DE3525430A1 - Verfahren zum aufbringen einer isolierschicht - Google Patents

Verfahren zum aufbringen einer isolierschicht

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DE3525430A1 DE19853525430 DE3525430A DE3525430A1 DE 3525430 A1 DE3525430 A1 DE 3525430A1 DE 19853525430 DE19853525430 DE 19853525430 DE 3525430 A DE3525430 A DE 3525430A DE 3525430 A1 DE3525430 A1 DE 3525430A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf Stahlblech mittels einer wäßrigen, Harz enthaltenden Behandlungsflüssigkeit und anschließendes Auftrocknen der Behandlungsflüssigkeit.
Es ist bekannt, bei der Herstellung von Eisenkernen für z. B. Motoren, Transformatoren und dergl. Elektroblech mit einer Isolierschicht zu versehen, dann zu stanzen, die Stanzabschnitte zu stapeln und an den Kanten miteinander zu verschweißen. Neben der Isolierwirkung der jeweiligen Isolierschicht bestimmt diese auch maßgeblich die Standzeit der Stanzwerkzeuge, d. h. die Zeit, nach der ein Nachschärfen unumgänglich ist. Ein wesentliches Kriterium für die Qualität der Isolierschicht ist schließlich auch ihr Verhalten bei der meist erforderlichen Entspannungsglühung und ihr Einfluß auf die Beschaffenheit der beim Verschweißen der Stanzabschnitte entstehenden Schweißnaht.
Derartige Isolierschichten können anorganischer Natur sein und beispielsweise mittels Chromsäure und/oder Phosphorsäure bzw. Phosshat enthaltenden Behandlungsflüssigkeiten gebildet werden. Obgleich deren Isolierwirkung meist von zufriedenstellender Qualität ist, ist der Verschleiß der Stanzwerkzeuge im allgemeinen vergleichsweise hoch. Chromsäure ist zudem unter dem Aspekt des Umweltschutzes unerwünscht.
Eine andere Kategorie von Isolierschichten, die durch Applikation von Behandlungsflüssigkeiten auf Basis organischer Harze, gegebenenfalls mit anorganischen Zusätzen, erzeugt werden, verlängert zwar häufig die Werkzeugstandzeit, jedoch sind Haftfestigkeit nach der Entspannungsglühung und Einfluß auf die Ausbildung der Schweißnaht in der Regel unbefriedigend.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf Stahlblech bereitzustellen, das die Nachteile der vorgenannten Verfahren nicht aufweist und - ohne zusätzlichen verfahrensmäßigen oder apparativen Aufwand - die Ausbildung von Isolierschichten, die in jeder Hinsicht vorteilhafte Eigenschaften besitzen, gestattet.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingans genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die ein im alkalischen Medium wasserverdünnbares Harz sowie - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - 0,1 bis 80 Gew.-Teile Fluorid eines mehrwertigen Metalles enthält.
Die vorgenannte Wasserverdünnbarkeit im alkalischen Medium heißt, daß das Harz entweder wasserlöslich oder im alkalischen wäßrigen Medium homogen verteilbar sein muß, und zwar mindestens über einen weiten Konzentrationsbereich.
Besonders geeignete Harze sind Polyester-, Polyamid-, Epoxy-, Phenol- oder modifizerte Melaminharze, die gegebenenfalls mit neutralisierbaren sauren Gruppen versehen sind, aber auch mit Emulgatoren leicht im wäßrigen alkalischen Medium homogen verteilbarer Harze, wie z. B. Latices auf Basis von Acrylaten, Styrol, Butadien, oder Epoxyharz.
Fluorid eines mehrwertigen Metalles ist insbesondere für die Bildung einer einwandfreien Schweißnaht der gestapelten Stanzabschnitte bei wirtschaftlich realistischer Schweißgeschwindigkeit verantwortlich. Es sind insbesondere Eisen-, Mangan-, Barium-, Strontium-, Calcium-, Cer- oder Kupferfluorid, einzeln oder in beliebiger Mischung, geeignet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt zu bringen, die als Fluorid eines mehrwertigen Metalles Aluminiumfluorid (AlF3) enthält. Speziell bei Verwendung von Aluminiumfluorid, das durch alkalisch reagierende Zusätze leicht in eine wäßrige Dispersion überführbar ist, sind sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten ohne die Gefahr einer dabei auftretenden Blasen- oder Schweißperlenbildung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, eine Behandlungsflüssigkeit einzusetzen, die Fluorid eines mehrwertigen Metalles in Mengen von 1 bis 30 Gew.- Teile - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - enthält. Hierdurch werden hinsichtlich der Schweißbarkeit optimale Bedingungen erzielt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bringt man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt, die zusätzlich - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - 0,1 bis 40 Gew.-Teile Borat enthält. Das Borat kann in Form von Borsäure oder Alkaliborat eingebracht werden. Der Boratgehalt ist insbesondere für die Haftfestigkeit der Beschichtung verantwortlich, insbesondere wenn sich die Harzkomponente bei der anschließenden Folgebehandlung, z. B. beim Entspannungsglühen, zersetzt. Das Borat bewirkt dann eine feste Haftung der Eisenoxidschicht sowie des eventuell entstehenden Zersetzungsrückstandes der Harzkomponente und der Fluoridkomponente auf der Metalloberfläche, d. h. vermeidet die Entstehung eines losen, leicht entfernbaren Pulvers.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sollte die Behandlungsflüssigkeit 1 bis 10 Gew.-Teile Borat - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - enthalten.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, Behandlungsflüssigkeiten einzusetzen, die frei von Chromverbindungen, insbesondere Chromatverbindungen, sind. Daher entfallen eine irgendwie geartete Beeinträchtigung der Umwelt bzw. besondere Sicherheitsvorkehrungen bei der Applikation der Behandlungsflüssigkeit.
