Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы ювелирного дела лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
39
Нанесение эмали
Нанесение сухим
способом
(напудривание на
предварительно
нагретую деталь,
нанесение
покровной эмали)
Температура
металла;
Продолжительност
ь напудривания
Спеченный слой эмали
определенной толщины
Сушка (при
мокром способе
нанесения)
Сушка в
сушильных
устройствах
(воздухом,
инфракрасным
излучением)
Температура и
скорость сушки
Сухой необожжённый
слой эмали, прочный на
ощупь, способный к
транспортировке;
Высокая прочность
сухого слоя
Обжиг эмали
Расплавление
сырого эмалевого
слоя на
покрываемом
металле или
грунтовой эмали
Температура и
продолжительност
ь обжига
Гладкая равномерная
поверхность;
Сцепление грунтовой и
покровной эмалей;
Дополнительная
обработка
Декорирование с
помощью
дополнительного
нанесения эмали.
яОбработка бортов
посредством их
эмалирования или
обтяжка борта
металлическим
кольцом
Плавкость;
Температура и
продолжительност
ь обжига;
Специальные
эмали для бортов;
расширение;
плавкость;
Поверхность
требуемого цвета и с
требуемым
декорированием;
Бортовая эмаль,
обладающая высокой
прочностью сцепления
и сопротивлением
сколу;
40
Теоретические основы получения эмалей и эмалирования
Эмалирование - сложный процесс, понять основы которого можно
только при знании характеристик основных компонентов: металла и
эмали. Прочностные характеристики эмалированных материалов могут
быть определены только по соотношению между структурой и
свойствами металла и стеклообразного покрытия, а также их макро- и
микроскопических взаимодействий на поверхности раздела фаз.
Таблица 2
Составы эмалируемых технических материалов, %
Материал
C
Si
Mn P S
Сталь
Армко-железо
Сталь, легированная
титаном
Чугун
Алюминий:
лист
лист
литье
литье
0,10
0,01
0,04-0,08
3,2-3,7*
-
-
-
-
0,01
Спец.
Добавка
0,01-0,08
2,0-3,0
1,0
0,2
0,6
0,45
0,01
0,30-0,45
0,4-0,8
0,5
0,1
0,1
0,05
0,005
0,01
0,6-1,2
-
-
-
-
0,05
-
0,02
<0,15
-
-
-
-
Продолжение таблица 2
Материал
Ti
Al
Cu
Cr
Mg
Zn
Сталь
Армко-железо
Сталь, легированная
титаном
Чугун
Алюминий:
лист
лист
литье
литье
-
-
0,25-
0,45
-
-
-
-
-
Спец.
Добавка
-
0,01-0,09
-
99,5
>98
>96,5
98
0,18
-
0,04-
0,07
-
0,2
0,5
0,1
0,20
-
-
-
-
0,2
-
-
-
-
-
-
-
0,5-2,0
-
-
-
-
-
0,1
-
-
-
41
Покрываемый металл
Металлы, покрываемые техническими и бытовыми эмалями, — это
главным образом сталь, чугун и алюминий. Для специальных целей
применяют также медь и медные сплавы, в основном в виде листов и
фасонных деталей. Требования, предъявляемые к различным материалам
в отношении их пригодности к эмалированию, различны.
Стальной лист
Учитывая, что процесс эмалирования является комплексом
физических и химических процессов, протекающих при высоких
температурах в окисляющей атмосфере, эмалируемый лист должен
отвечать определенным требованиям в отношении химического состава,
гомогенности структуры, химического и физического качества
поверхности, а также окисляемости, возможности обработки травлением
и способности пропускать водород.
Имеющиеся в продаже стальные листы, пригодные для покрытия
эмалью, относятся к числу материалов, стандартизированных
действующим в настоящее время стандартом TGL 23035.
Химический состав этих листов приведен в табл. 2. Из всех
примесей углерод имеет наибольшее значение, так как он определяет
образование пузырей во время обжига. Начиная примерно с температуры
600—700°С углерод и кислород вступают в реакцию с образованием
оксида углерода. При низком содержании углерода эти реакции быстро
заканчиваются, при высоком же образование пузырей продолжается в
течение всего процесса обжига. Поэтому содержание углерода в листе
должно составлять максимум 0,1 %. Прочие примеси железа, если они
появляются в более высоких концентрациях, чем указано в табл. 2
приводят к дефектам эмалевого покрытия.
Микроструктура эмалированного стального листа должна
представлять собой однородную ферритную структуру с
тонкодисперсным распределением цементита. Скопление зерен цементита
приводит к «вскипанию» эмали, образованию пузырей и «рыбьей чешуи».
