JP3546040B2 - 絶縁膜を形成するための被覆組成物、その被覆組成物で被覆された無方向性電気鋼板、及びその鋼板上に絶縁膜を形成する方法 - Google Patents

絶縁膜を形成するための被覆組成物、その被覆組成物で被覆された無方向性電気鋼板、及びその鋼板上に絶縁膜を形成する方法 Download PDF

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Description

【0001】
本発明は、絶縁膜を形成するための被覆組成物、その被覆組成物で被覆された無方向性電気鋼板、及び鋼板上に絶縁膜を形成する方法に関する。より具体的に述べると、本発明は、ロール塗付加工性及び被膜特性が優れ、また美麗が優れる、絶縁膜を形成するための有機−無機混合被覆組成物、その被覆組成物で被覆された無方向性電気鋼板、及び鋼板上に絶縁膜を形成する方法に関する。
【0002】
一般に、無方向性電気鋼板は、小さな電気モーターや変圧器用の鋼心として使用されている。これらの無方向性電気鋼板は、渦電流の発生による電力損失が最小限に抑えられるように、ユーザーに提供される前に絶縁膜で被覆される。
【0003】
一般に、絶縁膜形成後にユーザーに提供される無方向性電気鋼板は、鋼板に形を与えるように、さらに打ち抜き、応力除去のための高温アニール、自動積み重ね、溶接等のような加工が行われる。
【0004】
応力除去のための高温アニール中、高温でも絶縁性を維持できるように、絶縁膜は剥離されず、また高い耐熱性でなければならない。さらに、無方向性電気鋼板は絶縁膜形成後、直接ユーザーに提供されるため、鋼板の美麗が優れていなければならない。さらに、密着性、耐食性、連続ロール塗付加工性に優れていることが必要とされる。
【0005】
従来の無方向性電気鋼板に被覆される絶縁膜は、おおまかに有機系、無機系、有機−無機混合系に分類される。
無機絶縁膜は、有機及び有機−無機混合絶縁膜に比べて耐熱性に優れているが、打ち抜き性が適当でない。有機絶縁膜は打ち抜き性、密着性に優れているが、膜が応力除去アニール中に分解また破壊され、その結果、密着性を悪化させる。
【0006】
従って、無機絶縁膜と有機絶縁膜の利点を有する有機−無機混合絶縁膜の開発が要望されている。この例として、韓国特許25106号、31208号、および31219号がある。
【0007】
有機−無機混合絶縁膜の組成物は、一般に、耐食性、密着性等のような不可欠な特性を確保するためにクロム酸を含む。このように含まれるクロム酸は、被覆組成物の製造中また被覆作業過程中に人体に悪影響を与えるだけでなく、水質汚染等のような環境汚染も引き起こす。
【0008】
従って、クロム化合物を含まない絶縁膜の研究、開発が行われ、この一つとして特開平6−330338号公報がある。この技術において、主構成物質は第1リン酸アルミニウムのエマルジョンと0.3〜3.0μmの粒径を有する有機樹脂である。さらに、ホウ酸とコロイダルシリカが加えられる。特に、有機樹脂の粒径は、耐熱性等が向上するように制御される。
【0009】
クロム化合物が排除されている他の例として、特開平7−41913号公報及び特開平7−166365号公報がある。これらの場合、主構成物質は、0.3〜3.0μmの粒径の有機樹脂と、リン酸アルミニウム、リン酸カルシウム、リン酸亜鉛からなるグループから選択される一つあるいは二つのものである。さらに、ホウ酸が加えられる。
【0010】
上記技術はクロム化合物を含まず、それゆえ、膜は人体に害がないだけでなく環境に好ましいと言われているが、その美麗は望ましいものではない。
【0011】
本発明は、このような従来の技術の不都合を克服することを目的とする。
従って、本発明の目的は、主構成物質がリン酸塩と酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体であり、さらに被覆特性を向上させる元素を最適量加え、それによって環境を汚染から防ぐだけでなく、ロール塗付加工性、被膜特性、および美麗を優れたものにする絶縁膜を形成する有機−無機混合被覆組成物を提供することにある。
【0012】
