Главная Обзоры Знакомство со стеклом и его закалкой

Знакомство со стеклом и его закалкой

Оглавление

Настоящее описание предназначено только для того, чтобы обеспечить краткое и общее упрощенное знакомство со стеклом, закаленным стеклом и процессом закалки стекла. В любом случае, тем ни менее, подразумевается, что настоящее описание дает только краткий обзор этой обширной темы, и читателю следует иметь в виду эти ограничения, если он захочет впоследствии получить более обширные и глубокие знания по процессу закалки стекла.

Определение условий

Механическое напряжение - это мера внутренних сил на единицу площади, действующих внутри материала. Эти силы могут быть либо результатом внешних приложенных воздействий на материал, либо они могут возникать внутри материала, как результат какой-либо предыдущей обработки, полученной этим материалом. Закаленное стекло является таким примером внешнего воздействия на материал и его внутренние напряжения.

В материале могут возникать три формы механических напряжений: сжатие, растяжение и сдвиг. Механическое напряжение сжатия возникает в материале в результате внешнего воздействия надавливания или сдавливания материала с разных сторон. Механическое напряжение растяжения возникает в результате внешнего воздействия растягивания, пытающегося разорвать материал на части. Механическое напряжение сдвига возникает в результате воздействия внешних сил сжатия или растяжения, когда они меняют свою величину или направление внутри материала.

Величина механического напряжения измеряется в фунтах на квадратный дюйм (PSI) или для удобства в тысячах фунтов на квадратный дюйм (KPSI).

Температура здесь измеряется в градусах Фаренгейта.

Некоторые важные физические характеристики стекла

Стекло это хрупкий материал. Когда его изгибают, оно или ломается или возвращается к своей первоначальной форме, после того как его отпустят.

Стекло почти всегда ломается от механических усилий растяжения, возникающих на его поверхности.

Дефекты поверхности стекла (такие как царапины и т.д.) концентрируют механические напряжения, делая их более сильными в месте нахождения дефектов, чем в среднем по всей поверхности материала, что увеличивает вероятность разлома стекла, который возникает в месте нахождения дефекта.

Выше перечисленное является причиной того, что стекло можно резать. Резка стекла на самом деле является ни чем иным, как преднамеренно контролируемым разломом стекла. При резке стекла, инструмент для резки, выполненный в форме острого колесика, производит механическое давление в линии разреза в бороздке на стекле (которая на самом деле является для стекла дефектом поверхности) и сильно концентрирует механические напряжения. Когда вы после этого изгибаете стекло, то создаете в линии бороздки механическое напряжение растяжения, которое разламывает стекло строго по бороздке, проведенной инструментом для резки стекла.

Стекло при его изготовлении представляет из себя жидкость, которая затем застывает в твердую форму. Это называется кристаллизацией стекла. Куски стекла, вычищенные со дна печи, часто принимают цвет от молочного до полностью непрозрачного. Это состояние называется расстеклованием. Если разломить кусок такого полностью непрозрачного стекла, то вы часто можете обнаружить стеклянную часть около центральной части этого разлома. Керамика, из которой сделаны ролики, которые находятся в печи закалки стекла, на самом деле фактически тоже являются своего рода чистым кварцевым стеклом. Они являются примером медленного стеклования.

Вязкость стекла, при его нагревании до температуры, близкой к температуре закалки стекла, изменяется примерно с коэффициентом равным два для каждых 15-20 градусов Фаренгейта в этом диапазоне изменения температуры. Вязкость - это мера плотности жидкости, и в нашем случае закалки стекла, легкость, с которой стекло может деформироваться. При температуре закалки стекла, плотность стекла имеет сходство с размягченной ирисовой конфетой.

Прочность стекла обычно определяется величиной механической силы растяжения на его поверхности, при которой стекло разрушается.

Прочность стекла часто зависит от продолжительности воздействия нагрузки, вызывающей механические напряжения в стекле и также от влияния атмосферы, контактирующей с поверхностью стекла. Вода является фактором, существенно ослабляющим прочность стекла.

Характеристики стекла при обжиге

Сырое стекло покупается у производителей в виде больших листов, которые затем разрезаются по заданным размерам в вашей мастерской. В сыром стекле, после его производства на стекольном заводе, нет особо сильных внутренних механических напряжений. Обычно его прочность составляет несколько KPSI. Прочность сырого стекла может снизиться в условиях воздействия длительно действующих нагрузок, например такое случается в книжных полках, на которых стоят книги.

Характеристики стекла при температурной закалке

Закалка стекла производится в современных горизонтальных линиях закалки стекла с компьютерным управлением технологическим процессом.

