無取向硅鋼涂層的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

姜福健，李元華，高振宇，張本尊，王鐵，吳明，李浩

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠，遼寧 鞍山 114021）

無取向硅鋼具有優(yōu)異的電磁性能，是一種重要的節(jié)能金屬功能材料，主要用作各類電機和小型變壓器的鐵心。為了提高設備效率，節(jié)省電能，需要降低無取向硅鋼的鐵損。渦流損耗（Pe）約占鐵損的 20%～40%，由于Pe與鋼板厚度的平方成正比，因此，將鋼板厚度減薄，疊裝起來制作鐵心。為了將渦流損耗有效地限制在各層鋼板內(nèi)，降低渦流損耗，需要在硅鋼表面涂覆一層具有一定絕緣性能的涂層，使無取向硅鋼具有更加節(jié)能的效果。該絕緣涂層一般厚度在0.5～5.0 μm 之間，通常具有良好的絕緣性、附著性、沖片性、焊接性、耐熱性和耐腐蝕性等應用性能。

1 無取向硅鋼涂層類型及現(xiàn)狀

無取向硅鋼絕緣涂層種類主要分為有機涂層、無機涂層和半有機涂層三大類。目前國內(nèi)外無取向硅鋼生產(chǎn)廠商主要采用半有機涂層。主要產(chǎn)品有武鋼的T4涂層，鞍鋼的TM4涂層，寶鋼的A、H、K涂層，太鋼的 TC、TE系列涂層，新日鐵的L、L2、L3涂層，以及俄羅斯新利佩茨克的TWl涂層等。這些半有機涂層產(chǎn)品中，除了寶鋼K和太鋼TE系列涂層外，大都是含鉻涂層。

目前無取向硅鋼含鉻涂層仍然是市場的主流，根據(jù)目前的市場估計，約85%以上的市場被含鉻涂層所占據(jù)。含鉻涂層液在生產(chǎn)、涂覆、廢液處理及其涂覆鋼板加工、使用過程中，均會對操作人員造成一定的健康損害，特別是其中含有的六價鉻成分具有高毒性和高致癌性。雖然六價鉻在涂覆燒結(jié)固化過程中可以轉(zhuǎn)換為低毒性的三價鉻，但在一定環(huán)境條件下，三價鉻仍然會轉(zhuǎn)化為六價鉻，對環(huán)境造成污染。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，已經(jīng)認識到含鉻涂層對人們的身體健康和自然環(huán)境造成的嚴重后果。因此歐美等發(fā)達國家在硅鋼生產(chǎn)過程中已陸續(xù)放棄使用含鉻涂層，而改用無鉻的環(huán)保涂層。

2 無取向硅鋼涂層類型及各自性能特點

依據(jù)ASTM A 976-2013標準劃分，目前主要的應用類型有C3涂層，C5薄涂層，C5厚涂層和C6極厚涂層，這些涂層能夠滿足不同電機產(chǎn)品的性能需求?，F(xiàn)主要應用涂層表面外觀狀態(tài)如圖1所示。

圖1 不同類型涂層外觀Fig.1 Appearances of Different Types of Coatings

2.1 半有機含鉻涂層

半有機含鉻涂層屬于C5薄涂層，具有優(yōu)良的綜合性能，能夠滿足常規(guī)中小型電機的使用需求。根據(jù)用戶加工工藝或產(chǎn)品性能的使用需求，可采用不同厚度的涂層產(chǎn)品。對焊接性能有改善要求的用戶一般采用薄涂層產(chǎn)品，對絕緣性能有改善要求的用戶一般采用厚涂層產(chǎn)品。半有機含鉻涂層的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 半有機含鉻涂層的主要性能參數(shù)Table 1 Parameters of Main Properties of Semi-organic Chromium-bearing Coatings

