Как сделать крепкое стекло
Прочное и безопасное стекло
Илья Леенсон,
кандидат химических наук,
химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №3, 2017
Фото Натальи Домриной
Стекло — один из самых распространённых материалов, окружающих человека. И в то же время мы его чаще всего не замечаем — и когда смотрим в окно, и когда разглядываем витрины магазинов, и когда смотримся в зеркало. А всё потому, что чистое стекло прозрачно.
Стекло появилось много тысяч лет назад, и никто не знает, кто и как его изобрёл. Римский писатель и учёный Плиний Старший, живший в I веке, рассказывает, что как-то финикийские купцы развели огонь под сосудом, чтобы в пути сварить еду. Очаг они устроили, за неимением камней, из кусков соды, которая на жару расплавилась и образовала с песком и другими составными частями почвы первое рукотворное стекло. Вероятно, этот рассказ — выдумка. Хотя бы потому, что для расплавления соды нужна очень высокая температура, которую обычный костёр не даёт. Скорее всего, стекло изобрели представители одной из древнейших профессий — гончары. При обжиге глиняные сосуды, кирпичи нередко трескались. Поэтому их пытались предварительно обмазывать разными составами. Одна из смесей оказалась удачной: готовое изделие покрылось тонкой блестящей эмалью. Это и было первое стекло — непрозрачное и мутное. Но для гончарных изделий это не было недостатком. Со временем из смеси соды, песка и известняка (или мела) стали варить стекло, из которого делали украшения, флакончики для благовоний. Вводя в стекло различные добавки, научились окрашивать его в разные цвета.
Труднее всего было получить бесцветное прозрачное оконное стекло. Его не было даже у королей и императоров средневековой Европы. Окна построек представляли собой узкие щели или небольшие отверстия, которые в непогоду закрывали ставнями или завешивали кожами, холстами, или натягивали бычий пузырь. Самые богатые люди могли позволить себе вставить в окна прозрачные пластинки слюды. В Европе слюду добывали в Карелии. Большие пластинки слюды попадались редко и потому стоили очень дорого. Лишь в XIV веке в домах самых богатых людей появилось оконное стекло (в зданиях церквей его стали использовать раньше — примерно в X веке). Для выработки хорошего стекла прежде всего нужен был очень чистый белый песок, а он встречается нечасто. Обычный песок, содержащий примеси железа, окрашивает стекло в зелёный цвет. Поэтому когда-то все оконные стёкла были зеленоватыми. И чем больше в песке железа, чем песок темнее, тем менее прозрачным будет стекло. Сейчас из такого стекла делают бутылки.
Промышленность выпускает множество самых разнообразных сортов стекла: электровакуумное, светотехническое, оптическое, химико-лабораторное, термометрическое, медицинское, тарное, хрустальное. В их состав могут, помимо обязательного оксида кремния, входить оксиды разных элементов — алюминия, кальция, магния, бария, натрия, калия, железа, бора, цинка и даже мышьяка (например, в молочном светотехническом стекле).
Все знают, что основной недостаток многих стёкол — их хрупкость. Огромная масса стеклянных изделий ежедневно превращается в стеклянный бой. Помимо экономических убытков, разбитое стекло представляет опасность, так как свежий скол стекла очень острый. Недаром только что надломленную пластинку стекла можно использовать в качестве режущего инструмента в микротоме — приборе, делающем тончайшие срезы биопрепаратов для биологических исследований. Но оказывается, стекло можно сделать не только очень прочным, но и не дающим острых осколков.
Эта история началась давно — в XVII веке. Английский принц Руперт (полный титул — пфальцграф Рейнский, герцог Баварский) имел все шансы сделать блестящую военную карьеру. Но, оставив военную службу, он посвятил последние годы своей жизни искусству и науке. Одно из его открытий — закалённое стекло. Что же это такое?
Все знают, что бывает, когда в графин или гранёный стакан из толстого стекла наливают крутой кипяток: стекло лопается. Это происходит потому, что стекло — очень плохой проводник тепла; оно прогревается в сотни раз медленнее, чем, например, медь. Поэтому когда внутренняя часть стакана уже горячая, внешние его слои ещё холодные. В результате теплового расширения наружная часть изделия испытывает огромные нагрузки, которые оно часто не выдерживает. Чтобы толстостенные стеклянные изделия не разрушались, их следует нагревать (и охлаждать) медленно. Тем более это относится к изготовлению различных стеклянных изделий: после формования из полужидкой стеклянной массы их охлаждают до комнатной температуры очень медленно. Делается это в специальных печах, в которых температура понижается в течение многих часов. Эта процедура называется отжигом, а полученное таким образом изделие — отожжённым.
