KR20000055608A

KR20000055608A - 절연성이 우수한 무방향성 전기강판의 유무기 복합 코팅액

Info

Publication number: KR20000055608A
Application number: KR1019990004336A
Authority: KR
Inventors: 이상민; 이석주; 조남웅
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2000-09-15

Abstract

본 발명은 무방향성 전기강판위에 절연피막을 형성하기 위한 코팅액에 관한 것으로, 그 목적은 용액안정성을 기본적으로 확보하면서 피막의 광택도와 함께 절연성을 개선할 수 있는 절연피막형성용 코팅용액을 제공함에 있다.

이러한 목적을 갖는 본 발명은, 붕산이 크롬계 유·무기 복합코팅액에서 용액안정성에 별다른 영향을 안미치면서 무기성분을 유리화하여 균일한 막을 형성할 수 있다는 연구결과에 기초하여 완성된 것으로, MgO, CrO₃, 유화수지, 에틸렌글리콜, 소포제와 붕산으로 조성되는 코팅액에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

기존의 코팅용액이 1㎛ 도포된 무방향성 전기강판의 전기전도도가 1000mA 통전시 980mA인데 반해, 본 발명에서 제공하는 코팅용액의 경우 780mA로 절연성이 크게 개선되는 효과가 있다

Description

절연성이 우수한 무방향성 전기강판의 유무기 복합 코팅액{ORGANIC-INORGANIC COMPOUND SOLUTION OF COATING NON-ORIENTED SILICON STEEL SHEETS FOR SUPERIOR INSULATION PROPERITY}

본 발명은 무방향성 전기강판위에 절연피막을 형성하기 위한 코팅액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무기성분을 유리화하여 균일한 막을 형성하여 절연성을 개선할 수 있는 붕산함유 유·무기 복합코팅액에 관한 것이다.

일반적으로 무방향성 전기강판은 강판내 결정배열이 불규칙적이어서 특정방위에 편중되지 않는 자기적특성을 나타내므로 전동기, 발전기, 소형변압기 등에 널리 사용되고 있다. 무방향성 전기강판은 그 응용범위가 매우 넓어서 이것에 대응하여 자기적특성, 강판두께 편차, 층간 절연성, 내식성, 타발가공성, 용접성 등 여러가지 특성이 요구된다. 여기서 층간 절연성은 적층되는 철판사이의 층간절연을 목적으로 형성하는 절연피막에 의해 얻어진다. 이러한 목적으로 형성되는 절연피막은 절연성외에도 타발성, 용접성, 내식성 등에 유리한 피막성능을 주요한 물성으로 평가하고 있으며, 최근 들어서는 강판표면의 품질이 사용특성에 영향을 미치면서 표면품질이 우수한 것이 요구되고 있다.

무방향성 전기강판 절연피막형성용 코팅액은 크게 무기, 유기, 유·무기 복합코팅액의 3종류가 있으며, 무기코팅액을 먼저 도포하고 난후 유기코팅액을 코팅하는 방법도 연구되고 있다. 무기계 코팅액은 인산염등과 같은 무기물을 주성분으로 하며, 내열성, 용접성, 적층성 등이 우수한 피막을 형성할 수 있어 EI코아용으로 사용되고 있다. 그러나, 절연피막의 경도가 높기 때문에 타발시 금형의 손상이 유기물 함유 피막재 보다 빨라서 타발 가공성에는 유리하지 못한 코팅재이다. 유기계 코팅액은 유기물을 주요성분으로 하여 타발성면에서 매우 뛰어나다. 또한, 막의 두께를 높게 하여도 밀착성이 양호하므로 층간절연성이 높게 요구되는 대형철심에 많이 사용된다. 유기피막의 용접성은 용접시 수지 분해가스가 발생하여 양호한 특성을 보이지 못한다. 이러한 이유로 해서 내열성, 절연성 등을 중시한 인산염 , 크롬산염 등의 무기질계의 타발가공성 결점을 보완할 유기질과 무기질을 동시에 사용하는 유·무기복합코팅액이 개발되었다. 이러한 절연코팅재를 사용하여 형성시킨 피막의 경우 무기질의 특징인 내열성과 유기질의 윤활성 효과가 동시에 만족되고 표면외관도 미려하다.

