Термостойкое клеящее изоляционное покрытие и лист электротехнической стали с таким покрытием, магнитный сердечник, где используется лист электротехнической стали, и способ его получения
Изобретение относится к термостойкому клеящему изоляционному покрытию, листу электротехнической стали с таким покрытием, магнитному сердечнику, полученному с использованием такой стали, а также способу получения указанного магнитного сердечника. Термостойкое покрытие включает смолу, размягчающуюся при температуре от комнатной до 300°С и легкоплавкую неорганическую композицию с температурой размягчения не выше 1000°С. Данное покрытие наносится на лист электротехнической стали. При сборке в пакет и прессовании таких листов получают собранный и скрепленный магнитный сердечник, который затем подвергают отжигу. 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 табл., 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к композиции термостойкого клеящего покрытия, способного к склеиванию при сборке в пакет, прессовании и нагреве (в настоящем изобретении, если не указано иное, "нагрев" обозначает нагрев при температурах от комнатной температуры до 300°С) и дальнейшем сохранении адгезионной способности после отжига, такого как отжиг для снятия напряжения (в настоящем изобретении, если не указано иное, "отжиг" обозначает нагрев при температурах выше 300°С), и листу электротехнической стали с таким покрытием.
Уровень техники
Лист электротехнической стали используют, главным образом, в качестве магнитного сердечника для моторов, трансформаторов и подобных устройств. Как правило, на поверхность листа электротехнической стали наносят изоляционное покрытие. Лист последовательно штампуют в предварительно установленные формы, складывают в пакет и для формирования магнитного сердечника соединяют сваркой способом, известным как "блокировка" (interlocking), когда углубления и выступы пригоняют одни к другим, или другими способами.
Таким образом собранный из пластин магнитный сердечник используют в электротехническом оборудовании или в состоянии непосредственно после штамповки или отжигают при температуре примерно 700°С-800°С и затем монтируют в электротехническое оборудование. Последний отжиг называют "отжигом для снятия напряжений" и применяют к магнитным сердечникам, используемым в электротехническом оборудовании, где требуется высокий кпд, для целей снятия напряжений в листовой стали, возникших во время штамповки или резки, термической деформации на торцах из-за сварки, пластической деформации сцепленных деталей и т.п., с тем чтобы улучшить электротехнические свойства магнитного сердечника.
Способ сварки или блокировки для соединения сложенных в пакет листов электротехнической стали имеет недостаток, заключающийся в коротком замыкании на краях пакета пластин и снижении поверхностного удельного сопротивления или ухудшения электротехнических свойств из-за сгибания при переработке. Как способ избежать дефектов, вызванных сваркой или блокировкой, предложен способ нанесения изоляционного покрытия, которое проявляет клейкость при горячем прессовании электротехнической стали с предварительно нанесенным покрытием, штамповке или резке листа, сборке в пакет и горячем прессовании пакета пластин.
Например, патент Японии №2613725 относится к способу получения листа электротехнической стали с предварительно нанесенным на ее поверхность покрытием из смешанного раствора, состоящего, главным образом, из эмульсии эпоксидной смолы, модифицированной акриловой смолой, содержащей латентный отвердитель, с последующим неполным отверждением покрытия. В публикации заявки на патент Японии (А) №2002-260910 раскрывается лист электротехнической стали с предварительно нанесенным изоляционным покрытием из клеящей смолы, включающей вспениватель. Также определенные способы предложены в публикации патента Японии (В) №55-9815 и публикации патента Японии (А) №2-208034. Такие так называемые способы с клеящим покрытием могут облегчить решение проблем, вызванных блокировкой или сваркой, но так как в указанных способах используются только органические композиции для покрытия поверхностей стальных листов, большинство композиций разрушается при температуре 300°С или выше, если применяют отжиг для снятия напряжений, что нарушает адгезионную прочность. По этой причине существует проблема, что листовую электротехническую сталь с клеящими покрытиями можно использовать для магнитных сердечников, которые не подвергают отжигу для снятия напряжений, и нельзя использовать для магнитных сердечников, которые подвергают отжигу для снятия напряжений с целью уменьшения потерь в сердечнике.
С другой стороны, можно рассматривать способ, при котором лист электротехнической стали сначала перерабатывают штамповкой или подобным образом в предварительно установленные детали, осуществляют отжиг для снятия напряжений и соединяют адгезивом для скрепления, но при этом потребуется нанесение адгезива на каждую мелкую штампованную деталь, так что технологичность может быть неудовлетворительной.
Кроме того, в публикации патента Японии (В) №42-24519, публикации патента Японии (А) №58-128715 и в публикации патента Японии №47-47499 раскрываются покрытия, не содержащие композиций смол, называемые "неорганическими покрытиями". Покрытия по публикации патента Японии №42-24519 обладают функцией склеивания стальных листов друг с другом, так что для получения магнитного сердечника следует использовать блокировку или сварку или другие способы скрепления. Покрытия, раскрытые в публикации патента Японии № (А) №58-128715 и в публикации патента Японии (В) №47-47499, являются неорганическими покрытиями, состоящими только из легкоплавких стекол, что приводит к твердым покрытиям и истиранию штампа, и поэтому существует проблема образования большого количества порошка.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к термостойкому клеящему изоляционному покрытию с улучшенной термостойкостью, которое сохраняет адгезионную способность и изоляционные свойства даже после отжига для снятия напряжения, к листу электротехнической стали с таким покрытием, магнитному сердечнику, в котором используется такой лист электротехнической стали, и способу его получения.
Для того чтобы решить указанную проблему, в настоящем изобретении используются следующие средства.
(1) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, содержащее смолу с температурой размягчения от комнатной температуры до 300°С и легкоплавкую неорганическую композицию с температурой размягчения не выше 1000°С.
(2) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (1), характеризующееся тем, что адгезионная прочность при 250°С составляет 10 кг/см2 или более и адгезионная прочность при 750°С составляет 1 кг/см2 или более.
(3) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (1), характеризующееся тем, что коэффициент линейного теплового расширения от 30°С до 300°С составляет от 10×10-7 (°С-1) до 150×10-7 (°С-1).
(4) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (1), характеризующееся тем, что легкоплавкая неорганическая композиция представляет собой легкоплавкую стеклообразную фритту, растворимое стекло или указанные материалы, с которыми смешан коллоидный диоксид кремния.
(5) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (4), характеризующееся тем, что легкоплавкая неорганическая композиция содержит частицы среднего размера, 20 мкм или менее.
(6) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (4), характеризующееся тем, что отношение концентраций смолы и легкоплавкой неорганической композиции составляет от 20 до 500 мас.%.
(7) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (4), характеризующееся тем, что легкоплавкая неорганическая композиция представляет собой легкоплавкое стекло на основе SiO2-B2O3-R2O (R представляет собой щелочной металл).
(8) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (4), характеризующееся тем, что указанное растворимое стекло представляет собой силикат натрия.
(9) Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, указанное в (1), характеризующееся тем, что указанная смола включает один или несколько типов смол, выбранных из эпоксидной смолы, акриловой смолы, фенольной смолы, не полностью отвержденной смолы, состоящей, главным образом, из эмульсии эпоксидной смолы, содержащей латентный отвердитель, модифицированной акриловой смолой или полисилоксана.
(10) Лист электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием, состоящий из стального листа с покрытием, указанным в (1), по меньшей мере, на одной поверхности.
(11) Лист электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием, указанный в (10), характеризующийся тем, что термостойкое клеящее изоляционное покрытие имеет толщину от 0, 5 мкм до 20 мкм.
(12) Магнитный сердечник, в котором применяют лист электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием, указанный в (10).
(13) Способ получения магнитного сердечника с использованием листа электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием, включающий сборку в пакет и прессование листов электротехнической стали, указанной в (10), для формирования пакета пластин из электротехнической стали с последующим их отжигом при температуре от 600 до 900°С с получением пластинчатого магнитного сердечника.
(14) Способ получения магнитного сердечника с использованием листа электротехнической стали с термостойким клейким изоляционным покрытием, указанный в (13), дополнительно включающий, по меньшей мере, на стадии прессования соединение листов нагревом для склеивания или соединения их блокировкой или зажимными приспособлениями или тем и другим способом.