В этом процессе листы сырого стекла, разрезанные по заданным размерам, помещаются на ролики конвейера загрузочного стола. Затем они подаются во внутреннюю часть закалочной печи, где нагреваются до степени размягчения при температуре в диапазоне от 1150 до 1200 градусов по Фаренгейту. В процессе нагревания ролики конвейера двигают листы стекла взад и вперед (качают) для того, чтобы обеспечить равномерный прогрев стекла. После выхода из печи, стекло немедленно и быстро охлаждается с помощью сильных и тщательно регулируемых потоков холодного воздуха.

Так как стекло является плохим проводником тепла, внешние поверхности стекла охлаждаются более быстро, чем внутренняя сердцевина листа стекла. Фактически внешняя поверхность стекла быстро затвердевает (примерно при температуре ниже 900 градусов по Фаренгейту), в то время, как внутренний слой стекла все еще остается мягким. Так как стекло сжимается при его охлаждении, то внутренние слои стекла сжимаются позже, чем уже затвердевшая внешняя поверхность стекла. Когда внутренние слои стекла охлаждаются до того состояния, когда они становятся жесткими, их температура все еще выше на несколько сотен градусов, чем температура поверхностных слоев стекла. Когда затвердевшее стекло окончательно охладится до комнатной температуры, внутренние слои стекла сжимаются больше, чем его поверхностные слои. Это приводит к тому, что на внутренние слои стекла действуют механические усилия растяжения, в то время, как во внешних слоях стекла, наоборот, в результате этого, действуют механические усилия сжатия.

Механические усилия сжатия, действующие на поверхности стекла, делают закаленное стекло более прочным, чем стекло сырое, так как, для того чтобы разрушить закаленное стекло, теперь необходимо приложить гораздо большие усилия, чтобы преодолеть внешние силы сжатия, вызванные закалкой стекла, и затем еще добавочные усилия, что бы вызвать внутренние механические усилия, которые приведут к разрушению стекла.

Температурная закалка архитектурного стекла создает на поверхности стекла механические усилия сжатия равные примерно от 12 KPSI до 14 KPSI, в то время как во внутренних слоях стекла механические силы растяжения равны примерно от 6 KPSI до 7 KPSI.

Силы растяжения находятся во внутренних слоях стекла, где стекло само по себе более прочное, так как так там обычно отсутствуют дефекты стекла. Силы сжатия расположены теперь на поверхности стекла. Теперь, для того чтобы разрушить закаленное стекло, внешнее разрушающее воздействие должно преодолеть сопротивление больших механических сил сжатия на поверхности стекла плюс внутреннюю прочность стекла величиной несколько KPSI.

Когда закаленное стекло разрушается, оно буквально разрывает себя на части (взрывается) по причине огромного количества энергии содержащейся во внутренних механических усилиях, созданных процессом закалки стекла. Этот процесс разрушения происходит в виде мелких кристаллов, и он безопасен, по сравнению с разрушением сырого стекла, которое разлетается на длинные острые осколки. Кристаллы разрушенного предварительно закаленного стекла не имеют острых краев, по размеру они маленькие и не могут нанести серьезных повреждений человеку, за исключением возможности попасть в глаза.

Общее представление о производстве закаленного стекла

Сырое стекло нарезается на заданные оконечные размеры. После закалки стекло резать и обрабатывать нельзя.

Края стекла притупляются (с помощью абразивных ремней) или шлифуются и полируются.

Стекло моется, чтобы очистить его от грязи, крошек стекла и остатков от шлифовки.

Стекло нагревается равномерно по всей его поверхности до достижения температуры закаливания.

Если температура закаливания будет слишком высокая, то стекло будет деформированным. Такое стекло обычно называется "перекаленным".

Если температура закаливания будет слишком низкой, то стекло разрушится при охлаждении. Такое стекло обычно называется "недокаленным".

Продолжительность нагревания зависит от толщины стекла. Полное время нагрева в течении одной минуты для стекла толщиной 1/16 дюйма является хорошей нормой для коммерческого использования, но это не является жестким ограничением.

Равномерность нагрева поверхности стекла регулируется нагревательными зонами линии закалки и установками величины смещения для каждой нагревательной зоны. См. параграф А.2.7 для более полной информации о системе контроля и установках величины смещения.

Быстрое охлаждение стекла, равномерное по всех поверхности, производится до такой степени, чтобы обеспечить разницу температур около 200 градусов по Фаренгейту между его внешней поверхностью и центральной внутренней частью.

