DE1919997A1

DE1919997A1 - Isolierueberzuege und ihre Herstellung

Info

Publication number: DE1919997A1
Application number: DE19691919997
Authority: DE
Inventors: Hirst Robert Gordon; Mc Morris Daniel William
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-04-26
Filing date: 1969-04-19
Publication date: 1969-12-04
Also published as: FR2007031A1; GB1248127A; JPS4817581B1; US3562011A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft überzogenes Magnetblechmaterial _t ein Verfahren zu dessen Herstellung und im besonderen ein feuerfestes Überzugsmaterial, das auf dieses Magnetblechmaterial, insbesondere auf stranggeglühten (strand annealed) Siliciura-Bandstahl aufgebracht wird und als dauerhafter Isolierüberzug bei der Verwendung der Metallbleche bzw, -folien in elektrischen Lamellenbauweisen Anwendung findet.

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, Die Erfindung betrifft Magnetfolien in Gestalt von Bändern, wie sie in gewickelten Transfcrmatorkernen verwendet werden und geschnittene oder gestanzte Lamellen für geschichtete Transformatorkerne oder, andere elektrische Apparate. Beispiele für die Zusammensetzung von erfindungsgemäß überziehbarei Magnetfolien sind Silieium-Stahl(mit beispielsweise 1 bis 5 % Silicium) Nickel-Eisen-Legierungen, gewöhnliches Eisen und andere ferromagnetische Materialien.

Die Erfindung ist besonders auf Silicium-Bandstahl anwendbar, der« dem Kornwachstum und der Reinigung durch Glühbehandlung unterworfen wurde, wobei der Stahl in Gestalt eines Stranges und nicht in ge— wickelter oder geschichteter Form in einem geeigneten Ofen erhitzt wird, durch den der Strang während der Wärmebehandlung kontinuierlich hindurchgeführt werden kann.

In der Vergangenheit war es üblich, Stahlfolien in gewickelter oder geschichteter Form der Wärmebehandlung zu unterwerfen und, damit ein Aneinanderhaften der Folienoberflächen bei dieser Hochtemperaturbehandlung verhindert wurde, ein isolierendes Überzugsmaterial, wie beispielsweise Magnesiumhydroxid, vor der Wärmebehandlung auf das Folienmaterial aufzutragen. Dieses Überzugsmaterial diente einmal dazu, während des Glühens das Aneinanderhaften zu verhindern und zum anderen dazu, eine elektrische Isolierung zu bilden, damit in dem aus den Folien gebildeten geschichteten Kernen in einem Transformator _f Motor usw. Wirbelstromver^ste vermieden wurden. Die Aufbringung von Isolierüberzügen auf die Stählfolie vor der Glühbehandlung birgt jedoch im allgemeinen beim Strangglühen den Nachteil in sich» daß die Gegenwart des Isolierüberzugs die Reinigung des Stahles während des Strangglühens verzögert, indem zum Beispiel die Entfernung des Schwefels aus dem Stahl verhindert wird und der Strangglühvorgang deshalb nicht so schnell verläuft, wie dies bei Abwesenheit derartiger Überzüge der Fall sein könnte. Außerdem verlangen die bisher üblichen Arten anorganischer Isolierüberzüge, wie sum Beispiel Magnesiumhydroxid, verhältnismäßig hohe Härtungsteraperaturen, von beispielsweise mehr als iOOO⁰ C , damit fertige Überzüge erhalten werden, die die notwendige Festigkeit, elektrische Isolierung und andere Eigenschaften

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aufweisen. Obwohl während des üblichen Kornwachstums und der Reinigung durch Glühen diese hohen Temperaturen angewendet werden, hat es sich in vielen Fällen als zweckmäßig erwiesen, nach dem üblichen Glühen, eine oder mehrere zusätzliche Isolierschichten aufzubringen, weshalb das Folienmaterial zu diesem Zweck wiederum auf hohe Temperaturen erhitzt werden muß, um die aufgebrachte Isolierschicht auszuhärten.

Der Erfindung liegt deshalb als Aufgabe ein verbessertes Isoliermaterial für Metallfolien zugrunde, das die oben erwähnten Nachteile vermeidet.

Weiterhin liegt der Erfindung als Aufgabe eine verbesserte Zusammensetzung eines Isolierüberzuges für die oben genannten Zwecke zugrunde, die verhältnismäßig niedrige Aushärtungstemperaturen Verlangt, und die sich besonders zur Verwendung für elektrische Folien aus Stahl eignet, die mittels eines Strangglühverfahrens behandelt werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Herstellung isolierter Stahlfolien der obenstehenjd beschriebenen Art.

