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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen anorganischen/organischen,
isolierenden, beschichteten, halbfertigen oder fertigen, nichtorientierten,
elektrischen Stahl, der ein hohes Maß an Oberflächenwiderstand zur Minimierung
von interlaminaren Energieverlusten bereitstellt. Im Besonderen
ist die Isolierbeschichtung aus einer sauren wässrigen Suspension gebildet,
die eine Monoaluminiumphosphatlösung,
mindestens ein anorganisches teilchenförmiges Silicat und einen organischen
Acryllatex einschließt.
Die erfindungsgemäßen isolierenden
beschichteten nichtorientierten elektrischen Stähle können zur Minimierung der Energieverluste in
Magnetkernen von Motoren, Genera toren, Transformatoren und anderen
elektrischen Anlagen verwendet werden.
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Nichtorientierte
elektrische Stahlbleche, die für
mittlere und große
Motoren, Generatoren und Transformatoren verwendet werden, erfordern
eine Isolierbeschichtung, die ein hohes Maß an Oberflächenwiderstand zur Minimierung
der interlaminaren Energieverluste bereitstellt, wenn aus dem Stahl
geformte Laminierungen im gestanzten Zustand verwendet werden. Dieses
hohe Maß an
Oberflächenwiderstand
kann auch nach Wärmebehandlungen,
wie Spannungs-Entspannungs-Temper-
(SRA) oder "Abbrenn"-Behandlungen, die
zur Entfernung der Isolierwicklung während der Motorreparatur angewandt
werden, erforderlich sein. Die Isolierbeschichtung muss während der
Fertigungsverfahren eine gute Haftung an dem Stahlblech aufweisen, so
dass die Beschichtung nicht von den Ecken der aus dem Stahlblech
gestanzten Laminierungen abblättert. Die
Isolierbeschichtung sollte auch nicht übermäßig stauben, sie sollte sich
wäh rend
des Stanzens, Schneidens oder Scherens nicht auf den Zufuhrwalzen
und auf den anderen Anlagen aufschichten, sie sollte die Stempel
nicht abnutzen, die zum Stanzen oder Scheren der Laminierungen verwendet
werden, sie sollte ein Schweißen
der Magnetkerne, die aus den Laminierungen geformt werden, bei annehmbaren
Geschwindigkeiten ermöglichen
und sie sollte mit den verschiedenen Chemikalien und Harzen, die
während
Fertigung oder Gebrauch der Magnetkerne eingesetzt werden, kompatibel
sein.
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Die
Verwendung anorganischer Phosphat-Isolierschichten für elektrischen
Stahl ist bekannt. Anorganische Phosphatbeschichtungen stellen einen
ausgezeichneten Oberflächenwiderstand
und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit
bereit, allerdings verursachen sie während des Stanzens der Laminierungen
einen übermäßigen Stempelverschleiß, und sie
pflegen eine schlechte Haftung an dem Stahlblech aufzuweisen. Beispielsweise
offenbart die US-Patentschrift 2 501 846 die Bildung eines Isolierfilms
aus einer Phosphorsäurelösung, die
etwa 7–50
% freie Säure
enthält,
oder einer Lösung,
die aus Phosphorsäure
besteht, in der Magnesiumdioxid gelöst worden ist. Die US-Patentschrift 2 743
203 offenbart eine anorganische Phosphat-Isolierbeschichtung für elektrischen
Stahl, die aus einer Phosphorsäurelösung gebildet
wird, in der Aluminiumhydrat gelöst
worden ist. Die US-Patentschrift 3 948 786 betrifft eine verbesserte
anorganische Phosphat-Isolierbeschichtung aus Korn-orientiertem
elektrischem Stahl, die aus einer Lösung gebildet wurde, die 100
Gewichtsteile einer Aluminium-Magnesium-Phosphatlösung, bis
zu 150 Gewichtsteilen kolloidale Kieselsäure und bis zu 25 Gewichtsteilen
Chromanhydrid enthält.
Diese anorganischen Phosphat-Isolierbeschichtungen vom Stand der
Technik führen
im Vergleich zum Stanzen von ungeschütztem elektrischem Stahl alle
zu einer verstärkten
Stempelabnutzung während
des Stanzens der Laminierungen. Ferner ist die Haftung dieser Beschichtungen
an der Stahlblechoberfläche
sehr von der Natur des Oxidfilms abhängig, der sich auf der Oberfläche des
Blechs bei den Vorgängen
bildet, die dem Beschichten vorangehen.
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Auch
die Verwendung anorganischer Isolierbeschichtungen, die ein organisches
Harz enthalten, ist bekannt. Das organische Harz verleiht der gehärteten Beschichtung
Gleitfähigkeit,
was die Geschwindigkeit der Stempelabnutzung während des Stanzens des beschichteten
elektrischen Stahls herabsetzt. Anorganische Phosphatbeschichtungen,
die ein organisches Harz enthalten, stellen einen ausgezeichneten
spezifischen Oberflächenwiderstand
bereit, können
allerdings während
des Stanzens, Schneidens oder Scherens des Stahls sehr stark stauben
und führen
zu einer Aufschichtung des Beschichtungsstaubs auf der Stanz-, Schneid-
oder Scheranlage. In Zeiten hoher Feuchtigkeit können anorganische/organische
Phosphatbeschichtungen Wasserdampf aus der Atmosphäre absorbieren
und klebrig werden, was dazu führt,
dass sich die Beschichtung auf den Zufuhrwalzen, Stempeln, Spannunterlagen
und auf anderen Geräten
aufbaut. Die angesammelte Beschichtung muss von den Geräten durch
Reinigen entfernt werden und beeinträchtigt dadurch die Produktivität. Die US-Patentschrift
4 496 399 betrifft eine anorganische/organische Phosphat-Isolierbeschichtung.
Die Patentschrift offenbart eine wässrige Zusammensetzung zum
Beschichten von nichtorientierten elektrischen Stählen mit
dem anorganischen Teil der Zusammensetzung, die 100 Teile Aluminium-Magnesium-Phosphat
und entweder 33–250
Teile kolloidale Kieselsäure
und 10–25
Teile Chromanhydrid oder 30–250
Teile eines teilchenförmigen
Aluminiumsilicats einschließt.
Der organische Teil der Zusammensetzung enthält 15–1350 Teile einer wässrigen
Suspension, die 40–60
Gew.-% feste Acryl- oder Vinylacetatharze enthält. Ein Nachteil dieser Beschichtung
besteht darin, dass der anorganische Teil freie Phosphorsäure, die
mit der Stahloberfläche
bei einer hohen Temperatur umgesetzt werden muss, und auch Magnesiumphosphatverbindungen,
die bei einer hohen Temperatur gehärtet werden müssen, um
die Klebrigkeit zu verhindern, die durch die Gegenwart von nicht
umgesetzter Phosphorsäure
oder den hygroskopischen Phosphatverbindungen verursacht wird, enthält. Allerdings
tritt bei dieser hohen Härtungstemperatur
eine Zersetzung des Harzes ein, was zu einem nicht gleichmäßigen braunen
Aussehen und zu einer schlechten Haftung an dem Stahlblech führt. Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass die Beschichtung unter Verwendung
von gerillten Gummidosierwalzen auf Grund des Auftretens von Streifen
von dünner
Beschichtung über
die Breite des Stahlblechs schwer gleichmäßig aufzutragen ist.
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Die
US-Patentschrift 3 793 073 offenbart eine anorganische/organische
Isolierbeschichtung zum Beschichten von elektrischem Stahl mit einer
Oberflächenrauigkeit
von mindestens 20 Hr.m.s. μin.
Der organische Teil der Beschichtung wird aus der Gruppe von Acrylsäureharzen
oder Copolymeren, wasserfreier Maleinsäure, Aminosäureharz, Calciumligninsulfonat,
Polyvinylalkohol, Phenolharz, Vinylacetat, Polyvinylacetal, Alkydharzen,
Vinylchlorid und Epoxyharzen gebildet.