이와 같은 코팅액으로 형성되는 절연피막에는 기본적으로 (1)절연성, (2)밀착성, (3)색상, 광택 등의 품질특성이 요구되는데, 이들에 대해 분설하면 다음과 같다.

(1) 절연성

코팅재 피막의 절연성확보는 철손을 감소시키기 위해 강판을 박판으로 가공하는데 층간의 절연성이 없어지면 결국 박판으로 가공한 것이 의미가 없어져 철손을 증가시키는 결과를 초래하기 때문에 강판층간에 절연성은 필요하다. 코팅피막의 두께가 증가하면 일반적으로 절연성은 향상되나 용접성 등 타피막특성을 저해하므로 막의 두께에는 제한을 받는다. 이러한 절연성은 동일한 코팅액이라도 피막의 균일하게 형성될수록 향상된다.

(2) 밀착성

타발공정후 적층된 전기강판의 표면에 피막이 박리되면 층간의 절연성이 상실되어 자기적특성을 열화시킨다. 이러한 관점에서 강판표면에 부착된 피막의 밀착성은 중요하므로 절연피막도포후 밀착성을 평가하여 실제 제품화하는 것이 요구된다.

(3) 색상 및 광택

코팅처리의 유무를 구별할 수 있는 색상의 경우 절연피막층내 Cr³⁺양에 의한 것이 지배적이다. 코팅용액내 Cr⁶⁺가 경화작업과정을 통하여 피막중 환원된 Cr³⁺양이 색상에 영향을 미친다. Cr⁶⁺를 Cr³⁺로 환원시키는 역할을 하는 유기환원제인 에틸렌 글리콜의 첨가량도 색상에 중요하게 작용한다. 소지 전기강판 표면에 도포된 코팅층의 두께가 증가하면 단위면적당 Cr³⁺도 증가하여 강판 표면의 녹색 정도가 높아진다. 도포작업시 건조온도 또한 Cr⁶⁺가 Cr³⁺로 환원하는 양을 변화시키므로 색상에 영향을 미친다. 소지강판 조도 및 수지종류는 코팅건조후 강판표면의 광택과 더불어 피막의 균일성에도 영향을 미친다. 소지강판의 조도가 낮으면 같은 조성계 코팅일 경우 높은 광택도를 나타내고 내열성이 강한 수지일수록 광택도는 높게 나타난다. 피막의 균일성에 있어서 내열성이 강한 수지일수록 광택도는 높게 나타난다. 피막의 균일성에 있어서 코팅재 원료로 사용되는 수지 평활성 (spreading)은 매우 중요하며, 평활성이 높을 경우가 균일한 피막을 얻을 수 있다.

이러한 제반특성을 고려하여 종래에 주로 이용되는 유무기 복합코팅액으로는 CrO₃, 콜로이달 실리카, MgO, 수지, 물로 조성되는 것을 예로 들 수 있다. 여기에서 콜로이달 실리카는 시간경과에 따라서 용액의 점도를 상승시켜 용액의 안정성에 불리하며 또한, 건조후 제품 표면의 표면조도를 상승시켜 표면품질에 좋지 않은 영향을 주는 문제가 있다. 본 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 콜로이달 실리카를 제외한 기존의 성분계로도 절연피막의 특성을 만족할 수 있는 코팅액을 개발하여 대한민국 특허출원 97-51755호에 제안한 바 있다. 이와 관련하여 계속적인 연구를 거듭한 결과, 본 발명자들은 선행기술 보다 물성이 더욱 우수한 새로운 용액을 개발하여 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 용액안정성을 기본적으로 확보하면서 피막의 광택도와 함께 절연성을 개선할 수 있는 절연피막형성용 코팅용액을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 붕산의 함유량에 따른 전기전도도의 변화를 나타내는 그래프

도 2는 붕산의 함유량에 따른 밀착성의 변화를 나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코팅용액은, MgO:6.0∼16%, CrO₃:19.0∼25%, 유화수지:11.0∼16%, 에틸렌글리콜:5∼8%, 소포제:0.01∼1%, 물:38.00∼59%, 붕산:0.6∼8.5%로 조성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 피막의 광택도와 절연성을 개선하기 위해 다각도로 연구하던중, MgO, CrO₃, 유화수지, 에틸렌글리콜, 소포제가 주성분인 용액에 붕산을 첨가해도 용액안정성에 별다른 문제를 일으키지 않으면서 피막을 균일하게 하여 절연성이 개선되는 것을 밝혀내고 이들의 조성을 호적치로 선정하여 본 발명의 코팅액을 개발하였다. 이러한 본 발명의 코팅액을 성분별로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

