TWI506102B - 非方向性電磁鋼片之塗料與非方向性電磁鋼片 - Google Patents

Description

非方向性電磁鋼片之塗料與非方向性電磁鋼片

本發明是有關於一種絕緣塗料，且特別是有關於一種非方向性電磁鋼片(non-oriented electrical steel sheet)之塗料與應用此塗料之非方向性電磁鋼片。

根據電磁特性，電磁鋼片一般可分為方向性(oriented)電磁鋼片和非方向性電磁鋼片。其中，方向性電磁鋼片適用於靜止電磁機械，而非方向性電磁鋼片則適用於迴轉型的電磁機械，例如馬達與發電機等。其中，此非方向性電磁鋼片主要係用來製作馬達、變壓器與發電機的鐵心。

製作電磁鋼片時，通常會先利用輥塗方式，在鋼片本體之上下表面上塗佈一層絕緣塗料，並經過流平處理。接著，對塗設有絕緣塗料之鋼片本體進行烘烤處理，藉以在鋼片本體上形成均勻的絕緣塗膜。此絕緣塗膜必須具備良好的絕緣、防鏽、附著與耐熱等特性。

目前，在電磁鋼片的應用上，具有絕緣、防鏽與耐熱等特性之塗膜必須具有一定的膜厚。但是，厚度較大的塗膜除了成本高以外，在加工時也容易脫落。

因此，目前亟需一種可形成厚度薄且高絕緣性之塗膜的塗料。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種非方向性電磁鋼片之塗料，其具有矽膠，而可形成具極佳附著性、高耐蝕性、高絕緣性、高耐熱性且高防鏽性之高絕緣阻抗塗膜。

本發明之另一態樣是在提供一種非方向性電磁鋼片，其鋼片本體表面塗設有含矽膠之高附著性、高耐蝕性且高絕緣阻抗塗膜，故此非方向性電磁鋼片相當適用於設置在所處環境較為惡劣之風力發電機上。

本發明之另一態樣是在提供一種非方向性電磁鋼片，其可符合風力發電機用之馬達或大型馬達設備之鐵心的絕緣性要求，因而可避免發電機與大型馬達設備之鐵心的渦流損失。

根據本發明之上述目的，提出一種非方向性電磁鋼片之塗料。此非方向性電磁鋼片之塗料包含一磷酸溶液、一金屬化合物、一含硝酸離子或硫酸離子之化合物、一水性樹脂以及一矽膠。其中，矽膠之重量百分比的範圍從0.1%至15%。

依據本發明之一實施例，上述之矽膠之酸鹼值之範圍從2.0至8.0。

依據本發明之另一實施例，上述之矽膠之平均粒徑的範圍從20nm至300nm。

依據本發明之又一實施例，上述之矽膠之固形份之含量範圍從20%至40%。

依據本發明之再一實施例，上述之金屬化合物包含氧化鎂及/或氧化鋁。

依據本發明之再一實施例，上述之水性樹脂為一壓克力樹脂(acrylic resin)，且此水性樹脂之平均分子量的範圍從10000至1000000，水性樹脂之玻璃轉移溫度的範圍從38℃至55℃，水性樹脂之平均粒徑的範圍從0.1mm至1.2mm。

根據本發明之上述目的，另提出一種非方向性電磁鋼片。此非方向性電磁鋼片包含一鋼片本體與一塗膜。此塗膜覆蓋在鋼片本體之表面上。塗膜之材料包含一磷酸溶液、一金屬化合物、一含硝酸離子或硫酸離子之化合物、一水性樹脂以及一矽膠。其中，矽膠之重量百分比的範圍從0.1%至15%。

依據本發明之一實施例，上述之塗膜之厚度的範圍從0.5μm至3.0μm。

本發明之非方向性電磁鋼片之塗料可形成極優異之附著性、高耐蝕性、高絕緣性、高耐熱性且高防鏽性之高絕緣阻抗塗膜。此外，本發明之非方向性電磁鋼片可符合風力發電機用之馬達或大型馬達設備之鐵心的絕緣性要求，而可避免發電機與大型馬達設備之鐵心的渦流損失。

