Выдержка при максимальной температуре
Выдержка при максимальной температуре необходима для того, чтобы сформировать изделие как можно быстрее, поскольку с повышением температуры вязкость стекломассы снижается. а скорость деформации растет. Максимальная температура выдержки позволяет сократить продолжительность термообработки изделия и избежать кристаллизации стекла.
Продолжительность выдержки зависит от свойств стекла и его теплового прошлого, максимальной температуры нагрева, величины неровностей поверхности, геометрии и конструкции изделия, скорости нагрева, требуемой величины деформации, используемых оснастки и оборудования.
Компании Spectrum и Bullseye рекомендуют проводить выдержку в течение десяти минут, а Uroboros – от 10 до 300 мин в зависимости от максимальной температуры и требуемого результата (рисунок 1.8, приложение Б).
Отжиг
Отжиг является одной из главных стадий термообработки изделия при фьюзинге. Он должен обеспечивать такое распределение временных (тепловых) напряжений в стекле, которое гарантировало бы изделие от разрушения, и такие напряжения по окончании процесса (остаточные напряжения), которые не превышали бы допустимых значений [18].
Отжиг стекла состоит из четырех стадий (рисунок 3.1) [19]:
а) резкого охлаждения изделия до верхней температуры отжига;
б) изотермической выдержки при верхней температуре отжига, обеспечивающей выравнивание температуры по всему объему изделия и практически полное удаление временных напряжений;
б) медленного охлаждения до нижней температуры отжига;
в) быстрого охлаждения до комнатной температуры.
Режим отжига определяется свойствами стекла, его тепловым прошлым, геометрией и конструкцией изделия, особенностями печи и оснастки, величины допустимых напряжений.
Резкое охлаждение
После окончания выдержки печь резко охлаждают до верхней температуры отжига, что позволяет сократить процесс термообработки, избежать кристаллизации стекла и завершить формообразование, остановив деформацию за счет большой скорости изменения температуры. В дальнейшем изменение формы изделия будет вызвано лишь изменением размеров, связанным с охлаждением стекла.
Скорость изменения температуры на этой стадии должна превышать критическую скорость охлаждения – минимально допустимую скорость охлаждения, при которой вещество может быть получено в аморфном состоянии [9]. В противном случае произойдет его кристаллизация. Однако из-за большого количества факторов, влияющих на критическую скорость охлаждения, определить ее величину очень сложно, и все расчеты носят ориентировочный характер. Поэтому при изготовлении художественных изделий фьюзингом стремятся достичь максимально возможной скорости охлаждения после завершения формообразования, за счет того, что крышку печи открывают как можно шире на несколько минут.
При этом вязкость стекломассы увеличивается. Охлаждение и твердение стекломассы происходят за счет сложного теплообмена с окружающей средой с участием теплопроводности и излучения [20]. Однако вязкость изменяется неравномерно по объему стекломассы. На скорость твердения влияют химическая, термическая и оптическая неоднородность стекломассы и неравномерность ее охлаждения вследствие соприкосновения рабочей (нижней) поверхности с плитой. Кроме того, охлаждение и твердение стекломассы начинаются с поверхности, а затем распространяются по объему.
Поэтому начальный этап фиксации формы связан с быстрым нарастанием вязкости до 1012Па×с и твердением поверхностных слоев при более низком среднем значении вязкости.
Таким образом, продолжительность резкого охлаждения зависит от свойств стекла и его теплового прошлого, конфигурации и геометрии изделия, оснастки и оборудования и максимальной температуры нагрева.
Несмотря на значительную разницу температуры и вязкости внешних и внутренних слоев стекломассы при резком охлаждении не возникают внутренние напряжения, превосходящие ее прочность на разрыв, что связано с достаточно низкой вязкостью.
Однако некоторые производители стекла для фьюзинга (Bullseye) не рекомендуют резко охлаждать стекло, поскольку это приводит к значительному увеличению разницы температур внешних и внутренних слоев стекла. Вместо этого Bullseye предлагает охлаждать печь естественным путем, так как при высокой температуре скорость охлаждения все же превосходит критическую.
Выдержка при верхней температуре отжига
При термообработке изделия между наружными и внутренними слоями стекломассы возникает перепад температур. Наружные слои, охлаждаясь быстрее внутренних, сжимаются, но внутренние слои вследствие более высокой температуры препятствуют этому. В результате наружные слои твердеют в растянутом состоянии. Внутренние же слои при сжатии в результате охлаждения также стремятся к сжатию, чему препятствуют внешние затвердевшие слои. Это приводит к деформации структуры стекломассы на границе слоев и образованию остаточных напряжений.
При температуре выше температуры стеклования Tg, при которой переохлажденная жидкость переходит в твердое состояние, возникают остаточные напряжения, при температуре ниже Tg – временные [21].
При верхней температуре отжига Тв.о., соответствующей вязкости 1012 Па×с, снимается 95% остаточных напряжений в течение 3 – 20 мин по различным источникам [1, 7, 8, 21, 22]. Теоретически Тв.о. совпадает с температурой стеклования Тg, практически, из-за возможной деформации изделия Тв.о. устанавливают на 20 – 30 (10 – 15)˚С ниже Тg. Таким образом, верхняя температура отжига лежит в интервале от 500 – 520˚С до 530 – 600˚С для большинства промышленных стекол. Известно, что снижение температуры на 10˚С увеличивает время релаксации в два раза, поэтому значительное снижение Тв.о. не целесообразно.
В связи со структурной релаксацией, наблюдаемой в отсутствии внешних сил, когда система переходит в неравновесное состояние при быстром изменении температуры, происходит не только уменьшение внутренних напряжений, но и изменение структуры и свойств стекла, обусловленное ее стабилизацией и переходом в равновесное состояние [23].
Верхняя точка отжига, рекомендованная компаниями Uroboros и Bullseye равна 516˚С, а рекомендованная компанией Spectrum – 580˚С. Для стекла толщиной 3 – 25 мм Uroboros рекомендует делать выдержку в течении 30 – 220 мин, Bullseye – около 50 мин, а Spectrum для стекла толщиной 3 – 51 мм – 90 – 270 мин. Таким образом, компании производители стекла для фьюзинга предлагают значительно более продолжительную выдержку при верхней температуре отжига, чем другие источники отечественной и иностранной литературы. Отчасти это объясняется тем, что режимы разработаны для изделий различной геометрии, отчасти – спеканием стекол различного химического состава, что вызывает у производителей желание перестраховаться и увеличить выдержку.