此類涂層的絕緣性能較C3、C5、C6厚涂層相對偏低，不能滿足對絕緣性能要求較高的大中型電機設備的使用需求。

2.2 環(huán)保薄涂層

環(huán)保薄涂層為半有機無鉻環(huán)保涂層，屬于C5薄涂層，其涂液為溶液狀，無不溶顆粒填料。環(huán)保薄涂層一般為水溶性磷酸鹽涂層，主要用于替代常規(guī)半有機含鉻涂層，其主要成分為磷酸鹽和樹脂，通過配方優(yōu)化解決剩余磷酸容易發(fā)粘的問題，具有良好的絕緣性、耐熱性等性能。適用于中小型電機、小型變壓器產(chǎn)品鐵心。雖然在耐熱性、耐腐蝕性等性能與含鉻涂層有一些差距，但已能夠滿足用戶的正常使用需求，而且部分產(chǎn)品在絕緣性上有顯著提高。環(huán)保薄涂層的典型性能參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)保薄涂層的典型性能參數(shù)Table 2 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Thin Coatings

2.3 自粘結(jié)涂層

自粘結(jié)涂層為有機涂層，屬于C3涂層，是一種新型的無取向硅鋼涂層。根據(jù)電機鐵心設計形狀，將涂覆自粘結(jié)涂層的無取向硅鋼板進行裁剪、沖片加工，制成所需形狀的無取向硅鋼片，進行疊片，在一定壓力（一般為 1～6 N/mm）、溫度條件下（加熱溫度為150～300℃），固化一段時間后（加熱時間為1～3 h），制成具有優(yōu)異機械強度和剛度的鐵心。該方法在產(chǎn)業(yè)化方面具有較強的應用性。

自粘結(jié)涂層產(chǎn)品具有多種優(yōu)異的功能特性：

（1）沖片性好：較半有機含鉻涂層提高約50%。

（2）噪聲?。狠^焊接型鐵心降低約25%。

（3）電機效率高：較機械固定方式電機效率提高0.23%～0.58%。

（4）幾乎無振動：相同試驗條件下，在勵磁狀態(tài)下，自粘結(jié)型鐵心的軸向和徑向均幾乎無振動，而焊接型鐵心的軸向和徑向均有不同程度的振動。

自粘結(jié)涂層的典型性能參數(shù)如表3所示。

表3 自粘結(jié)涂層的典型性能參數(shù)Table 3 Parameters of Typical Properties of Self-bonding Coatings

自粘結(jié)涂層無取向硅鋼目前主要的應用領域為磁懸浮列車工程。每公里軌道需使用約500 t自粘結(jié)涂層無取向硅鋼，上海磁懸浮軌道全長約35 km，投入使用的自粘結(jié)涂層無取向硅鋼總量達17 500 t。其他磁懸浮列車線路也在陸續(xù)籌建中。電力機車牽引電機的鐵心在制造過程中，一部分結(jié)構必須用粘接的方式固定在一起，如采用刷涂粘接劑的方式固定，粘結(jié)效果不好，生產(chǎn)效率低，自粘結(jié)涂層無取向硅鋼是這部分鐵心的最佳選擇，而且由于自粘結(jié)涂層優(yōu)異的性能，牽引電機鐵心其它部位的技術要求也能夠滿足。自粘結(jié)涂層無取向硅鋼憑借自身獨特優(yōu)異的性能在高精尖高附加值領域發(fā)揮了重要作用。如采用自粘結(jié)涂層無取向硅鋼建造大型的高能離子加速器鐵心，能夠使其具有更加優(yōu)異的性能；采用自粘結(jié)涂層無取向硅鋼制作的高品質(zhì)音響，能夠大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在新能源汽車、風電、線性電機、電梯電機、起重機電機、高速電機、混合動力電機和電磁感應加熱器等方面，自粘結(jié)涂層無取向硅鋼均有應用?？梢钥闯觯哉辰Y(jié)涂層是一種富有前途的無取向硅鋼涂層產(chǎn)品，市場應用前景廣闊。