В плохо отожжённом стекле остаются внутренние напряжения, которые никак не изменяют его внешний вид (они видны только в поляризованном свете), но сильно ухудшают механические свойства. Эти напряжения часто концентрируются на краях, утолщённых частях изделий. В листовом стекле они могут следовать одно за другим, образуя как бы цепочку. Такое стекло очень трудно отрезать по прямой линии: неравномерно распределённые напряжения уводят трещину в сторону от нанесённой алмазом царапины.
Но отжечь стекло — только полдела. Поверхность даже хорошо отожжённого стекла, как правило, ослаблена множеством мельчайших трещинок, царапин, которые могут быть не видны невооружённым глазом. Особенно опасны микротрещины на краях стеклянных изделий. Именно с них и начинается разрушение. Под нагрузкой на концах трещинок концентрируются очень большие напряжения; трещина увеличивается и, в конечном счёте, прорезает всё изделие — оно раскалывается на части. Если каким-либо способом «залечить» поверхность стекла, сделать её очень ровной и гладкой, то такое стекло станет намного прочнее. Сделать это можно, например, химическим травлением поверхности. Если обычное оконное стекло опустить на несколько минут в смесь фтороводородной (плавиковой) и серной кислот, то с его поверхности будет стравлен слой толщиной до 0,1 мм. Оксид кремния из состава стекла при этом переходит в растворимый фторосиликат:
Чтобы обработанное таким образом стекло вновь не покрылось трещинками и царапинками из-за попадания на него пыли, а также для защиты от атмосферной влаги (она тоже понижает прочность стекла), его поверхность после сушки покрывают защитной плёнкой из кремнийорганических соединений. Частично «залечить» трещинки в только что купленном стакане можно и в домашних условиях. Для этого его надо осторожно нагреть в воде до её кипения и продолжать кипячение ещё минут десять. Такой стакан будет жить дольше.
В промышленности для упрочнения стекла его закаляют. Закалку осуществляют путём резкого охлаждения горячего стекла. Посмотрим, что будет, если расплавленное стекло вылить в холодную воду. Если лить его понемногу, отдельными каплями, то они не растрескиваются и после охлаждения остаются целыми. Если стекло нагрето до очень высокой температуры (когда оно совсем жидкое), то при падении в воду капельки стекла с достаточно большой высоты она превращается почти в идеальный шарик. Если же кончик стеклянной палочки расплавить на обычной горелке, которой пользуются стеклодувы, то образуется довольно вязкая капля, которая как бы нехотя отрывается от палочки и при этом тянет за собой стеклянную нить. При попадании в холодную воду такая капля принимает форму слезинки с длинным хвостиком. При вхождении в воду скорость падения капли резко замедляется, тогда как её полужидкий хвост продолжает двигаться с прежней скоростью. В результате хвостик у застывшей капли получается в виде змейки. Именно такие капли получил впервые принц Руперт, поэтому они названы его именем (другое название — батавские слёзки).
То, что слёзки остаются целыми, — далеко не самое удивительное их свойство. Они исключительно прочные: выдерживают сильные удары молотком по толстой грушевидной части. Но есть у слёзки ахиллесова пята: стоит надломить её тонкий хвостик поближе к основанию, как вся капля с треском рассыпается на мельчайшие кусочки. Если проводить этот эксперимент в темноте, то иногда видно свечение. Рассыпание слёзок может происходить с такой силой, что, если проводить опыт в стакане с водой, он разбивается, как при взрыве!
Чтобы объяснить необычные свойства слёзок, рассмотрим более подробно процесс их образования. При охлаждении капли возникают силы, которые тянут наружный слой внутрь, создавая в нём напряжения сжатия, а внутреннее ядро — наружу, создавая в нём напряжения растяжения. Отжиг (длительный нагрев при 100°C) приводит к снятию напряжений, так как при повышенных температурах частицы стекла приобретают подвижность и переходят на свои «удобные» места.
