会产生安全和环境方面的问题。
美国专利4,618,377披露了一种用来在电工钢上形成绝缘涂层的无机/有机涂料组合物，它包含一种有机乳液树脂，用一种分散改进剂进行了表面处理的有机树脂颗粒，和一种含有至少一种无机磷酸盐或铬酸盐组分的溶液。经表面处理的树脂颗粒被用于控制固化涂层的表面粗糙度，从而改善其焊接性。乳液树脂可以是单独的丙烯酸系，醋酸乙烯酯，苯乙烯，或丁二烯，或者是醋酸乙烯酯，苯乙烯和丁二烯中的一种或多种的共聚物。经表面处理的树脂颗粒的粒度为2-50μm，可包括聚乙烯，聚丙烯，聚酰胺，聚丙烯酸树脂，聚苯乙烯和苯并三聚氰胺中的一种或多种的共聚物或混合物。涂层的无机部分可包括钙、铝、镁和锌的磷酸盐，钙、镁、锌或铝的铬酸盐或重铬酸盐，以及溶解在磷酸或无水铬酸中的钙、镁、锌和铝的氧化物，氢氧化物或碳酸盐的一种或多种。将涂层烘烤到半熔融，树脂颗粒因而能在固化的绝缘涂层上提供0.5-1.5μm的表面不平度Ra。这类涂层的一个缺点是在涂覆的钢片加工过程中树脂颗粒易于粉化或剥落。由于涂层可能包含铬酸或铬酸盐，因而还会造成安全和环境方面的问题。
美国专利4,844,753披露了一种用于在电工钢上形成绝缘涂层的含水涂料组合物，它包括一种无机铬酸盐成膜组分和一种树脂组分。树脂组分是一种丙烯酸或丙烯酸-苯乙烯乳液和粒度为0.2-1μm的三聚氰胺树脂的混合物。当这些包含一种铬酸盐的无机/有机绝缘涂层被涂得很薄时，涂层是平滑的，但是表面电阻率差。如果为得到高表面电阻率而将铬酸盐绝缘涂层涂得足够厚，在焊接过程中树脂的挥发会产生过多的气孔。如果为使焊接过程中因有机树脂的挥发而产生的焊接气孔降至最少而在铬酸盐绝缘涂层中加入颗粒，则在冲压过程中涂层会过分粉化。由于与涂层的使用和含有可溶性六价铬的副产废物的处理相关的安全和环境问题，这种铬酸盐绝缘涂层是不合乎需要的。
人们还知道可以使用含有作为粘结剂的一种或多种水溶性硅酸盐，例如硅酸钠，硅酸钾，或硅酸铝的电工钢绝缘涂层。这类涂层有碱性的pH，而不是像含有磷酸盐或铬酸盐粘结剂的涂层所具有的酸性pH，基于水溶性硅酸盐的绝缘涂层可以是完全无机的，亦可以包含有机物以改善其冲压性。美国专利3,839,256披露了一种涂料组合物，它含有季铵硅酸盐溶液和乙烯聚合物及乙烯键不饱合的羧酸或酯的水分散液，并可有选择地包含用于改善润滑性的润滑剂，如油类，用于改善润湿性和防止起泡沫的表面活性剂，以及为了降低成本的填充剂。美国专利4,507,360报道了可在美国专利3,839,256的组合物中加入一种选自铬酸锶，铬酸钡和铬酸铅的铬酸盐化合物，以改善其抗腐蚀能力。美国专利4,762,753涉及一种含有硅酸钠，氧化镁或氢氧化镁，二氧化钛和云母的电工钢的无机绝缘涂料组合物。所有这些基于可溶性硅酸盐的绝缘涂层都能提供良好的表面电阻率和耐热性，但是它们使气体保护钨极孤焊过程中焊池流动性变差，造成不均匀不连续的焊缝。
因此现在仍然需要一种用于无取向电工钢片的绝缘涂层，它能提供良好的表面电阻率，使层间功率损耗降至最小，有良好的抗水蒸汽吸收能力，能提供与钢片的良好附着性，在从钢片冲制叠片的过程中所造成的模具磨损最小，在叠片冲压过程中不产生过度粉化或不在冲压设备上造成涂料的堆积，能承受应力释放退火和降碳热处理，并且不产生过多的焊接气孔。目前还需要一种成本低廉，和制造磁芯时所使用的各种化学药品及树脂相容，不包含会引起价昂的环境处理问题的铬酸盐的无取向电工钢片的绝缘涂层。还需要一种在涂敷和涂层使用过程中不会产生由于六价铬的存在而引起的安全问题的无取向电工钢片的绝缘涂层。发明概述
本发明涉及一种在两个表面上都涂覆了一层固化的绝缘涂层的无取向电工钢片，它能提供一个高水平的表面电阻率，使得在电动机，发电机，变压器和其它电气设备的磁芯中的层间功率损失降为最小。电工钢片上的固化绝缘涂层按每100份干基重量计包含20-60份磷酸铝，20-70份的至少一种无机硅酸盐微粒和10-25份的一种丙烯酸树脂。固化的绝缘涂层是由包含一种磷酸单铝溶液、硅酸盐微粒和一种丙烯酸胶乳的一种酸性水悬浮波形成的。这种悬浮液可包含对每1份丙烯酸树脂来说多达1重量份的一种水溶性有机溶剂。
本发明的另一个特点是上述绝缘涂覆的电工钢片的Franklin电流不超过大约0.2A。
本发明的另一个特点是在每一侧钢片表面上的上述固化涂层的厚度为0.5-8μm。
本发明的另一个特点是上述硅酸盐微粒的粒度为0.3-60μm。
本发明的另一个特点是上述悬浮液的粘度为15-300cP。
本发明的另一个特点是上述悬浮液的比重为大约1.0-1.3。
本发明的另一个特点是上述酸性水悬浮液的pH大约为2.0-2.5，所含的未反应的磷酸＜0.2wt％。
本发明的一个主要目的是提供一种能在无取向电工钢片上形成一种在潮湿大气中有低吸湿性的绝缘涂层的组合物。
本发明的另一个目的是提供一种能在无取向电工钢片上形成一种在热处理，例如应力释放退火前与后都提供改善的附着性和降低的粉化度的绝缘涂层的绝缘涂料组合物。