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Organische
teilchenförmige
Materialien, wie Bakelite-Melaminharz oder dergleichen, mit einer
Teilchengröße von größer als
2 μm können zur
Bereitstellung der Oberflächenrauigkeit
verwendet werden. Der anorganische Teil der Beschichtung kann eines
oder mehrere von einem Material vom Phosphorsäuretyp oder einem Material
vom Chromsäuretyp
umfassen. Das Material vom Phosphorsäuretyp kann ein Phosphat von Calcium,
Aluminium, Magnesium und Zink, sowie Titanoxid, kolloidale Kieselsäure, kolloidales
Aluminiumoxid und Borsäure
einschließen.
Das Material vom Chromsäuretyp
kann ein Bichromat von Calcium, Magnesium und Zink, sowie Titanoxid,
kolloidale Kieselsäure,
kolloidales Aluminiumoxid, Borsäure
und ein organisches Reduktionsmittel einschließen. Ein elektrischer Stahl,
der mit dieser anorganischen/organischen Isolierbeschichtung beschichtet
ist, besitzt eine gute Stanz- und Schweißqualität. Ein Nachteil dieser Beschichtung
besteht darin, das nicht gleichzeitig ein sehr hoher spezifischer
Oberflächenwiderstand,
ein hoher Stapelfaktor und eine annehmbare Schweißbarkeit
erreicht werden können,
wenn die Metallbasis-Oberflächenrauigkeit größer als
20 Hr.m.s. μin.
ist. Die Beschichtung muss dick sein, um beim Aufbringen auf eine
raue Blechoberfläche
einen guten Widerstand zu gewährleisten,
und dies bewirkt, dass der Stapelfaktor klein ist und die Schweißporosität nachteilig
beeinflussen kann. Ein weiterer Nachteil einer Beschichtung mit
einem Harz einer Teilchengröße von größer als
2 μm besteht
darin, dass sich die Harzteilchen während der Verarbeitung von
der Stahloberfläche
ablösen
können,
was zu einer übermäßigen Staubbildung
und zu einer Beschichtungsstaub-Aufschichtung führt. Ferner kann diese Beschichtung
Chromsäure
oder Chromate enthalten, die während
des Aufbringens der Beschichtung, während des Verarbeitens des
beschichteten Stahlblechs und während
der Entsorgung von Beschichtungsabfall Sicherheits- und Umweltprobleme
hervorrufen.
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Die
US-Patentschrift 4 618 377 offenbart eine anorganische/organische
Beschichtungszusammensetzung zum Bilden einer Isolierbeschichtung
auf elektrischem Stahl, umfassend ein organisches Emulsionsharz, organische
Harzteilchen, die mit einem Dispersionsverbesserer oberflächenbehandelt
worden sind, und eine Lösung,
die mindestens eine anorganische Phosphat- oder Chromatkomponente
enthält.
Die oberflächenbehandelten
Harzteilchen werden zur Kontrolle der Oberflächenrauigkeit der gehärteten Beschichtung
verwendet, wodurch sie die Schweißbarkeit verbessern. Das Emulsionsharz
kann Acrylvinylacetat, Styrol oder Butadien allein oder ein Copolymer
von einem oder mehreren von Vinylacetat, Styrol und Butadien sein.
Die oberflächenbehandelten
Harzteilchen besitzen eine Größe von 2–50 μm und können ein
Copolymer oder ein Gemisch von einem oder mehreren von Polyethylen,
Polypropylen, Polyamid, Polyacrylharz, Polystyrol und Benzoguanamin
einschließen.
Der anorganische Teil der Beschichtung kann eines oder mehrere von
einem Phosphat von Calcium, Aluminium, Magnesium und Zink, Chromat
oder einem Bichromat von Calcium, Magnesium, Zink oder Aluminium
und einem Oxid, Hydroxid oder Carbonat von Calcium, Magnesium, Zink
und Aluminium, gelöst
in Phosphorsäure
oder wasserfreier Chromsäure,
einschließen.
Die Beschichtung wird in einem Ofen erhitzt, um die Harzteilchen
halb zu schmelzen, wodurch auf der gehärteten Isolierbeschichtung
eine Oberflächenrauigkeit
Ra von 0,5–1,5 μm bereitgestellt wird. Ein Nachteil
dieser Beschichtung besteht darin, dass die Harzteilchen während des
Verarbeitens des beschichteten Stahlblechs zu stauben oder zu flocken
pflegen. Zudem kann die Beschichtung auch Chromsäure oder Chromate enthalten,
die Sicherheits- und Umweltprobleme hervorrufen.
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Die
US-Patenschrift 4 844 753 offenbart eine wässrige Beschichtungszusammensetzung
zum Bilden einer Isolierbeschichtung auf einem elektrischen Stahl,
umfassend eine anorganische filmbildende Chromatkomponente und eine
Harzkomponente. Die Harzkomponente ist ein Gemisch einer Acryl-
oder Acryl-Styrol-Emulsion und eines Guanaminharzes mit einer Teilchengröße von 0,2–1 μm. Wenn diese
anorganischen/organischen Isolierbeschichtungen, die ein Chromat
enthalten, mit sehr geringer Dicke aufgebracht werden, ist die Beschichtung
glatt, besitzt allerdings einen schlechten Oberflächenwiderstand.
Wenn die Chromat-Isolierbeschichtung mit ausreichender Dicke aufgebracht
wird, so dass sie einen hohen Oberflächenwiderstand aufweist, tritt
während
des Schweißens
eine zu starke Porosität
auf, die durch die Verflüchtigung
des Harzes verursacht wird. Wenn Teilchen der Chromat-Isolierbeschichtung
zugesetzt werden, um die Schweißporosität zu minimieren,
die durch die Verflüchtigung
des anorganischen Harzes während
des Schweißens verursacht
wird, staubt die Beschichtung während
des Stanzens zu stark. Diese Chromat-Isolierbeschichtung ist aufgrund
von Sicherheits- und Umweltproblemen bei der Verwendung der Beschichtung
und der Entsorgung von Abfallprodukten, die lösliches sechswertiges Chrom
enthalten, unerwünscht.
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Auch
die Verwendung von Isolierbeschichtungen für elektrischen Stahl, der als
Bindemittel ein oder mehrere wasserlösliche Silicate wie Natriumsilicat,
Kaliumsilicat oder Ammoniumsilicat enthält, ist bekannt. Diese Beschichtungen
besitzen einen basischen pH, statt des sauren pH-Wertes, der mit
Beschichtungen einhergeht, die Phosphat- oder Chromat-Bindemittel
enthalten. Isolierbeschichtungen auf der Grundlage von löslichen
Silicaten können
vollständig
anorganisch sein, oder sie können
organisches Material enthalten, um die Stanzbarkeit zu verbessern.
Die US-Patentschrift 3 839 256 offenbart eine Beschichtungszusammensetzung, die
quaternäre
Ammoniumsilicatlösung
und wässrige
Dispersionen von Ethylen-Polymeren und ethylenisch ungesättigten
Carbonsäuren
oder Ester, die gegebenenfalls Gleitmittel wie Öle zur Verbesserung der Gleitfähigkeit
enthalten, oberflächenaktive
Mittel zur Verbesserung des Benetzens oder zur Schaumverhinderung und
Füllstoffe
zur Kostensenkung enthält.
Die US-Patentschrift 4 507 360 offenbart die Zugabe einer Chromatverbindung,
ausgewählt
aus der Gruppe von Strontiumchromat, Bariumchromat und Bleichromat,
zu der Zusammensetzung der US-Patentschrift
3 839 256, zur Verbesserung der Korrosionsbeständig keit. Die US-Patentschrift
4 762 753 betrifft eine anorganische Isolierbeschichtungszusammensetzung
für elektrischen
Stahl, die Natriumsilicat, Magnesiumoxid oder -hydroxid, Titandioxid
und Glimmer enthält.
Alle diese Isolierbeschichtungen auf der Grundlage von löslichen
Silicaten stellen einen guten Oberflächenwiderstand und Wärmebeständigkeit
bereit, allerdings verursachen sie eine schlechte Schweißbadfluidität während des
Wolfram-Inertgas-Elektroschweißens
und führen
zu nicht gleichmäßigen diskontinuierlichen
Schweißungen.
