無(wú)取向硅鋼油性二次涂漆（層）性能研究

祁旋，裴英豪，施立發(fā)，徐文祥，夏雪蘭，陸天林，劉青松

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

電工鋼表面的涂層可以起到絕緣作用，以防止鐵芯疊片間發(fā)生短路而增大渦流損耗，從而惡化電磁性能[1,2]。行業(yè)對(duì)一般中小電機(jī)的硅鋼表面絕緣涂層要求相對(duì)不高，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的鎂系鉻酸鹽涂層厚度在0.5 μm～1.0 μm，層間電阻一般在200 Ω·mm2/片，可滿足中小電機(jī)行業(yè)層間電阻要求。但大型工業(yè)電機(jī)和發(fā)電機(jī)對(duì)層間電阻一般要求大于10 000 Ω·mm2/片，現(xiàn)有鎂系鉻酸鹽涂層難以滿足使用要求，用戶在使用前通常會(huì)采用二次涂漆的方式來(lái)增大硅鋼片的層間電阻[3,4]。

目前國(guó)內(nèi)外使用的有水溶性和油性二次涂漆，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，選擇不同的二次涂漆。一般對(duì)層間電阻要求較高的領(lǐng)域選擇水性二次涂漆，層間電阻一般在20 000 Ω·mm2/片以上，而對(duì)于長(zhǎng)期服役在高溫條件下的大型工業(yè)電機(jī)，則選擇油性二次涂漆，一般最高耐熱等級(jí)要求達(dá)到F級(jí)（155℃×48 h），且具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。在硅鋼表面二次涂漆后，底漆材質(zhì)和形貌不同會(huì)造成二次涂層性能差異[5,6]，影響二次涂層的使用效果，特別是電機(jī)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中二次涂層的穩(wěn)定性，一般用戶會(huì)對(duì)二次涂層進(jìn)行老化試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其穩(wěn)定性。

本項(xiàng)目研究了油性二次涂漆的成膜工藝及相應(yīng)的耐熱等級(jí)，并以國(guó)內(nèi)典型鋼廠硅鋼成品為基板，對(duì)比了國(guó)內(nèi)典型鋼廠生產(chǎn)硅鋼的底漆與油性二次涂漆的兼容性。

1 試驗(yàn)材料及方法

以油性二次涂漆為研究對(duì)象，選取國(guó)內(nèi)典型鋼廠生產(chǎn)的工業(yè)電機(jī)用50W250無(wú)取向硅鋼成品，且底漆為鎂系鉻酸鹽涂層，樣板加工尺寸為100 mm×300 mm（縱向）試樣。

采用日本產(chǎn)OSP線棒涂布器10#棒在硅鋼板表面進(jìn)行涂覆試驗(yàn)，二次涂層成膜性和耐熱等級(jí)試驗(yàn)采用上海一恒生產(chǎn)的BPG-9200BH高溫干燥固化箱。二次涂層耐熱等級(jí)采用老化試驗(yàn)，老化溫度×48 h，涂層附著力按GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》測(cè)試，采用美工刀對(duì)老化試驗(yàn)后的油性二次涂漆涂層進(jìn)行劃格，劃格間距1 mm，并采用3M膠帶粘貼后觀察涂層脫落情況。鹽霧試驗(yàn)采用上海林頻儀器生產(chǎn)的GDS-100高低溫濕熱試驗(yàn)箱測(cè)試。

二次涂層膜重采用德國(guó)EPR公司生產(chǎn)的RX-400紅外膜重測(cè)試儀檢測(cè)，膜厚采用德國(guó)Fischer公司生產(chǎn)的DUALSCOPE MPOR設(shè)備檢測(cè)，涂層表面形貌采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的QUANTA450+APOLLOX掃描電鏡+能譜儀檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 物性分析