Изоляционное покрытие листа электротехнической стали по настоящему изобретению представляет собой композит, проявляющий два типа адгезионной способности. В качестве особого средства для этого покрытие включает смолу с температурой размягчения от комнатной до 300°С и легкоплавкую неорганическую композицию с температурой размягчения, определяемой методом дифференциального термического анализа, равной 1000°С или менее. Смола покрытия размягчается при горячем прессовании, действуя как клей для соединения деталей магнитного сердечника, в то время как легкоплавкая неорганическая композиция сохраняет сцепление магнитного сердечника при отжиге для снятия напряжений.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематический вид общей кривой дифференциального термического анализа стекла.
Фиг.2 представляет собой схематический вид лестничного полисилоксана.
Осуществление изобретения
Для того чтобы снять напряжения в листе стали, как правило, требуется отжиг при температуре от примерно 700°С до 800°С. При такой температуре отжига органическая композиция разрушается и не может сохранить свою структуру, и таким образом не может сохраниться адгезионная способность. Авторы изобретения предположили, что неорганические соединения могли бы способствовать сохранению таких структур и могли бы вызывать адгезию между пластинами сердечника даже при высоких температурах от 700°С до 800°С, и исследовали различные типы неорганических соединений. В результате обнаружено, что группа легкоплавких неорганических композиций, называемых "легкоплавкой стеклообразной фриттой", и растворимое стекло, коллоидный диоксид кремния и другие легкоплавкие композиции создают хорошее сцепление стальных листов при температуре отжига вблизи 750°С. Однако так как эти легкоплавкие неорганические композиции не создают адгезии до завершения отжига, они не могут удерживать вместе детали магнитного сердечника. Поэтому авторы обнаружили, что путем объединения смолы с такими композициями можно получить магнитный сердечник, соединенный за счет адгезии, до и после отжига для снятия напряжений.
Сначала будет дано пояснение относительно легкоплавких неорганических композиций. Авторы изобретения обнаружили, что фактором, управляющим качеством адгезии при температуре, близкой к температуре отжига для снятия напряжений, является температура размягчения легкоплавкой неорганической композиции.
В дальнейшем описании будут подробно описаны эксперименты для пояснения настоящего изобретения.
Авторы изобретения подтвердили значение вышеуказанной температуры размягчения с использованием образцов в описанных далее условиях и оценивая их адгезионную прочность. Получают несколько листов нетекстурованной электротехнической стали толщиной 0,5 мм без изоляционных покрытий и с помощью валков наносят покрытия из смесей, из легкоплавких неорганических композиций, состоящих из легкоплавкой стеклообразной фритты с частицами среднего размера 5 мкм и различными температурами размягчения, и водных эмульсий смол с содержанием твердых веществ 20%, представляющих сочетание эпоксидная смола:акриловая смола:фенольная смола = 15:3:3 (по массе). Отношение смолы к стеклообразной фритте доводят до 100% по отношению содержания твердых веществ, т.е. до одинаковой массы. Количество слоя покрытия равно 8 г/м2 на сторону. Листы сушат при 160°С. Из образцов вырезают образцы для испытаний и оценивают адгезионную прочность при 250°С и 750°С.
В данном описании "температура размягчения" представляет собой температуру в точке, соответствующей четвертому перегибу, после начала измерения на кривой, полученной методом дифференциального термического анализа, показанной на фиг.1, или температуру по JIS-R3103-1 "Glass Softening Point Test Method" (ISO 7884-6: 1987, ASTM C338), которая ниже. Если оценка обоими указанными способами затруднена, также можно использовать взамен температуру размягчения, определенную другими способами.
"Адгезионная прочность при 250°С" представляет собой прочность сцепления между двумя образцами для испытаний размером 10 см (длина в направлении прокатки) × 3 см (длина перпендикулярно направлению прокатки), перекрывающихся по коротким сторонам на 1 см на площади 3 см2, склеенных под давлением 10 кг/3 см2 при 250°С в течение 60 секунд. Прочность получают по показаниям пружинных весов (кг) в момент разъединения, когда образцы разрывают при комнатной температуре в направлении прокатки, деленным на площадь 3 см2. Следует отметить, что в настоящем изобретении давление и адгезионную прочность показывают как измерения на пружинных весах (кг), деленные на площадь, кг/см2, единица соответствует 9,8×104 Па.
"Адгезионная прочность при 750°С" представляет собой прочность, полученную путем деления результатов измерений, когда образцы также нагревают без давления при 750°С в течение 2 часов и разрывают при комнатной температуре в направлении прокатки, на площадь 3 см2. Результаты испытаний показаны в табл.1.
| Таблица 1 | ||||||||||||||
| № партии | Состав (мас.%) | Темп. размягч. | Адгез. прочн., кг/см2 | |||||||||||
| В2О3 | SiO2 | ZnO | Al2O3 | BaO | MgO | K2O | Bi2O3 | P2O5 | SnO | PbO | 250°С | 750°С | ||
| 1 | 50 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 50 | 300°С | 30 | 3 |
| 2 | - | - | - | - | - | - | - | - | 50 | 50 | - | 350°С | 40 | 5 |
| 3 | 15 | 5 | - | - | - | - | - | 80 | - | - | - | 400°С | 30 | 8 |
| 4 | 25 | 15 | 15 | 5 | 30 | 10 | - | - | - | - | - | 525°С | 20 | 7 |
| 5 | 20 | 20 | - | 5 | 55 | - | - | - | - | - | - | 675°С | 30 | 6 |
| 6 | 20 | 70 | - | - | - | - | 10 | - | - | - | - | 760°С | 40 | 7 |
| 7 | 50 | - | 10 | 15 | 15 | 10 | - | - | - | - | - | 880°С | 20 | 3 |
| 8 | - | 50 | - | 35 | - | 15 | - | - | - | - | - | 1000°С | 10 | 1 |
| 9 | 45 | 40 | 15 | 1050°С | 10 | Нет адгезии |
Из табл.1 видно, что в партиях №1-8 с использованием стеклообразной фритты с температурой размягчения 1000°С или менее адгезионная прочность при 250°С составляет 10 кг/см2 или более и адгезионная прочность при 750°С составляет 1 кг/см2, причем оба показателя являются хорошими. С другой стороны, в партии №9 с использованием стеклообразной фритты с температурой размягчения 1050°С, хотя адгезионная прочность при 250°С, равная 10 кг/см2, является хорошей, адгезионная прочность при 750°С слишком низкая для измерения, поскольку поверхности с покрытием легко разъединяются.
Из результатов, описанных выше, следует, что при использовании стеклообразной фритты с температурой размягчения 1000°С или ниже адгезионная прочность при 250°С составляет 10 кг/см2 или более и адгезионная прочность при 750°С составляет 1 кг/см2, причем оба показателя являются хорошими.
Что касается причины, по которой адгезионная прочность при 750°С зависит от температуры размягчения легкоплавкой неорганической композиции, то авторы изобретения предполагают следующий механизм. Во время прессования и нагрева до температуры около 250°С смола размягчается и плавится. В случае наличия покрытия на обеих сторонах граница поверхности раздела исчезает, и достигается адгезия между покрытиями. Однако в этот момент легкоплавкая неорганическая композиция с большей термостойкостью остается практически нереакционноспособной. Затем при нагреве при 750°С легкоплавкая неорганическая композиция размягчается и, в зависимости от типа легкоплавкой неорганической композиции, плавится, в результате чего легкоплавкие неорганические композиции, контактируя друг с другом, склеиваются. В результате наружные покрытия образуют слой, и адгезия между стальными листами становится полной. Следовательно, легкоплавкая неорганическая композиция, размягчающаяся или плавящаяся на стадии нагрева около 750°С, является важным фактором.
Так как легкоплавкая неорганическая композиция с высокой температурой размягчения, такая как в партии №9, табл.1, не размягчается или не плавится при примерно 750°С, нельзя получить достаточную площадь контакта между такими композициями, даже если они контактируют друг с другом, так что связь между ними образуется недостаточная. В результате нельзя получить достаточную адгезионную прочность.
С другой стороны, так как легкоплавкие неорганические композиции с низкой температурой размягчения, такие как в партиях №1-8, табл.1., размягчаются при примерно 750°С, между ними можно получить определенную площадь контакта, если они контактируют друг с другом, так что между ними образуется достаточная связь. В результате можно получить достаточную адгезионную прочность.
