CC BY
28
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
Научная статья УДК 666. 293
doi: 10.17213/1560-3644-2022-2-69-77
ИЗУЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СТЕКЛОЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СТАЛЬНЫХ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ
А.В. Рябова1, А.Ю. Фанда1, В.М. Курдашов1, Li Wensheng2, В.Д. Ткаченко1
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия, 2Ланьчжоуский технологический университет (LUT), Лангунпин Роуд Ланьчжоу, Китай
Аннотация. Эмалевые покрытия для архитектурно-строительных панелей должны обладать определенными качественными характеристиками, которые в первую очередь определяются маркой и химическим составом эмалируемой стали. Данные свойства оказывают влияние не только на физико-химические процессы, протекающие в контактной зоне «сталь - эмаль», но и в целом на структуру самого покрытия и его технико-эксплуатационные свойства. Также весьма важным является изучение интенсивности газовыделения в процессе обжига, его источники и влияние на качественные характеристики покрытия.
Актуальным является изучение влияния температурно-временных параметров обжига на особенности протекания химических процессов в системе «сталь - эмаль». Исходя из этого, изучено формирование структуры ранее разработанных стеклоэмалевых покрытий (грунтового и белого покровного) для стальных архитектурно-строительных панелей на различных марках стали (Ст3, Ст20, 09Г2С) и при различных температурах обжига (800, 820, 840 °С) и времени выдержки (от 0 до 5 мин).
Ключевые слова: стеклоэмалевые покрытие, структура стеклоэмали, архитектурно-строительные панели, антивандальная защита, синтез эмалей, защитные покрытия для стали, марки стали, температура обжига
Благодарности: работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-33-90223 «Разработка технологии изготовления энергосберегающих стальных антивандальных архитектурно-строительных панелей с наружным стеклоэмалевым покрытием и внутренним теплоизоляционным заполнителем».
Для цитирования: Рябова А.В., Фанда А.Ю., Курдашов В.М, Wensheng Li, Ткаченко В.Д. Изучение формирования структуры стеклоэмалевых покрытий для стальных архитектурно-строительных панелей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 2. С. 69 - 77. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-2-69-77
Original article
STUDYING OF THE FORMATION OF THE STRUCTURE OF ENAMEL GLASS COATINGS OF STEEL ARCHITECTURAL AND CONSTRUCTION PANELS
A.V. Ryabova1, A.Yu. Fanda1, V.M. Kurdashov1, Li Wensheng2, V.D. Tkachenko1
1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2Lanzhou University of Technology (LUT), Langongping Road Lanzhou, China
Abstract. Enamel coatings for architectural and construction panels must have certain quality characteristics, which are primarily determined by the brand and chemical composition of the enameled steel. These properties affect not only the physicochemicalprocesses occurring in the steel-enamel contact zone, but also, in general, the structure of the coating itself and its technical and operational properties. It is also very important to study the intensity of outgas-sing during the firing process, its sources and influence on the quality characteristics of the coating.
Therefore, it is relevant to study the effect of temperature-time parameters offiring on the features of the course of chemical processes in the «steel-enamel» system. Based on this, the authors of the article studied the formation of the structure of previously developed glass-enamel coatings (ground and white cover) for steel architectural and construction panels on various steel grades (St3, St20, 09G2S) and at different firing temperatures (800, 820, 840 °C) and dwell time (0 to 5 min).
Keywords: glass enamel coating, glass enamel structure, architectural and construction panels, vandal protection, enamel synthesis, protective coatings for steel, steel grades, firing temperature
© Рябова А.В., Фанда А.Ю., Курдашов В.М, Wensheng Li, Ткаченко В.Д., 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
Acknowledgements: the work was carried out with the support of RFBR grant No. 20-33-90223 «Development of technology for manufacturing energy-saving steel vandal-proof architectural and construction panels with an external glass-enamel coating and an internal thermal insulation filler».
