ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ЛИСТОВАЯ СТАЛЬ С УЛУЧШАЮЩИМ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИЮ ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
ELECTRICAL STEEL SHEET STEEL WITH INSULATION-IMPROVING COATING AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к электротехнической листовой стали с покрытием, улучшающим электроизоляцию.
Такие электротехнические листовые стали применяются согласно уровню техники, например, в электрических приводах при создании статоров. Используемые материалы регламентируются нормой EN 10106 (от 1995 г.). Указанные в этой норме материалы дают очень широкий ассортимент продуктов, чтобы можно было удовлетворить претензии различных назначений. Подходящие материалы охватывают диапазон, начиная от низколегированной стали с превосходной магнитной проницаемостью, хорошей теплопроводностью и штампуемостью до высоколегированных сталей с очень низкими потерями на перемагничивание, также и на повышенных частотах. Сплавы этого стандарта содержат в качестве компонентов сплава медь (≤0,02%), марганец (≤1,2%), кремний (0,1-4,4%), алюминий (0,1-4,4%), причем сумма содержания кремния и удвоенного содержания алюминия меньше 5%, а также содержат фосфор (≤0,15%), олово (≤0,2%) и сурьму (≤0,2%). Основу сплава образует железо.
Для улучшения свойств электротехнических листовых сталей были разработаны покрытия, которые улучшают изоляцию между отдельными слоями листового металла, а также улучшают обрабатываемость. Особые свойства применяемых материалов должны учитывать такие факторы, как защита от коррозии, электроизоляция, влияние на штампуемость, жаростойкость или свариваемость. Покрытия для электротехнических листовых сталей описаны в норме EN 10342 (2005 г.).
Однако отвечающие вышеуказанным стандартам электротехнические листовые стали и их покрытия, как оказалось, разработаны не для всех областей применения. В частности, когда электротехнические листовые стали испытывают действие очень коррозионных сред, как, например, кислый газ (высокое содержание сероводорода), эти стали подвергаются высокой опасности коррозии.
Таким образом, задача изобретения заключается в том, чтобы разработать электротехническую листовую сталь, которая подходит для применения в сильно коррозионных условиях.
Эта задача решена предлагаемой изобретением электротехнической листовой сталью указанного во введении типа тем, что покрытие состоит их оксида металла, содержащего преимущественно оксид титана или оксид тантала, и тем, что электротехническая листовая сталь содержит диффузионную зону, в которой металл из оксида металла диффундирует в материал электротехнической листовой стали и которая граничит с покрытием. Благодаря тому что оксидный слой граничит с диффузионным слоем, намного улучшается адгезия оксидного слоя, что выгодно. Применение металлов, титана или тантала, ведет к тому, что оксидный слой, спонтанно образующийся на поверхности электротехнической листовой стали, является очень стойким к коррозионным средам. В результате возможно также применение в экстремальных коррозионных условиях, как, например, кислый газ. Можно, например, эксплуатировать мотопомпы, которые применяются для добычи природного газа со дна моря. В результате получается новое применение электротехнических листовых сталей, которое позволяет использовать электрические машины в предпочтительных оптимальных условиях обслуживания.
Если оксидный слой, самопроизвольно образующийся при реакции с атмосферным кислородом, не достаточен для эффективной защиты от коррозии, то оксидный слой можно создать также электрохимической обработкой поверхности (подробнее об этом ниже).
Граничащая с оксидным слоем диффузионная зона имеет два преимущества. Во-первых, диффузионная зона улучшает адгезию оксидного слоя, так как переход между оксидным слоем и основным материалом электротехнической листовой стали, т.е. стальным сплавов, происходит постепенно, что предотвращает образование напряжений. Кроме того, выгодно, что в случае повреждений оксидного слоя находящийся в диффузионном слое материал, титан или тантал, может использоваться для пассивации поврежденных мест. Для этого соответствующий металл диффундирует к поверхности, где вновь происходит пассивация. Тем самым защита от коррозии преимущественно сохраняется.
Согласно одному воплощению изобретения предусмотрено, что покрытие имеет толщину по меньшей мере 5 и до максимум 10 мкм. При этом речь идет о толщине оксидного слоя, который позволяет эффективную защиту от коррозии и для своего получения, благодаря малой толщине, требует низких производственных затрат и низкого расхода материала, что выгодно.
Согласно другому воплощению изобретения предусмотрено, что диффузионная зона в пределах расстояния 2 мкм от поверхности раздела с покрытием имеет содержание титана или тантала более 50 вес.%. При этом речь идет о содержаниях сплава, которые еще с успехом позволяют диффузионный перенос титана, соответственно тантала к местам повреждений (как уже описано). При этом непосредственно под оксидным слоем содержание титана или тантала может доходить до 100%. С увеличением расстояния от поверхности электротехнической листовой стали содержание титана или тантала в матрице электротехнической листовой стали (легированной стали) снижается, так что может с пользой проявляться эффект улучшения адгезии оксидного слоя.
