Покрытие электротехнической стали

Когда говорят про покрытие электротехнической стали, многие сразу думают про изоляцию между листами — да, чтобы вихревые токи не гуляли. Но если копнуть глубже, как мы на практике сталкивались, всё не так просто. Часто заказчики, особенно те, кто только начинает собирать сердечники для трансформаторов или двигателей, фокусируются только на толщине стали, на марке, а про покрытие вспоминают в последнюю очередь. А зря. Потому что от этого самого слоя, который кажется таким незначительным, зависит не только межлистовое сопротивление, но и стойкость к штамповке, к старению, да даже к тому, как клей будет держаться при сборке пакетов. У нас был случай, кажется, в 18-м году, когда партия стали с якобы хорошим фосфатным покрытием начала сыпаться после резки на автомате — крошка и пыль забивали всё, адгезия была никакая. Вот тогда и пришлось разбираться, что не всякое покрытие, которое в паспорте написано, одинаково работает на разных режимах резки и отжига.

Из чего состоит это самое покрытие и почему оно ?живое?

Если брать классику, то чаще всего встречаешься с фосфатными и хроматными покрытиями. Фосфатное, оно же обычно матовое, сероватое — казалось бы, дешёвый и сердитый вариант. Но его поведение сильно зависит от технологии нанесения на заводе-изготовителе стали. Слишком толстый слой — и при гибке он трескается, отслаивается, сопротивление изоляции падает. Слишком тонкий — не защитит от задиров при штамповке. А ещё есть нюанс с термостойкостью. Помню, мы как-то закупили сталь для сердечников печных трансформаторов, которые у нас в кооперации с ООО Аньхой Хунда Технология Электрических Печей делали — они, кстати, как раз специалисты по индукционному оборудованию, их сайт nghxdl.ru хорошо описывает их подход к энергоэффективности. Так вот, для их заказов нужен был отжиг после сборки, а покрытие на нашей стали начало деградировать при температурах выше 780 — появились пятна, сопротивление упало. Пришлось срочно искать другого поставщика стали, с более стойким составом.

Хроматные покрытия, они с блеском, выглядят технологичнее. Сопротивление изоляции у них, как правило, выше, да и стойкость к высоким температурам лучше. Но и тут подводных камней хватает. Во-первых, цена. Во-вторых, экологические нормы сейчас ужесточаются, с хроматом много возни. В-третьих, если нужно потом сваривать или паять контакты, это покрытие может мешать, его нужно локально удалять. Мы пробовали делать партию двигателей с такой сталью — да, потери в холостом ходу были прекрасные, но технологи на сборке ругались, что для сварки лазером приходилось мощность увеличивать, и всё равно качество шва было неидеальным.

Сейчас всё чаще говорят про безхромовые, так называемые ?экологичные? покрытия на основе органических соединений или сложных оксидов. Пробовали мы материал с одним таким — обещали и термостойкость, и отличную адгезию. На испытаниях в лаборатории всё выглядело хорошо. Но когда запустили в серийную резку на гильотинных ножницах, обнаружили, что покрытие слишком ?вязкое? — оно не крошилось, а налипало на ножи, их приходилось чистить в два раза чаще. Производительность упала. Вот и думай после этого, что важнее — экологичность или бесперебойность производства. В итоге для массовых серий вернулись к проверенному фосфатному, но от определённого поставщика, с которым уже набили руку.

Связь с процессом резки и отжига — где кроются неочевидные потери

Вот это, пожалуй, самый болезненный для производственников момент. Казалось бы, привезли рулон стали, запустили в линию продольно-поперечной резки — и режь себе. Но качество кромки после резки напрямую зависит от покрытия. Если оно хрупкое, по кромке идут микротрещины, которые потом, при сборке пакета, могут стать центрами развития усталостных трещин или просто ухудшить магнитные свойства в краевой зоне. Особенно критично для высокочастотных применений.

А отжиг... Это отдельная песня. Многие думают, что отжиг только свойства стали улучшает. Это так, но он же и проверка для покрытия на прочность. Некондиционное покрытие может обгореть, спечься с соседними листами, и вместо изолированного пакета получится почти монолит. У нас был печальный опыт с партией для статорных пакетов. После проходного отжига в печи с защитной атмосферой часть пакетов склеилась намертво. Разбирали вручную, повредили много листов. Винили сначала печь, атмосферу, но в итоге вскрылось, что в той партии стали была неоднородность по толщине покрытия — где-то тонко, где-то толсто, и в толстых местах при высокой температуре произошло оплавление связующего компонента. С тех пор на входном контроле кроме измерения толщины стали и твёрдости обязательно проверяем равномерность покрытия хотя бы по визуальным признакам и простым тестам на адгезию.