Im Hinblick auf die obenstehend genannten Aufgaben betrifft die vorliegende Erfindung die Zusammensetzung eines Isolierüberzuges aus einer Mischung eines wasserlöslichen Salzes des dreiwertigen Chroms, eines wasserlöslichen Chromatsalzes, von Phosphorsäure, eines fein zerteilten feuerfesten Materials aus der Gruppe des kolloidalen Siiiciumdioxides und des kolloidalen Aluminiumoxides und aus Wasser\ In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Chrom- und Chromatsalze zuerst zusammengemischt und das erhaltene Reaktionsprodukt anschließend mit den übrigen Komponenten der Mischung vermischt. > ■

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OBlGlNAL INSPECTED

In einer typischen Verwendung der vorliegenden Erfindung wird diese Isoliermischung auf die Oberflächen eines Silicium-Bandstahls aufgebracht, der einem Strangglühverfahren unterworfen wurde, um die gewünschte magnetische Textur zu erhalten und darin enthaltene unerwünschte Verunreinigungen zu entfernen. Ein derartiges Strangglühverfahren wird im einzelnen zum Beispiel in der US-Patentschrift 2 986 485 beschrieben, deren Inhalt durch Verweisung zum Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht werden soll. Wie dort beschrieben wird, besteht das Strangglühverfahren,, das kontinuierlich durchgeführt werden kann, darin, daß das Material aus Silicium-Stahl etwa 5 bis 60 Minuten (vorzugsweise etwa 15 Minuten) bei einer Temperatur von etwa 950 bis 1050° C und anschließend etwa 1 bis 30 Minuten (vorzugsweise etwa 15 Minuten) auf eine Temperatur von etwa 1175 bis 1250° C erhitzt wird. Die Glühbehandlung wird vorzugsweise in einem Ofen unter einer reduzierenden Atmosphäre, wie beispielsweise unter Wasserstoff oder anderen reduzierenden Gasen, durchgeführt. Erfindungsgemäß wird das auf diese Weise geglühte Stahlband, das vor dem Glühen nicht mit einem Isolierüberzug versehen worden war, anschließend mit der obenstehend beschriebenen Mischung überzogen, die dann durch Erhitzen oder auf andere Weise gehärtet wird, um auf den Stahloberflächen einen harten, festhaftenden, sehr gut isolierenden Überzug zu bilden.

Eine erfindungsgemäß besonders brauchbare einzelne Überzugsmischung weist folgende Zusammensetzung auf, deren Grenzen und deren bevorzugte Zusammensetzung in Gew. % angegeben sind:

Grenzen(%) Bevorzugt(%) Reaktionsprodukt (getrocknetes Pulver) aus: 0.5-10 1

Chromnitrat-Cr (NOg)₃- 9H₂O-(53 %) und

Natriumchromat-Na-CrO. · 4H_o0-(47 %)	15-3O	27
Phosphorsäure	5 0-40	30
Kolloidales Siliciumdioxid	20-70 -	42
Wasser

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Ein beispielhaftes Verfahren besteht darin, daß zuerst eine Mischung des Chroranitrates und des Natriumchroraates in Wasser hergestellt wird und diese Lösung solange gerührt wird, bis sich als Reaktionsprodukt nach etwa einer halben Stunde ein brauner Niederschlag bildet. Der entstehende gelatinöse Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser gewaschen und mit Aceton getrocknet. Das auf diese Weise erhaltene Reaktionsprodukt, dessen genaue Zusammensetzung noch unbekannt ist, ist in Phosphorsäure löslich. Es muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß beispielsweise durch übermäßiges Erhitzen keine Dehydrierung eintritt, da die Verbindung in dehydriertem Zustand in Phosphorsäure unlöslich ist und sich in der Überzugslösung nicht löst. Dieses Reaktionsprodukt kann im feuchten Zustand zu den anderen Bestandteilen hinzugegeben werden und sollte, wenn es getrocknet wird, nicht auf mehr als 100° C erhitzt werden.