Кроме того, изобретение относится к способу обработки электротехнической листовой стали, согласно которому на указанную сталь наносят покрытие, улучшающее электроизоляцию. Уровень техники в этом отношении уже обсуждался. Задача, которая из этого вытекает, состоит в том, чтобы разработать способ, который позволяет обрабатывать электротехнические листовые стали и который дает продукты, гарантирующие достаточную защиту от коррозии даже при высоких коррозионных воздействиях.
Эта задача решена указанным способом согласно изобретению тем, что на первом этапе создают диффузионную зону у поверхности электротехнической листовой стали, причем в качестве металла в поверхность диффундирует тантал или титан. На втором этапе металл (тантал или титан) у поверхности превращается в соответствующий оксид металла: оксид титана или оксид тантала, причем образуется слой из оксида металла, а в диффузионной зоне остается остаточное содержание металла из оксида металла. В результате образуется уже описанный выше оксидный слой, который имеет отличную коррозионную стойкость. В диффузионной зоне остается остаточное содержание металла из оксида металла, благодаря чему, как уже пояснялось, улучшается адгезия оксидного слоя. Кроме того, благодаря диффузионной зоне образуется запас (депо) соответствующего вещества, который при повреждении оксидного слоя имеется в распоряжении для устранения повреждений путем спонтанной пассивации.
Согласно одному воплощению способа по изобретению предусмотрено, что диффузионная зона перед образованием покрытия в пределах расстояния 5 мкм от поверхности раздела с покрытием имеет содержание титана или тантала выше 50 вес.%. Само собой разумеется, диффузионная зона перед образованием покрытия должна иметь более значительную область с высокой концентрацией титана или тантала, так как в результате окисления титана или тантала часть образованного ранее диффузионного слоя превращается в оксидный слой. Поэтому, чтобы после этого процесса окисления в матрице электротехнической листовой стали еще имелось достаточно материала для исправления оксидного слоя, доля титана или тантала должна быть достаточно высокой.
Указанный способ можно с успехом осуществлять, проводя первый этап как процесс физического осаждения из паровой фазы (PVD) с последующей термообработкой. Метод PVD выгоден тем, что он легок в управлении. Применяя подходящие материалы мишени, на сталь можно осадить как титан, так и тантал. Например, титан для получения покрытий инструментов можно осадить метом PVD различными способами, причем обычно осаждение происходит в атмосфере химически активного азота, чтобы можно было получить нитрид титана. Если вместо этого выбрать атмосферу инертного газа, то будет осажден чистый титан. Тантал также можно без проблем осадить на сталь. Такой способ описан, например, в документе EP 77535 A1. Осаждение титана можно осуществить, например, также распылением или нанесением порошковых покрытий, как описано, например, в Дервентском реферате Derwent Abstract с учетным номером 1978-43006 A. Способы нанесения порошков называются также способами засыпки, при этом диффузионные слои образуются в результате диффузии тантала в обрабатываемую деталь. Таким образом, в отличие от метода PVD диффузионный слой образуется сразу же, тогда как в методе PVD после процесса нанесения покрытия необходимо проводить термообработку, которая ведет к диффузии тантала или титана в матрицу электротехнической листовой стали. Параметры для таких диффузионных обработок общеизвестны, их можно взять, например, из реферата Derwent Abstract с учетным номером 1984-104398. Наряду с вышеуказанными способами обработки в принципе возможны также электрохимические покрытия, например, в солевой ванне, а также нанесение покрытия путем химического осаждения из паровой фазы (CVD).
Для случая, когда спонтанно образующийся пассивирующий слой из титана или тантала не достаточен для эффективной защиты от коррозии, но пассивирующий слой должен быть получен электрохимическим способом, целесообразно до этого удалить спонтанно образованный пассивирующий слой. Этим образование пассивирующего слоя можно беспрепятственно осуществить с помощью электрохимии. В таком случае термообработку предпочтительно проводят в кислородсодержащей атмосфере, причем содержание кислорода предпочтительно может быть повышено по сравнению с атмосферными условиями, чтобы ускорить процесс окисления.
Другие детали изобретения описываются ниже посредством фиг.1, которая показывает вид в сечении одного примера осуществления электротехнической листовой стали согласно изобретению. На фиг.1 можно видеть лист электротехнической стали 11, верхняя 12 и нижняя 13 поверхности которого снабжены покрытием 14 из оксида тантала. Это покрытие 14 граничит с диффузионной зоной 15, которая имеет общую поверхность раздела 16 со слоем 12 оксида тантала. За поверхностью раздела концентрация тантала в диффузионной зоне намного выше 50%. В направлении внутрь электротехнической листовой стали 11 концентрация постепенно снижается вплоть до нулевого значения. Поэтому границу между собственно электротехнической листовой сталью 11 и диффузионной зоной 15 невозможно изобразить в реальности. Однако на фиг.1 показана область, в которой концентрация тантала в структуре электротехнической листовой стали 11 превышает 50%.