本発明の別の目的は、前記の構成物質からなる被覆組成物が被覆され、それにより、被膜の絶縁性が優れ、美麗が素晴らしい無方向性電気鋼板を提供することにある。
【0013】
本発明のさらに別の目的は、上述した性質と同様の性質が得られる無方向性電気鋼板に絶縁膜を形成する方法を提供することにある。
【0014】
クロム化合物が使用される従来の被覆組成物は、人体に有害であるだけではなく、環境にも望ましいものではない。従って、クロム化合物を用いることのない有機−無機混合被覆組成物が開発されてきた。しかしながら、優れた被膜特性を有する信頼性の高い絶縁膜を形成するには限界がある。
【0015】
従って、本発明者等は、クロム化合物を用いずに、優れた被膜特性が得られる有機−無機被覆組成物を開発するために、研究と調査を繰り返し行った。その結果、本発明者等は、主構成物質がリン酸塩と低発泡性で酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂からなる有機−無機混合物質から成り、硝酸亜鉛、シリコン、非イオン界面活性剤、エチレングリコールのような添加物が適切な量で加えられれば、優れた被膜特性を得ることができることを見出した。この様にして、本発明は提案されるに至った。
【0016】
すなわち、本発明において、上記した添加物は、リン酸塩と低発泡性で酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂からなる有機−無機混合物質からなる主構成物質に適切な量で加えられ、このことは本発明の重要な特徴である。このようにして、被覆組成物が電気鋼板上に塗付されると、それぞれの添加物がリン酸塩とアクリル樹脂を凝固させるように作用し、また優れた美麗の不溶性の膜を形成するように作用する。優れた被膜特性と連続ロール塗付加工性は、単にそれぞれの添加物だけによって得ることができない。
【0017】
上記目的を達成するために、本発明による被覆組成物は、第1リン酸アルミニウム溶液のリン酸100g当たりに:28〜98g(固体重量)の酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂と;6〜18gの硝酸亜鉛と;4〜13gのシリコン添加物と;18〜35gのエチレングリコールと;3〜11gの非イオン界面活性剤を含む。
【0018】
本発明の別の側面では、本発明による無方向性電気鋼板は、上記被覆組成物で被覆される。
【0019】
本発明のさらに別の側面では、本発明による絶縁膜を被覆するための方法は:上述した構成物質を加えることによって被覆組成物を調製する工程;被覆組成物を無方向性電気鋼板上に塗付する工程;(このように被覆された)電気鋼板に150〜800℃で14〜45秒間の熱処理を施す工程を含む。
【0020】
まず、絶縁膜を形成する被覆組成物を説明する。
第1リン酸アルミニウム溶液は、被膜の耐熱性及び耐食性を向上させるためのものであり、これはリン酸に水酸化アルミニウム(3価金属化合物)を加えて溶解させることによって調製することができる。本発明において、製造方法およびそれらの添加割合は特に限定されるものではない。リン酸は通常用いられるもので良く、またその濃度は85%であることが好ましい。
【0021】
有機−無機混合被覆組成物に用いられるアクリル−スチレン共重合体樹脂は、酸可溶性でなければならず、これによって組成物の塗付の均一性が結合安定性とエマルジョンの低粘度を通して改善される。
【0022】
酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂は、4以下のpH値を有することが好ましく、また35%のアクリル化合物と65%のスチレン化合物からなり、またそれらの平均粒径が0.2μm程度であることがさらに好ましい。
【0023】
本発明において、酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂は、鋼板への密着性、及び被膜の柔軟性を改善させるように作用する。しかしながら、その含有量が少なすぎると、粉状化と表面粗さが増大し、それによって美麗を低下させる。さらに、密着性を強めることはできず、その結果、付加効果が期待できない。一方、その含有量が多過ぎると、絶縁性と耐熱性が応力除去熱処理後悪化する。