Die Behandlungsflüssigkeit kann darüber hinaus weitere, an sich bekannte Zusätze enthalten. Hierbei handelt es sich zweckmäßigerweise um Mittel, die eine ordnungsgemäße Aufbringung der Behandlungsflüssigkeit erlauben, nämlich Antiabsetzmittel, Viskositätsregulatoren, Entschäumer, Netzmittel und Verlaufsmittel, bzw. um Mittel, die ein verbessertes Gleiten beim Stanzvorgang ermöglichen und daher den Verschleiß der Stanzwerkzeuge zusätzlich verringern, nämlich z. B. um Wachse auf Basis Polypropylen oder um Polyamid oder Silikonöle.
Um einerseits die erforderliche Schichtdicke mit im allgemeinen unter 10 µm, zweckmäßigerweise jedoch unter 4 µm (angegegeben als trockener Film), andererseits eine einfache Aufbringung des hierfür erforderlichen Feuchtfilms zu erreichen, sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt zu bringen, deren Gehalt an Trockensubstanz 20 bis 80 Gew.-% beträgt. Hiermit ist gleichzeitig der Vorzug verbunden, daß ein unnötig hoher Aufwand für Wasserverdampfung und Transport vermieden wird.
Die Aufbringung der Behandlungsflüssigkeit kann auf jede beliebige Weise, z. B. durch Tauchen, Spritzen, Durchziehen durch einen Behandlungsbehälter, erfolgen. Besonders vorteilhaft ist jedoch, die Behandlungsflüssigkeit mit dem Stahlblech durch Walzenauftrag in Kontakt zu bringen. Hierdurch läßt sich weitgehend unabhängig von der Viskosität der Behandlungsflüssigkeit ein Feuchtfilm konstanter Dicke erzeugen. Bei Bandbeschichtungsverfahren kann beispielsweise die Beschichtung bei einer Bandgeschwindigkeit bis ca. 120 m/sec und mehr erfolgen. Die anschließende Auftrocknung der Schicht geschieht zweckmäßigerweise bei 120 bis 350°C (Objekttemperatur), z. B. im Durchlaufofen. Als Richtwert gilt etwa 20 sec Trockendauer bei 300°C.
Grundsätzlich können die anschließend ausgestanzten, gestapelten und verschweißten Bleche ohne weitere Behandlung ihrem Verwendungzweck zugeführrt werden. Generell ist jedoch zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften ein Entspannungsglühen der verschweißten Blechstapel vorgesehen. Die Glübehandlung kann - sofern in Luft durchgeführt - bis über 600°C und - sofern unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt - bis über 850°C vorgenommen werden.
Der herausragende Vorteil der Erfindung besteht darin, daß elektrisch isolierende Beschichtungen mit hohen Isolationsvermögen auf Stahlblech in einfacher Weise aufgebracht werden können und daß die die Blechstapel zusammenhaltenden Schweißnähte mit hoher Geschwindigkeit gezogen werden können. Infolge des wäßrigen Systems entfallen die bei Systemen auf Basis organischer Lösungsmittel erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen. Die erzeugten Isolierschichten zeichnen sich durch hohe Haftfestigkeit aus, die im Falle einer Entspannungsglühbehandlung durch den Boratgehalt der Behandlungsflüssigkeit verstärkt wird. Die Stanzbarkeit des beschichteten Bleches und die Standzeit der Stanzwerkzeuge sind sehr gut.
Die bevorzugt vorgesehene Arbeitsweise mit Freiheit der Behandlungsflüssigkeit von Chromverbindungen, insbesondere von Chromatverbindungen, hat zudem den Vorteil, daß eine Beeinträchtigung der Umwelt vermieden wird und auf besondere Vorsichtsmaßnahmen bei der Bandbehandlung verzichtet werden kann.