Die auf diese Weise aus Chromnitrat und Natriumchromat als Reaktionsprodukt erhaltene Verbindung wird dann zuerst zu der Phosphorsäure und anschließend unter Rühren das Wasser hinzugegeben, bis sich der Niederschlag auflöst. Anschließend wird das kollodiale Siliciumdioxid zu der Lösung hinzugegeben und das Überzugsbad erhalten. Die auf diese 'Weise erhaltene Mischung ist eine grüne Flüssigkeit mit einem spezifischen Gewicht von 1,23 und einem pH von etwa 2. Die Überzugslösung wird auf das stranggeglühte Stahlmaterial auf eine geeignete Weise, wie zum Beispiel durch Tauchen , Spritzen, Streichen oder mittels anderer Verfahren, aufgebracht. Beispielsweise wird Bandstahl nach Abkühlen auf Raumtemperatur in das Überzugsbad getaucht, 30 Sekunden darin gelassen und anschl
einem Ofen erhitzt.

gelassen und anschließend etwa eine Minute lang bei 250 C in

Der auf diese Weise erhaltene Überzug war glatt, hart und fest haftend und zeigte beim Biegen des überzogenen Folienmaterials keine merklichen Haarrisse. Er zeichnete sich durch hervorragende elektrische Isoliereigenschaften aus, zeigte minimale Wirkung auf den Leistungsverlust und die Permeabilitätseigenschaften und wies gleichzeitig verbesserte Magnetostriktionseigenschaften auf. Ver-

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suche haben ergeben, daß ein Überzug, der auf die Stahlfolie zum Beispiel in einer Menge von 0,15 mg/cm (0.05 oz/sq.ft.) aufgetragen wurde, einen Isolationsv/ert nach Franklin von etwa 0,OO A ergibt, wobei dem Fachmann bekannt ist, daß ein Franklinwert unterhalb O,2O Ä für die Verwendung in Transformatoren ausreicht, und daß die Isolierqualität umso besser ist, je geringer dieser Wert ist.

Obwohl Chromnitrat sich zur Verwendung in der obenstehend genannten Mischung als ausreichend erwiesen hat, können auch andere wasserlösliche Salze des dreiwertigen Chroms, wie beispielsweise Chromacetat, Chromsulfat, Chromchlorid oder andere Chromhalogensalze verwendet werden. Ebenso können auch andere wasserlösliche Chromatsalze, wie beispielsweise das Kaliumchromat, Magnesiumchromat und das Calciumchromat anstelle des Natriumchromats verwendet werden.

Das erfindungsgemäß verwendbare kolloidale Siliciumdioxid, das in der beschriebenen Mischung verwendet werden kann, liegt als wässrige Lösung vor, die das SiO^ in äußerst fein verteilter Form enthält, wie es durch Ionenaustauschverfahren hergestellt werden kann. Kolloidales Siliciumdioxid ist als wässriges kolloidales Sol, das etwa 30 % SiO₃ mit weniger als 0,5 % Na₃O als Stabilisator enthält, unter dem Warenzeichen "Ludox" als Produkt ' der E. I. duPont de Nemours & Company, im Handel erhältlich. Eine ausführlichere Beschreibung dieses kolloidalen Siliciumdioxides ist in der US Patentschrift 2 8Ο9 137 nachzulesen, deren diesbezüglicher Inhalt in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden soll.

Anstelle des kolloidalen Siliciumdioxides kann wahlweise auch kolloidales Aluminiumoxid als Dispersion von ausreichend fein verteilten Aluminiumteilchen in Wasser verwendet werden, damit ein kolloidales wässriges Sol erhalten wird. Eine kolloidale Form des Aluminiumoxides ist im Handel unter dem Warenzeichen "Baymal" der E.I. duPont de Nemours & Company erhältlich. Dieses ist ein weißes Pulver, das aus winzigen Fasern aus Böhmit, AlO(OH) be-

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steht und das sich in Wasser unter Bildung eines kolloidalen Sols leicht dispergieren läßt. Eine ausführlichere Beschreibung dieses Materials und seiner kolloidalen Sole sowie ihrer Herstellungsverfahren finden sich in der US Patentschrift 2 9 15 475. Im allgemeinen hat sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eine Konzentration von 5-50 g/l Wasser des fein verteilten kolloidalen Aluminiumoxides als geeignet erwiesen, wobei ein Bereich von 30 40 g/l zu den besten Ergebnissen führt.

Obwohl das Verfahren vorzugsweise so ausgeführt wird, daß zuerst das Umsetzungsprodukt der Chrom- und der Chromatsalze auf die oben beschriebene Weise hergestellt wird, kann das Verfahren auch wahlweise dadurch ausgeführt werden, daß alle Bestandteile ohne vorherige Bildung des obenstehend beschriebenen braunen Niederschlags einfach miteinander vermischt werden. Eine im Rahmen des Verfahrens brauchbare Zusammensetzung besteht, in Gewichtsprozent ausgedrückt, aus:

	Bereich (%)	- 10	Bevorzugt (%)
Chromnitrat · aq.	2	- 10	4.2
Natriumchromat	2	- 30	3.6
Phosphorsäure	15	- 35	25.0
Kolloidales Siliciumdioxid	20	- 60	28.2^
Wasser	15	39.0

Obwohl zum Trocknen des Überzuges die obenstehend beschriebene Temperatur bevorzugt wird, kann die Trocknungstemperatur von etwa 200° C und einem Zeitraum von drei Minuten bis etwa 300° C bei einem Zeitraum von einer halben Minute variiert werden.