本发明的又一个目的是提供一种能在无取向电工钢片上形成一种固化的绝缘涂层的组合物，它能为钢片提供高表面电阻率，良好的冲压性，在合理的焊接速度下有良好的焊接性，在焊缝中产生的气孔最少，可以使用例如槽轧橡皮计量辊这样的工具将其涂敷到钢片上，形成无裸斑或薄层条纹的均匀涂层，并且不产生与六价铬的使用或处理有关的安全或环境问题。
本发明的一个优点是在无取向电工钢片上的固化绝缘涂层在潮湿的大气中有低吸湿性，而且不会在冲压、开槽或剪切设备上造成涂料堆积。
其它优点包括用来在无取向电工钢片上形成固化绝缘涂层的组合物有改进的附着性和抗粉化能力，能提供高水平的表面电阻率，不需要一种铬盐，因而避免了涂层使用和处置过程中的安全和环境问题，并且能够用槽轧橡皮计量辊方便地涂敷到电工钢片上，不出现薄层条纹或其它缺陷。
从以下对本发明优选的实施方案的叙述中可以清楚地看到以上的目的、特点和优点等。优选实施方案的叙述
本发明涉及一种经无机/有机绝缘涂覆的半制成或全制成的无取向电工钢和一种固化的绝缘涂层组合物，由此可提供一个高水平的表面电阻率，使层间功率损失降至最小。无取向电工钢的特点是在所有方向上有着几乎均匀的磁性。这类钢包含铁、硅和/或铝，使钢片有较高的比电阻，并由此降低了铁芯损耗。无取向电工钢还可含有锰、磷和其它通常知道的能提供较高电阻率、降低在磁化过程中产生的铁耗的元素。
本发明的无取向电工钢被熔融、浇铸和热加工成长条形的板材、带材或箔，在下文中称之为钢片。钢片的熔体组成包含低于0.1％，最好是低于0.01％的C；0.2-3.5％，最好是1.5-3.3％的Si；0.05-1.5％，最好是0.2-0.8％的Al；0.05-0.5％，最好是0.1-0.5％的Mn；多达0.2％的P，低于0.7％的Cr，低于0.1％的S，多达0.2％的用于在退火过程中抑制钢片内部氧化的Sb和/或Sn，其余是铁和通常的残留元素，例如Cu,Ti,N和Mo。钢片可以利用例如铸锭，厚板坯连铸，薄板坯连铸，带坯连铸方法，或者其它的使用所述熔体组成的压制带钢生产方法来生产。从板坯生产钢片时，将板坯重新加热到大约1230℃，并热加工，例如热轧成适合于进一步加工的厚度为1.8-2.0mm的带钢。对于经过热加工的带钢可以有选择地进行退火，酸洗去除氧化皮，在一步或多步中冷轧减厚大约60-85％，并在870-1070℃的最高金属温度下进行大约30-40sec的最终退火。在冷轧后但在最终退火前，可对钢片进行脱碳退火，使碳降到0.003％或更低。在最终退火过程中钢片形成所需的最终晶粒大小，以及作为涂敷本发明绝缘涂层的基底的表面氧化物层。使用例如轧辊的计量工具将这种绝缘涂层涂覆到经最终退火的钢片的两面。然后使钢片通过一个炉子，感应线圈，或其它类似设备使绝缘涂层固化，在这些设备中钢片被加热到大约220-350℃，最好是300-330℃的最高金属温度。
本发明的无取向电工钢可以是全制成的，或半制成的。所谓全制成的无取向电工钢指的是一种经过热加工的钢，它已任选地经过了退火，酸洗，冷轧减厚，如果需要的话经过了脱碳，经过最终退火使晶粒生长形成最佳的磁性，然后用一种绝缘涂层进行了涂覆。而半制成的无取向电工钢指的是经过冷轧减厚的钢片，在钢片制造厂中它未经过完全的脱碳或最终退火以形成最佳的晶粒尺寸。相反地，最终退火是由用户在从钢片冲压成叠片后完成的。
在最终退火以后，用一种酸性水悬浮液在本发明的无取向电工钢的两个表面上进行涂覆，这种悬浮液的每100干重量份含有20-60份无机磷酸单铝，20-70份的一种或多种无机硅酸盐微粒，和10-25份的一种丙烯酸树脂。对于每1份丙烯酸树脂来说这种悬浮液最好是含有多达1重量份的一种水溶性有机溶剂。水悬浮液的pH为大约2.0-2.5，最好是大约2.3。水悬浮液的比重最好在1.0-1.3，尤其是大约1.02-1.25。按干基重量计磷酸单铝和丙烯酸树脂的比率最好是至少1.5∶1，尤其是至少2.0∶1。硅酸盐的平均粒径，即等价球体直径最好是0.3-60μm，尤其是0.4-40μm。丙烯酸树脂可以是丙烯酸，甲基丙烯酸，这些酸的酯，丙烯腈和苯乙烯的一种共聚物。这种共聚物可以是一种含有例如丙烯酸缩水甘油酯，衣康酸和丙烯酸羟乙酯的官能单体的热塑性树脂或热固性树脂。水溶性有机溶剂可包括一种或多种乙二醇醚溶剂，一种或多种不同的醇类，或它们的混合物。悬浮液可以被均匀地分配到钢片的整个宽度上。和可能含有大量游离磷酸的现有技术磷酸盐涂层不同，本发明的酸性水悬浮液仅含有少量的未反应游离磷酸。少量游离磷酸指的是本发明的酸性水悬浮液含有低于大约0.2wt％的未反应的磷酸。在固化本发明的涂层时不需要现有技术常用的400℃的高温，因而能防止由未反应的磷酸或吸湿性的磷酸镁或磷酸镁铝化合物的存在所造成的变粘。因此可以在大约325℃的最高金属温度下进行钢片上液体涂层的固化。在每一侧钢片表面上固化的不粘手的绝缘涂层的厚度至少是0.5μm，最好是2-8μm。本发明的绝缘涂覆的无取向电工钢可被用来使电动机，发电机，变压器和其它电气设备的叠片磁芯中的功率损失降至最小。
