УДК 666.29.051

 

к. т. н., доц.Боранбаева Б. М., к.т. наук, доц Сұлтамұрат Г. И..;

Тулегенова Ш.Н..;Толешулы А.

 

РГКП «Карагандинский государственный технический университет». Казахстан, г. Караганда. Е- mail:alish-t90@mail.ru

 

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ЭМАЛИРОВАНИЯ

 

Рассмотрены факторы, оказывающие влияниена качество эмалирования, исходя из сквозного опыта казахстанских и российских предприятий, специализирующихся на производстве металла и    производстве стальных эмалированных изделий.

 

Ключевые слова: сталь 08ЮР, дефект, эмалирование, качество.

 

 

Если одной из  характерных особенностей  товарного рынка  прошлого столетия был  рост производства-насыщение товарного рынка,  то для  21 века – это, прежде всего, ориентация на качество продукции.

Понятие качества продукции имеет очень важное значение в практической деятельности, потому регламентировано стандартами. Согласно одним нормативным документам под качеством понимается «совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением» [1].

В других понятие «качество» определено как «совокупность свойств и характеристик изделия или услуги, относящихся к его способности выполнять установленные и предполагаемые потребности» [2].

Таким образом, качество является  одной из фундаментальных категорий, определяющих образ жизни, социальную и экономическую основу для успешного развития человека и общества. Такое видение качества представляется достаточно емким и более четко определяет значение повышения качества. Так, в соответствии с международным стандартом ИСО 9000:2000 качество определяется как совокупность свойств и характеристик продукции, которые придают ей способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности:  свойств, формы, внешнего вида и условий применения, которыми должны быть наделены товары для соответствия своему назначению и т.д.  Все эти элементы определяются требованиями к качеству,  которые воплощены на этапе проектирования в технической характеристике изделия, в конструкторской документации и технических условиях. При этом, к понятию свойства относится объективная способность продукции, которая может проявляться при ее создании, эксплуатации и потреблении. А дефект – это отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативно-технической документацией.

В предлагаемой статье рассмотрены факторы, оказывающие влияниена качество эмалирования, исходя из сквозного опыта казахстанских и российских предприятий, специализирующихся на производстве металла и    производстве стальных эмалированных изделий.

Эмалирование – процесс нанесения на поверхность металлических изделий, отштампованных емкостей из тонколистовой низкоуглеродистой стали, стеклообразного покрытия. Традиционно технология эмалирования состоит из этапов нанесения дисперсной мелкозернистой эмалевой массы (фритты) на предварительно подготовленную металлическую основу, закрепляемой сушкой и монотонным отжигом в проходных печах.

К наиболее часто встречающимся порокам эмалевого покрытия относят, так называемые дефекты - рыбья чешуя и  пузырь [3].

 

а)

 

б)

 

Рис.1. Основные виды дефектов эмалированных изделий из низкоуглеродистой стали 08Ю [3].

а) дефект «рыбья чешуя», б) дефект  пузыри.

Дефекты  эмалевого покрытия готовой продукции  на производстве обычно устраняют следующим образом:  дефектный участок механически зачищается от эмалевого слоя до основы и проводится его повторное эмалирование.  Данное изделие переводится в пониженную сортность.  По имеющимся литературным данным отсортировка в брак может  составлять  до  30-35% [4].

Эмалирование и порок «рыбья чешуя».  Дефект рыбья чешуя представляет собой отслоение эмали (сколы), образующие углубления в эма­левом слое в форме полумесяца, которые остаются в ме­стах отскока эмали. Поэтому их иногда называют выколками. Величина этих выколок различна: иногда они неве­лики и нарушают только поверхность эмалевого слоя, а иногда доходят до металла. Ширина их от 1 мм до 1 см и больше.

На основании исследований Клердинга, Хоффа и  Клердинга, Цапффе с сотрудниками окончательно установле­но, что рыбья чешуя вызывается давлением газообразного во­дорода, выделяющегося из металла. Было определено, что дав­ление водорода, при котором образуется рыбья чешуя, состав­ляет 110 ат. Такие большие скопления водорода образуются по различным причинам, зависящим как от самого металла, его подготовки, так и от состава эмали, процессов варки, помола и обжига.

Водород образуется во время травления изделий. При слиш­ком длительном травлении железо поглощает значительные ко­личества атомарного водорода.