Причина, по которой получают определенную степень адгезионной прочности при 750°С даже в случае легкоплавких неорганических композиций с температурами размягчения 880°С и 1000°С, которые выше температуры нагрева 750°С, не выяснены, но авторы изобретения полагают, что при примерно 750°С даже в таких композициях происходит реакция, подобная размягчению, в результате чего покрытие становится единым целым и склеивает стальные листы.
Адгезионная прочность при 250°С, равная 10 кг/см2 или более, нужна для того, чтобы иметь возможность работать с сердечником без его расслоения после стадии установления временной адгезии при низкой температуре до тех пор, пока сердечник не будет окончательно склеен при более высокой температуре. Далее, адгезионная прочность при 750°С, равная 1 кг/см2 или более, нужна для того, чтобы иметь возможность предотвращения разделения листов сердечника после монтажа в электротехническое оборудование.
Для легкоплавкой неорганической композиции по настоящему изобретению можно использовать, например, легкоплавкую стеклообразную фритту, растворимое стекло и смесь указанных материалов с коллоидным диоксидом кремния.
Когда легкоплавкая неорганическая композиция представляет собой неорганический порошок, также имеет значение размер частиц. Если частицы имеют слишком большой размер, образуется покрытие с грубыми выступами на поверхности, препятствующими контакту между покрытиями. Для того чтобы получить достаточный контакт между покрытиями или между порошками, частицы используемой легкоплавкой неорганической композиции должны иметь размер предпочтительно 20 мкм или менее, предпочтительнее 4 мкм или менее, в частности 3 мкм или менее.
Далее, авторы изобретения исследовали отношение между легкоплавкой неорганической композицией и смолой.
Авторы получили несколько образцов нетекстурованной электротехнической листовой стали толщиной 0,35 мм с изоляционными покрытиями, состоящими, главным образом, из хромата магния. На них с использованием валков наносили покрытия из смеси, содержащей легкоплавкую неорганическую композицию, состоящую из легкоплавкой стеклоообразной фритты с частицами, имеющими средний размер 3 мкм, и температурой размягчения 550°С (В2O3=30%, SiO2=20%, BaO=30%, Na2O=10%, ZnO=10%), и водной эмульсии смолы с содержанием твердых веществ 20%, состоящей из смеси эпоксидная смола:акриловая смола:фенольная смола = 20:5:3 (мас.%). Отношение смолы и стеклоообразной фритты изменяли различным образом. Количество покрытия составляло 5 г/м2 на сторону. Листы сушили при температуре 150°С. Из полученных образцов вырезали образцы для испытаний. Затем оценивали адгезионную прочность при 250°С и 750°С. Результаты испытаний показаны в табл.2.
| Таблица 2 | |||
| Партия № | Отношение смола/стеклообр. фритта (мас.%) в смеси | Адгезионная прочность, кг/см2 | |
| 250°С | 750°С | ||
| 1 | 10 | 5 | 0,5 |
| 2 | 20 | 10 | 2 |
| 3 | 50 | 20 | 5 |
| 4 | 100 | 40 | 6 |
| 5 | 300 | 50 | 4 |
| 6 | 500 | 40 | 1 |
| 7 | 700 | 40 | 0,5 |
Как видно из табл.2, партии №2-6, т.е. с отношениями смола/стеклообразная фритта 20%-500%, имеют превосходную адгезионную прочность как при 250°С, равную 10 кг/см2 или более, так и при 750°С 1 кг/см2. С другой стороны, партия №1 с отношением концентраций 10% имеет меньшую адгезионную прочность, равную 5 кг/см2 при 250°С и 0,5 кг/см2 при 750°С. Партия №7 с отношением смола/стеклообразная фритта 700% имеет хорошую адгезионную прочность, при 250°С, равную 40 кг/см2, но плохую адгезионную прочность при 750°С, равную 0,5 кг/см2. Такие результаты показывают, что как при 250°С, так и при 750°С адгезионная прочность является удовлетворительной, когда отношения смола/стеклообразная фритта составляют от 20% до 500%.
Что касается причины, по которой адгезионная прочность зависит от соотношения смолы и легкоплавкой неорганической композиции, то авторы считают, что имеет место следующий механизм. Смола реализует свой вклад в адгезию при нагреве при 250°С, в то время как легкоплавкая неорганическая композиция реализует свой вклад в адгезию при нагреве при 750°С. Учитывая проявление функции каждой композиции при каждой температуре нагрева, можно установить механизм зависимости адгезионной прочности от соотношения обеих композиций. Механизм заключается в степени заполнения поверхности органической смолой при нагреве при 250°С и легкоплавкой неорганической композицией при нагреве при 750°С.
Когда отношение смолы к легкоплавкой неорганической композиции невелико, например, как в случае партии №1, табл.2., большая часть поверхности покрыта неорганической композицией, причем в результате смола на поверхности покрытия почти не появляется. Если такие покрытия привести в соприкосновение, спрессовать и нагреть при 250°С, смола не может в достаточной степени функционировать как связующее между покрытиями из-за недостаточной площади контакта между ними, что приводит к малой прочности адгезии при 250°С, такой как 5 кг/см2 для №1. При таких условиях недостаточный контакт и адгезию между легкоплавкими неорганическими композициями получают, даже если такие покрытия греют при 750°С, когда легкоплавкая неорганическая композиция размягчается и плавится. В результате адгезионная прочность при 750°С также является низкой, как, например, 0,5 кг/см2 в случае партии №1. В силу вышеуказанного механизма, если отношение смолы к легкоплавкой неорганической композиции слишком мало, адгезионная прочность как при 250°С, так и при 750°С является низкой.
С другой стороны, если отношение концентраций смолы к легкоплавкой неорганической композиции велико, то, хотя на поверхности покрытия достаточно смолы для осуществления адгезионной функции в полной мере, что приводит к хорошей полученной адгезионной прочности при 250°С, равной 40 кг/см2, как видно для партии №7, легкоплавкой неорганической композиции на поверхности покрытия имеется недостаточно, что приводит к низкой адгезионной прочности при 750°С, такой как 0,5 кг/см2 в случае партии №7.
Коэффициенты линейного теплового расширения легкоплавкой неорганической композиции при температурах 30°С-300°С в интервале от 10×10-7 до 150×10-7 (°С-1) предотвращают изменения в электротехнических свойствах магнитных сердечников.
Авторы получили магнитные сердечники, изготовленные из листа стали с покрытиями в описанных далее условиях, и оценили магнитные свойства. Получили несколько листов нетекстурованной электротехнической стали толщиной 0,5 мм без каких-либо изоляционных покрытий на поверхности. На них с использованием валков нанесли покрытия из смесей легкоплавкой стеклообразной фритты с частицами среднего размера (5 мкм) и различными коэффициентами теплового расширения в качестве легкоплавкой неорганической композиции и водной эмульсии смолы с содержанием твердых веществ 20 мас.%, представляющей смесь эпоксидная смола:акриловая смола:фенольная смола = 10:4:5 (мас.%). Отношение смолы к стеклообразной фритте доводили до 200% по содержанию твердых веществ. Количество покрытия составляло 10 г/м2 на сторону, и листы сушили при температуре листа 150°С.