本发明的固化绝缘涂层含有20-60，最好是30-50份的无机磷酸铝。本发明的一个基本特点是经固化的绝缘涂层至少含有20份，即20干wt％的磷酸铝。数量较少的固化绝缘涂层中的磷酸铝会使涂层在加工过程中更容易粉化。固化绝缘涂层不应含有超过60份，即60干wt％的磷酸铝，因为那样会使绝缘涂覆钢片冲压过程中模具的磨损变得过分严重。
本发明的固化绝缘涂层还含有10-25份，最好是15-20份的一种丙烯酸树脂。本发明的另一个基本特征是经固化的绝缘涂层至少含有10份，即10干wt％的丙烯酸树脂，以防止冲压时模具的过分磨损。固化绝缘涂层不应含有超过25份，即25干wt％的丙烯酸树脂，以避免因树脂挥发而产生的焊接气孔。当固化绝缘涂层的丙烯酸树脂含量不超过25份时，涂层的硬度不会显著降低，对于涂覆电工钢叠片的正常处理和加工来说是足够的。
丙烯酸胶乳应被认为是指聚合的丙烯酸树脂微粒在一种基本上是水性介质中的稳定的分散体。重要的是在与酸性水性涂料悬浮液混合时，本发明涂层的有机组分仍然是一种稳定的微细分散体。本发明的丙烯酸树脂的颗粒大小通常不超过1μm，最好是小于0.5μm。重要的是成一种丙烯酸胶乳的形式将本发明的有机组分加入到酸性水悬浮液中，因为这样就不需要用大量的有机溶剂来增溶有机组分，使涂层中挥发性有机组分的含量较低。可以采用的树脂包括丙烯酸，甲基丙烯酸，它们的酯，苯乙烯和丙烯腈的共聚物。可以包含例如丙烯酸缩水甘油酯，衣康酸和丙烯酸羟乙酯这样的官能单体，以便为交联提供反应活性点。
本发明的另一个基本特征是组合物含有20-75，最好是25-65份的至少一种无机硅酸盐微粒。固化的绝缘涂层至少应含有20份，即20干wt％的硅酸盐微粒，以提供足够的耐磨性，从而能防止表面电阻率的降低和保持良好的焊接性。固化绝缘涂层不应含有超过70份，即70干wt％的硅酸盐微粒，因为那样的涂层在加工过程中容易发生粉化。
本发明的硅酸盐微粒大小也很重要，最好应在0.3-60μm的范围中。硅酸盐的粒度会影响固化涂层的粗糙度，后者可能影响焊接性和加工过程中的粉化程度。粒度不应小于0.3μm，因为那样的话涂层表面会太光滑，以致不能防止焊接气孔的产生，而且对于某些应用来说摩擦系数可能会太低。粒径也不应超过大约60μm，因为在加工过程中和退火之后会发生涂层的粉化。适用于本发明的硅酸盐微粒包括如像硅酸铝，硅酸铝钾或硅酸镁那样的无机的，不可溶的，而且有层状结构的硅酸盐。
本发明的酸性水涂料组合物对于每1份丙烯酸树脂来说可含有多达1份的一种水溶性有机溶剂，以防在固化涂层中出现像小裸斑或薄涂层条纹那样的缺陷。当涂布线速超过大约20m/min时，为了防止因过多的涂料被槽轧橡胶辊从钢片上带走而形成涂层条纹，就应该在水悬浮液中加入上述溶剂。水溶性有机溶剂还会改善水性涂层悬浮液对钢表面的润湿性，从而使涂层的均匀性和在钢片整个宽度上的覆盖得到改善。可以采用的水溶性有机溶剂包括乙二醇醚类和各种醇类。对每1份丙烯酸树脂来说水溶性有机溶剂的用量最好至少为0.2。如果每份丙烯树脂的水溶性有机溶剂用量超过1份，水悬浮液的稳定性可能不好，造成在使用过程或贮存过程中粘度的过份增加。此外水溶性有机溶剂最好应有一个至少大约为7的Davies亲水亲油平衡(HLB)值，以免随着时间粘度会过分增高。如果每份丙烯酸树脂的水溶性有机溶剂用量超过1份的话，在涂层固化过程中释放的挥发性有机化合物的数量会太高，造成对环境污染的加重。
为了在钢片的整个宽度上得到均匀的覆盖而需要考虑的另一个重要因素是涂料的粘度。用Brookfield LVF粘度计，LV2心轴，在60rpm下测量的粘度应该是大约15-300cP，最好是大约60-200cP。如果粘度低于大约15cP，在用槽轧橡胶计量辊涂敷时很可能会出现裸斑纹或薄涂层条纹，硅酸盐颗粒会更快地从悬浮液中沉降下来，而且固化的绝缘涂层表面可能会太光滑，不能产生适合的焊接性。如果粘度超过大约300cP，在用槽轧计量辊涂敷后涂层会不均匀，在固化后的涂层中仍然会有明显的辊槽花纹，这些可能会对占空系数，抗腐蚀性和涂覆钢片加工过程中的滑动性产生不利的影响。粘度范围最好是60-200cP，可使条纹的出现最少，并能形成有适合的表面不平度，有最佳焊接性的固化涂层。
本发明的涂料组合物还可包含少量助剂，例如起改善润湿性，减少泡沫，和改善硅酸盐颗粒分散性作用的表面活性剂；起增加绝缘涂层硬度和改善化学安定性的交联剂；以及起改善润滑性和耐擦伤性的润滑剂。还可以在涂层悬浮液中加入在大约2.0-2.5的低pH值下稳定的防水丙烯酸树脂，以改善流动特性和固化涂层的化学安定性。