При обжиге эмали также образуется водород при реакции железа с водой по уравнению

Fe+H20→FeO + H2↑.

Хотя при сушке основная масса воды, содержащаяся в шли­кере, испаряется, некоторое количество ее остается и удаляется лишь при температуре выше 500°. При этой температуре выде­ляется остаток адсорбированной воды и главным образом кон­ституционная вода из глины. Процесс обезвоживания зависит от крупности зерна эмали. Очень тонко размолотая эмаль оплавляет­ся быстрее, чем крупная. Быстрое оплавление затрудняет обезвожива­ние. Бунзен установил, что вода, содержащаяся в стекольных распла­вах, удаляется чрезвычайно медлен­но.

Для своевременного удаления водорода рекомендуют прибавлять к грунтовой эмали вещества, выделяющие газы во время обжига. Водород увлекается этими газами и удаляется вместе с ними. Целесообразно увеличивать интервал обжига эмали, добавляя при помоле тугоплавкие материалы — кварц или глину. Избыток кварцевой муки вреден. По имеющимся дан­ным, при добавке 20% кварцевой муки рыбья чешуя полно­стью исчезала, а при больших количествах появлялась вновь в большей степени. Вязкость эмалей должна быть такова, чтобы образующиеся газы легко проходили через эмаль. Очень вяз­кие эмали с относительно высокой температурой размягчения (например, безборные эмали) менее склонны к образованию рыбьей чешуи, так как газы (Н2) успевают выделиться из метал­ла до растекания эмали. Рыбья чешуя не образуется и на эмалях с очень низкой вязкостью; в этом случае газы легко проходят через подвижный расплав. По-видимому, появление “рыбьей че­шуи” связано с некоторой определенной критической вязкостью при оплавлении эмали.

Склонность к образованию “рыбьей чешуи” уменьшают раз­личными мерами. Рекомендуется добавлять бораты при помо­ле, очень тонко разрыхлять поверхность металла, не приме­нять некоторые, легко растворяющиеся при обжиге глины, пред­отвращать образование большого количества окалины на по­верхности металла. Пережог эмали увеличивает склонность к образованию рыбьей чешуи. По данным Цапффе и Симса, водород, растворяющийся обратимо, может удаляться при низ­ких температурах эмалирования. Целесообразно поэтому обжигать эмаль ниже критической температуры стали. Наиболее бла­гоприятной оказалась температура 700°.

Нанесение эмали толстым слоем уменьшает склонность к образованию “рыбьей чешуи”. При применении глин, образую­щих в эмали крупные пузыри, рыбья чешуя появляется мед­леннее, чем при образовании мелких и средних пузырей. Искусственным образованием крупных пузырей не удается, од­нако, полностью устранить этот дефект.

По данным Фибига, можно предотвратить образование рыбьей чешуи на изделиях из металла большой толщины (до 16 мм),  снижая коэффициент расширения и повышая упругость эмали.

Что касается качества металла, то во избежание появления рыбьей чешуи рекомендуется применять холоднокатаную листо­вую сталь, которая при высоких температурах незначительно по­глощает водород, или термически улучшенную сталь. Давно известно, что на тех частях изделия, где металл подвер­гался формованию, появляется гораздо меньше рыбьей чешуи, чем на неформованных частях. “Рыбья чешуя” чаще появляет­ся на дне, чем на стенках цельнотянутых изделий. Клердинг приводит следующую зависимость между степенью дефор­мации при холодной прокатке и числом выколок на эмалевых покрытиях.

 

Таблица 1

Зависимость числа выколок от степени деформации

Степень
деформации,%

Число

выколок

Степень
 деформации,%

Число
выколок

20

90

50

5

30

60

60

2

40

25

65

0

 

При одностороннем эмалировании выколки на эмали не по­являются, потому что водород выделяется через не покрытую эмалью поверхность металла. Наоборот, путем химиче­ского или электролитического выделения водорода на не покры­той эмалью поверхности металла можно вызвать искусственное образование “рыбьей чешуи” на эмали. Это явление можно ис­пользовать для проведения испытаний металла и эмали на склонность к образованию “рыбьей чешуи”[5].

По этим данным, одну из главных  ролей   при образовании “рыбьей че­шуи” играет  структура металла.  Как известно,  степень деформация связана с  изменением тонкой структуры металла и этот факт нужно учитывать. 