【0024】
従って、本発明において、酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂は、リン酸100g当たりに28〜98gに制限される。
【0025】
一方、硝酸亜鉛がリン酸溶液のリン酸100g当たり6gより少ないと、色や輝きのような美麗は悪化し、一方18gを超えると、被膜が応力除去熱処理後剥離する可能性がある。
従って、本発明において、硝酸亜鉛の含有量はリン酸100g当たりに6〜18gに制限される。
【0026】
クロム化合物が含まれる従来の被膜溶液においては、6価クロムの還元反応が為され、それゆえ、被膜の色は薄緑である。従って、被膜の色が従来の色と著しく異なる場合、ユーザーは質が低下したと判断する可能性がある。色がなければ、ユーザーは被覆が為されていないと判断する可能性がある。従って、色、均一性、輝きのような外観品質も注意深く管理さることが現在の傾向である
【0027】
本発明において、被膜組成物はクロム化合物を含まないが、従来の絶縁膜の色と類似の膜の色を示す。つまり、膜の色を制御するために別個の色素を有機−無機混合組成物に加えることなく、薄黄緑色をつくることができる。この現象に関して、はっきりとした理由は明らかでないが、その理由は以下のように推測することができる。
【0028】
すなわち、樹脂を硝酸亜鉛水溶液に加えることによって調製される被覆溶液は、初期段階で乳白色を示す。その後、熱処理中、被覆溶液の樹脂成分は鋼板の酸化層(先に形成されていた酸化層)の無機成分と反応し、酸化亜鉛を形成するために、硝酸亜鉛の沸点以上での亜鉛イオンの酸化工程中に新しい複合材料を形成する。この新しい複合材料は、膜の色を薄黄緑色に変える。
【0029】
シリコン添加物は、ポリエステル変態ポリシロキサンシリコーンである。これは、被覆溶液の表面張力を低下させ、鋼板の水分状態を改善することができる。この好ましい実例は、ドイツのBYKケミエ社(BYK Chemie company)の商品モデルBYK−348である。
【0030】
本発明において、シリコン添加物の含有量は、溶液中のリン酸100g当たり4〜13gに制限される。その含有量が4gより少ないと添加効果が生ぜず、その結果、鋼板の水分状態は不十分となる。一方、含有量が13gを超えると、美麗が悪化する。
【0031】
エチレングリコールは、コイル鋼板の表面上のまだらの効果を防ぐことによって、外観を改善させるように作用する。
これについて詳細に説明すると、連続ロール塗付作業過程を行った後、まだらの模様がコイル鋼板の表面に非常に頻繁に現れる。これは、500〜600℃の比較的高温の加熱を行う際に、100℃の沸点を有する材料成分が被覆材料の他の揮発性成分よりもはやく蒸発することに原因がある。従って、水よりも高い沸点を有するエチレングリコールが最適量加えられると、長時間の作業過程中でもまだらの効果を防止することができる。その結果、均一な外観が得られる。
【0032】
本発明において、エチレングリコールの含有量は、リン酸100g当たり18〜35gに制限される。その含有量が18gより少ないと、美麗特性が不十分となり、一方35gを超えると、乾燥後完全に蒸発せず一部残存し、その結果、水酸基が原因で耐食性と耐水性が悪化する。
【0033】
非イオン界面活性剤は、連続ロール塗付加工性を改善させるために加えられ、この好ましい実例は、アメリカのユニオンカーバイド社(Union Carbide company)の商品モデルTRITON X−405である。
これについて詳細に説明すると、連続ロール塗付作業過程中、ロール間の加圧は温度を上昇させ、それにより、被覆溶液の水成分は蒸発する。従って、リン酸塩成分と樹脂成分は急速に乾燥して液層から固層に変わり、その結果、固着性が発生し、またこの固着性は水溶性の性質へと戻ることができない。この現象を防ぐために、非イオン界面活性剤が加えられる。しかしながら、その含有量がリン酸100g当たり3gより少ない場合、被覆溶液の性質は、固着性を有することになり、また凝固した溶液が厚い層でロールの表面に付着するようにロールの周りで変化し、操業できなくなる。一方、その含有量が11gを超えると、泡が処理液中にひどく生成し、その結果、被膜の美麗が悪化する。