Зоны расположения мелких и крупных зерен не должны лежать близко
друг к другу, так как могут появиться напряжения и наплывы,
приводящие к отслаиванию эмали. Наиболее благоприятной является
величина зерна, равная или больше 6 баллов, по требованиям ASTM.
Очевидно, что отрицательное влияние на качество эмалирования листов
оказывают макронеоднородности (неметаллические включения, трещины,
двойникования, усадочные раковины, пузыри и ликвации).
Пригодность листа к эмалированию во многом определяется
42
химическим и физико-механическим состоянием его поверхности.
Масла, жиры, окислы и ржавчина перед эмалированием должны быть
удалены, так как они неизбежно приводят к появлению дефектов
эмалевого слоя. Благодаря более высокому качеству поверхности
предпочтительной для эмалирования является холоднокатаная сталь,
которая, кроме того, менее чувствительна к образованию рыбьей чешуи.
По рекомендациям стандарта TGL 9559 поверхность для эмалирования
должна иметь качество А1 или А2. Высокое качество поверхности
необходимо прежде всего при все чаще используемом тонкослойном и
однослойном (без предварительной грунтовки) эмалировании. В
последнем случае предпочтительны никелированные листы.
При эмалировании ответственных изделий для обеспечения
достаточного сцепления необходимо с помощью травления снять слой
железа, составляющий 20 — 120 г/м2. При использовании
механизированных поточных линий этот относительно высокий съем
производят быстро и равномерно.
Эмалированные листы должны иметь оптимальную окисляемость.
При слишком низкой окисляемости нельзя получить достаточное
сцепление во время обжига эмали, а прочность на удар остается низкой.
При слишком большой окисляемости сталь слишком сильно реагирует с
расплавленной эмалью, что ведет к образованию пузырей. Оптимальным
считается увеличение массы от 4 до 6 мг.см-2 после 10-мин обжига при
800 °С.
Очень важное значение имеет способность стального листа к
пропусканию водорода. В частности, образование рыбьей чешуи
(небольшие отслоения слоя эмали, имеющие форму полумесяцев)
объясняется поведением водорода, который образуется при травлении и
обжиге эмали, поглощается металлом и после охлаждения системы снова
— неконтролируемо и замедленно — выделяется из него, что
сопровождается отколами частиц эмали.
Выделение водорода при обжиге может быть представлено
следующим образом. При нагреве сухого шликера из глины выделяется
структурно связанная, а из частичек фритты — хемосорбционно
связанная вода. Она реагирует с горячим железом: Fe + Н20 - FeO + 2Н.
Часть водорода выделяется в форме молекул Н2 через слой эмали,
который вначале еще может его пропускать, но определенное количество
сразу же переходит в твердый раствор железа и обладает определенной
подвижностью.
Являясь комплексной характеристикой, способность металла
пропускать водород включает абсорбцию, растворение, диффузию,
возможность накопления водорода в стальном листе и рекомбинацию,
которые зависят от состава стали, ее структуры, условий прокатки, а
43
также от условий эмалирования. Разница в свойствах различно
подготовленных эмалированных листов при их испытаниях на диффузию
водорода представлена на рис. 26.
Рис. 26. Проникновение водорода через эмалевый слой листов,
подготовленных различными способами (комнатная температура, толщина листа 1
мм): 1 - прокатка и рекристаллизация; 2 - прокатка и нормализация; 3 - нормализация; 4 -
прокатка; 5 - без эмалевого покрытия
Лист тем более устойчив к образованию рыбьей чешуи, чем
медленнее абсорбируется и диффундирует водород в структуру и чем
больше его может поглотить металл. Метод, разработанный с учетом
изменения насыщения металла водородом, позволяет с большой
вероятностью предсказывать образование «рыбьей чешуи» на листе. В
соответствии с этим методом в случае, если время выдержки превышает
время перехода водорода в металл, которое составляет, например, для
листов толщиной 0,75; 1,0; 1,50 мм соответственно 4; 8; 12 мин, можно
гарантировать отсутствие этого дефекта на эмалевом слое.
Для предотвращения деформаций, коробления и вспучивания эмали
44
при обжиге содержание углерода в стальном листе, особенно при
изготовлении изделий большой площади, должно по возможности
составлять< 0,02 %.
Так как примеси в железе, прежде всего углерод, оказывают, как
правило, отрицательное влияние на процесс эмалирования, в качестве
основы для покрытия используют преимущественно листовую
малоуглеродистую сталь, в первую очередь армко-железо.
Другие малоуглеродистые стали необходимо дополнительно
обезуглероживать специально для целей эмалирования (метод Open-coil),
в результате чего содержание углерода в них снижается до 0,001—0,003
%.