油性二次涂漆主要由高分子環(huán)氧基、含有一定量的酚醛樹(shù)脂以及有機(jī)溶劑配制而成，并稀釋成生產(chǎn)用的環(huán)氧酚醛硅鋼片樹(shù)脂，油性二次涂漆物性檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 油性漆二次涂漆物性檢測(cè)結(jié)果

其中固含量計(jì)算公式為：

式中：X為固含量；W0為容器質(zhì)量；W1為烘焙后試樣和容器的總質(zhì)量；G為試樣的質(zhì)量。

密度計(jì)算公式為：

式中：M1為試樣和比重杯的總質(zhì)量，M0為比重杯的質(zhì)量，V為比重杯的體積。

2.2 固化溫度和時(shí)間對(duì)成膜性能影響

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)硅鋼生產(chǎn)線設(shè)備，并結(jié)合油性二次涂漆的物性特點(diǎn)，制定相應(yīng)工藝試驗(yàn)方案。固化溫度245℃～345℃，固化時(shí)間40 s～90 s。不同工藝條件下硅鋼表面油性二次涂漆表面成膜效果見(jiàn)圖1，圖2，具體成膜效果評(píng)價(jià)見(jiàn)表2，表3。

圖1 不同溫度條件下硅鋼基板表面油性漆二次涂漆固化效果

圖2 不同時(shí)間下硅鋼板表面油性漆二次涂漆固化效果

從圖1，圖2和表2，表3可知：時(shí)間70 s，溫度低于260℃時(shí)，表面涂層嚴(yán)重脫落，二次涂漆未固化；285℃時(shí)，表面涂層輕微脫落，二次涂漆欠固化；溫度達(dá)到330℃時(shí)，涂層雖無(wú)脫落，但表面輕微發(fā)黃，出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象。本研究認(rèn)為，固化時(shí)間為70 s時(shí)，最佳成膜溫度在300℃～330℃。

表2 （245℃～345℃）×70 s條件下油性二次涂層成膜情況

表3 （40 s～90 s）×305℃條件下油性二次涂層成膜情況

當(dāng)固化溫度在305℃，時(shí)間低于50 s時(shí)，表面涂層嚴(yán)重脫落，二次涂漆未固化；達(dá)到80 s時(shí)，表面涂層輕微發(fā)黃，出現(xiàn)輕微過(guò)燒現(xiàn)象；90 s時(shí)，表面涂層嚴(yán)重發(fā)黃，出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)燒現(xiàn)象。本研究認(rèn)為，在305℃時(shí)，最佳成膜時(shí)間在60 s～80 s。

2.3 涂層性能測(cè)試評(píng)價(jià)

選擇國(guó)內(nèi)5大典型鋼廠生產(chǎn)的50W250硅鋼成品為基板，在最佳工藝條件下，制備出油性二次涂層，并檢測(cè)油性二次涂層耐鹽霧性及其他相關(guān)性能。耐鹽霧試驗(yàn)條件為濃度3%NaCl×5 h，鹽霧試驗(yàn)后油性二次涂層表面情況見(jiàn)圖3，可看出，表面基本無(wú)生銹現(xiàn)象，說(shuō)明油性二次涂層耐鹽霧性能較優(yōu)，其他性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖3 油性漆二次涂層鹽霧試驗(yàn)后表面形貌

表4 油性二次涂層性能檢測(cè)結(jié)果

2.4 耐熱等級(jí)測(cè)試評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證油性二次涂漆的最高耐熱等級(jí)，在最佳工藝條件下，制備出二次涂層，并通過(guò)老化試驗(yàn)驗(yàn)證油性漆的最高耐熱等級(jí)，同時(shí)對(duì)比國(guó)內(nèi)典型鋼廠生產(chǎn)硅鋼基板與二次涂層的兼容性，選擇國(guó)內(nèi)五大典型鋼廠生產(chǎn)的硅鋼成品為基板。具體油性二次涂漆成膜工藝和老化試驗(yàn)方案見(jiàn)表5，國(guó)內(nèi)典型鋼廠生產(chǎn)的50W250硅鋼基板表面二次涂層的脫落情況見(jiàn)圖4～圖9。由圖4～圖9可知，老化工藝（155℃～170℃）×48 h時(shí)，全部硅鋼基板二次涂層均未脫落，老化工藝達(dá)到175℃×48 h時(shí)，二次涂層開(kāi)始出現(xiàn)輕微脫落，老化工藝達(dá)到180℃×48 h時(shí)，二次涂層均出現(xiàn)嚴(yán)重脫落。

