无取向电工钢基板状态对涂层表面绝缘电阻的影响.pdf

无取向电工钢基板状态对涂层表面绝缘电阻的影响吴时昌(武汉钢铁有限公司冷轧厂湖北武汉:)摘要针对困扰企业多年的冷轧无取向电工钢成品表面电阻偏低问题进行研究,结合现场大生产条件,研究了基板表面残留物、表面粗糙度、表面形貌等方面对表面电阻的影响.发现通过改善无取向电工钢的基板状态,可以获得良好的涂层表面绝缘电阻,其中基板的表面残留物含量和表面质量的改善影响尤为明显.关键词无取向;电工钢;基板状态;涂层;表面绝缘电阻;硅钢;绝缘性能中图分类号:TM 文献标识码:A 文章编号:()收稿日期:修回日期:作者简介:吴时昌(),男,工程师 E m a i l:E b a o s t e e l c o m无取向电工钢是一种广泛应用于电机制造领域的钢铁产品,其电磁性能是用户最关心的技术指标之一.在生产过程中,通常在其表面涂覆一层绝缘涂层,以减少电工钢片在交变电流磁化过程中的涡流损耗.目前电工钢市场竞争日益激烈,用户对产品的绝缘性能要求越来越高,企业也将绝缘性能纳入过程管控和产品合格放行标准,且将标准从原先的层间电阻 c m/片,改为表面绝缘电阻 mm/片.在启用新标准后,年月至 年月,某钢厂机组无取向电工钢产品表面绝缘电阻合格率不到,月改判量达 万吨以上,不仅极大影响产品盈利能力,而且削弱了企业产品市场竞争力,因此有必要对影响产品涂层绝缘性能的因素展开研究.涂层附着机理及影响基板表面电阻的因素要研究基板状态对涂层表面绝缘电阻的影响,首先要对涂层附着机理、基板表面残留物、表面粗糙度、表面形貌缺陷等对表面电阻可能产生影响有初步了解.涂层附着机理无取向电工钢绝缘涂层是通过涂层辊以物理方式涂覆到基板上的.涂层附着性,即涂层与基体间的界面结合力强度,是涂层各种使用性能实现的重要前提.附着,是发生在紧密接触的两物体界面分子之间,通常会生成新的界面层,从而形成了附着力.附着力是一种复杂的现象,涉及到“界面”的物理效应和化学反应.目前,很多有关涂层的附着机理人们尚未完全了解.广义上认为,使两个物体连接到一起的力,主要是基体和涂层通过扩散生成机械连接、静电吸引或化学键合等形成.根据基体材料和所用涂料的物理化学性质的不同,附着力可能来源上述机理的一种或几种.两种材料之间的附着性,一方面与材料本身的性质有关,另一方面还与材料的表面状态有关.根据相似相容原理,当两个相似或相容的表面接触时,界面能较小,附着能就较大;相反,当两个完全不相似或不相容的表面接触时,界面能较大,因此附着能较小.为使涂层能更好地附着于基板,在涂覆工艺一定时,有必要对基板状态展开研究,以便获得良好的涂层表面绝缘电阻.基板表面残留物对表面电阻的影响基板表面残留物体现了基板表面的清洁度,清洁的基板表面能提高膜的附着性.如果基板清洁度不够,其表面上会有一个污染层,它可能是吸附的气体层,也可能是有机物等污染层,该污染层的出现会影响涂液的附着.在无取向电工钢生产过程中,冷轧后的钢带表面通常会有残余轧制油、铁粉等杂质.如果此类杂质在碱洗段未能被彻底清洗,将继续依附在钢带表面,并被带入退火炉内.其中,轧制油经退火后将“碳化”,导致带钢表面“富碳”,这对电工钢的磁性及涂层附着性均有不利影响;对于铁粉,如果清洗不干净,则将附着在基板上,进而形成基板表面有残铁麻点,影响表面光洁度,如有凸起点,则凸起部位涂层将无法附着,这将严重影响无取向电工钢表面绝缘性能.基板表面粗糙度对表面电阻的影响为满足轧制工艺要求,轧制过程对轧机轧辊粗糙度有一定要求,生产过程中轧辊磨削纹路会复刻到钢带基板上下表面.根据涂层表面电阻检测原理得知,磨削纹路的深浅有可能会影响涂层涂覆厚度的大小,从而影响其表面绝缘电阻的高低.图电阻R s测试原理图图为电阻R s测试原理图,图中A为电流表,V为电压表.测量的一个电极是由 根带有极头(面积 mm)的金属杆组成,根金属杆并联连接,极头紧贴涂层表面;另一个电极由钻头和钢板基体组成(钻头穿透层与钢板基体连成一体).对此回路,应用欧姆定律计算:若固定测试电压为 伏,则表面涂层与钢基体的电阻值R s(/I).只要从电流表中读出电流的大小,就可以求出R s,即电阻值R s可以表征涂层对钢板基体的绝缘程度.R s值越大,说明带钢表面涂层厚,绝缘性能越好.如图所示,当极头压在凸起部位时,涂层相对较薄,相比其他正常涂层厚度区域更易导电,从而获得较差的绝缘性能.图正常涂层与麻点涂层导电示意图 基板表面形貌缺陷对表面电阻的影响无取向电工钢原板经退火后,有时会产生一些诸如结瘤、麻点等不易去除的表面缺陷,通常都表现为钢板表面的凸起、氧化(凸起量远大于涂层薄膜厚度).