Определенное значение приобретают стали, стабилизированные
титаном, в которых углерод связан в карбид титана TiC и благодаря этому
инертен. Эти стали известны под наименованием Ti-Namel и пригодны в
основном для эмалирования. Однако стоимость их весьма высока.
Для специальных целей эмалью можно покрывать многие
высоколегированные стали и сплавы, не говоря уже о специальных
материалах для эмалирования. Особенно пригодны для этого
хромоникелевые стали.
Чугун
Для эмалирования используют и чугун, который также должен
отвечать определенным требованиям.
Химический состав чугуна, пригодного для эмалирования.
Содержание углерода имеет большое значение. Его величина ни в коем
случае не должна превышать 4 %; оптимальное значение зависит от
содержания кремния и фосфора и может быть рассчитано (в %) по
формуле С = 4,3 — 0,3 (Si + Р), причем значения Si и Р подставляют в % ,
или Sс = С/(4.23 — Si/3,2), где С и Si также в % . Значение Sc должно
лежать в пределах от 1,0 до 1,6. Кремний снижает образование цементита
и приводит к образованию графита, что имеет решающее значение для
эмалирования. Слишком большое содержание кремния приводит, однако,
к получению крупнозернистой структуры, что отрицательно сказывается
на сцеплении эмали с подложкой.
Структура чугуна для эмалирования должна быть преимущественно
перлитной с мелкодисперсным графитом. Крупнозернистый графит и
скопления графита также нежелательны, как и ледебуритный цементит,
который приводит к образованию в эмали пузырей.
Грубые неравномерности и негомогенности (газовые и шлаковые
включения, включения формовочной земли, ликвации и т. д.) в структуре
оказывают отрицательное влияние на процесс эмалирования. Пятна
45
ржавчины также сказываются отрицательно.
Алюминий
Для эмалирования практическое значение имеет технически чистый
алюминий; правда, недавно начали эмалировать также листы и литье из
алюминиевых сплавов. Эмалировать можно также алюминий с более
высоким содержанием меди и магния. В последнее время применяют
алюминиевые сплавы, плакированные алюминием.
Характеристика эмалей
В большинстве случаев эмали относят к категории плавящихся при
низких температурах боросиликатных стекол, в которых доля В203 может
быть значительной по сравнению с техническими стеклами. Эмаль, как и
стекло, не может иметь стехиометрического состава и, следовательно,
химической формулы. Возможны любые варианты ее состава.
Эмаль должна быть расплавлена при температурах ниже температур
размягчения покрываемого материала, поэтому температуры ее
размягчения должны быть низкими при соответственно низкой вязкости.
Составы эмалей для стали и чугуна должны быть такими, чтобы их можно
было обжигать в основном при температурах ниже 900 °С; в последнее
время эти температуры даже не превышают 780 °С. Для эмалей,
предназначенных для покрытия алюминия, верхний предел составляет
около 550 °С. Эмали на легированных сталях (защита от
высокотемпературной коррозии) обжигают при температурах более 1000
°С.
Эмали должны отвечать следующему важному условию: их
тепловое расширение должно быть несколько меньше, чем тепловое
расширение у покрываемого материала. Если аFе<аэ, то затвердевание
эмалевого слоя сопровождается растягивающими напряжениями,
приводящими к образованию трещин. При аFе>аэ в эмали, напротив,
развиваются напряжения сжатия, которые могут вызвать ее отслаивание
только при больших значениях напряжений или на изделиях с малым
радиусом кривизны.
Различают эмали главным образом двух типов: грунтовые и
покровные. При новой же технологии однослойного безгрунтового
эмалирования стали или алюминия один слой эмали выполняет функции
одновременно и грунта, и покрытия.
Грунтовая эмаль равномерно распределяется непосредственно на
46
поверхности металла и обеспечивает сцепление между покровной эмалью
и металлом. Для достижения хорошего сцепления, особенно для
грунтовых эмалей, наносимых на листовой материал, необходима добавка
окислов сцепления. Кроме того, грунтовая эмаль играет роль буфера для
реакций, протекающих во время ее обжига (образование окиси углерода,
пузырей, окалины, а также растворение окалины). Как правило, эти
реакции заканчиваются, когда заканчивается обжиг грунта, благодаря
чему покровный эмалевый слой не имеет пороков.
В табл. .3 приведены составы некоторых грунтовых эмалей для
покрытия листов и чугуна. На практике же в большинстве случаев
используется не отдельный состав, а комбинация составов твердого и
мягкого типов для создания оптимальных условий обжига. Грунтовые
эмали обычно плавят и обжигают при более высоких температурах, чем
покровные. Правда, в настоящее время существует большое число
технологий, при которых грунтовую и покровную эмали обжигают при
одной температуре.
