無取向硅鋼涂層的現狀及發展趨勢

姜福健，李元華，高振宇，張本尊，王鐵，吳明，李浩

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠，遼寧 鞍山 114021）

無取向硅鋼具有優異的電磁性能，是一種重要的節能金屬功能材料，主要用作各類電機和小型變壓器的鐵心。為了提高設備效率，節省電能，需要降低無取向硅鋼的鐵損。渦流損耗（Pe）約占鐵損的 20%～40%，由于Pe與鋼板厚度的平方成正比，因此，將鋼板厚度減薄，疊裝起來制作鐵心。為了將渦流損耗有效地限制在各層鋼板內，降低渦流損耗，需要在硅鋼表面涂覆一層具有一定絕緣性能的涂層，使無取向硅鋼具有更加節能的效果。該絕緣涂層一般厚度在0.5～5.0 μm 之間，通常具有良好的絕緣性、附著性、沖片性、焊接性、耐熱性和耐腐蝕性等應用性能。

1 無取向硅鋼涂層類型及現狀

無取向硅鋼絕緣涂層種類主要分為有機涂層、無機涂層和半有機涂層三大類。目前國內外無取向硅鋼生產廠商主要采用半有機涂層。主要產品有武鋼的T4涂層，鞍鋼的TM4涂層，寶鋼的A、H、K涂層，太鋼的 TC、TE系列涂層，新日鐵的L、L2、L3涂層，以及俄羅斯新利佩茨克的TWl涂層等。這些半有機涂層產品中，除了寶鋼K和太鋼TE系列涂層外，大都是含鉻涂層。

目前無取向硅鋼含鉻涂層仍然是市場的主流，根據目前的市場估計，約85%以上的市場被含鉻涂層所占據。含鉻涂層液在生產、涂覆、廢液處理及其涂覆鋼板加工、使用過程中，均會對操作人員造成一定的健康損害，特別是其中含有的六價鉻成分具有高毒性和高致癌性。雖然六價鉻在涂覆燒結固化過程中可以轉換為低毒性的三價鉻，但在一定環境條件下，三價鉻仍然會轉化為六價鉻，對環境造成污染。隨著人們環保意識的不斷提高，已經認識到含鉻涂層對人們的身體健康和自然環境造成的嚴重后果。因此歐美等發達國家在硅鋼生產過程中已陸續放棄使用含鉻涂層，而改用無鉻的環保涂層。

2 無取向硅鋼涂層類型及各自性能特點

依據ASTM A 976-2013標準劃分，目前主要的應用類型有C3涂層，C5薄涂層，C5厚涂層和C6極厚涂層，這些涂層能夠滿足不同電機產品的性能需求?，F主要應用涂層表面外觀狀態如圖1所示。

圖1 不同類型涂層外觀Fig.1 Appearances of Different Types of Coatings

2.1 半有機含鉻涂層

半有機含鉻涂層屬于C5薄涂層，具有優良的綜合性能，能夠滿足常規中小型電機的使用需求。根據用戶加工工藝或產品性能的使用需求，可采用不同厚度的涂層產品。對焊接性能有改善要求的用戶一般采用薄涂層產品，對絕緣性能有改善要求的用戶一般采用厚涂層產品。半有機含鉻涂層的主要性能參數如表1所示。

表1 半有機含鉻涂層的主要性能參數Table 1 Parameters of Main Properties of Semi-organic Chromium-bearing Coatings

此類涂層的絕緣性能較C3、C5、C6厚涂層相對偏低，不能滿足對絕緣性能要求較高的大中型電機設備的使用需求。

2.2 環保薄涂層

環保薄涂層為半有機無鉻環保涂層，屬于C5薄涂層，其涂液為溶液狀，無不溶顆粒填料。環保薄涂層一般為水溶性磷酸鹽涂層，主要用于替代常規半有機含鉻涂層，其主要成分為磷酸鹽和樹脂，通過配方優化解決剩余磷酸容易發粘的問題，具有良好的絕緣性、耐熱性等性能。適用于中小型電機、小型變壓器產品鐵心。雖然在耐熱性、耐腐蝕性等性能與含鉻涂層有一些差距，但已能夠滿足用戶的正常使用需求，而且部分產品在絕緣性上有顯著提高。環保薄涂層的典型性能參數如表2所示。

表2 環保薄涂層的典型性能參數Table 2 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Thin Coatings

2.3 自粘結涂層

自粘結涂層為有機涂層，屬于C3涂層，是一種新型的無取向硅鋼涂層。根據電機鐵心設計形狀，將涂覆自粘結涂層的無取向硅鋼板進行裁剪、沖片加工，制成所需形狀的無取向硅鋼片，進行疊片，在一定壓力（一般為 1～6 N/mm）、溫度條件下（加熱溫度為150～300℃），固化一段時間后（加熱時間為1～3 h），制成具有優異機械強度和剛度的鐵心。該方法在產業化方面具有較強的應用性。