For citation: Ryabova A.V., Fanda A.Yu., Kurdashov V.M., Wensheng Li, Tkachenko V.D. Studying of the Formation of the Structure of Enamel Glass Coatings of Steel Architectural and Construction Panels. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (2): 69 - 77. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-2-69-77
Введение
Развитие строительной отрасли способствовало появлению новых современных материалов для наружной облицовки, характеризующихся высокими физическими, экономическими и энергетическими показателями. Именно такими и являются стеновые панели, удешевляющие строительство домов, продлевающие срок их эксплуатации, и, одновременно, выполняющие функцию защитного барьера от неблагоприятных метеорологических условий и ультрафиолета, негативно воздействующих на поверхность стен, практически из любого стройматериала.
Среди всех существующих на данный момент облицовочных панелей наиболее высокими эксплуатационными и прочностными показателями обладают стальные эмалированные панели. Применение эмалированного металла в строительстве обусловлено рядом ценных свойств, которые отличают эмалированные изделия от прочих строительных материалов: возможность получения разнообразных окрасок и текстуры поверхности; стойкость поверхности под воздействием атмосферы и солнечных лучей; высокая коррозионная устойчивость; малый вес, легкость и быстрота монтажа; огнестойкость; простота очистки; возможность механизации изготовления деталей при серийном производстве [1].
Одним из лучших вариантов, применяемых для облицовки зданий, являются энергоэффективные многослойные эмалированные стальные панели, с внутренним пористым наполнителем в виде ячеистого полимерного материала или пеностекла, применение которых будет способствовать снижению теплопотерь и увеличению шумоизоляции. Использование таких панелей возможно не только для облицовки жилых домов, но и для коммерческой и промышленной недвижимости.
Эмали для архитектурных панелей должны обеспечивать высокую химическую устойчивость покрытия в условиях длительных воздействий атмосферы и стабильность окраски. Наиболее пригодными являются эмали, относящиеся к высшим классам кислотоустойчивости (АА и А). Как известно, эмалевое покрытие становится собственно покрытием в результате
обжига, который представляет собой процесс нагревания стальных изделий, покрытых «бисквитным» высушенным шликерным слоем, до полного расплавления и получения сплошного покрытия на металлическом субстрате. Поэтому защитные свойства эмалированных изделий во многом предопределяются как структурой самого стеклопокрытия, так и в целом сформированного композита «сталь - покрытие». Формирование же эмалевых покрытий основано на реакциях взаимодействия металла с эмалью и диффузии на границе их раздела. Конечный набор качественных характеристик этих покрытий определяется не только свойствами эмали и в первую очередь смачиваемостью, зависящей от вязкости и поверхностного натяжения, но и структурой и рельефом поверхности металла, составом и строением поверхностных пленок. Таким образом, марка и химический состав эмалируемой стали оказывают влияние не только на физико-химические процессы, протекающие в контактной зоне «сталь - эмаль», но и в целом на структуру самого покрытия и его технико-эксплуатационные свойства.
Для успешного решения технологических вопросов необходимо знание структуры, а также интенсивность газовыделения в процессе обжига, его источники и влияние на качественные характеристики покрытия. Поэтому дальнейшие исследования были посвящены изучению влияния технологических режимов высокотемпературного обжига на структуру и свойства синтезированных силикатно-эмалевых покрытий для сталей. В связи с тем что при эмалировании архитектурно-строительных панелей используется технология двухслойного эмалирования, особое внимание необходимо обратить на процесс наплавления на металлические изделия грунтовой эмали. Это вызвано тем, что наряду с размягчением стекловидного покрытия происходит окисление металла и выделение из него газов, а также взаимодействие оксидов железа и расплава, окислительно-восстановительные реакции. Поэтому необходимо было изучить влияние тем-пературно-временных параметров обжига на особенности протекания химических процессов в системе «сталь - эмаль».
