化学成分与电机制造参数对绝缘自粘接清漆层附着性能的影响

《Crystals》：Influence of Chemical Composition and Electro-Steel Sheets Manufacturing Parameters on the Adhesion of an Electro-Insulating Self-Bonding Varnish Layer Vanda Tomková, Miroslav Tomá?, Stanislav Németh, Matú? Horváth, Vladimír Kundracík, Emil Evin, Ján Slota, Anna Guzanová and Iveta Filipovská

　　

研究人员针对无取向电工钢板提出了一种结合绝缘涂层与自粘接清漆的创新连接工艺，旨在采用搭接剪切试验评价自粘接清漆的附着性能。实验分析了低硅至高硅含量的无取向电工钢，考察了硅含量、粘接层厚度、表面粗糙度Ra，以及选定的钢材生产参数——辐射管炉温度（Radiation Tube Furnace Temperature, RTF）、晶粒长大温度（即加热温度 Heating Furnace, HF）、峰值金属温度（Peak Metal Temperature, PMT）及退火气氛（干燥或潮湿，由露点控制）对附着性能的影响。结果表明，在研究范围内，搭接剪切强度与表面粗糙度无显著相关性；粘接层厚度对搭接剪切强度呈弱正相关效应；硅含量的影响则表现出条件依赖性。RTF与HF对力学性能的影响相对稳定，而PMT与潮湿退火气氛被确定为显著影响附着性能的关键因素。

研究背景与意义

随着生态与可持续交通需求的增长，电动汽车产量持续上升，电机铁芯作为核心部件，其性能直接影响整车效率。铁芯由薄层无取向电工钢板（又称叠片）堆叠而成，为降低运行中的铁损，各叠片间需保持电气绝缘。传统连接方式如焊接、铆接、机械夹紧会在不同程度上改变材料微观结构或引入应力集中，导致磁性能下降、涡流损耗升高。自粘接清漆是一种兼具绝缘与粘接功能的有机涂层，能够在热压条件下形成稳定界面，实现全表面粘接，从而在保持尺寸精度与机械刚度的同时减少对磁性能的干扰。然而，其附着性能受化学成分与生产工艺参数的综合影响，缺乏系统的量化研究。该论文发表于《Crystals》，旨在通过实验明确关键因素及其作用规律，为优化无取向电工钢的生产工艺与电机性能提供科学依据。

主要技术方法

研究人员选取三种不同硅与铝含量的无取向电工钢（A、B、C级，硅含量分别为低、中、高），在连续退火线上分别采用干燥（露点＜?15℃）与潮湿（露点＞+30℃）退火气氛制备试样，调整RTF、HF与PMT等热处理参数。自粘接清漆为无铬水性环氧体系，单面涂覆厚度约3μm。采用Fischerscope MMS PC2测厚仪（β射线背散射法）测定涂层厚度；Hommel Tester T2000测量表面粗糙度参数Ra、Rz与RPc；依据EN 1465标准进行拉伸搭接剪切试验，使用ZWICK Z010试验机测定最大剪切强度；通过BYK 5710弯曲试验与光学显微镜观察清漆层附着与损伤情况，并结合金相截面分析界面层厚度与结构变化。

研究结果

表面微几何特征

所有试样的表面粗糙度Ra均满足≥0.6μm的客户要求，且在干燥与潮湿气氛下无明显缺陷。研究范围内Ra变化未对搭接剪切强度产生显著影响，表明现有表面加工状态已足够保证粘接一致性。

拉伸搭接剪切试验

在干燥气氛下，B级钢最高剪切强度达18.20±1.40MPa，对应较高RTF与较低HF、PMT；C级钢最高强度为20.00±0.75MPa，出现在最低RTF、HF、PMT条件下。潮湿气氛下，A级钢最高强度为18.00±0.67MPa，B级钢为16.50±1.18MPa，C级钢最高为19.10±0.62MPa，最低仅为3.70±0.61MPa（C1试样，高RTF、HF、PMT）。唯一未达到10MPa最低要求的是C1试样，显示高PMT与潮湿气氛的协同作用会导致附着力急剧下降。总体来看，粘接层厚度与剪切强度呈弱正相关，尤其在潮湿环境中更明显。硅含量的影响呈气氛依赖性：干燥条件下强度随硅含量略增或保持稳定，潮湿条件下则呈下降趋势，并在2.95wt.%处出现显著异常值。

自粘接清漆层附着性能

弯曲试验显示，硅含量为2.95wt.%的C级钢在两侧清漆层均有轻微劣化，潮湿退火的C1试样损伤最显著。光学显微观察发现，界面层厚度在潮湿气氛下明显增加，最高达23.1μm，且连续致密的界面层会削弱清漆附着。金相分析进一步证实，界面层过厚与内部应力累积是导致附着力下降的重要原因。

生产参数的影响

RTF与HF对剪切强度影响较小，仅在高湿环境下HF略有下降趋势。PMT则与强度呈线性负相关，潮湿气氛下对热暴露更敏感，超过约200℃时出现强度骤降。干燥气氛在相同PMT范围内的强度始终高于潮湿气氛。最低PMT条件下各钢级均获得最高强度。

讨论与结论翻译

研究人员指出，硅作为主合金元素可提高电阻率并改善磁性能，但高硅含量在潮湿气氛下会增加界面环境敏感性，可能与氧化层生长有关。表面粗糙度在本研究范围内对附着力无显著影响，这与已有部分文献一致。粘接层厚度对强度的弱正相关性不同于某些报道的下降趋势，可能与本研究所用的低厚度区间及清漆配方有关。PMT是关键因素，高PMT配合潮湿气氛会引发热降解与界面氧化，导致强度显著下降。

结论如下：

1. 1.
   搭接剪切强度在研究范围内与表面粗糙度无关，现有表面处理已能满足粘接需求。
2. 2.
   硅含量的影响具条件依赖性，高硅在潮湿气氛下降低强度并增加变异性，可能与表面氧化物特性变化有关。
3. 3.
   粘接层厚度对强度有弱正影响，尤其在潮湿环境中更为显著。
4. 4.
   RTF与HF在650℃至1100℃范围内对力学性能影响较小，PMT则是决定强度下降的主要因素。
5. 5.
   潮湿退火气氛整体降低强度，可能促进界面氧化。
6. 6.
   PMT高于约200℃且配合潮湿气氛时，强度骤降至3.7MPa，是可预见的阈值事件。
7. 7.
   为保持强度高于15MPa，应将PMT控制在180℃以下；若需更高加工温度，应采用干燥退火。

综上，合理选择无取向电工钢的生产参数可确保定子叠片的自粘接清漆附着质量，从而提升电机机械稳定性、电气性能、降低噪声与振动，并优化磁性能与铁损水平。