Из полученных образцов получили образцы в виде колец с внутренним диаметром 10,16 см (4 дюйма) и наружным диаметром 12,7 см (5 дюймов). Двадцать таких колец собрали в пакет, спрессовали при 10 кг/см2, нагрели при 250°С в течение 4 часов и получили магнитные сердечники со слоями клеящего покрытия. Магнитные сердечники отжигали без давления при 750°С в течение 2 часов и оценивали потери в сердечниках при 50 Гц с магнитной индукцией 1,5 тесла. Результаты приводятся в табл.3.
| Таблица 3 | |||||||||||||
| Партия № | Состав (мас.%) | Коэфф. лин. тепл. расшир. (°С-1) | Потери в сердечн. (Вт/кг) | ||||||||||
| B2О3 | SiO2 | ZnO | Al2O3 | BaO | MgO | K2O | Bi2O3 | Р2O5 | SnO | PbO | |||
| 1 | 45 | 30 | - | - | - | - | 25 | - | - | - | - | 160×10-7 | 3,27 |
| 2 | - | - | - | - | - | - | - | - | 45 | 55 | - | 150×10-7 | 3,08 |
| 3 | - | - | 20 | - | - | - | - | - | 40 | 40 | - | 135×10-7 | 3,03 |
| 4 | 10 | 5 | - | - | - | - | - | 85 | - | - | - | 105×10-7 | 3,05 |
| 5 | 20 | 15 | - | 5 | 60 | - | - | - | - | - | - | 90×10-7 | 3,07 |
| 6 | 45 | - | 15 | 10 | 20 | 10 | - | - | - | - | - | 80×10-7 | 3,02 |
| 7 | 55 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 45 | 55×10-7 | 3,06 |
| 8 | 25 | 65 | - | - | - | - | 10 | - | - | - | - | 30×10-7 | 3,04 |
| 9 | - | 45 | - | 40 | - | 15 | - | - | - | - | - | 10×10-7 | 3,09 |
| 10 | - | 100 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 5×10-7 | 3,26 |
Как видно из табл.3, в партиях №2-9 с использованием легкоплавкой неорганической композиции с коэффициентом линейного теплового расширения при 30°С-300°С в интервале от 10×10-7 (°С-1) до 150×10-7 (°С-1) потери в магнитных сердечниках после отжига составляют менее 3,1 (Вт/кг), т.е. являются хорошими показателями. С другой стороны, в партии №1 с использованием стеклообразной фритты с коэффициентом линейного теплового расширения 160×10-7 (°С-1) величина потерь большая, равная 3,27 (Вт/кг), и в партии №10 с использованием стеклообразной фритты с коэффициентом линейного теплового расширения 5×10-7 (°С-1) величина потерь также большая, равная 3,26 (Вт/кг). Такие результаты показывают, что когда легкоплавкая неорганическая композиция имеет коэффициент линейного теплового расширения при 30°С-300°С в интервале от 10×10-7 (°С-1) до 150×10-7 (°С-1), потери в магнитном сердечнике после отжига являются хорошими показателями.
Что касается причины, по которой потери в магнитном сердечнике после отжига зависят от коэффициента линейного теплового расширения легкоплавкой неорганической композиции, авторы предполагают следующий механизм. Прессование и адгезия в горячем состоянии при 250°С вызывает размягчение и плавление смолы в покрытии, граница раздела между покрытиями исчезает, если лист имеет покрытие на обеих сторонах и они связываются друг с другом, причем неорганическая композиция остается практически нереакционноспособной. Когда листы греют при 750°С, легкоплавкая неорганическая композиция размягчается и плавится в зависимости от ее типа, и при контакте легкоплавкие неорганические композиции связываются одна с другой. В результате слои покрытия слипаются и стальные листы полностью соединяются, после чего потери в сердечниках оценивают после охлаждения до комнатной температуры. Важным моментом в данном случае являются напряжения, развивающиеся в магнитном сердечнике, когда все поверхности стальных листов склеивают при высокой температуре, равной 750°С, и охлаждают до комнатной температуры.
Вообще, магнитные свойства магнитного сердечника ухудшаются, если в сердечнике имеются напряжения. Соотношение между коэффициентом теплового расширения вещества и напряжением будет разъяснено далее. Когда материалы с высокими и низкими коэффициентами теплового расширения соединяют при высокой температуре и затем охлаждают до комнатной температуры, в материале с высоким коэффициентом образуется растягивающее напряжение, а в материале с низким коэффициентом образуется напряжение сжатия. Лист электротехнической стали, как текстурованной, так и нетекстурованной, имеет коэффициент линейного теплового расширения примерно 100×10-7 (°С-1). С другой стороны, легкоплавкая неорганическая композиция, используемая в эксперименте, имеет коэффициенты от 5×10-7 (°С-1) до 160×10-7 (°С-1). Поэтому, когда используют неорганический порошок с коэффициентом меньшим, чем у листа стали, в стали магнитного сердечника образуется растягивающее напряжение, в то время как когда используют неорганический порошок с коэффициентом теплового расширения, большим, чем у листа стали, в стали магнитного сердечника образуется напряжение сжатия.
В данном эксперименте предполагается, что в магнитном сердечнике из партии №1 с наибольшим коэффициентом образуется большое усилие сжатия, в то время как в магнитном сердечнике из партии №10 с наименьшим коэффициентом образуется большое растягивающее напряжение. Так как коэффициенты линейного теплового расширения в указанных двух партиях наиболее отличаются от коэффициентов листа стали, оказывается, что в испытываемых магнитных сердечниках образуются наибольшие напряжения. С другой стороны, хотя коэффициенты партий №2-9 отличаются от коэффициентов листа стали, то, так как различия невелики, растягивающее напряжение или напряжения сжатия, образующиеся в магнитных сердечниках, были небольшими, в результате чего их влияние на потери в сердечниках незначительно.
Легкоплавкая неорганическая композиция по настоящему изобретению вносит вклад в развитие адгезии после отжига для снятия напряжений и предпочтительно представляет собой легкоплавкую неорганическую композицию с температурой размягчения, не превышающей обычную температуру отжига для снятия напряжений 750°С. Так как легкоплавкое стекло размягчается и плавится во время отжига для снятия напряжений и затвердевает после охлаждения, два листа с использованием стекла могут склеиться после отжига для снятия напряжений. В качестве легкоплавкого стекла можно использовать стекла такого состава, как SiO2-В2O3-R2O (R в данном случае обозначает щелочной металл), на основе Р2O5-R2O (R обозначает щелочной металл), SiO2-PbO-В2O3, В2O3-Bi2O3, SiO2-B2O3-ZnO, SnO-P2O5, SiO2-B2O3-ZrO2 и подобные. В частности, предпочтительно стекло SiO2-B2O3-R2O, поскольку в него не входит свинец и оно имеет высокую адгезионную прочность после отжига для снятия напряжений.
Легкоплавкая неорганическая композиция может находиться в жидком состоянии, как растворимое стекло. В растворимом стекле особенно предпочтителен силикат натрия. Преимуществом использования растворимого стекла является легкость получения плоской поверхности с покрытием без шероховатости из-за частиц, так как растворимое стекло не содержит частиц порошка. В частности, когда используют силикат натрия, получают высокую адгезионную прочность после отжига для снятия напряжений, равную 1,0 МПа или более. Кроме того, когда используют силикат калия, получают высокую адгезионную прочность до отжига для снятия напряжений, равную от 4,0 до 7,0 МПа.
Используемая легкоплавкая неорганическая композиция по настоящему изобретению может представлять собой вышеописанную неорганическую композицию, также смешанную с коллоидным диоксидом кремния. Смешиванием с коллоидным диоксидом кремния и т.п. можно отрегулировать вязкость при отжиге для снятия напряжений, когда неорганическая композиция размягчается. Кроме того, остающийся неразмягчающимся во время отжига для снятия напряжений коллоидный диоксид кремния действует как укрепляющий элемент и придает прочность склеивающему слою после отжига для снятия напряжений.
Смола, которую можно использовать в настоящем изобретении, может представлять собой не только термоотверждаемую смолу, такую как фенольная смола или эпоксидная смола, которая подвергается отверждению при склеивании стальных листов прессованием и нагреванием, но также термопластичную смолу, такую как акриловая смола или метакриловая смола, которая не отверждается даже при использовании нагревания. Можно использовать любую термопластичную или термоотверждаемую смолу, но предпочтительна смола, обладающая адгезионной способностью.
Смола по настоящему изобретению размягчается при температурах от комнатной температуры до 300°С. С учетом слипания и т.п. предпочтительными смолами являются смолы, которые размягчаются до степени, выражающейся в текучести при не менее 50°С, 80°С, 100°С или предпочтительнее 120°С, но не более чем при 300°С. Размягчение "до степени, выражающейся в текучести" означает, что вязкость смолы составляет примерно 1×106 дПа·с или менее. В качестве механизма, по которому твердая смола на поверхности стального листа размягчается при нагревании до 300°С или меньше, возможен случай, когда смола является термопластичной, и температура термопластичности составляет 120°С-300°С.
Также в качестве механизма, по которому размягчается термоотверждаемая смола, возможен случай нагрева до температуры выше температуры стеклования с тем, чтобы размягчить смолу до высокоэластического состояния или жидкого состояния. В частности, в случае смолы, отверждающейся при такой невысокой температуре, как 200°С или менее, в течение короткого промежутка времени, в примерно десятки секунд или менее, нагрев иногда вызывает переход в высокоэластическое состояние, хотя также происходит реакция сшивания, при которой образуется трехмерная структура. Когда такую смолу нагревают до более высокой температуры, вновь преобладает реакция сшивания, и смола отверждается.