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
Архитектурные детали изготовляют из листовой стали, обладающей высокой прочностью и имеющей геометрию плоских поверхностей с незначительным рифлением, выштамповкой и т. п. отклонениями от плоскости, повышающими жесткость изделия и придающие разнообразие геометрическим формам, имеющим различного типа отбортовку. Толщина стального листа может быть различной: 0,45 + 2,0 мм, - из него первоначально вырубают заготовку, а затем в один-два приема методом штампования формуют черную заготовку. Подготовка поверхности черных изделий ведется химическим или электролитическим обезжириванием. Чистота поверхности должна быть максимально высокой [2].
Экспериментальная часть
В качестве стальной основы для панелей используются малоуглеродистые стали [3] с содержанием углерода менее 0,25 %. В табл. 1 приведены состав отечественных эмалировочных сталей [4-6].
Анализ составов сталей показывает, что наибольшее количество углерода содержится в стали марки Ст20, а наименьшее - в 09Г2С. Поэтому в процессе обжига объем выделяющихся газов из стали будет разным, что отразится на качестве эмалевого покрытия.
С целью изучения процесса формирования силикатно-эмалевого покрытия в течение всего периода обжига были проведены исследования с помощью устройства (рис. 1), позволяющего наблюдать при увеличении до х42 и фиксировать на электронный носитель видимые проявления процесса формирования покрытия на металле при заданной температуре в условиях режима, близкого к изотермическому.
Данное устройство позволяет при фиксированном положении образца наблюдать его в фокальной плоскости микроскопа и соединенной с ним фото- или видеокамерой в сочетании с накатываемой печью. Это обеспечивает возможность практически непрерывного наблюдения за исследуемыми видимыми процессами на любой стадии термообработки.
В нагреваемом эмалируемом металлическом образце устройство позволяет определять температуру начала появления усадочных трещин и разрывов, начала оплавления, регистрировать количество и размеры газовых пузырей, устанавливать продолжительность затекания размягченной эмали в образовавшиеся кратеры, исследовать вторичные вскипания, пузыри охлаждения и т.п.
Рис. 1. Схема устройства для изучения процесса формирования эмалевых покрытий при обжиге: 1 - подвижная электропечь; 2 - стабилизатор напряжения; 3 - консольный держатель; 4 - подготовленный образец; 5 - отверстие, через которое образец может проходить в печь;
6 - микроскоп МБС-1; 7 - фиксирующее электронное устройство; 8 - осветитель (лампа ДРШ-500М с комплектом конденсорных линз); 9 -водяной холодильник; 10 - смотровое окно; 11 - тепловой экран; 12 - термопара / Fig. 1. Scheme of the device for studying the process of formation of enamel coatings during firing: 1 - mobile electric furnace; 2 - voltage stabilizer; 3 - cantilever holder; 4 - prepared sample; 5 - hole through which the sample
can pass into the furnace; 6 - MBS microscope -1; 7 - fixing electronic device; 8 - illuminator (DRSH-500M lamp with a set of condenser lenses); 9 - water cooler; 10 - viewing window;
11 - heat shield; 12 - thermocouple В ходе исследования были изготовлены стальные образцы марок Ст20, Ст3 и 09Г2С размером 10^10 мм, поверхность которых, перед нанесением эмалевого шликера подвергалась обработке с целью не только удаления поверхностных загрязнений различного характера, но и для интенсификации электрохимических процессов на границе контакта покрытия с поверхностью стали. Полный цикл химической обработки состоит из следующих операций: обезжиривание; промывка; травление; промывка; нейтрализация; сушка.
