Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор и выбор направления исследования . 8
1.1 Эмалирование алюминия и его технология. 8
1.2 Особенности синтеза покрытий для бытовых изделий из алюминия . 13
1.3 Формирование эмалевых покрытий на алюминии и их сцепление. 21
1.4 Выводы. 28
1.5 Цель и задачи исследования. 29
2. Методика исследования и характеристика материалов. 30
3. Разработка состава стеклоэмалевого покрытия и технологии эмалирования алюминиевой посуды. 36
3.1. Синтез стекломатрицы в системе R2O — В2О3 - AI2O3 - ТЮг - Р2О5. 36
3.1.1. Соотношение оксидов-структурообразователей в стекломатрице и их влияние на свойства эмали . 36
3.1.2. Оптимизация химического состава стекломатрицы для повышения ее технических свойств. 40
3.1.3. Влияние соотношения оксидов - модификаторов в стекломатрице на свойства покрытий. 50
3.2.Разработка состава стеклоэмалевого покрытия для эмалирования бытовой посуды из алюминия. 55
3.2.1. Влияние добавок на помол на свойства покрытия. 55
3.2.2. Влияние красящих оксидов на свойства стеклоэмалевых покрытий для алюминия. 60
3.3. Моделирование легкоплавкого покрытия высокого качества в системе И20 - В2Оз - АДОз — ТІО2 - Р2О5 для эмалирования алюминия. 65
3.4. Выводы. 76
4. Физико-химические особенности формирования покрытия на алюминии . 77
4.1. Процесс образования стеклоэмалевого покрытия на алюминии. 78
4.1.1. Способ обработки поверхности как фактор образования переходного слоя, обеспечивающего прочность сцепления композиции металл-покрытие .
4.1.2. Смачивающая способность эмалевых покрытий. 89
4.1.3. Плав костные характеристики эмалей и влияние температуры на процесс формирования покрытия. 96
4.2. Фазовый состав и структура композиции алюминий-покрытие. 100
4.3, Дилатометрические характеристики алюмо фосфатной стеклоэмалевого покрытия и их влияние на термические свойства композиции металл - покрытие. 110
4.4. Выводы. 114
5. Опытно - промышленная апробация цветных покрытий для алюминия . 116
5.1. Технико-эксплуатационные свойства покрытий для алюминия. 116
5.2. Оптимальные технические параметры эмалирования алюминия для опытно-промышленных испытаний . 119
5.3. Результаты опытно-промышленных испытаний разработанных покрытий и технологии их получения. 122
5.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта. 123
Общие выводы. 127
Список литературы. 129
Приложение. 140
- Особенности синтеза покрытий для бытовых изделий из алюминия
- Соотношение оксидов-структурообразователей в стекломатрице и их влияние на свойства эмали
- Способ обработки поверхности как фактор образования переходного слоя, обеспечивающего прочность сцепления композиции металл-покрытие
- Оптимальные технические параметры эмалирования алюминия для опытно-промышленных испытаний
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях современной рыночной экономики важнейшим условием повышения эффективности производства на базе научно-технического прогресса является разработка и внедрение новых технологий, позволяющих получать конкурентоспособную продукцию, не уступающую зарубежным аналогам. Одной из таких задач является выпуск стеклоэмалевых покрытий для эмалирования алюминия производства изделий самого широкого ассортимента. Так, весьма перспективным является развитие эмалирования бытовой посуды из алюминия с тефлоновым покрытием, которая пользуется спросом.
Поэтому в настоящее время наиболее актуальным является разработка и внедрение новых стеклоэмалевых покрытий в технологии эмалирования алюминиевой бытовой посуды. Необходимо изыскание эффективных с точки зрения технологии и эстетически высоких показателей - с точки зрения дизайна покрытий для алюминиевых изделий. Одним из таких направлений является использование для эмалирования бытовой посуды из алюминия стеклоэмалевых покрытий на основе фосфорсодержащих стекломатриц. Хотя в этой области достигнуты определенные успехи /1-9,10,17/, но в ряде случаев эти рекомендации не приемлемы, а давность исследований в этой области не позволяет применять их в современных условиях. Так, при эмалировании алюминия температура обжига эмалевых покрытий не должна превышать 65 0С, а при технологии производства алюминиевой посуды с тефлоновым покрытием температура обжига не должна превышать 580С. Основной из проблем является получение эмалевых покрытий разнообразной цветовой гаммы. Поэтому, необходима разработка эмалевого покрытия с пониженной температурой обжига, которое при этом сочетало бы в себе свойства химически стойких конкурентоспособных покрытий, отвечающих высоким требованиям к их эстетико-потребительским свойствам.