従って、本発明において、リン酸100g当たりの非イオン界面活性剤の含有量は3〜11gに制限される。
【0034】
従来、被覆溶液を無方向性電気鋼板に塗付する際、重量のある鋼板コイルの先端から被覆されると不経済的となる。従って、先ず、ある程度の被覆溶液がコイル板の一部に塗付され、次いで、塗付作業過程は停止され、後の残りの被覆溶液でコイル板の残りを被覆する。このようにして、被覆溶液は使用されることなく数日間放置され、またこのようにして、その後この被覆溶液が用いられる場合、被覆溶液は数日の放置の間に広がり性を失い、無機クロム成分と樹脂成分間でゲル反応が生じていた。
【0035】
これに対して、本発明による樹脂−リン酸塩複合被覆組成物が使用される場合、混和性と時間安定性が優れたものになる。このように、本発明の被覆溶液が一年間放置された後に用いられるときでさえも、優れた塗付加工性を維持することができる。従って、処理溶液節約の効果と廃液最小化の効果を得ることができる。
【0036】
一方、本発明は上述した被覆組成物が被覆された無方向性電気鋼板もまた提供する。
被覆組成物は、鋼板の各面に0.7〜2.8μmの厚さで塗付されることが好ましい。被覆厚が0.7μmよりも小さいと、所望の絶縁強度を得ることができず、また厚さが2.8μmを超えると、溶接問題等が生じることがある。
【0037】
次に、本発明は上述した被覆組成物を被覆することによって絶縁膜を形成する方法もまた提供する。
これについて詳細に説明すると、本発明においては、最適な濃度の被覆溶液を形成するため、水が上述した被覆組成物に加えられる。この条件の下、本発明は、被覆溶液の特定の濃度に制限されるものではない。
【0038】
上述した被覆溶液は、無方向性電気鋼板の表面に塗付される。乾燥した被覆厚は0.7〜2.8μmで有ることが好ましく、この範囲が絶縁強度と溶接性を確保する。
【0039】
このように被覆された無方向性電気鋼板は、150〜800℃で14〜45秒間アニールされ、それによって優れた特性の絶縁膜が得られる。この熱処理温度(熱処理炉の温度)と熱処理時間は、被膜特性を決定する要因となる。
すなわち、本発明において、熱処理温度は150〜800℃に制限される。温度が150℃より低い場合、熱処理は不十分となり、その結果、水分が残存するか、あるいはたとえ被膜が形成されたとしても生産性が悪くなる。一方、温度が800℃を超えると、熱処理温度の制御が困難となり、その結果、不均一な被覆が為されるだけでなく、外観の欠陥も作られる。
【0040】
一方、本発明において、熱処理時間は14〜45秒に制限される。熱処理が最高許容温度の800℃で14秒より少ない時間で行われると、熱処理が不完全となり、その結果水分が残存する。一方、熱処理が最低許容温度の150℃で45秒より多い時間で行われると、酸化層と化学的に結合されていた被覆材料が酸化され、その結果、膜の色が黒−茶ないし黒に変化し、それによって、色の欠陥が発生する。
熱処理は550〜750℃で18〜37秒間行われることが最も好ましい。
【0041】
上述したように、本発明は、ロール塗布性と絶縁膜特性に優れた有機−無機混合被覆組成物を提供する。さらに、本発明は、美麗、密着性、耐食性、溶接性に優れた前記被覆組成物で被覆された無方向性電気鋼板を提供する。
【0042】
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
(実施例1)
以下の表1に示すように、第1リン酸アルミニウム溶液(DYP−30)のリン酸100g当たりの組成物を変化させることによって、絶縁膜を形成するための被覆組成物を調製し、その後、この被覆組成物を3日間寝かせた。次に、これらの被覆組成物は無方向性電気鋼板(厚さ0.5mmで1.0%のSiを含有)に塗付された。その後、これらの被覆鋼板は550℃の温度で30秒間の熱処理が行われ、このようにして、厚さ約2.1μmの絶縁膜がそれぞれ被覆された無方向性電気鋼板が得られた。
【0043】