Эмалирование и порок «пузырение (вспучивание)». Дефект «пузырение (вспучивание)» является также наиболее встречающимся пороком эмалирования [3-9]. Он  представляет собой вскрывшиеся пузыри на покровной эмали в виде черных точек (кратеров) видимых визуально,  которые являются сквозными отверстиями в эмалевом покрытии до металла или частично заплавленные до грунтовочного слоя.

При нанесении эмалевого покрытия на стальную основу на границе раздела эмаль-металл протекают химические реакции, сопровождающиеся выделением водорода, азота, окиси углерода и других газопродуктов загрязнения технологического порядка. На первой стадии обжига эмали всегда выделяется большое количество газов, вследствие обезвоживания и разложения глины. Если газовые пузыри очень малы и равномерно распределены, то в грунтовой и покровной эмали они могут выполнять полезные функции в отношении предотвращения образования дефектов. Сильное или длительное газовыделение при эмалировании приводит к увеличению размеров пузырей и такому пороку как «пузырение».  Проводимые работы и описанные авторами  [3-9] позволяют судить о многочисленных факторах, влияющих на появление дефекта «пузырь», и требуют специального изучения в каждом конкретном случае несовершенств покрытия.

Таким образом к  причинам образования дефекта  «рыбья чешуя» связанных с технологией нанесения эмали относят:

a)     содержание влаги в грунтовой эмали, вносимой при выплавке в водяной атмосфере или вносимой с глиной при подготовке шликера;

b)    менее кислые грунтовые эмали с коэффициентом кислотности 0,35-0,5 или эмали без бора, отличающиеся большой вязкостью;

c)    добавка на сырой помол грунтовой эмали 0,5%-ой калиевой или натриевой селитры;

d)    толщина эмалевого покрытия, чем толще, тем меньше вероятность взрыва эмали;

e)     температура отжига нагрунтованных изделий менее 8700С и более 9200С, так как при низких температурах отжига грунтовая эмаль имеет недостаточную прочность сцепления, а высокие температуры способствуют образованию атмосферы печи с повышенным содержанием водорода или выход водорода из жаростойких нагревателей проходных печей (например марки 10Х20Н78Т); 

f)      подготовка металла к эмалированию (травление);

g)    повышенная влажность атмосферы обжиговой печи, рекомендуемая точка росы +70С не устраняет, а лишь снижает вероятность появления дефекта «рыбья чешуя»;

h)    температура охлаждения после эмалирования.

Основной причиной образования «рыбьей чешуи», связанной с качеством стальной основы,  относят повышенное  содержание водорода в виде  твердого раствора в феррите,  способность  низкоуглеродистой стали поглощать значительные ко­личества атомарного водорода, образующегося при травлении металла и обжиге эмали,   т.е. связывают  ее  со структурой исходной заготовки тонколистовой стали.

Что касается, дефекта«пузырение (вспучивание)» к основным  причинам их образования связанных   с технологией нанесения эмали относят:

a)   наличие в шликере грунта или эмали загрязнений, разлагающихся при обжиге с выделением газообразных соединений;

b)  Большая вязкость покровной эмали.

c)  Наличие в муфельном пространстве водяных паров и топочных газов.

d)  Применение слишком тугоплавких эмалей при легкоплавком грунте.

e)   Долгое хранение загрунтованных изделий до покрытия их эмалью.

f)    Недостаточная просушка изделия после травления и нанесения шликера грунта или эмали

g)  Тонкий слой или локальные утолщения эмалевого покрытия

h)  Использование шлифовального инструмента из карбида кремния

Факторами,  влияющими  на качество эмалирования (образование дефекта«пузырение (вспучивание)»  и  связанными  с качеством стальной основы являются:

a)   применение стали не пригодной для эмалирования с дефектами поверхности; 

b)  Наличие на поверхности металла загрязнений не полностью удаленных в процессе травления (смолы, масла).

c)  Применение жесткой промывочной воды с образованием на поверхности металла нерастворимых металлических мыл (кальциевое мыло).

d)  Остатки травильного раствора на основе изделия.

e)   Наличие в структуре металла перлитной составляющей, из которой  в результате обжига эмали происходит выделение реакционноспособно-го   углерода.

Таким образом, причины образования дефектов эмалевого покрытия зависят не только  от правильности проведения всех операций  технологического процесса эмалирования, составе  и свойствами грунтовой и покровных эмалей [3], качеством подготовки поверхности металла к эмалированию, формой изделия,  но и в значительной степени  определяются  качеством  исходного  материала, в частности используемой листовой стали [4,10].