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Demnach
besteht immer noch Bedarf an einer Isolierbeschichtung für nichtorientiertes
elektrisches Stahlblech, die einen guten Oberflächenwiderstand bereitstellt,
die interlaminaren Energieverluste minimiert, eine gute Wasserdampfabsorptionsbeständigkeit
aufweist, eine gute Haftung auf dem Blech bereitstellt, eine minimale
Stempelabnutzung während
des Stanzens der Laminierungen aus dem Blech verursacht, während des
Stanzens der Laminierungen nicht zu stark staubt oder keine Aufschichtung
von Beschichtung auf der Stanzanlage verursacht, einem Spannungs-Entspannungs-Tempern
und einer Abbrandwärmebehandlung standhält und nicht
zu einer übermäßigen Schweißporosität führt. Bedarf
besteht auch an einer Isolierbeschichtung für nichtorientiertes elektrisches
Stahlblech, das hinsichtlich der Kosten gering ist, mit einer Vielzahl von
Chemikalien und Harzen kompatibel ist, die zur Herstellung von Magnetkernen
verwendet werden, und keine Chromate enthält, die kosteninstensive umweltbelastende
Entsorgungsprobleme hervorrufen. Bedarf besteht auch an einer Isolierbeschichtung
für nichtorientiertes
elektrisches Stahlblech, die während
des Aufbringens und der Verwendung der Beschichtung kein Sicherheitsproblem
hervorruft, das durch die Gegenwart von sechswertigem Chrom verursacht
wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein nichtorientiertes elektrisches
Stahlblech, das auf beiden Oberflächen mit einer gehärteten,
anorganischen/organischen Ioslierbeschichtung nach Anspruch 1 beschichtet
ist, die ein hohes Maß an
Oberflächenwiderstand
zur Minimierung interlaminarer Energieverluste in Magnetkernen von
Motoren, Generatoren, Transformatoren und anderen elektrischen Anlagen
bereitstellt. Die gehärtete
Isolierbeschichtung auf dem Stahlblech umfasst, bezogen auf 100
Teile Trockengewicht, 20–60
Teile Aluminiumphosphat, 20–70
Teile mindestens eines anorganischen teilchenförmigen Silicats und 10–25 Teile
eines Acrylharzes. Die gehärtete
Isolierbeschichtung ist aus einer wässrigen Säuresuspension gebildet, die
eine Monoaluminiumphosphatlösung,
das teilchenförmige
Silicat und ein Acryllatex enthält.
Die Suspension kann bis zu 1 Gewichtsteil eines wasserlöslichen,
organischen Lösungsmittels,
jeweils pro Teil des Acrylharzes, einschließen.
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Vorteilhafterweise
besitzt das zuvor genannte isolierende beschichtete elektrische
Stahlblech einen Franklin-Strom von nicht größer als etwa 0,2 A.
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Vorzugsweise
weist die gehärtete
Beschichtung auf jeder Stahloberfläche eine Dicke von 0,5–8 μm auf.
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Vorzugsweise
weist das teilchenförmige
Silicat eine Teilchengröße von 0,3–60 μm auf.
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Die
zuvor genannte Suspension zum Bilden der gehärteten Isolierbeschichtung
sollte eine Viskosität von
15–300
cP, ein spezifisches Gewicht von etwa 1,0–1,3, einen pH von etwa 2,0–2,5 aufweisen
und enthält < 0,2 Gew.-% nicht
umgesetzte Phosphorsäure.
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Eine
Hauptaufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Zusammensetzung
zum Bilden einer Isolierbeschichtung auf einem nichtorientierten
elektrischen Stahlblech, die eine geringe Feuchtigkeitsabsorption in
einer feuchten Atmosphäre
aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Isolierbeschichtungszusammensetzung zum Bilden einer Isolierbeschichtung
auf einem nichtorientierten elektrischen Stahlblech, die eine verbesserte
Haftung und eine verminderte Staubbildung vor und nach der Wärmebehandlung,
wie Spannungs-Entspannungs-Tempern,
bereitstellt.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung umfassen die Bereitstellung einer Zusammensetzung
zum Bilden einer gehärteten
Isolierbeschichtung auf einem nichtorientierten elektrischen Stahlblech,
die einen hohen Oberflächenwiderstand
des Blechs bereitstellt, eine gute Stanzfähigkeit des Blechs, eine gute
Schweißfähigkeit
des Blechs bei annehmbaren Schweißgeschwindigkeiten mit minimaler
Porosität
in der Schweißung
aufweist, auf das Blech unter Verwendung von Mitteln, wie gerillten
Gummidosierwalzen, aufgebracht werden kann, was zu einer gleichmäßigen Beschichtung
ohne blanke Flecken oder Streifen von dünner Beschichtung führt und
keine Sicherheits- oder Umweltprobleme hervorruft, die mit der Verwendung
oder Entsorgung von sechswertigem Chrom einhergehen.
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Ein
Vorteil der Erfindung umfasst eine gehärtete Isolierbeschichtung auf
einem nichtorientierten elektrischen Stahlblech, die eine geringe
Feuchtigkeitsabsorption in einer feuchten Atmosphäre aufweist
und keine Aufschichtung auf der Stanz-, Schneid- oder Scheranlage
verursacht.
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Zusätzliche
Vorteile umfassen eine Zusammensetzung zum Bilden einer gehärteten Isolierbeschichtung
auf einem nichtorientierten elektrischen Stahlblech, die eine verbesserte
Haftung und Staubbildungsfestigkeit aufweist, ein hohes Maß an Oberflächenwiderstand
bereitstellt, kein Chromat erfordert und dadurch die Sicherheits-
und Umweltprobleme während
der Verwendung und Entsorgung der Beschichtung vermeidet und die
unter Verwendung von gerillten Gummidosierwalzen auf das elektrische
Stahlblech leicht, ohne Auftreten von dünnen Beschichtungsstreifen
oder anderen Fehlern aufgebracht wird.
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Die
obigen Gegenstände,
Merkmale und Vorteile sowie weiteres gehen aus der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Erfindung hervor.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen anorganischen/organischen isolierenden
beschichteten halbfertigen oder fertigen nichtorientierten elektrischen
Stahl und eine gehärtete
Isolierbeschichtungszusammensetzung dafür, die ein hohes Maß an Oberflächenwiderstand
zur Minimierung der interlaminaren Energieverluste bereitstellt.
Nichtorientierter elektrischer Stahl ist dadurch gekennzeichnet,
dass er magnetische Eigenschaften aufweist, die in allen Richtungen
nahezu gleichmäßig sind.
Um dem Stahlblech einen höheren
spezifischen elektrischen Widerstand zu verleihen und dadurch den
Kernverlust zu senken, bestehen diese Stähle aus Eisen, Silicium und/oder
Aluminium. Nichtorientierte elektrische Stähle können auch Mangan, Phosphor oder
andere Elemente enthalten, die im allgemeinen zur Bereitstellung
eines höheren
elektrischen Widerstands bekannt sind, der die während der Magnetisierung hervorgerufenen
Kernverluste verringert.
