无取向硅钢电泳涂膜脱落原因分析与改进

2021-10-15张本尊李元华岳军姜福健李浩吴明

鞍钢技术 2021年5期

张本尊，李元华，岳军，姜福健，李浩，吴明

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

无取向硅钢一般用来制作电机铁芯，有些客户在无取向硅钢涂层产品上面进行电泳涂装，涂敷一层电泳涂膜。在生产过程中发现电泳涂膜存在脱落现象，使用不同厂家硅钢材料，效果明显不同，分析电泳涂膜脱落与硅钢材料直接相关。通过详细分析电泳涂膜脱落特点、硅钢自身涂层成膜机理、电泳涂装工艺等相关因素，在硅钢涂层产品生产过程中制定优化措施，本文对此作一介绍。

1 电泳涂膜脱落现象

1.1 电泳涂膜脱落形貌

漆膜与被涂面之间结合的坚牢程度称为附着力，目前现行有效的漆膜附着力测定标准有3个，分别是 GB/T 1720-1989 （“划圈法”）、GB/T 5210-1985（“拉开法”）和 GB/T 9286-1998（“划格法”）。在电泳行业，因为是硬质底材涂敷，涂膜厚度小于250 μm，一般选择使用 GB/T 9286-1998《色漆和清漆—划格试验》进行验证，该标准规定了以直角网格图形切割涂层穿透至底材时，评定涂层从底材上脱离的抗性的一种试验方法，即用切割刀具在准备好的规定试板上纵横垂直交叉切割6条平行切割线（间距由涂层厚度和底材硬度确定），用透明胶粘带粘贴涂层切断处，均匀撕去胶粘带，检查切割涂层破坏情况。试验结果分0～5级，0级完好无损，级数越高越差，漆膜划格试验结果分级见表1。对于一般用途，前3级令人满意。根据客户标准需要，一般对试验结果加严控制，达到0级才确认合格。

表1 漆膜划格试验结果分级Table 1 Classification of Test Results by Row-Grid Testing

客户在生产过程中参照GB/T 9286-1998划格法要求，对铁芯定子表面电泳涂膜进行划格测试，结果发现局部成片脱落。并根据划格试验分级结果，评定涂层附着力为不合格，电泳涂膜形貌见图1。

图1 电泳涂膜脱落形貌Fig.1 Appearance of Peeling-off State of Electrophoretic Coating Film

1.2 电泳涂膜脱落部位分析

针对客户电泳涂膜脱落的铁芯定子样品，将万用表调至欧姆档×100，短路电阻为0 Ω，检测正常涂层部位，电阻值显示为∞，涂层绝缘性良好；检测电泳层脱落部位，电阻值显示仍为∞，表明表面绝缘性良好，硅钢原有涂层未脱落。电泳层脱落部位检测电阻显示效果见图2。

图2 电泳层脱落部位检测电阻显示效果Fig.2 Display Effect of Sensing-resistor Values Concerning Peeling-off Positions of Electrophoresis Coating Film

目前国内主流钢厂所用硅钢涂料均为镁系铬酸盐涂料，其主要组分为重铬酸镁水溶液、有机树脂乳液、助熔剂、还原剂（如乙二醇或甘油）及消泡剂等。经过干燥固化成膜后，硅钢涂层固化成膜主要成分见表2。

表2 硅钢涂层固化成膜主要成分（质量分数）Table 2 Main Compositions in Coating Film of Silicon Steel by Solidifying（Mass Fraction）%

取电机铁芯电泳膜脱落样品，对脱落部位元素成分含量进行检测，电机铁芯电泳膜脱落样品元素含量如图3所示。通过对比可知，所含成分几乎与正常硅钢涂层一致，证明硅钢涂层完好无损。

图3 电机铁芯电泳膜脱落样品元素含量Fig.3 Content of Elements in Peeling-off Samples of Electrophoretic Coating Films of Motor Iron Core

通过对电机定子电泳涂膜脱落部位绝缘性能和成分的检测，其结果均与硅钢原始涂层一致，没有异常，说明脱落的物质是电泳涂膜。针对这个特点，分析电泳涂膜脱落原因，研究改善硅钢自身涂层表面与电泳涂膜结合力是解决问题的关键。

2 电泳涂膜脱落原因分析

涂膜对底材粘合的牢度，称为附着力。涂膜脱落，表明附着力差，影响漆膜附着力的相关因素除了有电泳漆、电导率和pH的控制，电泳层的厚度，电泳漆的配制，脱脂清洗以及固化烘干的温度控制等涂料的性能和涂装的工艺技术外，还与涂装前表面处理、硅钢的表面化学性能等密切相关。

