Эмаль или глазурь нельзя рассматривать, как самостоятельный функциональный материал. Свои полезные свойства они могут проявить лишь после нанесения на изделие, являясь специфической и неотъемлемой частью целого.

Эмаль, нанесённая на металл, не только защита от коррозии, а средство улучшения качества поверхности, обеспечивающее новые материаловедческие, функционально-технические и эстетические свойства системы эмаль - металл.

Эмалированный металл следует рассматривать как композиционный материал, обладающий не только повышенной коррозионной стойкостью, но рядом дополнительных потребительских преимуществ.

Эмалевые покрытия отличаются повышенной стойкостью к растворам кислот, щелочей, и солей до +300℃, отсутствием склонности к старению, зеркальной гладкостью и низким коэффициентом трения, отсутствием адгезии высоковязких веществ.

Высокие эксплуатационные свойства стеклоэмалевых покрытий обуславливают их широкое применение в химической, нефтедобывающей, нефте-газотранспортной промышленности, машиностроении, строительстве, а также при изготовлении хозяйственно-бытовых и санитарно-технических металлических изделий из чёрных металлов.

Глазури

Глазурь - стекловидное покрытие керамического изделия, полученное оплавлением силикатного стекла специального состава и существенно улучшающее его свойства (рис. 1).

В отличие от практически гомогенных промышленных силикатных стёкол, глазурь приобретает в процессе обжига изменения в химическом составе и строении, особенно в области непосредственного контакта с керамикой. В основном глазурь представляет собой стекло и обладает всеми присущими ему свойствами. Параметры конкретно используемой глазури должны соответствовать свойствам глазуруемого изделия. Прежде всего, это ТКЛР (температурного коэффициента линейного расширения) и температура плавления.

Если ТКЛР глазури меньше, чем ТКЛР керамической основы более чем на 10%, то фрагменты глазури будут отслаиваться. При обратном соотношении - неизбежно появление трещин покрытия. И наоборот, – глазурь, правильно подобранная к керамике, значительно улучшает механическую прочность изделия.

Разнообразие керамических изделий обуславливает потребность в соответствующем многообразии используемых глазурей. Классификация последних осуществляется по признакам:

Эмали

Эмалью является возникающая из расплава или фритты масса неорганического, главным образом оксидного состава, затвердевающая преимущественно в стеклообразном состоянии, которая в один, или в несколько слоёв, частично с добавками должна быть наплавлена, или уже наплавлена на заготовку из металла или стекла. Эмалирование металла – соединение в единое целое столь разнородных материалов – технологически несравнимо более сложная задача, чем создание окрашенных слоёв стеклянного покрытия на стеклянном же изделии.

Защитные технологические покрытия

Помимо традиционного применения силикатных оксидных композиций для эмалирования металлов и сплавов с целью улучшения внешнего вида и возможно большего продления срока службы изделий последние 30-40 лет ширится использование силикатных композиций для временной защиты от газовой коррозии металлических изделий и заготовок в технологических процессах, сопровождающихся высокотемпературным нагревом. Это позволяет сократить потери стали, титана и других металлов от газовой коррозии при нагреве перед их прокаткой, прессованием, закалкой, большая часть которых представляют собой тугоплавкие эмали.

При мокрых способах нанесения оксидная композиция наносится на поверхность металлической заготовки в виде шликера. Шликер эмали получают мокрым помолом. При этом в барабанную мельницу со строгим соблюдением пропорций помещают фритту эмали, воду, кварцевый песок, иногда полевой шпат, глину, пигменты, глушители, иногда органические добавки. Загрузка ингредиентов должна производиться с учётом влажности и гранулометрического состава.

В случае применения защитных технологических покрытий, как альтернативы применения вакуума и регулируемой газовой атмосферы, возрастает коэффициент использования металла, снижается металлоёмкость изделий и трудоёмкость их изготовления. Детали после высокотемпературной штамповки практически не требуют дополнительной механической обработки. Большинство защитных технологических покрытий (ЗТП) само удаляются в процессе послеоперационного остывания металлического изделия.

Составы для технического эмалирования чугуна и стали

Эмали принято подразделять по материалу основы и по основной функции - грунтовые, покровные и безгрунтовые.

Грунтовая эмаль наносится непосредственно на материал основы и, в свою очередь, служит основой для одного или нескольких слоёв покровной эмали, она обеспечивает адгезию покрытия, согласование ТКЛР металла основы и покрытия и служит защитой покровной эмали от продуктов реакций, происходящих на поверхности металла при обжиге.

Грунтовая эмаль должна иметь большее поверхностное натяжение, чем покровная, оптимальную вязкость при технически приемлемых температурах отжига, причём допустимый интервал температур обжига должен быть достаточно большим для возможности использования разных покровных эмалей. Помимо этого, грунтовая эмаль должна выдерживать многократный отжиг.