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Der
erfindungsgemäße nichtorientierte
Stahl wird geschmolzen, gegossen und zu endlosen Längen von
Blechstreifen oder Folie heiß verarbeitet,
die im folgenden als Blech bezeichnet werden. Die Schmelzzusammensetzung
des Stahls enthält
weniger als 0,1 %, vorzugsweise weniger als 0,01 % C; 0,2–3,5 %,
vorzugsweise 1,5–3,3
% Si; 0,05–1,5
%, vorzugsweise 0,2–0,8
% Al; 0,05–0,5
% Mn, vorzugsweise 0,1–0,5
% Mn; bis zu 0,2 % P, weniger als 0,7 % Cr, weniger als 0,1 % S,
bis zu 0,2 % Sb und/oder Sn zur Hemmung der internen Oxidation des
Stahlblechs während
des Temperns, der Rest ist Eisen und normale Restelemente, wie Cu,
Ti, N und Mo. Das Blech kann unter Anwendung von Verfahren, wie
Rohlingsgießen,
dicke Platten gießen, dünne Platten
gießen,
Streifengießen
oder andere Verfahren der kompakten Streifenherstellung unter Verwendung
der Schmelzzusammensetzung hergestellt werden. Wenn das Stahlblech
aus einer Platte hergestellt wird, wird die Platte wieder auf etwa
1230 °C
erhitzt und heiß verarbeitet,
wie dadurch, dass sie zu einer Streifendicke von 1,8–2,0 mm,
die zur weiteren Verarbeitung geeignet ist, heiß gewalzt wird. Der heiß verarbeitete Streifen
kann gegebenenfalls getempert werden, zur Entfernung von Schuppen
gebeizt werden, in einer oder mehreren Stufen um etwa 60–85 % kalt
reduziert werden, und er kann etwa 30–40 s einem letzten Tempern bei
einer Metall-Maximaltemperatur von 870–1070 °C unterzogen werden. Nach der
Kaltreduktion, jedoch vor dem letzten Tempern, kann das Stahlblech
zur Verminderung des Kohlenstoffs auf 0,003 % oder weniger Entkohlungs-getempert
werden. Während
des letzten Temperns entwickelt das Blech die gewünschte Korn-Endgröße und eine
Oberflächenoxidschicht,
die als Grundlage für
eine aufgebrachte erfindungsgemäße Isolierbeschichtung
dient. Diese Isolierbeschichtung wird auf beide Flächen des
fertig getemperten Blechs unter Verwendung von Dosiereinrichtungen
wie Walzen aufgebracht. Anschließend wird die Isolierbeschichtung
gehärtet,
indem das Blech durch einen Ofen, eine In duktionsspule oder dergleichen
geführt
wird, worin das Blech auf eine Metall-Maximaltemperatur von etwa
220–350 °C, vorzugsweise
300–330 °C erhitzt
wird.
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Der
erfindungsgemäße nichtorientierte
elektrische Stahl kann fertig oder halbfertig sein. Ein fertiger nichtorientierter
elektrischer Stahl ist ein heiß verarbeiteter
Stahl, der gegebenenfalls getempert, gebeizt, kalt reduziert, falls
notwendig entkohlt und am Schluss getempert wird, um zur Entwicklung
optimaler magnetischer Eigenschaften ein Kornwachstum bereitzustellen,
und der anschließend
mit einer Isolierbeschichtung beschichtet wird. Halbfertiger nichtorientierter
elektrischer Stahl ist kalt reduziertes Stahlblech, das in einer
Stahlblech-Fertigungsanlage zur Entwicklung der optimalen Korngröße nicht
vollständig
entkohlt oder fertig getempert wird. Stattdessen wird das letzte
Tempern vom Endverbraucher nach dem Stanzen der Laminierungen aus dem
Stahlblech vorgenommen.
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Nach
dem letzten Tempern wird der erfindungsgemäße nichtorientierte elektrische
Stahl auf beiden Oberflächen
mit einer wässerigen
Säure-Suspension
beschichtet, die, bezogen auf 100 Teile Trockengewicht, 20–60 Teile
anorganisches Monoaluminiumphosphat, 20–70 Teile von einem oder mehreren
anorganischen, teilchenförmigen
Silicaten und 10–25
Teile eines Acrylharzes enthält.
Vorzugsweise enthält
die Suspension bis zu 1 Gewichtsteil eines wasserlöslichen,
organischen Lösungsmittels,
jeweils auf ein Teil des Acrylharzes. Die wässrige Suspension besitzt einen
pH von etwa 2,0–2,5
und vorzugsweise von etwa 2,3. Die wässrige Suspension besitzt vorzugsweise
ein spezifisches Gewicht von 1,0–1,3 und mehr bevorzugt von
etwa 1,02–1,25. Das
Verhältnis
von Monoaluminiumphosphat zu dem Acrylharz, bezogen auf das Trockengewicht,
beträgt
vorzugsweise mindestens 1,5:1 und mehr bevorzugt mindestens 2,0:1.
Die mittlere Silicat- Teilchengröße, d.h.
der entsprechende Kugeldurchmesser, beträgt vorzugsweise 0,3–60 μm und mehr
bevorzugt etwa 0,4–40 μm. Das Acrylharz
kann ein Copolymer von Acrylsäure,
Methacrylsäure,
Estern dieser Säuren,
Acrylnitril und Styrol sein. Dieses Copolymer kann ein thermoplastisches
Harz oder ein warmhärtendes
Harz sein, das funktionelle Monomere wie Glycidylacrylat, Itaconsäure und
Hydroxyethylacrylat enthält.
Das wasserlösliche
organische Lösungsmittel
kann ein oder mehrere Glycolether-Lösungsmittel, einen oder mehrere
unterschiedliche Alkohole oder Gemische davon einschließen. Die
Suspension kann über
die ganze Breite des Stahlblechs gleichmäßig dosiert werden. Im Gegensatz
zu Stand-der-Technik-Phosphatbeschichtungen,
die eine große
Menge an freier Phosphorsäure
enthalten können,
enthält
die erfindungsgemäße wässrige Säuresuspension
nur eine kleine Menge an nicht umgesetzter freier Phosphorsäure. Eine
kleine Menge an freier Phosphorsäure
bedeutet, dass die erfindungsgemäße wässrige Säuresuspension
weniger als etwa 0,2 Gew.-% nicht umgesetzte Phosphorsäure enthält. Eine
hohe Temperatur von 400 °C,
die für
den Stand der Technik typisch ist, ist während des Härtens der erfindungsgemäßen Beschichtung
zur Verhinderung der Klebrigkeit, die sonst durch nicht umgesetzte
Phosphorsäure
oder die Gegenwart von hygroskopischen Magnesium- oder Magnesiumaluminiumphosphatverbindungen
verursacht wird, nicht erforderlich. Demnach kann die flüssige Beschichtung
auf dem Stahlblech bei einer Metall-Maximaltemperatur von etwa 325 °C gehärtet werden.
Die Dicke der gehärteten
klebefreien Isolierbeschichtung auf jeder Blechoberfläche beträgt mindestens
0,5 μm,
vorzugsweise 2–8 μm. Die erfindungsgemäßen isolierenden
beschichteten nichtorientierten elektrischen Stähle können zur Minimierung der Energieverluste
in laminierten Magnetkernen von Motoren, Generatoren, Transformatoren
und anderen elektrischen Anlagen verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße gehärtete Isolierbeschichtung
enthält
20–60,
vorzugsweise 30–50
Teile anorganisches Aluminiumphosphat. Ein wesentliches Merkmal
der Erfindung besteht darin, dass die gehärtete Isolierbeschichtung mindestens
20 Teile, d.h. 20 Trockengew.-%, Aluminiumphosphat enthält. Eine
geringere Menge an Aluminiumphosphat in der gehärteten isolierenden Beschichtung
führt dazu,
dass die Beschichtung eine erhöhte
Neigung zum Stauben während
der Verarbeitung aufweist. Die gehärtete Isolierbeschichtung sollte
nicht mehr als 60 Teile, d.h. 60 Trockengew.-%, des Aluminiumphosphats
enthalten, da der Stempelverschleiß während des Stanzens des isolierenden
beschichteten Blechs übermäßig werden
kann.
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Die
erfindungsgemäße gehärtete Isolierbeschichtung
enthält
auch 10–25
Teile eines Acrylharzes, vorzugsweise 15–20 Teile des Harzes. Ein weiteres
wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, das die gehärtete Isolierbeschichtung
mindestens 10 Teile Acrylharz, d.h. 10 Trockengew.-%, enthält, um während des Stanzens
einen übermäßigen Stempelverschleiß zu verhindern.
Die gehärtete
Isolierbeschichtung sollte nicht mehr als 25 Teile Acrylharz, d.h.
25 Trockengew.-%, enthalten, um eine durch Verflüchtigung des Harzes hervorgerufene
Schweißporosität zu vermeiden.
Wenn die gehärtete
Isolierbeschichtung 25 Teile Acrylharz nicht übersteigt, ist die Härte der
Beschichtung nicht wesentlich vermindert und ist der normalen Handhabung
und Verarbeitung der beschichteten elektrischen Stahllaminierungen
angemessen.
