změna vlastností sklokeramických povlaků v závislosti na druhu

Transfer inovácií 15/2009
2009
ZMĚNA VLASTNOSTÍ SKLOKERAMICKÝCH POVLAKŮ V ZÁVISLOSTI
NA DRUHU OBSAŽENÝCH MINERÁLNÍCH SLOŽEK
Doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc.
VŠB – TU Ostrava, Fakulta strojní – katedra
mechanické technologie 345, 17. listopadu 15, 708
33 Ostrava – Poruba, ČR
e-mail: [email protected]
Ing. Kamila Hrabovská, PhD.
VŠB – TU Ostrava, Institut fyziky, 17. listopadu
15, 708 33 Ostrava – Poruba, ČR
e-mail: [email protected]
Ing. Kateřina Pelikánová
Stipendista města Ostrava
Ing. Tomáš Laník
Ing. Lenka Dobrovodská
Stipendista města Ostrava
Ing. Vratislav Bártek
VŠB – TU Ostrava, Fakulta strojní – katedra
mechanické technologie 345, 17. listopadu 15, 708
33 Ostrava – Poruba, ČR
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
Ing. Petr Koutník
Výzkumný ústav anorganické chemie, a.s.,
Revoluční 1521/84, 400 01 Ústí nad Labem
e-mail: [email protected]
Abstract
Vitreous enamel coating is a surface
treatment which provides materials with not only
perfect protection against corrosion, but also gives
unique properties to the basic material surface.
Classical technology of enameling (wet-enameling)
use suspension enamel with clay which has
influence on sedimentation of fritted glass in
suspension. The contribution studied influence of
clay and kaoline components like in-put raw
material contained in suspension enamel. The
results of experimental works showing positive
influence of kaoline component on brittle-fracture
properties of vitreous enamel coating.
Key words: vitreous enamel, mechanical
properties, clay, kaoline
ÚVOD
Smaltové povlaky jsou vytvářené na
kovovém podkladu vypalováním smaltéřské
suspenze při teplotě 800 – 900 °C. Vytvoření
celistvého smaltového povlaku bez vad a trhlin je
základním předpokladem pro využití jeho
funkčních
vlastností,
zejména
v prostředí
nízkoteplotní a vysokoteplotní koroze. Mezi
základní složky pro výrobu tohoto povlaku patří
sklovitá frita, jíl, další anorganické přísady a voda.
Užití různých druhů těchto komponent má vliv na
finální kvalitu povlaku. Cílem práce je studium
vlastností sklovitého smaltového povlaku, ve
kterém byl jíl nahrazen složkou kaolinu a jeho vliv
na křehkolomové vlastnosti povlaku.
METODY EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE
1.
2.
3.
4.
Měření tloušťky smaltového povlaku pomocí
elektromagnetického
tloušťkoměru
typu
ELCOMETR 456.
Měření mikrotvrdosti smaltového povlaku
pomocí Hanemannova mikrotvrdoměru na
metalografickém mikroskopu NEOPHOT 21
dle ČSN ISO 4516.
Stanovení lomové houževnatosti smaltového
povlaku
pomocí
Hanemannova
mikrotvrdoměru
na
metalografickém
mikroskopu NEOPHOT 21.
Stanovení odolnosti smaltového povlaku proti
nárazu – zkouška nastřelováním dle ČSN ISO
4532.
EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL
Jako podkladový materiál byl použit tlustý
za tepla válcovaný ocelový plech typu KOSMALT
E 300T. Jde o materiál, který se v současné době
používá v technologii smaltování. Vzorky plechu
byly otryskány sekaným ocelovým drátem, na
čistotu povrchu Sa 2,5 dle ISO 8501. Chemické
složení
ocelového
plechu
v
%:
C 0,07; Mn 0,21; Si 0,03; P 0,013; S 0,01; Al
0,042; N 0,006; Ti 0,06.
Druhy použitých jílovitých komponent ve
smaltéřské suspenzi:
MIC klasický jíl – velikost částic 15 μm
K12T3M4 kalcinovaný kaolín – D50 4,22 μm
K12T4M4 kalcinovaný kaolín - D50 3,23 μm
Použité smaltéřské suspenze:
Základní smaltový povlak, odstín šedý
Krycí smaltový povlak, odstín zelený
Smaltéřská suspenze byla připravena
klasickým způsobem s odpovídajícím množstvím
jílu. V dalších dvou suspenzích byla provedena
náhrada jílu kaolíny.
Smaltéřské
suspenze
se
nanášely
pneumatickým ručním stříkáním tlakovou pistolí.
Takto připravené vzorky se vysušily v peci při
teplotě 100 °C po dobu 5 minut a poté se
vypalovaly v peci při teplotě 820 °C po dobu 8
minut s následným ochlazením na vzduchu. Vlivem
rychlé sedimentace u suspenzí s kalcinovanými
kaolíny se po vypálení v povlaku projevila vada
tzv.: „pomerančová kůra“. Z tohoto důvodu byla
upravena doba výpalu na 16 minut. Vzorky již
nevykazovaly žádnou viditelnou vadu.
69
Transfer inovácií 15/2009
2009
EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY
Měření tloušťky smaltového povlaku (přístroj
ELCOMETER 456)
Tab.1 Tloušťka smaltového povlaku
Smalt
Základní
Základní
+
Krycí
MIC
K12T3M4
K12T4M4
MIC
K12T3M4
K12T4M4
Průměrná
tloušťka [μm]
261
231
258
333
485
495
Mikrotvrdost smaltového povlaku dle ČSN ISO
4516
Pro měření mikrotvrdosti byla použita
Vickersova metoda, která se provádí pomocí
Hanemannova mikrotvrdoměru (metalografický
mikroskop NEOPHOT 21).
