Технологическая шкала вязкости
Температурный ход вязкости служит основой для определения температурных режимов варки, формования и термообработки.
На шкале вязкости выделены интервалы различных технологических процессов: варки и выработки стекла, отжига. Показаны интервалы изменения вязкости для отдельных способов формования стекломассы, положение характеристических температур. Температура «размягчения», определяемая по методу Литтлтона (удлинение нити при нагревании под действием собственной массы), соответствует вязкости 106,6 Па*с.
«Длинные и короткие» стекла.
По характеру изменения вязкости в интервале формования различают длинные и короткие стекла. Мерой «длины» стекла является температурный интервал, в пределах которого вязкость возрастает от 102 до 108 Па*с. «Длинные» стекла имеют температурный интервал порядка 250-500 С, «короткие» ~100-150 С. Кривая температурного хода вязкости короткого стекла в интервале 102-108 Па*с характеризуется крутым подъемом, а длинного стекла имеет вид пологой кривой. В результате короткое стекло имеет узкий интервал значений температур, в котором может осуществляться формование. Разработать режим формования для длинного стекла значительно проще, чем для короткого.
Скорость твердения стекломассы. Факторы, влияющие на скорость твердения:
1. Состав
2. Наличие окрашивающих оксидов NiO, FeO – понижают прозрачность стекломассы, характер твердения меняется – чем больше прозрачность, тем неравномернее твердеет стекло
3. Размер изделия
4. Начальная температура – чем выше начальная температура, тем быстрее охлаждается и твердеет
Кристаллизационная способность как технологическое свойство стекла. Количественная оценка кристаллизационной способности промышленных стекол. Влияние химического состава, температуры. Температурные интервалы кристаллизации и формования стекла.
Параметры, определяющие кристаллизационную способность стекол, являются температурный интервал кристаллизации, верхняя температура кристаллизации (равная температуре ликвидуса); скорость роста кристаллов.
Кристаллизация – две стадии: образование центров кристаллизации (зародышей) и рост кристаллов на них.
Кварцевое стекло устойчиво к кристаллизации при температурах ниже 1000 С. Температурный интервал кристаллизации приходится на область 1000-1650 С. Во всем температурном интервале кристаллизации кварцевого стекла выделяется кристобалит. Максимальная скорость роста кристаллов порядка 650 мкм/мин наблюдается при 1400 С.
В присутствии примесей оксидов щелочных металлов, алюминия и других значительно увеличивается скорость кристаллизации кварцевого стекла. Добавки B2O3 при всех концентрациях снижают склонность кварцевого стекла к кристаллизации.
Большое влияние на кристаллизационную способность силикатных стекол способны оказывать соединения фтора. Фтор уменьшает степень связности кремнекислородной сетки, встраиваясь на места атомов кислорода, что способствует уменьшению вязкости стекломассы и повышению скорости роста кристаллов.
Температурный интервал кристаллизации и скорость кристаллизации зависит от состава стекол. Даже незначительно изменяя соотношение компонентов в составе стекла, удается влиять на склонность стекол к кристаллизации: повышение концентрации Na2O при частичной замене CaO на MgO (до 5%) снижает склонность натриевокальциевосиликатных стекол к кристаллизации. Добавка оксида алюминия (до 3%) также благоприятно влияет на снижение склонности стекол к кристаллизации.
Термическое напряжение в стекле. Причины и механизм возникновения временных и постоянных напряжений, эпюры напряжений. Роль напряжений при эксплуатации стеклоизделий.
Внутренние напряжения – напряжения, уравновешенные в пределах данного тела (или части его) без участия механических или температурных воздействий.
Временные напряжения возникают при нагреве или охлаждении стекла вследствие неравномерности температурного поля в объеме изделия, вызывающей неравномерные по объему упругие деформации, и исчезают при выравнивании температуры.
Постоянные напряжения – напряжения, остающиеся в стекле после выравнивания температур.
В связи с низкой теплопроводностью стекла в изделии возникают градиенты температур, элементарные объемы расширяются (сжимаются) неравномерно, что приводит к образованию внутренних упругих напряжений.
Релаксация временных напряжение через образование трещин наблюдается при испытании стекла на термостойкость.
Постоянные напряжения (остаточные) возникают вследствие неравномерности температурного поля в объеме стекла, но при одном условии – при образовании остаточных деформаций. Такие деформации в твердых телах, обладающих пластичностью (металлах), могут быть результатом пластических деформаций, возникающих в случае, когда термоупругие напряжения превышают предел текучести материала.
Помимо напряжений, вызванных градиентом температур, в стекле могут возникать напряжения, обусловленные различием коэффициента теплового расширения и упругих свойств отдельных участков стекла либо стекла и сопряженного с ним материала (стекла, керамики, металла). Такие напряжения являются постоянными.
Термическое напряжение в стекле. Факторы, определяющие величину напряжений (состав стекла, условия охлаждения). Двойное лучепреломление как метод количественной оценки термических напряжений в стекле.
Факторы, определяющие величину напряжений:
- свойства стекла (ТКЛР, упругие характеристики, теплопроводность, излучающая способность)
- скорость охлаждения
- толщина изделия
· Изменяя условия охлаждения (изменение дельта t), можно регулировать величину напряжений в стеклоизделии
· Принудительный обдув нагретого выше tg стекла позволяет создать в стекле очень высокие напряжения (процесс закалки стекла)
· Удалить напряжения, возникшие в процессе формования изделия, можно медленным охлаждением стекла после его формования (процесс отжига стекла)
· Лучше всего закаляются многощелочные стекла, характеризующейся высокими значениями ТКЛР
· Кварцевое стекло не поддается закалке в связи с низким ТКЛР
· Толстостенные изделия хорошо закаляются, тонкие стекла трудно поддаются закалке
· Стеклянное волокно не требует отжига вследствие малой толщины
При равномерном и симметричном охлаждении стеклянной пластины (цилиндра, шара) остаточные напряжения распределяются в стекле симметрично относительно средней плоскости.