Таблица 1 / Table 1
Содержание примесей в малоуглеродистой стали / The content of impurities in mild steel
Марка стали Доля элементов, % по массе
C Si Mn S P Al Cr Ni Cu N V
Ст20 0,17-0,24 0,17-0,37 0,35-0,65 max 0,035 max 0,03 - max 0,25 max 0,30 max 0,30 - -
Ст3 0,14-0,22 0,05-0,17 0,40-0,65 max 0,05 max 0,04 - max 0,30 max 0,30 max 0,30 - -
09Г2С max 0,12 0,50-0,80 1,30-1,70 max 0,035 max 0,03 - max 0,30 max 0,30 max 0,30 max 0,008 max 0,12
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
Таблица 2 / Table 2
Химические составы эмалевых покрытий / Chemical compositions of enamel coatings
Эмалевое покрытие Содержание оксидов, % по массе
SiO2 B2O3 AkO3 P2O5 MgO Na2O K2O TiO2 MnO2 CoO NiO CaF2 F-
Покровная 42,0 13,0 4,0 3,57 1,2 11,5 6,68 18,0 - 0,05 - - 3,5
Грунтовая 43,1 20,4 5,9 - - 19,8 - 0,6 0,3 0,7 1,8 7,4 -
Исследования по изучению формирования силикатно-эмалевого покрытия, газообразования и газовыделения при различных режимах обжига проводились на эмалевых покрытиях - грунтовая и покровная белая, синтезированных ранее и представленных в табл. 2 [7, 8].
Эмалирование подготовленных металлических образцов проводили по двухслойной технологии: первый слой - грунтовая эмаль, как промежуточный слой между металлом и покровной эмалью, обеспечивающий прочное соединение различных по своей природе материалов. Помимо этого, грунт изолирует покровную эмаль от непосредственного воздействия на нее металла в процессе обжига, которое может проявляться, например, в реакциях восстановления компонентов покровной эмали за счет углерода и серы, содержащихся в металле, с образованием газообразных СО, СО2, Н2, придающих эмалевому покрытию пористую структуру и возможность задерживать выделяющийся из стали водород и др. Второй слой - покровная эмаль, предназначенная для придания покрытию требуемых потребительских и декоративных свойств.
Шликерные суспензии на основе ранее синтезированных фритт получали из: 100 % фритты, 40 % воды, 4 % огнеупорной глины, 0,1% электролитов. Данный шликер наносился согласно ГОСТ 9045-93 на предварительно подготовленные стальные образцы методом пульверизации, далее образцы сушились 15 мин при температуре 75 - 100 °С. Обжиг образцов проводился при температурах 800, 820 и 840 °С и выдержкой при данных температурах 0, 1, 2, 3, 4 и 5 мин с фиксацией образования силикатно-эмалевого покрытия при данных температурах.
Результаты исследования в зависимости от времени и температуры обжига грунтового эмалевого покрытия приведены в табл. 3-5.
Анализ полученных результатов позволил выявить следующее. В температурном интервале нагревания от 20 до 500 °С видимых процессов в слое покрытия не происходит, но в этот период при 100 °С идет испарение остаточной физически связанной влаги из материала покрытия и пары воды беспрепятственно удаляются в атмосферу сквозь многочисленные сквозные поры.
Таблица 3 / Table 3
Динамика формирования грунтового силикатно-эмалевого покрытия при температуре обжига 800 °С / Dynamics of the formation of a ground silicate-enamel coating at a firing temperature of 800 °C
Время выдержки, мин
Марка стали
Ст20
09Г2С
Ст3
0
1
2
3
4
5
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
Таблица 4 / Table 4 Динамика формирования грунтового силикатно-эмалевого покрытия при температуре обжига 820 °С / Dynamics of the formation of a ground silicate-enamel coating at a firing temperature of 820 °C
Таблица 5 / Table 5 Динамика формирования грунтового силикатно-эмалевого покрытия при температуре обжига 840 °С / Dynamics of the formation of a ground silicate-enamel coating at a firing temperature of 840 °C
Время выдержки, мин Марка стали
Ст20 09Г2С Ст3
0 ЖМК'Я I ' ft
1 . ■ г ï> i - ¿1,
2
3 ■ ; ïf
4 . * • « . • '« * ' » ► • ' , If t ' "V . 1 » » » л * 1 È
5 • - » vr 9 l ' 1 , » » " -H » . iÉL.» ■рвв 4
При температурах 300-400 °С начинается окисление металла кислородом, диффундирующим сквозь поры сухого покрытия. На поверхности металла идут реакции: 2Ре+02 ^ 2Ре0; 4Ре+302^2Ре20з; 3Ре+202 ^Рез04.
