Физические методы исследования полимерных покрытий листового металлопроката

МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 669.01/678

И. В. Кушева, А. В. Максимов, О. О. Гронская

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛОПРОКАТА1

I. V. Kusheva, А. V. Maximov, О. О. Gronskaya

METHODS OF PHYSICAL INVESTIGATION OF THIN SHEET STEEL POLYMER

COATINGS

С физических позиций представлены и проанализированы методы исследования поверхности полимерных покрытий для тонких стальных листов, которые используются на ОАО «Северсталь». Для изучения этих методов на кафедре физики ЧГУ разработан спецпрактикум, который найдет применение в спецкурсах «Физика макромолекул», «Физика упорядоченных структур» и позволит получить экспериментальную подготовку для производственной практики студентов в цехе полимерных покрытий ОАО «Северсталь».

Полимерные покрытия, прочность, твердость, адгезия.

The paper presents and analyzes methods of physical investigation of thin sheet steel polymer coatings used by "Severstal" pic. To study these methods, the Department of Physics, Cherepovets State University, created a special practicum that will be used in the special courses "Physics of macromolecules" and "Physics of ordered structures" and provide a preliminary experimental training for students' production practice in "Severstal".

Polymer coatings, toughness, hardness, adhesion.

В настоящее время полимерные покрытия находят все большее применение во всех сферах общественной жизни. В России доминирующими компаниями по производству проката с полимерным покрытием являются Новолипецкий и Магнитогорский металлургические комбинаты. В июле 2005 г. на ОАО «Северсталь» произведен запуск цеха полимерных покрытий металла (ЦППМ), который сейчас производит около 200 тыс. т окрашенной стали в год. Металлопрокат с полимерными покрытиями используется для производства: белой техники (холодильники и др.), бытовой техники (теле-, видеоаппаратура и др.), автолиста, строительных конструкций (облицовка зданий и др.).

Поэтому актуальными являются следующие задачи: получение качественных полимерных

покрытий, выявление и классификация дефектов продукции, выявление причин их появления и разработка методов для их устранения [1]. Для этого необходимы различные методы их исследования, в том числе и физические. В данной работе представлены основные физические методы исследования структуры поверхности полимерных покрытий тонколистового горячео-цинкованного проката стали (толщиной до 50 мкм), которые используются в цехе полимерных покрытий металла (ЦППМ) ОАО «Северсталь» (г. Череповец).

Отбор проб для проведения испытаний проводился по схеме, представленной на рис. 1.

Значения показателей (см. рис. 1) представлены в табл. 1.

1 Работа выполнена и поддержана в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (грант № НК-263Щ6)).

90

2а

4а

26 36 46

2в

Зв

4в

1000

Направление

Рис. I. Схема отбора проб для проведения

испытании:

место испытания

Таблица 1

Свойства и параметры испытательных образцов

Наименование показателя Обозначение образцов Размеры образцов, мм Количество, шт.

Толщина покрытия 2а; 26; 2в

Блеск, цветовое различие 90x90 3

Адгезия За; 36; 90x90 3

Твердость покрытия Зв

Прочность при обратном ударе 4а; 46; 4в 90x90 3

Прочность при изгибе Т 5 40 х 400 2

Прочность при растяжении 1 90 х ширина проката с учетом отступа (50 мм) от кромок 1

В настоящее время в ЦППМ и на кафедре физики ЧГУ применяются следующие физические методы исследования полимерных покрытий [2]:

1) методы определения прочности полимерных покрытий;

2) методы определения твердости и адгезии полимерных покрытий;

3) оптические методы измерения толщины и упорядоченности в поверхностных слоях полимерных покрытий и пленок;

4) оптические методы измерения блеска и цветового различия материалов с полимерным покрытием;

5) метод сканирующей зондовой микроско-

пии для изучения поверхностных структур в полимерах и родственных материалах.

