无取向硅钢涂层的现状及发展趋势

2021-04-20姜福健李元华高振宇张本尊王铁吴明李浩

鞍钢技术 2021年2期

姜福健，李元华，高振宇，张本尊，王铁，吴明，李浩

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司冷轧硅钢厂，辽宁鞍山 114021）

无取向硅钢具有优异的电磁性能，是一种重要的节能金属功能材料，主要用作各类电机和小型变压器的铁心。为了提高设备效率，节省电能，需要降低无取向硅钢的铁损。涡流损耗（Pe）约占铁损的 20%～40%，由于Pe与钢板厚度的平方成正比，因此，将钢板厚度减薄，叠装起来制作铁心。为了将涡流损耗有效地限制在各层钢板内，降低涡流损耗，需要在硅钢表面涂覆一层具有一定绝缘性能的涂层，使无取向硅钢具有更加节能的效果。该绝缘涂层一般厚度在0.5～5.0 μm 之间，通常具有良好的绝缘性、附着性、冲片性、焊接性、耐热性和耐腐蚀性等应用性能。

1 无取向硅钢涂层类型及现状

无取向硅钢绝缘涂层种类主要分为有机涂层、无机涂层和半有机涂层三大类。目前国内外无取向硅钢生产厂商主要采用半有机涂层。主要产品有武钢的T4涂层，鞍钢的TM4涂层，宝钢的A、H、K涂层，太钢的 TC、TE系列涂层，新日铁的L、L2、L3涂层，以及俄罗斯新利佩茨克的TWl涂层等。这些半有机涂层产品中，除了宝钢K和太钢TE系列涂层外，大都是含铬涂层。

目前无取向硅钢含铬涂层仍然是市场的主流，根据目前的市场估计，约85%以上的市场被含铬涂层所占据。含铬涂层液在生产、涂覆、废液处理及其涂覆钢板加工、使用过程中，均会对操作人员造成一定的健康损害，特别是其中含有的六价铬成分具有高毒性和高致癌性。虽然六价铬在涂覆烧结固化过程中可以转换为低毒性的三价铬，但在一定环境条件下，三价铬仍然会转化为六价铬，对环境造成污染。随着人们环保意识的不断提高，已经认识到含铬涂层对人们的身体健康和自然环境造成的严重后果。因此欧美等发达国家在硅钢生产过程中已陆续放弃使用含铬涂层，而改用无铬的环保涂层。

2 无取向硅钢涂层类型及各自性能特点

依据ASTM A 976-2013标准划分，目前主要的应用类型有C3涂层，C5薄涂层，C5厚涂层和C6极厚涂层，这些涂层能够满足不同电机产品的性能需求。现主要应用涂层表面外观状态如图1所示。

图1 不同类型涂层外观Fig.1 Appearances of Different Types of Coatings

2.1 半有机含铬涂层

半有机含铬涂层属于C5薄涂层，具有优良的综合性能，能够满足常规中小型电机的使用需求。根据用户加工工艺或产品性能的使用需求，可采用不同厚度的涂层产品。对焊接性能有改善要求的用户一般采用薄涂层产品，对绝缘性能有改善要求的用户一般采用厚涂层产品。半有机含铬涂层的主要性能参数如表1所示。

表1 半有机含铬涂层的主要性能参数Table 1 Parameters of Main Properties of Semi-organic Chromium-bearing Coatings

此类涂层的绝缘性能较C3、C5、C6厚涂层相对偏低，不能满足对绝缘性能要求较高的大中型电机设备的使用需求。

2.2 环保薄涂层

环保薄涂层为半有机无铬环保涂层，属于C5薄涂层，其涂液为溶液状，无不溶颗粒填料。环保薄涂层一般为水溶性磷酸盐涂层，主要用于替代常规半有机含铬涂层，其主要成分为磷酸盐和树脂，通过配方优化解决剩余磷酸容易发粘的问题，具有良好的绝缘性、耐热性等性能。适用于中小型电机、小型变压器产品铁心。虽然在耐热性、耐腐蚀性等性能与含铬涂层有一些差距，但已能够满足用户的正常使用需求，而且部分产品在绝缘性上有显著提高。环保薄涂层的典型性能参数如表2所示。

表2 环保薄涂层的典型性能参数Table 2 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Thin Coatings

2.3 自粘结涂层

自粘结涂层为有机涂层，属于C3涂层，是一种新型的无取向硅钢涂层。根据电机铁心设计形状，将涂覆自粘结涂层的无取向硅钢板进行裁剪、冲片加工，制成所需形状的无取向硅钢片，进行叠片，在一定压力（一般为 1～6 N/mm）、温度条件下（加热温度为150～300℃），固化一段时间后（加热时间为1～3 h），制成具有优异机械强度和刚度的铁心。该方法在产业化方面具有较强的应用性。

