KR100537122B1 - 무기/유기 절연 피복된 무방향성 전기 강판 - Google Patents

무기/유기 절연 피복된 무방향성 전기 강판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하기 위한 경화 절연 피복에 의해 양면이 피복된 무방향성 전기 강판에 관한 것이다. 강판 상의 경화 절연 피복은, 100 건조 중량부를 기준으로, 20 내지 60 중량부의 알루미늄 인산염, 20 내지 70 중량부의 적어도 하나의 무기 미립 규산염 및 10 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 포함한다. 경화 피복은 수지의 각각의 중량부당 1 중량부까지의 수용성 유기 용매를 포함할 수도 있는 산성의 수성 현탁액으로부터 형성된다. 수성 현탁액은 2 내지 2.5의 pH, 0.3 내지 60 ㎛의 규산염 입자 크기, 1 ㎛ 미만의 수지 입자 크기, 약 0.5 중량% 미만의 미반응 인산 및 약 1.0 내지 1.3의 비중을 갖는다. 규산염은 알루미늄 규산염, 알루미늄 칼륨 규산염 및 마그네슘 규산염으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수도 있다. 경화 후에, 피복은 각각의 강 표면 상에서 0.5 내지 8 ㎛의 두께를 갖는다. 절연 피복된 무방향성 전기강은 전동기, 발전기, 변압기 및 기타 전기 장비의 적층 자기 코어에서의 전력 손실을 최소화시키도록 사용될 수도 있다.

Description

무기/유기 절연 피복된 무방향성 전기 강판 {INORGANIC/ORGANIC INSULATING COATING FOR NONORIENTED ELECTRICAL STEEL}
본 발명은 층간 전력 손실(interlaminar power losses)을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하는 무기/유기 절연 피복되고 반가공 또는 완전 가공된 무방향성 전기강(inorganic/organic insulative coated semi-processed or fully processed non-oriented electrical steel)에 관한 것이다. 특히, 절연 피복은 모노알루미늄 인산염 용액(monoaluminum phosphate solution), 적어도 하나의 무기 미립 규산염(inorganic particulate silicate) 및 유기 아크릴 라텍스(organic acrylic latex)를 포함하는 산성의 수성 현탁액(acid aqueous suspension)으로부터 형성된다. 본 발명의 절연 피복된 무방향성 전기강은 전동기, 발전기, 변압기 및 기타 전기 장비의 자기 코어에서의 전력 손실을 최소화시키도록 사용될 수도 있다.
중형 및 대형 전동기, 발전기 및 변압기용으로 사용되는 무방향성 전기 강판은 강으로부터 형성된 적층체가 펀칭된 상태(as-punched)로 사용되는 경우에 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하는 절연 피복을 요구한다. 이러한 높은 수준의 표면 비저항은 전동기 수리 중에 와인딩 절연(winding insulation)을 제거시키도록 사용되는 응력 제거 풀림(stress-relief annealing, SRA) 또는 "번-오프(burn-off)" 처리 등의 열처리 후에도 요구될 수도 있다. 절연 피복은 강판으로부터 펀칭된 적층체의 모서리로부터 피복이 박리되지 않도록 제조 공정 동안에 강판에 대한 양호한 부착성을 가져야 한다. 절연 피복은, 과도하게 분말화되지도 말아야 하고, 펀칭(punching), 슬리팅(slitting) 또는 시어링(shearing) 동안에 이송 롤 및 기타 장비 상에 축적되지 말아야 하고, 적층체를 펀칭하거나 시어링하도록 사용되는 다이를 마모시키지 말아야 하고, 적층체로 형성된 자기 코어를 적절한 속도로 용접 가능하게 하여야 하고, 자기 코어의 제조 또는 사용 중에 사용되는 각종의 화학 약품 및 수지와 조화되어야 한다.
전기강용으로 무기 인산염 절연 피복을 사용하는 것은 공지되어 있다. 무기 인산염 피복은 우수한 표면 비저항 및 내열성을 제공하지만 적층체의 펀칭 중에 과도한 다이 마모를 유발시키고 강판에 대한 부착성이 열악한 경향이 있다. 예컨대, 미국 특허 제2,501,846호는 약 7 내지 50%의 유리산(free acid)을 함유하는 인산 용액 또는 마그네시아가 용해된 인산으로 구성되는 용액으로부터 절연막을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 제2,743,203호는 전기강용 알루미늄 수화물(aluminum hydrate)이 용해된 인산 용액으로부터 형성되는 무기 인산염 절연 피복을 개시하고 있다. 미국 특허 제3,948,786호는 100 중량부의 알루미늄-마그네슘-인산염 용액, 150 중량부에 이르는 콜로이드 실리카, 25 중량부에 이르는 크롬 무수화물(chromic anhydride)을 함유하는 용액으로부터 형성되는 방향성 전기강(grain oriented electrical steel)용으로 개선된 무기 인산염 절연 피복에 관한 것이다. 이러한 종래 기술의 무기 인산염 절연 피복은 모두 미피복 전기강(bare electrical steel)의 펀칭에 비해 적층체의 펀칭 중 다이 마모 증가를 유발시킨다. 또한, 강판 표면에 대한 이러한 피복의 부착성은 피복 이전 작업에서 강판의 표면에 형성된 산화막의 성질에 크게 좌우된다.
유기 수지를 함유하는 무기 절연 피복을 사용하는 것도 공지되어 있다. 유기 수지는 경화 피복에 윤활성을 제공하며, 이는 피복된 전기강의 펀칭 중 다이 마모 속도를 감소시킨다. 유기 수지를 함유하는 무기 인산염 피복은 우수한 표면 저항을 제공하지만 강의 펀칭, 슬리팅 또는 시어링 동안에 과도하게 분말화될 수도 있고 펀칭, 슬리팅 또는 시어링 장비 상에 분말화된 피복의 축적을 유발시킬 수도 있다. 습도가 높은 기간 중에는, 무기/유기 인산염 피복이 대기로부터 수증기를 흡수하여 끈적거리게 되어, 이송 롤, 다이, 인장 패드 및 기타 장비 상에 피복의 축적을 유발시킨다. 축적된 피복은 세척에 의해 장비로부터 제거되어야 하므로, 생산성에 영향을 준다. 미국 특허 제4,496,399호는 무기/유기 인산염 절연 피복에 관한 것이다. 상기 특허는 100 중량부의 알루미늄-마그네슘-인산염과, 33 내지 250 중량부의 콜로이드 실리카 및 10 내지 25 중량부의 크롬 무수화물 또는 30 내지 250 중량부의 미립 알루미늄 규산염을 포함하는 무기 부분을 갖는 조성의 무방향성 전기강을 피복용 수성 조성물을 개시하고 있다. 상기 조성 중 유기 부분은 40 내지 60 중량%의 고체 아크릴 또는 비닐 아세테이트 수지를 함유하는 15 내지 1350 중량부의 수성 현탁액을 함유한다. 상기 피복의 단점은 고온에서 강 표면과 반응해야 하는 유리 인산과, 미반응(unreacted) 인산 또는 흡습성(hygroscopic) 인산염 화합물 때문에 유발되는 끈적임을 방지하기 위해 고온에서 경화되어야 하는 마그네슘 인산염 화합물이 무기 부분에 함유된다는 것이다. 그러나, 이러한 고온의 경화 온도에서, 불균일한 갈색 외관 및 강판에 대한 열악한 부착성을 나타내는 수지의 열화가 발생된다. 다른 단점은 얇은 피복의 줄무늬 발생으로 인해, 홈 구비 고무 계량 롤(grooved rubber metering rolls)을 사용하여 피복이 강판의 폭을 가로질러 균일하게 도포되기 어렵다는 것이다.
미국 특허 제3,793,073호는 20 Hr.m.s.μinch 이상의 표면 거칠기를 갖는 전기강 피복용 무기/유기 절연 피복을 개시하고 있다. 피복의 유기 부분은 아크릴산 수지 또는 공중합체, 무수 말레인산, 아미노산 수지, 칼슘 리그닌 술폰산염(calcium lignin sulfonate), 폴리비닐 알코올, 페놀 수지, 비닐 아세테이트, 폴리비닐 아세탈, 알키드 수지, 염화 비닐 및 에폭시 수지의 그룹으로부터 형성된다. 2 ㎛를 초과하는 입자 크기를 갖는 베이클라이트, 멜라민 수지 등의 유기 미립 재료가 표면 거칠기를 제공하도록 사용될 수도 있다. 피복의 무기 부분은 인산계 재료 또는 크롬산계 재료 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 인산계 재료는 티타늄 산화물, 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나 및 붕산뿐만 아니라 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 및 아연의 인산염을 포함할 수도 있다. 크롬산계 재료는 티타늄 산화물, 콜로이드 실리카, 콜로이드 알루미나, 붕산 및 유기 환원제 뿐만 아니라 칼슘, 알루미늄 및 아연의 중크롬산염(bichromate)을 포함할 수도 있다. 이러한 무기/유기 절연 피복에 의해 피복된 전기강은 양호한 펀칭 및 용접 성질을 갖는다. 이러한 피복의 단점은 모재 금속 표면의 거칠기가 20 Hr.m.s.μinch를 초과하는 경우에 매우 높은 표면 저항, 높은 적층율(stacking factor) 및 수용 가능한 용접성(weldability)이 동시에 성취될 수 없다는 것이다. 피복은 거친 강 표면에 도포되는 경우에 양호한 비저항을 보장하도록 두꺼워야 하는데, 이는 적층율을 감소시키고 용접 공극(welding porosity)에 악영향을 줄 수도 있다. 입자 크기가 2 ㎛를 초과하는 수지를 갖는 피복의 다른 단점은 수지 입자가 공정 동안에 강 표면으로부터 분리되어 과도한 분말화 및 분말화된 피복의 축적을 나타낸다는 것이다. 또한, 이러한 피복은 피복의 도포, 피복된 강판의 가공 및 폐피복의 폐기 중 안전성 및 환경 문제를 발생시키는 크롬산 또는 크롬산염(chromate)을 함유할 수도 있다.