Die Erfindung wird anhand der Beispiele beispielsweise und näher erläutert.
Beispiel 1
100 Gew.-Teile eines plastifizierten Phenolharzes wurden mit 20 Gew.-Teilen Aluminiumfluorid (berechnet als AlF3 · 3 H2O), 7 Gew.-Teilen Natriumborat (berechnet als Na2B4O7 ·10 H2O), 14 Gew.-Teilen Dimethylethanolamin und 115 Gew.-Teilen vollentsalztem Wasser gemischt.
Zur Verhinderung der Schaumbildung und zur Verbesserung der Untergrundbenetzung waren dem Gemisch 0,5 Gew.-Teile einer grenzflächenaktiven Substanz zugesetzt worden.
Diese Formulierung wurde auf die Oberfläche eines Si-legierten Elektro-Stahlbleches einer Nenndicke von 0,5 mm (Sorte V 700 - 50 A nach DIN 46 400 Teil 1) mit Hilfe einer Gummiwalze beidseitig aufgetragen. Zur Aushärtung der Beschichtung erfolgte anschließend eine Behandlung der beschichteten Bleche bei einer Temperatur von 300°C innerhalb eines Zeitraumes von 20 Sekunden. Die Trockenschichtstärke betrug jeweils 1 µm ± 0,2 µm.
Die Qualität der erzeugten Isolierschicht ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle.
Beispiel 2
Es wurden
 40 Gew.-Teile eines plastifizierten Phenolharzes
 25 Gew.-Teile eines Acrylatharzes
 35 Gew.-Teile eines teilmethylierten Melaminharzes
 20 Gew.-Teile Aluminiumfluorid (ber. als AlF3 · 3H3O)
  7 Gew.-Teile Natriumborat (ber. als Na2B4O7 ·
 10 H2O)
 14 Dimethylethanolamin und
115 Gew.-Teile vollentsaltztes Wasser
vermischt.
Zur Verhinderung der Schaumbildung und zur Verbesserung der Untergrundbenetzung waren dem Gemisch 0,5 Gew.-Teile einer grenzflächenaktiven Substanz zugesetzt worden.
Die Verarbeitung erfolgte unter den Bedingungen des Beispiels 1. Die erhaltenen Ergebnisse sind nachfolgend zusammengestellt.
Beispiel 3
60 Gew.-Teile eine modifizierten Polyesterharzes
40 Gew.-Teile eines Melaminharzes
20 Gew.-Teile Aluminiumfluorid (ber. als AlF3 · 3 H2O)
7 Gew.-Teile Natriumborat (ber. als Na2B4O7 · 10 H2O)
14 Gew.-Teile Dimethylethanolamin und
115 Gew.-Teile vollentsaltztes Wasser
wurden gemischt.
Zur Verhinderung der Schaumbildung und zur Verbesserung der Untergrundbenetzung waren dem Gemisch 0,5 Gew.-Teile einer grenzflächenaktiven Substanz zugesetzt worden.
Auch in diesem Fall war die Verarbeitung der Behandlungsflüssigkeit in Übereinstimmung mit Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in der Tabelle wiedergegeben.
Beispiel 4
100 Gew.-Teile eines plastifizierten Phenolharzes wurden mit
20 Gew.-Teilen Aluminiumfluorid (ber. als AlF3 · 3 H2O)
14 Gew.-Teilen Dimethylethanolamin und
115 Gew.-Teilen vollentsalztem Wasser
gemischt.
Zur Verhinderung der Schaumbildung und zur Verbesserung der Untergrundbenetzung sind dem Gemisch 0,5 Gew.-Teile einer grenzflächenaktiven Substanz zugesetzt worden.
Verarbeitung der Behandlungsflüssigkeit war mit Beispiel 1 identisch.
Vergleichsbeispiel
100 Gew.-Teile eines plastifizierten Phenolharzes wurden mit
  6 Gew.-Teilen Dimethylethanolamin und
115 Gew.-Teilen vollentsalztem Wasser
gemischt.
Zur Verhinderung der Schaumbildung und zur Verbesserung der Untergrundbenetzung sind dem Gemisch 0,5 Gew.-Teile einer grenzflächenaktiven Substanz zugesetzt worden.
Die Verarbeitung wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Die nachfolgende Tabelle enthält die mit den einzelnen Beispielen erzielten Ergebnisse.
Zeile 2 gibt die Trockenschichtstärke an.
In Zeile 3 ist der interlaminare Übergangswiderstand in Ω · cm-2 bei einem Anpreßdruck von 100 N · cm-2, einer Elektrodenfläche von 4 cm2 und einer Spannung von 100 mV für die doppelte, auf dem Elektroblech befindliche Isolierschicht vor dem Glühen angeführt. Die Beurteilung mit R 50 bedeutet, daß 50% der Meßwerte über dem angegebenen Widerstandswert liegen.