В связи с этим как с научной, так и практической точек зрения исключительно большой интерес представляет решение новой научной
5 задачи, имеющей важное значение - разработка состава и технологии цветных эмалей для эмалирования бытовой посуды из алюминия. В связи с этим тема данной диссертационной работы является весьма актуальной. Работа выполняется по государственной программе по плану важнейших НИР по научному направлению 1.14 Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ(НПИ)) "Разработка теоретических основ ресуососберегающих технологий новых тугоплавких неметаллических и силикатных материалов: композиционнных, керамических, стекломатериалов и вяжущих.
Цель данной работы - разработка состава и технологии алюмофосфатного эмалевого покрытия для эмалирования бытовой посуды.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать области стеклообразования в системе R2O — В2Оэ - AI2O3 - ТІО2 - Р2О5 и установить оптимальные составы фритты для эмалирования алюминия.
Установить методом математического планирования эксперимента оптимальный состав стекломатрицы для получения цветных эмалевых покрытий для бытовой посуды из алюминия.
Исследовать процесс формирования стеклоэмалевого покрытия на алюминии, в т.ч. прочность сцепления в системе металл-покрытие.
Выявить зависимость прочности сцепления в системе металл-покрытие от фазового состава и структуры стеклоэмалевых покрытий.
Изучить влияние добавок и различных технологических факторов на технические и эстетико-потребительские свойства эмалированных изделий.
Разработать рекомендации по применению цветных легкоплавких алюмоборофосфатных стеклоэмалевых покрытий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
l.Ha основе теоретических предпосылок стеклообразования в алгомофосфатных системах разработана энергосберегающая технология эмалирования алюминиевой бытовой посуды алюмофосфатными стеклоэмалевыми покрытиями с пониженной температурой обжига и высокими технико-эксплуатационными свойствами.
2.Установлены области стеклообразования в системе R20 - RO - В2Оз -AI2O3 - ТЮ2 - Р2О5, на основе которых разработан оптимальный состав стекломатрицы для эмалирования бытовой посуды из алюминия, мас.%: Р2О5
32,78; А1203 - 24,84; В203 -11,25; ТЮ2 - 2,50; Na20 - 21,15; Li20 - 2,00; К20
5,50, по своим свойствам не уступающий используемым в настоящее время силикатным эмалевым покрытиям.
3.В первые установлена физико-химическая сущность механизма формирования алюмофосфатного стеклоэмалевого покрытия на алюминии, обусловленного протеканием окислительно-восстановительного процесса на поверхности металл - стеклоэмалевое покрытие, в результате которого происходит окисление до А1 + и восстановление в [СгОд]2" Сг + до Cr + с образованием АІ203.Сг20з, снижающего поверхностное натяжение, а также образование в промежуточном слое соединений А1203'Р205 и Na2OP205) в совокупности предопределяющих прочное сцепление композиции алюминий
- покрытие.
4.Установлена зависимость прочности сцепления в системе металл-покрытие при хроматной обработке алюминия от фазового состава и структуры, как переходного слоя, так и стеклоэмалевого покрытия в целом, что убедительно подтверждено комплексом физико-химических методов исследования.
3.Показано, что химическая стойкость алюмоборофосфатных зависит от соотношения оксидов структурообразователей и оксидов-модификаторов: при уменьшении соотношения R20/P20$ и увеличении R20/A1203 химическая стойкость покрытий увеличивается г-
7 Практическая ценность работы.
Разработан состав стеклоэмалевых покрытий (на который получен патент РФ на изобретение №2213711 РФ 7 С 03 С 8/08. -Заявл.13.12.2001; Опубл. 10.10.2003, Бюл.№28) и технология алюмофосфатных стеклоэмалевых покрытий на алюминии.
Хроматный способ подготовки алюминия и технология стеклоэмалевых алюмофосфатных покрытий широкой цветовой гаммы рекомендованы для изготовления эмалированной бытовой посуды из алюминия, в том числе с внутренним тефлоновым покрытием.
Разработанные рекомендации по эмалированию алюминия алюмофосфатными стеклоэмалевыми покрытиями внедрены на ОАО БКМПО «Калитва», ОАО «Шахтметалл».