一般的塗膜電磁鋼片所具有的絕緣與防蝕功能有限，僅能滿足小型馬達電機產品的需求。但是，對於風力發電機等大型發電機馬達，電磁鋼片則需具備較高的絕緣性與防蝕性，以防止渦流損失，並滿足嚴苛室外環境氣候的高耐蝕性需求。於是，本發明提出一種適用於非方向性電磁鋼片之塗料，以大幅提高非方向性電磁鋼片之塗膜的絕緣性。因此，表面塗覆有由本發明之塗料所構成之塗膜的非方向性電磁鋼片可滿足風力發電機等大型發電機馬達的需求。

在一實施方式中，非方向性電磁鋼片之塗料包含磷酸溶液、金屬化合物、含硝酸離子或硫酸離子之化合物、水性樹脂、以及矽膠。

在製配本實施方式之磷酸溶液時，可以取濃度85%的磷酸與相同重量的溶劑混合而得。在一實施例中，此溶劑可為水。在一例子中，可取100公克且濃度為85%的磷酸與100公克的水混合製得。

金屬化合物可為含有二價或三價的金屬離子。這些金屬離子可例如為鎂離子、鋁離子或其組合。在一實施例中，金屬化合物可例如包含氧化鎂、氧化鋁、或氧化鋁與氧化鎂。

在本實施方式中，金屬化合物與磷酸溶液之間的莫耳比例可依據所使用之金屬化合物或是後續用途來加以調整。但，金屬化合物與磷酸溶液之間的莫耳比例需使此金屬化合物所含之二價或三價金屬離子可與磷酸溶液反應轉化為磷酸鹽。在一例子中，金屬化合物之金屬離子與磷酸溶液之磷酸離子的莫耳比例範圍可例如從0.1：1.0至1.2：1.0。

在本實施方式中，含硝酸離子之化合物可例如為硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸或上述化合物之組合。另一方面，含硫酸離子之化合物可例如為硫酸鎂、硫酸鋁、硫酸或上述化合物之組合。在一較佳實施例中，含硝酸離子或硫酸離子之化合物可為硝酸或硫酸。

在本實施方式之非方向性電磁鋼片之塗料中，水性樹脂所含樹脂例如為壓克力樹脂。在一示範實施例中，此水性樹脂之平均分子量的範圍可例如從10000至1000000，此水性樹脂之玻璃轉移溫度的範圍可例如從38℃至55℃，且此水性樹脂之平均粒徑的範圍可例如從0.1mm至1.2mm。

本實施方式之非方向性電磁鋼片之塗料更包含有矽膠。在一示範實施例中，非方向性電磁鋼片之塗料中之矽膠之重量百分比的範圍可例如從0.1%至15%。在一較佳實施例中，非方向性電磁鋼片之塗料中之矽膠之重量百分比的範圍可例如從2%至12%。在一更佳實施例中，非方向性電磁鋼片之塗料中之矽膠之重量百分比的範圍可例如為7%。此外，塗料中之矽膠的酸鹼值之範圍可例如從2.0至8.0。而塗料中之矽膠的平均粒徑的範圍可例如從20nm至300nm。在一些例子中，此矽膠中之固形份的含量範圍可例如從20%至40%。

在一例子中，矽膠可例如為日本觸媒株式會社所提供之SN350型號的矽膠。

由本實施方式之非方向性電磁鋼片之塗料的成分可知，此塗料的成本低。而且，由於此塗料同時含有由磷酸溶液與金屬化合物所反應生成之磷酸鹽等無機材料、以及水性樹脂與矽膠等有機材料，因此塗料的穩定性高，相當適合用來製作電磁鋼片的表面塗膜。此外，此塗料不含鉻，因此可符合現今的環保規範。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種非方向性電磁鋼片之剖面示意圖。將本實施方式之塗料應用於製作非方向性電磁鋼片100時，可先提供鋼片本體102。其中，鋼片本體102具有相對之上表面104與下表面106。在一示範例子中，鋼片本體102係一熱軋鋼片歷經酸洗、冷軋與退火等處理程序。在一些例子中，鋼片本體102可例如依據JIS C2552品級符號50A1300或50A470的鋼材。