当缺陷部位进入涂层机涂辊时,表面凸起部位无法涂覆上完好的薄膜层,这部分有可能会对其表面绝缘电阻产生影响.基板状态与表面电阻关系研究 基板表面残留物与表面电阻关系研究为研究基板表面清洁度对无取向电工钢涂层绝缘性能的影响,取同为 WW 牌号不同生产批次轧制的不同钢卷进行表面残留物及残铁含量测试.为避免焊缝等对表面残留产生影响,取样部位均在离钢卷带头 m左右,实验钢卷在相同退火工艺下进行生产.表面残留物及残铁含量测试方法参照镀锌基板表面残留检测进行检测,涂层绝缘性参照国标G B T 电工钢片(带)表面绝缘电阻、涂层附着性测试方法 进行测试,检测结果如下表所示.表表面残留物及表面电阻检测结果轧制批次样品编号表面残留(m g/m)表面残铁(m g/m)表面绝缘电阻(mm/片)均值 均值 由表可见,不同批次下轧制的钢卷表面残留物及残铁量有明显差别,同时在同工艺条件下生产的成品,其表面电阻也存在差异,表面残留量越大,表面电阻越小.可以从碱洗后表面质量来解释这一现象.在以上卷带钢生产过程中,同时对碱洗后表面质量进行了擦拭检查,结果如图所示.由图可见,同样碱洗条件下,碱洗后表面质量明显较、脏,即残留物较多,带钢通过退火炉时,部分残留物被带入退火炉内并残留在图无取向电工钢不同样品碱洗后表面擦拭效果图吴时昌:无取向电工钢基板状态对涂层表面绝缘电阻的影响炉辊上形成结瘤物,结瘤物反作用于钢带表面,形成麻点、划伤等缺陷,对退火后表面涂层附着不利.同时,涂层后表面也存在一些涂层缺陷.图是和涂层后在扫描电镜下的形貌.图无取向电工钢和样涂层后S EM扫描图分别对图(a)、图(b)方框区域做能谱(E D S)分析,如图、图所示.从图、图可以看出,E D S检测到的主要元素为O、Z n、C r、F e.电工钢半有机涂层为化学转化涂层,基本组成包括无机组分(含有Z n、C r、O)、有机树脂(含有C、O).由于涂层很薄,E D S检测的范围也包括部分电工钢基板(主要组分为F e).通过比较两者的C r及F e元素含量,样品C r/F e含量比为 ,样品C r/F e含量比为 .在同样的生产工艺条件及E D S测试条件下,能谱的电子束激发区域大致相当,两者元素含量的差别说明涂层后异常区域相对涂层薄,即C r元素来自成膜物质(半有机含铬涂层),含量多则表明涂层厚,反之则薄.由此可见碱洗效果直接影响涂层涂覆厚度的大小,从而影响电阻的高低.图涂层后的能谱(E D S)图及主要元素含量图涂层后的能谱(E D S)图及主要元素含量 表面粗糙度与表面电阻关系研究为研究表面粗糙度对绝缘性能的影响,实验大生产条件下不同轧制批次下的钢卷按相同退火工艺进行生产,用粗糙度仪对原板及涂层后成品进行表武汉工程职业技术学院学报 面粗糙度测试,测试结果如表所示.表粗糙度与表面电阻测试结果样品编号样品名称测试位置粗糙度(m)传动侧中间工作侧表面电阻(mm/片)原板样成品样上表面 下表面 上表面 下表面 /原板样成品样上表面 下表面 上表面 下表面 /原板样成品样上表面 下表面 上表面 下表面 /由表可见,冷轧无取向电工钢表面粗糙度上下表面存在些许差别,从表面电阻检测结果来看,各样板间的粗糙度差别并没有导致表面电阻出现较大差异.现有的轧制工艺限定了粗糙度不会出现很大起伏.较小的变化区间不足以造成电阻有明显变化,即表面粗糙度对涂层表面绝缘电阻影响较小.表面形貌与表面电阻关系研究为分析表面形貌对绝缘性的影响,对某一在线钢卷进行实验跟踪.通过采取停机措施获取退火后及涂层后两个位置的样板并进行S EM表面形貌及成分分析.结果如下图所示.通过对比分析以上电镜扫描图得知,钢带退火后,上表面无异常(见图a),下表面出现凸起物(见图a),应与炉辊接触有关.能谱分析显示(见图 c 和 c),该异常凸起物成分主要以含F e、O元素为主,且肉眼可观察到点状附着物,结合现场生产实际,应为铁的氧化物,俗称结瘤、麻点缺陷.钢带经过涂层工艺处理后,上表面对应的涂层肉眼观察平整光滑、无明显异常,微观扫描图也未见明显异常(见图b);反观下表面对应的涂层,肉眼可见涂层不均匀,存在明显的、分散分布的点状异物,应为涂层前下表面结瘤或麻点缺陷涂层后的形成物,微观图也能明显看到点状凸起物(见图b).对该凸起物做图谱分析得知(见图d 和d),除了主要含F e、O元素,还含有C l、C r、S i和A l等,与涂液成分元素一致.分别对涂后上下表面测试表面电阻,结果为 mm/片 和 mm/片,相差 很大.结合图、图和电阻检测原理分析,在同等工艺条件下,涂层厚度一致时,当基板出现凸起异物,且数量较多时,异物处涂覆的涂层相对较薄,导电能力增图无取向电工钢退火后及涂层后S EM图强,表面电阻变小,所起的绝缘作用相应减弱.