미국 특허 제4,618,377호는 유기 유제 수지(organic emulsion resin)와, 분산 개선제(dispersion improver)에 의해 표면 처리된 유기 수지 입자와, 적어도 하나의 무기 인산염 또는 크롬산염 성분을 함유하는 용액을 포함하는 절연 피복을 전기강 상에 형성하기 위한 무기/유기 피복 조성물을 개시하고 있다. 표면 처리된 수지 입자는 경화 피복의 표면 거칠기를 제어하도록 사용되어, 용접성을 개선시킨다. 유제 수지는 아크릴 비닐 아세테이트, 스티렌, 또는 부타디엔 단독이거나 비닐 아세테이트, 스티렌 및 부타디엔 중 하나 이상의 공중합체일 수도 있다. 표면 처리된 수지 입자는 2 내지 50 ㎛의 크기를 갖고 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리아크릴 수지, 폴리스티렌 및 벤조구아나민(benzoguanamine) 중 하나 이상의 공중합체 또는 혼합물을 포함할 수도 있다. 피복 중 무기 부분은 칼슘, 알루미늄, 마그네슘 및 아연의 인산염과, 칼슘, 마그네슘, 아연 또는 알루미늄의 크롬산염 또는 중크롬산염과, 인산 또는 무수 크롬산에 용해된 칼슘, 마그네슘, 아연 및 알루미늄의 산화물, 수산화물, 또는 탄산염(carbonate) 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 피복은 수지 입자를 반용융시키도록 구워져서, 경화 절연 피복 상에 0.5 내지 1.5 ㎛의 표면 거칠기(Ra)를 제공한다. 이러한 피복의 단점은 수지 입자가 피복된 강판의 가공 중에 분말화되거나 박리되는 경향이 있다는 것이다. 또한, 피복은 안전성 및 환경 문제를 발생시키는 크롬산 또는 크롬산염을 함유할 수도 있다.
미국 특허 제4,844,753호는 무기 크롬산염 피막 형성 성분 및 수지 성분을 포함하는 절연 피복을 전기강 상에 형성하기 위한 수성 피복 조성을 개시하고 있다. 수지 성분은 아크릴 또는 아크릴-스티렌 유제와 0.2 내지 1 ㎛의 입자 크기를 갖는 구아나민 수지의 혼합물이다. 크롬산염을 함유하는 이러한 무기/유기 절연 피복이 매우 얇은 두께로 도포되는 경우에, 피복은 매끄럽지만 열악한 표면 비저항을 갖는다. 크롬산염 절연 피복이 높은 표면 비저항을 가질 정도의 충분한 두께로 도포되면, 용접 동안에 수지의 휘발에 의해 유발되는 과도한 공극이 발생된다. 용접 동안의 유기 수지의 휘발에 의해 유발되는 용접 공극을 최소화시키기 위해 입자가 크롬산염 절연 피복에 첨가되면, 피복은 펀칭 동안에 과도하게 분말화된다. 이러한 크롬산염 피복은 피복의 사용 및 용해성 6가 크롬(soluble hexavalent chromium)을 함유하는 폐부산물의 폐기와 관련된 안전성 및 환경 문제 때문에 바람직하지 못하다.
전기강용 결합제(binder)로서 나트륨 규산염, 칼륨 규산염, 또는 암모늄 규산염 등의 하나 이상의 수용성 규산염을 함유하는 절연 피복을 사용하는 것도 공지되어 있다. 이러한 피복은 인산염 또는 크롬산염 결합제를 함유하는 피복과 관련되어 산성 pH가 아니라 염기성 pH를 갖는다. 용해성 규산염계 절연 피복은 완전 무기성일 수도 있거나 펀칭성(punchability)을 개선시키기 위해 유기 재료를 함유할 수도 있다. 미국 특허 제3,839,256호는, 4기 암모늄 규산염 용액(quaternary ammonium silicate solution)과 에틸렌 중합체 및 에틸렌 불포화 카르복실산 또는 에스테르(ethylenically-unsaturated carboxylic acids or esters)의 수성 분산질(aqueous dispersions)을 함유하고; 선택적으로 윤활성을 개선시키는 오일 등의 윤활유, 습윤성(wetting)을 개선시키거나 발포(foaming)를 방지하는 계면 활성제(surfactants) 및 비용을 감소시키는 충전제를 함유하는 피복 조성을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,507,360호는 내식성을 개선시키기 위해 미국 특허 제3,839,256호의 조성에 대한 스트론튬 크롬산염, 바륨 크롬산염 및 납 크롬산염의 그룹으로부터 선택된 크롬산염 화합물의 첨가를 개시하고 있다. 미국 특허 제4,762,753호는 전기강을 위해 나트륨 규산염, 마그네슘 산화물 또는 수산화물, 티타늄 이산화물 및 운모(mica)를 함유하는 무기 절연 피복 조성에 관한 것이다. 이러한 용해성 규산염계 절연 피복은 모두 양호한 표면 비저항 및 내열성을 제공하지만, 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding) 동안에 열악한 용접 풀 유동성(weld pool fluidity)을 유발시켜 불균일 불연속 용접을 나타낸다.
따라서, 무방향성 전기 강판을 위한, 양호한 표면 비저항을 제공하고, 층간 전력 손실을 최소화시키고, 양호한 수증기 내흡수성(water vapor absorption resistance)을 갖고, 강판에 대한 양호한 부착성을 제공하고, 강판으로 된 적층체의 펀칭 동안의 다이 마모를 최소화시키고, 적층체의 펀칭 동안에 과도하게 분말화되지 않거나 펀칭 장비 상에 피복의 축적을 유발시키지 않고, 응력 제거 풀림 및 번-오프 열처리에 견디고, 과도한 용접 공극을 유발시키지 않는 절연 피복에 대한 필요성이 있다. 무방향성 전기 강판을 위해, 저비용이고, 자기 코어를 제조하도록 사용되는 다양한 화학 약품 및 수지와 조화되고, 값비싼 환경적 폐기 문제를 발생시키는 크롬산염을 함유하지 않는 절연 피복에 대한 필요성도 있다. 무방향성 전기 강판을 위해 6가 크롬의 존재에 의해 유발되는 피복의 도포 및 사용 동안의 안전성 문제를 발생시키지 않는 절연 피복에 대한 필요성도 있다.
본 발명은 전동기, 발전기, 변압기 및 기타 전기 장비의 자기 코어에서의 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하는 경화 절연 피복에 의해 양면이 피복된 무방향성 전기 강판에 관한 것이다. 강판 상의 경화 절연 피복은, 100 건조 중량부(100 parts by dry weight)를 기준으로, 20 내지 60 중량부의 알루미늄 인산염, 20 내지 70 중량부의 적어도 하나의 무기 미립 규산염 및 10 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 포함한다. 경화 절연 피복은 모노알루미늄 인산염 용액, 미립 규산염 및 아크릴 라텍스를 함유하는 산성의 수성 현탁액으로부터 형성된다. 현탁액은 아크릴 수지의 각각의 중량부당 1 중량부까지의 수용성 유기 용매를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 특징은 약 0.2 A이하의 프랭클린 전류(Franklin current)를 갖는 상기 절연 피복 전기 강판을 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 각각의 강 표면 상에 약 0.5 내지 8 ㎛의 두께를 갖는 상기 경화 피복을 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 0.3 내지 60 ㎛의 입자 크기를 갖는 상기 규산염을 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 15 내지 300 cP의 점도를 갖는 상기 현탁액을 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 약 1.0 내지 1.3의 비중을 갖는 상기 현탁액을 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 약 2.0 내지 2.5의 pH를 갖고 0.2 중량% 미만의 미반응 인산을 함유하는 상기 산성의 수성 현탁액을 포함한다.
본 발명의 주요 목적은 다습한 대기에서 저흡습성을 갖는 절연 피복을 무방향성 전기 강판에 형성하기 위한 조성을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 응력 제거 풀림 등의 열처리 전후에, 개선된 부착성 및 감소된 분말화 성질을 제공하는 절연 피복을 무방향성 전기 강판에 형성하기 위한 절연 피복 조성을 제공하는 것이다.