Технология производства стали под  эмалирование базируется на марке стали 08ЮР микролегированной бором с содержанием 0,001-0,004%.

Проведенные работы [7-10] научно-исследовательских  организаций совместно с металлургическими предприятиями (ММК, Северсталь), выпускающих листовую сталь под эмалирование, позволили определить оптимальные технологические параметры получения из низкоуглеродистой непрерывно-литой стали холоднокатаного проката, пригодного для эмалирования. На основании  чего был получен патент на изобретение [11].

Техническим результатом изобретения явилось получение структуры холоднокатаной стали, обеспечивающей необходимый комплекс механических свойств для штамповки и одновременно гарантирующей отсутствие склонности эмалированного изделия к возникновению дефекта "рыбья чешуя". Сущность изобретения состоит в настройке технологии за счет выбора оптимальных параметров горячей прокатки, холодной деформации и  рекристаллизационного отжига.      

Тем не менее, до  настоящего  времени пока не все взаимосвязи между поставщиками  металла и их потребителями достаточно выяснены  с этой точки зрения,  чтобы можно было четко избежать или снизить вышеописанные пороки эмалевого покрытия.   Это связано с тем, что каждое  металлургическое производство имеет свои  маршрутную технологию  выплавки стали,  сырьевую базу,  технологию производства проката.

Ориентация на качество продукции и современные технологии в значительной степени позволяют в каждом конкретном  случае производить сталь пригодную для эмалирования.  Это  должно быть воплощено на этапе  определения   сквозных технологических параметров производства проката, обеспечивающих отсутствие склонности стали к образованию дефектов эмалирования и штампуемые свойства  металла, отражено в технической характеристике изделия,  в конструкторской документации, технических условиях, как со стороны поставщиков, так и потребителей металла под эмалирования.

Таким образом,  основными  направлениями   для улучшения качества эмалирования являются, со стороны поставщиков:

-  оптимизация  химического состава стали; 

- оптимизация технологии получения тонколистового холоднокатанного проката для эмалирования  с комплексом механических характеристик категорий вытяжки  ВГ, СВ.   

Основными  направлениями   для улучшения качества эмалирования являются, со стороны потребителей являются:

-   использование  металла  с повышенным требованием  по чистоте  его поверхности;

 -  строгое  соблюдение  технологических  параметров  процесса эмалирования изделий. 

 

Литература:

1.      ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения» с последними изменениями от 19.04.2010

2.      МС ИСО 8402-94

3  Петцольд А. Пешманн Г. Эмаль и эмалирование.// М.: Металлургия. 1990. С.573

4  Отчет о научно-исследовательской работе. Исследование и разработка технологии производства стали для эмалирования с целью снижения склонности к образованию дефекта «рыбья чешуя».  ОАО «ИСПАТ КАРМЕТ». Темиртау. 1996.

5  Литвинова Е.И. Металл для эмалирования [Текст] / Е.И. Литвинова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1975. - 207 с. : ил. ;

6  Ясногородская С.В., Жирнова Е.Ф., Бутовский М.З. О генезисе дефекта типа «пузырь» при эмалировании стальной посуды. Известия ВУЗов ЧМ. №2. 1998. С.49-51.

7 Захарова В.П., Нимвицкая Т.А. Совершенствование технологии подготовки поверхности посуды с целью устранения дефекта эмалевого покрытия «Точечные выгорания». Тематический отраслевой сборник Уральского НИИЧМ. Свердловск. 1985. С.10-15.

9  Калегов В.В., Шулика Н.А., Евдокимов Г.Г. Тонколистовая холоднокатаная сталь для эмалирования.// Производство проката. №10. 2001. С.25-26

10  Буданов А.П., Корнилов В.Л., Злов В.Е., Черкасский Р.И. и др.  Оптимизация технологии производства холоднокатаного листа из стали 08ЮР для эмалирования // Черная металлургия: Бюл. НТИ. 2002. № 6. С. 20 – 24.

11  Цырлин М.Б., Лобанов М.Л.,  Шабанов В.А., Шевелев В.В. и др. Способ производства низкоуглеродистой холоднокатаной стали для штамповки и последующего эмалирования. // Патент на изобретение. RU.2159820.C1.,Бюл. №33. 2000. 16 стр.