Исследование контактного слоя на границе эмаль – металлическая подложка Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.293.522.5

Е.В. Царева

Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТНОГО СЛОЯ НА ГРАНИЦЕ ЭМАЛЬ -МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОДЛОЖКА

Исследуется переходный слой, возникающий при эмалировании драгоценных металлов эмалью на основе калийсвинцовосиликатного стекла. При помощи электронной микроскопии и методом вторичной масс-спектроскопии изучен состав контактного слоя, а также разбираются механизмы образования системы «эмаль - драгоценный металл».

The transitional layer arising at enameling of precious metals by enamel on the basis of KO2-PbO-SiO2 glass is investigated. By means of electronic microscopy and a method of secondary mass spectroscopy the structure of a contact layer is studied, and try to understand mechanisms of formation system "enamel - precious metal".

Состояние, структура и состав контактирующих друг с другом слоев подложки и стекла при эмалировании различных металлов во многом обеспечивают возможность получения таких изделий. Они многократно были исследованы различными методами при эмалировании черных и ряда цветных металлов, однако сведения об этих слоях при нанесении эмалевых покрытий на благородные металлы практически отсутствуют в литературных источниках.

Исследование контактного слоя на границе «эмаль - ювелирный сплав» проводили на композициях «матричная эмаль (калийсвинцовосили-катное стекло, модифицированное оксидами B2O3, BaO, ZnO, SnO2.) - золото 750 пробы» и «матричная эмаль - серебро 750 пробы». Результаты электронно-микроскопического исследования (исследования проводили на электронном микроскопе Jeol JSM-6510LV), проведенного совместно с рентгеноспектральным анализом, свидетельствуют о существовании переходного контактного слоя между эмалевым покрытием и металлом.

В случае композиции «эмаль-серебро» переходный слой характеризуется неоднородной структурой; элементный состав этого слоя представлен как компонентами ювелирного сплава (Ag, Cu), так и компонентами эмали (Pb, Si, K) в различных концентрационных соотношениях (рис. 1).Толщина переходного слоя составляет 40-50 мкм.

SEI 10kV WD13m Sample

Серебро | Эмаль

Рис. 1. Вид контактной зоны между эмалью и серебром 750 пробы.

Рис. 2. Структура и элементный состав переходного слоя в системе эмаль-серебро

Химический состав приграничных слоев контактирующих материалов дополнительно изучен методом вторичной масс-спектроскопии при послойном стравливании материала на толщину 12,2 нм. В слоях металла, примыкающих к контактной зоне, обнаружены компоненты эмали - свинец, цинк, калий, концентрация которых снижается при переходе в более

глубокие слои металла (рис. 3). Аналогичным образом компоненты металла зафиксированы в слоях эмали, примыкающих к границе с металлом.

1,60Е-03 1,40Е-03 1,20Е-03 1,00Е-03 8,00Е-04 б,00Е-04 4,00Е-04 2,00Е-04 0.00Е+00

/

У

У

Р= 1— -41 1— —1 1

К -Си РЬ 1п

О 25 50 75 100 нм

Рис. 3. Концентрационное распределение компонентов эмали в контактном слое

Аналогичные исследования на композиции «эмаль-золото» показали наличие подобного переходного слоя толщиной 10 мкм, и помогли установить его состав.

Золото

I

Эмаль

Рис. 4. Вид контактной зоны между эмалью и золотом 750 пробы

Проведенные исследования показали, что ионы основного элемента подложки - золота, присутствующего в сплаве, практически не диффундировали в эмаль. Это элемент с малой химической активностью, и именно этим объясняется его пассивность в процессах диффузии в композиции «эмаль - металл». В то же время ионы еще одного компонента сплава -меди были обнаружены в пограничных слоях эмали, таким образом, была зафиксирована диффузия ионов меди в пограничных слоях изделия. Кроме этого было определено участие ионов, доля которых наибольшая в эмали (кремний, свинец, цинк), в диффузионных процессах.

Рис. 5. Структура и элементный состав переходного слоя в системе эмаль-золото

Таким образом, проведенные исследования подтвердили формирование переходного слоя между эмалевым покрытием и подложкой из ювелирных сплавов. По-видимому, в основе наблюдаемого формирования переходного слоя лежат диффузия и физическое растворение компонентов эмали в металле. Вместе с этим можно предположить и окисление меди до ионного состояния, и ее диффузию в стеклофазу эмали. Очевидно, в прочность сцепления вносят вклад образование переходного слоя, силы адгезии и механическое закрепление эмали на шероховатой подложке.

Выводы: Экспериментально установлено существование промежуточного контактного слоя, образующегося в процессе обжига между эмалью и сплавами благородных металлов - золота и серебра, обеспечивающего прочное сцепление между эмалью и подложкой. В составе этого слоя присутствуют как компоненты металла (Ag, Си), так и компоненты эмали РЬ, К, 7п), диффундирующие в металлическую подложку. Толщина переходного слоя при эмалировании серебра в 3-4 раза превышает толщину переходного слоя на золоте.