Новое стеклоэмалевое бессвинцовое покрытие для меди, модифицированное добавками Fe₃О₄, MnО₂ и Co₂О₃

Аннотация

Разработан оптимальный состав стекломатрицы для стеклоэмалевого покрытия на меди; с помощью симплекс-решетчатого плана Шеффе неполного третьего порядка установлены оптимальные концентрации добавок оксидов Fe₃О₄, MnО₂ и Co₂О₃ при вводе которых в состав шликера увеличиваются прочность сцепления и термостойкость.

При производстве медных индукторов, используемых в электровозо- и машиностроении, для повышения их ресурса весьма важной является разработка различных способов защиты от окалинообразования и прогорания. Наиболее эффективным и технологичным способом является разработка и применение защитных стеклоэмалевых покрытий с повышенной термостойкостью. В связи с этим целесообразно использование прежде всего однослойных безгрунтовых стеклоэмалевых покрытий.

Как известно [1], однослойные стеклоэмалевые покрытия для меди сравнительно легкоплавки и их состав обычно базируется на основе систем R₂О — PbO — B₂О₃ — SiО₂. В качестве легкоплавкого компонента в данной системе используется PbO. Однако с учетом жестких требований экологии наличие в составе разрабатываемого покрытия соединений, содержащих свинец крайне нежелательно. Поэтому не менее актуальная задача — синтез бессвинцовых защитных покрытий.

Исследование компьютерных программ при моделировании разных способов возбуждения колебаний позволяет определить точностные и частотные характеристики программ.

В основу разработки состава стекломатрицы для защитного термостойкого однослойного стеклоэмалевого покрытия положена бессвинцовая система R₂О — CaO — BaO — B₂О₃ — Al₂О₃ — SiО₂ (рис. 4.1) [4].

Для установления оптимального состава стекломатрицы для однослойного термостойкого покрытия необходимо было выявить область образования эмалевых стекол в выбранной системе. С этой целью были приняты определенные концентрационные ограничения основных оксидов (мас. %): SiО₂ — 18–60, B₂О₃ — 5–20, R₂О — 4–40 — при соотношении щелочных оксидов (по массе) R₂О = 1,3 Na₂О + 1.0 K₂О. Сумма остальных компонентов была выбрана неизменной и составляла 20 мас. %: Al₂О₃ — 7, CaO — 5, N, BaO — 8. С учетом принятых ограничений наиболее вероятной областью получения эмалевых стекол является область, ограниченная четырехугольником 1–3–9–4 (рис. 1).

Для изучения способности к стеклообразованию стекломатриц были синтезированы 18 стекол различных составов, приведенных в табл. 1.

Таблица 1 — Химический состав проектируемых стекломатриц

Для синтеза стекол выбранных составов были приготовлены шихты и изучена их способность к стеклообразованию. Известно, что температура варки эмалевых стекол составляет около 1200 °С, поэтому испытания проводили путем плавления шихт в фарфоровых лодочках для получения стеклоэмалевых фритт при температуре 1150–1200 °С выдержкой в течение 0,5 ч. Содержимое лодочек после плавки охлаждали на воздухе и подвергали визуальному анализу, а также анализу под микроскопом МБС-1. Результаты изучения стеклообразования опытных составов показывают (табл. 1), что все 18 вариантов шихт образуют стекла, однако качество их различно. Болышшство стекол прозрачны, однородны, с равномерным блеском (№ 2, З, 6, 7, 10, 12–15). Некоторые из них имеют желтую окраску, остальные бесцветны. При этом в стеклах № 1, 4–5, 8–9, 16 прошло частичное глушение, что, видимо, является следствием медленного охлаждения их на воздухе.

Поскольку для защитных стеклоэмалевых покрытий особое значение имеет прочность сцепления с металлом, а также согласование температурного коэффициента линейного расширашя (ТКЛР) металла (162×10⁻⁷ К⁻¹) и эмали, необходимо было изучить эти свойства для всех 18 составов фритт. С этой целью было приготовлено 18 шликеров эмалей, которые имели следующий состав (мас. %): фритта — 100; сверх 100 — глина часов-ярская — 3, поташ — 0,1, вода — 40.

При обжиге полученных эмалей на меди формировались прозрачные бесцветные покрытия, в большинстве своем имеющие гладкую, ровную, без посторонних включений поверхность. Оптимальная температура обжига эмалевых покрытий составила 850 °С. Далее составы эмалей подвергались испытаниям на прочность сцепления по методике ступенчатой вытяжки [2], ТКЛР определяли на вертикальном кварцевом дилатометре ДКВ-4. Результаты измерений, представленные в табл. 2, показывают, что из 18 составов фритт наиболее оптимальной является стекломатрица № 10, которая и была выбрана для дальнейших исследований.

Таблица 2 — Прочность сцепления и ТКЛР эмалевых покрытий на меди

^* — Средний индекс сцепления при вытяжке 7 мм

Для увеличения термостойкости и прочности сцепления использовали добавки Fe₃О₄, MnО₂ и Co₂О₃, вводимые на помол при приготовлении шликера. С целью оптимизации процесса было проведено планирование эксперимента с помощью симплекс-решетчатого плана Шеффе неполного третьего порядка [3]. В качестве функций отклика использовали прочность сцепления и термостойкость. На основании найденных уравнений регрессии были построены линии оптимальных значений свойств (рис. 2). Прочность сцепления покрытий находится в пределах 92–98 %, термостойкость — 10–72 цикла (20–400 °С).

Выявлено, что оптимальными свойствами обладают эмали с добавками Co₂О₃, Fe₃О₄ и MnО₂ в количествах 0,51–1,98, 0–4,5, 3,3–9,3 мас. % соответственно, составы которых лежат в области, указанной на рис. 2. При вводе вышеуказанных добавок в эмалевый шликер максимальные значения прочности сцепления и термостойкости составляют 98 % и 72 цикла (20–400 °С) соответственно.

Было изучено также влияние сцепляющих добавок на дилатометрические характеристики получаемых эмалей. Выявлено, что при введении упомянутых добавок значения ТКЛР увеличиваются с 135×10⁻⁷ до 160×10⁻⁷ К⁻¹ (рис. 3). Кроме того, снижается температура начала размягчения и увеличивается интервал обжига покрытий 750–900 °С вместо 850–900 °С у исходной стекломатрицы. Это позволяет получать качественные эмали на крупногабаритных изделиях с различной толщиной составляющих частей.

Таким образом, проведенные исследования позволяют рекомендовать разработанные оптимальные составы и технологию однослойных стеклоэмалевых покрытий для внедрения в промышленность.

Список литературы

1. Петцольд, А. Эмаль и эмалирование: Пер. с нем. / А. Петцольд, Г. Пешманн — М.: Металлургия, 1990. — 576 с.
2. Методы и средства исследований и контроля в стеклоэмалировании: Учеб. пособие / Под ред. А. П. Зубехина, В. Е. Горбатенко. — Новочеркасск: НГТУ, 1995. — 170 с.
3. Ахназарова, С. Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров — М.: Высш. шк., 1985. — 327 с.