因此,无取向电工钢涂层前基板表面形貌对表面电阻有着重要影响,生产过程中应严格控制生产工艺,避免基板产生表面缺陷.结论及建议从对无取向电工钢基板进行各种实验、分析和总结得出:()基板表面残留物及残铁含量对涂层表面绝缘电阻有影响,生产过程中应严格控制轧制过程中残留在钢板表面的轧制油及铁粉等杂质,同时连续退火机组应确保碱洗段碱洗质量,确保杂质不被带入退火炉中.()冷轧无取向电工钢在现有轧辊粗糙度及轧制工艺条件下,可以满足表面电阻对基板表面粗糙度的要求.吴时昌:无取向电工钢基板状态对涂层表面绝缘电阻的影响()基板经过退火炉后所产生的结瘤、麻点等表面缺陷,会严重影响表面电阻的大小,生产过程中应严格控制退火炉生产工艺,确保表面无明显缺陷,以获得良好的表面绝缘电阻.参考文献郑森林,张平余涂层膜基结合强度测定方法研究进展J薄膜科学与技术,():吴树建无取向硅钢绝缘涂层附着性的研究D上海:上海交通大学,谢致薇,蒙继龙物理气相沉积薄膜的界面与附着力J真空科学与技术,():滕林,杨邦朝金属薄膜附着性的改进J电子元件与材料,():陈卓雷,陈晓,陈凌云具有良好附着性的电工钢绝缘涂料:中国,P 张瑜,王卫东,李培锦镀锌基板表面残留物的测定昆钢科技,():S t u d yo nI n f l u e n c eo f t h eS t a t eo fN o n o r i e n t e dE l e c t r i c a l S t e e lS u b s t r a t eo nt h e I n s u l a t i o nR e s i s t a n c eo fC o a t e dS u r f a c eWuS h i c h a n g(C o l d r o l l i n gP l a n t,W u h a nI r o na n dS t e e lC o,L t d,W u h a n ,H u b e i)A b s t r a c t:T ot a c k l et h ep r o b l e mo fl o ws u r f a c er e s i s t a n c eo fc o l d r o l l e dn o n o r i e n t e de l e c t r i c a ls t e e lp r o d u c t sw h i c hh a sp u z z l e de n t e r p r i s e s f o rm a n yy e a r s,t h e i n f l u e n c eo f s u b s t r a t es u r f a c er e s i d u e,s u r f a c er o u g h n e s sa n ds u r f a c e t o p o g r a p h yo ns u r f a c e r e s i s t a n c ew a s s t u d i e d I t i s f o u n d t h a t b y i m p r o v i n g t h e s t a t eo f t h en o n o r i e n t e de l e c t r i c a ls t e e ls u b s t r a t e,g o o di n s u l a t i o nr e s i s t a n c eo f t h ec o a t i n gs u r f a c ec a nb eo b t a i n e d,a n dt h e i m p r o v e m e n t o f t h e s u r f a c e r e s i d u e c o n t e n t a n ds u r f a c eq u a l i t yo f t h e s u b s t r a t e i s e s p e c i a l l yo b v i o u s K e yw o r d s:n o n o r i e n t a t i o n;e l e c t r i c a l s t e e l;s u b s t r a t e s t a t e;c o a t i n g;s u r f a c e i n s u l a t i o n r e s i s t a n c e;s i l i c o ns t e e l;i n s u l a t i o np r o p e r t y(责任编辑:李文英)武汉工程职业技术学院学报