Описанные свойства «рупертовых слёз» присущи в большей или меньшей степени всем стеклянным изделиям, которые не прошли отжиг. Такое стекло называется закалённым. Болонские стеклодувы, например, изготовляли круглые сосуды с толстым дном, которые быстро охлаждали на воздухе. Эти сосуды (их называли болонскими склянками) выдерживали сильные удары без разрушения. Но уже незначительные повреждения внутренней их части, например царапины, приводили к разрыву сосуда на части.
Высокая прочность закалённого стекла широко используется на практике. Если напряжения создаются в стекле направленно и равномерно, то они в значительной степени упрочняют его. Чтобы понять, почему это возможно, рассмотрим лист быстро охлаждённого с обеих сторон стекла.
Распределение напряжений в стекле при изгибающей нагрузке: а — напряжение в листе закалённого стекла без нагрузки; б — напряжение в отожжённом стекле; в — напряжение в закалённом стекле под нагрузкой
Как и в случае шарика, наружные слои такого стекла будут испытывать сильное сжатие, которое по мере продвижения внутрь листа сначала уменьшается, а потом переходит в напряжение растяжения — оно максимально в центре, как это показано на рисунке. Распределение напряжений в нижней половине листа зеркально повторяет картину в верхней части.
Рассмотрим теперь, как будет вести себя под нагрузкой обычное стекло. Положим лист стекла на две опоры и надавим сверху. Верхняя изогнутая часть стекла будет испытывать сжатие, а нижняя часть — растяжение. Очевидно, что максимальные нагрузки приходятся на самые внешние слои — а они как раз и самые слабые — по причинам, о которых говорилось выше. При этом стекло начнёт разрушаться снизу, так как сжатие оно выдерживает в десять раз лучше, чем растяжение, как, впрочем, и другие материалы.
Проделаем ту же операцию с закалённым стеклом. Здесь прилагаемая механическая нагрузка приведёт к напряжениям, которые будут налагаться на уже имеющиеся в стекле. Казалось бы, это должно только ухудшить дело. Действительно, в верхней части стекла суммарное напряжение сжатия ещё более вырастет. Но дальше сложение напряжений приведёт к тому, что наиболее опасные напряжения растяжения будут максимальными где-то внутри листа, тогда как вблизи нижней поверхности напряжения могут оказаться очень малыми. Итак, под влиянием изгибающего усилия закалённое стекло испытывает по сравнению с отожжённым стеклом большее сжатие в верхнем слое и меньшее растяжение в нижнем слое. В результате на лист закалённого стекла, лежащего на двух опорах, могут встать несколько человек — лист прогнётся в 4–5 раз сильнее, чем обычное стекло, но не сломается! Закалённое стекло значительно превосходит обычное и по термическим нагрузкам — оно выдерживает перепады температур до 270°C, тогда как обычное растрескивается уже при быстром изменении температуры на 70°C.
Опыты по получению промышленного закалённого стекла начали проводить в последней четверти XIX века. Изобретателем особого «твёрдого стекла» считается итальянец де ла Басти. Стеклянные изделия, нагретые до красного каления, но не потерявшие своей формы, он погружал в ванну со смесью расплавленного жира и растительного масла, смешанных в определённой пропорции. Такую смесь можно было нагреть до нужной температуры (обычно от 150 до 300°C) и таким образом регулировать скорость охлаждения в зависимости от состава стекла, формы изделия и его размеров. Испытывались и другие способы закалки — в расплавленном парафине при 200°C, перегретым водяным паром, охлаждение листового стекла сдавливанием между холодными металлическими (или металлической и глиняной) пластинами. Такие опыты, в частности, проводил немец Ф. О. Шотт, который в 1886 году основал знаменитый стекольный завод (шоттовское стекло и поныне известно во всём мире; из него делают и лабораторную посуду высокого качества). Отличить закалённое стекло от простого можно по его оптическим свойствам: закалённое стекло обладает двойным лучепреломлением и в поляризованном свете будет казаться окрашенным.
Фрагмент из книги: Леенсон И. А. Химия в технологиях индустриального общества. — Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2011.
Как закалить стекло: технология закаливания. Стоимость закаленного стекла
Как закалить стекло?