Die Zusammensetzung des am Ende erhaltenen, durchsichtigen und hellgrünen Überzuges ist zur Zeit noch nicht bekannt und nicht ausreichend bestinmt zu ermitteln und wird deshalb hier einfach als das Härtungsprodukt der Mischung der obenstehend beschriebenen Bestandteile bez. lehnet.

Obpleich dor beschrieb', η« Isolierüberzug sich vor allem für die Verwendung auf stranggeglüblem Si 1ieium-Stahl eignet, ist seine Verwendung hierauf nicht beschränkt. Seine Vorteile zeigen sich beispielsweise auch beim Überziehen von Stahl oder anderen Metallen, bei denen verhältnismäßig tiefe Härtungstemperaturen verwendet werden oder verwendet werden müssen.

Die A'orliegende Erfindung betrifft also eine verbesserte Zusammensetzung eines Jsolierüberz ires, der ausgezeichnete elektrische IroIiereigenschaften aufweist, in dünnen, iesthaftenden Schichten auf Htahlflachen abgeschieden werden kann, keine Stromverluste oder andere ungünstige elektrische Eigenschaften in dem überzogenen Stahl bewirkt und in einem kontinuierlichen Verfahren leicht aufgebracht werden kann. Die sehr zäh« Haftung des Isolierüberzuges ist besonders im Hinblick auf d^:( t-fhr glatten Oberflächen bemerkenswert, die r?tranggeglühten Stahl im Gegensatz zu Stahl auszeichL.cn, der mittels nines, der üblichen Verfahren im gewickelten oder {«schichteten Zustand geglüht wird, was dazu iühi'1 , daß die herkömmlichen Überzüge nicht fest darauf haften.

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Claims

- 9 ANSPRÜCHE

1. Isoliermasse zum Überziehen elektrischer Leiter, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine wässrige Mischung aus

a) dem Umsetzungsprodukt eines wasserlöslichen Salzes des dreiwertigen Chroms und eines wasserlöslichen Chromatsalzes, aus

b) Phosphorsäure und aus

c) einem fein verteilten feuerfesten Material aus der Gruppe des kolloidalen Siliciumdioxides und kolloidalen Aluminiumoxides enthält.

2. Überzugsmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie, in Gew. %, etwa 0,5 bis 10 % des genannten Umsetzungsproduktes, etwa 15 bis 30 % Phosphorsäure, etwa 10 bis 40 % des fein verteilten feuerfesten Materials und etwa 20 bis 70 % Wasser enthält.

3. Überzugsmasse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie etwa 1 % des genannten Umsetzungsproduktes, etwa 27 % Phosphorsäure, etwa 30 % kolloidales Siliciumdioxid und etwa 42 % Wasser enthält.

4. Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet , daß das Salz des dreiwertigen Chroms, Chromnitrat und das Chromatsalz, Natriumchromat ist.

5. Magnetblechmaterial mit dünnem, festhaftendem Überzug, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus dem Aushärtungsprodukt der Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 4 besteht.

6. Überzogenes Magnetblechmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetblechmaterial aus stranggeglühtem Silicium-Stahl besteht.

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7. Verfahren zur Herstellung überzogenen Magnetblechmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche dieses Materials eine Schicht der Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 4 aufgetragen und anschließend bei einer Temperatur zwischen 200° und 300 C erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetblech vor dem Auftragen der Überzugsschicht ο

unterworfen wird.

Überzugsschicht oberhalb etwa 900 C einer Wärmebehandlung

9. Verwendung der Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung eines dünnen, festhaftenden Überzugs der gehärteten Masse auf Magnetblechmaterial.

10. Verwendung der Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung eines dünnen festhaftenden Überzugs der gehärteten Masse auf stranggeglühtem Silicium-Stahl.

11. Verwendung der Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung eines dünnen festhaftenden Übez'zugs der gehärteten Masse, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse auf die Oberfläche von Magnetblechmaterial aufgetragen und anschließend bei einer Temperatur zwischen etwa 200 und 300° C erhitzt wird.

12. Verwendung der Überzugsmasse nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung eines dünnen festhaftenden Überzugs der gehärteten Masse, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse auf die Oberfläche von Magnetblechmaterial aufgetragen wird, das vorher bei oberhalb etwa 900° C einer Wärmebehandlung unterworfen wurde und die aufgetragene Masse anschließend bei einer Temperatur zwischen etwa 200 und 300° C erhitzt: wird.

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