圖4 老化工藝155℃×48 h條件下二次涂層表面

圖9 老化工藝180℃×48 h條件下二次涂層表面

表5 油性二次涂漆老化試驗(yàn)方案

由以上試驗(yàn)可得出，油性二次涂層滿足155℃×48 h（F級(jí)）要求，最高耐熱等級(jí)可達(dá)到175℃×48 h，且國(guó)內(nèi)五大典型硅鋼生產(chǎn)廠生產(chǎn)的硅鋼基板與油性二次涂漆匹配性基本一致。因此，本研究認(rèn)為油性二次涂漆適用于國(guó)內(nèi)五大典型鋼廠生產(chǎn)的硅鋼片。

圖5 老化工藝160℃×48 h條件下二次涂層表面

圖6 老化工藝165℃×48 h條件下二次涂層表面

圖7 老化工藝170℃×48 h條件下二次涂層表面

2.5 分析與討論

油性二次涂層表面形貌情況見(jiàn)圖10，由圖10可看出，油性二次涂層表面較為致密。油性二次涂漆主成膜物質(zhì)為環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂，金屬與非金屬材料表面具有優(yōu)異的粘結(jié)強(qiáng)度，主成膜物質(zhì)具有介電性能良好、收縮率小、制品尺寸穩(wěn)定性好、硬度高以及對(duì)堿及大部分溶劑穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而作為澆注、浸漬、層壓料、粘結(jié)劑和涂料等用途，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門。

圖10 油性二次涂層表面形貌及能譜

圖8 老化工藝175℃×48 h條件下二次涂層表面

同時(shí)通過(guò)添加耐熱性能良好的酚醛環(huán)氧樹(shù)脂改善油性二次涂層的耐熱性，采用芳香胺固化劑或者酸酐固化劑加熱固化，在這種條件下固化的環(huán)氧樹(shù)脂熱變形溫度一般在150℃～180℃。所以油性二次涂漆充分利用了環(huán)氧樹(shù)脂的特性，具有優(yōu)良的附著性及性能穩(wěn)定性。根據(jù)油性二次涂漆的成分特性，以及油性二次涂漆的耐熱性，一般設(shè)計(jì)適用于B級(jí)（長(zhǎng)時(shí)耐熱溫度130℃）和F級(jí)（長(zhǎng)時(shí)耐熱溫度155℃）大中型交直流電機(jī)、大型汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、變壓器和特種電機(jī)的硅鋼片、沖片涂層。本研究成果對(duì)大型工業(yè)電機(jī)的定子鐵心涂漆工藝，以及選擇油性二次涂漆的電機(jī)的服役溫度范圍具有重要的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）溫度低于285℃時(shí)，油性二次涂漆欠固化，溫度高于330℃時(shí)，油性二次涂漆過(guò)燒；時(shí)間短于50 s時(shí)，二次涂漆未固化，長(zhǎng)于80 s時(shí)，油性二次涂漆過(guò)燒；

（2）油性二次涂漆在70 s時(shí)，最佳成膜溫度為300℃～330℃；305℃時(shí)，最佳成膜時(shí)間60 s～80 s；

（3）油性二次涂漆滿足155℃×48 h（F級(jí)）要求，最高耐熱等級(jí)可達(dá)到175℃×48 h；

（4）國(guó)內(nèi)五大典型鋼廠生產(chǎn)的硅鋼基板與油性二次涂漆匹配性基本一致。