2.4 環(huán)保厚涂層

環(huán)保厚涂層為半有機無鉻涂層，屬于C5厚涂層，其涂液含不溶顆粒填料。環(huán)保厚涂層具有優(yōu)異的絕緣性和耐熱性，主要用于牽引電機（高鐵、地鐵等）、風電、新能源汽車等大中型電機。環(huán)保厚涂層的典型性能參數(shù)如表4所示。

表4 環(huán)保厚涂層的典型性能參數(shù)Table 4 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Thick Coatings

2.5 環(huán)保極厚涂層

隨著發(fā)電機單機容量不斷增大，耐熱等級要求逐步提高，對定子鐵心無取向硅鋼片涂層的絕緣性能和耐熱性能要求越來越高。普通涂層不能滿足此性能要求，因此需要采用環(huán)保極厚涂層。

環(huán)保極厚涂層為半有機無鉻涂層，屬于C6涂層，含絕緣性、抗壓性較強的不溶顆粒填料。環(huán)保極厚涂層的絕緣性能極其優(yōu)異，耐熱性良好，熱壓收縮率低，適用于長期處于高電壓、高溫、高壓力的工作環(huán)境，主要用于水電、火電、核電等大型發(fā)電機。環(huán)保極厚涂層的典型性能參數(shù)如表5所示。

表5 環(huán)保極厚涂層的典型性能參數(shù)Table 5 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Ultra-thick Coatings

3 無取向硅鋼涂層的發(fā)展趨勢

無取向硅鋼絕緣涂層不僅需要具有優(yōu)良的應用性能，同時也需要具有綠色環(huán)保性。很多國家已制定實施了相應的環(huán)保法律規(guī)定，歐洲制定了EU指令、ROHS、REACH等一系列法規(guī)和強制條例，禁止或嚴格限制了六價鉻的含量。為推動我國鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)部制定了《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，其中，將電工鋼環(huán)保涂層列為產(chǎn)業(yè)升級的重要方向。隨著國內(nèi)工業(yè)的迅速發(fā)展，涂層的發(fā)展方向也朝著環(huán)保性高功能化的方向發(fā)展。形成了多個種類、不同用途、性能各異的一系列環(huán)保涂層產(chǎn)品，能夠滿足不同的應用領域?qū)桎撏繉有阅艿氖褂眯枨?。形成了適用于中小型電機的環(huán)保薄涂層可替代現(xiàn)用含鉻半有機涂層；具有自粘結(jié)功能的自粘結(jié)涂層適用于磁懸浮列車、高能離子加速器、高品質(zhì)音響等應用領域；具有高絕緣性和良好耐熱性的C5厚涂層，適用于牽引電機（高鐵、地鐵等）、風電、新能源汽車等大中型電機；具有超高絕緣性、良好抗壓性的C6厚涂層適用于水電、火電、核電等大型發(fā)電機。以上具有不同功能的環(huán)保涂層能夠滿足不同的應用領域?qū)桎撏繉有阅艿氖褂眯枨蟆?/p>

4 結(jié)論

（1）半有機含鉻涂層具有優(yōu)良的綜合性能，仍是市場的主流涂層。

（2）環(huán)保薄涂層各項性能均有顯著提升，能夠滿足用戶的使用需求，而且部分產(chǎn)品具有優(yōu)異的絕緣性能，替代含鉻涂層的條件已基本成熟，具有廣闊的應用前景。

（3）自粘結(jié)涂層具有特異的粘結(jié)性和優(yōu)異的絕緣性，提高鐵心剛性和電機效率，具有廣闊的應用前景。

（4）環(huán)保厚涂層具有優(yōu)異的絕緣性和耐高溫性，適用于大中型電機。

（5）環(huán)保極厚涂層具有極好的絕緣性和收縮率性能，適用于大型發(fā)電機。

（6）形成多種類、不同用途、性能各異的高功能化的環(huán)保涂層是無取向硅鋼涂層的發(fā)展趨勢。