КАК ЗАКАЛИТЬ СТЕКЛО
Закалить стекло требуется, чтобы сделать материал в 5 раз более прочным, повысить его устойчивость к перепадам температур и добиться безопасности применения. Для получения таких свойств в процессе обработки изделия подвергают химическому и термическому воздействию. Улучшенные прочностные показатели позволяют широко использовать материал при проведении строительных и отделочных работ:
Технология изготовления закаленного стекла
Технология закалки стекла предполагает выполнение двух ключевых процессов. Вначале материал обжигают в печи до размягчения. После чего охлаждают под струями воздуха, который подается равномерно с нескольких сторон. Опишем процесс подробнее.
Чтобы закалить обычное стекло чаще всего применяют воздух, поступающий из воздухоструйной решетки. Есть и другие способы, например, ионная закалка, когда стекло помещается в специальную камеру, где происходит ионный обмен. В данном случае температура вообще не играет никакой роли в отличие от воздушной закалки.
Закаленное стекло vs обычное: основные отличия
Основные отличия касаются не внешнего вида, а свойств материала. Он становится более устойчивым к любым механическим воздействиям и температурным перепадам. При этом визуально стекло остается таким же — оптические свойства изделий сохраняются на 99 %.
По этой причине отличить закаленное стекло от обычного по внешним признакам практически невозможно. Самые простые способы — посмотреть на поверхность под мощным источником света (отблеск на плоскости будет слегка рябить) или разбить (отсутствие острых осколков говорит о том, что материал подвергался закаливанию).
Как закалить стекло в домашних условиях
Закалить стекло в домашних условиях, если, конечно, у вас нет муфельной печи и мощной вентиляционной установки, не получится. Можно только немного повысить прочностные свойства изделий. Для этого есть два способа: использование специальной пленки и отпуск. Коротко об обеих методиках.
Как видите, речь не идет о процессе закалки. Только о незначительном повышении прочностных свойств некоторых изделий.
Чтобы сделать закаленное стекло в домашних условиях, потребуется мощное промышленное оборудование: муфельные печи и вентиляторы. Их покупка для разового применения нерациональна, поскольку готовый материал обойдется дешевле расходов на его изготовление.
На производстве используют мощные установки, рассчитанные на закалку полотна размерами до 6000*3210 мм. Печи марки Keraglass имеют камеры предварительного нагрева и конвекции. В камере предварительного нагрева постепенно увеличивают температуру стекла до 300 градусов. Затем материал попадает в камеру основного нагрева, где доходит до 700 градусов. Завершается процесс принудительным охлаждением. Наличие особых сканеров и ИК-датчиков позволяет оценить области прогрева.
Закаленное стекло изготавливают из листов обычного. При обработке объем первоначального сырья сохраняется. Таким образом, из 1 кв. метра стекла можно изготовить 1 кв. метр закаленного. Также закаливание не влияет на оптические свойства и внешний вид полотна.
Как правильно закалить стекло: полезные рекомендации
Производство закаленного полотна имеет свои нюансы. Если не соблюдать их, возможно разрушение материала.
Почему не стоит делать закалку самостоятельно?
Сама процедура закаливания выглядит очень сложной. Однако перед работой на производстве материал также проходит предварительную подготовку. Незнание технологических процессов способно свести результат работы на нет. Итак, что происходит на производстве.
Что такое закаленное стекло
Закаленным называют стекло, которое при производстве было закалено, как сталь. Этот процесс предусматривает нагрев и охлаждение по определенному принципу, благодаря чему структура материала уплотняется. Процесс закалки придает стеклу три важных характеристики:
Технология закалки стекла и способы применения материала
Стекло является одним из наиболее востребованных материалов в современном мире. Из него изготавливают много предметов для бытовой жизни и промышленного производства. Выполняемые функции диктуют свойства элемента и его технические характеристики.
Закаленное стекло является востребованным в автомобильной промышленности, так как из него делают окна. Его основная особенность состоит в безопасности, потому что при разбивании материал не разлетается на осколки, а просто рассыпается на кубики с неострыми гранями. Дело в том, что при авариях люди часто страдали от порезов, поэтому и было изобретено такое стекло, которое позволило бы решить этот вопрос.