Эмульсия эпоксидной смолы, модифицированной акриловой смолой, содержащая латентный отвердитель, используемая в настоящем изобретении, представляет собой эмульсию, полученную смешиванием латентного отвердителя с эпоксидной смолой, реагирующую с акриловой смолой, для нанесения покрытия из смеси эпоксидной смолы и латентного отвердителя. Термин "эпоксидная смола" в данном описании относится к смоле с двумя или большим числом эпоксигрупп в мономере, в том числе в следующих типах мономеров: бисфенол А, бисфенол F, бисфенол AD, нафталин, феноловый новолак, о-крезоловый новолак, глицидиловый эфир, алициклические мономеры и др. В качестве латентного отвердителя можно использовать дициандиамид, меламин, дигидразид органической кислоты, аминоимид, кетамин, соли третичных аминов, соли имидазола, соли трифторборамина, отвердитель микрокапсульного типа, отвердитель типа молекулярных сит и подобные реагенты. Смесь вышеуказанной эпоксидной смолы и отвердителя эпоксидной смолы модифицируют акриловой смолой.
Термин "модифицированная" в данном описании обозначает применение акриловой смолы для химического связывания с поверхностью смеси эпоксидной смолы и отвердителя эпоксидной смолы. Акриловая смола, используемая для такой модификации, может включать звенья, образованные способными к полимеризации или сополимеризации мономерами или их сочетаниями, такими как метакриловая кислота, эфир метакриловой кислоты, акриловая кислота, эфир акриловой кислоты, стирол, винилацетат и т.п. Отношение эпоксидной смолы к латентному отвердителю эпоксидной смолы в смеси значительно изменяется в зависимости от типа эпоксидной смолы и отвердителя, но, как правило, подходящим является отношение 0,05-2 массовые части отвердителя на одну массовую часть эпоксидной смолы. Смесь, состоящую, главным образом, из эмульсии эпоксидной смолы, модифицированной акриловой смолой, содержащей латентный отвердитель, следует наносить на поверхность стального листа заранее и высушивать до состояния неполного отверждения. Такое состояние означает состояние отсутствия липкости или слипания и сохранение клейкости при прессовании и нагревании после резки и пакетирования. Как правило, состояние неполного отверждения можно получить сушкой при температуре печи 100-300°С в течение 10-90 секунд.
Кроме того, в качестве смолы, которая размягчается при нагревании, можно использовать полисилоксан. Полисилоксан представляет собой полимер с неорганическими связями Si-O-Si, содержащимися в главной цепи. Si, как и С, может непосредственно химически связываться с органическими группами или Н, как, например, в Si-СН3, Si-С6Н5 и Si-H, так что можно получить полисилоксан с органическими группами или Н в структуре.
Структура, когда одна из четырех связей Si образует связь Si-R (R в данном случае представляет органическую группу или Н) и другие три связи образуют связи Si-O, называется "Т-центровой". Структура Т-центра, где имеются три связи Si через О, т.е. R-Si(-O-Si)3, называется "Т3-центровой". Тип Si-центра можно оценить методом ЯМР. Кроме Т-центра существуют D-центр и Q-центр как Si-центры, которые образуют полисилоксаны. D-Центр представляет собой структуру, в которой две из четырех связей Si образуют связи Si-R (R представляет органическую группу или Н), а остальные две связи образуют связи Si-O. Q-Центр представляет собой структуру, в которой четыре из имеющихся связей Si образуют связи Si-O.
Когда атомы Si структуры типа Т-центра повторно связываются согласно определенному правилу, образуется лестницеобразная (лестничная) молекула, такая как показанная на фиг.2.
Полимер, содержащий лестничную молекулу, после нанесения и сушки становится полимером из переплетенных молекулярных цепей лестничной формы, образуя поверхность твердого материала без липкости или слипания. Переплетенные молекулярные цепи распутываются при 100°С или более высокой температуре, приобретая текучесть. При появлении текучести, кроме Si-центра, с которыми связаны метильные группы, также могут содержаться Si-центры, с которыми связаны эпоксигруппы.
Полисилоксан по настоящему изобретению получают гидролизом в присутствии катализатора - хлористоводородной кислоты - с использованием в качестве исходного материала одного или обоих мономеров из числа органотриалкоксисиланов или органотрихлорсиланов. В качестве органотриалкоксисилана можно назвать триэтоксисилан, триметоксисилан, метилтриметоксисилан, метилтриэтоксисилан, этилтриметоксисилан, этилтриэтоксисилан, пропилтриметоксисилан, пропилтриэтоксисилан, изобутилтриметоксисилан, изобутилтриэтоксисилан, фенилтриметоксисилан, фенилтриэтоксисилан, метакрилоксипропилтриметоксисилан, метакрилоксипропилтриэтоксисилан, глицидоксипропилтриметоксисилан, глицидоксипропилтриэтоксисилан, аминопропилтриметоксисилан, аминопропилтриэтоксисилан и т.д. В качестве органотрихлорсилана можно назвать метилтрихлорсилан, этилтрихлорсилан, фенилтрихлорсилан и т.д.
Один или оба мономера из числа органотриалкоксисиланов и органотрихлорсиланов можно диспергировать в органическом растворителе и затем гидролизовать. В качестве растворителя можно использовать метанол, этанол, пропанол, бутанол или другие различные типы спиртов, ацетон, толуол, ксилол и т.д. Массовое отношение органического растворителя к органоалкоксисилану во время гидролиза составляет предпочтительно от 1,0:0,5 до 1:2.
Гидролиз осуществляют, добавляя воду в количестве от 0,1 до 1 части, в молярном отношении к числу молей всех алкоксигрупп в исходном материале. В качестве катализатора гидролиза добавляют хлористоводородную кислоту. Когда в качестве исходного материала используют органотрихлорсилан, добавление воды вызывает образование хлористоводородной кислоты как побочного продукта, так что гидролиз осуществляется в присутствии катализатора хлористоводородной кислоты даже без каких-либо специальных мер, и нет необходимости в добавлении хлористоводородной кислоты.
Гидролизованный золь, как правило, концентрируют или обрабатывают иначе для того, чтобы промотировать реакцию поликонденсации для получения полисилоксана. Предпочтительно проведение концентрирования, например, с использованием роторного испарителя для удаления органического растворителя или спирта и других побочных продуктов реакции и получения концентрата массой примерно 15-60% от массы раствора до концентрирования. Как иной, чем концентрирование, способ промотирования реакции поликонденсации для получения полисилоксана можно добавить КОН или другую щелочь и осуществить кипячение с обратным холодильником в атмосфере азота, и т.д. Полученный полисилоксан разбавляют органическим растворителем или водой примерно в 1,5-10 раз для получения раствора для нанесения покрытия. Обычно сушкой при 100°С-200°С в течение 15-120 секунд получают состояние, подходящее для склеивания под давлением и при нагреве.
Следует отметить, что смола или легкоплавкая неорганическая композиция в настоящем изобретении иногда, в зависимости от атмосферы нагрева и отжига или других условий, не плавится, по меньшей мере, по внешнему виду, и остается в виде частиц в покрытии по настоящему изобретению. Если нагрев и отжиг вызывают проявление функции адгезии, внешний вид не важен в настоящем изобретении.
Хотя настоящее изобретение можно применить к любому листу электротехнической стали, такому как лист текстурованной стали, нетекстурованной стали и т.д., полученной одинарной прокаткой и отжигом, независимо от типа, эффект наиболее заметен при применении листа нетекстурованной электротехнической стали, используемой для магнитных сердечников для мотора.
В обычном способе получения листа текстурованной электротехнической стали или листа нетекстурованной электротехнической стали стальные листы подвергают окончательному отжигу и затем на стальной лист наносят покрытие. В случае листа текстурованной электротехнической стали наносят покрытие на основе фосфатов, содержащее диоксид кремния, в то время как в случае листа нетекстурованной электротехнической стали наносят покрытие на основе хроматов. В случае листа текстурованной электротехнической стали существуют способы получения пленки, содержащей, главным образом, форстеритовый силикат, во время окончательного отжига, способ, не допускающий ее образования или способ удаления образовавшейся форстеритовой пленки травлением или другими способами. Настоящее изобретение можно применять независимо от наличия пленки на поверхности.
