Особенности и преимущества эмалированной продукции

ЭМАЛИ - тонкие стеклообразные покрытия (финифть, стеклоэмаль), наносимые на изделия из металлов и их сплавов и закрепляемые обжигом. Характеризуются высокой твердостью, коррозионной стойкостью, износо- и жаростойкостью. По назначению эмали подразделяют на технические и художественные, по внешнему виду - на прозрачные и непрозрачные (тушеные), белые и цветные.

Технические эмали наносят на изделия из чугуна, стали, алюминия и сплавов легких металлов. Подразделяют их на грунтовые и покровные. Грунтовые эмали, содержащие 50-60% SiO2, 2-8% А12О3,до 30% В2О3, 12-30% Na2О, 4-10% СаО и др. оксиды (до 10 наименований), наносят на изделия первым, грунтовым слоем, который хорошо сцепляется с металлом. Для усиления сцепления с металлом вводят так называемые оксиды сцепления - Со2Оз, Ni2O3, MoO3.

Покровные эмали, наносимые на грунтовые, подразделяют на непрозрачные (белые, окрашенные) и прозрачные (бесцветные, окрашенные). Они содержат те же оксиды, что и грунтовые, и, кроме того,SnO2, Sb2O5, ZrO2, TiO2, фториды щелочных металлов, выполняющие роль глушителей (иногда эмали классифицируют именно по составу глушителей). В состав окрашенных эмалей входят также пигменты(оксиды Мn, Сu, Со, Сr, Ni), люминофоры и др.

Технология производства эмалей включает: составление шихты, содержащей различные стеклообразующие материалы (кварц, кварцевый песок, сода, поташ, мел, полевой шпат, глина, каолин, бура) и специальные добавки (см.выше); плавление шихты [для фриттованных (предварительно сплавленных) эмалей] при температуре 1150-1450 °С до получения стеклянных гранул; размалывание гранул до получения пудры (помол без воды) или устойчивого шликера (помол с водой и смешивание со связующими компонентами). Устойчивый маловязкий шликер обычно содержит 30-40% по массе воды, 5-10% глины, 0,1-0,5% электролитов (сода и др.), огнеупорные наполнители, при необходимости, - 3-8% глушителей,1-5% пигментов и органических красителей. Нефтриттованные эмали получают размолом (без плавления) в воде исходных материалов.

Шликер или пудру наносят на предварительно подготовленную (обезжиренную, протравленную, очищенную песком) поверхность металла погружением, обливом, пульверизацией, электростатическим напылением, электрофорезом и др. способами. Пудру часто наносят напылением с помощью вибросит на поверхность, нагретую до 600-800 °С. Изделия, покрытые грунтовой эмалью, сушат в конвейерной сушилке при 150-180 °С, после чего наносят покровную эмаль. Каждый слой эмали обжигают отдельно в камерных, туннельных и др. печах.

В зависимости от исходного состава оксидов и температуры обжига эмали бывают легко- и тугоплавкими, в зависимости от фазового состава покрытия - стеклообразными и стеклокристаллическими (ситаллизированными). Оптимальные температуры обжига эмалей для изделий из чугуна и стали: грунтовых - 850-980 °С, покровных - 800-920 °С; из алюминия и его сплавов -530-580 °С; из благородных и цветных металлов -750-850 °С; из тугоплавких металлов и сплавов - до1600 °С. Для получения качественных покрытий расплавленные эмали должны хорошо смачивать металл; при этом вязкость расплавленной эмали не должна превышать 100 Па x с, а величина ее поверхностного натяжения - 300 Н/м.

Продолжительность обжига покрытия 3-4 минуты для мелких изделий и до 30-40 минут для крупных. Обычная толщина эмали 0,07-0,02мм, в случае толстостенных изделий химической аппаратуры - до 1-2 мм (2-3 слоя грунтовой эмали и до 7 слоев покровной). Наличие большого кол-ва слоев способствует релаксации возникающих при охлаждении напряжений, обусловленных различием температурного коэффициента линейного расширения эмалей и металлов. Во избежание образования дефектов эти напряжения не должны превышать 50-100 МПа для стеклообразных эмалей и 150-200 МПа для стеклокристаллических. Готовые покрытия иногда расписывают красками на основе окрашенных оксидов или солей металлов.

Технические эмали предназначены для увеличения износостойкости и жаростойкости различных аппаратов в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, эксплуатирующихся в агрессивных средах и при высоких температурах. Их наносят также на изделия бытового назначения (посуду, холодильники, различные виды нагревательных печей и их элементы, газо и дымо отводящих устройств), некоторые архитектурно-строительные облицовочные детали, дорожные знаки и пр.

Эмаль известна с глубокой древности (Др.Египет), в Византии в 10-12 вв. использовалась при художественных работах по золоту, на Руси известна с 11 в. Для покрытия изделий технического назначения применяют с конца 17 в.

Развитие энергетики, металлургии, космонавтики, авиастроения тесно связано с решением задачи создания новых материалов конструкционного назначения для работы в экстремальных условиях - при высоких и сверхвысоких температурах в агрессивных средах и при эрозионных воздействиях.