При температуре 650 °С начинают размягчаться частицы фритты, и те из них, которые контактируют с поверхностью окалины, образовавшейся между металлом и покрытием, начинают её смачивать.
Другие частицы, расположенные в толще слоя, смачивают друг друга и постепенно сливаются. Этот процесс сопровождается резким уменьшением слоя покрытия в объеме и, как следствие, появлением сетки многочисленных трещин. При температуре 700 °С происходит расплавление стекловидного слоя покрытия и внутри него образуются сферические газовые пузырьки, размер которых меньше толщины слоя
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
покрытия; они представляют собой порозный воздух, образующийся из имеющихся пор, которые оказываются замкнутыми. С температуры 750 °С начинается интенсивное выделение газов, о чем свидетельствует образование пузырьков размером, превышающим толщину эмалевого слоя (0,5-1,0 мм). Этот процесс является результатом окисления углерода до СО либо до СО2, содержащегося как в стали, так и в материалах покрытия (огнеупорной глине, кальцинированной соде).
Также в этот период обжига в интервале температур 750-800 °С протекают и другие многочисленные реакции, сопровождающиеся газовыделением, в результате чего в расплаве покрытия образуются газовые пузыри различных размеров. Образовавшиеся газовые пузыри при достижении верхней кромки поверхности слоя расплава эмали лопаются с образованием кратеров, время заплавления каждого из которых составляет, как показали исследования, 0,2-0,5 с. С подъемом температуры до 800 °С продолжается образование расплава, пока не наступает оплавление покрытия и превращение его в сплошной слой жидкопластичного расплава. При этом интенсивное газообразование прекращается, но в слое покрытия остаются многочисленные газовые пузыри размером менее 0,2 мм, равномерно распределенные по его объему.
При дальнейшей выдержке при 800 °С в течение 3 мин происходит осветление расплава (дегазация), но не полная, и около 70 % газовых пузырей остаются в объеме покрытия, так как вязкость расплава не достаточная для их удаления. Выдержка образцов при 820 °С в течение 4 мин способствует большей дегазации слоя расплавленного покрытия и к моменту охлаждения в его толще остаются около 30 % газовых пузырьков. Выдержка же при 840 °С в течение 3 мин позволяет остаться лишь около 15 % газовых пузырей.
Таким образом, выявлено несколько источников газообразования в период всего процесса обжига:
1. Металл: газы СО и СО2 выделяются из металла, содержащего их еще до начала эмалирования; водород, поглощенный металлом при травлении; водород, растворенный в металле при обжиге, когда растворимость водорода велика.
2. Покрытие: пары воды, образующиеся при разложении кристаллогидратов и глины; оксиды углерода, как продукт окисления органических примесей; порозный воздух, образующийся при оплавлении покрытия, из имеющихся пор, которые оказываются замкнутыми.
3. Реакции взаимодействия покрытия или его компонентов и атмосферы с металлом: Бе+^О^еО+Щ С+МеО^СО+Ме; 2С+О2^2СО; С+Ые02^С02+Ме; С+02^С02.
Анализ процесса газообразования показал, что наиболее интенсивно газы выделяются в диапазоне температур 740-800 °С. Пары воды и оксиды углерода в стали практически не растворяются и по мере образования удаляются. Анализ механизма образования показал, что наибольшую опасность для образования дефектов покрытия в виде лопнувших пузырей и прогаров представляют газы, выделяющиеся на границе расплава со сталью и образующие пузыри, которые одновременно контактируют с эмалью и металлом. При этом их конфигурация имеет очень важное значение и зависит от вполне определенных характеристик системы «сталь - эмаль». В общем случае, чем выше смачивающая способность расплава, тем меньше площадь контакта пузыря с металлом. При росте пузыря возможны два варианта развития этого процесса. По первому варианту пузырь может оторваться от металла раньше, чем его диаметр сравняется по величине с толщиной слоя эмали, т.е. раньше, чем его вершина достигнет поверхности расплава (рис. 2 а, б).
