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先进的电工钢无铬涂层
1 前言
电工钢 (ES)，又称硅钢，是一种含硅铁的重要合金钢。这种合金钢拥有特殊的电磁特性，用作发电机、空压机、电动机和变压器的铁芯材料。电工钢的性能决定了能量转换的效率。
能量转换过程中的损耗(例如“铁损”) 包括磁滞损耗和涡流损耗。其中，磁滞损耗是材料的本质特性，主要由合金的化学成分和电工钢的生产工艺决定；而涡流损耗更多地由非本质特性决定，例如能量转换系统的设计和电工钢芯的形状。涡流损耗与厚度的平方成正比，因此，电工钢通常都呈堆叠薄片形状。此外，涡流损耗与电工钢薄片之间的层间电阻率成反比，因此，现代的电工钢片通常都涂有绝缘层。
由于钢铁材料易受潮湿、空气、盐分及其他腐蚀性物质的侵蚀，绝缘层还必须具备抗腐蚀的功能，以保证电工钢芯在应用中达到要求的使用寿命。除了层间绝缘和耐腐蚀性之外，电工钢涂层还要满足附着力、退火和冲压加工等加工工艺条件。
现代工业中，大多数电工钢薄片表面涂层都具备抗腐蚀、绝缘和可加工性。电工钢的涂层主要分为两大类∶含铬涂层和无铬涂层。含铬涂层中所用的六价铬离子(Cr+6) ，具有致癌性，已被相关法规禁止使用。但由于含铬涂层具备超强的抑制腐蚀和自我修复能力，至今仍是电工钢涂层的主要种类。与含铬涂层具备同样性能的无铬涂层技术，目前具有非常高的需求量。
本文对我们最新的性能无铬电工钢涂层G2进行了介绍，并与前一代技术的无铬电工钢涂层G1进行了比较。相比G1，G2具备更好的耐蚀性、层间电阻性能、附着性和切边防锈性。由于其优良的性能，新的G2涂层有望推动在一般用途以及高性能的硅钢产品中使用环保型无铬涂层技术的应用。
2 实验方法
材料 研究涂层为两种水性的无铬涂层∶作为参考的第一代涂层G1和高性能的第二代涂层G2。G2采用了特别设计的技术粘合剂技术，更为先进。以0.5mm厚的1300级电工钢作为涂层实验基体，所有实验试样的干涂层平均厚度为0.60~0.80μm。
耐腐蚀性能 电工钢涂层的耐腐蚀性能采用盐雾试验来判定，所用试样大小为8 x 15cm^2，边部封死。所用盐雾由温度为35℃、浓度为5%氯化钠水溶液产生，喷出速率为1~2Ml/h。分别对暴露在盐雾中5、10、15、20h后的试样腐蚀程度进行判定。
电化学分析 分别将涂覆的未涂覆的电工钢试样放入浓度为3.5%氯化钠的新制水溶液中进行电化学分析(ACM电场设备) 。分别使用Pt和Ag/AgCl-3M KCl作为对辅助电极和参比电极。
涂镀层横截面图像 首先给试样蒸镀一层铂膜，然后使用双束型聚焦镓离子束进行磨削并切割一个方孔。使用扫描显微镜取方孔的横截面图像，放大倍数为65000倍。
附着性 涂层对电工钢基板的附着性测评，通过对弯曲的试样进行浸泡试验来完成。如果涂层的附着性不足，弯曲和冲击就会导致涂层开裂或剥离，出现裂缝的地方，Fe和Cu+2会发生氧化还原反应，会有红色的Cu析出。层间电阻 电工钢涂层的绝缘性能由 “层间电阻Re” 来衡量，使用大小为10 x 30mm^2的试样在经过校验的JIS一C一2550层间电阻测试仪上测量。通常的做法是将电极板紧靠涂层，然后测量穿过涂层从电工钢基板的电流I。然后由电流I和电极板接触面积A，应用下面的公式，计算得出层间电阻。
Rs=A[1/I一1]
切边的耐腐蚀性 切边的耐蚀性能采用两种方法来测试∶加速测试和室内大气环境测试。
第一种方法，将每种涂层的电工钢试样冲压薄片以50片为一组堆叠为约25mm厚，然后将其放置在加速环境下进行测试。在加速环境下暴露5min后，根据切边的腐蚀程度，对每种涂层试样的切边耐腐蚀性能进行评估。
第二种方法，将每种涂层的电工钢堆叠试样，一侧切边裸露，其余侧切边涂冲压油。每种涂层的电工钢堆叠试样放置在相同的室内大气环境下，放置16周。然后观察试样切边的腐蚀程度，判别每种涂层试样的切边腐蚀性能。
3 结果和讨论
涂层的耐腐蚀性能 图1(略) 是G1涂层和G2涂层电工钢样本的盐雾测试(SST)结果。最开始的5h中，两种涂层的耐腐蚀性能表现基本一样。但是随着试样在盐雾中暴露的时间越长，G1涂层和G2涂层的耐腐蚀性能出现了明显差别。20h后，G2涂层的腐蚀程度依然非常有限，而G1涂层已经完全腐蚀。所以G2涂层的耐腐蚀性能要远远优于G1涂层。
图2是涂覆的电工钢试样和无涂覆的电工钢试样的动电位扫描结果(略）。无涂覆的电工钢试样的静止电位ER为一710mV。高性能的G2涂层电工钢试样静止电位为一600mV。涂覆的电工钢试样相对于无涂覆的电工钢试样在静止电位上的正向偏移，说明在热力学作用下，涂层能够降低电工钢基板在盐溶液中发生腐蚀的程度。
表1中列出了检测结果。按照表1所示，G1涂层可以将腐蚀电流密度降低至1.40μA/cm^2，而G2涂层则可以将腐蚀电流密度降低至0.7μA/cm^2。这说明，G2要比G1具备更强的动态耐腐蚀性能。
表1 涂覆和无涂覆的电工钢的腐蚀电流密度和耐蚀性能
| 涂覆的电工钢 无涂覆的电工钢 无铬涂层G1 无铬涂层G2 |
| 腐蚀电流密度(μA/cm^2) 1.4 0.7 定义为0 耐蚀性能(%) 92 96 |
| 防腐蚀性能=[17.5一腐蚀电流密度/17.5] x 100% |
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