为了能均匀地涂布到钢片表面的整个宽度上，可以用例如槽轧橡皮辊，接触辊，橡皮刮板，喷雾或靠浸渍将涂层组合物涂布到钢片的每个表面上。可以用槽轧橡胶辊，气刀等将过量的涂料从钢片表面上除去。然后使涂有液体的钢片通过一个炉子，在大约15-30sec内将组合物加热到至少220℃，最好是至少300℃的最高金属温度，或者是在大约5sec内通过感应加热进行固化。在固化完成后，在每一侧表面上的干绝缘涂层厚度应该至少是大约0.5μm，最好至少2.0μm。涂层厚度应至少为大约0.5μm，因为如果厚度更小时将无法达到高水平的表面电阻率。涂层厚度也不应超过大约8μm，因为叠片组的占空系数会受到相反的影响。如果涂层厚度超过大约8μm，绝缘涂层会更容易发生粉化和产生气孔。固化后绝缘涂覆的电工钢片的Franklin电流(ASTM717)在2.1MPa和21℃下不超过大约0.2A。实例1
作为实例在实验室中用一种酸性水悬浮液进行了本发明的全制成无取向电工钢片的涂布，悬浮液包含一种磷酸单铝溶液，一种无机硅酸盐微粒，一种丙烯酸胶乳，和一种水溶性有机溶剂。在下文中被称作发明涂层Ⅰ的这种水悬浮液是按以下方式制备的。按100份总固体的干基重量计，将21.1份丙烯酸树脂加到一个混合容器中。这种丙烯酸胶乳是由Union Carbide Corporation,UCAR EmulsionSystems,Cary,North Carolina制造，并以商品名UCAR Vehicle443出售的。它含有41wt％的苯乙烯-丙烯酸聚合物和大约59 wt％的水。胶乳中苯乙烯-丙烯酸聚合物颗粒的平均粒径为0.15μm。然后将一种水溶性有机溶剂，二乙二醇一丁醚加到丙烯胶乳中。这种溶剂是由Union Carbide Corporation,Solvents and CoatingsMaterials Division,Danbury,Connecticut制造，并以商品名Butyl Carbitol出售的。对于每1份丙烯酸树脂，所加的有机溶剂的量为0.073份。然后在强烈搅拌下，按干基重量加入41.0份硅酸铝微粒，以得到硅酸盐颗粒的良好分散。硅酸铝是由EnglehardCorporation,Specialty Minerals and Colors Group制造，并用商品名ASP 200出售的。它是一种由高岭土制得的水合硅酸铝，平均粒径0.4μm，烧失量14％,pH 3.5-5.0。按干基重量计将37.5份磷酸铝加到硅酸盐微粒和丙烯酸树脂的混合物中。磷酸铝是成一种磷酸单铝溶液的形式加入的，它可以从Interstate Chemical Company,Hermitage,Pennsylvania按商品名Monoaluminum Phosphate买到。磷酸单铝溶液是一种Al(H2PO4)3在水中的50wt％的溶液，比重为1.47。加水将得到的酸性悬浮液的比重调节到大约1.14。利用槽轧橡皮计量辊将发明涂层Ⅰ涂布到厚度为0.47mm的全制成无取向电工钢片上，然后在一个设定在482℃的炉子中固化32sec，使钢片的最高金属温度为232℃。每一侧的干固化膜厚度为大约2.3μm。
为了和上述发明涂层Ⅰ比较，根据现有技术的说明制备了两种无机/有机铬酸盐绝缘涂层。首先，将下述组分混合，制备了一种有光滑表面的无机/有机铬酸盐涂层，在下文中被称作为光滑铬酸盐涂层：按100份总固体的干基重量计47.8份铬酐(CrO3),14.3份氧化镁(MgO),10.5份硼酸(H3BO3)，和27.4份丙烯酸树脂(UnionCarbide UCAR 443 Vehicle)。对每100份铬酐还加入了20份甘油，以便在固化过程中将六价铬还原为四价铬。加水将比重调节到大约1.14。利用槽轧橡皮计量辊将这种现有技术的组合物涂布到无取向电工钢片上，并在482℃下将涂层固化大约46-48sec，使最高金属温度达到292-300℃。固化涂层的厚度为2.2-2.5μm。为进行对比而制备的第二种无机/有机铬酸盐涂层由于加入了有机物大颗粒而具有粗糙表面，在下文中将其称为粗糙铬酸盐涂层。按干基重量计算这种涂层包含：47.8份铬酸，14.3份氧化镁，10.5份硼酸，19.2份丙烯酸树脂(UCAR 443丙烯酸树脂)，和8.1份平均粒径为18μm的聚乙烯颗粒。聚乙烯颗粒是由Shamrock Technologies Inc.,Newark,New Jersey制造，在市场上按商品名Texture Ultra Fine出售的。根据美国专利3,793,073和4,618,377的说明，加入有机物大颗粒是为了增加表面粗糙度和减少焊接气孔。按照和前述光滑铬酸盐涂层同样的步骤，用这种组合物制备了涂覆的无取向电工钢片。
为了进一步的比较，在实验室中用在下文中被称为商业磷酸盐涂层Ⅰ和Ⅱ的两种可在市场上买到并被广泛使用的无机/有机磷酸盐绝缘涂层对全制成的无取向电工钢片进行了涂布。这两种涂层是专有的水溶性涂层，包含无机磷酸盐组分，无机硅酸盐微粒，和有机树脂。商业磷酸盐涂层Ⅰ和Ⅱ的一个区别是商业磷酸盐Ⅱ中的无机颗粒比商业磷酸盐Ⅰ的颗粒大，因而得到一种更粗糙的固化涂膜。用水将这两种涂料稀释到比重为1.13-1.14，用槽轧橡皮计量辊涂布到钢片上，并在482℃下固化24-26sec，使最高金属温度达到大约200-210℃。固化涂膜的厚度为2.3-2.5μm。