/77ТТ777-77-/Г?Т7г } } } S S JS J fSJJ SS J
а б
Рис. 2. Движение пузыря через слой эмали: а - пузырь перед отрывом от металла; б - оторвавшийся пузырь / Fig. 2. Bubble movement through the enamel layer: a - a bubble before separation from the metal; б - burst bubble
В этом случае пузырь оказывается окруженным со всех сторон эмалью, а между ним и металлом присутствует слой эмали и такой механизм не приводит к образованию дефекта в покрытии.
По второму варианту пузырь достигает своей вершиной поверхности эмали, не оторвавшись от металла, разрывает пленку эмали, и площадь его контакта с металлом оказывается обнаженной (рис. 3); сталь в этом месте начинает очень интенсивно окисляться.
Очевидно, что поскольку на расплав в области кратера одновременно воздействуют две противоположно направленные силы (вязкостного трения и поверхностного натяжения), то поведение эмали полностью определится соотношением их величин.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
б
Рис. 3. Кратер непосредственно после разрыва пузыря (а) и оформившийся кратер (б) / Fig. 3. The crater immediately after the rupture of the bubble (a) and formed crater (б)
Установлено, что при максимальных температурах обжига сила сопротивления затекания эмали в кратер, обусловленная вязкостью, обычно намного меньше, чем сила, обусловленная поверхностным натяжением. Поэтому разрывающиеся пузыри практически мгновенно (0,12 с) заплавляются и все возникающие кратеры бесследно исчезают. Таким образом, исследования показали, что для грунтовых эмалей на стали для заплавления всех кратеров вполне достаточна выдержка при максимальной температуре 840 °С в течение 4 мин.
Анализ структуры грунтового эмалевого покрытия после обжига на сталях различных марок с помощью электронного микроскопа модели VEGA II LMU фирмы «Tescan» (рис. 4) показал, что на образцах сталей марок Ст20 и Ст3 при формировании силикатно-эмалевого покрытия наблюдается большое образование пузырей, находящихся в толще покрытия, и заплав-ленных кратеров, расплав эмали внутри которых перенасыщен оксидами железа.
Сформировавшееся эмалевое покрытие на стали марки 09Г2С характеризуется наличием равномерно распределенных газовых пузырей внутри толщи эмали, которые играют роль буферной прослойки и повышают эластичность эмали при термических и механических нагрузках. Исследованиями показано, что оптимальное количество газовой буферной прослойки должно составлять не более 30%.
Далее на первый слой грунтовой эмали после термической обработки нанесен слой белой покровной эмали шликерным способом, описанным ранее, с последующим обжигом и фиксированием формирования силикатно-эмалевого покрытия при температурах 8QQ, 820 и 840°С и выдержкой при данных температурах 0, 1, 2, 3, 4 и 5 мин (табл. 6).
Рис. 4. Поверхность грунтовой эмали на стали марок: а - Ст20; б - Ст3; в - 09Г2С / Fig. 4. Ground enamel surface on steel grades: a - St20; б - St3; в - 09G2S
Таблица 6 / Table 6 Динамика формирования покровного белого силикатно-эмалевого покрытия при температуре обжига 800 - 840°С / Dynamics of the formation of a top white
Время, мин Марка стали
Ст20 09Г2С Ст3
1 j^yj
3
5
r
а
в
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
Исходя из полученных данных можно сказать, что при обжиге покровной эмали, наплавляемой на уже сформировавшийся слой грунта, происходят в основном процессы, аналогичные тем, которые имели место при обжиге грунта, кроме реакций с металлической основой. Вначале происходит выделение влаги в виде газовой фазы, источники которой - глина и заправочные средства. Затем грунтовая эмаль начинает размягчаться, сплавляться с расплавленной покровной эмалью, вязкость которой составляет около 102 Пас, и по прошествии 5 мин выдержки в интервале температур 800 - 840 °С формируется равномерный слой расплава покровной эмали с глянцевой остеклованной поверхностью, после чего процесс формирования покрытия по режиму 2C/2F (2 coatings/2 firing) завершается.