Экономический эффект от внедрения рекомендуемой технологии в условиях ОАО БКМПО «Калитва» г.Белая Калитва, Ростовской обл. составил 2260 руб. на 1000 сковород диаметром 26см.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: "Студенческая наука - экономике России" -Ставрополь: СевКавГТУ,2001.; «Естествознание на рубеже столетий»: сессия Российской Академии естествознания — Дагомыс, 2001, а также на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) - 2000.. .2003г.г.
Публикации,
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ; получен патент РФ на изобретение № 2213711 РФ 7 С 03 С 8/08. - Заявл.13 Л 2.2001 ;Опубл. 10Л0.2003,Бюл.№28
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, описания методики и характеристики материалов, экспериментальной части, изложенной в трех главах, общих выводов, библиографического описания литературных источников 118 наименований и приложения - акты производственных испытаний.
Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включающего 20 таблиц, 20 рисунков и приложения — 4с.
Особенности синтеза покрытий для бытовых изделий из алюминия
Эмалирование алюминия — процесс трудоемкий, т.к. при синтезе покрытия необходимо принимать во внимание следующие особенности: высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) алюминия «=252.10 7К и низкую температуру его плавления — 658С/1,3,8,12/. Поэтому при исследовании эмалирования алюминия при разработке эмалевых покрытий необходимо учитывать, что они должны обладать легкоплавкостью, температурным коэффициентом линейного расширения, близким к ТКЛР алюминия, достаточной прочностью сцепления с металлом и хорошими эстетическими и технологическими свойствами /19/.
Все разработанные эмали для эмалирования алюминия можно разделить на три группы в зависимости от вида структурообразующих оксидов: свинцовые, силикатные и бессвинцовые силикатные, фосфатные /1,6,7,20/.
Свинецсодержащие силикатные эмали. Эти эмалевые покрытия для алюминия получены еще в 30-е годы в США для эмалирования панелей зданий и сооружении. Благодаря своим свойствам: легкоплавкости и широкой цветовой гамме получили широкое распространение /19,20/. Это объясняется тем, что свинцовые эмали наиболее технологичны и удобны в производстве. В настоящее время их широко используют за границей для эмалирования ювелирных изделий. Эти эмали имеют хороший блеск и растекаемость, а также достаточно высокую химическую стойкость к растворам кислот /10,21/, однако они содержат токсичный оксид свинца. Свинецсодержащие покрытия на алюминии могут быть прозрачными, заглушёнными и в обоих случаях окрашенными в любой цвет.
По мнению авторов /1,7,10,21/, составы свинецсодержащих силикатных эмалей можно разбить на несколько групп по содержанию оксида свинца - с большим (более 60% мае), средним и малым (менее 10% мае.) количеством РЬО. Все эти эмали представляют собой свинцовосиликатные или свинцовоборосиликатные стекла, для повышения химической стойкости которых в состав вводят соединения лития и оксида титана /22/. Введение соединений свинца в эти эмали с целью снижения их вязкости и температуры обжига ограничивает их применение. Их наличие в составе эмалей не только исключает возможность применения этих свинецсодержащих эмалей для бытовой посуды, но и подвергает большой опасности здоровье работающих и требует особых мер предосторожности при составлении шихт, варке эмалей и нанесения шликеров на изделия. По данным исследований Гуторовой Л.Л./10/, Гузеева В.В./23/, такие легкоплавкие стекла легко применяются для спаивания стеклянных деталей и в качестве плавней для керамических красок. Эти эмали могут быть использованы для покрытия деталей машин, для диэлектрических прослоек и покрытий, а также для художественных — ювелирных и других декоративных изделий. Однако в настоящее время применение свинецсодержащих силикатных и боросиликатных эмалей даже для технических и художественных изделий ограничивается. Бессвинцовые силикатные эмали. Эмали для алюминия существенно отличаются от эмалей для стали и чугуна. Низкая температура плавления алюминия и его высокий ТКЛР потребовали разработки специальных легкоплавких составов с выкоким коэффициентом линейного расширения/1,6,7,8/. Но при этом они обладают очень низкой химической стойкостью как к кислотам, так и к щелочам. Поэтому очень трудно получить легкоплавкие эмали с достаточно выской химической стойкостью к различным средам одновременно. Обычные эмали для черных металлов представляют собой силикатные стекла, а их химическая стойкость обеспечивается достаточно высоким содержанием кремнезема, что не допускает их использование для эмалирования алюминия, т.к. оксид кремния снижает ТКЛР эмалевого покрытия и увеличивает температуру обжига. Увеличение содержания оксидов щелочных металлов для снижения вязкости и температуры обжига таких эмалей значительно уменьшает химическую стойкость эмали к различным средам /24/.