Покровная эмаль, как уже отмечалось раньше, определяет функциональные свойства изделия. ТКЛР покровной эмали определяется свойствами металлической основы и должен быть меньше, чем ТКЛР грунтовой эмали. Так же должны быть ниже поверхностное натяжение, вязкость и температура размягчения. Следует отметить что, хотя покровные эмали – это обычно именно стеклоэмали, но могут быть и в различной степени закристаллизованными в результате последующей управляемой кристаллизации.

Безгрунтовые эмали объединяют в себе функции грунтовой и покровной эмалей. Экономически они предпочтительней традиционных, тем более, что тонкое стеклоэмалевое покрытие более эластично. Безгрунтовые эмали широко применяют при производстве электроплит и стеновых панелей.

Эмалевое покрытие по чугуну отличается повышенной толщиной толщина слоя покрытия на дне чугунных ванн составляет 5-6 мм. Видимо и из-за этого не в последнюю очередь наблюдается постепенное вытеснение чугунных эмалированных изделий стальными. Современные составы покровных эмалей для чугуна в подавляющем большинстве универсальны - нет составов, предназначенных исключительно для чугуна.

Примеры применения эмалевых покрытий

Сталь – основной материал нашей механистической цивилизации и защита от коррозии стальных изделий - постоянная и жизненно важная задача практически в любой области человеческой деятельности, особенно в промышленном производстве.

Эмалирование металлов (рис. 2) вообще и, особенно, стали - самое эффективное и, как правило, безальтернативное средство обеспечения длительной работоспособности оборудования в химической, фармацевтической, пищевой, нефтегазовой и других отраслях.

Достаточно широк ассортимент стальных эмалированных изделий для использования в быту: посуда, электроплиты, ванны, раковины и даже эмалированные дымоходы.

Проблема не только в защите от коррозии металла и долговечности изделия - при длительном контакте с водой на поверхности защитных покрытий бытовой техники, санитарно-технической аппаратуры и, прежде всего, внутри баков различных водонагревателей в результате жизнедеятельности некоторых типов патогенных микроорганизмов образуется плёнка, слабо поддающаяся обычным дезинфицирующим веществам. Чаще всего для обеспечения антибактериального эффекта в состав покрытия вводят соединения серебра. Более доступный вариант – введение в состав покрытия оксидов переменной валентности (ZnO, CuO, MnO₂).

Желательная консистенция шликера зависит от конкретно используемого способа нанесения. Сухое нанесение осуществляется напудриванием или погружением. Мокрое нанесение производится окунанием, поливом, пульверизацией или кистью. И сухое и мокрое нанесение может быть с наложением электрического поля или без него.

Особо важный пример – стальные трубы с эмалевым покрытием. Проблема надёжности трубопроводов имеет просто чрезвычайный характер. Применение эмалированных труб для создания нефтепроводов позволит в существенной мере избежать появления экологических проблем, возникающих при коррозионных повреждениях нефтепроводов. Эмалевое покрытие стальных труб допускает эксплуатацию при температурах от -35 до +400 градусов Цельсия. Гладкая поверхность эмалевого покрытия уменьшает отложения продуктов коррозии и парафиновых фракций на стенках трубы, за счёт этого увеличивается пропускная способность трубопроводов. При этом трубы со стеклоэмалевым покрытием сравнительно недороги в 5-10 раз дешевле трубы из нержавеющей стали, и только на 25-40% дороже труб без покрытия.

Эмалирование труб на современных станках-автоматах происходит со скоростью 1 - 2 м/мин., что примерно в 3 раза снижает затраты времени по отношению к эмалированию в печах. Для индукционного обжига разрабатываются специальные составы грунтовых, покровных и безгрунтовых эмалей.

Таким образом, эмалирование стальных изделий позволяет решать множество технических и житейских проблем, играет очень существенную роль в общемировом производстве и потреблении.

Пример записи эмали в чертёж: Эмаль ХВ-124 белая, УХЛ2 ГОСТ 10144-89

Составы эмалей для алюминия и сплавов

Так как алюминий отличается легкоплавкостью и большим коэффициентом термического расширения, соответственно и эмали для алюминия значительно отличаются по составу от тех, которые применяются для черных металлов. Прежде всего, увеличенным содержанием оксидов щелочных металлов, свинца и титана за счет уменьшения доли кремнезема. Температура плавления эмалей для алюминия - 550 ℃.

Эмалевое покрытие существенно увеличивает жёсткость алюминиевых изделий.

При эмалировании алюминия особое внимание уделяется предварительной подготовке поверхности и возможно более равномерному нанесению оплавляемой композиции, так как сравнительно невысокая температура отжига не способствует самовыравниванию поверхности эмали.

Общая характеристика технологического процесса изготовления эмалированных металлических изделий

В упрощённом виде процесс эмалирования металлических изделий состоит из нанесения эмали на подготовленную поверхность металлической заготовки и последующего оплавления. Эмалирование металла – соединение в единое целое столь разнородных материалов (металла и стекла) – необычайно сложная технологическая задача и реальный технологический процесс для каждого конкретного серийно изготовляемого эмалированного изделия жёстко регламентирован. Так, как только строгое исполнение технологических предписаний на всех этапах производства может обеспечить получение качественного бездефектного эмалированного изделия. Изделие, полученное в результате этого процесса, уникальным образом объединяет механическую прочность и другие качества металлической основы с твёрдостью, химической стойкостью и прочими положительными свойствами технических стёкол.