Далее была проведена сравнительная характеристика полученных эмалевых покрытий и существующих лакокрасочных покрытий для архитектурно-строительных панелей (табл. 7).
Таблица 7 / Table 7 Сравнительная характеристика покрытий для стальных архитектурно-строительных панелей / Comparative characteristics of coatings for steel architectural and building panels
Вид испытаний Характеристики покрытий
Покровное эмалевое, 2С Лакокрасочное
Термошок Нет дефектов после 24 часов Нет дефектов после 24 часов
Твердость по шкале Мооса (не ниже 5) 6 2
Абразивостойкость после 150 циклов 2 г/м2 6 г/м2
Стойкость к холодной кислоте, ISO 2722 (не ниже класса А) Класс АА Класс А
Стойкость к горячей кислоте, ISO 2742 3 г/м2 6 г/м2
Стойкость к истиранию Стойкое Не противостоит очищающим средствам
Таким образом, по всем технико-эксплуатационным показателям синтезированное эмалевое покрытие превосходит лакокрасочные, что будет способствовать более длительному сроку эксплуатации архитектурно-строительных панелей и фасадов зданий и сооружений.
Выводы
В ходе проведенных исследований изучен многоступенчатый механизм формирования силикатно-эмалевого грунтового покрытия при высокотемпературном обжиге, включающий в себя следующие стадии: 650 °С - начало размягчения частиц фритты; 700 °С - расплавление стекловидного слоя покрытия и образование сферических газовых пузырьков (порозный воздух) размером менее 0,1 мм; 750 °С - интенсивное выделение газов и образование пузырьков газа CO и CO2 размером 0,5-1,0 мм; 750-800 °С - реакции, сопровождающиеся газовыделением, с образованием газовых кратеров, время заплавления каждого из которых составляет 0,2-0,5 с. Установлено, что для грунтовых эмалей на стали для за-плавления всех кратеров вполне достаточна выдержка при максимальной температуре 840 °С в течение 4 мин, при которой достигается равновесие между эмалью и мельчайшими растворенными пузырьками газа, которые играют роль буферной прослойки и повышают эластичность эмали при термических и механических нагрузках. Исследованиями показано, что оптимальное количество газовой буферной прослойки должно составлять не более 30 %.
Список источников
1. Aronica A. Enamelling of aluminazed sheets // Proc. 18th Intern. Enamellers Congr., Paris, 1998. P. 67 - 82.
2. Брагина Л.Л., Зубехин А.П. Технология эмали и защитных покрытий: учеб. пособие. Харьков: НТУ «ХПИ»; Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. 484 с.
3. Литвинова Е.И. Металл для эмалирования: 2-е изд. М.: Металлургия, 1975. 208 с.
4. Гийо Л. Стали для эмалирования // Тр. симпозиума по электробытовым приборам. М., 1991. С. 43 - 48.
5. Cholet V., Delemotte C. Enamelling Steel // Smalto Porcel-lanato, 1997. № 3. Р. 15 - 22.
6. Фанда А.Ю., Рябова А.В., Трофимов С.В. Функциональные стеклокристаллические покрытия для стальных архитектурно-строительных панелей // Машиностроительные Технологические Системы (METS21) -2021: междунар. науч.-техн. конф., г. Азов, 26 - 29 мая 2021 г.
7. Development of Compositions of New Enamel Coatings with Various Operational and Decorative Properties to Protect Steel Architectural and Construction Panels / A.V. Ryabova, A.Yu. Fanda, E.A. Yatsenko, Ming-Gin Lee // Materials Science Forum - 2021. Vol. 1037. P. 684-692.