自粘结涂层产品具有多种优异的功能特性：

（1）冲片性好：较半有机含铬涂层提高约50%。

（2）噪声小：较焊接型铁心降低约25%。

（3）电机效率高：较机械固定方式电机效率提高0.23%～0.58%。

（4）几乎无振动：相同试验条件下，在励磁状态下，自粘结型铁心的轴向和径向均几乎无振动，而焊接型铁心的轴向和径向均有不同程度的振动。

自粘结涂层的典型性能参数如表3所示。

表3 自粘结涂层的典型性能参数Table 3 Parameters of Typical Properties of Self-bonding Coatings

自粘结涂层无取向硅钢目前主要的应用领域为磁悬浮列车工程。每公里轨道需使用约500 t自粘结涂层无取向硅钢，上海磁悬浮轨道全长约35 km，投入使用的自粘结涂层无取向硅钢总量达17 500 t。其他磁悬浮列车线路也在陆续筹建中。电力机车牵引电机的铁心在制造过程中，一部分结构必须用粘接的方式固定在一起，如采用刷涂粘接剂的方式固定，粘结效果不好，生产效率低，自粘结涂层无取向硅钢是这部分铁心的最佳选择，而且由于自粘结涂层优异的性能，牵引电机铁心其它部位的技术要求也能够满足。自粘结涂层无取向硅钢凭借自身独特优异的性能在高精尖高附加值领域发挥了重要作用。如采用自粘结涂层无取向硅钢建造大型的高能离子加速器铁心，能够使其具有更加优异的性能；采用自粘结涂层无取向硅钢制作的高品质音响，能够大幅度提高产品质量和生产效率。在新能源汽车、风电、线性电机、电梯电机、起重机电机、高速电机、混合动力电机和电磁感应加热器等方面，自粘结涂层无取向硅钢均有应用。可以看出，自粘结涂层是一种富有前途的无取向硅钢涂层产品，市场应用前景广阔。

2.4 环保厚涂层

环保厚涂层为半有机无铬涂层，属于C5厚涂层，其涂液含不溶颗粒填料。环保厚涂层具有优异的绝缘性和耐热性，主要用于牵引电机（高铁、地铁等）、风电、新能源汽车等大中型电机。环保厚涂层的典型性能参数如表4所示。

表4 环保厚涂层的典型性能参数Table 4 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Thick Coatings

2.5 环保极厚涂层

随着发电机单机容量不断增大，耐热等级要求逐步提高，对定子铁心无取向硅钢片涂层的绝缘性能和耐热性能要求越来越高。普通涂层不能满足此性能要求，因此需要采用环保极厚涂层。

环保极厚涂层为半有机无铬涂层，属于C6涂层，含绝缘性、抗压性较强的不溶颗粒填料。环保极厚涂层的绝缘性能极其优异，耐热性良好，热压收缩率低，适用于长期处于高电压、高温、高压力的工作环境，主要用于水电、火电、核电等大型发电机。环保极厚涂层的典型性能参数如表5所示。

表5 环保极厚涂层的典型性能参数Table 5 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Ultra-thick Coatings

3 无取向硅钢涂层的发展趋势

无取向硅钢绝缘涂层不仅需要具有优良的应用性能，同时也需要具有绿色环保性。很多国家已制定实施了相应的环保法律规定，欧洲制定了EU指令、ROHS、REACH等一系列法规和强制条例，禁止或严格限制了六价铬的含量。为推动我国钢铁行业转型升级，工业和信息化产业部制定了《钢铁工业“十二五”发展规划》，其中，将电工钢环保涂层列为产业升级的重要方向。随着国内工业的迅速发展，涂层的发展方向也朝着环保性高功能化的方向发展。形成了多个种类、不同用途、性能各异的一系列环保涂层产品，能够满足不同的应用领域对硅钢涂层性能的使用需求。形成了适用于中小型电机的环保薄涂层可替代现用含铬半有机涂层；具有自粘结功能的自粘结涂层适用于磁悬浮列车、高能离子加速器、高品质音响等应用领域；具有高绝缘性和良好耐热性的C5厚涂层，适用于牵引电机（高铁、地铁等）、风电、新能源汽车等大中型电机；具有超高绝缘性、良好抗压性的C6厚涂层适用于水电、火电、核电等大型发电机。以上具有不同功能的环保涂层能够满足不同的应用领域对硅钢涂层性能的使用需求。