Качественное эмалевое покрытие может быть получено только при строгом соответствии наплавляемой эмали металлу основы.

Конфигурация металлической заготовки, сварные швы должны соответствовать задаче последующего эмалирования.

Поверхность металлической заготовки должна быть подготовлена для последующего нанесения эмали. Этого добиваются, как правило, в несколько этапов, применяя физические (отжиг), механические (шлифование, струйная обработка) и химические (обезжиривание, травление) методы. Подготовка поверхности включает в себя, прежде всего, очистку от загрязнений – продуктов коррозии (ржавчины и окалины), масла, жиров, технологических смазочных материалов, рыхлых металлических частиц и пыли.

Нанесение эмали на металлическую поверхность может осуществляться в несколько этапов сухим или мокрым способом.

При сухом способе оксидная композиция (эмаль, фритта эмали, смесь исходных сырьевых компонентов, смесь фритт, смесь фритты и исходных сырьевых компонентов) наносится на поверхности металлической заготовки в виде сухого порошка (пудры) либо непосредственно после сухого помола, либо после обработки порошка соответствующими модификаторами.

Сушка необходима только после мокрого нанесения эмали. Количество влаги, которое необходимо удалить зависит от конкретно используемого способа нанесения и времени, прошедшем после нанесения. При применении эмалевого шликера малой плотности это количество может составлять более 30% от нанесённой массы. Необожжённый, но высушенный слой покрытия называют бисквитом.

В процессе сушки влага из нанесённого слоя эмали поглощается горячим воздухом. Чем выше температура воздуха, тем интенсивней идёт процесс. С другой стороны, слишком медленная сушка может привести к образованию ржавых пятен.

Тщательно высушенный бисквит достаточно прочен и это обеспечивает возможность проведения дальнейших технологических операций. Недостаточно тщательно высушенный бисквит может вызвать отслаивание покрытия при последующем вжигании эмали или излишнее насыщение атмосферы печи парами воды, что является причиной образования различных дефектов эмалевого покрытия.

Нанесённый на металлическое изделие слой эмали или бисквит в процессе отжига оплавляется с образованием сплошного стекловидного покрытия, прочно связанного с металлом. Температура и длительность отжига должны строго соответствовать регламентации для данного эмалируемого изделия.

В промышленности вжигание эмалевого покрытия осуществляется в печах или индукционным способом. В процессе обжига расплав эмали взаимодействует, прежде всего, с оксидной плёнкой на поверхности металла. В результате сложных физических и химических процессов, происходящих не только на границе раздела, но и распространяющихся вглубь металла и эмали, обеспечивается прочное сцепление эмалевого покрытия с металлом изделия.

Дефекты эмалевого покрытия, причины их появления

Качество металлического эмалированного изделия обеспечивается, прежде всего, на этапе регламентации технологического процесса. Однако полностью исключить возможность появления дефектов эмалирования (рис. 3) не представляется возможным – затраты на это во много раз превысили бы выгоду от бездефектного производства.

Дефекты эмалевого покрытия либо снижают качество изделия, либо увеличивают издержки производства за счёт перехода части продукции в брак или затрат на дополнительные работы по устранению дефектов.

Выявить и устранить причину регулярного появления того или иного дефекта часто очень сложно из-за весьма запутанных взаимосвязей между влияющими факторами. Часто один дефект может быть вызван несколькими причинами, плюс случайные технологические обстоятельства, которые ещё более усложняют ситуацию. Поэтому нередко распознают и устраняют вторичные факторы и это позволяет достичь временного успеха, но исключить появление дефектов полностью не удаётся.

В условиях реального эмалировочного производства в качестве нормальной определяется некоторая доля дефектности продукции. Затраты, связанные с браком и устранением дефектов, зависят от конкретного изделия и могут составлять 2…20%.

Дефекты эмалевых покрытий приближённо могут быть разделены на четыре группы: Нарушение целостности эмалевого покрытия. Происходит вследствие отслаивания, отскакивания или сколов эмали в виде более или менее крупных пластов, кусочков или чешуек. Основная причина отслаивания эмалевого покрытия с обнажением металла – недостаточная прочность сцепления эмали с металлом.

Отскакивания и сколы вызываются возникновением в эмалевом слое напряжений, превышающих прочность эмали.

Трещины в эмалевом слое. Основная причина появления – напряжения растяжения, превосходящее прочность эмали.

Прогары, пузыри и поры. Вызываются выделяющимися газами, которые не успели полностью удалиться в процессе отжига грунта или эмали. Часто причиной пор и пузырей являются прогары грунтового слоя.

Все вопросы и пожелания прошу направлять сюда? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Так же если вам понадобится помощь с графическим работами: чертежи, схемы электрические, печатные платы или 3D-модели задания можете присылать сюда.