表1中给出了对涂覆的钢片所进行的检验结果。抗粉化性能是在用一台Sutherland Ink Rub检测仪在恒定压力下使两个涂覆试样相互摩擦一个给定次数时根据所产生的粉末数量来评价的。附着能力是将涂覆试样围绕一个6.4mm直径的芯棒弯曲180°，并测量能用透明胶带从弯曲部位的外表面上剥离的涂层数量来评价的。还在816℃下在干燥的95％氮气和5％氢气中对涂覆试样进行1小时的应力释放退火(SRA)后，将试样围绕一个12.7mm直径的芯棒弯曲180°，并测量能用透明胶带剥离的涂层数量来评价其附着能力。表面电阻率是根据ASTM A717用一台Franklin检测仪在完成涂覆的条件和在816℃下经应力释放退火后检验的。焊接性是用气体保护钨极弧焊在1.2MPa的箝紧压力，2.4mm直径的镀钍钨电极，0.85m3/min流量的氩保护气体，14-15V电压，100-250A电流和25-152cm/min焊接速度下，对7cm高的涂覆试样叠层按平焊方式评价的。对于每一种涂层和焊接条件评价了焊缝中的气孔量和焊缝的连续性。
在表1中对于所评估的每一种性质按照从最好到最差的顺序对本发明的涂层和4个对比涂层进行了排队。还根据众所周知的对于电工钢绝缘涂层的要求将检验结果划分为合格的，或勉强合格的/不合格的。没有一种对比涂层是完全合格的。在除焊接性以外的所有项目中发明涂层Ⅰ都被判定为合格的。在将叠片焊接到磁芯的生产中可能采用的焊接条件下可以发现过多的焊接气孔。在摩擦时发明涂层Ⅰ的粉化倾向较低，这应该使它在冲压或开槽操作中的粉末堆积较少。发明涂层Ⅰ在退火前和退火后对钢片都有优异的附着能力，还能在退火后提供高水平的表面电阻率。
为确定是否能通过提高表面粗糙度来减少焊接气孔，在发明涂层Ⅰ中另外加入了更大的硅酸盐颗粒。制备了在下文中被称为发明涂层Ⅱ的下述组合物，所有组分都按100份总固体的干基重量来表示：20.1份的一种丙烯酸树脂(前面在实例1中所述的Union CarbideUCAR 443 Vehicle),26.9份的一种硅酸铝微粒(在实例1中所述的Englehard ASP200),3.9份的一种硅酸铝钾颗粒，和49.2份磷酸铝。硅酸铝钾颗粒是由Aspect Minerals Inc.,Spruce Pine,North Carolina制造，并按商品名AlbaFlex200出售的。硅酸铝钾是一种高纯度的湿磨白云母，平均粒径22-27μm，烧失量4.27％，pH 7-8。用发明涂层Ⅱ涂布全制成的无取向电工钢片试样，并按和前述发明涂层Ⅰ相同的方式进行固化。固化涂膜的厚度为大约2.0μm。用和前述的发明涂层Ⅰ相同的条件评估了发明涂层Ⅱ的焊接性能。和发明涂层Ⅰ相比，焊接气孔的发生大大降低。
                              表1抗粉化性能         附着能力-固化的     附着能力-SRA之       焊接气孔         固化的表面电阻率       SRA之后的表面电阻率Sutherland磨擦     6.4mm弯曲检验       后12.7mm弯曲检验     GTAW焊接性       Franklin检测电流       Franklin检测电流(A)
检验                                                                          (A)光滑铬酸盐涂层     发明涂层Ⅰ          发明涂层Ⅰ           粗糙铬酸盐涂层   商业磷酸盐Ⅱ(.02A)     粗糙铬酸盐涂层(.16A)发明涂层Ⅰ         商业磷酸盐Ⅰ        光滑铬酸盐涂层       商业磷酸盐Ⅱ     商业磷酸盐Ⅰ(.04A)     发明涂层Ⅰ(.26A)粗糙铬酸盐涂层     光滑铬酸盐涂层      粗糙铬酸盐涂层       发明涂层Ⅱ*     粗糙铬酸盐涂层(.05A)   光滑铬酸盐涂层(.27A)    最好
                                                        商业磷酸盐Ⅰ     发明涂层Ⅰ(.08A)       商业磷酸盐Ⅱ(.35A)      合格
                                                                                                商业磷酸盐Ⅰ(.36A)商业磷酸盐Ⅰ       粗糙铬酸盐涂层      商业磷酸盐Ⅰ        光滑铬酸盐涂层    光滑铬酸盐涂层商业磷酸盐Ⅱ                           商业磷酸盐Ⅱ        发明涂层Ⅰ         (.13A)                                        勉强合格