Таблица 3
Составы эмалей (массовые доли)
Сырье
Грунтовая
эмаль для
стального
листа
Грунтовая
эмаль для
чугуна
Покровная эмаль для
стального листа
Белая
титановая
эмаль
прозрачная
цветная
Кварц
20-35
10-30
20-22
10-35
8-15
Полевой
шпат
15-30
40-50
33-37
15-30
13-50
Бура
30-40
40-60
25-30
25-45
5-40
Сода
8-10
5-8
8-12
8-13
5-15
Плавиковый
шпат
4-8
5-8
1-4
1-7
3-8
Селитра
2-5 - 3
1-4
2-5
Оксиды
сцепления
0,5-2
<0.5 - -
-
Краситель
- - -
1-5
-
Оксид титана
- - - - 12-20
Покровная эмаль определяет потребительские свойства изделия. Эти
эмали можно классифицировать, например, на прозрачные, цветные и
тусклые (см. табл. .3), кислотостойкие, высококислотостойкие и стойкие к
щелочам (табл. 4). Соответственно назначению чрезвычайно
разнообразны составы эмалей.
Цветные эмали содержат краситель, который входит или в
структуру стекла (прозрачные цветные эмали) или тонко диспергирован в
стекле.
Для получения пастельных тонов комбинируют краситель и белый
47
глушитель. В качестве красителя используют окись кобальта (голубой
цвет), окись хрома (зеленый), сульфид кадмия (желтый), окись железа
(коричневые тона), сульфид кадмия + селенид кадмия (красный), смесь
окисей хрома, кобальта, марганца, железа и меди (черный).
Таблица 4
Составы химически стойких покровных эмалей
(массовые доли, %)
В качестве глушителя для белых эмалей в настоящее время
используют почти исключительно окись титана. Механизм глушения
заключается в том, что ТiO2, расплавляемый при расплаве эмали, при
обжиге эмалевого слоя в диапазоне температур от 600 до 700 °С снова
теряет кристаллическую структуру.
Кислотостойкие эмали должны иметь повышенное содержание
кремниевой кислоты и пониженное содержание щелочи. Повышенную
устойчивость к щелочам можно получить за счет введения
дополнительного количества щелочноземельных металлов и специальных
добавок, таких как ZrО2 или ТiO2 .
Эмали, предназначенные для нанесения на чугун (мокрым или
сухим способом), имеют состав, подобный составу эмалей для листов. Но
эмали, наносимые сухим способом, содержат повышенную долю флюсов,
облегчающих их растекание при плавлении.
Сцепление эмали с металлом
Основным из требований, предъявляемых к эмалированному
Составная
часть
Эмали для стали
Пудровые
эмали
кислото-
стойкие
кислото-
стойкая
высоко-
кислото-
стойкая
кислото-
и щелоче-
стойкая
SiO2 55-70
60-70
55-60
60-70
B2O3 2-7
4-5
1-3
0-4
Na2O
13-20
15-20
10-20
10-20
K2O
2-5
-
-
0-6
Li2O
0-3
0-3
4-5
0-2
CaO
1-8
5-10
2-6
4-10
Al2O3 3-4
2-13
3-7
2-7
TiO2 3-6
0-8
-
0-5
ZrO2 - -
13-18
-
48
изделию, является прочность сцепления эмали с металлом.
Особый интеpес представляет случай сцепления эмали со стальным
листом, которое обеспечивается только тогда, когда металл содержит так
называемые окислы сцепления (0,3—0,5 % СоО или до 1 % NiO, или и то,
и другое одновременно) или когда поверхность листа предварительно
никелирована методом окунания.
По теории сцепления, предложенной Дитцелем и исследованной
Ретцольдом механизм сцепления упрощенно можно представить
следующим образом. Расплавленный эмалевый слой полностью
смачивает стальную поверхность, растворяя на ней окисный слой,
образовавшийся при нагреве, в результате чего поверхность металла
становится чистой. После этого кобальт или никель, электрохимически
более электроположительные, чем железо, металлически осаждаются на
лист рис. 27
Рис. 27. Механизм сцепления и образования сцепляющего слоя для эмали, не
содержащей (а) и содержащей (б) оксиды сцепления
Технология эмалирования
Эмалирование представляет собой многоступенчатый процесс,
при котором покрываемый металл и компоненты эмали подготавливают
отдельно друг от друга, а покрытие осуществляют при процессе
эмалирования. При этом между эмалированием стальных листов, чугуна и
алюминия существуют лишь небольшие различия.
Требования к заготовкам
Комбинация двух таких различных компонентов, как металл и
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]