Другие преимущества закаленных стекол
Прочность и способность отлично переносить резкие температурные перепады – не единственные достоинства закаленных стекол. Помимо этого такие изделия обладают:
Если сравнивать с обычными видами, такие стекла выдерживают удары в 5-10 раз сильнее, а также они имеют более высокую прочность на изгиб. Эта технология подходит для изготовления не только плоских, но и гнутых стекол, что делает возможным производство усиленных молированных окон, подробнее о которых читайте на ОкнаТрейд.
Закалка стекла в домашних условиях
Многие люди задаются вопросом, как закалить стекло в домашних условиях? Сделать это невозможно, так как технология требует наличия специального оборудования. На некоторых сайтах можно найти информацию, что хорошо помогает плавиковая кислота, но работать с ней крайне нежелательно.
Во-первых, это довольно опасное и токсичное вещество, при обращении с которым необходим специальный защитный костюм. А, во-вторых, стекло хотя и станет прочнее, но потеряет свою прозрачность, так что будет непригодным для дальнейшего использования. Поэтому можно лишь приобрести уже готовый материал и использовать для своих потребностей.
Закаленное стекло vs обычное: основные отличия
Основные отличия касаются не внешнего вида, а свойств материала. Он становится более устойчивым к любым механическим воздействиям и температурным перепадам. При этом визуально стекло остается таким же — оптические свойства изделий сохраняются на 99 %.
Изображение №1: так выглядит закаленное и обычное стекло при разрушении
По этой причине отличить закаленное стекло от обычного по внешним признакам практически невозможно. Самые простые способы — посмотреть на поверхность под мощным источником света (отблеск на плоскости будет слегка рябить) или разбить (отсутствие острых осколков говорит о том, что материал подвергался закаливанию).
Изображение №2: как ведет себя обычное и закаленное стекло при механических повреждениях
Характеристики материала
Технология изготовления
Итак, закаленное стекло производится следующим образом:
Технология изготовления закаленного стекла
Технология закалки стекла предполагает выполнение двух ключевых процессов. Вначале материал обжигают в печи до размягчения. После чего охлаждают под струями воздуха, который подается равномерно с нескольких сторон. Опишем процесс подробнее.
Чтобы закалить обычное стекло чаще всего применяют воздух, поступающий из воздухоструйной решетки. Есть и другие способы, например, ионная закалка, когда стекло помещается в специальную камеру, где происходит ионный обмен. В данном случае температура вообще не играет никакой роли в отличие от воздушной закалки.
Виды материала
Выделяют три основных вида материалов, которые используются на практике:
Цена закаленного стекла зависит от марки и габаритов изделия, которые могут различаться в широком диапазоне.
Отличие закаленного стекла от армированного и триплекса
Для изготовления безопасных окон используется закаленное стекло, триплекс и армированное. При этом только прошедшие термическую обработку листы имеют прежнюю светопропускную способность. У армированных стекол и триплекса этот показатель хуже. Кроме того, использование триплекса ощутимо утяжеляет стеклопакеты, а армирование в некоторых случаях провоцирует ухудшение эстетических характеристик окон.
При этом триплекс не так боится торцевых ударов, как закаленное стекло, и с него при разбитии не осыпаются осколки. Однако, если какой-то фрагмент стеклопакета из триплекса все же отлетит в сторону, то о него можно пораниться. Также закаленное стекло уступает по уровню звукоизоляции.
Оптимальный выбор можно сделать только в том случае, если гибко подходить к процессу выбора. В ряде случаев необходим именно триплекс, а в других ситуациях оптимальным выбором станет закаленное стекло.
Что такое закалка стекла
Закалить стекло – значит провести термическую обработку, в результате которой в стекле возникают постоянные напряжения за счет интенсивного его охлаждения от высокой температуры. В результате закаливания получается неоднородный предмет, который невозможно просверлить или порезать. Поэтому термической обработке подвергают уже готовые стеклянные изделия.
Главная особенность закаленного стекла – высокая устойчивость к температурным колебаниям. Это свойство возникает благодаря напряжениям сжатия, которые проявляются на поверхности стекла во время термической обработки.
Кроме высокой прочности, закаленное стекло считается безопасным во время разрушения и не наносит человеку сильных повреждений. Существуют международные стандарты, согласно которым ламинированное и закаленное стекло признаны наиболее безопасными для человеческого здоровья.