                                                                                                                        或不合格
                                                                                                                        最差
                                       *焊接性是对发明涂层Ⅱ评估的唯一性能·Suthertand磨擦检验：在21b(9.08kg)负荷下，每分钟85次，共950次的目视评估的粉末数量·附着能力-固化的：试样围绕6.4mm(0.25英寸)直径的芯棒弯曲180°，张紧表面上的透明胶带·SRA(应力释放退火)之后附着能力-围绕12.7mm(0.25英寸)直径弯曲180°，张紧表面上的透明胶带·SRA条件：816℃(1500°F)浸泡，1小时，在95％N2-5％H2干燥·GTAW条件：平板位置，0.85m3/min流量的氩保护气体，14-15V电压，100-250A电流，焊接速度25-152cm/min，箍紧压力0.12kg/mm2。·Franklin检验条件、300psi,21℃实例2
在实验中用前面在实例1中所述的发明涂层Ⅱ和商业磷酸盐涂层Ⅰ涂布了无取向电工钢片试样，并在润湿大气中检验了吸水性。每种涂层按实例1所述进行涂布和固化。在涂布前称量试样重量，在涂层固化后再次称重，以确定涂层重量，按g/m2钢片单位来表示。然后将涂覆试样在一个温度为21℃，相对湿度为99-100％(不冷凝的)的湿润箱中放置48小时。从湿润箱中取出后，立即再次称量试样重量，并将增重或每种涂层的吸水量换算成原来涂层重量的百分数。将结果综合于下。
                  吸水量(涂层重量％)
发明涂层Ⅱ        9
商业磷酸盐涂层Ⅰ  26
将复制的发明涂层Ⅱ和商业磷酸盐涂层试样提交给一个在潮湿气候地理位置的电机制造商，以评价在潮湿天气中变粘的倾向。这个电机制造商过去曾遇到过因变粘涂层造成的在冲压设备上涂料堆积的问题。在该地用一种可从市场上买到的磷酸盐无机/有机涂层(商业磷酸盐涂层Ⅰ)作为生产原料时会在冲压机进料辊上造成严重涂料堆积问题的季节中，进行了试样粘性的评价。根据用手触摸涂覆试样的感觉判定有商业磷酸盐涂层Ⅰ的试样是很粘的，与生产原料相似。而用发明涂层Ⅱ涂布的试样则是不粘的。
这些结果显示与广泛使用的商业磷酸盐无机/有机涂层相比，发明涂层Ⅱ从潮湿大气中吸收水份并变粘的倾向较低。实例3
在一个涂布生产线上用一种和实例1中的发明涂层Ⅱ有相同组成的酸性水悬浮液涂布两个厚度0.47mm的元取向电工钢卷材(大约15公吨)。加水将涂层悬浮液的比重调节到1.125。用槽轧橡皮计量辊将涂料涂布到以23m/min的线速度移动的钢板的两个表面上。将线速度限制为23m/min是因为在更快的速度下会形成薄涂层条纹或裸斑纹。涂布后使钢板通过一个12m长的有明焰气体烧咀的炉子，使涂层固化。钢板在炉内的停留时间大约为30sec，最高金属温度大约为329℃。通过固化炉后将钢板冷却到接近室温，在涂布线的终端将钢板卷绕起来。经固化的涂层有着不粘手的，光滑均匀的浅灰色外观。由于钢表面的润温性差，偶尔在固化膜上可以看到小的裸斑。在表2中综合了对于从生产的卷材取到的试样所进行的检测的结果。
                              表2涂层厚度(μm)                                    1.7Franklin电流(A)
固化完成                                     .12
SRA后(816℃,1hr，干燥的95％N2-5％H2)       .49
在空气中降碳后(482℃,16hr)                   .07附着性：
固化完成(12.7mm弯曲)                         不剥落
SRA后(扁平胶带检验)                          不剥落
在空气中降碳后(扁平胶带检验)                 不剥落化学安定性：
表面pH(石蕊试纸检验)                          5-6
甲醇摩擦检验                                  无化学浸蚀
