При быстром охлаждении стеклоизделия возникает разность температур (температурный перепад) между поверхностными и внутренними его слоями. Разность эта может быть значительной в связи со сравнительно низкой теплопроводимостью стекла. В результате неравномерного остывания поверхностных и внутренних слоев стекла в нем возникают термоупругие напряжения.
По окончании охлаждения стекла и выравнивания температуры термоупругие напряжения остаются в нем, или исчезают.
В первом случае они называются остаточными, а во втором - временными.
Остаточные термоупругие напряжения возникают при относительно быстром переходе его из пластичного состояния в хрупкое.
Временные напряжения появляются в процессе его охлаждения уже в хрупком состоянии.
Чем меньше теплопроводность стекла, чем выше температура, до которого нагрето стеклоизделие, тем больший перепад температур возникает между поверхностными и внутренними слоями изделия и тем больше сохраняются в стеклах остаточный напряжения.
Поверхность формуемых стеклоизделий, соприкасаясь с холодными стенками форм, остывает быстрее, чем их внутренние слои.
Особенно эта разница заметна в условиях охлаждения толстостенных стеклоизделий, которые остывают неравномерно как по сечению изделия, так и в различных своих участках.
Изделие может разрушаться и через некоторое время. Неправильное распределение температур по ширине ленты стекла приводит к возникновению в нем больших внутренних напряжений, которое влекут за собой перенапряжения.
Процесс устранения или ослабления остаточных напряжений называются отжигом.
Для каждого стекла существует определенный интервал температур, в котором происходит отжиг. Чем меньше вязкость стекла и выше температура его отжига, тем быстрее удаляются остаточное напряжение. Отжиг стеклоизделий ограничивается обычно двумя предельными температурами: верхней и нижней.
Верхней температурой отжига стекла будет такая, пир которой напряжения в стекле исчезают очень быстро, не вызывая деформации изделий. Она обычно устанавливается на 20–50оС ниже температуры начала размягчения стекла в зависимости от вида стеклоизделий. За верхнюю температуру отжига принимают температуру, соответствующую вязкости стекла 10 пз. При этой температуре удаляется до 95% напряжений в течение 3 минут. Для большинства промышленных стекол верхний предел отжига соответствует 520–530 оС.
Нижняя температура отжига стекла соответствует такой его вязкости, при которой остаточные напряжения в стекле еще могут быть сняты в течение определенного времени. Нижняя температура отжига для обычных промышленных стекол устанавливается на 50–100 оС, для оптических – на 50–150 оС ниже верхней температуры их отжига. Обычно она равна 470–480 оС, что соответствует вязкости 10 ПЗ. При этой температуре за 3 минуты удаляется всего 1% напряжений.
В температурной области между верхней и нижней температурами отжига происходит отжиг стеклоизделий. Допустимую величину остаточных температур напряжений для каждого вида стеклоизделий устанавливают опытным путем.
За норму допустимых напряжений для обычных промышленных стекол принимают величину растягивающих усилий, равную 3,5 МПа. Это составляет ~5% величины разрушающих напряжений, возникающих при растяжении стекла (70 МПа).
Охлаждать хрупкое стекло до 20-50С необходимо осторожно, так как временные термоупругие напряжения также могут вызвать разрушение стеклоизделий.
Допустимая величина временных термоупругих напряжений в стекле обусловлена его термической стойкостью, величиной температурных перепадов при охлаждении и толщиной стеклоизделий. Пределом термической стойкости промышленных стекол является температурный перепад в 100-130С. Для ограничения временных напряжений в стекле температурный перепад по толщине изделий при безопасном охлаждении обычных стекол не должен превышать 20С.
При более высоком перепаде температур временные термоупругие напряжения увеличиваются, вызывая разрушение изделия.
Процесс охлаждения стеклоизделий, отформованных из вязкой стекломассы, при их отжиге состоит из четырех стадий (рис. 7).
Рисунок 7 – Температурный режим отжига стеклоизделий.
I – Нагревание остывшего изделия верхней температуры отжига (изделия толщиной до 5мм можно нагревать до температуры отжига за 15 минут).
II – Выдержка изделия при верхней температуре отжига до наиболее полного исчезновения напряжений. Для обычного стекла =150а,(где - время выдержки в минуту; а- полутолщина наиболее толстой стенки изделия в мм).
Точки 1 и 2 - соответствует верхней температуре отжига, 3 – нижней температуре отжига, 4 – температура охлажденного изделия.
III – Медленное охлаждение изделия до нижней температуры отжига для предотвращения возникновения в нем новых остаточных напряжений.
При отжиге с остаточными напряжениями < 20% от разрушающих скорость отжига составляет (в оС/мин):
ω = 1,3: а2
IV – Быстрое охлаждение полностью затвердевшего стекла до 20-50 С. Скорость охлаждения ω =10: a2, оС/мин. Временные охлаждения, возникающие на этой стадии, после охлаждения полностью исчезают.
Температурную кривую режима охлаждения при отжиге строят для каждого вида стеклоизделий.
Закалка стеклоизделий
Для увеличения прочности некоторых видов стеклянных изделий применяют закалку стекла путем создания в нем остаточных равномерно распределенных напряжений.
Сущность этого процесса состоит в том, что стеклянные изделия (например, стекла для автомобилей), нагретые до высшей температуры отжига, быстро и равномерно охлаждают. В результате такой обработки в стекле возникают равномерно распределенные напряжения: во внутренних слоях – напряжения растяжения, в наружных слоях – напряжения сжатия, которые придают стеклу прочность и термостойкость.
Механическая прочность и термостойкость закаленных изделий в 3-5 раза выше, чем у отожженных. При разрушении закаленного стекла получаются мелкие осколки с тупыми краями, поэтому закаленное стекло называют безопасным.
Для листового стекла, изготовляемого методом вертикального вытягивания, температура закалки равна 630–650оС. После нагрева стеклоизделие резко охлаждают мощными потоками воздуха.
Закалка является конечной стадией технологического процесса, после чего стекло, как правило, не обрабатывается.