2013年國內外硅鋼涂料技術發展分析

    1.無取向硅鋼及涂層

    硅鋼是一種電工用鋼， 分為取向硅鋼和無取向硅鋼。在化學成分的控制上， 其方法各不相同。無取向硅鋼要求具有超低碳、超低硫、高鋁含量的純凈鋼質， 從而獲得具有各向同性的高磁感、低鐵損的無取向硅鋼[1]。硅鋼主要用于制造各種電機、變壓器和鎮流器鐵芯以及各種電器元件。

    硅鋼片表面必需涂覆一層很薄（0.5～5 μm）的絕緣涂層， 以使得硅鋼片具有較高的層間電阻率， 使硅鋼片層間功率損失降為最小， 同時使硅鋼片在儲存、運輸和使用過程中免受各種腐蝕介質的侵蝕， 防止銹蝕。

    一般來說， 硅鋼片絕緣涂層必須具有如下的基本性能: 具有較高的層間電阻率， 滿足絕緣性能的要求； 具有良好的附著性、表面力學性能和加工性能， 外觀均一， 表面硬度適中， 在后加工過程中涂層不剝落、粉化， 對加工模具磨損小； 具有良好的耐熱性能， 經高溫退火以及發藍后仍具有較高的層間電阻率； 有良好的耐化學藥品性能和抗腐蝕性能； 具有良好的焊接性能等。現在使用的主要為無機涂層和半無機涂層兩類。其中無機物主要為磷酸鹽、鉻酸鹽、硅酸鹽等； 有機樹脂為丙烯酸樹脂、醋酸乙烯樹脂、改性醇酸樹酯和環氧樹脂等的均聚物或共聚物等。

    2.國外無取向硅鋼涂料的發展

    無機涂層早期的研究集中在無機涂層上， 主要為無機鹽水分散液， 如專利US 2743203 報道了一種溶有氫氧化鋁的磷酸溶液， 可在鋼片上形成無機磷酸鹽的絕緣層[2]。美國專利US 3948786 報道了一種含有Al3+、Mg2+、H2PO4- 、膠體SiO2 和適量CrO3 的溶液， 用常規方法將其涂到電工鋼板上后進行加熱處理， 使溶液干燥， 得到了所需要的絕緣玻璃膜涂層。

    這類由單一無機物形成絕緣涂層的硅鋼片具有優良的層間電阻率、防銹性和耐熱性， 但是也具有致命的缺陷， 如涂層附著性較差， 表面硬度高， 在沖片時對模具磨損嚴重； 同時， 重鉻酸鹽會產生環境污染， 對生產人員的身體造成傷害。

    無機/有機混合涂層從上世紀70 年代后期開始， 人們的注意力逐漸集中到無機/有機混合涂料， 并且在90 年代以前的混合涂料中一般都加入鉻酸鹽以提高耐腐蝕性和層間電阻。

    專利US 3793073 涉及了一種無機/有機絕緣涂層， 其有機部分是由丙烯酸樹脂或共聚物、氨基樹脂、環氧樹脂等構成， 無機部分主要由鉻酸鹽或磷酸鹽等物質組成， 但該涂料對金屬表面不平度要求較高，并且因為涂料中含有一種粒度大于2 μm 的樹脂顆粒， 可能會使涂層在后加工過程中產生粉化。美國專利US 4618377 介紹了一種硅鋼用絕緣涂層無機/有機涂料組合物， 該涂料由無機溶液、膠態樹脂、有機樹脂顆粒、分散促進劑等幾部分組成， 無機溶液主要為鈣、鎂、鋁等的磷酸鹽、鉻酸鹽以及重鉻酸鹽； 有機樹脂顆粒是一種或幾種聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺聚丙烯樹脂等的共聚物或混合物。將有機樹脂顆粒用分散到膠態樹脂溶液中， 然后與無機溶液混合即可得到該涂料。

    這類絕緣涂層具有良好的綜合性能如: 優良的層間電阻率， 良好的焊接性能、耐熱性能， 優良的耐水、絕緣、抗沖擊性、粘附性和防銹性， 加工過程中對模具的磨損低。但是相當多的產品使用了鉻鹽， 會對人體和環境造成污染。

    無鉻環保涂層從大約上世紀90 年代起， 人們認識到六價鉻離子會對人們的身體健康產生危害并造成嚴重的環境污染， 所以加強了對無鉻環保型無機/有機混合涂料的研究并取得了一些成果， 環保無鉻涂層將是今后主要的研究方向。日本專利JP 7268641 涉及了一種耐蝕性好的磷酸鹽- 有機樹脂絕緣涂層， 無機部分是由一種或幾種金屬磷酸鹽組成的水溶液， 有機部分是一種核殼結構的高分子樹脂乳液， 此外還加入了適量固化促進劑[6]。美國Armocol 公司在歐洲和中國等地申請的硅鋼片無機/有機涂層發明專利涉及了一種可以在無取向硅鋼片涂覆的半無機無鉻絕緣涂層水懸濁液， 可以用于制造具有高層間電阻率的絕緣層。該涂層包括20- 60 份的磷酸單鋁、20- 70 份的至少一種無機硅酸鹽微粒、10- 25 份的丙烯酸樹脂及適量的水溶性有機溶劑。該涂層抗粉化性， 焊接性、附著性、層間電阻率和化學穩定性等均較好。日本專利JP 2005240125 報道了一種水系絕緣涂層， 該涂層無鉻環保并且有優異的防銹性、附著性和絕緣性。該涂層由100 份粒徑小于30 nm 的膠體二氧化硅、10- 100 份水溶性樹脂和0.01- 10 份的鈦酸酯偶聯劑組成， 水溶性樹脂主要是含有硅氧基、羥基等基團的丙烯酸樹脂[8]。佐志一道等人在其專利JP 2008127664、JP 2008127674 涉及到了幾種相似的半無機絕緣涂層， 無機部分主要有P、Zr， P/Zr 約0.4- 4.0， 另外還可以加入Ca、Me 等， 有機樹脂主要為丙烯酸樹脂及其共聚物。該涂層的耐腐蝕性、耐掉粉性、耐劃傷性較好。

    3.我國無取向硅鋼絕緣涂料的研究和使用情況

    硅鋼生產規模硅鋼被譽為鋼鐵產品中的“工藝品”， 電工硅鋼長期以來一直是我國嚴重緊缺的鋼材品種， 近十多年來隨著交通、電器工業的迅速發展， 我國對硅鋼片的需求猛增， 同時我國的硅鋼生產能力得到迅速地擴張， 據初步統計， 目前我國的已建和在建的硅鋼片生產線年生產能力為500 萬噸左右， 主要的生產廠家為: 武漢鋼鐵公司， 鞍山鋼鐵公司， 上海寶山鋼鐵公司， 太原鋼鐵公司和馬鞍山鋼鐵公司， 同時還有幾家籌建的鋼鐵公司。目前我國生產的硅鋼以無取向硅鋼為主。

    我國硅鋼片用絕緣涂料的發展情況我國硅鋼工業的發展相對較晚， 絕緣涂層的研究也相對薄弱， 有些廠家在引進硅鋼生產線的同時， 也配套引進硅鋼涂料的配方或關鍵的添加劑， 因此具有自主知識產權及市場競爭力的硅鋼涂料新產品相對較少， 但也有一些研究成果。