涂层厚度略低于要求值，这是由于为了避免出现条纹而必须用水将涂料悬浮液稀释到1.125的比重。因此固化完成的试样的Franklin电流值略高于理想值，不过对于在大型转动机械中应用来说还是完全可以接受的。在816℃和H2-N2气氛中进行SRA以后，以及在进行模拟的电机定子绝缘剥除处理或在482℃和空气中进行16hr的降碳处理后，Franklin电流也是良好的。固化完成及SRA和降碳处理后涂层和钢片的附着性都是优良的。涂层能抵抗甲醇的浸蚀，并且在用润湿的石蕊试纸检验时不显示残余的表面酸性迹象。和可从市场上买到并广泛使用的磷酸盐无机/有机绝缘涂层，例如实例1中的商业磷酸盐涂层Ⅰ相比，在试用过程中观察到发明涂层Ⅱ有以下操作上的优点：(1)发明涂层Ⅱ对于在涂布生产线停车过程中发生的过热不太敏感，因此有比较均一的颜色和外观，(2)在涂敷和固化过程中发明涂层Ⅱ产生的气味较少，(3)发明涂层Ⅱ在涂布生产线上的板材边缘上不产生粉尘或涂料堆积。以及(4)发明涂层Ⅱ中的硅酸盐颗粒不像商业磷酸盐涂层那样容易从涂料罐中的悬浮液中沉积出来，因此更容易清理。
将这次实验得到的涂覆无取向电工钢片送交一个电机制造商，并继续完成加工过程，以便评估组装到定子和转子中的难易程度，尤其是在高湿度条件下在冲压设备上发生涂料堆积的倾向。在用这种钢板在各种不同的环境温度和湿度条件下冲制定子和转子叠片后，得到的结论是发明涂层Ⅱ不变粘，而且不在冲压设备上造成涂料的堆积。判定了固化后的涂层和钢片有优良的附着力，而且在冲压过程中涂层不产生很多粉尘或粉末。因为发明涂层Ⅱ不会在铸铝中造成气孔，所以适用于鼠笼式转子的铝压铸件。使一个试验定子铁心经受一个真空压力浸渍(VPI)加工过程，用一种环氧树脂进行浸渍。在此加工过程后在有发明涂层Ⅱ的铁心的固化环氧浸渍树脂中没有气泡，也没有其它问题。经过同样的VPI加工过程，商业磷酸盐涂层Ⅰ由于在固化环氧树脂的加热过程中从涂层中释放出吸附水，因而在环氧浸渍树脂中造成严重的起泡现象。在电机铁心制造过程中观察到的发明涂层Ⅱ的唯一问题是由于涂层的摩擦在冲压过程中造成冲压生产线上支撑板，辊等底面的轻微磨损。
这首次试生产表明本发明的涂层：(1)消除了在高环境湿度季节和冲压可从市场上买到的磷酸盐无机/有机涂层有关的问题，(2)在涂布和固化过程中产生的气味较少，(3)在涂布生产线上的板材的边缘不产生粉尘和涂料堆积，以及(4)由于硅酸盐颗粒不象商业磷酸盐涂料那样容易沉降，所以较容易涂布，而且涂敷后的清理也较容易。这首次试生产还表明本发明的涂层能满足对于用在大型旋转机械的磁芯中所使用的绝缘涂层的许多要求。但也发现了本发明的一些缺点，包括在用槽轧计量辊涂布涂料过程中容易出现条纹类的缺陷，在固化的涂膜中因浸润性稍差而出现小的裸斑，以及在冲压过程中对底面的轻微磨损。如在实例4和5中所示，在配方中加入少量的水溶性有机溶剂和提高硅酸盐微粒的用量解决了这些问题。实例4
在涂布生产线上使用按干基重量计算的以下涂层组合物进行了试验：
丙烯酸树脂                         14.8
硅酸铝                             22.8
硅酸铝钾                           22.8
磷酸铝                             39.6
在配制涂层时所用的配料和在前述实例中所述的那些相同。这种在下文中被称为发明涂层Ⅲ的涂层组合物和发明涂层Ⅱ的区别在于硅酸铝钾的含量较高。酸性涂层悬浮液的比重为1.20，用槽轧橡皮计量辊将其涂布到带钢上。以40m/min的线速度涂布了4个厚0.47mm的无取向电工钢卷材。使涂覆过的带钢通过一个12m长的明焰炉，在最高金属温度327℃的条件下进行固化。
在停车后重新起动生产线时会出现一些裸斑纹或薄涂层条纹的问题，但是一旦生产线速度达到40m/min的稳定状态时就没有条纹出现了。固化涂层有均匀的灰白色外观。对试验得到试样所进行的检验的结果示于表3。
                            表3涂层厚度(μm)                                   2.5-3.0Franklin电流(A)：
固化完成                                    .02
SRA后(816℃,1hr，干燥的95％N2-5％H2)      .30
在空气中降碳后(482℃,16hr)                  .03占空系数(％)                                    97-98吸水率-100％RH,48hr(涂层wt％)                   5化学安定性(棉拭摩擦检验-摩擦100次)水                                              无化学浸蚀甲醇                                            无化学浸蚀VPI环氧                                         无化学浸蚀附着性
固化完成(3.2mm直径弯曲/胶带检验)            不剥落
SRA后(6.4mm直径弯曲/胶带检验)
   粉末                                     无