В качестве бессвинцовых силикатных эмалей для алюминия чаще всего применяют многокомпонентные боросиликатные составы, в которых оксид свинца заменен оксидами двухвалентных металлов - бария, цинка, кальция, стронция. Они содержат в большинстве случаев токсичные соединения бария и цинка /25/. Эти эмали имеют несколько более высокую температуру обжига и недостаточно гладко растекаются на алюминии, но по химической стойкости и твердости в несколько раз превосходят свинецсодержащие стеклоэмалевые покрытия.
В ряде опубликованных источниках /1,4,6,8,10/ приведены следующие пределы содержания оксидов в бессвинцовых силикатных эмалях, мол.%: 5Ю2 18-36; ТЮ2 0-15; Al2Oj 0-4; В203 8-13; RO 17-30; R20 20-36.
Чаще всего бессвинцовые силикатные эмали многокомпонентны. Ранее проведенные работы /26/ показали, что количество компонентов в бессвинцовых силикатных эмалях можно значительно сократить, увеличив содержание оксида титана в составе эмали. Эмали такого типа можно наносить на чистый алюминий без специальной обработки его поверхности. Однако введение оксида титана значительно повышает температуру обжига и способствует сильной их кристаллизации, что в некоторых случаях нежелательно.
Соотношение оксидов-структурообразователей в стекломатрице и их влияние на свойства эмали
При разработке состава и технологии нанесения цветного эмалевого покрытия для алюминиевой бытовой посуды за основу в данной работе была принята алюмоборофосфатная система с последующей ее модификацией.
Как было показано в аналитическом обзоре / 15,17,45,78/, цветные стеклоэмалевые покрытия для алюминия являются сравнительно легкоплавкими и их составы располагаются обычно в системе R20 - RO -А1203 - Р205 при следующем содержании основных компонентов, мас.%: Na2O-10,0; MgO-10,0; А12О3-10,0; Р2О5-70,0 /16,33/. В качестве легкоплавкого компонента в системе используется оксид натрия и фосфора. Однако, учитывая низкую химическую стойкость данной стекломатрицы, в ее составе нами было повышено содержание оксида алюминия и уменьшено содержание оксида фосфора. Наряду с этим, учитывая, что оксид алюминия значительно повышает температуру обжига и снижает значение ТКЛР, в состав стекломатрицы вводили оксид бора. Этот оксид является одним из оксидов-стеклообразователей, наличие которого придает стеклоэмалевым покрытиям ряд ценных качеств, в том числе улучшает растекаемость покрытия во время обжига и улучшает прочность и термостойкость. Однако содержание этого оксида в ранее разработанных покрытиях /29-30/ составляет около 20-30% по массе, что также нежелательно, т.к. большое содержание оксида бора ухудшает эксплуатационные свойства покрытия, в частности.химическую стойкость /69-72/. Оксид фосфора наряду с оксидом алюминия выступает как оксид - стеклообразователь, образуя структуру алюмофосфатного стеклоэмалевого покрытия. Содержание щелочных оксидов не должно превышать 25%, т.к. большее содержание оксида натрия и калия уменьшает химическую стойкость стекломатрицы. В состав стекломатрицы с целью повышения белизны получаемого с применением этой стекломатрицы покрытия и упрочнения его структуры вводили оксид титана в количестве до 10%, т.к. большее содержание этого оксида вызывает повышение температуры обжига и уменьшение значения ТКЛР. В связи с этим дальнейшие исследования по синтезу стекломатрицы проводили в области составов стекол системы R20 - RO - В20з - AI2O3 — Ti02 - Р2О5.
Известно, что технологические, эксплуатационные и эстетические свойства покрытия, в первую очередь, зависят от химического состава эмалевого покрытия. Содержание и соотношение оксидов-стеклообразователей, главным образом, предопределяют свойства покрытий, т.к. содержание их в стекломатрице превышает 60%.