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Acryllatex
wird in der Bedeutung einer stabilen Dispersion eines polymeren
teilchenförmigen
Acrylharzes in einem im Wesentlichen wässrigen Medium verstanden.
Es ist wichtig, dass die organische Komponente der erfindungsgemäßen Beschichtung
beim Mischen mit der wässrigen
Beschichtungssuspension eine stabile feine Dispersion bleibt. Die
erfindungsgemäßen Acrylharze
besitzen in der Regel eine Teilchengröße von nicht mehr als 1 μm, vorzugsweise
von nicht weniger als 0,5 μm.
Es ist von Bedeutung, dass die erfindungsgemäße organische Komponente der
wässrigen
Säuresuspension
als Acryllatex zugesetzt wird, da dies den Bedarf einer großen Menge
an organischem Lösungsmittel
zur Solubilisierung der organischen Komponente ausschaltet und eine
Beschichtung mit einem geringen Gehalt an flüchtiger organischer Verbindung
ergibt. Annehmbare Harze umfassen Copolymere von Acrylsäure, Methacrylsäure, Estern
dieser Säure,
Styrol und Acrylnitril. Funktionelle Monomere wie Glycidylacrylat,
Itaconsäure
und Hydroxyethylacrylat können
eingeschlossen sein, um reaktive Stellen zur Vernetzung bereitzustellen.
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Ein
weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass
die Zusammensetzung 20–70, vorzugsweise
25–65
Teile mindestens eines anorganischen teilchenförmigen Silicats enthält. Die
gehärtete Isolierbeschichtung
sollte mindestens 20 Teile, d.h. 20 Trockengew.-%, teilchenförmiges Silicat enthalten, um eine
entsprechende Abriebfestigkeit bereitzustellen, um eine Herabsetzung
des Oberflächenwiderstands
zu vermeiden und um eine gute Schweißbarkeit beizubehalten. Die
gehärtete
Isolierbeschichtung sollte nicht mehr als 70 Teile, d.h. 70 Trockengew.-%,
teilchenförmiges
Silicat enthalten, da die Beschichtung während des Verarbeitens zum
Stauben neigen würde.
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Die
erfindungsgemäße Silicatteilchengröße ist ebenfalls
wichtig und sollte vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 60 μm liegen.
Die Silicatteilchengröße beeinflusst
die Rauigkeit der gehärteten
Beschichtung, die die Schweißfähigkeit
und das Stauben während
der Bearbeitung beeinflussen kann. Die Teilchengröße sollte nicht
geringer sein als 0,3 μm,
da die Beschichtungsoberfläche
zu glatt ist, um eine Schweißporosität zu verhindern
und der Reibungskoeffizient für
einige Anwendungen zu gering sein kann. Die Teilchengröße sollte nicht
größer sein
als etwa 60 μm,
da während
der Verarbeitung und nach dem Tempern ein Stauben der Beschichtung
auftritt. Annehmbare, für
die Erfindung geeignete teilchenförmige Silicate umfassen diejenigen,
die als anorganisch, unlöslich
und durch eine plattenartige laminare Struktur gekennzeichnet sind,
wie Aluminiumsilicat, Aluminiumkaliumsilicat oder Magnesiumsilicat.
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Die
erfindungsgemäße saure
wässrige Überzugszusammensetzung
kann bis zu 1 Teil eines wasserlöslichen
organischen Lösungsmittels
jeweils auf 1 Teil Acrylharz enthalten, um in der gehärteten Beschichtung Fehler,
wie kleine ungeschützte
Stellen oder Streifen dünner
Beschichtung, zu vermeiden. Bei einer Beschichtungsbandgeschwindigkeit
oberhalb von etwa 20 m/min ist der Einschluss des Lösungsmittels
in die wässrige Suspension
wünschenswert,
um die Bildung von Beschichtungsstreifen zu verhindern, die hervorgerufen
werden, wenn unter Verwendung von gerillten Gummiwalzen von dem
Stahlblech zuviel Beschichtung entfernt wird. Das wasserlösliche organische
Lösungsmittel
verbessert auch die Benetzung der Stahloberfläche durch die wässrige Beschichtungssuspension
und führt
zu einer verbesserten Gleichmäßigkeit
und Bedeckung über die
gesamte Breite des Stahlblechs. Annehmbare wasserlösliche organische
Lösungsmittel
umfassen Glycolether oder verschiedene Alkohole. Vorzugsweise beträgt die Menge
des wasserlöslichen
organischen Lösungsmittels
mindestens 0,2, jeweils auf 1 Teil des Acrylharzes. Wenn die Menge
des wasserlöslichen
organischen Lösungsmittels
größer ist
als 1 Teil, jeweils auf 1 Teil des Acrylharzes, kann die Stabilität der wässrigen Suspension
schlecht sein und führt
zu einer übermäßigen Zunahme
in der Viskosität
während
der Verwendung und im Verlauf der Lagerung. Auch sollte das wasserlösliche organi sche
Lösungsmittel
vorzugsweise einen Davies-Hydrophile-Lipophile-Gleichgewichts(HLB)-Wert von mindestens
etwa 7 aufweisen, um eine zu starke zeitliche Viskositätszunahme
zu verhindern. Wenn die Menge des wasserlöslichen organischen Lösungsmittels
größer ist
als 1 Teil, jeweils auf 1 Teil des Acrylharzes, ist die Menge der
flüchtigen
organischen Verbindungen, die während
des Härtens
der Beschichtung freigesetzt werden, hoch und führt zu einer zunehmenden Umweltverschmutzung.
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Eine
weitere wichtige Überlegung,
um eine gleichmäßige Bedeckung über die
volle Breite des Stahlblechs zu erhalten, ist die Beschichtungsviskosität. Die Viskosität sollte
etwa 15–300
cP und vorzugsweise etwa 60–200
cP, wie gemessen mit einem Brookfield LVF-Viskosimeter, LV2-Spindel,
60 U/min, betragen. Wenn die Viskosität geringer ist als etwa 15
cP, ist es eher wahrscheinlich, dass während des Aufbringens mit gerillten
Gummidosierwalzen Streifen ohne oder mit dünner Beschichtung auftreten,
dass sich Silicatteilchen aus der Suspension schneller absetzen
und dass die Oberfläche
der gehärteten
Isolierbeschichtung zu glatt sein kann, um eine entsprechende Schweißfähigkeit
bereitzustellen. Wenn die Viskosität größer ist als etwa 300 cP, nivelliert
sich die Beschichtung nach dem Aufbringen mit den gerillten Dosierwalzen
nicht gut, und es bleibt ein auffälliges Walzenrillenmuster in
der gehärteten
Beschichtung zurück,
das den Raumfaktor, die Korrosionsbeständigkeit, die Gleitfähigkeit
während
der Verarbeitung des beschichteten Blechs nachteilig beeinflussen
kann. Ein Viskositätsbereich
von 60–200
cP ist bevorzugt, um die Streifenbildung zu minimieren und eine
gehärtete
Beschichtung mit entsprechender Oberflächenrauigkeit zur optimalen
Schweißfähigkeit
herzustellen.
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Die
erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung
kann auch geringe Mengen an Hilfsstoffen, wie oberflächenaktive
Mittel, um die Benetzung zu verbessern, das Schäumen zu vermindern und die
Dispersion der Silicatteilchen zu verbessern; Vernetzungsmittel,
um die Isolierbeschichtungshärte
zu erhöhen
und um die chemische Beständigkeit
zu verbessern; und Gleitmittel, um die Gleitfähigkeit und Kratzfestigkeit
zu verbessern, enthalten. Ferner können der Beschichtungssuspension
wasserreduzierfähige
Acrylharze, die bei niedrigem pH von etwa 2,0–2,5 stabil sind, zugesetzt
werden, um die Fließeigenschaften
und chemische Beständigkeit
der gehärteten
Beschichtung zu verbessern.