これらの被覆鋼板に対して、被覆された絶縁膜の特性が測定され、その測定結果を以下の表2に示す。この条件の下、具体的な測定方法は以下の通りである。 一方、以下の表2に示したように、耐食性は、錆びの発生が絶縁膜の表面に無かった場合、錆びの発生が部分的に有った場合、錆びの発生が広く行きわたっていた場合に区別された。これらの場合を、それぞれ、○、△、×で示した。さらに、膜の剥離の関して、剥離が無い場合は○で示し、また剥離が有る場合は×で示した。さらに、美麗が優れていた場合は○で示し、美麗が劣っていた場合は×で示した。
【0044】
【表1】
Figure 0003546040
【0045】
(1)応力除去熱処理は、100%Nガス雰囲気で、750℃、2時間で行われた。
(2)外観は、まだらの模様、縞、輝き、色を総合的に目視観察することによって評価された。まだらの模様及び縞が無く、輝きと薄黄緑色が有るとき、そのような被膜の質が優れているとみなした。被膜の色が基板のような無彩色あるいは暗い色である場合、縞が存在する場合、また輝きが、ユーザーがその製品を避けるほど低すぎる場合は、被膜の外観が劣っているものと評価した。
(3)絶縁強度は、300psiの圧力下で入力電流(0.5V、1.0A)を供給したときの電流値(アンペア)により評価された。
(4)密着性(mmφ)は、アニールされた鋼板がロッド(10、20、30、…、100mmφ)の周りを取り囲み、囲まれたロッドが180度の角度で曲げられた時に剥離を示さなかった最小の弧の直径によって評価された。
(5)耐食性は、被膜鋼板が一年間室内で放置され、三ヶ月間屋外にさらされたときの錆びの有無を目視観察することによって評価された。
(6)皮膜の剥離は、接着テープ(ポリプロピレン)をアニールした膜にくっ付けて、はがした時の剥離の有無によって評価された。
【0046】
以下の表2で解るように、発明例1及び2(本発明の条件を満たす)の場合は、ロール塗布連続加工性だけでなく、美麗、絶縁強度、密着性、耐食性、耐熱性(膜が剥離しない性質、また熱処理後絶縁強度が低下しない性質)のような被膜特性も優れていた。これは、樹脂と無機添加物が、リン酸結晶間に満たされ、それによって膜の構造を緻密にしたためである。
【0047】
これに対して、乳化アクリル−スチレン樹脂(PA−P40)の添加が不十分であった比較例1の場合、美麗と密着性が劣っていた。樹脂の添加が過剰であった比較例2の場合、絶縁強度と耐熱性が応力除去熱処理後満足できるものではなかった。
一方、シリコン添加物の添加が本発明の範囲から外れた比較例3及び4の場合、美麗が適当ではなかった。
【0048】
【表2】
Figure 0003546040
【0049】
さらに、非イオン界面活性剤(TRITON X−405)の添加が不十分であった比較例5の場合、連続塗布性が適当ではなく、膜が形成できない程度であった。その添加が多過ぎた比較例6の場合、被膜の美麗は望ましくなかった。
【0050】
さらに、エチレングリコールの添加が多すぎた比較例7の場合、耐食性と美麗が適当ではなかった。その添加が不十分であった比較例8の場合、耐食性が劣っており、またまだらの模様が現れていたため、美麗が望ましくなかった。
【0051】
さらに、硝酸亜鉛の添加が不十分であった比較例9の場合、美麗は劣っており、一方その添加が多過ぎた比較例10の場合、膜剥離等を示したことから、耐熱性が適当ではなかった。
【0052】
(実施例2)
実施例1の発明例1と同様に構成された膜被覆組成物を三日間寝かせた。この被覆組成物は、被覆厚を変化させることによって、無方向性電気鋼板(厚さ0.5mmで1.0%のSiを含有)上に均一に塗付された。そして、試料片は550℃で30秒間アニールされ、このようにして、被膜は以下の表3に示すように様々であった。そして、被膜の厚さが異なる無方向性電気鋼板が、絶縁強度のような膜特性に関して測定され、腐食はTIG溶接(溶接電流:150A、電極:純タングステン(pure−W(3.2mmφ))、電極間:0.35mm、溶接速度:15mm/sec)を用いることによって測定され、また溶接後のビード部の外観と気泡の発生が目視観察された。
【0053】
