環(huán)保硅鋼絕緣涂層的研究進展

安 愷， 王 雷， 郝建軍

（沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 沈陽110159）

0 前言

硅鋼是一種具有特殊功能的冷軋鋼。硅鋼的絕緣涂層具有絕緣、耐熱、耐腐蝕、耐冷媒、耐沖擊等功能［1-2］。由于含鉻涂層會給環(huán)境和公共健康帶來危害，所以國內(nèi)外都在積極地研究代鉻涂層，環(huán)保硅鋼絕緣涂層應運而生。

1 冷軋無取向硅鋼表面涂層

冷軋無取向硅鋼表面涂層主要包括有機涂層、無機涂層、半無機涂層三大類［3］。隨著國家及社會對環(huán)保的重視，無機涂層正逐步取代有機涂層及半無機涂層。但由于無機涂層受到?jīng)_制和黏結(jié)性能的制約，目前國際上硅鋼制造廠商仍普遍采用半無機涂層［4］。

1.1 磷酸鹽涂層

1.1.1 磷酸鹽無機涂層

磷酸鹽涂料是無機絕緣涂層的主要代表。這類涂料能為涂層提供優(yōu)良的表面電阻率和耐熱性。但在沖剪疊片時會對沖膜造成過分的磨損，且附著性較差。將涂料涂在電工鋼上，經(jīng)干燥和固化后形成絕緣涂層。涂液按下列質(zhì)量分數(shù)配比：Al3+3%～11%，Mg2+3%～15%，78%～87%，再加入膠態(tài)二氧化硅。這四種物質(zhì)干基之和為100%，并且要保證溶液中水分不得少于45%。當預混液中膠態(tài)二氧化硅的體積分數(shù)達到40%后形成的玻璃涂層，可使電工鋼獲得較好的磁性［5］。

硼酸能夠有效提高涂層的耐蝕性及耐熱性［6-7］。氧化鋅能夠中和涂層表面的游離酸。研究發(fā)現(xiàn)［8-9］：硼酸的質(zhì)量分數(shù)為9.7%時，涂層的電化學性能和耐鹽霧性能最佳；氧化鋅的質(zhì)量分數(shù)為4%時，涂層的耐蝕性和附著性最好，表面形貌最佳。

1.1.2 磷酸鹽半無機涂層

為克服無機涂層沖制性和黏結(jié)性差的缺點，半無機涂層應運而生。磷酸鹽半無機涂層又稱為磷酸鹽雜化涂層，該涂層的極化曲線所表征的自腐蝕電位、自腐蝕電流可以滿足工業(yè)指標要求［10-12］。

孔祥華等［13］先將磷酸二氫鋁、苯-丙乳液、甘油以10∶5∶1的質(zhì)量比混合并調(diào)勻，再加入0.1%的硅烷偶聯(lián)劑，然后用高速分散機對涂料混合物分散30min，制得磷酸鹽半無機涂層。層間電阻基本保持在500（Ω·mm2）／片以上，附著性、耐蝕性良好，能夠滿足電工鋼的相關(guān)性能要求。

代如梅等［14］在n（磷酸）∶n（氫氧化鋁）=3.4∶1.0，酒石酸銨2%，二氧化硅1%，環(huán)氧樹脂5%，烘干溫度300℃的條件下，得到了耐腐蝕效果最佳的涂層。

1.2 鉬酸鹽涂層

采用磷酸鹽作為防銹處理劑較為常見，但表面容易生成不致密的薄膜。近年來，鉬酸鹽在合金轉(zhuǎn)化膜、鈍化液中的應用越來越廣泛。向涂液中加入適量的鉬酸鹽，有利于提高涂層的耐蝕性，并能改善涂層表面發(fā)黏的現(xiàn)象［15］。

胡守天等［16］介紹了一種冷軋無取向硅鋼絕緣涂料。其組成包括磷酸鹽、鉬酸鹽、水、有機樹脂、硅烷偶聯(lián)劑、丙三醇等。該涂料不含有害物質(zhì)，得到的涂層具有良好的附著性、絕緣性和耐蝕性。

裴陳新等［17］介紹了一種無取向電工鋼無鉻絕緣涂料。其組成包括金屬磷酸鹽、有機樹脂、鉬酸鹽等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用該專利技術(shù)可以保證涂層在750℃退火后不掉粉，并且仍然保持良好的層間電阻和耐蝕性。

1.3 稀土元素涂層

北方涂料研究院的專利［18］報道了一種無鉻型含稀土元素硅鋼片表面絕緣涂料。其組成（質(zhì)量分數(shù)）為：硅溶膠0%～60%，硫酸根離子2%～3%，稀土元素2%～10%，磷酸二氫鹽水溶液21%～85%，硼酸3%～8%，硝酸根離子2%～3%。稀土元素包括鈧、鈰、鑭、釔，質(zhì)量分數(shù)分別為2%～10%。

