DE602005000119T2

DE602005000119T2 - Verfahren zur Herstellung eines Kernes aus elektrisch leitfähigem Stahlblech

Info

Publication number: DE602005000119T2
Application number: DE602005000119T
Authority: DE
Inventors: Michael Wimmer; Anita Dopler
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: ATE339459T1; US20050189067A1; DE602005000119D1; EP1568724A1; EP1568724B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Stahlblechkernen für den Einsatz in elektrischen Ausrüstungen, das die Verwendung einer Haftbeschichtung für das elektrische Stahlblech involviert.
Die Herstellung der magnetisierbaren Kerne von elektrischen Ausrüstungen wie beispielsweise Transformatoren, Generatoren und Motoren, involviert das Aufeinanderstapeln einzelner Metallbleche unter Bildung eines festen, massiven Kerns. Vor diesem Aufstapelvorgang werden die gegenseitig elektrisch isolierten elektrischen Stahlbleche als Segmente aus einem kontinuierlichen elektrischen Stahlband ausgestanzt. Die Metallbleche werden zusammengeklemmt, -genietet, -geschraubt oder -geschweißt. Damit ideale magnetische Eigenschaften auf die oben angegebenen thermischen und mechanischen Beanspruchungen hin immer noch erreicht werden, werden diese Metallblechstapel daraufhin geglüht. Die Stahlbleche werden durch Anwendung von Beschichtungsmaterialien, die aus anorganischen und organischen Filmbildnern bestehen können, elektrisch isoliert. AT-409378 gemäß können diese Materialien beispielsweise Organometalltitan und Siliciumverbindungen zusammen mit den Filmbildnern enthalten, um den Glühwiderstand zu verbessern und den Isolationswiderstand zu erhöhen.
Einbrennemaille-Lackfarben (Emaille-Lackfarben oder Beschichtungszusammensetzungen, die bei erhöhter Temperatur gebrannt werden müssen) werden ebenfalls als alternative Technologie verwendet, um die einzelnen elektrischen Stahlbleche miteinander zu verbinden sowie eine elektrische Isolierung zu bieten. Die beschichteten Bleche können durch Heißpressen eingebrannt (gebrannt) werden.
Normalerweise werden Einbrennemaille-Lacke mit einem relativ hohen Lösungsmittelgehalt verwendet. Jedoch diktieren Umwelt- und Sicherheitsbedenken, dass neue Produkte, insbesondere Einbrennemaille-Lacke, entwickelt werden sollten, die einen minimalen Gehalt an hochflüchtigen LÖsungsmitteln aufweisen. Derartige neue Produkte sollten auf Wasser basieren. Eine Anzahl von Komponenten sind notwendig, um die Eigenschaften zu erzielen, die von derartigen Produkten gefordert werden, wie das Aufweisen akzeptabler Anwendungseigenschaften bei hohen Einbrenngeschwindigkeiten, gute Haftung, gute chemische Beständigkeit, gute mechanische Eigenschaften, einen guten Oberflächenisolationswiderstand bei so gering wie möglichem Lösungsmittelgehalt.
US 5500461 und US 5500462 beziehen sich auf beständige wässrige Epoxidharzdispersionen, die mikronisiertes Dicyandiamid als Aushärtungsmittel und ein reaktives Tensid enthalten. Die Dispersionen sind zum Beschichten der meisten Arten von Substraten geeignet. Diese Zusammensetzungen sind im Allgemeinen nicht für elektrische Stahlbleche nützlich, bei denen ein hohes Niveau an spezifischen Eigenschaften wie beispielsweise hohe Korrosionsfestigkeit und hohe Wiedererweichungstemperaturen erforderlich sind, wie sie bei der Verwendung in Elektromotoren und Transformatoren erforderlich sind.