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Die
Beschichtungszusammensetzung kann auf jede Oberfläche des
Stahlblechs durch Mittel zum gleichmäßigen Dosieren über die
gesamte Breite der Stahloberflächen
aufgebracht werden, wie durch gerillte Gummiwalzen, Kontaktwalzen,
Rakeln, Sprühen
oder Tauchen. Überschüssige Beschichtung
kann unter Verwendung von gerillten Gummiwalzen, Luftmessern und
dergleichen von den Oberflächen
des Blechs entfernt werden. Das Flüssigkeits-beschichtete Blech
kann anschließend
durch einen Ofen geführt
werden, wo die Zusammensetzung auf eine Metall-Maximaltemperatur
von mindestens 220 °C,
vorzugsweise mindestens 300 °C,
in etwa 15–30
s erhitzt oder durch Induktion in etwa 5 s gehärtet wird. Nachdem sie gehärtet worden
ist, sollte die Dicke der trockenen Isolierbeschichtung auf jeder
Oberfläche
mindesten etwa 0,5 μm,
vorzugsweise mindestens 2,0 μm,
betragen. Die Beschichtungsdicke sollte mindestens etwa 0,5 μm betragen,
da kein hohes Maß an
Oberflächenwiderstand
erreicht wird, wenn die Dicke geringer ist. Die Beschichtungsdicke
sollte etwa 8 μm
nicht überschreiten,
da der Raumfaktor des laminierten Stapels nachteilig beeinflusst
wird. Auch besteht eine erhöhte
Neigung der Isolierbeschichtung zur Staubbildung und zum Aufweisen
von Schweißporosität, wenn
die Dicke der Beschichtung größer ist
als etwa 8 μm.
Nach dem Härten
besitzt das isolierende beschichtete elektrische Stahlblech einen
Franklin-Strom (ASTM 717) von nicht größer als etwa 0,2 A bei 2,1
Mpa und 21 °C.
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Beispiel 1
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Als
Beispiel wurden erfindungsgemäße vollständig verarbeitete
nichtorientierte elektrische Stahlbleche in einem Labor mit einer
wässrigen
Säuresuspension,
die eine Monoaluminiumphosphatlösung,
ein anorganisches teilchenförmiges
Silicat, einen Acryllatex und ein wasserlösliches organisches Lösungsmittel
enthielt, beschichtet. Die wässrige
Suspension, im Folgenden hier als erfinderische Beschichtung I bezeichnet, wurde
auf die folgende Weise hergestellt. Bezogen auf das Trockengewicht
von 100 Teilen Feststoffen insgesamt, wurden einem Mischgefäß 21,1 Teile
Acrylharz zugesetzt. Der Acryllatex enthält 41 Gew.-% Styrol-Acryl-Polymer
und etwa 59 Gew.-% Wasser. Die Styrol-Acryl-Polymerteilchen in dem
Latex besitzen einen mittleren Durchmesser von 0,15 μm. Sodann
wurde dem Acryllatex ein wasserlösliches
organisches Lösungsmittel,
Diethylenglycolmonobutylether, zugesetzt. Die an organischem Lösungsmittel
zugesetzte Menge betrug 0,073 Teile jeweils auf 1 Teil Acrylharz.
Bezogen auf das Trockengewicht, wurden anschließend 41,0 Teile teilchenförmiges Aluminiumsilicat
unter kräftigem
Rühren
zugesetzt, um eine gute Dispersion der Silicatteilchen zu erhalten.
Es handelt sich um ein Aluminiumsilicathydrat, das sich von Kaolin
ableitet, mit einer mittleren Teilchengröße von 0,4 μm, einem Verbrennungsverlust
von 14 % und einem pH von 3,5–5,0.
Bezogen auf das Trockengewicht wurden dem Gemisch der teilchenförmigen Silicatteilchen
und des Acryllatex 37,5 Teile Aluminiumphosphat zugesetzt. Das Aluminiumphosphat
wurde in Form einer Monoaluminiumphosphatlösung zugesetzt. Die Mono aluminiumphosphatlösung ist
eine 50 Gew.-% Lösung
von Al(H2PO4)3 in Wasser mit einem spezifischen Gewicht
von 1,47. Das spezifische Gewicht der resultierenden Säuresuspension
wurde durch Zugabe von Wasser auf etwa 1,14 eingestellt. Fertige
nichtorientierte elektrische Stahlbleche mit einer Dicke von 0,47
mm wurden mit der erfinderischen Beschichtung I unter Verwendung
von gerillten Gummidosierwalzen beschichtet und anschließend 32
s in einem Ofen, der auf 482 °C
eingestellt war, gehärtet,
was zu einer Metall-Maximaltemperatur des Stahlblechs von 232 °C führte. Die
Dicke des gehärteten
trockenen Films betrug etwa 2,3 μm
pro Seite.
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Um
zu bestimmen, ob die Schweißporosität durch
Erhöhen
der Oberflächenrauigkeit
vermindert werden könnte,
wurden der erfinderischen Beschichtung I zusätzliche größere Silicatteilchen zugesetzt.
Die resultierende Zusammensetzung, im Folgenden als erfinderische
Beschichtung II bezeichnet, wurde hergestellt, wobei sämtliche
Komponenten bezüglich
Trockengewicht von insgesamt 100 Teilen Feststoffen ausgedrückt wurden:
20,1 Teile eines Acrylharzes, 26,9 Teile eines teilchenförmigen Aluminiumsilicats,
3,9 Teile eines teilchenförmigen
Aluminiumkaliumsilicats und 49,2 Teile Aluminiumphosphat. Das Aluminiumkaliumsilicat
ist ein hochreiner nass gemahlener Muscovit-Glimmer mit einer mittleren
Teilchengröße von 22–27 μm, einem
Verbrennungsverlust von 4,27 % und einem pH von 7–8. Nichtorientierte
elektrische fertige Stahlblechproben wurden mit der erfinderischen
Beschichtung II beschichtet und auf die gleiche Weise wie zuvor
für die
erfinderische Beschichtung I beschrieben gehärtet. Die Dicke des gehärteten Beschichtungsfilms
betrug etwa 2,0 μm.
Die Schweißbarkeit
der erfinderischen Beschichtung II wurde unter Anwendung der gleichen
Bedingungen wie für die
erfinderische, vorstehend beschriebene Beschichtung I bewertet.
Das Auftreten von Schweißporosität war im
Vergleich zu der erfinderischen Beschichtung I deutlich vermindert.
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Beispiel 2
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Proben
von nichtorientiertem elektrischem Stahlblech wurden im Labor mit
der erfinderischen Beschichtung II, die zuvor in Beispiel 1 beschrieben
wurde, beschichtet und in einer feuchten Atmosphäre auf die Wasserabsorption
getestet. Jede Beschichtung wurde aufgetragen und wie in Beispiel
1 beschrieben gehärtet. Die
Proben wurden vor dem Beschichten und erneut nach dem Härten der
Beschichtung gewogen, um das Beschichtungsgewicht in g/m2 des Blechs zu bestimmen. Sodann wurden
die beschichteten Proben in eine Feuchtigkeitskammer gebracht, die
48 h bei einer Temperatur von 21 °C
und einer relativen Feuchtigkeit von 99–100 % (nicht kondensierend)
gehalten wurde. Nach der Entnahme aus der Feuchtigkeitskammer wurden die
Proben sofort erneut gewogen, und die Gewichtszunahme oder die Menge
an absorbiertem Wasser durch jede Beschichtung wurde in % des ursprünglichen
Beschichtungsgewichtes berechnet. Die Wasserabsorption der erfinderischen
Beschichtung II betrug nur 9 % des Beschichtungsgewichts.
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Doppelte
Proben der erfinderischen Beschichtung II wurden an einen Elektromotoren-Hersteller
an einem geographischen Ort mit feuchtem Klima zur Bewertung der
Neigung zum klebrig Werden bei feuchtem Wetter gesandt. Dieser Motoren-Hersteller
hat Probleme mit aufgeschichteter Beschichtung auf der Stanzanlage
erfahren, die in der Vergangenheit durch eine klebrige Beschichtung
hervorgerufen wurden. Die Proben wurden während einer Feuchtigkeitsperiode,
als das Produktionsmaterial mit einer handelsüblichen anorganischen/organischen
Phosphatbeschichtung an diesem Ort zu schwerwiegenden Aufschichtungsproblemen
auf den Stanz, Druck-, Zufuhrwalzen führte, auf die Klebrigkeit bewertet.