본 발명의 기타 목적은, 강판의 높은 표면 비저항을 제공하고, 강판의 양호한 펀칭성을 갖고, 용접부에서 최소 공극을 갖도록 적절한 용접 속도에서 강판의 양호한 용접성을 갖고, 홈 구비 고무 계량 롤 등의 수단을 사용하여 강판에 도포되어 미피복 지점 또는 얇은 피복의 줄무늬가 없는 균일한 피복을 나타내고, 6가 크롬의 사용 또는 폐기와 관련된 안전성 및 환경 문제를 발생시키지 않는 경화 절연 피복을 무방향성 전기 강판에 형성하기 위한 조성을 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 장점은, 다습한 대기에서 저흡습성을 갖고 펀칭, 슬리팅, 시어링 장비 상에 피복 축적을 유발시키지 않는 무방향성 전기 강판 상의 경화 절연 피복을 포함한다.
추가 장점은, 개선된 부착성 및 내분말화 성질(powdering resistance)을 갖고, 높은 수준의 표면 비저항을 제공하며, 크롬산염을 필요로 하지 않아 피복의 사용 및 폐기 중의 안전성 및 환경 문제를 피할 수 있고, 얇은 피복 줄무늬 또는 기타 결함의 발생 없이 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 전기 강판에 용이하게 도포되는 경화 절연 피복을 무방향성 전기 강판에 형성하기 위한 조성물을 포함한다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 특징 및 장점은 양호한 발명의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하기 위한 무기/유기 절연 피복된 반가공 또는 완전 가공된 무방향성 전기강 및 경화 절연 피복 조성에 관한 것이다. 무방향성 전기강은 모든 방향으로 거의 균일한 자성을 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 강은 보다 높은 특정의 전기 비저항을 강판에 부여하여 코어 손실을 감소시키기 위해 철, 실리콘 및/또는 알루미늄으로 구성된다. 무방향성 전기강은 자화 동안에 발생되는 코어 손실을 감소시키는 보다 높은 전기 비저항을 제공하기 위해 널리 공지된 망간, 인 및 기타 원소도 포함할 수도 있다.
본 발명의 무방향성 전기강은 용융 및 주조되고 열간 가공된 연속 길이의 강판, 스트립 또는 박판(foil)(이하, "강판"이라 함)이 된다. 강의 용융 조성은, 0.1% 미만, 양호하게는 0.01% 미만의 C와, 0.2 내지 3.5%, 양호하게는 1.5 내지 3.3%의 Si과, 0.05 내지 1.5%, 양호하게는 0.2 내지 0.8%의 Al과, 0.05 내지 0.5%, 양호하게는 0.1 내지 0.5%의 Mn과, 0.2%까지의 P과, 0.7% 미만의 Cr과, 0.1% 미만의 S과, 풀림 동안의 강판의 내부 산화를 방지하기 위한 0.2%까지의 Sb 및/또는 Sn과, 철 잔량(iron balance)과, Cu, Ti, N 및 Mo 등의 통상 잔류 원소(normal residual elements)를 함유한다. 강판은 잉곳 주조(ingot casting), 두꺼운 슬랩 주조(thick slab casting), 얇은 슬랩 주조(thin slab casting), 스트립 주조(strip casting), 또는 용융 조성을 사용하는 기타 작은 스트립 제조 방법 등의 방법을 사용하여 제조될 수도 있다. 강판이 슬랩으로부터 제조되는 경우에, 슬랩은 약 1230℃까지 재가열되고 열간 압연 등의 열간 가공되어 추가 가공에 적절한 1.8 내지 2.0 ㎜의 스트립 두께가 된다. 열간 가공된 스트립은 선택적으로 풀림되고, 스케일을 제거시키기 위해 피클링되고, 하나 이상의 단계로 약 60 내지 85% 정도로 냉간 압하(cold reduction)되고, 약 30 내지 40초 동안 870 내지 1070℃의 최대 금속 온도(peak metal temperature)에서 최종 풀림된다. 최종 풀림 직전의 냉간 압하 후에, 강판은 0.003% 이하까지 탄소를 감소시키기 위해 탈탄 풀림(decarburization anneal)될 수도 있다. 최종 풀림 동안에, 강판은 소정의 최종 결정 입도(final grain size)와 본 발명의 도포되는 절연 피복을 위한 기층(base)으로서 역할하는 표면 산화층을 나타낸다. 이러한 절연 피복은 롤러 등의 계량 수단을 사용하여 최종 풀림된 강판의 양면에 도포된다. 다음에, 절연 피복은 노(furnace), 유도 코일 등을 통해 강판을 통과함으로써 경화되며, 상기에서 강판은, 약 220 내지 350℃, 양호하게는 300 내지 330℃의 최대 금속 온도까지 가열된다.
본 발명의 무방향성 전기강은 완전 가공되거나 반가공될 수도 있다. 완전 가공된 무방향성 전기강은, 최적의 자기적 성질을 나타내기 위한 결정 성장을 제공하기 위해 선택적으로 풀림되고, 피클링되고, 냉간 압하되고, 필요하다면 탈탄되고, 최종 풀림된 다음에, 절연 피복에 의해 피복되는 열간 가공 강판을 의미한다. 반가공된 무방향성 전기강은, 강판 제조 공장에서 최적의 결정 입도를 나타내기 위해 완전 탈탄되지 않거나 최종 풀림되지 않은 냉간 압하 강판을 의미한다. 물론, 최종 풀림은 강판으로부터 적층체를 펀칭한 후에 사용자에 의해 완료된다.
최종 풀림 후에, 본 발명의 무방향성 전기강은 100 건조 중량부를 기준으로, 20 내지 60 중량부의 무기 모노알루미늄 인산염, 20 내지 70 중량부의 적어도 하나 이상의 무기 미립 규산염 및 10 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 함유하는 산성의 수성 현탁액에 의해 양면이 피복된다. 양호하게는, 현탁액은 아크릴 수지의 각각의 중량부당 1 중량부까지의 수용성 유기 용매를 함유한다. 수성 현탁액은, 약 2.0 내지 2.5, 양호하게는 약 2.3의 pH를 갖는다. 수성 현탁액은, 양호하게는 1.0 내지 1.3, 보다 양호하게는 약 1.02 내지 1.25의 비중을 갖는다. 아크릴 수지에 대한 모노알루미늄 인산염의 비는, 건조 중량 기준으로, 양호하게는 적어도 1.5:1, 보다 양호하게는 적어도 2.0:1이다. 규산염의 평균 입자 크기, 즉 등가의 구 직경은, 양호하게는 0.3 내지 60 ㎛, 보다 양호하게는 약 0.4 내지 40 ㎛이다. 아크릴 수지는 아크릴산, 메타크릴산, 상기 산의 에스테르, 아크릴로니트릴 및 스티렌의 공중합체일 수도 있다. 이러한 공중합체는 글리시딜 아크릴레이트(glycidyl acrylate), 이타콘산(itacon acid) 및 히드록시에틸 아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate) 등의 기능성 단량체(functional monomers)를 함유하는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지일 수도 있다. 수용성 유기 용매는 하나 이상의 글리콜 에테르 용매, 하나 이상의 각종 알코올, 또는 그 혼합물을 포함할 수도 있다. 현탁액은 강판의 전체 폭을 완전히 가로질러 균일하게 계량될 수 있다. 대량의 유리 인산을 함유할 수도 있는 종래 기술의 인산염 피복과는 달리, 본 발명의 산성의 수성 현탁액은 소량의 미반응 유리 인산만을 함유한다. 소량의 유리 인산은 본 발명의 산성의 수성 현탁액이 약 0.2 중량% 미만의 미반응 인산을 함유한다는 것을 의미한다. 종래 기술의 미반응 인산 또는 흡습성 마그네슘 또는 마그네슘 알루미늄 인산염 화합물의 존재에 의해 유발될 수도 있었던 점성을 방지하기 위한 전형적인 400℃에 이르는 고온은 본 발명의 피복의 경화 중에는 요구되지 않는다. 따라서, 강판 상의 액체 피복은 약 325℃의 최대 금속 온도에서 경화될 수 있다. 각각의 강판 표면 상의 경화된 무점성(tack-free) 절연 피복의 두께는, 적어도 0.5 ㎛, 양호하게는 2 내지 8 ㎛이다. 본 발명의 절연 피복된 무방향성 전기강은 전동기, 발전기, 변압기 및 기타 전기 장비의 적층 자기 코어에서의 전력 손실을 최소화시키도록 사용될 수도 있다.
본 발명의 경화 절연 피복은, 20 내지 60, 양호하게는 30 내지 50 중량부의 무기 알루미늄 인산염을 함유한다. 본 발명의 필수적인 특징은 경화 절연 피복이 적어도 20 중량부, 즉 20 건조 중량%의 알루미늄 인산염을 함유한다는 것이다. 경화 절연 피복에서 알루미늄 인산염의 양이 작을수록 가공 동안에 피복의 분말화 경향을 증가된다. 경화 절연 피복은 절연 피복된 강판의 펀칭 중 다이 마모가 과도해질 수도 있기 때문에 60 중량부, 즉 60 건조 중량%를 초과하는 알루미늄 인산염을 함유하지 말아야 한다.