JP 11-193475 und JP 11-193476 beschreiben ein Verfahren für die Herstellung elektrischer Bleche für die Herstellung von Blechmetallstapeln unter Anwendung wässriger Epoxidharzsysteme, die ein spezifisches Phenolharz vom Resoltyp als Vernetzungsmittel sowie Dicyandimid als zusätzliche Komponente enthalten. Das Vernetzen wird durch Polykondensation des Epoxids mit Phenolharz durchgeführt. Die Beschichtungen sollen eine verbesserte Haftung und Korrosionsfestigkeit beim Aussetzen erhöhten Temperaturen gegenüber bieten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bietet ein Verfahren für die Herstellung von elektrischen Stahlblechkernen, das die Herstellung der Kerne durch Verwendung einer wässrigen Selbstbindungsbeschichtung mit einem reduzierten Gehalt an zusätzlichen Komponenten einfach macht, während es eine ausgezeichnete Bindefestigkeit, Korrosionswiderstandsfähigkeit, elektrische Isolierung und hohe Wiedererweichungstemperaturen der Beschichtung sicherstellt.
Das Verfahren zur Herstellung von elektrischen Stahlblechkernen ist durch ein Verfahren gekennzeichnet, das die folgenden Schritte umfasst:

a) ein Auftragen von mindestens einer Beschichtungslage einer wässrigen Zusammensetzung auf die Oberfläche des Stahlblechs, wobei die Zusammensetzung enthält:
A) 100 Gewichtsteile von einem oder von mehreren Epoxidharzen auf der Basis des Bisphenol-A-Typs und/oder des Bisphenol-F-Typs, 100 % an Feststoffen
B) 1 bis 25 Gewichtsteile Dicyandiamid
C) 0,1 bis 10 Gewichtsteile Zusatzmittel
D) 0,1 bis 120 Gewichtsteile Flussmittel und
E) 50 bis 200 Gewichtsteile Wasser
b) ein Trocknen der aufgetragenen Lage unter einer erhöhten Temperatur und
c) ein Zusammensetzen der beschichteten elektrischen Stahlbleche zum Erzeugen eines Stahlkerns

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, elektrische Stahlblechkerne herzustellen, die, wenn sie in elektrischen Ausrüstungen wie beispielsweise Motoren und Transformatoren verwendet werden, eine lange Nutzungsdauer der Ausrüstungen durch Bieten einer ausgezeichneten Selbstbindung der Beschichtung und elektrischen Isolation selbst beim Aussetzen Spannungsschwankungen gegenüber, erlauben. Die Erfordernisse eines guten Korrosionswiderstands sind ebenfalls erfüllt. Hohe Wiedererweichungstemperaturen und eine verbesserte Eignung für das Stanzen der beschichteten Stahlbleche sind ein wesentlicher Vorteil der Beschichtung. Durch Verwenden der erfindungsgemäßen Zusammensetzung geht nur eine geringe Menge der wässrigen Zusammensetzung verloren, wenn die beschichteten Bleche zusammengepresst und unter der Drucklast miteinander verbunden werden.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Als Komponente A) werden ein oder mehr auf dem Bisphenol-A-Typus und/oder Bisphenol-F-Typus basierende Epoxidharze bevorzugt als wässrige Dispersion verwendet. Das Epoxidharz wird in einer Menge von 40 bis 70 Gew.-% in der wässrigen Dispersion verwendet. Die Zusammensetzung A) bis E) bezieht sich auf 100 Gewichtsteile Feststoffe des Epoxidharzes.
Die zahlendurchschnittliche Molmasse des Epoxidharzes beträgt etwa 700 bis 5000, das Epoxidäquivalenzgewicht etwa 400 bis 6000.
Die Herstellung dieser Harze ist aus der Spezialliteratur bekannt. Bisphenol-A wird durch eine säurekatalysierte Kondensation von Aceton mit Phenol erhalten. Die Reaktion erfolgt durch ein chemisches Chlorhydrinzwischenprodukt, z.B. Epichlorhydrin, das zu Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA) führt. Das noch vorhandene DGEBA kann, wird es mit Bisphenol-A gemischt, noch weiter zu höhermolekularen linearen Polyethern reagiert werden. Die höhenmolekularen Epoxidharze können auch durch weitere Verfahren, die den Fachleuten bekannt sind („Taffy-" oder „Ein-Schritt-"Verfahren) synthetisiert werden.