以下の表3において、耐食性、耐熱性、溶接性の評価では、評価値が優れている場合は○で示し、一方評価値が劣っている場合は×で示した。
【0054】
以下の表3で解るように、膜厚が適切な値に制御された発明例3〜5の場合、被膜特性は優れており、特に、溶接性が優れていた。
これに対して、膜厚が薄過ぎた比較例11の場合、耐食性と絶縁強度が適当でなかった。膜厚が厚過ぎた比較例12の場合、溶接性と耐熱性が劣っていた。
【0055】
【表3】
Figure 0003546040
【0056】
(実施例3)
実施例1の発明例2と同様に構成された被覆組成物を調製し、それを三日間寝かせた。この組成物は、無方向性電気鋼板(厚さ0.5mm)上に均一に、連続的に被覆された。そして、これらの試料片は以下の表4に示す様々な熱処理条件でアニールされ、それによって無方向性電気鋼板を製造した。
【0057】
以下の表4に示すように、熱処理条件が適切に制御された発明例6の場合、絶縁膜は、厚さが約2.3μmの値となり、被膜特性は優れていた。
【0058】
【表4】
Figure 0003546040
【0059】
これとは反対に、熱処理が長すぎた比較例13の場合、酸化層と接触している被覆材料は酸化して黒−茶ないし黒色に変化し、それによって深刻な外観の欠陥を示した。
【0060】
一方、所定の熱処理温度の下で熱処理時間が短すぎた比較例14の場合、不十分な熱処理のために膜の形成が不十分であった。
【0061】
上述したように本発明によれば、美麗、絶縁強度、耐熱性等のような被膜特性が優れている。さらに、自然汚染を防止することができ、また被膜は時間経過後の性質悪化の影響を受けない。このように、本発明の有機−無機混合被覆組成物は無方向性電気鋼板の製造に有益である。

Claims (7)

  1. 第1リン酸アルミニウム溶液のリン酸100g当たりに:28〜98g(固体重量)の酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂と;6〜18gの硝酸亜鉛と;4〜13gのシリコン添加物と;18〜35gのエチレングリコールと;3〜11gの非イオン界面活性剤を含む被覆組成物。
  2. 前記酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂が4以下のpH値を有することを特徴とする請求項1に記載の被覆組成物。
  3. 前記酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂が、35%のアクリル化合物と65%のスチレン化合物からなることを特徴とする請求項1と請求項2のいずれかに記載の被覆組成物。
  4. 第1リン酸アルミニウム溶液のリン酸100g当たりに:28〜98g(固体重量)の酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂と;6〜18gの硝酸亜鉛と;4〜13gのシリコン添加物と;18〜35gのエチレングリコールと;3〜11gの非イオン界面活性剤とを含む被覆組成物を用いることによって形成された被膜を含む無方向性電気鋼板。
  5. 前記被覆組成物が前記鋼板の各面に0.7〜2.8μmの厚さに被覆されていることを特徴とする請求項4に記載の無方向性電気鋼板。
  6. 無方向性電気鋼板に絶縁膜を被覆するための方法であって、第1リン酸アルミニウム溶液のリン酸100g当たりに:28〜98g(固体重量)の酸可溶性のエマルジョンタイプのアクリル−スチレン共重合体樹脂と、6〜18gの硝酸亜鉛と、4〜13gのシリコン添加物と、18〜35gのエチレングリコールと、3〜11gの非イオン界面活性剤とを加えることによって被覆組成物を調製する工程;その被覆組成物を無方向性電気鋼板上に塗付する工程;(このように被覆された)電気鋼板に150〜800℃で14〜45秒間の熱処理を施す工程を含む絶縁膜を被覆するための方法。
  7. 前記被覆組成物が前記鋼板の各面に0.7〜2.8μmの厚さに被覆されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
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