Закаленные стекла
Закаленные стекла имеют более высокую прочность и сопротивление термическим нагрузкам, чем термически упрочненные стекла. Их стойкость к ударным нагрузкам в 4-5 раз выше, чем у обычных стекол без термической обработки. В случае разрушения закаленные стекла разрушаются с освобождением большого количества энергии в виде мелких округлых кусочков (рисунок 1). Такой характер разрушения снижает риск тех, кто находится в это время рядом. Поэтому эти стекла считаются безопасными.
Рисунок 1 – Характер разрушения закаленных стекол [1]
Преимущества закаленного стекла
Многие оценили качества, которыми обладает закаленное стекло. Отзывы потребителей являются лучшим подтверждением.
Применение закаленного стекла
Область применения закаленного стекла очень обширна:
Остекление торговых центров и жилых помещений
Фасады современных торговых центров и жилых домов в большинстве случаях принято стеклить. Для этого применяются стеклопакеты в алюминиевом профиле. Такие конструкции пропускают больше солнечного света, но предотвращают проникновение ультрафиолетовых лучей в помещение. Помимо этого они способны удерживать тепло. Также большинство перегородок и витрин делают из стекла, это очень хорошо расширяет внутренне пространство. При этом стекло может быть не только прозрачным, но и матовым, цветным или с любым декоративным рисунком.
Стеклянные витрины
Стеклянные витрины привлекают покупателей больше, чем обычные стены даже с самой красивой вывеской. Для изготовления таких витрин используют цельное закаленное стекло или несколько стеклянных частей, это зависит от размера самой витрины.
Двери и перегородки из стекла
Двери и перегородки из стекла — новый стиль в современном дизайне. Это не только красиво и уютно, но еще и безопасно и надежно. Из закаленного стекла можно создавать необычные конструкции – раздвижные и маятниковые. Двери из стекла позволяют визуально увеличить и расширить внутреннее пространство. Особенно актуально это в небольших квартирах.
В производстве мебели закаленное стекло тоже нашло свое применение. Его используют для изготовления поверхностей столов, дверей шкафов и других элементов. Особенно часто используют закаленное стекло на кухню в качестве фартука.
Где применяют закаленное стекло
В последнее время активно расширяются сферы применения этого материала. Так, закаленное стекло применяют для:
Закаленное стекло очень популярно в мебельном производстве. Дело в том, что обычное стекло не может выдержать большие нагрузки. А если закалить стекло, тогда существенно упрощается задача создания практичных и в то же время необычных интерьеров. Так, сейчас очень популярны разные стеклянные полочки, столики, которые можно использовать в повседневном быту, не боясь разбить или повредить.
В последнее время очень актуальны окна с закаленным стеклом, которые являются лучшим вариантом для детской комнаты. При попадании в окно твердого предмета стекло не распадается, а просто трескается. Поэтому оно не травмирует ребенка осколками.
Области применения закаленного стекла
Применяют закаленное стекло во многих областях. Например, это отличный вариант для остекления домов. Закаленное стекло очень хорошо пропускает свет. Часто такое стекло используют для остекления детских комнат. Это связано с тем, что при попадании в окно какого-либо предмета (дети часто что-то бросают), оно не разобьется, а лишь треснет, не причинив никому вреда.
Применения закаленного стекла:
Очень часто закаленное стекло применяют при возведении стеклянных участков в фасадной части здания. Витрины в магазинах, перегородки внутри помещений, двери, части корпусной мебели, стекла в автомобилях, оранжереи и холодильные полки – это далеко не полный перечень сфер, в которых применяют закаленное стекло. Закаленное стекло очень популярно при изготовлении мебели. При использовании обычного стекла какие-либо нагрузки на него должны быть исключены. Закаленное же стекло выдерживает большое давление. Поэтому из него изготавливают полки, столики и даже лестничные ступеньки.
Как закалить стекло
Процесс закаливания происходит по определенной технологии. Она предусматривает термическую обработку стеклянного предмета. Сначала стекло сильно нагревают, а затем быстро охлаждают. Для повышения интенсивности процесса обычно используют закалочные среды со специальными охлаждающими способностями. Наиболее часто в качестве такой среды применяют обычный воздух. В этом случае используют воздухоструйную обдувочную решетку.