Для определения прочности полимерных покрытий при различных типах деформаций используются следующие механические методы [2]: при Т-изгибе, при растяжении (по Эриксе-ну), при обратном ударе. Метод определения прочности полимерного покрытия при Т-изгибе основан на изгибе образца на 180° до образования трещин. Метод определения прочности покрытия при растяжении по Эриксену основан на растяжении образца сферическим пуансоном до образования на выдавленном участке трещин и (или) отслоения от грунта. Метод определения прочности полимерного покрытия при обратном ударе в диапазоне от 0 до 20 Дж основан на воздействии падающего груза и определении высоты, при которой происходит деформация полимерного покрытия. Метод измерения относительной твердости полимерного покрытия основан на образовании механических повреждений при воздействии на покрытие карандашами различной степени твердости.

Метод определения адгезии полимерного покрытия основан на нанесении решетчатых надрезов в диапазоне от 0 до 5 баллов на готовое органическое покрытие с разрушением полимерного покрытия и последующей оценкой результатов испытаний.

Оптические методы измерения толщины и упорядоченности в поверхностных слоях покрытий основаны на разрушении полимерного покрытия путем выбуривания кратера через слои покрытия до металлической подложки и на его анализе с помощью видеомикроскопа.

Фотоэлектрический метод измерения блеска полимерного покрытия в диапазоне измерений от 5 до 100 единиц основан на возбуждении фототока в фотоприемнике под действием пучка света, отраженного от поверхности покрытия, и на измерении фототока.

Метод измерения цветового различия материалов с полимерным покрытием заключается в измерении цветовых координат образца на приборе "БресйоЬаЬ" и расчете суммарного отклонения координат исследуемого образца от координат образца сравнения.

Каждый из вышеуказанных методов опреде-

ляет только некоторые свойства покрытия, на измерение которых он направлен. Поэтому для наилучшего определения свойств покрытия необходимо использовать сочетание нескольких методов (например, механических и оптических). Примером такого оптимального сочетания является метод определения прочности покрытия при Т-изгибе. В этом методе используются как механические воздействия (при изгибе покрытия), так и оптические приборы (увеличительное стекло) при рассмотрении микротрещин в результате изгиба.

Сканирующая туннельная и сканирующая силовая микроскопии (ССМ) являются важными методами анализа поверхности материалов [3]. Целью микроскопического исследования твердых тел, в том числе и метода сканирующей зондовой микроскопии, является получение увеличенного изображения поверхности. Эти методы исследования позволяют изучать поверхностные структуры как макроскопических размеров (десятки микрон), так и атомных масштабов с субангстремным пространственным разрешением. ССМ-анализ различных полимерных материалов свидетельствует о больших возможностях методов локального зондирования поверхности для описания морфологии и наноструктуры поверхности. Многие морфологические и структурные элементы, известные по результатам других непрямых измерений, непосредственно видны на ССМ-изображениях с уникальным пространственным разрешением

[3].

Некоторые задачи [4, 5] решались с помощью метода сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) в недавно созданной лаборатории нанотехнологий на кафедре физики ЧГУ, участвующей во внедрении программы Министерства науки и образования РФ «Поставка и ввод в эксплуатацию учебных лабораторий по нано-технологии для кабинетов физики, химии и биологии базовых общеобразовательных учреждений профильных вузов в 2008-2010 гг.». Метод СЗМ основан на сканировании исследуемой поверхности твердых тел с помощью специальных зондов и пьезокерамических датчиков, информация с которых с помощью специальных графических программ преобразуется

в увеличенное изображение рельефа поверхности на дисплее ПК [3].

Во время сканирующего исследования образцов покрытий с различными видами дефектов (табл. 2) показать их поверхность «во всей красе» не представлялось возможным [4], так как это связано с разрешающей способностью СЗМ и с выбираемой областью сканирования. Разрешающая способность СЗМ очень большая, а сканирующая область, наоборот, очень маленькая (порядка 100 х 100 мкм). Чтобы получить полную крупномасштабную картину дефектов, нужен сканирующий СЗМ с большей областью сканирования. Поэтому для таких образцов вполне годится и обычный оптический микроскоп с увеличением в 300^100 раз.