接著，利用例如一塗佈一烘烤(1C1B)方式，進行鋼片本體102表面之塗膜的製作。先將上述實施方式之塗料，塗布在鋼片本體102之上表面104與下表面106上。接下來，對塗布有塗料之鋼片本體102進行烘烤處理，而形成分別覆蓋在鋼片本體102之上表面104與下表面106上的塗膜108與110。如此，大致完成非方向性電磁鋼片100的製作。其中，塗膜108與110均為絕緣塗膜。在一實施例中，前述烘烤處理之溫度的範圍可例如控制在從250℃至350℃，較佳可例如控制在從250℃至330℃。在一示範實施例中，烘烤處理之溫度的範圍可例如從250℃至350℃，且烘烤時間的範圍可例如從20秒至60秒。

在一示範實施例中，非方向性電磁鋼片100之每個塗膜108與110之厚度的範圍可例如從0.5μm至3.0μm。

由於本發明之塗料中的磷酸離子可在硝酸離子或硫酸離子的促進下，侵蝕鋼片本體102之上表面104與下表面106之鐵，而溶出二價或三價鐵離子Fe²⁺ 或Fe³⁺ 。磷酸離子可與這些鐵離子反應，而在鋼片本體102之上表面104與下表面106上生成磷酸鐵。此外，在烘烤過程中，未反應磷酸離子可與塗料中的金屬化合物所解離出來的金屬離子反應，而在鋼片本體102之上表面104與下表面106上形成磷酸鹽。再加上，水性樹脂與矽膠均可提升塗膜108與110分別對鋼片本體102之上表面104與下表面106的附著力。因此，非方向性電磁鋼片100之塗膜108與110對鋼片本體102之上表面104與下表面106具有極佳之附著性。

而且，矽膠的添加，更可大幅提升塗膜108與110的絕緣阻抗。因此，塗膜108與110可在厚度縮減下，仍然可提供非方向性電磁鋼片100充分的絕緣性。

以下將以數個實施例、測試例與比較例來進一步說明本發明之塗料。其中，這些實施例、測試例與比較例之非方向性電磁鋼片將分別進行下列量測：

1.　層間阻抗值(laminar resistance)：依據JIS C2550標準方法，利用層間阻抗儀，例如日本東英工業株式會社(Toei Industry Co.,Ltd.)所製造之型號為JIS-C-2550的層間阻抗儀，來量測塗膜之阻抗值。一般而言，業界可接受之絕緣阻抗的標準為10~25Ω‧cm² /sheet。

2.　塗膜防鏽性：依據JIS Z2371標準方法，對非方向性電磁鋼片進行歷時5小時的鹽霧試驗(Salt Spray Test；SST)，再觀察紅鏽面積。其中，紅鏽面積愈低愈佳，標準是紅鏽面積的比例小於40%。

3.　塗膜附著性：電磁鋼片裁切成6cm×8cm的試片，再將此試片彎成內徑6 mm，並以3M膠帶黏貼彎曲處來固定此試片的兩端，並將此試片浸泡在5%之硫酸銅溶液中，而後觀察此試片上之剝落面積。

為了了解本發明之絕緣塗料的矽膠含量對於塗膜之性質的影響，而對由不同矽膠含量之絕緣塗料在鋼片50A1300上所形成之塗膜進行量測與測試，所得結果如表1所示。

由表1可看出，塗料在不同重量比例的矽膠SN350添加下所形成的塗膜，與未添加矽膠之塗料所形成的塗膜相較之下，塗膜的絕緣阻抗明顯隨著矽膠之添加量的增加而升高。

為觀察在不同鋼片本體形成由不同矽膠含量之塗料所形成之塗膜的效果，而對由不同矽膠含量之絕緣塗料在不同於表一之鋼片50A1300的鋼片50A470上所形成之塗膜進行量測與測試，所得結果如表2所示。

本實施方式之塗料在不同重量比例的矽膠SN350添加下，於鋼片50A470上所形成之塗膜，與未添加矽膠之塗料所形成的塗膜相較之下，塗膜的絕緣阻抗明顯隨著矽膠之添加量的增加而升高。而且，相較於鋼片50A1300，隨著矽膠SN350之添加量的增加，塗膜在鋼片50A470上的絕緣阻抗與附著性的表現更為優異。