Zeile 4 enthält den Übergangswidertand wie für Zeile 3 erläutert, jedoch nach dem Glühen während einer Stunde bei 600°C in Luft.
In Zeile 5 ist die Korrosionsbeständigkeit genannt. Ihre Bestimmung erfolgte durch den Klimawechseltest gemäß DIN 50 017, bei dem das beschichtete Blech zunächst 8 Stunden einer Atmosphäre von 40°C und 100% relativer Luftfeuchtigkeit und anschließend 16 Stunden normalem Raumklima ausgesetzt wurde.
Das Haftvermögen, das gleichzeitig auch eine Aussage über das Dehnvermögen der Schicht beinhaltet, gemäß Zeile 6 wurde durch Biegeversuche um den konischen Dorn ermittelt.
Beim Gitterschnitt gemäß Zeile 7 werden durch bis auf die Metalloberfläche gehende Kreuzschnitte 1 mm2 große Felder geschaffen. Durch Aufbringen und Abreißen von Klebeband werden dann die beschädigten bzw. abgelösten Felder ermittelt.
In Zeile 8 ist die Fläche angegeben, die nach der Glühung während einer Stunde bei 600°C in Luft nach der vorgenannten Klebebandmethode auf der Metalloberfläche haften bleibt.
Zur Ermittlung der Lösungsmittelbeständigkeit gemäß Zeile 9 wurde ein mit Methylenchlorid (CH2Cl2) getränkter Wattebausch 50 mal über eine bestimmte Stelle der Beschichtung geführt und eine eventuelle Veränderung bewertet.
Zeile 10 gibt die zulässige Geschwindigkeit an, mit der beim einen Preßdruck des Blechstapels von 250 N · cm-2 und einer Stromstärke von 90 bis 120 A unter Argonatmosphäre eine einwandfreie insbesondere porenfreie Schweißnaht gezogen werden kann.
Wie sich aus der Tabelle ergibt, sind die Ergebnisse hinsichtlich Übergangswiderstand vor und nach dem Glühen (Zeilen 3 und 4), Korrosionsbeständigkeit (Zeile 5), Haftvermögen vor dem Glühen (Zeile 6), Gitterschnitt (Zeile 7) und Lösungsmittelbeständigkeit (Zeile 9) übereinstimmend gut. Gegenüber dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiel) zeigt das Beispiel 4 (boratfreie Behandlungsflüssigkeit) zwar noch keine optimale Haftung der Isolierschicht, sofern eine Glühbehandlung vorgesehen ist (Zeile 8), jedoch eine deutliche Verbesserung bei der Schweißbarkeit (Zeile 10).
Die Beispiele 1 bis 3 mit der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung veranschaulichen, daß unter Beibehaltung der wesentlich verbesserten Schweißbarkeit (Zeile 10) auch die Haftung nach einer Glühbehandlung (Zeile 8) auf den höchstmöglichen Wert angehoben werden kann.
Die Ergebnisse für den Übergangswiderstand (Zeilen 3 und 4) entsprechen den üblichen Anforderungen an isolierte Elektrobleche.
Die Angaben beim Gitterschnittest (Zeile 7) bedeuten, daß kein Feld beschädigt ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf Stahlblech mittels einer wäßrigen, Harz enthaltenden Behandlungsflüssigkeit und anschließendes Auftrocknen der Behandlungsflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die ein im alkalischen Medium wasserverdünnbares Harz sowie - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - 0,1 bis 80 Gew.-Teile Fluorid eines mehrwertigen Metalles enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die als Metallfluorid Aluminiumfluorid enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - 1 bis 30 Gew.-Teile Metallfluorid enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die zusätzlich - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - 0,1 bis 40 Gew.-Teile Borat enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die - auf 100 Gew.-Teile Harz bezogen - 1 bis 10 Gew.-Teile Borat enthält.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die frei von Chrom-, insbesondere Chromatverbindungen, ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die eine ordnungsgemäße Applikation erlaubende Zusätze, wie Antiabsetzmittel, Viskositätsregulatoren, Entschäumer, Netzmittel und Verlaufsmittel, enthällt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, die das Gleiten beim Stanzvorgang verbessernde Zusätze, wie Wachse auf Basis von Polypropylen, Polyamid oder Silikonöle, enthält.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Stahlblech mit einer Behandlungsflüssigkeit in Kontakt bringt, deren Gehalt an Trockensubstanz 20 bis Gew.-% beträgt.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlungsflüssigkeit mit dem Stahlblech durch Walzenauftrag in Kontakt bringt und bei 120 bis 350°C (Objekttemperatur) auftrocknet.
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