Лист электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием по настоящему изобретению получают нанесением покрытия на лист электротехнической стали из раствора для покрытия, содержащего композицию термостойкого клеящего изоляционного покрытия, с помощью валков, планки поливом, окунанием, распылением или иным способом. Количество покрытия составляет предпочтительно от 1 г/м2 до 30 г/м2, предпочтительнее от 2 г/м2 до
10 г/м2.
Композиция термостойкого клеящего изоляционного покрытия предпочтительно состоит из смешанных вместе смолы и легкоплавкой неорганической композиции, но также может применяться при условии, когда два компонента смешаны в блоках или когда два покрытия наносят по отдельности в два слоя. Композиция также может состоять из матрицы, образованной органическим ингредиентом, в которой легкоплавкая неорганическая композиция диспергирована каплями, узкими полосками, или может состоять из неорганической матрицы с силоксановыми связями и т.д., в которой органический ингредиент диспергирован в форме капель или мелких включений.
Толщина покрытия составляет предпочтительно от 0,5 мкм до 20 мкм на сторону. Если толщина покрытия меньше 0,5 мкм, вся поверхность стального листа может оказаться покрытой недостаточно, что приводит к получению недостаточной адгезионной прочности, в то время как если толщина превышает 20 мкм, скорость заполнения во время прессования и нагревания может резко упасть. По этим причинам лучшей является толщина от 0,5 мкм до 20 мкм.
Композицию покрытия по настоящему изобретению наносят на поверхность листа электротехнической стали и затем сушат для его отверждения с тем, чтобы отсутствовали липкость или слипание. Сушкой при 50-200°С можно получить лист электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием. Данную стадию можно выполнять непосредственно перед тем, как штамповать детали магнитного сердечника, или перед сборкой магнитного сердечника, но покрытие наносят заранее во время получения стального листа для того, чтобы получить так называемый лист электротехнической стали "с предварительно нанесенным покрытием", что особенно предпочтительно для оптимальной организации способа производства магнитных сердечников. При сборке в пакет деталей из листа стали, полученных штамповкой из такого стального листа, в требуемые формы с тем, чтобы получить соединенные листы сердечника, смолу размягчают нагреванием до температуры более высокой, чем температура сушки.
Когда в пакет собирают и подвергают горячему прессованию детали из листа электротехнической стали с покрытием по настоящему изобретению, нанесенным на обе стороны, смолы размягчаются и сливаются друг с другом во время горячего прессования, так что детали из электротехнической листовой стали могут являться склеенными после охлаждения.
Когда детали из листа электротехнической стали с покрытием по настоящему изобретению, которое находится только на одной стороне, собирают в пакет, размягченные смолы распределяются равномерно по поверхностям деталей из листа электротехнической стали без слоя покрытия по настоящему изобретению, так что листы могут являться склеенными после охлаждения. Температура горячего прессования предпочтительно не превышает 300°С, поскольку поддерживать более высокую температуру прессования дорого. Давление при горячем прессовании составляет предпочтительно от 1 МПа до 50 МПа, предпочтительно от 1 МПа до 20 МПа. Если давление при горячем прессовании слишком низкое, адгезия может оказаться недостаточной, что приводит к неполному соединению магнитного сердечника. Если давление при горячем прессовании слишком высокое, адгезив может стать достаточно жидким для того, чтобы вытекать.
Лист электротехнической стали по настоящему изобретению можно обрабатывать штамповкой в нужные формы, собирать в пакеты, прессовать и нагревать, и получать пластинчатый магнитный сердечник. Даже когда сердечник подвергают отжигу для снятия напряжений, если это требуется, адгезия между собранными в пакет стальными листами сохраняется. Температура отжига для снятия напряжений, как правило, составляет 650°С-850°С и чаще 700°С-800°С.
Следует отметить, что покрытие по настоящему изобретению обладает адгезией даже без отжига для снятия напряжений или другого отжига, так что его можно использовать также для магнитных сердечников, не подвергающихся отжигу для снятия напряжений. Покрытие можно использовать в качестве клеящего слоя для применения с отжигом для снятия напряжений и для применения без отжига для снятия напряжений.
Кроме того, когда применяют отжиг для снятия напряжений в случае скрепления прессованием и нагревом, его также можно объединять со скреплением взаимосцеплением или зажимными устройствами.
Пример 1
Получают водные суспензии, содержащие, каждая, 20 мас.% (в пересчете на содержание твердых веществ от общей массы 100%) смолы, представляющей смесь акриловая смола:эпоксидная смола:фенольная смола = 10:4:3 (мас.%), смешанные со стеклообразной фриттой с температурой размягчения 450°С и частицами разного размера. Отношение в смеси смола/стеклообразная фритта в каждом растворе, содержащем стеклообразную фритту, доводят до 200%. Каждый раствор для покрытия наносят на подвергнутый окончательному отжигу лист нетекстурованной электротехнической стали толщиной 0,5 мм без изоляционного покрытия с использованием валков до количества покрытия 6 г/м2 на сторону. Лист сушат при 150°С и охлаждают. Толщина покрытия на сторону составляет 10 мкм. Из каждого образца вырезают образцы для испытаний длиной 10 см в направлении прокатки и длиной 3 см в направлении, перпендикулярном направлению прокатки. Затем два таких образца накладывают друг на друга по коротким сторонам на 1 см при площади перекрытия 3 см2, прессуют при 10 кг/см2, нагревают до 250°С в таком состоянии, выдерживают в течение 60 секунд и охлаждают, получают образцы для испытаний для оценки адгезионной прочности при 250°С. Часть таких образцов для испытаний греют при 750°С без нагрузки в течение 2 часов и охлаждают, получают образцы для испытаний для оценки адгезионной прочности при 750°С. Полученные таким образом образцы для испытаний оценивают на адгезионную прочность с использованием динамометра. Результаты приводятся в табл.4.
| Таблица 4 | ||||
| № партии | Смола/стекл. фритта, средний размер частиц, мкм | Адгезионная прочность, кг/см2 | Примечания | |
| 250°С | 750°С | |||
| 1 | 2 | 40 | 7 | Пример |
| 2 | 5 | 35 | 8 | Пример |
| 3 | 10 | 40 | 6 | Пример |
| 4 | 15 | 30 | 4 | Пример |
| 5 | 20 | 20 | 5 | Пример |
| 6 | 25 | 5 | Разъединились до измерения | Пример сравн. |
Как видно из табл.4, образцы партий №1-5 со стеклоообразными фриттами с частицами среднего размера от 2 мкм до 20 мкм показывают превосходную адгезионную прочность, равную 10 кг/см2 или более, при 250°С и адгезионную прочность 1 кг/см2 или более при 750°С, в то время как образец из партии №6 со стеклоообразной фриттой с частицами среднего размера 25 мкм показывает неудовлетворительную адгезионную прочность, такую как 5 кг/см2 при 250°С и слишком малую для оценки адгезионную прочность при 750°С.
Примеры композиций по изобретению со стеклоообразными фриттами с частицами среднего размера 20 мкм или менее превосходят композицию примера для сравнения, в которой средний размер частиц составляет 25 мкм.
Пример 2
Получают водные суспензии, содержащие, каждая, 20 мас.% (в пересчете на содержание твердых веществ от общей массы 100%) смолы, представляющей смесь акриловая смола:эпоксидная смола:фенольная смола = 11:3:4 (мас.%), смешанные со стеклообразной фриттой, содержащей В2O3=25 мас.%, SiO2=65 мас.%, Na2O=10 мас.%, и имеющей коэффициент линейного теплового расширения при температуре от 30°С до 300°С, равный 40×10-7 (°С-1) (пример по изобретению), и такую же суспензию, но смешанную со стеклообразной фриттой, содержащей B2O3=50 мас.%, SiO2=25 мас.%, K2O=25 мас.%, и имеющей коэффициент линейного теплового расширения при температуре от 30°С до 300°С, равный 170×10-7 (°С-1) (пример сравнения). Стеклообразная фритта, используемая в каждом примере, содержит частицы со средним размером 10 мкм. Отношение смола/стеклообразная фритта в растворе, содержащем стеклообразную фритту, в каждом случае доводят до 100%.