Очень эффективной является методика, в которой в качестве закалочной среды применяются специальные охлаждающие жидкости. Они позволяют ускорить процесс теплоотдачи. Такими жидкостями могут быть расплавленные соли, металлы, минеральные масла и кремнийорганические растворы.
При использовании в закалочной среде жидкостей в зависимости от температуры условий меняется коэффициент теплоотдачи. Существенным минусом этого способа закаливания является недостаточная регулируемость процесса. Так, при попадании в охлаждающие жидкости горячего стекла происходит кипение. А это резко влияет на коэффициент теплоотдачи.
Охлаждение и контроль
Охлаждать материал можно разными способами: при помощи масел, воздуха, различных жидкостей. Однако наиболее эффективным методом считается воздушное охлаждение. Оно заключается в перпендикулярной подаче на лист нескольких воздушных струй, которые идут из сопел, устроенных в шахматном порядке. Ряд производителей дополнительно обеспечивает вращение обдувочной решетки таким образом, чтобы каждая струйка воздуха совершала вращательное движение.
Правильно обработанное стекло способно выдерживать 1800оС, что позволяет его использовать при производстве электрических плит, каминов.
После того как стекло остынет, проводится контроль качества. Для определения толщины используют микрометр, которым выполняют замеры в 4-х разных точках. Само изделие должно быть совершенно бесцветным; сортировка производится в зависимости от наличия пороков (свиль, пузырьки, мошка и т.д.). Для проверки прочности с высоты 0,8 м роняют на поверхность металлический шар весом в 800 г (толщина листа менее 5 мм). При этом стекло должно рассыпаться на кусочки размером не более 3,2 см.
Технология закалки
Для получения закаленного стекла его необходимо подвергнуть нагреву до температуры в пределах 650-680 °C и быстро, но равномерно охладить с обеих сторон. Поэтапная технология закалки стекла:
Как видно из технологии, произвести закаливание стекла в домашних условиях практически невозможно, поскольку требуется наличие специального оборудования в виде отжиговой печи и мощных вентиляторов для обеспечения полного охлаждения материала буквально за несколько секунд. Самостоятельно можно попробовать только упрочнить его.
Упрочнение стекла в домашних условиях
Немного повысить прочность материала можно 2-мя способами:
Пленку для закалки экранного стекла можно приобрести практически в любом магазине с аксессуарами.
Технология закалки стекла
На сегодняшний день самой продуктивной и распространенной признана технология закаливания, основанная на горизонтальной подаче стекол в печь.
Процесс закалки происходит в несколько этапов:
Подготовка исходного материала
Стекло для закалки не должно содержать пороков: пузырей, царапин, свилей, шлиров. Эти дефекты могут привести к образованию трещин во время нагрева. Необходимо провести заранее всю запланированную обработку: моллирование, обрезку краев, фацетирование, сверление отверстий, нанесение рисунков и т.д. После термической обработки любые поверхностные повреждения уменьшают прочностные качества готовых стекол.
Нагрев
Наиболее важный этап – размягчение стекломассы до пластичного состояния — осуществляется в закрытых камерах нагрева. Здесь стекло выдерживается при t 620-700 С заданное время. Время и величина нагрева (как и охлаждения) зависят от химического состава, толщины и габаритов стекла и технологии его изготовления. Например, стекло 6 мм, произведенное методом вертикального вытягивания, закаляют при 620-650 С в течение 3-5 мин. А флоат – при t 640-700 из расчета 40-55 с на 1мм толщины листа (то есть, для 6 мм – 4-5,5 мин).
Охлаждение
После нагрева, стекло продвигается в обдувочный отсек, где его быстро охлаждают с 620 С (минимальная температура после печи) до 22-30 С. От скорости охлаждения листа зависит его прочность и степень закалки. После обработки на поверхности стекла образуется система напряжений, а внутри – растяжение, что и обеспечивает изделию высокую прочность и безопасность эксплуатации.
Контроль качества
Закаленное стекло должно пройти тест на безопасность и соответствие требованиям ГОСТа Р 54162-2010 (для строительного стекла) и ГОСТа 5727-88 (для транспорта). Для изделия толщиной менее 5 мм нормой считается выдержка удара стального шара весом в 800 г при свободном падении с 80 см, а при толщине выше 5 мм – с высоты в 1,2 м. Кроме того, при разрушении стекла образовавшиеся осколки не должны превышать 32 мм.