8. Ryabova A.V., Fanda A.Yu., Trofimov S.V. Functional Protective Coatings for Steel Architectural Construction Panels // MATEC Web of Conferences - 2021. Vol 346: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2021), Sevastopol, Russia, September 6-10, 2021. Article Number: 02041.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 2
9. Development of a method for improving the performance properties of glass-enamel coatings for steel / Ryabova A.V., Es'kova T.A., Karandashova N.S., Yatsenko E.A., Smolii V.A. // Glass and Ceramics. 2015. T. 71. № 9-10. C. 327 - 329.
10. Synthesis and Investigation of White Glass-Ceramic Enamel Coatings for Steel Products / A.V. Ryabova, E.A. Yatsenko, L.V. Klimova [et el.] // Glass Physics and Chemistry. 2017. Vol. 43, № 1. P. 34 - 42.
References
1. Aronica A. Enamelling of aluminazed sheets. Proc. 18th Intern. Enamellers Congr. Paris; 1998. Pp. 67-82.
2. Bragina L.L, Zubekhin A.P. Technology of enamel and protective coatings. Kharkiv: NTU "KhPI"; Novocherkassk: SRSTU (NPI); 2003. 484 p.
3. Litvinova E.I. Enameling metal. 2nd ed. Moscow: Metallurgy; 1975. 208 p.
4. Guillot L. Steels for enameling. Proceedings of the Symposium on electrical appliances. Moscow; 1991. Pp. 43-48.
5. Cholet V., Delemotte C. Enamelling Steel. Smalto Porcellanato. 1997; (3):15-22.
6. Fanda A. Yu., Ryabova A.V., Trofimov S.V. Functional glass-ceramic coatings for steel architectural and construction panels. International scientific and technical conference «Machine-building Technological Systems» (METS21)-2021. 2021.
7. Ryabova A.V., Fanda A.Yu., Yatsenko E.A., Lee Ming-Gin. Development of Compositions of New Enamel Coatings with Various Operational and Decorative Properties to Protect Steel Architectural and Construction Panels. Materials Science Forum. 2021; (1037): 684-692.
8. Ryabova A.V., Fanda A.Yu., Trofimov A.V. Functional Protective Coatings for Steel Architectural Construction Panels. MATEC Web of Conferences. - 2021. Vol 346: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE 2021), 2021.
9. Ryabova A.V., Es'kova T.A., Karandashova N.S., Yatsenko E.A., Smolii V.A. Development of a method for improving the performance properties of glass-enamel coatings for steel. Glass and Ceramics. 2015; 71(9-10): pp.327-329.
10. Ryabova A.V., Yatsenko E.V., Klimova L.V. Synthesis and Investigation of White Glass-Ceramic Enamel Coatings for Steel Products. Glass Physics and Chemistry.2017; 43(1): 34-42.
Сведения об авторах
Рябова Анна Владимировнаканд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», annet20002006@yandex.ru Фанда Анна Юрьевна - аспирант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», velichko.anyuta@yandex.ru Курдашов Виктор Михайлович - магистр, кафедра «Общая химия и технология силикатов», viktorkurdashov@yandex.ru Wensheng Li - д-р филос. в области инженерии, декан колледжа материаловедения и инженерии, 375347189@qq.com Ткаченко Вадим Дмитриевич - магистр, кафедра «Общая химия и технология силикатов», tkachenko.vadik2014@yandex.ru
Information about the authors
Ryabova Anna V. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», annet20002006@yandex.ru
Fanda Anna Yu. - Graduate Student, Department «General Chemistry and Technology of Silicates », anyuta@yandex.ru Kurdashov ViktorM. - Master Student, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», viktorkurdashov@yandex.ru Wensheng Li - Philosophiae Doctor in Engirneering, Dean of College of Material Science and Engineering, 375347189@qq.com Tkachenko Vadim D. - Master Student, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», tkachenko.vadik2014@yandex.ru
Статья поступила в редакцию/the article was submitted 18.03.2022; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 22.03.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 25.03.2022.