Andere Bindemittel als die erwähnten Epoxidharze sind zusätzlich in der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nützlich, wie beispielsweise Epoxidharze vom Phenolnovolaktyp, Acrylharze, Polyamidharze, Polyimidharze, Polyurethanharze, Silicconharze, Polyester, Polyolefine, Fluoridharze. Diese werden bevorzugt als wässrige Zusammensetzung in Mengen von weniger als 20 Gew.-%, auf die Zusammensetzung A) bis D) bezogen, verwendet.
Dicyandiamid wird als Komponente B) als Aushärtungsmittelkomponente in einer Menge von 1 bis 25 Gewichtsteilen, bevorzugt 2 bis 15 Gewichtsteilen verwendet.
Mikronisiertes Dicyandiamid wird bevorzugt verwendet. Mikronisiert bedeutet, dass das Dicyandiamid derart geeignet verarbeitet worden ist, dass es eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen 0,1 und 50 μm, bevorzugt zwischen 1 und 20 μm aufweist. Die Partikelgröße des Dicyandiamids beträgt insbesondere bevorzugt nicht mehr als 8 μm, insbesondere nicht mehr als 6 μm.
Normalerweise erfolgt die Mikronisierung von Dicyandiamid mit einer Druckluftmühle, wo die Partikel durch Luft aufeinanderhin geschossen werden und sich durch diesen Vorgang selbst zerkleinern. Ein Klassiergerät erleichtert die erwünschte Größenklassifikation der Partikel der Spezifikation gemäß.
Der Zusatz von Zusatzmitteln als Komponente C), wie beispielsweise Egalisiermittel, Katalysatoren, Pigmente und Gleitmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsteilen ermöglicht es, das Beschichtungssystem bezüglich der Qualität der Beschichtung beispielsweise zum Erhöhen der Einbrenngeschwindigkeit und zum Verleihen von Farbe zu optimieren.
Als Komponente D) werden Flussmittel in einer Menge von 0,1 bis 120 Gewichtsteilen, bevorzugt 2 bis 70 Gewichtsteilen verwendet. Organische Lösungsmittel und Polyglykol sind als Flussmittel verwendbar. Bevorzugt wird Polyglykol verwendet.
Durch Zugeben einer oder mehrerer monomerer Organometalverbindungen, wie beispielsweise Orthotitan- oder -zirconsäureestern, wird es des Weiteren möglich gemacht, die Auswahl an Eigenschaften der Beschichtungszusammensetzung zu optimieren.
Zusätzlich sind Füllstoffe in einer Menge von weniger als 30 Gew. %, auf die Zusammensetzung A) bis D bezogen, verwendbar.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann durch einfaches Zusammenmischen der einzelnen Komponenten hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Epoxiddispersion durch Mischen des Epoxidharzes mit Wasser herzustellen. Das Dicyandiamid und die weiteren Komponenten werden dann beispielsweise unter Rühren zur Herstellung einer beständigen Dispersion, wahlweise unter Zugabe von Wärme und Dispergierhilfsmitteln, zugegeben.
Wasser wird in einer derartigen Menge zugegeben, dass ein Feststoffgehalt von 30 bis 60 % für die fertige Zusammensetzung erhalten wird.
Die Anwendung der Zusammensetzung durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt auf bekannte Weise, z.B. durch Spritzen oder Tauchbeschichten auf eine oder beide Seiten der Oberfläche des elektrischen Stahlblechs in einer oder mehreren Schichten bis zu Schichtdicken von 1 bis 20 μm, bevorzugt 2 bis 12 μm, besonders bevorzugt 3 bis 8 μm pro Schicht.
Die Oberfläche des elektrischen Stahlblechs kann hier beschichtet oder unbeschichtet, behandelt oder unbehandelt sein. Die Bleche können beispielsweise durch Waschen vorbehandelt werden, um Verschmutzung, Fettablagerungen zu entfernen. Bevorzugte unbehandelte und unbeschichtete elektrische Stahlbleche werden verwendet, durch das erfindungsgemäße Verfahren, bevorzugt durch eine Einschichtbeschichtung beschichtet.