Как закалить стекло в домашних условиях
Такая пленка прекрасно защищает экран от различных потертостей и царапин, но обладает пониженной устойчивостью к ударным нагрузкам. Поэтому малейшее механическое повреждение может повлечь за собой его разрушение.
Отпуск – отличный способ упрочнения стеклянных изделий (банки, стаканы, салатницы и другая посуда) в домашних условиях. Метод заключается в нагреве до кипения воды и медленном охлаждении материала. Последовательность:
Чем меньше скорость нагрева и последующего охлаждения, тем эффективнее результат – увеличенная термостойкость посуды.
Процесс закалки стекла
Сам процесс закалки стекла состоит из трех этапов:
Закаленное стекло нельзя резать, поскольку при таком механическом воздействии на него оно рассыпается обязательно.
Сырье для изготовления стекла
Конечно, большинство знают, что делают стекло из кварцевого песка. Кварцевый песок- основной ингредиент для производства таких изделий. Стекло представляет собой сочетание песка, кремния, шпата, или какого-либо другого кремниевого вещества с одним или другим компонентом из щелочей, а в некоторых случаях с оксидом металла.
Чтобы стекло было прозрачным, а не зеленоватым (как для бутылок), в нем не должно быть примесей железа. Для прозрачности при его изготовлении добавляют небольшие количества диоксида марганца. А далее с готовым стеклом можно делать все, что душа желает, например, покрыть их суперсовременными декоративными пленками, как предлагает вот этот сайт — globalfilms.com.ua/products/decorative-films.
Чтобы изготовить или сделать стекло, первоначально в кварцевый песок добавляется карбонат натрия (сода) и негашеная известь. Карбонат натрия понижает температуру, необходимую для изготовления изделия для промышленного производства.
Для прочности в массу добавляют не более, чем 26-30% окиси магния и (или) алюминия.
Изготовим декоративное стекло
Цвет зависит от специальных примесей в нем. Как уже отмечалось, зеленоватый оттенок придает примесь к песку из кварца железа, сера придает желтоватый оттенок, янтарный, коричневатый или даже черноватый оттенок, в зависимости от того, сколько углерода или железа также добавлено к смеси вместе с серой. Мышьяк придает стеклу молочный цвет, бура- улучшает зеркальность, свинец придает желтый оттенок, который можно устранить добавлением селитры.
Эту смесь расплавляют, при промышленном производстве в печи на газе, в ряде случаев в электрических печах или горшках.
Кварцевый песок без добавок становится стеклом при температуре 2300 градусов Цельсия. Добавление карбоната натрия (соды) уменьшает температуру до 1500 градусов Цельсия.
В стекле будут присутствовать пузыри.
Подготовка стекла и нагревание
Сначала тщательно осматривают отобранный материал – внутри него не должно быть пузырей, снаружи – царапин и иных дефектов. Любые пороки неизбежно приводят к возникновению внутренних напряжений, ведущих к растрескиванию. Если есть необходимость, то по шаблонам вырезают заготовки нужной формы; при этом их края обтачивают на специальных (фацетных) станках. Все операции с заготовками (сверление, резка, другие виды обработки) проводят до закалки.
Следующий шаг – нагревание. Оно должно производиться в условиях равномерного нагрева поверхности. Температура и продолжительность нагревания связаны. При большей продолжительности нагрева температура должна уменьшаться, и наоборот. Помещение холодного стекла в печь на первоначальном этапе вызывает ее охлаждение, но затем температура быстро восстанавливается до первоначального значения. После короткой выдержки в пекле, стекло перемещают к обдувочным решеткам.
Время нагревания листа толщиной 6 мм в печи до 620-650оС, составляет от 3 минут 40 секунд до 5 минут (в зависимости от химического состава материала).
Стекло литое
Литое стекло формируется одним из способов. Расплавленная масса заливается в форму, и медленно остывает. Так делали стекло египтяне, включая изготовление линз, что используется и в современных технологиях. (Далее, перейти на следующую страницу, нумерация — ниже)
Внимание! АВТОРСТВО ВСЕХ СТАТЕЙ ЗАЩИЩЕНО. Копирование и публикация на других сайтах статьи или ее фрагментов без согласия автора или без активной гиперссылки ЗАПРЕЩЕНЫ