Каждый раствор для покрытия наносят на подвергнутый окончательному отжигу лист нетекстурованной электротехнической стали толщиной 0,5 мм с изоляционным покрытием хромата магния с использованием валков до количества покрытия 8 г/м2 на сторону. Лист сушат при 140°С и охлаждают. Толщина покрытия на сторону составляет 6 мкм. Из каждого образца вырезают образцы для испытаний в форме колец с внутренним диаметром 10,16 см (4 дюйма) и наружным диаметром 12,7 см (5 дюймов). Двадцать пластин собирают в пакет и прессуют при 10 кг/см2, греют при 250°С в течение 4 часов и получают магнитный сердечник со слоями клеящего покрытия. Полученный магнитный сердечник отжигают в отсутствие давления при температуре 750°С в течение 2 часов. Наконец, оценивают потери в сердечнике при 50 Гц и магнитной индукции 1 тесла. Результаты приводятся в табл.5.
| Таблица 5 | |||
| № партии | Коэффициент линейного теплового расширения (°С-1) | Потери в сердечнике (Вт/кг) | Примечания |
| 1 | 40×10-7 | 3,05 | Пример |
| 2 | 170×10-7 | 3,27 | Пример сравн. |
Как видно из табл.5, магнитный сердечник из партии №1 со стеклообразной фриттой с коэффициентом линейного теплового расширения 40×10-7 (°С-1) имеет хороший показатель потерь, равный 3,05 (Вт/кг), в то время как магнитный сердечник из партии №2 со стеклообразной фриттой с коэффициентом линейного теплового расширения, равным 170×10-7 (°С-1), имеет неудовлетворительный показатель потерь, равный 3,27 (Вт/кг), таким образом, показано, что покрытие примера по настоящему изобретению превосходит покрытие примера сравнения.
Пример 3
Получают указанные далее четыре типа растворов для покрытия.
Раствор для покрытия А
В 100 массовых частях воды смешивают 40 массовых частей эмульсии эпоксидной смолы, модифицированной акриловой смолой, содержащей 20 мас.% латентного отвердителя, и 5 массовых частей метилэтилкетона. Смола, полученная нанесением такого раствора для покрытия и сушкой такого покрытия, имеет температуру стеклования 104°С и размягчается при 120°С или более высокой температуре.
Раствор для покрытия В
В 100 массовых частях воды смешивают 40 массовых частей эмульсии акриловой смолы, 40 массовых частей эмульсии эпоксидной смолы и 4 массовых части отвердителя эпоксидной смолы на основе аминов. Смола, полученная нанесением такого раствора для покрытия и сушкой такого покрытия, размягчается при 150°С или более высокой температуре.
Раствор для покрытия С
В раствор 178 г метилтриэтоксисилана в 138 г этанола добавляют по каплям водный раствор из 35,3 г воды и 1,04 г 35% соляной кислоты для гидролиза. Гидролизованный раствор концентрируют с использованием роторного испарителя при 58°С до тех пор, пока растворитель более не выпаривается. Масса концентрата составляет 30% от массы раствора до концентрирования. Среднемассовая молекулярная масса такого концентрата составляет 10000. Так как концентрат обнаруживает способность к растяжению, оказалось, что метилтриэтоксисилан полимеризуется в форме линейного полимера. Полученный концентрат отверждается после термообработки при 70°С в течение 15 минут, но размягчается около 180°С. Со 100 массовыми частями такого концентрата смешивают 200 массовых частей этанола.
Раствор для покрытия D
Метилтриэтоксисилан в количестве 178 г и 152 г тетраметоксисилана диспергируют в 270,3 г 2-этоксиэтанола. Используя в качестве катализатора уксусную кислоту в количестве 4,8 г и добавляя 36 г воды для гидролиза, получают раствор для покрытия. Такой полисилоксан после нагревания не размягчается.
В табл.6 в средних строках, относящихся к растворам для покрытий, температуры, указанные в скобках после составов стекол, являются температурами размягчения стекол. Все стекла, перечисленные в табл.6, представляют собой порошки с частицами среднего размера 2 мкм. Образцы в примерах и примерах сравнения представляют собой листы нетекстурованной электротехнической стали с покрытиями, нанесенными из растворов на обе стороны с помощью валков и высушенными в сушильной установке при 70°С в течение 15 минут. Количество покрытия составляет 7 г/м2. В каждом случае поверхность покрытия после сушки не является липкой.
Используют два образца для испытаний шириной 3 см и длиной 10 см. Образцы для испытаний частично накладывают друг на друга так, чтобы получить площадь контакта 6 см2, затем образцы подвергают горячему прессованию. Перед горячим прессованием другие части покрытия, которые не связываются, соскребают. Два образца для испытаний соединяют горячим прессованием при 200°С в течение 1 минуты и давлении 10 МПа. Отжиг для снятия напряжений осуществляют в атмосфере азота при 750°С в течение 2 часов. Адгезионную прочность до и после отжига для снятия напряжений оценивают с использованием показателя предела прочности на сдвиг при растяжении при приложении силы к связанным поверхностям в горизонтальном направлении.
Пример сравнения 1 включает стекло с температурой размягчения более высокой, чем температура отжига для снятия напряжений, не показывающее адгезии после отжига. Пример сравнения 2 представляет собой случай, когда смола не размягчается из-за нагревания, не показывая адгезии при горячем прессовании. Пример сравнения 3 не включает легкоплавкое стекло, что приводит к отсутствию адгезии после отжига для снятия напряжений.
| Таблица 6 | |||||
| Раствор для покрытия | Покрытие на поверхн. листа нетекстур. электротехн. стали1) | Адгезионная прочность (МПа) | |||
| До отжига | После отжига | ||||
| Пр.1 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 2,0 | 2,3 |
| Порошок стекла на основе SiO2-B2O3-Na2O (540°С) | 25 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр.2 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 2,5 | 1,7 |
| Порошок стекла на основе P2O5-Na2O-K2O-F (360°С) | 25 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр.3 | Раствор для покрытия В | 100 мас. частей | Да | 1,9 | 1,1 |
| Порошок стекла на основе В2O3-ZnO- Bi2O3 (560°С) |
25 мас. частей | ||||
| Вода | 200 мас. частей | ||||
| Пр.4 | Раствор для покрытия С | 100 мас. частей | Нет | 2,3 | 2,0 |
| Порошок стекла на основе SiO2-B2O3-Na2O (540°С) | 30 мас. частей | ||||
| 2-Этоксиэтанол | 100 мас. частей | ||||
| Пр. ср.1 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 2,1 | 0,0 |
| Порошок стекла SiO2 (1690°С) | 25 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр. ср. 2 | Раствор для покрытия D | 100 мас. частей | Да | 0,0 | Не подается измер. |
| Порошок стекла на основе SiO2-B2O3-Na2O (540°С) | 25 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр. ср. 3 | Раствор для покрытия В | 100 мас. частей | Да | 4,0 | 0,0 |
| 1) Для образования на поверхности изолирующего покрытия нанесен и высушен раствор смеси неорганический-органический компонент, содержащий, главным образом, хромат магния и акриловую смолу. |
Пример 4
Получают указанные далее четыре типа растворов для покрытия.
Раствор для покрытия А
В 100 массовых частях воды смешивают 40 массовых частей эмульсии эпоксидной смолы, модифицированной акриловой смолой, содержащей 20 мас.% латентного отвердителя, и 5 массовых частей метилэтилкетона. Смола, полученная нанесением такого раствора для покрытия и сушкой такого покрытия, имеет температуру стеклования 104°С и размягчается при 120°С или более высокой температуре.
Раствор для покрытия В
Смешивают воду в количестве 100 массовых частей, 40 массовых частей эмульсии акриловой смолы, 40 массовых частей эмульсии эпоксидной смолы и 4 массовые части отвердителя эпоксидной смолы на основе аминов. Смола, полученная нанесением такого раствора для покрытия и сушкой такого покрытия, размягчается при 150°С или более высокой температуре.
Раствор для покрытия С
К раствору 178 г метилтриэтоксисилана в 138 г этанола добавляют для гидролиза по каплям водный раствор, содержащий 35,3 г воды и 1,04 г 35% соляной кислоты. Гидролизованный раствор концентрируют с использованием роторного испарителя при 58°С до тех пор, пока растворитель более не выпаривается. Масса концентрата составляет 30% от массы раствора до концентрирования. Полученный концентрат имеет среднемассовую молекулярную массу 10000. Полученный концентрат обнаруживает способность к растяжению, так что оказалось, что метилтриэтоксисилан полимеризуется в форме линейного полимера. Полученный концентрат отверждается после термообработки при 70°С в течение 15 минут, но размягчается около 180°С. Со 100 массовыми частями такого концентрата смешивают 200 массовых частей этанола.