Толщина закаливаемого стекла имеет сильное значение для скорости охлаждения, которое требуется для того, чтобы обеспечить заданную разницу температур между поверхностью стекла и его центральной частью. Давление охлаждающего потока воздуха используется для регулирования степени охлаждения. Более высокое давление воздуха обеспечивает более высокую скорость охлаждения.

Для конкретной заданной толщины стекла, более высокая скорость охлаждения приведет к более высоким внутренним напряжениям и более маленьким кристаллам, на которое разлетится стекло, в случае его разрушения. Слишком высокая скорость охлаждения приведет к очень высокому проценту разрушения стекла в зоне охлаждения, либо стекло окажется перекаленным и скривленным.

Когда температура стекла опустится примерно ниже 1000 по Фаренгейту, скорость охлаждения может быть медленно снижена без особого влияния на окончательное формирование внутренних напряжений и без опасности увеличения процента разрушения стекла в зоне охлаждения. Эта технология используется для обработки толстого стекла и для того чтобы охладить уже закаленное стекло до такой степени, чтобы его можно было безопасно брать руками для выгрузки из линии закалки.

Равный баланс давления охлаждающего воздуха с обеих сторон закаливаемого стекла определяет ровную плоскость конечного продукта. Если давление подаваемого воздуха не будет правильно сбалансировано, стекло может получить сферический изгиб. Регулирование давления воздуха является предметом работы оператора закалочной печи.

Дефекты в закаленном стекле

Дефекты, которые здесь перечислены, будут описаны более подробно в параграфе А.4.11.2.

Выгнутость - это плавная кривизна всего листа стекла.

Бугры - это локальные сильные выгнутости или коробление. Это изредка случается из-за дефектов системы роликов внутри нагревательной зоны.

Масленки - это такие устойчивые выгнутости или выпуклости, которые остаются выгнутыми в любом направлении после того как в этом направлении на них было приложено усилие.

Пятна от нагрева - это легкие замутнения которые появляются на нижней поверхности стекла, обычно в разных частях листа стекла или в виде полос в середине листа стекла.

Иногда возникают вмятины и углубления на нижней поверхности стекла, но они не вызваны перемещением стекла по конвейеру.

Царапины могут возникать в процессе закалки стекла, но они обычно возникают либо до температурного нагрева, либо после него.

Контроль температуры в печи закалки, зоны и смещение

Размещение зон нагрева в закалочной секции печи и установка смещения для каждой зоны нагрева определяет равномерность тепла поступающего на поверхность стекла и имеет очень сильное влияние на конечный результат и качество продукта. Размещение зон нагрева определяется при изготовлении линии закалки на заводе.

Регулирование температуры закалки стекла осуществляется компьютером по специальной системе "ведущий/ведомый". Верхняя магистральная зона нагрева (ни в конце печи и не с краю ее) является ведущей. Каждая из остальных зон нагрева в печи подстраиваются под температуру ведущей зоны нагрева, а отклонение от нее является величиной смещения зоны нагрева.

Величина смещения устанавливается для всех зон нагрева, когда программа находится в активном режиме. Эти смещения могут быть легко изменены оператором индивидуально или для определенной группы зон нагрева. Обычно требуются небольшие изменения или изменения вообще не требуются, за исключением случаев, когда происходит переход от закаливания "толстых", "средних" и "тонких" листов стекла. В этих случаях все нижние смещения производятся с помощью одной команды. См. параграф А.4.12 для более детального ознакомления.

Заданные значения для активного и пассивного режимов:
Мы используем заданные значения температур для активного и пассивного режимов для того, что бы попытаться держать температуру роликов одинаковую, вне зависимости от того, прогоняете вы по ним стекло или нет. Таким образом все загрузки буду вести себя одинаково, когда вы начнете прогон стекла после пассивного режима.

Если первая загрузка стекла часто разрушается, а следующая загрузка не разрушается, вероятно, это происходит потому, что ролики холодные, тогда надо поднять температуру пассивного режима примерно на 10 градусов Фаренгейта. Если первая загрузка окажется более горячей, чем следующая, сделайте пониже температуру пассивного режима. Тонкое стекло может потребовать более высокую температуру пассивного режима, чем стекло более толстое.

Если вы изменили заданное значение для активного режима, тогда измените заданное значение и для пассивного режима на ту же самую величину.

Следует иметь в виду, что при изменении заданного значения для активного режима изменяется время цикла закалки стекла. Для каждых 10 градусов Фаренгейта изменения заданного значения для активного режима время цикла примерно будет изменяться на 8 процентов. Это процентное изменение может быть несколько иным, если заданное значение изменится более чем на 50 градусов Фаренгейта.