由表1與表2的量測與測試結果可知，不論是由一般品級的鋼片50A1300，還是由高品級的鋼片50A470所做成之電磁鋼片，添加矽膠之塗料都可大幅提升所形成之塗膜的絕緣阻抗效果。

下表3列出本發明之塗料與西門子(Siemens)股份有限公司指定之塗料所形成之塗膜在不同膜厚下之鹽霧試驗。

從表3可知，採用本實施方式之塗料所形成之塗膜的厚度僅需0.8μm即可超越西門子股份有限公司指定之塗料所形成之膜厚為3μm之塗膜的耐蝕性。

由上述本發明之實施方式可知，本發明之一優點為本發明之非方向性電磁鋼片之塗料具有矽膠，而可形成具極佳附著性、高耐蝕性、高絕緣性、高耐熱性且高防鏽性之高絕緣阻抗塗膜。

由上述本發明之實施方式可知，本發明之另一優點為本發明之非方向性電磁鋼片之鋼片本體表面塗設有含矽膠之高附著性、高耐蝕性且高絕緣阻抗塗膜，故此非方向性電磁鋼片相當適用於設置在所處環境較為惡劣之風力發電機上。

由上述本發明之實施方式可知，本發明之又一優點為本發明之非方向性電磁鋼片可符合風力發電機用之馬達或大型馬達設備之鐵心的絕緣性要求，因此可避免發電機與大型馬達設備之鐵心的渦流損失。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．非方向性電磁鋼片

102．．．鋼片本體

104．．．上表面

106．．．下表面

108．．．塗膜

110．．．塗膜

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本發明一實施方式的一種非方向性電磁鋼片之剖面示意圖。

100．．．非方向性電磁鋼片

102．．．鋼片本體

104．．．上表面

106．．．下表面

108．．．塗膜

110．．．塗膜

Claims (7)

1. 一種非方向性電磁鋼片之塗料，包含：一磷酸溶液，其中該磷酸溶液係由濃度85%之磷酸與相同重量之水混合而成；一金屬化合物，其中該金屬化合物包含氧化鎂及/或氧化鋁；一含硝酸離子或硫酸離子之化合物；一水性樹脂，其中該水性樹脂為一壓克力樹脂；以及一矽膠，其中該矽膠之重量百分比的範圍從0.1%至15%，該矽膠之固形份之含量範圍從20%至40%，該矽膠之平均粒徑的範圍從20nm至300nm。
2. 如請求項1所述之非方向性電磁鋼片之塗料，其中該矽膠之酸鹼值之範圍從2.0至8.0。
3. 如請求項1所述之非方向性電磁鋼片之塗料，其中該水性樹脂之平均分子量的範圍從10000至1000000，該水性樹脂之玻璃轉移溫度的範圍從38℃至55℃，該水性樹脂之平均粒徑的範圍從0.1mm至1.2mm。
4. 一種非方向性電磁鋼片，包含：一鋼片本體；以及一塗膜，覆蓋在該鋼片本體之表面上，其中該塗膜之材料包含： 一磷酸溶液，其中該磷酸溶液係由濃度85%之磷酸與相同重量之水混合而成；一金屬化合物，其中該金屬化合物包含氧化鎂及/或氧化鋁；一含硝酸離子或硫酸離子之化合物；一水性樹脂，其中該水性樹脂為一壓克力樹脂；以及一矽膠，其中該矽膠之重量百分比的範圍從0.1%至15%，該矽膠之固形份之含量範圍從20%至40%，該矽膠之平均粒徑的範圍從20nm至300nm。
5. 如請求項4所述之非方向性電磁鋼片，其中該矽膠之酸鹼值之範圍從2.0至8.0。
6. 如請求項4所述之非方向性電磁鋼片，其中該水性樹脂之平均分子量的範圍從10000至1000000，該水性樹脂之玻璃轉移溫度的範圍從38℃至55℃，該水性樹脂之平均粒徑的範圍從0.1mm至1.2mm。
7. 如請求項4所述之非方向性電磁鋼片，其中該塗膜之厚度的範圍從0.5μm至3.0μm。