본 발명의 경화 절연 피복은, 10 내지 25 중량부, 양호하게는 15 내지 20 중량부의 아크릴 수지를 함유한다. 본 발명의 다른 필수적인 특징은 경화 절연 피복이 펀칭 동안에 과도한 다이 마모를 방지하기 위해 적어도 10 중량부, 즉 10 건조 중량%의 아크릴 수지를 함유한다는 것이다. 경화 절연 피복은 아크릴 수지의 휘발에 의해 유발되는 용접 공극을 회피하기 위해 25 중량부, 즉 25 건조 중량%를 초과하는 아크릴 수지를 함유하지 말아야 한다. 경화 절연 피복이 25 중량부의 아크릴 수지를 초과하지 않는 경우에, 피복의 경도는 상당히 감소되지 않으며 피복된 전기강 적층체의 정상적인 취급 및 가공을 위해 충분하다.
아크릴 라텍스는 기본적으로 수성인 매체 내의 중합 아크릴 미립 수지의 안정한 분산질(stable dispersion)을 의미하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 피복 중 유기 성분이 산성의 수성 피복 현탁액과 함께 혼합되는 경우에 안정한 미립 분산질로서 잔류한다는 것은 중요하다. 본 발명의 아크릴 수지는 대체로 1 ㎛ 이하, 양호하게는 0.5 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖는다. 유기 성분을 용해시키는 대량의 유기 용매에 대한 필요성을 제거시켜 저휘발성 유기 화합물 함량을 갖는 피복을 나타내기 때문에 본 발명의 유기 성분이 아크릴 라텍스로서 산성의 수성 현탁액에 첨가된다는 것은 중요하다. 수용 가능한 수지로는 아크릴산, 메타크릴산, 상기 산의 에스테르, 스티렌 및 아크릴로니트릴의 공중합체가 포함된다. 글리시딜 아크릴레이트, 이타콘산 및 히드록시에틸 아크릴레이트 등의 기능성 단량체는 교차(crosslinking)를 위한 반응 지점을 제공하도록 포함될 수도 있다.
본 발명의 다른 필수적인 특징은, 조성이 20 내지 70 중량부, 양호하게는 25 내지 65 중량부의 적어도 하나의 무기 미립 규산염을 함유한다는 것이다. 경화 절연 피복은, 충분한 내마모성을 제공하고, 표면 비저항의 감소를 방지하고, 양호한 용접성을 유지시키기 위해 적어도 20 중량부, 즉 20 건조 중량%의 미립 규산염을 함유하여야 한다. 경화 절연 피복은 피복이 가공 동안에 분말화되는 경향을 가질 것이기 때문에 70 중량부, 즉 70 건조 중량%를 초과하는 미립 규산염을 포함하지 말아야 한다.
본 발명의 규산염 입자 크기도 중요하고, 양호하게는 0.3 내지 60 ㎛의 범위 내에 있어야 한다. 규산염 입자 크기는 처리 중에 용접성 및 분말화 성질에 영향을 줄 수 있는 경화 피복의 거칠기에 영향을 준다. 입자 크기는 피복 표면이 지나치게 매끄러우면 용접 공극을 방지할 수 없을 것이기 때문에 0.3 ㎛ 보다 작아서는 안되며, 마찰 계수는 일부 적용 분야에 대해 지나치게 낮을 수도 있다. 입자 크기는 피복의 분말화가 가공 동안 및 풀림 후에 발생될 수 있기 때문에 약 60 ㎛이하가 되어야 한다. 본 발명에 적절한 수용 가능한 미립 규산염으로는 무기 및 불용성이고, 알루미늄 규산염, 알루미늄 칼륨 규산염 또는 마그네슘 규산염 등의 판상의 층상 구조(plate-like laminar structure)를 갖는 것을 특징으로 하는 것이 포함된다.
본 발명의 산성의 수성 피복 조성은 작은 미피복 지점 또는 얇은 피복 줄무늬 등의 경화 피복의 결함을 방지하기 위해 아크릴 수지의 각각의 중량부당 1 중량부까지의 수용성 유기 용매를 함유할 수도 있다. 약 20 m/min을 초과하는 피복 라인 속도(line speed)에서, 과도한 피복이 홈 구비 고무 롤러를 사용하여 강판으로부터 제거되는 경우에 유발되는 피복 줄무늬의 형성을 방지하기 위해 수성 현탁액에 용매를 포함하는 것이 바람직하다. 수용성 유기 용매는 수성 피복 현탁액에 의한 강 표면의 습윤성도 개선시켜 강판의 전체폭을 가로지르는 개선된 균일성 및 평탄도(coverage)를 나타낸다. 수용 가능한 수용성 유기 용매로는 글리콜 에테르 또는 각종 알코올이 포함된다. 양호하게는, 수용성 유기 용매의 양은 아크릴 수지의 각각의 중량부당 적어도 0.2 중량부이다. 수용성 유기 용매의 양이 아크릴 수지의 각각의 중량부당 1 중량부를 초과하면, 수성 현탁액의 안정성이 열악해져 사용 동안 및 저장 시간 동안에 걸쳐 점도의 과도한 증가를 나타낸다. 또한, 수용성 유기 용매는, 양호하게는 시간에 따른 과도한 점도의 증가를 방지하기 위해 적어도 약 7의 데이비스 하이드로필-리포필 밸런스(Davies Hydrophile-Lipophile Balance, HLB) 값을 가져야 한다. 수용성 유기 용매의 양이 아크릴 수지의 각각의 중량부당 1 중량부를 초과하면, 피복의 경화 동안에 방출되는 휘발성 유기 화합물의 양이 높아져 환경 오염의 증가를 보일 것이다.
강판의 전체폭을 가로질러 균일한 평탄도를 얻기 위한 다른 중요한 고려는 피복 점도이다. 점도는, 브룩필드(Brookfield) LVF 점도계, LV2 스핀들, 60 rpm에 의해 측정된 바와 같이 약 15 내지 300 cP, 양호하게는 약 60 내지 200 cP이어야 한다. 점도가 약 15 cP 미만이면, 홈 구비 고무 계량 롤에 의한 도포 중 미피복 또는 얇은 피복의 줄무늬가 발생되는 경향이 커지고, 규산염 입자가 보다 빨리 현탁액으로부터 침전되고(settle), 경화 절연 피복의 표면이 지나치게 매끄러워 충분한 용접성을 제공할 수 없다. 점도가 약 300 cP를 초과하면, 홈 구비 계량 롤에 의한 도포 후에 피복은 별로 평탄하지 못하고 롤 홈 패턴이 경화 피복에 현저하게 잔류할 것이며, 이는 피복되는 강판의 가공 동안에 공간율(space factor), 내식성 및 활주성에 악영향을 줄 수도 있다. 60 내지 200 cP의 점도 범위는 줄무늬 형성을 최소화시키고 용접성을 최적화시켜 적절한 표면 거칠기를 갖는 경화 피복을 제조하기에 양호하다.
본 발명의 피복 조성은, 습윤성을 개선시키고, 발포성을 감소시키고, 규산염 입자의 분산을 개선시키는 계면 활성제와; 절연 피복 경도를 증가시키고 내약품성을 개선시키는 교차 작용제와; 윤활성 및 내손상성(mar resistance)을 개선시키는 슬립 작용제(slip agent) 등의 소량의 첨가제도 함유할 수도 있다. 또한, 약 2.0 내지 2.5의 낮은 pH에서 안정한 수분 감소 가능한(water-reducible) 아크릴 수지는 경화 피복의 유동 특성 및 내약품성을 개선시키기 위해 첨가될 수도 있다.
피복 조성은 홈 구비 롤러, 접촉 롤러, 스퀴지, 분무 등에 의한 강판 표면의 전체 폭을 가로질러 균일하게 계량화하기 위한 수단 또는 침지에 의해 각각의 강판 표면에 도포될 수 있다. 과도한 피복은 홈 구비 고무 롤러, 공기 나이프 등을 사용하여 강판의 표면으로부터 제거될 수 있다. 다음에, 액체 피복 강판은 조성이 약 15 내지 30초 동안 적어도 220℃, 양호하게는 적어도 300℃의 최대 금속 온도까지 가열되거나, 약 5초 동안 유도에 의해 경화되는 노에 통과될 수 있다. 경화된 후에, 각각의 표면 상의 건조 절연 피복의 두께는, 적어도 약 0.5 ㎛, 양호하게는 적어도 2.0 ㎛이다. 피복 두께는 두께가 보다 작다면 높은 수준의 표면 비저항이 성취되지 않을 것이기 때문에 적어도 약 0.5 ㎛여야 한다. 피복 두께는 적층체(lamination stack)의 공간율이 역효과를 주지 말아야 할 것이기 때문에 약 8 ㎛를 초과하지 말아야 한다. 또한, 피복의 두께가 8 ㎛를 초과하면 절연 피복이 분말화되어 용접 공극을 나타내려는 경향이 증가된다. 경화 후에, 절연 피복된 전기 강판은 2.1 ㎫ 및 21℃에서 약 0.2 A 이하의 프랭클린 전류(ASTM 717)를 갖는다.
