Повышение прочности стекла

Для производства упрочненного стекла наибольшее распространение получила воздушная закалка. Закаленное стекло (ЗC) отличается от исходного (сырого) стекла повышенной в 4-5 раз прочностью (120-300 МПа) и характером разрушения, дающего мелкие (до 2 см) округлые осколки. Количество осколков на единицу поверхности («плотность осколков») тем больше, чем выше степень закалки. Это объясняется тем, что в процессе разрушения стекла освобождается большая часть запасенной энергии упругости, которая превращается в поверхностную энергию вновь образованных поверхностей.

Закалка состоит в нагревании стекла в электрической печи до 530-750°С в зависимости от температуры его размягчения, выдержке при этой температуре и резком охлаждении струями воздуха, нагнетаемого через обдувочные решетки различных конструкций, обеспечивающих двухстороннее равномерное охлаждение листа. Нагрев и охлаждение листа осуществляется в вертикальном или горизонтальном положении в агрегатах (печь + решетка) непрерывного или периодического действия.

В результате такой обработки в изделиях появляются равномерно распределённые напряжения: во внутренних слоях – напряжения растяжения, в наружных слоях – напряжения сжатия, увеличивающие механическую прочность и термическую стойкость изделий.

Для повышения прочности листовых стекол до 300-400 МПа, а также упрочнения тонких и термостойких стекол применяется жидкостная закалка (ЖЗ).

В качестве охлаждающей среды используются органические и кремнийорганические жидкости, металлические порошки, взвешенные в струе воздуха (псевдо-жидкостная среда). ЖЗ производится различными способами, в т.ч. погружением, распылением. С целью предотвращения опасных временных напряжений, возникающих при контакте сильно разогретых листов с жидкостью, вводят предварительное воздушное охлаждение стекла (двухстадийная закалка).

Несмотря на высокую прочность получаемых стекол, ЖЗ пока не нашла широкого применения и используется в России, главным образом, для упрочнения небольших листовых деталей и фасонных изделий светотехнического назначения, а за рубежом также и для производства высокопрочного многослойного авиаостекления (процесс «тен-твенти»).

Ионообменное упрочнение (т.н. химическая закалка, ионный обмен, низкотемпературный и.о., ионная набивка) происходит при контакте листового стекла, содержащего Nа, с расплавом КNO3. В стеклах специальных составов, содержащих Li+, он может быть замещен на ионы Na+ из расплава NaNO3. При таком замещении сжимающие напряжения, в отличие от закалочных, сосредоточены в тонком поверхностном слое (до 120 мкм) и превышают закалочные в 3-4 раза, достигая 500-600 МПа, при существенно сниженных, растягивающих напряжениях внутри листа. Величина сжимающих напряжений и глубина сжатого слоя зависят от температуры и продолжительности обработки. Стекло с тонким сжатым слоем (20-50 мкм) получают за 5-10 часов. Большая глубина достигается при продолжительности обработки более 100 часов.

Упрочнение стекла путем удаления поверхностных дефектов травлением в плавиковой кислоте - химическая полировка приводит к наибольшему возрастанию средней прочности при ЦСИ (до 2500 МПа). Несмотря на отсутствие остаточных напряжений, такое стекло при сильном изгибе или ударе, благодаря высокой энергии деформации, разрушается с образованием очень мелких осколков или стеклянного порошка. Из-за большой чувствительности даже к незначительным повреждениям травленые стекла требуют защиты непосредственно после упрочнения с помощью полимеризующихся покрытий, наносимых окунанием, поливом или распылением



Влияние состояния стекла на его прочность

Состояние стекла

Прочность при изгибе, Мпа
  Сырое 30 - 80
  Упрочненное стекло:
     воздушной закалкой 120 - 180
     жидкостной закалкой 200 - 400
     ионным обменом 300 - 500
     травлением 1000 - 1700
     комбинированными способами 1500 - 20000
 
 
 

АО «НИТС им. В.Ф.Солинова» обладает всеми способами упрочнения стекла, некоторые из которых являются "ноу - хау".


Кассета ионнообменного упрочнения стекла.
Конвеерная решотка для воздушной закалки стека
Линия ионного упрочнения стекла
Установка для ионнообенного упрочнения стекла
Установка для травления стекла
Установка вертикальной закалка