自粘結涂層產品具有多種優異的功能特性：

（1）沖片性好：較半有機含鉻涂層提高約50%。

（2）噪聲小：較焊接型鐵心降低約25%。

（3）電機效率高：較機械固定方式電機效率提高0.23%～0.58%。

（4）幾乎無振動：相同試驗條件下，在勵磁狀態下，自粘結型鐵心的軸向和徑向均幾乎無振動，而焊接型鐵心的軸向和徑向均有不同程度的振動。

自粘結涂層的典型性能參數如表3所示。

表3 自粘結涂層的典型性能參數Table 3 Parameters of Typical Properties of Self-bonding Coatings

自粘結涂層無取向硅鋼目前主要的應用領域為磁懸浮列車工程。每公里軌道需使用約500 t自粘結涂層無取向硅鋼，上海磁懸浮軌道全長約35 km，投入使用的自粘結涂層無取向硅鋼總量達17 500 t。其他磁懸浮列車線路也在陸續籌建中。電力機車牽引電機的鐵心在制造過程中，一部分結構必須用粘接的方式固定在一起，如采用刷涂粘接劑的方式固定，粘結效果不好，生產效率低，自粘結涂層無取向硅鋼是這部分鐵心的最佳選擇，而且由于自粘結涂層優異的性能，牽引電機鐵心其它部位的技術要求也能夠滿足。自粘結涂層無取向硅鋼憑借自身獨特優異的性能在高精尖高附加值領域發揮了重要作用。如采用自粘結涂層無取向硅鋼建造大型的高能離子加速器鐵心，能夠使其具有更加優異的性能；采用自粘結涂層無取向硅鋼制作的高品質音響，能夠大幅度提高產品質量和生產效率。在新能源汽車、風電、線性電機、電梯電機、起重機電機、高速電機、混合動力電機和電磁感應加熱器等方面，自粘結涂層無取向硅鋼均有應用。可以看出，自粘結涂層是一種富有前途的無取向硅鋼涂層產品，市場應用前景廣闊。

2.4 環保厚涂層

環保厚涂層為半有機無鉻涂層，屬于C5厚涂層，其涂液含不溶顆粒填料。環保厚涂層具有優異的絕緣性和耐熱性，主要用于牽引電機（高鐵、地鐵等）、風電、新能源汽車等大中型電機。環保厚涂層的典型性能參數如表4所示。

表4 環保厚涂層的典型性能參數Table 4 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Thick Coatings

2.5 環保極厚涂層

隨著發電機單機容量不斷增大，耐熱等級要求逐步提高，對定子鐵心無取向硅鋼片涂層的絕緣性能和耐熱性能要求越來越高。普通涂層不能滿足此性能要求，因此需要采用環保極厚涂層。

環保極厚涂層為半有機無鉻涂層，屬于C6涂層，含絕緣性、抗壓性較強的不溶顆粒填料。環保極厚涂層的絕緣性能極其優異，耐熱性良好，熱壓收縮率低，適用于長期處于高電壓、高溫、高壓力的工作環境，主要用于水電、火電、核電等大型發電機。環保極厚涂層的典型性能參數如表5所示。

表5 環保極厚涂層的典型性能參數Table 5 Parameters of Typical Properties of Eco-friendly Ultra-thick Coatings

3 無取向硅鋼涂層的發展趨勢

無取向硅鋼絕緣涂層不僅需要具有優良的應用性能，同時也需要具有綠色環保性。很多國家已制定實施了相應的環保法律規定，歐洲制定了EU指令、ROHS、REACH等一系列法規和強制條例，禁止或嚴格限制了六價鉻的含量。為推動我國鋼鐵行業轉型升級，工業和信息化產業部制定了《鋼鐵工業“十二五”發展規劃》，其中，將電工鋼環保涂層列為產業升級的重要方向。隨著國內工業的迅速發展，涂層的發展方向也朝著環保性高功能化的方向發展。形成了多個種類、不同用途、性能各異的一系列環保涂層產品，能夠滿足不同的應用領域對硅鋼涂層性能的使用需求。形成了適用于中小型電機的環保薄涂層可替代現用含鉻半有機涂層；具有自粘結功能的自粘結涂層適用于磁懸浮列車、高能離子加速器、高品質音響等應用領域；具有高絕緣性和良好耐熱性的C5厚涂層，適用于牽引電機（高鐵、地鐵等）、風電、新能源汽車等大中型電機；具有超高絕緣性、良好抗壓性的C6厚涂層適用于水電、火電、核電等大型發電機。以上具有不同功能的環保涂層能夠滿足不同的應用領域對硅鋼涂層性能的使用需求。

4 結論

（1）半有機含鉻涂層具有優良的綜合性能，仍是市場的主流涂層。

（2）環保薄涂層各項性能均有顯著提升，能夠滿足用戶的使用需求，而且部分產品具有優異的絕緣性能，替代含鉻涂層的條件已基本成熟，具有廣闊的應用前景。

（3）自粘結涂層具有特異的粘結性和優異的絕緣性，提高鐵心剛性和電機效率，具有廣闊的應用前景。

（4）環保厚涂層具有優異的絕緣性和耐高溫性，適用于大中型電機。

（5）環保極厚涂層具有極好的絕緣性和收縮率性能，適用于大型發電機。

（6）形成多種類、不同用途、性能各異的高功能化的環保涂層是無取向硅鋼涂層的發展趨勢。