예 1
예컨대, 본 발명의 완전 가공된 무방향성 전기 강판은 실험실에서 모노알루미늄 인산염 용액, 무기 미립 규산염, 아크릴 라텍스 및 수용성 유기 용매를 포함하는 산성의 수성 현탁액에 의해 피복되었다. 이러한 수성 현탁액(이하, "본 발명의 피복 Ⅰ(Invention Coating Ⅰ)"이라 함)은 다음의 방식으로 준비되었다. 100 중량부의 전체 고체의 건조 중량 기준으로, 21.1 중량부의 아크릴 수지가 혼합 용기에 첨가되었다. 아크릴 라텍스는 노쓰 캐롤라이나주 캐리 소재의 유니언 카바이드 코포레이션의 UCAR 이멀션 시스템즈(Union Carbide Corporation, UCAR Emulsion Systems, in Cary, North Carolina)에 의해 제조되어 상표명 UCAR 비이클 443(UCAR Vehicle 443)으로 판매된다. 아크릴 라텍스는 41 중량%의 스티렌-아크릴 중합체와 약 59 중량%의 수분을 함유한다. 라텍스의 스티렌-아크릴 중합체 입자는 0.15 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 다음에, 수용성 유기 용매인 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르가 아크릴 라텍스에 첨가되었다. 이러한 용매는 코넥티컷주 댄버리 소재의 유니언 카바이드 코포레이션의 용매 및 피복 재료 부문(Union Carbide Corporation, Solvents and Coatings Materials Division, in Danbury, Connecticut)에 의해 제조되어 상표명 부틸 카비톨(Butyl Carbitol)로 판매된다. 첨가되는 유기 용매의 양은 아크릴 수지의 각각의 중량부당 0.73 중량부였다. 다음에, 건조 중량 기준으로, 41.0 중량부의 미립 알루미늄 규산염이 규산염 입자의 양호한 분산질을 얻기 위해 격렬하게 교반되면서 첨가되었다. 알루미늄 규산염은 엥글하르트 코포레이션의 스페셜티 미네랄즈 앤드 컬러즈 그룹(Englehard Corporation, Specialty Minerals and Colors Group)에 의해 제조되고, 상표명 ASP 2000으로 판매된다. 알루미늄 규산염은 0.4 ㎛의 평균 입자 크기, 14%의 작열 감량(loss on ignition) 및 3.5 내지 5.0의 pH를 갖는 고령토(kaolin)로부터 유도되는 수분 함유(hydrous) 알루미늄 규산염이다. 건조 중량 기준으로, 37.5 중량부의 알루미늄 인산염이 미립 규산염 입자 및 아크릴 라텍스의 혼합물에 첨가되었다. 알루미늄 인산염은 모노알루미늄 인산염 용액의 형태로 첨가되었으며, 이는 펜실바니아주 허미티지 소재의 인터스테이트 케미컬 컴퍼니(Interstate Chemical Company in Hermitage, Pennsylvania)로부터 구입 가능하고 상표명 모노알루미늄 포스페이트(Monoaluminum Phosphate)로 판매된다. 모노알루미늄 인산염 용액은 1.47의 비중을 갖는 50 중량%의 Al(H2PO4)3 수용액이다. 최종 산성 현탁액의 비중은 물을 첨가시킴으로써 약 1.14로 조정되었다. 0.47 ㎜의 두께를 갖는 완전 가공된 무방향성 전기 강판은 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 본 발명의 피복 Ⅰ에 의해 피복된 다음에 32초 동안 482℃로 설정된 오븐에서 경화되어, 232℃의 강판의 최대 금속 온도를 나타내었다. 경화된 건조 피막의 두께는 측부당 약 2.3 ㎛였다.
상기 본 발명의 피복 Ⅰ과의 비교를 위해, 두 종류의 무기/유기 크롬산염 절연 피복이 종래 기술의 개시 내용에 기초하여 준비되었다. 우선, 매끄러운 표면을 갖는 무기/유기 크롬산염 피복(이하, "매끄러운 크롬산염 피복(Smooth Chromate coating)"이라 함)은, 100 중량부의 전체 고체의 건조 중량 기준으로, 47.8 중량부의 크롬 무수화물(CrO3), 14.3 중량부의 마그네슘 산화물(MgO), 10.5 중량부의 붕산(H3BO3) 및 27.4 중량부의 아크릴 수지(유니언 카바이드 UCAR 443 비이클) 등의 성분을 혼합시킴으로써 준비되었다. 또한, 100 중량부의 크롬 무수화물당 20 중량부의 글리세린이 경화 동안에 6가 크롬을 3가 크롬으로 감소시키기 위해 첨가되었다. 비중은 물을 첨가시킴으로써 약 1.14로 조정되었다. 무방향성 전기 강판은 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 상기 종래 기술의 조성에 의해 피복되고 피복은 약 46 내지 48초 동안 482℃에서 경화되어, 약 292 내지 300℃의 최대 금속 온도를 나타내었다. 경화된 피복의 두께는 2.2 내지 2.5 ㎛였다. 비교를 위해 준비된 제2 종류 무기/유기 크롬산 피복은 큰 유기 입자의 첨가로 인해 거친 표면을 가졌다(이하, "거친 크롬산염 피복"이라 함). 건조 중량 기준으로, 이러한 피복은 47.8 중량부의 크롬산, 14.3 중량부의 마그네슘 산화물, 10.5 중량부의 붕산, 19.2 중량부의 아크릴 수지(UCAR 443 아크릴 수지) 및 18 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 8.1 중량부의 폴리에틸렌 입자를 함유한다. 폴리에틸렌 입자는 뉴저지 뉴어크 소재의 샴락 테크놀로지즈 인크.(Shamrock Technologies Inc, in Newark, New Jersey)에 의해 제조되고, 상표명 텍스쳐 울트라 파인(Texture Ultra Fine)으로 판매된다. 큰 유기 입자는 미국 특허 제3,793,073호 및 제4,618,377호의 개시 내용에 따라 표면 거칠기를 증가시키고 용접 공극을 감소시키기 위해 첨가되었다. 피복된 무방향성 전기강의 강판은 매끄러운 크롬산염 피복을 위해 상기된 것과 동일한 절차를 따른 상기 조성을 사용하여 준비되었다.
추가 비교를 위해, 두 형태의 상용으로 널리 사용되는 무기/유기 인산염 절연 피복(이하, "상용 인산염 피복 Ⅰ 및 Ⅱ(Commercial Phosphate Coatings Ⅰ and Ⅱ)"이라 함)이 실험실에서 완전 가공된 무방향성 전기강을 피복하기 위해 사용되었다. 이러한 피복은 모두 무기 인산염 성분, 무기 미립 규산염 및 유기 수지를 함유하는 수용성 피복을 소유한다. 상용 인산염 피복 Ⅰ 과 Ⅱ의 하나의 차이점은, 상용 인산염 Ⅱ의 무기 미립 입자가 상용 인산염 피복 Ⅰ의 무기 미립 입자 보다 커서, 경화 상태의 피복 피막이 보다 거칠게 나타난다. 이러한 피복은 모두 1.13 내지 1.14의 비중까지 물에 의해 희석되고, 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 강판에 도포되고, 482℃에서 24 내지 26초 동안 경화되어, 약 200 내지 210℃의 최대 금속 온도를 나타내었다. 경화 피복 피막의 두께는 2.3 내지 2.5 ㎛였다.
피복 강판에 대해 수행된 시험의 결과는 표 1에 나타내어져 있다. 내분말화 성질은 두 개의 피복된 샘플이 서덜랜드 잉크 마찰 시험기(Sutherland Ink Rub Tester)를 사용하여 소정 회수의 사이클 동안 일정한 압력으로 서로에 대해 마찰되는 경우에 발생되는 분말화된 양에 기초하여 평가되었다. 부착성은 6.4 ㎜ 직경의 맨드렐에 대해 피복된 샘플을 180°로 굽히고 투명 테이프에 의해 그 굽혀진 부분의 외면으로부터 끌어당겨져 분리되는 피복의 양을 측정함으로써 평가되었다. 또한, 부착성은 건조 95% 질소 및 5% 수소에서 1시간 동안 816℃에서 피복된 샘플을 응력 제거 풀림(SRA) 처리한 후에 12.7 ㎜ 직경의 맨드렐에 대해 피복된 샘플을 180°로 굽히고 투명 테이프에 의해 끌어당겨져 분리되는 피복의 양을 측정함으로써 평가되었다. 표면 비저항은 ASTM A 717에 따라 프랭클린 시험기(Franklin tester)를 사용하여 피복된 상태 및 응력 제거 풀림 후에 시험되었다. 용접성은 1.2 ㎫의 클램핑 압력, 2.4 ㎜ 직경의 토륨 텅스텐 전극(thoriated tungsten electrode), 0.85 ㎥/min 유속의 아르곤 차폐 가스, 14 내지 15 V의 전압, 100 내지 250 A의 전류 및 25 내지 152 ㎝/min의 용접 속도를 갖는 평탄 위치의 가스 텅스텐 아크 용접을 사용하여 피복된 샘플의 7 ㎝ 높이의 적층체에 대해 평가되었다. 용접부 내의 공극량 및 용접부의 연속성은 각각의 피복 및 용접 조건에 대해 평가되었다.