2.1 涂装前表面处理

涂装前清除掉被涂物（底材）表面的污物，保证清洗底材表面干净。一般电泳涂装生产线均具备涂装前处理工艺设备，前处理工艺一般由预脱脂、脱脂、水洗、表调、磷化、水洗、纯水洗等10多道基本工序组成。

为判断硅钢表面污染物对电泳涂膜的影响，在硅钢样板上特意沾附可能遇到的污染物，每种类别均采取5个试样进行比对试验。对比分析多批次带有污染物的样板电泳结果，发现不同污染物对电泳涂膜脱落效果的影响不同，硅钢表面不同污染物电泳涂膜脱落效果见表3。

表3 硅钢表面不同污染物电泳涂膜脱落效果Table 3 Peeling-off Effect of Electrophoresis Coating Films on Surface of Silicon Steels with Different Pollutant

从表3发现，硅钢涂层钢板表面被有机溶剂类（丙酮、信那水）污染，电泳涂膜效果不理想；而常规灰尘、冲压油污染物没有对电泳涂膜脱落造成影响。分析是前处理脱脂效果对于溶剂类清洗稍差，对于常规冲压油、灰尘污物清洗效果较好造成的，也侧面说明保证涂装前底材干净，对提高附着力效果具有重要意义。

2.2 硅钢表面化学性能

带涂层的硅钢作为电泳涂膜的基材，研究硅钢表面化学性能，即自身涂层薄膜结构对提高电泳涂膜附着力十分重要。资料介绍，硅钢涂层增加可供热固化交联基团，这些基团与电泳漆中的羟基、羧基兼容性好，并且可以与电泳漆固化剂（一般为氨基树脂或者封闭型异氰酸酯）之间产生交联反应而产生强键合作用，从而提高了层间（含铬涂层与电泳层）附着力。

对于硅钢涂层液，一般采用水性溶剂，干燥前期涂层液中的水分先挥发，为物理变化过程；第二阶段为化学变化过程，涂层液交联反应，硬化成膜。半无机铬酸镁涂层的微观结构表明，其结构为丙烯酸树脂颗粒，这些颗粒均匀分布在无机薄膜的表面，保证涂层具有良好的绝缘性能。由于丙烯酸树脂发生热失重的主要温度范围是330～410℃，为了保证涂料中的树脂不发生燃烧分解，硅钢涂层不碳黑，带钢钢板温度一般不能超过400℃。为了使六价铬充分还原，固化钢板温度应大于320℃。另外丙烯酸树脂含量对涂层的交流阻抗影响比较大，丙烯酸树脂含量为19.9%的涂层阻抗值最大，阻抗弧明显大于其他丙烯酸树脂含量的涂层。

上述文献表明，硅钢涂层薄膜结构对电泳涂层附着力有影响，研究丙烯酸树脂非常关键。优化硅钢涂层液中丙烯酸树脂含量、增加丙烯酸树脂中羟基、羧基含量，以此作为改善电泳涂膜脱落的重要措施。

3 改进措施

硅钢绝缘涂料一般采用铬酸酐、氧化镁和丙烯酸树脂等材料配制，经涂层机辊涂、干燥炉高温固化后转变为网络状的三价铬复合氧化物涂膜。根据硅钢涂膜结构特点，适当提高无取向硅钢铬酸镁绝缘涂层固化温度，会使有机树脂在成膜过程中交联聚合效果更好，三维网状硅钢涂层结构更加致密坚固。另外对硅钢涂层液丙烯酸树脂含量进行优化，适度提高丙烯酸树脂中羟基和羧基含量，可以对改善电泳涂膜附着力有明显效果。具体方案如下：

（1）调整现有硅钢涂层液树脂含量，丙烯酸树脂固含量降低5%左右。

（2）丙烯酸树脂羟基含量不低于4.0%，羧基含量不低于2.0%（树脂配方理论计算）。

（3）保证绝缘电阻前提下，调整硅钢涂层膜厚，不超过 1 μm/面。

（4）在现有工艺基础上，提高干燥炉温度，钢板温度控制在280℃以上。

（5）保证硅钢涂层表面干净，生产运输环节避免涂层表面污染物，尤其是杜绝有机溶剂污染硅钢涂层表面。

4 实施效果

按上述改进措施生产后，为保证效果稳定性，制定5批次不同批量（重量分别为100、200、300、500、1 000 t）电泳涂膜进行验证，电泳验证全部合格。改进前生产1.5万t硅钢电泳涂膜脱落比例为20%～30%，改进后批量生产5万t硅钢，均没有发生电泳涂膜脱落问题。图4为改进后的电泳涂膜形貌，客户反馈硅钢电泳涂膜效果良好，彻底解决了电泳涂膜脱落问题。