마그네슘 크롬메이트내 MgO는 6%이하로 함유되는 경우 CrO₃의 미반응물질 석출이 발생하고 16%이상의 경우 MgO의 석출과 코팅후 전기강판의 광택성 소실에 의한 표면품질 열화가 발생되므로 MgO의 함량은 6∼16%의 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

마그네슘 크롬메이트내 CrO₃은 전체 코팅액의 무게를 100으로 할때 19%이하에 있어서는 내식성 불량등의 문제가 발생하고 25%이상의 경우에 있어서는 용액의 겔(gel)화에 의한 안전성 불량이 발생하므로 19∼25%의 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

유화수지로는 절연피막형성용 코팅액에 이용되는 수지이면 가능하며, 일반적으로 수지는 서로 반응성이 없거나 부분적으로만 반응하는 두 액체로 이루어진 분산계 에멜젼 수지를 많이 사용한다. 그 예로는 아크릴계 수지 또는 스틸렌계 수지 등이 있다. 용접성을 고려할 때 스틸렌계 수지를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 유화수지의 함유량은 11%이하의 경우 코팅액 물성중 pH증가와 비중하락에 의한 악영향을 미치고 16%이상의 경우 광택의 피막특성이 열화시키므로 11.0∼16%의 범위로 함유되는 것이 바람직하다.

크롬산의 환원제인 에틸렌 글리콜은 처리용액내 5%이하 첨가될 경우 강판표면의 색상이 어둡고 피막중 Cr⁶⁺의 잔존으로 피막이 공기중에서 습윤하여 바람직하지 못하고, 8%이상의 경우 용액이 시간경과에 따라 겔(gel)화하여 용액의 안정성이 바람직하지 못하며 용액상에서 환원이 진행되어 코팅후 피막의 특성에 좋지 않은 영향을 주므로 적정 첨가량의 범위는 5∼8%이다.

붕산은 코팅액의 안정성에 변화를 주지않으면서 피막의 색상 및 광택을 향상시킬 수 있으며 특히, 본 발명의 연구결과에 의하면 무기질을 유리화하는데 있어서 융점을 낮추는 역할을 하여 균일한 피막을 만들어 주어 절연성을 개선하는 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 즉, 유·무기 복합코팅재의 경우 건조후 피막중에 MgCrO₂의 무기물이 분산되어 있는 형태로 존재한다. 따라서, 붕산의 도입은 무기성분을 코팅액의 도포후 건조과정 또는 응력제거소둔과정에서 유리화하여 균일한 막을 형성시킬 수 있게 한다. 이를 위해 붕산은 0.6중량%이상 첨가하나 8.5중량%이상 첨가하면 용액중 붕산이 용해하지 못하고 용액의 경시 안정성 및 작업성이 저하하여 바람직하지 못하다. 따라서, 붕산의 함유량은 0.6∼8.5중량%가 바람직하다.

소포제는 도포작업시 기포발생으로 인한 제품불량을 억제하기 위한 것으로 이를 위해 0.01%이상 함유되나 0.1%이상의 경우 피막의 균일성을 저해하여 내식성, 내열성 등의 타 피막물성에 나빠지므로 0.01-1%로 첨가하는 것이 바람직하다.

물의 양에 있어서 38.0%이하의 경우에는 용액의 시간경과에 따른 겔화의 정도가 심하여 pH하락, 비중증가 등으로 용액물성이 바람직하지 못하다. 59%이상의 경우 pH의 하락과 비중 감소등으로 피막두께를 높게 유지하지 못하여 실제 적용생산이 곤란하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

표 1과 같이 조성되도록 각 성분을 합성하였는데, 합성방법은 2단계로 구분하여 합성하였다. 1단계로, 중량%로 MgO, CrO₃, 에멜젼 유화수지(스틸렌계 유화수지), 에틸렌 글리콜, 소포제, 물로 조성되는 무방향성 전기강판 도포용 코팅액을 제조하고(비교재 1), 여기에 표 1과 같이 붕산의 양을 달리하여 최종코팅액을 제조하였다. 코팅액은 롤러를 사용하여 무방향성 전기강판에 도포하고 강판의 온도가 300±50℃ 범위에서 경화처리한 후 강판을 절취하여 표 2와 같이 형성된 피막의 특성을 측정한다.