본 발명의 피복 및 네 개의 비교 피복은 표 1에 평가된 각각의 성질에 대해 최선부터 최악까지 순위를 매겼다. 또한, 결과는 전기강 절연 피복에 대해 공지된 요구 조건에 기초하여 수용 가능 또는 경계(marginal)/수용 불능으로 분류되었다. 비교 피복 중에 완전히 수용 가능한 것은 없었다. 본 발명의 피복 Ⅰ은 용접성을 제외하고 모든 부문에서 수용 가능한 것으로 판정되었다. 과도한 용접 공극은 자기 코어 내의 적층체를 결합시키기 위한 제조에 사용되는 경향이 있는 용접 조건에서 관찰되었다. 펀칭 또는 슬리팅 동작 동안에 적은 분말 축적을 나타내어야 하는 본 발명의 피복 Ⅰ은 마찰되는 경우에 분말화되는 경향이 적었다. 본 발명의 피복 Ⅰ은 풀림 전후에 강판에 대한 우수한 부착성을 갖고 또한 풀림 후에 높은 수준의 표면 비저항을 제공하였다.
용접 공극이 표면 거칠기를 증가시킴으로써 감소될 수 있는 지를 결정하기 위해, 추가의 보다 큰 규산염 입자가 본 발명의 피복 Ⅰ에 첨가되었다. 모든 성분은, 100 중량부의 전체 고체의 건조 중량 기준으로, 20.1 중량부의 아크릴 수지(예 1에 설명된 유니언 카바이드 UCAR 443 비이클), 29.6 중량부의 미립 알루미늄 규산염(예 1에 설명된 상기 엥글하르트 ASP 200), 3.9 중량부의 미립 알루미늄 칼륨 규산염 및 49.2 중량부의 알루미늄 인산염을 갖는 조성(이하, "본 발명의 피복 Ⅱ(Invention Coating Ⅱ)"이라 함)이 준비되었다. 미립 알루미늄 칼륨 규산염은 노쓰 캐롤라이나주 스프루스 파인 소재의 애스펙트 미네랄즈 인크.(Aspect Minerals Inc. in Spruce Pine, North Carolina)에 의해 제조되어, 상표명 알바플렉스 200(AlbaFlex 200)으로 판매된다. 알루미늄 칼륨 규산염은 22 내지 27 ㎛의 평균 입자 크기, 4.27%의 작열 감량, 7 내지 8의 pH를 갖는 고순도 습지 백운모(high purity wet ground muscovite mica)이다. 완전 가공된 무방향성 전기 강판 샘플은 본 발명의 피복 Ⅱ에 의해 피복되고 본 발명의 피복 Ⅰ에 대해 상기된 바와 동일한 방식으로 경화되었다. 경화 피복 피막의 두께는 약 2.0 ㎛였다. 본 발명의 피복 Ⅱ의 용접성은 상기 본 발명의 피복 Ⅰ과 동일한 조건을 사용하여 평가되었다. 용접 공극의 발생은 본 발명의 피복 Ⅰ에 비해 상당히 감소되었다.
예 2
무방향성 전기 강판의 샘플이 실험실에서 예 1에 설명된 본 발명의 피복 Ⅱ 및 상용 인산염 피복 Ⅰ에 의해 피복되고, 다습한 대기에서의 흡수에 대해 시험되었다. 각각의 피복은 예 1에 설명된 바와 같이 도포되고 경화되었다. 샘플의 무게는 g/㎡ 단위로 강판의 피복 무게를 결정하기 위해 피복 전과 피복 후에 다시 측정되었다. 다음에, 피복된 샘플은 48시간 동안 21℃의 온도 및 99 내지 100%의 상대 습도(응축되지 않음)로 유지되는 습도 챔버에 놓여졌다. 습도 챔버로부터 제거 후에, 샘플의 무게는 즉시 재측정되었고, 무게 증가, 또는 각각의 피복에 의해 흡수된 수분량은 최초 피복 무게의 백분율로서 계산되었다. 결과는 이하에 요약되어 있다.
물 흡수(피복 무게의 %)
본 발명의 피복 Ⅱ 9
상용 인산염 피복 Ⅰ 26
본 발명의 피복 Ⅱ 및 상용 인산염 피복 Ⅰ의 복제 샘플은 다습한 날씨 동안에 점성을 띠는 경향의 평가를 위해 다습한 기후를 갖는 지리적인 지역에 있는 전동기 제조업자에게 보내졌다. 이러한 전동기 제조업자는 과거의 점성을 띠는 피복에 의해 유발되는 펀칭 장비 상의 피복 축적에 따른 문제를 경험하였다. 샘플은 이러한 지역에서 상용 인산염 무기/유기 피복(상용 인산염 피복 Ⅰ)을 갖는 제조 재료가 펀치 프레스 이송 롤 상에 심각한 축적 문제를 야기시키고 있었던 다습한 상태 동안의 점성에 대해 평가되었다. 샘플을 맨손으로 만질 때의 촉감에 기초하여, 상용 인산염 피복Ⅰ은 제조 재료와 마찬가지로 매우 점성을 띠는 것으로 판정되었다. 본 발명의 피복 Ⅱ에 의해 피복된 샘플은 점성을 띠지 않았다.
이러한 결과는 본 발명의 피복 Ⅱ가 널리 사용되는 상용 인산염 무기/유기 피복에 비해 다습한 대기부터 수분을 흡수하여 점성을 띠는 경향이 적다는 것을 보여 준다.
예 3
예 1의 본 발명의 피복 Ⅱ와 동일한 조성을 갖는 수성의 산성 현탁액이 피복 제조 라인에서 0.47 ㎜의 두께를 갖는 무방향성 전기강의 두 개의 코일(대략 15 미터법 톤)을 피복하도록 사용되었다. 피복 현탁액의 비중은 물을 첨가시킴으로써 1.125로 조정되었다. 피복은 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 23 m/min의 라인 속도로 이동하는 강판의 양면에 도포되었다. 라인 속도는 얇은 피복 또는 미피복의 줄무늬가 보다 빠른 속도로 형성되기 때문에 23 m/min으로 제한되었다. 피복 후에, 강판은 피복을 경화시키기 위해 개방 화염 가스 버너를 구비한 12 m 길이의 노에 통과되었다. 노 내에서의 강판의 체류 시간은 대략 30초였고 최대 금속 온도는 약 329℃였다. 경화로를 통과한 후에, 강판은 거의 상온까지 냉각되고 피복 라인의 배출단(exit end)에서 권취되었다. 경화 피복은 무점성의 매끄럽고 균일한 밝은 회색 외관을 가졌다. 종종, 작은 미피복 지점이 강판 표면의 열악한 습윤성으로 인해 경화된 피막에서 볼 수 있었다. 제조 코일로부터 얻은 샘플에 대해 수행된 시험의 결과는 표 2에 요약되어 있다.
피복 두께(㎛) 1.7
프랭클린 전류(A):
경화상태 0.12
SRA 후(816℃, 1시간, 건조 95%N2-5%H2) 0.49
공기 중에서의 번-오프 후(16시간 동안 482℃) 0.07
부착성:
경화 상태(12.7 ㎜ 굽힘) 박리 없음
SRA 후(평면 테이프 시험) 박리 없음
공기 중에서의 번-오프 후(평면 테이프 시험) 박리 없음
내약품성:
표면 pH(리트머스지 시험) 5 내지 6
메틸 알코올 마찰 시험 부식 없음
피복 두께는 피복 현탁액이 줄무늬 형성에 따른 주요 문제점을 회피하기 위해 1.125의 비중까지 물에 의해 희석되어야 하기 때문에 소정치보다 약간 낮았다. 결국, 경화 상태의 프랭클린 전류값은 소정치보다 약간 높지만 대형 회전 기계로의 적용에 대해서는 아직도 수용 가능하다. 프랭클린 전류는 H2-N2 대기 중에서 816℃의 SRA 후와 및 16시간 동안 482℃의 공기 중에서의 모의 전동기 고정자 절연 스트리핑 처리 또는 번-오프 후에 양호하였다. 피복은 메틸 알코올에 내성이 있었으며, 젖은 리트머스 시험지에 의해 측정된 바와 같이 잔류 표면 산성(residual surface acidity)의 증거를 보이지 않았다. 예 1의 상용 인산염 피복 Ⅰ등의 상용으로 널리 사용되는 인산염 무기/유기 절연 피복에 비해 본 발명의 피복 Ⅱ의 동작 상의 장점은 다음의 시도 동안에 관찰되었는데, 즉 (1) 본 발명의 피복 Ⅱ는 피복 라인 정지 동안에 발생되는 과열에 덜 민감하여, 보다 일치된 색상 및 외관을 나타내고, (2) 본 발명의 피복 Ⅱ은 도포 및 경화 동안에 악취를 적게 유발시키고, (3) 본 발명의 피복 Ⅱ는 피복 라인의 시트의 모서리 상에 먼지가 쌓이거나 축적되지 않고, (4) 본 발명의 피복 Ⅱ의 규산염 입자는 상용 인산염 피복 정도로 용이하게 피복 팬(coating pan)의 현탁액으로부터 침전되지 않아, 보다 용이한 세척을 나타낸다.