Кстати, про ООО Аньхой Хунда Технология Электрических Печей. Их опыт в производстве индукционных печей как раз очень важен в этом контексте. Когда они разрабатывают печи для термообработки сердечников, им приходится учитывать, как поведёт себя не только металл, но и это самое покрытие электротехнической стали в конкретной газовой среде и при конкретном температурном профиле. На их сайте nghxdl.ru прямо не пишут про такие тонкости — там больше про энергосбережение и надёжность оборудования, — но по опыту общения с их технологами знаю, что они глубоко вникают в требования заказчика к материалу сердечника. Потому что если печь сделает идеальный отжиг по стали, но испортит покрытие, то весь смысл теряется — межлистовые потери вырастут.

Адгезия, склейка, лакировка — когда покрытие должно ?дружить? с другими материалами

Современные тенденции — это сборка пакетов не только заклёпками, но и склейкой. И вот тут покрытие становится активным участником процесса. Оно должно обеспечивать хорошее сцепление с клеем. Мы экспериментировали с разными клеями — эпоксидными, акриловыми. И выяснилось, что на том самом ?капризном? органическом покрытии некоторые клеи просто не полимеризовались как следует, видимо, из-за ингибиторов на поверхности. Пришлось подбирать специальный праймер, что удорожало процесс.

Лакировка собранного сердечника — тоже распространённая практика для дополнительной изоляции и защиты. И здесь покрытие базовой стали не должно конфликтовать с лаком. Бывает, что компоненты покрытия вступают в реакцию с растворителем из лака, появляются вздутия. Один раз после лакировки на складе через пару недель обнаружили, что на части партии статорных пакетов появились белёсые разводы — выпотевание каких-то солей из-под лака. Причина — опять-таки в несовместимости химического состава покрытия с лаком. Теперь при смене поставщика стали или лака обязательно делаем тестовую партию и выдерживаем её в условиях, близких к эксплуатационным.

И ещё про механическую прочность. При сборке мощных двигателей или трансформаторов листы плотно стягиваются. Если покрытие слишком скользкое (иногда такое бывает у некоторых видов хроматных), пакет под нагрузкой может ?поплыть?, листы сместятся относительно друг друга. Если же покрытие, наоборот, обладает высоким коэффициентом трения, возникают сложности с плотной укладкой листов, требуется большее усилие прессования. Идеал — это какой-то баланс, который достигается только опытным путём для каждого конкретного типа изделия.

Контроль качества: как на практике оценить, что покрытие ?то самое?

В паспорте на сталь всегда написано сопротивление изоляции, обычно в Ом·см2. Но это лабораторный показатель, измеренный на идеально гладком образце. В жизни всё сложнее. Мы для себя выработали несколько простых, но показательных тестов. Первый — тест на царапание. Не научный, конечно, но быстрый. Проводишь острым предметом с определённым усилием — смотришь, снимается ли покрытие до металла или держится. Это даёт первичное понимание адгезии.

Второй — термический шок. Берёшь образец, прокаливаешь его в муфельной печи при температуре, близкой к температуре отжига, которую планируешь применять. Потом смотришь в микроскоп или даже просто визуально — не потрескалось ли, не вздулось, не изменило ли цвет локально. Если изменило — это сигнал о нестабильности состава.

И третий, самый важный для нас, — тест на штамповку. Штампуем на прессе стандартную фигуру (например, сегмент статора) из тестового листа и внимательно изучаем кромку и поверхность в зоне деформации. Нет ли отслоений, задиров металла. Потом измеряем сопротивление изоляции между несколькими штампованными листами, сложенными вместе. Это уже близко к реальным условиям. Часто бывает, что лабораторные цифры блестящие, а после деформации сопротивление падает в разы.

Конечно, идеально было бы иметь полный химический анализ слоя и его толщинометрию по сечению, но это дорого и долго, не для каждой партии потянешь. Поэтому и работаем по такой упрощённой, но практической схеме. Главное — постоянство. Если нашли поставщика, у которого сталь с покрытием стабильно проходит эти тесты и хорошо ведёт себя в производстве, держись за него. Менять только из-за небольшой разницы в цене — себе дороже, как показала не одна наша ошибка.

Вместо заключения: покрытие как часть системы, а не отдельная опция

Так к чему я всё это? К тому, что покрытие электротехнической стали — это не просто техническая характеристика из справочника. Это функциональный элемент, который напрямую влияет на технологичность изготовления, на конечные потери в железе и на надёжность всего изделия. Выбирая сталь, нельзя смотреть только на марку и толщину. Нужно понимать, под какой процесс она идёт — будет ли резка, отжиг, склейка, лакировка, в каких условиях будет работать готовый продукт.

Опыт таких компаний, как ООО Аньхой Хунда Технология Электрических Печей, которые тридцать лет в теме индукционного нагрева и обработки металлов, подтверждает это. Их оборудование, судя по описанию на nghxdl.ru, нацелено на результат — энергосбережение и снижение потребления у клиента. А этот результат невозможно достичь, если не учитывать все факторы, включая качество и совместимость материалов сердечника, в том числе и его покрытия. Это как раз тот случай, когда мелочей не бывает. Потому что в конечном счёте, все эти микротрещины, отслоения и нестабильности сопротивления складываются в киловатты потерь, в нагрев и в снижение срока службы. А с этим уже шутки плохи.