또한, 전기전도도(절연성)과 밀착성을 평가하고 그 결과를 도 1과 도 2에 나타내었다. 밀착성은, 일반적으로 2가지 형태로 측정하고 있다. 1)코팅된 시편표면에 셀로테이프를 부착 박리하여서 코팅재가 박리되는지를 확인하는 방법, 2)시편을 반경이 다른 원통형 금속에 부착시키고 구부리어 강판표면에서 박리가 일어나는지를 확인하는 방법 등이 있다. 여기에서는 후자의 경우로 측정하였다. 이 방법은 반경이 큰 원기등 부터 시작하여 작은 반경으로 진행함에 따라 피막이 박리를 일으킬 가능성이 높아지고 어느 반경에서 박리가 일어나는지를 조사하면 밀착성을 정량적으로 표현할 수 있다.

구분	코팅액 조성 (단위:중량%)
구분	H₃BO₃	MgO	CrO₃	수지	에틸렌 글리콜	H₂O	소포제
발명재1	0.6	10.0	20.0	13.0	7.0	49.3	0.1
발명재2	3.0	10.0	20.0	13.0	7.0	46.9	0.1
발명재3	5.0	10.0	20.0	13.0	7.0	44.9	0.1
발명재4	7.0	10.0	20.0	13.0	7.0	42.9	0.1
발명재5	8.5	10.0	20.0	13.0	7.0	41.4	0.1
비교재1	-	10.0	20.0	13.0	7.0	49.9	0.1
비교재2	0.5	10.0	20.0	13.0	7.0	49.4	0.1
비교재3	8.6	10.0	20.0	13.0	7.0	41.3	0.1
비교재4	10.0	10.0	20.0	13.0	7.0	39.9	0.1

표 2에 나타난 바와 같이, 붕산을 첨가하지 않은 비교재(1)은 발명재(1-5)와 비교해 볼때, 내열성, 절연성, 색상, 광택이 열위하였다. 붕산을 0.5중량% 첨가한 비교재(2)는 비교재(1)과 비교하면 내열성이 향상되나 절연성, 색상, 광택은 개선되지 못하였다. 붕산의 양을 8.6중량% 첨가한 비교재(3)의 경우는 용액중 붕산이 충분히 용해되지 못하였으며 경시안전성, 작업성등이 발명재 보다 열위하고, 절연성, 색상, 광택은 양호하였다. 붕산의 양을 10.0중량% 첨가한 비교재(4)는 모든 측정항목에서 발명재 보다 열위한 특성을 보였다.

도 1은 붕산의 함량별 전기전도도(절연성)을 나타내고 있다. 붕산의 양이 증가하면 피막의 균일성이 향상되고 코팅재내 붕산의 무기성분이 증가함으로 절연성이 향상되는 반면, 도 2와 같이 피막과 소지강판의 밀착성을 저하시킨다. 또한, 붕산함량이 8.6중량% 이상에서는 용액물성, 작업성을 저해하고 0.5중량%이하에서는 절연성, 색상, 광택에 유리하지 못하다. 따라서, 붕산의 함유량은 0.6∼8.5중량% 범위가 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 절연피막을 형성하면 광택도 및 색상이 우수하면서도 균일한 피막이 형성되어 절연성을 크게 개선되는 무방향성 전기강판을 얻을 수 있다.

Claims

MgO:6.00∼16%, CrO₃:19.0∼25%, 유화수지:11.00∼16%, 에틸렌글리콜:5∼8%, 소포제:0.01∼1%, 물:38.0∼59%, 붕산:0.6∼8.5%로 조성되는 절연성이 우수한 무방향성 전기강판 유무기 복합 코팅액.
제 1항에 있어서, 상기 유화수지는 스틸렌계 수지임을 특징으로 하는 코팅액