Таблица 2

Дефекты полимерных покрытий

По этим же причинам по изображению покрытия нельзя определить, какое это покрытие: «хорошее» или с дефектами, так как даже «хорошее» покрытие при таких условиях будет не «идеальным». Изображения покрытий могут быть «идеальными», но это зависит и от той области, которая будет сканироваться. В основном такая «идеальность» покрытий может быть связана со «сглаживанием» картины с помощью компьютерной программы обработки сканированных изображений.

Название дефекта Оптический микроскоп Сканирующий зондовый микроскоп

2^-изображение З^-изображение

Вскипы ВС д

Эффект «апельсиновой корки» О

О

По результатам исследований, проведенных в данной работе, разработан спецпрактикум (из пяти лабораторных работ), посвященный экспериментальному изучению поверхностной структуры тонкопленочных полиэфирных покрытий листовой стали (толщиной до 50 мкм) [6]. Внедрение этого практикума на кафедре физики ЧГУ позволит получить студентам предварительную экспериментальную подготовку для прохождения ими производственной практики в ЦППМ на ОАО «Северсталь» [5]. Некоторые разработанные лабораторные работы можно включить и в лабораторные практикумы для магистров-физиков по смежным спецдисциплинам «Физика макромолекул» и «Физика упорядоченных структур».

Список литературы

1. Беняковский, М. А. Автомобильная сталь и тонкий лист / М. А. Беняковский, В. А. Масленников. - Череповец: Издательский дом «Череповец», 2007. - 636 с.

2. Жуковец, И. И. Механические испытания металлов / И. И. Жуковец. - М.: Высш. шк., 1986. - 199 с.

3. Миронов, В. J1. Основы сканирующей зондовой микроскопии / В. J1. Миронов. - Н. Новгород: Ин-т физики микроструктур РАН, 2004.

4. Малькова, К. С. Физические методы исследования структуры полимерных покрытий и пленок: выпускная квалификационная работа / К. С. Малькова - Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2009. - 56 с.

5. Mal'kova, К. S. Physical research methods of polymer coatings in the OAS «Seversteel» / K. S. Mal'kova, A. V. Maximov U Modern Problems of Poymer Science: The abstracts of of 5lh Saint-Petersburg Young Scientists Conference, Saint-Petersburg, October 19-22. - Saint-Petersburg, 2009. - P. 63.

6. URL: http//www.maxog.ucoz.ru

Кушева Ирина Васильевна - дефектоскопист рентгено-, гаммаграфирования 6-го разряда лаборатории неразрушающе-го контроля Центра технического развития и качества ОАО «Северсталь».

Тел.: 8-964-662-08-20; e-mail: Jarinkal 1 l@yandex.ru

Максимов Андрей Владимирович - кандидат физико-математических наук, профессор кафедры физики Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8-921-147-29-23, 8 (8202) 24-92-60; e-mail: a_v_maximov@mail.ru

Тройская Олеся Олеговна - студентка 5-го курса Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8-921-257-36-77.

Kusheva, Irina Vasiljevna - X-ray testing specialist, Laboratory of Non-destruction Testing, Centre of Technical Development and Quality, "Severstal".

Tel.: 8-964-662-08-20, e-mail: Jarinkal 1 l@yandex.ru

Maksimov, Andrey Vladimirovich - Candidate of Science (Physics and Mathematics) Professor, Department of Physics, Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.

Tel.: 8-921-147-29-23, 8 (8202) 24-92-60, e-mail: a_v_maximov@mail.ru

Gronskaya, Olesya Olegovna - 5th year student, Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.

Tel.: 8-921-257-36-77.

УДК 669.01

А. И. Виноградов, И. А. Сарычева

К ВОПРОСУ ОБ ИЗМЕНЕНИИ ОРИЕНТАЦИИ ЗЕРЕННОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ПРИ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

А. I. Vinogradov, I. A. Sarycheva

CHANGES IN GRAIN STRUCTURE ORIENTATION OF THE METAL DURING

COLD PLASTIC DEFORMATION

Предложен новый подход к определению закона распределения значений угла поворота продольной оси зерна при холодной прокатке листа стали марки 13Г1Су. Определена последовательность этапов по установлению закона распределения этого параметра у зеренной структуры металла, подвергшегося деформации.