Auf der Grundlage einer Berührung
mit der bloßen
Hand waren die mit der erfinderischen Beschichtung II beschichteten
Proben nicht klebrig.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die erfinderische Beschichtung II im Vergleich
mit einer breit eingesetzten handelsüblichen anorganischen/organischen
Phosphatbeschichtung eine geringere Neigung zeigt, Wasser aus einer
feuchten Atmosphäre
zu absorbieren und klebrig zu werden.
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Beispiel 3
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Eine
wässrige
Säuresuspension
mit der gleichen Zusammensetzung wie die erfinderische Beschichtung
II in Beispiel 1 wurde zum Beschichten zweier Spulen (etwa 15 metrische
Tonnen) aus nichtorientiertem elektrischem Stahl mit einer Dicke
von 0,47 mm auf einem Produktionsbeschichtungsband verwendet. Das spezifische
Gewicht der Beschichtungssuspension wurde durch Zugabe von Wasser
auf 1,125 eingestellt. Die Beschichtung wurde auf beide Oberflächen des
Stahlblechs, das sich mit einer Bandgeschwindigkeit von 23 m/min
bewegte, unter Verwendung von gerillten Gummidosierwalzen aufgebracht.
Die Bandgeschwindigkeit wurde auf 23 m/min begrenzt, da sich bei
schnellerer Geschwindigkeit Streifen von dünner Beschichtung oder ohne
Beschichtung bildeten. Nach dem Beschichten wurde das Stahlblech
zur Härtung
der Beschichtung durch einen 12 m langen Ofen mit offenen Gasbrennern
geführt.
Die Verweilzeit des Blechs in dem Ofen betrug etwa 30 s, und die
Metall-Maximaltemperatur betrug etwa 329 °C. Nach Passieren des Härtungsofens
wurde das Blech fast auf Raumtemperatur abgekühlt und am Ende des Beschichtungsbands
aufgewickelt. Die gehärtete
Beschichtung besaß ein
klebrigfreies glattes gleichmäßiges hellgraues
Aussehen. Gelegentlich waren in dem gehärteten Film aufgrund schlechter
Benetzung der Stahloberfläche
kleine ungeschützte
Stellen sichtbar. Die Ergebnisse der Tests, die mit Proben durchgeführt wurden,
die von den Produktionsspulen erhalten wurden, sind in der Tabelle
zusammengefasst.
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Die
Beschichtungsdicke war etwas geringer als gewünscht, da die Beschichtungssuspension
mit Wasser auf ein spezifisches Gewicht von 1,125 verdünnt werden
musste, um größere Probleme
der Streifenbildung zu vermeiden. Als Ergebnis waren die gehärteten Franklin-Stromwerte
etwas höher
als gewünscht,
allerdings für
eine Anwendung in großen
rotierenden Maschinen immer noch recht akzeptabel. Der Franklin-Strom
war auch nach SRA bei 816 °C
in einer H2-N2-Atmosphäre und nach
einer simulierten Motorstatorisolierungs- Abstreifbehandlung oder nach 16 h Abrennen
an Luft bei 482 °C
immer noch gut. Die Haftung der Beschichtung an dem Stahlblech war
nach den Härten
und nach SRA- oder Abbrand-Behandlungen ausgezeichnet. Die Beschichtung
war gegenüber
Methylalkohol beständig
und zeigte kein Anzeichen einer Oberflächenrestacidität, wie durch
einen Test mit nassem Lackmuspapier gemessen. Während des Versuchs wurden die
folgenden Gebrauchsvorteile der erfinderischen Beschichtung II im
Vergleich zu den im Handel erhältlichen
und breit eingesetzten anorganischen/organischen Phosphatisolierbeschichtungen
festgestellt: (1) Die erfinderische Beschichtung II ist gegenüber einem Überhitzen,
das während
Beschichtungsband-Stopps auftritt, weniger empfindlich, was zu einer
konsistenteren Farbe und zu einem konsistenteren Aussehen führt, (2)
die erfinderische Beschichtung II verursacht während des Aufbringens und Härtens weniger
Geruch, (3) die erfinderische Beschichtung II staubt nicht oder
baut sich nicht an den Rändern
des Blechs auf dem Beschichtungsband auf und (4) die Silicatteilchen
in der erfinderischen Beschichtung II setzen sich nicht aus der
Suspension in der Beschichtungswanne ab, was eine leichtere Reinigung
zur Folge hat.
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Der
experimentelle beschichtete nichtorientierte elektrische Stahl aus
diesem Versuch wurde an einen Hersteller von Elektromotoren geschickt,
und während
der Verarbeitung verfolgt, um den leichten Zusammenbau zu Statoren
und Rotoren, insbesondere die Neigung zu auftretender Aufschichtung
von Beschichtung auf der Stanzanlage bei hoher Feuchtigkeit zu bewerten.
Nach dem Stanzen von Stator- und
Rotorlaminierungen aus diesem Stahl unter verschiedenen Umgebungstemperatur-
und Feuchtigkeitsbedingungen wurde festgestellt, dass die erfinderische
Beschichtung II nicht klebrig wurde und keine Aufschichtung von
Beschichtung auf der Stanzanlage verursacht. Die Haftung der Beschichtung
auf den Stahlblechen wurde nach dem Härten mit ausgezeichnet bewertet,
und die Beschichtung erzeugte während
des Stanzens nicht viel Staub oder Pulver. Die erfinderische Beschichtung
II wurde für
den Aluminium-Druckguß von
Stabankern mit akzeptabel bewertet, da sie beim Aluminiumgießen keine
Porosität
verursachte. Mit einem Teststatorkern wurde ein Vakuumdruckimprägnier (VPI)-Verfahren
durchgeführt,
wobei er mit einem Epoxyharz imprägniert wurde. Nach diesem Verfahren
zeigte der Kern mit der erfinderischen Beschichtung II in dem gehärteten Epoxyimprägnierharz keine
Blasen und keine anderen Probleme. Handelsübliche Phosphatbeschichtungen
führten
bei dem gleichen VPI-Verfahren aufgrund der Freisetzung von absorbiertem
Wasser aus der Beschichtung während
des Aufheizzyklus, der zum Härten
des Epoxy angewandt wurde, zu starker Blasenbildung des Epoxy-Imprägnierharzes.
Das einzige bei der erfinderischen Beschichtung II während des
Motorkern-Herstellungsverfahrens festgestellte Problem war ein leichter
Abrieb der Bodenfläche
während
des Stanzens, das durch ein Reiben der Beschichtung auf den Trägerplatten,
-walzen, etc., auf dem Stanzband verursacht wurde.
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Dieser
erste Produktionsversuch zeigte, dass die erfindungsgemäßen Beschichtungen:
(1) Probleme in Verbindung mit dem Stanzen von im Handel erhältlichen
anorganischen/organischen Phosphatbeschichtungen in Zeiten hoher
Umgebungsfeuchtigkeit beseitigten (2) während des Aufbringens und Härtens weniger
Geruch verursachten, (3) nicht staubten oder sich an den Rändern des
Blechs auf dem Beschichtungsband aufbauten und (4) leichter aufzutragen
waren und nach dem Beschichten das Reinigen leichter war, da die
Silicatteilchen sich aus der Suspension nicht so leicht absetzten
wie bei handelsüblichen
Phosphatbeschichtungen. Dieser erste Herstellungsversuch zeigte
ferner, dass die erfindungsgemäßen Beschichtungen
viele der Anforderungen für
Isolierbeschichtungen erfüllen,
die in Magnet kernen von großen
rotierenden Maschinen verwendet werden. Auch die Nachteile der Erfindung
wurden identifiziert, einschließlich
einer Neigung zum Auftreten von streifenartigen Fehlern während des
Aufbringens der Beschichtung mit gerillten Dosierwalzen, eines etwas
schlechten Benetzens, das zu kleinen blanken Flecken in dem gehärteten Beschichtungsfilm
führte,
und eines leichten Abriebs der Bodenfläche während des Stanzens. Diese Probleme
wurden durch die Zugabe einer kleinen Menge von wasserlöslichem
organischem Lösungsmittel
und durch Erhöhen
der Menge an teilchenförmigem
Silicat in der Formulierung, wie in den Beispielen 4 und 5 gezeigt,
gelöst.