Как установлено ранее, сумма оксидов - стеклообразователей данной системы должна быть в интервале 60... 80%. В противном случае в процессе варки стекломатрицы может наблюдаться непровар, резкое вспенивание шихты при нагревании и образование спека. По всей вероятности, это объясняется тем, что при большем содержании оксидов-стеклообразователей они не полностью связываются в структуре стекломатрицы с оксидами-модификаторами типа R20 и RO. Кроме того, оксид фосфора вводится в состав шихты для варки стекломатрицы Триполи фосфатом натрия, который разлагается уже при 500С и резко вспенивается на поверхности тигля и образуется застывшая вспененная масса, не прореагировавшая с другими компонентами шихты.
Для разработки стекломатрицы оптимального состава, обеспечивающей получение легкоплавкого качественного эмалевого покрытия для алюминия, нами были проведены исследования в системе R20-- RO - В203 - А1203 - ТЮ2 - Р205, где RO = CuO+ZnO; R20 = Li20+K20+Na20.
Как известно, структура фосфатных стекол образована тетраэдрами [РОд] " / 1,7,10,71 /, у которых из-за наличия двойной связи между катионом фосфора и одним из анионов кислорода лишь три атома кислорода могут быть мостиковыми. Поэтому пространственная структура фосфатных стекол может состоять из колец, лент или цепочек тетраэдров [РО4]3 . Введение в состав этих стекол модифицирующих оксидов приводит к увеличению количества немостиковых атомов кислорода, а изменение соотношения количества катионов фосфора, бора и алюминия изменяет пространственное расположение комплексов типа [В04]5", [АЮ4]5" и [РО4]3". Такие превращения в корне изменяют качество и свойства эмалевого покрытия, получаемого на базе стекол сложных составов.
Возможность регулирования структуры стекломатрицы с помощью подбора соотношения в ее составе оксидов - стеклообразователей определяет широкий спектр физико-химических свойств, получаемых на их основе эмалевых покрытий. Совместное влияние этих оксидов на свойства эмалевых покрытий силикатного, фосфатного или свинцового различны.
Поэтому при исследованиях в области формирования форсфорсодержащих покрытий на алюминии также актуально рассмотрение зависимости влияния соотношения оксидов -стеклообразователей на качество и свойства эмалевого покрытия.
С целью установления оптимального состава стекломатрицы для получения эмалевых покрытий для бытовой посуды из алюминия необходимо было выявить область, в пределах которой на базе синтезируемых стекломатриц возможно получение эмалевых покрытий, сцепляющихся с алюминиевыми образцами при температуре их обжига не более 580С. Температура обжига покрытия на алюминии является важнейшим критерием, т.к. при температуре обжига выше 580С происходит коробление металла и выгорание тефлонового покрытия в случае применения покрытий для эмалирования алюминиевой бытовой посуды с внутренним тефлоновым покрытием. Кроме этого, понижение температуры обжига эмалевых покрытий целесообразно с точки зрения экономии энергоресурсов.
Анализ ранее разработанных составов стекломатриц /14,15,17/ для эмалевого покрытия по алюминию показал, что содержание оксидов фосфора, бора и алюминия в различном соотношении влияет на химическую стойкость, прочность сцепления, блеск покрытия.
Увеличение содержания в составе эмалевых покрытий оксида бора при постоянном соотношении оксидов алюминия и фосфора понижается температура обжига, но при этом снижается и химическая стойкость, что нежелательно. При малом же содержании оксида бора в процессе варки стекломатрицы чаще наблюдается непровар и вскипание шихты на поверхности тигля. При этом температура обжига покрытий значительно увеличивается, что также приводит к короблению металла. При содержании бора в пределах 7...18% стекломатрица проваривается полностью при 1100С, на поверхности алюминия образуется легкоплавкое покрытие с температурой обжига до 600С. Такая зависимость, вероятно, объясняется легкоплавкостью борного ангидрида и степенью его связности в структурной сетке стекла с другими компонентами.
Способ обработки поверхности как фактор образования переходного слоя, обеспечивающего прочность сцепления композиции металл-покрытие
Как известно, от качества обработки поверхности металла напрямую зависит качество покрытия, а также механизм формирования стеклоэмалевого покрытия на металле.
Во-первых, хорошая обработка поверхности металла обеспечивает полное смачивание эмалевым расплавом поверхности металла и растекания их по субстрату. Во-вторых, химический состав эмали существенно влияет на ее способность смачивать металл. В третьих, способы обработки поверхности металла составами, содержащими химически активные компоненты, также оказывают существенное влияние на структуру и состав переходного слоя металл-покрытие.