白云龍等［19］采用電沉積燒結(jié)使硅鋼表面獲得含有微量Y2O3的Al2O3涂層，從而提高硅鋼的抗高溫耐腐蝕能力。研究發(fā)現(xiàn)：電沉積30s，燒結(jié)溫度800℃，燒結(jié)時間5min的取向硅鋼，在直徑15mm的圓棒上彎曲后，涂層沒有開裂。這間接地證明了含稀土元素Y 的氧化物薄膜產(chǎn)生了“活性元素效應”，提高了氧化物涂層的附著性。

1.4 新型涂層

1.4.1 自黏結(jié)涂層

自黏結(jié)涂層是一種全新的電工鋼涂層，屬于全有機涂層。由于自黏結(jié)涂層采用高分子材料作為主劑，以自黏結(jié)的形式緊固，所以其同時具有附著性、絕緣性、耐蝕性、耐冷凍性、耐吸濕性、沖片性、抗化學藥品腐蝕性。用帶有自黏結(jié)涂層的電工鋼制成的鐵芯固定牢靠，電機效率高，振動小，噪音低［20］。

德國蒂森公司使用溶劑型自黏結(jié)涂液，采用三輥順涂的方式涂敷，在200～300℃的熱空氣中加熱10～60s，形成干膜厚度為6～8μm 的自黏結(jié)涂層。

寶鋼的專利給出了無取向硅鋼用水性自黏結(jié)涂料的成分：水性環(huán)氧樹脂乳液81.0%～99.9%，固化劑0.07%～17.00%，促進劑0%～3%。再根據(jù)需要配以稀釋劑、填料、消泡劑、增黏劑、顏料分散劑等添加劑?？梢杂妹骰鸺訜岬姆绞街圃熳责そY(jié)硅鋼，制造過程中不存在有機溶劑揮發(fā)，綠色環(huán)保，安全性高［21］。電工鋼自黏結(jié)涂層作為絕緣涂層的新產(chǎn)品，具有良好的市場前景。

1.4.2 有機-無機納米雜化

游波等［22］采用一種典型的有機-無機納米雜化材料——聚有機硅倍半氧烷作為成膜物，研制出一種無取向硅鋼涂層。此結(jié)構(gòu)為有機硅與無機硅的混合體。這種雜化結(jié)構(gòu)使涂層具有很好的耐熱性和耐化學性。在聚有機硅無機分子骨架上往往附有有機取代基團，可與有機物或無機物發(fā)生鍵合反應，不會產(chǎn)生有機相與無機相的分離，同時具有優(yōu)異的成膜性、耐熱性、耐蝕性和絕緣性。

1.4.3 物理氣相沉積TiN 涂層

物理氣相沉積TiN 涂層是應用最廣泛的一種表面強化技術(shù)［23］。利用物理氣相沉積在拋光的硅鋼表面涂覆TiN、CrN 或TiC 陶瓷涂層可獲得極低鐵損，且經(jīng)歷退火后磁性能無損失，具有很好的壓力敏感性和疊合性能。

提供鍍料、鍍料向所鍍工件輸送、鍍料沉積在基片上構(gòu)成膜層，是物理氣相沉積的三個主要步驟。實質(zhì)上是在真空條件下進行鍍膜的技術(shù)。在低溫下物理氣相沉積可獲得較高的沉積速率，因此，利用物理氣相沉積法制得的涂層可以防止帶鋼變形，且生產(chǎn)時間短［24］。物理氣相沉積法在硅鋼表面沉積TiN 等涂層的技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

2 取向硅鋼硅酸鎂底層

目前在取向硅鋼的生產(chǎn)過程中，為了有效防止退火過程中鋼板黏接，高溫退火前需在鋼板表面涂覆氧化鎂。在高溫退火過程中氧化鎂與鋼板基體表層形成的氧化物反應生成硅酸鎂底層，然后在外表面涂覆涂層，即形成色澤均勻、附著性好、絕緣電阻高的涂層［25］。良好的硅酸鎂底層對取向硅鋼表面絕緣涂層質(zhì)量的影響很大。實際生產(chǎn)中，若氧化鎂的涂覆工藝不當，則不能形成良好的硅酸鎂底層［26］。

將氧化鎂、二氧化鈦和純水按48∶160∶1 260的質(zhì)量配比可組成氧化鎂漿液。氧化鎂對硅酸鎂底層的影響很大，由于氧化鎂的熔點高達2 800℃，可防止鋼帶退火過程中產(chǎn)生黏帶。氧化鎂與二氧化硅反應生成硅酸鎂玻璃膜，促進了脫硫和脫氮。TiO2在高溫退火過程中被還原，改善了鋼帶之間氣氛，保護了二氧化硅薄膜，使其在高溫爐退火中不被還原。二氧化鈦的用量對硅酸鎂底層的性能也有很大的影響。

3 結(jié)束語

硅鋼涂層的無鉻環(huán)保是硅鋼產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向。雖然環(huán)保硅鋼絕緣涂層已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展與應用，但仍存在一些弊端。環(huán)保涂層不能全面地得到應用，也與業(yè)內(nèi)對于環(huán)保的重視程度不夠有關(guān)。未來隨著人們環(huán)保意識的逐步增強，環(huán)保標準的不斷提高，環(huán)保硅鋼涂層也必將取代含鉻涂層，同時也會朝著高通用、多功能的方向發(fā)展。

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