Влияние технологических параметров на физико-химические свойства эмалевого покрытия на основе смальты и бисера

При изготовлении перегородчатых эмалей на различных стадиях производства: от подготовки поверхности и самих эмалевых составов, до получения законченного изделия, основными технологическими параметрами, влияющими на качество эмалевого покрытия будут следующие:

– величина помола частиц эмали;

– материал и качество подготовки металлической пластины, предназначенной для эмалирования;

– наличие контрэмали;

– полное удаление влаги из нанесенного на металлическую поверхность эмалевого порошка;

– температура и время обжига эмалевого изделия;

– толщина слоя эмалевого покрытия и форма изделия.

Теперь рассмотрим влияние этих факторов по отдельности.

Величина помола частиц эмали. Наилучшим образом для изготовления перегородчатых эмалей зарекомендовали себя составы с величиной зерна 0,1 – 0,5 мм в диаметре. Такой размер зерен наиболее подходит для закладывания эмалей в небольшие ячейки между перегородками, так как при работе в технике перегородчатой эмали более крупная зернистость размолотой эмали затрудняет закладывание составов в мелкие ячейки, а более тонкий помол (меньше 0,25 мм) затрудняет просушку эмали и может вызывать окисление силикатных эмалей при обжиге (характерно для смальты), что негативно сказывается на их цветовых характеристиках. Однако для экономии материала и упрощения технологического процесса, в большинстве случаев не требуется отсеивание фракций эмали с величиной зерна менее 0,1 мм для получения качественного эмалевого покрытия с точки зрения физико-химических свойств эмалевых покрытий, хотя это можно делать для удобства работы с эмалью. Величина помола частиц имеет значение также для декоративных свойств готового изделия, но это подробно будет рассмотрено в следующей главе.

Материал и качество подготовки металлической пластины, предназначенной для эмалирования. Для наилучшего сцепления экспериментальных эмалей с металлом, поверхность металлической пластины должна быть очищена от всех возможных загрязнений: жира, грязи, толстых оксидных пленок, краски и др. Очистка может производиться как, механическим путем с помощью абразивных материалов, так и с помощь растворов кислот. Несмотря на то, что полное отсутствие оксидной пленки снижает смачиваемость поверхности металла расплавом эмали [1], в случае эмалирования меди желательно обработать металлическую поверхность в слабом растворе кислоты с последующей промывкой в проточной воде. Это позволяет также выявить кристаллическую макроструктуру меди, что создает микрорельеф на поверхности металла, также способствующий сцеплению эмали с медью. Тонкая оксидная пленка, улучшающая сцепление эмали с металлом, на поверхности очищенной от загрязнений меди образуется достаточно быстро при контакте с кислородом во время нанесения эмали, просушки и обжиге изделия.

Как и в случае использования обычных горячих глухих (непрозрачных) эмалей [9], сцепление экспериментальных эмалей с металлической основой получается более прочным при нанесении их на шероховатую поверхность металла, чем на гладкую или полированную. В этом случае сцепление улучшается за счет увеличения плоскости покрытия металла эмалью и неравномерного рельефа металлической поверхности.

Наличие контрэмали. Перегородчатые эмали обычно выполняются на металлических поверхностях, имеющих значительно большую площадь, относительно к толщине металла. Вследствие этого, нанесение эмали на поверхность металла только с одной стороны может привести к короблению изделия вследствие разности коэффициентов линейного термического расширения металла и эмалевого покрытия. Во избежание этого нежелательного эффекта, перегородчатая эмаль делается либо двусторонней, либо на обратную сторону изделия наносится слой контрэмали.

Контрэмаль в большинстве случаев наносят на обратную сторону изделия перед набором рисунка из перегородок на лицевой стороне. Толщина контрэмали не должна превышать толщину лицевого слоя, чтобы избежать деформации изделия. Как уже отмечалось выше, контрэмаль составляют из смеси различных эмалей, чтобы придать ей более универсальные свойства, а кроме того желательно, чтобы контрэмаль содержала мелкодисперсные фракции для придания ей большей пластичности. После обжига контрэмали на обратной стороне, металлическая пластина слегка выгибается, становясь выпуклой со стороны контрэмали. Этот дефект можно ослабить после остывания пластины, прижав ее по всей плоскости. Чтобы во время этой операции, контрэмаль не скалывалась, рекомендуется наносить контрэмаль достаточно тонким слоем, не более 0,5 - 1 мм в обожженном состоянии. Окончательного выравнивания пластины можно добиться только после обжига эмали на лицевой стороне.