Исследователи и материаловеды решают эту сложную задачу либо совершенствуя имеющиеся конструкционные материалы путём их легирования, оптимизации структуры, создания композиций сложного состава, либо формируя на поверхности материалов функциональные защитные покрытия.

Важнейшее свойство высокотемпературных материалов и покрытий - жаростойкость, то есть способность противостоять воздействию высоких температур, в том числе стойкость к окислению в этих условиях - зависит от целого ряда факторов. Среди них - химический состав и соотношение исходных компонентов, их дисперсность, режим термообработки при формировании защитного слоя, структурное состояние компонентов и др.

Эмаль обеспечивает, как известно, исключительно эффективную защиту от окисления при высоких температурах. На рис.1 показана скорость окисления чистого и эмалированного металлов на воздухе. Эмалевые покрытия и композиционный материал металл- эмаль обладают в большой степени исключительными и иногда уникальными потребительскими свойствами по сравнению с другими покрытиями материалами, например, пластиками и легированными сталями, причем эти свойства, зачастую, намного лучше, чем у названных материалов. Защита и облагораживание поверхности определяется такими свойствами, как отсутствие пор, гладкость, твердость, устойчивость к царапинам и истиранию, удельные характеристики качества поверхности, декоративность внешнего вида, стойкость к действию агрессивных сред, к действию света и облучения.

Рисунок 1. Защитное действие эмалевых покрытий против окисления: зависимость скорости окисления эмалированной и неэмалированной сталей от температуры на воздухе (Петцолд А., Пешман Г.,1990г.) 1- железо; 2 – сталь AISI 430; 3 – сталь AISI 321; 4 – сталь 08КП с однослойным эмалированием.

Сюда же относятся гигиенические свойства, физиологическая безвредность и противобактериальная характеристика. Если теперь сопоставить потребительские свойства эмалевого покрытия со свойствами легированных сталей и высокополимерных материалов, то выявится (согласно многим исследованиям), что эмаль отчасти превосходит эти материалы по твердости, плотности, жаро-, атмосферо-, влаго-, и кислото- стойкости, стойкости в моющих средствах, способности сохранения окраски, блеску, гигиеничности, способности к очистке.

Эмалевые покрытия в теплотехнике подвергаются лишь умеренным температурным нагрузкам, Областью их применения являются, например, стальные вытяжные трубы и дымоходы, которые, должны надежно противостоять агрессивным газам, конденсату и эрозии. Боуше и др. (1976, 1979, 1981 г.г.) указывают, что стойкость таких покрытий составляет 15-20 лет.

Высокотемпературные эмали защищают металлы, например, сталь, литейный чугун, легированную сталь, жаропрочные сплавы, медь или титан от окисления в интервале 600-1200 °С. О применении таких эмалевых покрытий имеется обширная информация в литературе; обзорные статьи публиковали Петцольд (1960), Аппен, Петцольд (1984), Солнцев (1984).

Пример защиты металла от окисления эмалированием представлен на рис.2 . Эмалевые покрытия защищают металл от воздействия горячих агрессивных газов содержащих SO2, СО2, или газов содержащих сероводород и кроме того они защищают от науглероживания и наводораживания.

К достоинствам эмалевых покрытий относится возможность широкого варьирования составов, что позволяет получать материалы с заданными свойствами, в которых используются лучшие качества компонентов.

Рисунок 2. Окисление (прирост массы) Δm и коррозия S(толщина слоя мкм) под действием газовой среды содержащей СО2 ≈20% и SO2 ≈10% незащищенных и эмалированных сталей (Петцолд А., Пешман Г.,1990г.). 1 – сталь 08КП, 800 °С; 2 –сталь AISI 430 900 °С; 3 – сталь AISI 321. 820 °С; 4, - сталь 08КП, эмалированная.

Из приведенного графика наглядно видна разница в коррозионной стойкости эмалированной стали, выгодно отличающей ее в условиях проводимых испытаний от стойкости легированных сталей и уж тем более от незащищенной покрытием углеродистой стали. Так толщина окисного слоя на стали AISI 321 (кривая 3) после 75 часов выдержки при 820 °С в агрессивной газовой среде составляет более 150 мкм, что указывает на возможность доведения образца при его толщине 500 мкм в данных условиях до полного разрушения.

Литература:

1. Технология эмалирования металлических изделий, 2 изд., М., Локшин В. Я., 1955;.Технология эмали и эмалирования металлов, 2 изд., М., 1965; Аппен А. А, Температуроустойчивые неорганические покрытия, 2 изд., Л.; «Химия», 1976. 296с.Никулин Н.В., Назаров А.С. ;
2. Эмаль и эмалирование, Петцольд А.,Пешман Г. Справ. Изд. Пер. с нем. М.; Металлургия, 1990. 576 с.
3. Химическая технология стекла и ситаллов, под ред. Н. М. Павлушкина, М., 1983.
4. Создание нового поколения высокотемпературных стеклокерамических композиций и покрытий и исследование их физико-химических свойств. Диссертация по ВАК 02.00.04, доктор химических наук Баньковская Инна Борисовна.