Das Trocknen der Beschichtung wird als physikalischer Trocknungsvorgang bei Temperaturen durchgeführt, der zu einer HMT (Höchstmetalltemperatur) im Bereich von 230 bis 260°C führt. Der trockene Film bildet eine sogenannte Schutzschicht, wodurch der aktive Zustand der Beschichtung beibehalten wird. Das bedeutet, dass das Aushärten der Beschichtung, d.h. des das chemische Vernetzen, nicht stattgefunden hat. In diesem Zustand ist das beschichtete Metallblechs während der Lagerung beständig ist.
Nach dem Trocknungsvorgang können Teile aus dem beschichteten Stahlblech ausgestanzt und dann aufgestapelt werden. Durch Aufbringen von Hitze und Druck werden die Beschichtungen der einzelnen Bleche miteinander verbunden und bevorzugt bei Temperaturen von 100 bis 300°C und bei einem Druck von 1,0 bis 6,0 N/mm² während einer festgelegten Zeitspanne ausgehärtet. Die nötige Hitze kann beispielsweise in einem Ofen durch induzierte Hitze, IR-Strahlung oder Heißluft geliefert werden.
Das Miteinanderverbinden der beschichten elektrischen Stahlbleche kann auf verschiedene Weisen bewirkt werden. Es ist möglich, Bleche, die eine trockene Beschichtung (im aktiven Zustand) aufweisen, mit unbeschichteten Blechen zu verbinden. Des Weiteren können nur Bleche mit einer getrockneten Beschichtung miteinander verbunden werden und des Weiteren können Bleche mit einer trockenen Beschichtung zusammen mit Blechen, die eine ausgehärtete Beschichtung (im passiven Zustand) aufweisen, zusammen verwendet werden.
Nach Abschließen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Beschichtung einen passiven Zustand auf, was bedeutet, dass die chemische Vernetzungsreaktion abgeschlossen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine lange Nutzungsdauer elektrischer Ausrüstungen wie beispielsweise Motoren und Transformatoren durch Bieten einer ausgezeichneten Selbstbindung der Beschichtung und einer ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsschwankungen sowie hohen Wiedererweichungstemperaturen, sicherzustellen.
BEISPIELE
BEISPIEL 1
HERSTELLUNG VON ERFINDUNGSGEMÄßEN BESCHICHTUNGEN
Als Bindemittel wird eine wässrige Dispersion verwendet, die aus Epoxidharz mit einem Feststoffgehalt von 51 bis 55 % und 7 % 1-Methoxy-2-propanol und < 3 % Benzylalkohol besteht. Als Aushärtungsmittel wird ein mikronisiertes Dicyandiamid verwendet. Es werden 2 Gewichtsteile Schmiermittel BYK-341 und 12 Gewichtsteile Diethylenglykolmonobutylether zugegeben. Die Mischung wird gerührt, bis sie homogen wird.
Die Verbindung wird auf das elektrische Stahlblech durch Bespritzen aufgebracht und dieses wird getrocknet, bis der aktive Zustand dadurch eine HMT (Höchstmetalltemperatur) von 250°C erreicht. Daraufhin werden die Bleche auf eine bestimmte Größe zugeschnitten und als Stapel 90 min lang bei einem Druck von 3 N/mm² und einer HMT von 200°C miteinander verbunden. Die Bindungsfestigkeit wird DIN EN 1464 gemäß gemessen.
Die Wiedererweichungstemperatur (WT) ist die Temperatur, bei der eine Zugfestigkeit (DIN 53283) von mindestens 25 % der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur vorliegt.
Der Salzsprühtest wird DIN EN ISO 7253 gemäß gemessen. Die Beurteilung der Prüfbleche erfolgt ISO 4628 gemäß.