상기 시도로 제조된 실험적으로 피복된 무방향성 전기강은 전동기 제조업자에게 보내져 고정자 및 회전자로의 조립의 용이성, 특히 다습 상태 동안에 펀칭 장비에 발생되는 피복 축적에 대한 경향을 평가하기 위해 다음과 같이 가공되었다. 각종 분위기 온도 및 습도 조건에서 이러한 강으로 제조된 고정자 및 회전자 적층체를 펀칭한 후에, 본 발명의 피복 Ⅱ는 점성을 띠지 않고 펀칭 장비 상에 피복의 축적을 유발시키지 않은 것으로 결론이 났다. 강판에 대한 피복의 부착성은 경화 상태에서 우수한 것으로 판정되었으며, 피복은 펀칭 동안에 많은 먼지 또는 분말을 발생시키지 않았다. 본 발명의 피복 Ⅱ는 알루미늄 주조에서 공극을 유발시키기 않으므로 농형 회전자(squirrel cage rotors)의 알루미늄 다이 캐스팅용으로 수용 가능한 것으로 판정되었다. 시험 고정자 코어에는 에폭시 수지가 함침되는 진공 압력 함침(VPI, vacuum pressure impregnation)이 적용되었다. 이러한 공정 후에, 본 발명의 피복 Ⅱ를 갖는 코어는 경화된 에폭시 함침 수지 내의 기포 및 다른 문제점을 나타내지 않았다. 상용 인산염 피복 Ⅰ은 에폭시를 경화시키기 위해 사용되는 가열 사이클 동안에 피복으로부터 흡수 수분의 방출로 인해 동일한 VPI 공정에서 에폭시 함침 수지의 심각한 기포 발생을 유발시켰다. 전동기 코어 제조 공정 동안에 본 발명의 피복 Ⅱ에서 관찰된 유일한 문제점은 펀칭 라인에서 지지판, 롤 등 상의 피복의 마찰에 의해 유발되는 펀칭 동안의 저부면의 약간의 마모였다.
이러한 제1 제조 시도는, 본 발명의 피복이, (1) 다습 분위기에서 상용 인산염 무기/유기 피복의 펀칭과 관련된 문제점을 제거시켰고, (2) 도포 및 경화 동안에 악취를 적게 유발시켰고, (3) 피복 라인에서 강판의 모서리 상에 먼지가 쌓이거나 축적되지 않았고, (4) 보다 용이하게 도포되었고 규산염 입자가 상용 인산염 피복 정도로 쉽게 현탁액으로부터 침전되지 않기 때문에 피복 후의 세척이 보다 용이해진다는 것을 보여 주었다. 이러한 제1 제조 시도는 본 발명의 피복이 대형 회전 기계의 자기 코어에 사용되는 절연 피복을 위한 많은 요구 조건을 충족시킨다는 것을 추가로 보여 주었다. 홈 구비 계량 롤에 의한 피복의 도포 동안에 발생되는 줄무늬 형태의 결함에 대한 경향, 약간 열악한 습윤성으로 인한 경화 피복 피막의 작은 미피복 지점 및 펀칭 동안의 저부면의 약간의 마모를 포함하는 본 발명의 단점도 확인되었다. 이러한 문제점은, 예 4 및 예 5에 나타낸 바와 같이, 소량의 수용성 유기 용매를 첨가하고 생성물(formation) 중의 미립 규산염의 양을 증가시킴으로써 해결되었다.
예 4
피복 제조 라인에서, 건조 중량 기준으로, 다음의 피복 조성을 사용하는 시도가 수행되었다.
아크릴 수지 14.8
알루미늄 규산염 22.8
알루미늄 칼륨 규산염 22.8
알루미늄 인산염 39.6
피복을 준비하도록 사용되는 성분은 상기 예에 설명된 것과 동일하였다. 이러한 피복 조성(이하, "본 발명의 피복 Ⅲ(Invention Coating Ⅲ)"이라 함)은 알루미늄 칼륨 규산염의 함량이 보다 높다는 점에서 본 발명의 피복 Ⅱ와는 다르다. 산성 피복 현탁액은 1.20의 비중을 가졌고 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 강 스트립에 도포되었다. 0.47 ㎜ 두께의 무방향성 전기강의 네 개의 코일은 40 m/min의 라인 속도로 피복되었다. 피복된 강 스트립은 327℃의 최대 금속 온도에서 피복을 경화시키기 위해 12 m 길이의 개방 화염로에 통과되었다.
미피복 또는 얇은 피복의 줄무늬에 따른 일부 문제점이 라인이 정지 후에 재가동되는 경우에 발생되었지만, 라인 속도가 40 m/min에서 정상 상태에 도달되면 줄무늬 현상이 없었다. 경화된 피복은 균일한 밝은 회색 외관을 가졌다. 상기 시도 동안에 얻어진 샘플에 대해 수행된 시험의 결과는 표 3에 있다.
피복 두께(㎛) 2.5 내지 3.0
프랭클린 전류(A):
경화 상태 0.02
SRA 후-816℃, 1시간, 건조 95%N2-5%H2 0.30
공기 중에서의 번-오프 후(482℃, 16시간) 0.03
적층율(%) 97 내지 98
흡수-100% 상대 습도, 48시간(피복 중량%) 5
내약품성(면봉 마찰 시험(Cotton Swab Rub Test)-100회 마찰):
수분 침식 안됨
메틸 알코올 침식 안됨
VPI 에폭시 침식 안됨
부착성:
경화 상태(3.2 ㎜ 직경의 굽힘/테이프 시험) 박리 없음
SRA 후(6.4 ㎜ 직경의 굽힘/테이프 시험) 박리 없음
분말 없음
굽힘부(인장 표면) 박리 없음
번-오프 후 박리 없음
용접 공극:
38 ㎝/min 용접 속도 없음
76 ㎝/min 용접 속도 없음 내지 적음
152 ㎝/min 용접 속도 중간 내지 많음
이러한 결과는 본 발명의 피복 Ⅲ이 우수한 표면 비저항, 적층율 및 부착성을 제공한다는 것을 보여 준다. 또한, 피복은 상용 인산염 무기/유기 피복에 비해 다습 상태에 노출되는 경우에 훨씬 적은 수분을 흡수하며, 이는 감소된 점성과, 펀칭 및 슬리팅 장비 상의 피복 축적에 대해 감소된 경향을 나타낸다. 본 발명의 피복 Ⅲ에 의해 피복된 전기 강판의 TIG 용접성은 알루미늄 칼륨 규산염의 증가된 함량으로 인해 본 발명의 피복 Ⅱ에 비해 개선된다. 가벼운 공극이 76 ㎝/min까지의 용접 이동 속도의 용접부에서 관찰되었으며, 이는 대부분의 적용 분야에 대해 수용 가능한 생산성을 제공한다. 이러한 수준의 용접성은 상기 상용 인산염 피복 Ⅰ에 의해 성취되는 것과 유사하다.
본 발명의 피복 Ⅲ에 의해 피복된 강 코일의 슬리팅 후에 단지 매우 작은 마찰 표시 및 스크래치가 인장 패드와 접촉된 표면 상에서 관찰되었으며, 이는 피복의 내마모성이 본 발명의 피복 Ⅱ에 비해 개선되었다는 것을 나타낸다. 본 발명의 피복 Ⅲ에 의해 피복된 무방향성 전기강 재료는 펀칭 장비 상의 피복의 축적 등의 가공 문제 없이 전동기로 조립되었다.
이러한 시도는 본 발명의 피복 Ⅱ에 비해 본 발명의 피복 Ⅲ에 대한 칼륨 알루미늄 규산염의 양의 증가가 개선된 용접성 및 내마모성을 나타낸다는 것을 보여주었다. 이러한 성질은 모두 수용 가능한 수준까지 개선되었다. 본 발명의 피복 Ⅲ의 유일한 결점은 느린 피복 라인 속도의 홈 구비 계량 롤에 의한 도포 동안에 미피복 또는 얇은 피복의 줄무늬에 대한 경향이었다.