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Beispiel 4
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Es
wurde ein Versuch auf einem Herstellungsbeschichtungsband unter
Verwendung der folgenden Beschichtungszusammensetzung auf Trockengewichtsbasis
durchgeführt:
| Acrylharz | 14,
8 |
| Aluminiumsilicat | 22,8 |
| Aluminiumkaliumsilicat | 22,
8 |
| Aluminiumphosphat | 39,6 |
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Die
zur Herstellung der Beschichtung eingesetzten Bestandteile waren
die gleichen wie diejenigen, die in den vorherigen Beispielen beschrieben
wurden. Diese, hier als erfinderische Beschichtung III bezeichnete Beschichtungszusammensetzung
unterscheidet sich von der erfinderischen Beschichtung II insofern,
als der Gehalt an Kaliumaluminiumsilicat höher ist. Die saure Beschichtungssuspension
besaß ein
spezifisches Gewicht von 1,20 und wurde unter Verwendung von gerillten
Gummidosierwalzen auf den Stahlstreifen aufgetragen. Vier Spulen
von 0,47 mm dickem nichtorientiertem elektri schem Stahl wurden mit
einer Bandgeschwindigkeit von 40 m/min beschichtet. Die beschichteten
Stahlstreifen wurden durch einen 12 m langen Ofen mit offener Flamme
geführt,
um die Beschichtung bei einer Metall-Maximaltemperatur von 327 °C zu härten.
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Einige
Probleme auf Grund von Streifen ohne oder von dünner Beschichtung traten auf,
wenn das Band nach Anhalten erneut gestartet wurde, allerdings wurde
keine Streifenbildung festgestellt, nachdem die Bandgeschwindigkeit
den Gleichgewichtszustand bei 40 m/min erreicht hatte. Die gehärtete Beschichtung
besaß ein
gleichmäßiges weißgraues
Aussehen. Die Ergebnisse der Tests, die mit den während des
Versuchs erhaltenen Proben durchgeführt wurden, sind in Tabelle
2 gezeigt.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass die erfinderische Beschichtung II eine ausgezeichnete
Oberflächenbeständigkeit,
Stapelfaktor und Haftung bereitstellt. Außerdem absorbiert die Beschichtung
bei Exposition gegenüber
hoher Feuchtigkeit im Vergleich zu den im Handel erhältlichen
anorganischen/organischen Phosphatbeschichtungen viel weniger Wasser,
was zu einer verminderten Klebrigkeit und zu einer verminderten
Neigung zum Beschichtungsaufbau auf der Stanz- und Schneidanlage
führt.
Die TIG-Schweißbarkeit
von elektrischem Stahlblech, das mit der erfinderischen Beschichtung
III beschichtet war, ist im Vergleich zu der erfinderischen Beschichtung
II wegen eines erhöhten
Gehalts an Kaliumaluminiumsilicat verbessert. Eine leichte Porosität wurde
größtenteils
in Schweißungen
bei Schweißvorschubgeschwindigkeiten
bis zu 76 cm/min festgestellt, was eine für die meisten Anwendungen annehmbare
Produktivität
bereitstellen sollte. Dieser Schweißbarkeitsbetrag entspricht
demjenigen, der mit einer handelsüblichen Phosphatbeschichtung
erreicht wird.
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Nach
dem Schneiden der mit der erfinderischen Beschichtung III beschichteten
Stahlspulen wurden nur sehr geringfügige Reibmarken und Kratzer
auf den Oberflächen,
die mit den Spannunterlagen in Kontakt waren, festgestellt, was
anzeigt, dass die Abriebfestigkeit der Beschichtung im Vergleich
zu der erfinderischen Beschichtung II verbessert war. Nichtorientiertes
elektrisches Stahlmaterial, das mit der erfinderischen Beschichtung
III beschichtet war, wurde ohne Bearbeitungsprobleme, wie Aufbau
von Beschichtung auf der Stanzanlage, zu Motoren zusammengebaut.
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Dieser
Versuch zeigte, dass das Erhöhen
der Menge an Kaliumaluminiumsilicat für die erfinderische Beschichtung
III im Vergleich zu der erfinderischen Beschichtung II zu einer
verbesserten Schweißbarkeit
und Abriebfestigkeit führt.
Diese beiden Eigenschaften waren in ei nem annehmbaren Maß verbessert.
Der einzige Nachteil der erfinderischen Beschichtung III bestand
in der Neigung zu Streifen ohne oder zu Streifen von dünner Beschichtung
während
des Aufbringens mit gerillten Dosierwalzen bei niedrigen Beschichtungsband-Geschwindigkeiten.
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Beispiel 5
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Es
wurde ein Versuch durchgeführt,
wobei 0,47 mm dicker nichtorientierter elektrischer Stahl mit der gleichen
Zusammensetzung wie die erfinderische Beschichtung III beschichtet
wurde, mit der Ausnahme, dass 0,20 Teile Ethylenglycolmonobutylether
und 0,20 Teile Isopropylalkohol pro Teil Acrylharz zugesetzt wurden. Beide
Lösungsmittel
sind wasserlösliche
organische Lösungsmittel,
die die Oberflächenspannung
von Beschichtungen auf Wasserbasis herabsetzen. Die Laborarbeit
zeigte, dass die Zugabe von einem oder mehreren wasserlöslichen
Lösungsmitteln
die Neigung zur Streifenbildung während des Aufbringens mit gerillten
Dosierwalzen im Labor wesentlich verminderte. Nach Zugabe des Ethylenglycolmonobutyl- und -isopropylalkohols
zu der Beschichtung wurde zum Erreichen einer spezifischen Enddichte
von 1,20 Wasser zugesetzt. Die hier im folgenden als erfinderische
Beschichtung IV bezeichnete Beschichtung wurde mit einer Bandgeschwindigkeit
von 40 m/min unter Verwendung von gerillten Gummidosierwalzen, wie
zuvor beschrieben, auf den elektrische Stahlstreifen aufgebracht
und in einem 12 m langen Ofen bei einer Metall-Maximaltemperatur
von 327 °C
gehärtet.
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Weder
nach Bandstopps noch bei gleichmäßiger Bandgeschwindigkeit
kam es während
des Aufbringens der Beschichtung zu einer Streifenbildung. Die Benetzung
der Stahloberfläche
war im Vergleich zu den bisherigen Versuchen, wobei der Beschichtung
keine organi schen Lösungsmittel
zugesetzt wurden, ebenfalls verbessert, was zu einem geringeren
Auftreten von kleinen blanken Flecken führte. Die gehärtete Beschichtung
besaß ein
gleichmäßiges mattes
weißgraues
Aussehen. Die Beschichtungsdicke reichte von 1,8 bis 2,9 μm pro Seite,
und der gehärtete
Beschichtungsstrom betrug 0–0,01
A. Die Haftung der Beschichtung war auf der Grundlage eines 12,7-mm-Durchmesser-Biegetests
annehmbar. Der experimentelle beschichtete nichtorientierte elektrische
Stahl wurde an einen Hersteller von Motoren geliefert und ohne die
Probleme, wie Beschichtungsaufbau oder Stauben während des Stanzens, zu Magnetkernen
verarbeitet.
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Dieser
Versuch zeigt, dass die Zugabe von einen oder mehreren wasserlöslichen
organischen Lösungsmitteln
zu den erfindungsgemäßen Beschichtungen
die Probleme der Streifenbildung der Beschichtung während des
Aufbringens mit gerillten Gummidosierwalzen beseitigt und auch die
Benetzung der Stahloberfläche
durch die Beschichtung verbessert, was zu einer gleichmäßigeren
Bedeckung führt.
Keine Eigenschaften der gehärteten
Beschichtung wurden durch die Zugabe der organischen Lösungsmittel
nachteilig beeinflusst.