Ранее проводенные исследования /78,82/ в области влияния обработки поверхности алюминия на сцепление композиции металл-покрытие проводилась на базе синтезированных силикатных и фосфорсодержащих покрытий при обработке алюминиевых сплавов для эмалирования. Однако, эти методы обработки не приемлемы для подготовки алюминия к эмалированию, т.к. на поверхности металла протекают процессы различного характера. Поэтому вопрос влияния обработки металла на формирование стеклоэмалевого покрытия на алюминии весьма актуален.
Название Этапы, состав для обработки, г/л Время, мин; температура, С А. Обезжиривание Na2C03 - 52,7 90, Юмин. Сильноевскипание,крупные пузыри,прочносцепляется сметаллом Отжиг 500, 5 мин. Б. Оксидирование Na2C03 - 60,0; Na2Cr04 - 20,0; Na2HPO4-2,0; 90, 15мин. Эмалевый расплав плохосмачивает поверхностьметалла, единичныегазовые включения Промывка горячей водой - Отжиг 500, 5 мин. В.Хроматная обработка Na2C03 - 50; Na3P04 - 50; 85-90, 5 мин. Вскипания нет,покрытие имеетхороший блеск ирозлив поповерхностиметалла Промывка горячей водой - Na2C03 - 50; К2СЮ4 - 25; NaOH-20; 60-70, 15-20 мин. Г.Фторо-фосфатныйспособ Н3Р04-12;NaF-3,1;Хромовыйангидрид-3,6; 20,15 мин. Покрытиеотслаивается отметалла, в объемемного газовыхвключений Отжиг 500, 5 мин. д.Фторо-фосфатныйспособ То же 50, 15 мин. Сильныевскипания,эмалевый расплавплохо смачиваетповерхностьметалла Отжиг нет Анализ качества покрытия методом электронной микроскопии показал, что при обработке поверхности по методикам Б, Г и Д наблюдается неполное смачивание, проявляющееся в виде сборок и неровностей поверхности, а также скола покрытия (рис.4.1.). Влияние метода обработки на внешний вид эмалевого покрытия, хЮОО раз: а- после обработки по методике А; б- после обработки по методике Д; в- после обработки по методике В;
Очевидно, что наилучшее покрытие образуется после обработки поверхности алюминия по методике В (рис.4.1.,в). В результате такой обработки покрытие равномерно растекается по обработанному металлу, не вскипает и не имеет газовых включений. Однако, такая обработка многостадийна, что усложняет процесс обработки. Поэтому нами была выявлена роль каждого этапа этого метода обработки в формировании легкоплавкого покрытия на алюминии с помощью электронно-микроскопического анализа (рис.4.2.).
Из рис.4.2.,а. видно, что качество поверхности эмалевого покрытия после первой стадии обработки, способствующей удалению жировых и других видов загрязнений на металле с помощью адсорбции, неудовлетворительное. Наблюдается неравномерное смачивание поверхности алюминия эмалевым расплавом, а также множество дефектов в виде булавочных уколов и трещин и плешин
После второй стадии - промывки в горячей воде слой загрязнения адсорбированного фосфатно-содовым раствором смывается с поверхности алюминия. На поверхности металла, который окисляется при комнатной температуре, мгновенно образуется оксидная пленка AI2O3. Поэтому на рис. 4.2.,6. видны пятна и неравномерность растекания эмали при обжиге по поверхности алюминия. Третья стадия обработки дает положительные результаты по изменению качества покрытия (рис.4.2.,в.).
Очевидно, на третьей стадии обработки происходит ряд сложных параллельно протекающих окислительно-восстановительных процессов, изменяющих химический состав поверхности металла и улучшающих растекание эмалевого расплава по поверхности алюминия.
В результате этих процессов поверхностью алюминия окисляется с образованием активного А120з. При этом соединения хрома VI неустойчивы при высоких температурах /89/, поэтому при 350-400С это соединение начинает плавиться, образуя оксид хрома (III) по представленной выше реакции. Как известно /86/, данный оксид хрома весьма активен, что при повышении температуры способствует образованию новых соединений.
Оптимальные технические параметры эмалирования алюминия для опытно-промышленных испытаний
На основании проведенных всесторонних исследований, выявленных зависимостей нами была разработана технология получения однослойных стекломалевых покрытий для бытовой посуды из алюминия. Предлагаемая схема представлена на рис.5.1.