TABELLE 1
BEISPIEL 2 BESCHICHTUNG AUF ELEKTRISCHEM STAHLBLECH DEM STAND DER TECHNIK GEMÄß TABELLE 2
Die Zusammensetzung Nr. (7) JP H11-193475 gemäß umfasst: 100 Gewichtsteile (Feststoffe) eines wasserdispergierbaren Epoxidharzes vom Bisphenol-A-Typus und 15 Gewichtsteile (Feststoffe) eines Reaktionsprodukts, auf der Basis von Phenolharz, von 1 Mol Bisphenol A und 7 Mol Formaldehyd, wobei der Gehalt an methylolierten Komponenten, der über dem der dimethylolierten Komponenten liegt, 98,3 Gew.-% beträgt, wurden miteinander mit Wasser vermischt und gerührt, um die Beschichtungszusammensetzung mit einem Feststoffgehalt der Zusammensetzung von 20 Gew. % zu erhalten.
Die Zugfestigkeit und der Salzsprühtest (Tabelle 2) zeigen bessere Ergebnisse für die erfindungsgemäße Zusammensetzung Nr. 3 als für die Zusammensetzung JP-H11-193475 gemäß.

Claims

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Stahlblechkernen für den Einsatz in elektrischen Ausrüstungen, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: a) ein Auftragen von mindestens einer Beschichtungslage einer wässerigen Zusammensetzung auf die Oberfläche des elektrischen Stahlblechs, wobei die Zusammensetzung enthält: A) 100 Gewichtsteile von einem oder von mehreren Epoxyharzen auf der Basis des Bisphenol A Typus und/oder des Bisphenol F Typus, 100 % an Feststoffen, B) 1 bis 25 Gewichtsteile Dicyandiamid, C) 0,1 bis 10 Gewichtsteile Zusatzmittel, D) 0,1 bis 120 Gewichtsteile Flussmittel, und E) 50 bis 200 Gewichtsteile Wasser, b) ein Trocknen der aufgetragenen Lage unter einer erhöhten Temperatur, und c) ein Zusammensetzen der beschichteten elektrischen Stahlbleche zum Erzeugen eines Stahlkerns und ein Verbinden der Bleche, das eine mit dem anderen, durch ein thermisches Härten der Beschichtung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Zusammensetzung hergestellt wird durch Zubereitung einer Epoxydispersion über ein Vermischen des Epoxyharzes mit Wasser gefolgt von der Zugabe des Dicyandiamides und der weiteren Komponenten der Zusammensetzung.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei welchem das Epoxyharz in einer Menge von 40 bis 70 Gewichtsprozent in der wässerigen Dispersion benutzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das Wasser in einer solchen Menge hinzugefügt wird, dass ein Feststoffgehalt von 30 bis zu 60 % für die fertige Zusammensetzung erzielt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die zahlenmäßig gemittelte Molekularmasse des Epoxyharzes zwischen etwa 700 bis zu 5000 liegt und das Epoxy-Äquivalentgewicht von etwa 400 bis zu 6000 beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das micronisierte Dicyandiamid mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von nicht mehr als 6 μm zum Einsatz kommt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem Polyglycol als ein Flussmittel in einer Menge von 2 bis zu 70 Gewichtsprozent benutzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem eine oder mehrere monomere organo-metallische Zusammensetzungen, welche ausgewählt werden aus der aus Estern der ortho-Titansäure und der ortho-Zirkonsäure bestehenden Gruppe, zusätzlich in der Zusammensetzung benutzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Zusammensetzung auf das nicht vorbehandelte und nicht beschichtete elektrische Stahlblech als eine einlagige Beschichtung mit einer Lagendicke von 3 bis zu 8 μm aufgetragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das Trocknen der Beschichtung bei Temperaturen in dem Bereich von 230 bis 260°C, die ein PMT verursachen, durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das Verbinden und das Härten der Beschichtung während einer vorgegebenen Zeitdauer bei Temperaturen zwischen 100 und 300°C und unter einem Druck von 1,0 und 6,0 N/mm² durchgeführt werden.
Elektrische Stahlblechkerne für den Einsatz in elektrischen Ausrüstungen, welche entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt werden.
Elektrische Ausrüstung, welche mindestens einen elektrischen Stahlblechkern enthält, welcher nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt worden ist.