예 5
아크릴 수지의 각각의 중량부당 0.20 중량부의 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 및 0.20 중량부의 이소프로필 알코올이 첨가되었다는 점을 제외하고는 본 발명의 피복 Ⅲ과 동일한 조성으로 0.47 ㎜ 두께의 무방향성 전기강이 피복되는 시도가 수행되었다. 이러한 용매는 모두 수성계 피복(waterborne coatings)의 표면 장력을 감소시키는 수용성 유기 용매이다. 실험실 연구는 하나 이상의 수용성 용매의 첨가가 실험실에서 주로 홈 구비 계량 롤에 의한 도포 동안의 줄무늬 형성에 대한 경향을 감소시킨다는 것을 보여 주었다. 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르는 코넥티컷주 댄버리 소재의 유니언 카바이드 코포레이션의 용매 및 피복 재료 부문에 의해 제조되어, 상표명 부틸 셀로솔브(Butyl Cellosolve)로 판매된다. 피복에 대한 부틸 셀로솔브 및 이소프로필 알코올의 첨가 후에, 물이 1.20의 최종 비중을 성취하도록 첨가되었다. 피복(이하, "본 발명의 피복 Ⅳ"이라 함)은 전술된 바와 같이 상기 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 40 m/min의 라인 속도로 전기강 스트립에 도포되고 327℃의 최대 금속 온도의 12 m 길이의 노에서 경화되었다.
라인이 정지된 후에 뿐만 아니라 정상 상태의 라인 속도에서도 피복의 도포 동안에 줄무늬 형성은 없었다. 강판 표면의 습윤성도 유기 용매가 피복에 첨가되지 않은 상기 시도에 비해 개선되어, 작은 미피복 지점의 적은 발생을 나타내었다. 경화 상태의 피복은 균일하고 광택 없는 밝은 회색 외판을 가졌다. 피복 두께는 측부당 1.8 내지 2.9 ㎛ 범위였고 경화 상태의 프랭클린 전류는 0 내지 0.01 A였다. 피복의 부착성은 12.7 ㎜ 직경의 굽힘 시험에 따라 수용 가능하였다. 실험적으로 피복된 무방향성 전기강은 전동기 제조업자에게 공급되어 펀칭 동안에 피복 축적 또는 분말화 등의 문제 없이 자기 코어로 가공되었다.
이러한 시도는 본 발명의 피복에 대한 하나 이상의 수용성 유기 용매의 첨가가 홈 구비 고무 계량 롤에 의한 도포 동안에 피복의 줄무늬 형성에 따른 문제점을 제거시키고 피복에 의한 강판 표면의 습윤성도 개선시켜, 보다 균일한 평탄도를 나타낸다는 것을 보여준다. 경화 상태의 피복의 성질은 유기 용매의 첨가에 의해 어떠한 악영향도 주지 않는다.
본 발명의 요지 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명에 대해 각종 변형예가 이루어질 수도 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 한정은 첨부 청구범위로부터 결정되어야 한다.
본 발명에 따른 무방향성 전기 강판 상에 피복된 경화 절연 피막은 다습한 대기에서 저흡습성을 갖고 펀칭, 슬리팅, 또는 시어링 장비 상에 피복 축적을 유발시키지 않는다. 또한, 본 발명의 경화 절연 피복은 개선된 부착성 및 내분말화 성질을 갖고, 높은 수준의 표면 비저항을 제공하고, 크롬산염을 요구하지 않으므로 피복의 사용 및 폐기 동안의 안전성 및 환경 문제를 회피하고, 얇은 피막 줄무늬 또는 기타 결함의 발생 없이 홈 구비 고무 계량 롤을 사용하여 전기 강판에 용이하게 도포된다.

Claims (20)

  1. 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하도록 절연성 피복으로 양면이 피복된 무방향성 전기 강판이며,
    상기 피복은, 100 건조 중량부를 기준으로, 20 내지 60 중량부의 알루미늄 인산염, 20 내지 70 중량부의 적어도 하나의 무기 미립 규산염 및 10 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 함유하는 유기/무기 경화 피복으로 구성되며,
    상기 피복은 모노알루미늄 인산염 용액, 미립 규산염 및 아크릴 라텍스를 함유하는 산성의 수성 현탁액으로부터 형성되며,
    상기 현탁액은 아크릴 수지의 각각의 중량부당 1 중량부까지의 수용성 유기 용매를 포함하는 피복된 무방향성 전기 강판.
  2. 제1항에 있어서, 0.2 A 이하의 프랭클린 전류를 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피복은 각각의 표면 상에서 0.5 ㎛ 이상의 두께를 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 피복은 각각의 표면 상에서 2 ㎛ 내지 8 ㎛의 두께를 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피복은 30 내지 50 중량부의 알루미늄 인산염을 함유하는 피복된 무방향성 전기 강판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 피복은 25 내지 65 중량부의 미립 규산염을 함유하는 피복된 무방향성 전기 강판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 피복은 15 내지 20 중량부의 아크릴 수지를 함유하는 피복된 무방향성 전기 강판.
  8. 제1항에 있어서, 상기 규산염은 0.3 내지 60 ㎛의 입자 크기를 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  9. 제1항에 있어서, 상기 아크릴 수지는 1 ㎛ 보다 작은 입자 크기를 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  10. 제1항에 있어서, 상기 아크릴 수지에 대한 알루미늄 인산염의 비는 1.5:1 이상인 피복된 무방향성 전기 강판.
  11. 제1항에 있어서, 상기 현탁액은 15 내지 300 cP의 점도를 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  12. 제1항에 있어서, 상기 현탁액은 2.0 내지 2.5의 pH와, 1.0 내지 1.3의 비중을 갖는 피복된 무방향성 전기 강판.
  13. 제1항에 있어서, 상기 규산염은 알루미늄 규산염, 알루미늄 칼륨 규산염 및 마그네슘 규산염으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 피복된 무방향성 전기 강판.
  14. 제1항에 있어서, 상기 아크릴 수지는 아크릴산, 메타크릴산, 상기 산의 에스테르, 아크릴로니트릴 및 스티렌의 공중합체로 구성된 그룹으로부터 선택되는 피복된 무방향성 전기 강판.
  15. 제1항에 있어서, 상기 피복은 220 내지 350℃의 온도에서 경화되는 피복된 무방향성 전기 강판.
  16. 제1항에 있어서, 상기 산성의 수성 현탁액은 0.2 중량% 보다 작은 미반응 인산을 함유하는 피복된 무방향성 전기 강판.
  17. 제1항에 있어서, 상기 경화된 피복에서 아크릴 수지에 대한 알루미늄 인산염의 비는 1.5 이하인 피복된 무방향성 전기 강판.
  18. 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하도록 절연성 피복으로 양면이 피복된 무방향성 전기 강판이며,
    상기 피복은, 100 건조 중량부를 기준으로, 20 내지 60 중량부의 알루미늄 인산염, 20 내지 70 중량부의 적어도 하나의 무기 미립 규산염 및 10 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 함유하는 유기/무기 경화 피복으로 구성되며,
    각각의 표면 상에서 경화된 피복의 두께는 0.5 ㎛ 이상이며, 상기 절연성으로 피복된 강판은 0.2 A 이하의 프랭클린 전류를 갖는 무방향성 전기 강판.
  19. 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하도록 절연성 피복으로 양면이 피복된 무방향성 전기 강판이며,
    상기 피복은 100 건조 중량부를 기준으로 30 내지 50 중량부의 알루미늄 인산염과, 0.4 내지 40 ㎛의 입자 크기를 갖는 25 내지 65 중량부의 규산염과, 1 ㎛ 보다 작은 입자 크기를 갖는 15 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 함유하는 유기/무기 경화 피복으로 구성되며,
    각각의 표면 상의 경화 피복의 두께는 0.5 내지 8 ㎛이고, 상기 절연성으로 피복된 강판은 0.2 A 보다 작은 프랭클린 전류를 갖는 무방향성 전기 강판.
  20. 층간 전력 손실을 최소화시키기 위해 높은 수준의 표면 비저항을 제공하도록 절연성 피복으로 양면이 피복된 무방향성 전기 강판이며,
    상기 피복은 100 건조 중량부를 기준으로 30 내지 50 중량부의 알루미늄 인산염과, 0.4 내지 40 ㎛의 입자 크기를 갖는 25 내지 65 중량부의 규산염과, 1 ㎛ 보다 작은 입자 크기를 갖는 15 내지 25 중량부의 아크릴 수지를 함유하는 유기/무기 경화 피복으로 구성되며,
    상기 피복은 모노알루미늄 인산염 용액, 미립 규산염 및 아크릴 라텍스를 함유하는 산성의 수성 현탁액으로부터 형성되며,
    상기 산성의 수성 현탁액은 0.2 중량% 미만의 미반응 인산을 함유하고, 아크릴 수지의 각각의 중량부당 0.2 내지 1 중량부까지의 수용성 유기 용매를 포함하고,
    각각의 표면 상의 경화 피복의 두께는 0.5 내지 8 ㎛이고, 상기 절연성으로 피복된 강판은 0.2 A 보다 작은 프랭클린 전류를 갖는 무방향성 전기 강판.
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