В примерах растворы для покрытий А-С разбавляют водой, затем добавляют растворимое стекло различных типов и получают растворы для покрытия. В примерах и примерах сравнения на листы нетекстурованной электротехнической стали толщиной 0,5 мм наносят покрытие на обе стороны из соответствующих растворов для покрытия с использованием валков и сушат в сушильной установке при 70°С в течение 15 минут. Количество покрытия составляет 10 г/м2. В каждом случае поверхность покрытия после сушки не является липкой.
Используют два образца для испытаний шириной 3 см и длиной 10 см. Образцы для испытаний частично накладывают друг на друга так, чтобы получить площадь контакта 6 см2, затем образцы подвергают горячему прессованию. Перед горячим прессованием другие части покрытия, которые не связываются, соскребают. Два образца для испытаний соединяют горячим прессованием при 200°С в течение 1 минуты и давлении 10 МПа. Отжиг для снятия напряжений осуществляют в атмосфере азота при 750°С в течение 2 часов. Адгезионную прочность до и после отжига для снятия напряжений оценивают по величине предела прочности на сдвиг при растяжении, т.е. при приложении силы к связанным поверхностям в горизонтальном направлении (табл.7).
| Таблица 7 | |||||
| Раствор для покрытия | Покрытие на поверхн. листа нетекстур. электротехн. стали1) | Адгезионная прочность (МПа) | |||
| До отжига | После отжига | ||||
| Пр.1 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 2,4 | 1,0 |
| Силикат натрия №1 (SiO2/Na2O=2,1 [мол. отнош.]) |
50 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр.2 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 1,1 | 2,1 |
| Силикат натрия №1 (SiO2/Na2O=2,1 [мол. отнош.]) | 100 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр.3 | Раствор для покрытия В | 100 мас. частей | Да | 2,1 | 1,1 |
| Бисиликат натрия, 3 (SiO2/Na2O=3,2 [мол. отнош.]) | 40 мас. частей | ||||
| Вода | 200 мас. частей | ||||
| Пр.4 | Раствор для покрытия С | 100 мас. частей | Нет | 2,3 | 2,0 |
| Силикат натрия №1 (SiO2/Na2O=2,1 [мол. отнош.]) | 50 мас. частей | ||||
| 2-Этоксиэтанол | 100 мас. частей | ||||
| Пр. 5 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 4,1 | 0,9 |
| Силикат калия А (SiO2/K2O=3,0 [мол. отнош.]) | 50 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр. 6 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 3.9 | U |
| Силикат калия 2К (SiO2/Na2O=3,5 [мол. отнош.]) | 75 мас. частей | ||||
| Вода | 150 мас. частей | ||||
| Пр. 7 | Раствор для покрытия В | 100 мас. частей | Да | 1,1 | 0,9 |
| Силикат лития 35 (SiO2/Li2O=3,5 [мол. отнош.]) | 50 мас. частей | ||||
| Вода | 200 мас. частей | ||||
| Пр. 8 | Раствор для покрытия А | 100 мас. частей | Да | 2,1 | 0,9 |
| Силикат натрия №1 (SiO2/Na2O=2,1 [мол. отнош.]) | 10 мас. частей | ||||
| Коллоидный диоксид кремния (размер частиц 300 нм) | 25 мас. частей | ||||
| Вода | 100 мас. частей | ||||
| 1) Для образования на поверхности изолирующего покрытия нанесен и высушен раствор смеси неорганический-органический компонент, содержащий, главным образом, хромат магния и акриловую смолу. |
Пример 5
Получают раствор для покрытия D, описанный в примере 3. Со 100 массовыми частями раствора для покрытия D смешивают 10 массовых частей сферических частиц 28 полиэфира, имеющих средний размер 4 мкм и температуру размягчения 200°С, и диспергируют их в растворе. Полученную смесь наносят с использованием валков на лист неткстурованной электротехнической стали с поверхностным слоем, полученным с помощью раствора смеси неорганического-органического компонентов, затем сушат в сушильной установке при температуре до 100°С. Количество покрытия составляет 10 г/см2. Используют два образца для испытаний шириной 3 см и длиной 10 см. Образцы для испытаний частично накладывают друг на друга так, чтобы получить площадь контакта 6 см2, затем образцы подвергают горячему прессованию. Перед горячим прессованием другие части покрытия, которые не связываются, соскребают. Два образца для испытаний соединяют горячим прессованием при 230°С в течение 1 минуты и давлении 10 МПа. Отжиг для снятия напряжений осуществляют в атмосфере азота при 750°С в течение 2 часов. Адгезионную прочность до и после отжига для снятия напряжений оценивают по величине предела прочности на сдвиг при растяжении, т.е. при приложении силы к связанным поверхностям в горизонтальном направлении. Адгезионная прочность до и после отжига для снятия напряжений составляет 1,0 МПа и 2,1 МПа.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению возможно получить электротехническую листовую сталь с термостойким клеящим изоляционным покрытием, способным проявлять адгезию при использовании прессования и нагрева после штамповки или резки, так что можно собрать магнитный сердечник с последующим сохранением в нем адгезии даже после отжига для снятия напряжений. Магнитный сердечник можно собрать из пластин без сварки и взаимосцепления, избегая ухудшения показателя потерь в сердечнике из-за сварки или взаимосцепления, и адгезионная способность изоляционного слоя сохраняется даже после отжига для снятия напряжений, так что можно получить магнитный сердечник с превосходными электротехническими свойствами.
1. Термостойкое клеящее изоляционное покрытие, содержащее смолу с температурой размягчения от комнатной температуры до 300°С, включающую один или несколько типов смол, выбранных из эпоксидной смолы, акриловой смолы, фенольной смолы, не полностью отвержденной смолы, состоящей, главным образом, из эмульсии эпоксидной смолы, содержащей латентный отвердитель, модифицированной акриловой смолы или лестничного полисилоксанового полимера, и легкоплавкую неорганическую композицию, представляющую собой легкоплавкую стеклообразную фритту, растворимое стекло или их смесь с коллоидным диоксидом кремния с температурой размягчения не выше 1000°С, причем отношение смолы и легкоплавкой неорганической композиции в смеси составляет от 20 до 500 мас.%.
2. Термостойкое клеящее изоляционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что адгезионная прочность при 250°С составляет 10 кг/см2 или более и адгезионная прочность при 750°С составляет 1 кг/см2 или более.
3. Термостойкое клеящее изоляционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что коэффициент линейного теплового расширения от 30 до 300°С составляет 10·10-7 до 150·10-7 °С-1.
4. Термостойкое клеящее изоляционное покрытие по п.3, отличающееся тем, что легкоплавкая неорганическая композиция содержит частицы среднего размера 20 мкм или менее.
5. Термостойкое клеящее изоляционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что легкоплавкая неорганическая композиция представляет собой легкоплавкое стекло на основе SiO2-В2O3-R2O, где R представляет собой щелочной металл.
6. Термостойкое клеящее изоляционное покрытие по п.1, отличающееся тем, что указанное растворимое стекло представляет собой силикат натрия.
7. Лист электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием, состоящий из стального листа с покрытием по п.1, по меньшей мере, на одной поверхности.
8. Лист электротехнической стали по п.7, отличающийся тем, что термостойкое клеящее изоляционное покрытие имеет толщину от 0, 5 до 20 мкм.
9. Магнитный сердечник, выполненный из собранных в пакет листов электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием по п.7.
10. Способ получения магнитного сердечника с использованием листа электротехнической стали с термостойким клеящим изоляционным покрытием, включающий сборку в пакет и прессование листов электротехнической стали по п.7, для формирования пакета пластин из листов электротехнической стали с последующим их отжигом при температуре от 600 до 900°С с получением пластинчатого магнитного сердечника.
11. Способ получения магнитного сердечника по п.10, дополнительно включающий, по меньшей мере, на стадии прессования соединение листов нагревом для склеивания или соединения их блокировкой или зажимными приспособлениями, или тем и другим способом.