Полное удаление влаги из нанесенного на металлическую поверхность эмалевого порошка.Для получения качественного эмалевого покрытия при нанесении порошка эмали на поверхность металла мокрым способом, необходимо, чтобы перед загрузкой изделия в печь для обжига, вся влага, содержащаяся в эмалевом порошке, полностью испарилась. В противном случае возникает опасность резкого вскипания влаги, оставшейся в эмалевом порошке. При одновременном изготовлении большого количества изделий целесообразно проводить сушку эмали перед обжигом в сушильных шкафах при температуре около 80 ºС. Однако, при изготовлении единичных изделий несложной конфигурации достаточно просушить нанесенную эмаль на горячей подложке, либо осторожно помещая заготовку на короткое время (не более 5 с) в разогретый муфель.

Температура и время обжига эмалевого изделия.Для получения изделий высокого качества в технике горячей эмали необходимо четко соблюдать соотношения температуры и времени обжига в зависимости от размера и массы изделия. Средняя температура обжига экспериментальных эмалей составляет 850 ºС, что было выявлено в ходе экспериментов. Однако, как указывалось выше, на разных стадиях производства перегородчатых эмалей целесообразно использовать различные значения рабочих температур. Так, при первом обжиге эмалевого порошка, нанесенного на изделие, следует производить обжиг на максимально допустимой температуре, в случае экспериментальных эмалей для меди марки М1 этот диапазон составляет 850 - 890 ºС. Это необходимо для того, чтобы расплавленная эмаль качественно заполнила все ячейки, образованные перегородками. Время обжига должно быть достаточным во-первых для того, чтобы расплав эмали полностью растекся по поверхности изделия и во-вторых, чтобы произошло удаление газовых пузырьков из расплава эмали (дегазация). Но не следует чрезмерно увеличивать время обжига изделий, так как вследствие этого может произойти «прогарание» тонких слоев эмалевого покрытия вследствие реакции с окисью меди, и нежелательные химические реакции в расплаве эмали, могущие привести к изменению цвета эмалей. Для экспериментальных эмалей время первого обжига изделий составляет 3 - 5 минут для небольших изделий с площадью поверхности до 4000 мм². Для более крупных изделий время обжига может быть увеличено до 10 минут.

Последующие обжиги для доработки изделия могут производиться при более низких температурах и в более коротком временном интервале. Финальный обжиг для получения эффекта глянцевой поверхности механически сошлифованной эмали (т.н. горячая полировка) может производиться в интервале температур 780 - 820 ºС и в течение 1 - 3 минут, в зависимости от размера изделия.

Толщина слоя эмалевого покрытия и форма изделия.Этот фактор имеет важное значение для качественной эксплуатации готовых изделий, не считая декоративных свойств покрытия, о чем речь пойдет ниже. Как уже отмечалось ранее, идеальные прочностные характеристики эмалированного изделия проявляются при покрытии медной поверхности с обеих сторон эмалью одинаковой толщины с одинаковыми свойствами. Однако, на практике это мало применимо. Чаще, для компенсации напряжений используют контрэмаль, составленную из композиции различных по свойствам эмалей. Как правило, контрэмаль наносят на оборотную сторону изделия в первую очередь, а затем уже декорируют лицевую сторону, если изделие одностороннее. Слой контрэмали не должен быть слишком толстым (не более 1 мм), чтобы не допустить деформации изделия после остывания. Вследствие некоторой разницы коэффициентов термического расширения металла и эмали, медные пластинки толщиной до 1 мм, покрытые контрэмалью, слегка прогибаются в сторону эмалированной поверхности. Этого можно избежать используя изначально слегка выпуклые пластинки, при покрытии которых контрэмалью с вогнутой стороны деформации не происходит. В случае же когда используются плоские заготовки под перегородчатую эмаль, как уже описывалось выше, деформацию можно уменьшить, прижав пластинку с контрэмалью после выгрузки из муфеля. Окончательное выравнивание можно получить только после покрытия эмалью лицевой стороны. Однако, следует избегать слишком неравномерных пропорций при эмалировании плоских изделий. В случае, если длина плоской пластинки под эмаль вдвое или более превышает ее ширину, деформации при остывании выровнять не удается. В этом случае можно увеличить толщину металла, сократив, по возможности толщину эмалевого слоя.