Как видно из рис 5.1., предложенная схема позволяет сократить расход электроэнергии в результате исключения стадии пескоструйной обработки, поскольку высокая прочность сцепления эмали с алюминием обеспечивается стадией хроматной обработки. Кроме того, в случае применения предлагаемой технологии происходит повышение экологичности производства в результате исключения из состава эмали вредных свинецсодержащих компонентов.
Помимо этого, как было сказано ранее, покрытия на алюминия, получаемые по этой технологии, имеют высокие показатели эксплуатационных свойств: повышенную химическую стойкость и высокую прочость сцепления, что способствует увеличению срока службы бытовой посуды. Алюмоборофосфатные эмалевые покрытия дешевле, чем аналогичные силикатные и свинцовые, а по своим свойствам не уступают перечисленным. Поэтому разработанные и исследованные эмалевые покрытия, а также технология их получения рекомендованы для эмалирования бытовой посуды из алюминия с внутренним тефлоновым
покрытием. Для выработки практических рекомендаций к производственному внедрению разработанных легкоплавких однослойных покрытий и технологии их получения необходимо было в лабораторных условиях установить оптимальные параметры технологических процессов: варки фритты, приготовления шликеров, подготовки поверхности алюминия, нанесения и обжига покрытий.
Шихту для фритты оптимального покрытия № 7-13 готовили из природного и технического сырья, широко применяемого в эмалировании. Варку нескольких проб шихты проводили в электрической силитовой печи в интервале температур 1100-1200С в течение 0,5 часа. Установлено, что оптимальная температура варки составляет 1150С с выдержкой при максимальной температуре 0,5 часа. После варки полученную фритту охлаждали на стальном гофрированном листе. Нанесение синтезированного покрытия производили мокрым (пульверизацией, обливом) способом. При использовании шликерного способа ведут мокрый помол фритты с добавлением глины 0,5 мас.% и 0,5 мас.% нитрита натрия и 40 % воды. Тонкость помола шликера колебалась в пределах 18...20 ед. по сосуду Лисенко. Шликер наносили на алюминий, предварительно подверженному Оптимальная температура обжига, как установлено ранее, составляет 580С с выдержкой в течение 5 мин. После обжига покрытия исследовали на химическую и термическую стойкость, прочность сцепления. Установлено (табл.5.1.), что по всем параметрам синтезированное покрытие соответствует техническим требованиям к покрытиям для бытовой посуды из алюминия. Для апробации научных и практических рекомендаций, вытекающих из диссертационной работы, необходимо было проведение опытно-промышленных испытаний. Опытно-промышленные испытания стеклоэмалевого покрытия проводились в условиях Открытого акционерного общества "Шахтметалл" г.Шахты Ростовской обл. и Открытого акционерного общества БКМПО "Калитва" г.Белая Калитва Ростовской обл.
В условиях ОАО БКМПО "Калитва" производится эмалированная алюминиевая бытовая посуда с внутренним тефлоновым покрытием. Нами была исследована возможность применения разработанной технологии стеклоэмалевого алюмофосфатного эмалирования бытовой посуды. Фритта для покрытия была получена в условиях ОАО БКМПО "Калитва" в газовой печи периодического действия.
Приготовленный по вышеописанной методике шликер оптимального состава № 7-13 наносили на обработанный травильным раствором алюминий методом пульверизации. Сушку покрытий производили в сушиле при температуре 70..Л00С в течение 15 минут. Затем изделия с нанесенным покрытием обжигали в муфельной печи при температуре 580С в течение 5 минут.
Результаты испытаний полученного стеклоэмалевого покрытия показали его высокое качество: отсутствие значительных дефектов, высокую термостойкость и химическую стойкость. Разработанное стеклоэмалевое покрытие рекомендовано к внедрению в условиях Открытого акционерного общества "Шахтметалл" г.Шахты Ростовской обл. и Открытого акционерного общества БКМПО "Калитва" г.Белая Калитва Ростовской обл (акт о проведении производственных испытаний, приложение 1).
На основании результатов проведенных испытаний состав синтезированного стеклоэмалевого покрытия может применяться для производства эмалированной бытовой посуды из алюминия и изделий декоративно-художественного назначения на предприятиях, используемых алюминий марки АО, А1,А2.