Tvrdost je definována jako odpor
materiálu proti vnikání cizího tělesa. U skla
a keramiky se zpravidla měří vtisková tvrdost.
Princip metody spočívá v tom, že do povrchu
zkoušeného vzorku se vtlačuje vnikající tělísko
(indentor). Je to pravidelný čtyřboký diamantový
jehlan, jehož protilehlé strany svírají úhel 136°. Po
zatížení indentoru silou F = 1 N po dobu 10 s
a následném odlehčení je měřena velikost
úhlopříčky vzniklého vtisku a následně vypočtena
Vickersova tvrdost.
Tab.2 Průměrné hodnoty mikrotvrdosti smaltového
povlaku
Smalt
Základní
Krycí
MIC
K12T3M4
K12T4M4
MIC
K12T3M4
K12T4M4
∅ HV0,1 [MPa]
6363,9
6125,8
6034,3
6142,2
6008,2
6555,6
Lomová houževnatost smaltového povlaku
Po vtisku indentorem do zkoušeného povrchu
vzorku
vznikají
v úhlopříčkách
vtisku
Hannemanova mikrotvrdoměru větší radiální
trhliny u látek s menším odporem vůči jejich šíření,
tj. s menší lomovou houževnatostí KIC.
Průměrné hodnoty mikrotvrdosti smaltového povlaku
6600
6500
HV0,1 [MPa]
6400
6300
MIC
6200
K12T3M4
6100
K12T4M4
6000
5900
5800
5700
Základní smalt
Krycí smalt
Typ smaltového povlaku
Graf 1 Průměrné hodnoty mikrotvrdosti smaltového povlaku
70
Transfer inovácií 15/2009
2009
Průměrné hodnoty lomové houževnatosti smaltového povlaku
1,15
Kic [MPa.m1/2]
1,1
1,05
MIC
K12T3M4
1
K12T4M4
0,95
0,9
Základní smalt
Krycí smalt
Typ smaltového povlaku
Graf 2 Průměrné hodnoty lomové houževnatosti smaltového povlaku
Tab. 3 Průměrné hodnoty lomové houževnatosti
smaltového povlaku
Smalt
Základní
Krycí
MIC
K12T3M4
K12T4M4
MIC
K12T3M4
K12T4M4
∅ KIC [MPa.m1/2]
1,073
1,095
1,117
1,049
1,130
0,983
Tab. 4 Průměrné hodnoty síly porušení smaltového
povlaku po zkoušce nástřelem
Smalt
Základní
Krycí
Stanovení odolnosti smaltového povlaku proti
nárazu dle ČSN ISO 4532
Zkušební přístroj dle Wegnera se skládá
z úderníku, ve kterém je vsazena ocelová kulička o
průměru 5 mm, která se vystřeluje pomocí stlačené
pružiny proti smaltované ploše. Sílu úderu lze
nastavit od 0 N do 90 N rýhovanou maticí dle
stupnice a rysek na obvodu. Zkoušení se provádí při
stoupající síle pružiny vždy na novém místě,
vzdáleném od předchozího nejméně 20 mm.
Zkouška začíná úderem 10 N a postupně se
zvyšuje, až se stanoví síla, při které dojde
k prvnímu poškození smaltu a síla, při které dojde
ke zřetelnému poškození smaltového povrchu.
Vyhodnocení se provádí vizuálně ze
vzdálenosti 250 mm, posuzuje se způsob poškození
smaltu (trhlinky, odchlípnutí, odprýsknutí).
Konečné zhodnocení se provede za 24 hodin. Lehké
poškození povrchu (bez trhlinek) se nepovažuje za
závadu.
MIC
K12T3M4
K12T4M4
MIC
K12T3M4
K12T4M4
Síla při
prvním
porušení
[N]
40
30
30
50
40
50
Síla při
odprýsknutí
[N]
50
30
30
90
-
ZÁVĚR
Volba druhu vznosné látky ovlivňuje
křehkolomové vlastnosti sklovitých smaltových
povlaků.
Zkouška mikrotvrdosti prokázala, že při
použití kalcinovaných kaolínů v základním
smaltovém povlaku se hodnota mikrotvrdosti
snížila. V souladu s tím došlo ke zvýšení lomové
houževnatosti povlaku, ale současně došlo
k mírnému snížení adheze k ocelovému substrátu.
Krycí smaltový povlak s použitím
kalcinovaného kaolínu K12T3M4 vykazoval nižší
hodnoty mikrotvrdosti a vyšší hodnoty lomové
houževnatosti oproti smaltovému povlaku s jílem
MIC a kaolínem K12T4M4.
Z výsledků
experimentálních
prací
vyplývá pozitivní vliv kaolinové složky na
křehkolové vlastnosti smaltového povlaku.
71
Transfer inovácií 15/2009
Literatura
[1] Murcina, L.: Studium vlivu vstupních surovin
na křehkolomové vlastnosti sklovitého
smaltového povlaku. Ostrava: Vysoká škola
Báňská – Technická univerzita Ostrava.
Strojní
fakulta.
Katedra
mechanické
technologie, 2009. 90 s. Vedoucí diplomové
práce doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc.
[2] Menčik, J.: Pevnost a lom skla a keramiky.
Praha: SNTL, 1990.
Příspěvek byl zpracován za podpory
projektu MŠMT KONTAKT ME 08083 a
projektu IGS 2009-516.
72
2009