   弯曲部位(受拉面)                         不剥落
降碳后                                      不剥落焊接气孔
焊接速度38cm/min                        无
焊接速度76cm/min                        无-轻微
焊接速度152cm/min                       中等-严重这些结果表明发明涂层Ⅲ提供了优良的表面电阻率，占空系数和附着性。另外，和可从市场买到的磷酸盐无机/有机涂料相比，当暴露在高湿度大气中时涂层吸收的水要少得多，使得粘性降低，而且在冲压和开槽设备上涂料堆积的倾向也降低了。由于增加了硅酸铝钾的含量，和发明涂层Ⅱ相比用发明涂层Ⅲ涂覆的电工钢片的TIG焊接性得到改善。以高达76cm/min的焊接行进速度焊接时在焊缝中观察到最轻微的气孔，这种焊接速度对于大多数应用来说应能提供可接受的生产率。这种焊接性和用前述商业磷酸盐涂层Ⅰ所能达到的水平相似。
用发明涂层Ⅲ涂覆的卷材在开槽以后，在和拉伸垫接触的表面上仅能发现非常微小的摩擦斑痕和划痕，这表明与发明涂层Ⅱ相比本涂层的耐磨性得到了改进。将用发明涂层Ⅲ涂覆的无取向电工钢材料组装到电机中不会有任何加工问题，例如在冲压设备上的涂料堆积。
本试验表明和发明涂层Ⅱ相比发明涂层Ⅲ增加了硅酸铝钾的用量，这使得焊接性和耐磨性得到了改进。这两种性质都被改善到可接受的水平。发明涂层Ⅲ唯一的缺陷是在低涂布生产线速度下用槽轧计量辊涂敷时有出现裸斑纹或薄涂层条纹的倾向。实例5
在本试验中用与发明涂层Ⅲ相同的组合物涂布了0.47mm厚的无取向电工钢，不同的是对每1份丙烯酸树脂加入了0.20份乙二醇一丁醚和0.20份异丙醇。这两种溶剂都是水溶性有机溶剂，可降低水基涂料的表面张力。实验工作表明在实验室中加入一种或多种水溶性溶剂大大降低了用槽轧计量辊涂敷时出现条纹的可能。乙二醇一丁醚是由Union Carbide Corporation,Solvents and CoatingsMaterials Division,Danbury,CT制造，用商品名ButylCellosolve出售的。将Butyl Cellosolve和异丙醇加到涂料中以后，加入水以达到最终的比重1.20。如上所述用槽轧橡皮计量辊以40m/min的线速度将在下文中被称为发明涂层Ⅳ的这种涂料涂敷到电工钢带上，并在一个12m长的炉子中在最高金属温度327℃条件下进行固化。
无论在生产线停车后，或在稳态的线速度下，在涂料涂布过程中都不出现条纹。和上述在涂料中不加有机溶剂的试验相比，钢表面的润湿性也得到了改善，使得小裸斑的出现较少。固化后的涂层有一种均匀，无光泽，灰白色的外观。每一面的涂层厚度在1.8-2.9μm范围中，而固化后的Franklin电流为0-0.01A。根据12.7mm直径弯曲检验，涂层的附着性是可接受的。将实验涂覆的无取向电工钢提供给一个电机制造商，在加工成磁芯的过程中未出现诸如在冲压过程中涂料堆积或粉化的问题。
本试验表明在本发明的涂料中加入一种或多种水溶性有机溶剂可以消除在用槽轧橡皮计量辊涂布时出现涂层条纹的问题，还可改善涂层对钢片表面的润湿性，从而得到更均匀的覆盖。加入有机溶剂对于固化后涂层的任何性质都不会产生不利的影响。
应该看到可以对本发明做各种变更，而不脱离它的精神和范围。因此本发明的范围应该由所附的权利要求来确定。

Claims (12)

1．一种两个表面都用一种绝缘涂层涂覆的无取向电工钢片，以提供一个高水平的表面电阻率，使层间功率损失降为最小，该涂层基本上由一种无机/有机经固化的涂层组成，对于100份的干基重量它包含：
20-60份磷酸铝，20-70份的至少一种无机硅酸盐微粒和10-25份的一种丙烯酸树脂，
该涂层是由包含一种磷酸单铝溶液、硅酸盐微粒和一种丙烯酸胶乳的一种酸性水悬浮液形成的，
这种悬浮液的每1份丙烯酸树脂包含至多1重量份的一种水溶性有机溶剂。
2．权利要求1的涂层，其中经绝缘涂覆的钢片的Franklin电流不超过大约0.2 A。
3．权利要求1的涂层，每个表面上的涂层厚度至少为0.5μm。
4．权利要求1的涂层，包含30-50份磷酸铝。
5．权利要求1的涂层，包含25-65份硅酸盐颗粒。
6．权利要求1的涂层，包含15-20份丙烯酸树脂。
7．权利要求1的涂层，其中硅酸盐的粒度为0.3-60μm。
8．权利要求1的涂层，其中丙烯酸树脂的粒度为1μm。
9．权利要求1的涂层，其中磷酸铝和丙烯酸树脂之比至少为1.5∶1。
10．权利要求1的涂层，其中悬浮液的粘度为15-300cP,pH为2.0-2.5，比重为1.0。
11．权利要求1的涂层，在220-350℃的温度下进行固化。
12．权利要求1的涂层，其中酸性水悬浮液含有低于大约0.2wt％的未反应磷酸。
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