З раніше сказаного слід, що знижена ін-ність скляних виробів викликається присутністю в них руйнують термопружних напруг, особливо небезпечних при їх нерівномірному розподілі в склі і при наявності в його масі локальних неоднорідностей. Крім того, в сучасному механізованому виробниц-стве міцність виробів значно знижують повреж-дення на їх поверхні, що виникають в ході техноло-ня процесу (мікротріщини, подряпини і т. П.). Тому міцність виробів можна підвищити насамперед ретельним отжигом, що знімає залишкові тер-моупругіе напруги, а також можливим поліпшенням хімічної і фізичної однорідності скломаси. Однак застосовуються і активні методи зміцнення скловиробів.
Одні методи зміцнення полягають в ослабленні впливу дефектів поверхні скла (аж до повно-го видалення пошкодженого шару хімічної обработ-кою), після чого поверхню захищають від можливих повторних ушкоджень.
Інші методи зміцнення полягають у зміні напружень в склі, причому таким чином, що ство-ється новий розподіл і нове співвідношення стискаю-чих і напруг, що розтягують, що веде до вище-нію міцності і термостійкості виробів.
В СРСР розроблена і діє на ряді заводів технологія зміцнення виробів в ході технологічного процесу шляхом нанесення на них полімерних кремені - органічних плівок. Плівки наносять шляхом розпорошити - ія водних емульсій кремнеорганічною рідин типу ГКЖ-84 в отжігательной печі, в зоні з температурою 150-200 ° С. Кремнеорганічною з'єднання поверхонь-стно активні і добре змочують скло, легко прони-кая в найменші мікротріщини. При охолодженні виро-лій рідина полимеризуется, утворюючи на їх поверхонь-сти суцільну тверду плівку, міцно пов'язану зі склом.
Покращений варіант цієї технології полягає в захисті поверхні виробів двома видами покриттів. Перше покриття - оксіднометалліческая плівка, об-разующаяся при обробці виробів парами розчинів солей олова, алюмінію, титану та ін. Найбільше при-трансформаційних змін отримала обробка парами SnCU з освітньої-ням захисної оксіднооловянной плівки; обробку проводять при 650-700 ° С відразу після формування виробів в камері, розташованої над конвеєром меж-ду склоформ машиною і отжігательной піччю. Розчин солі металу концентрацією 5-10% розпорошити-ють за допомогою форсунки при тиску розпилюють очищеного повітря (29-34) 104 Па. Диффундируя в размягченную поверхню скла, іони металу уплот-ють її структуру, створюючи так званий ефект «молекулярної набивання» в шарі товщиною до 0,1 мм. Поверх цього ущільненого шару за тією ж технологією наносять друге покриття - зовнішнє, кремнеоргані - чеський. Подвійний захист надає виробам гідрофобних - ність і стійкість до абразивних і ударних воздействи-ям. Внаслідок цього міцність виробів підвищується на 25-30% і зростає їх надійність в процесі служби.
При іншому варіанті цього способу зміцнення за-захисну кремнеорганічною плівку наносять на поверх-ність виробів після того, як їх піддали хімічній обробці, при якій розчиняється і віддаляється де-фектний шар скла товщиною близько 100 мкм. Обра-лення полягає в тому, що труїть поверхні виробів розчинами або парами плавикової кислоти (або її суміші з сірчаною кислотою). Цей спосіб може бути ре-алізован на потокової лінії, він зручний для упрочне-
Ня листового скла і по-вишает міцність в 3-4 ра-за. Зростає також термо-стійкість виробів. Однак застосування цього способу зміцнення веде до загряз-рівняно повітряного середовища, що перешкоджає широкому рас-рення способу.
Зміцнення виробів пу-тем створення в них благо-приємного розподілу напружень. Найбільш рас-рення методи уп-рочненія скла за цим принципом - гарт і іон-ний обмін.
Загартування. Швидке охолодження скла, попередню оплату-но нагрітого до пластичного стану, називається за-калкой. При такій обробці (див. Рис. 10.1) в поверх-ностних шарах скла виникають напруги стиснення, а напруги розтягнення, особливо небезпечні для міцно-сті, переносяться у внутрішні шари вироби.
Для з'ясування причини підвищення міцності стек-лянного вироби (наприклад, пластини) при загартуванню об-ратімся до рис. 10.5, на якому показані три випадки рас-пределеніе (три епюри) напружень в скляній пла-Стін: пластина загартована і не піддається дії згинального навантаження (рис. 10.5, а); пластина тщатель-но отожжена і до неї прикладена згинатися навантаження (рис. 10.5, б); до загартованої пластині прикладена ізгі-бающая навантаження (рис. 10,5, в). Як видно з епюри на-напружень в загартованому склі, що не зазнає внеш-. ній згинального навантаження, поверхневий шар скла виявляється сильно стиснутим, причому в міру віддалення від поверхні напруги стиснення зменшуються і на деякій відстані від неї, в так званому Нейт-рального шарі, вони зовсім зникають. Далі розташовані шари скла, які відчувають розтягнення, поступово віз-розтане в міру наближення до середини скляної пластини, де воно досягає максимуму. Напруження в другій половині пластин розташовані симетрично по відношенню до першої.
Мал. 10.5. Епюри напруг, мож-ника в пластині скла при загартуванню без згинального навантаження (о), а також при впливі навантаження иа Відпалений (б) і зам-ленне (в) скло
Якщо у напрямку вертикальної осі ретельно отожженной скляної пластинки, що не має напря-
жений, докласти згинатися силу, але в ній виник-нут тимчасові напруги (рис. 10.5 б). У верхньому шарі з'являться максимальних зусиль стиснення, поступово дедалі менші у напрямку до центру пластини, де вони абсолютно зникають. У другій половині пластини виникнуть вже тимчасові розтягують напруги, поступово зростаючі в міру віддалення від осі 0 і максимальні в нижньому шарі пластини.
На рис. 10.5 в приведена схема дії тієї ж через згину сили на загартовану пластину; вона виходить з складання попередніх епюр (див. рис. 10.5 а, б). На - лряженія, що виникають під впливом згинального сі-ли, складаються з вже існуючими напруги-ми. В результаті цього у верхньому шарі загартованої пла-Стін, стислому сумарним зусиллям, напруги стиснення значно вище, ніж в отожженной пластині; крім того, в отожженной пластині максимальні напруги розтягнення знаходяться на самій нижній поверхні, а максимальні напруги розтягнення загартованої пластини зміщені всередину і вони значно менше.
Отже, під впливом прикладання згинального-ного зусилля загартоване скло відчуває більшу сжа-тя в верхньому шарі і менше розтягнення в нижньому шарі, ніж відпалених. Оскільки ж межа міцності стек-, ла при стисканні в 10 разів більше, ніж при розтягуванні, то зрозуміло, чому загартоване скло має підвищений-ної міцністю.
Механічна міцність і термостійкість загартований-ного скла залежать від ступеня загартування (позначається А), яка визначається величиною напружень в стек-ле. Як і при контролі відпалу, напруги вимірюють оптичним методом на поляриметрії при просвічуванні торця пластини скла в середній площині. Напруги-ня в загартованих стеклах прийнято виражати в умовних одиницях - порядках на 1 см (N / см). Порядок дорівнює 540 ммкм / см.
Ступінь загартування загартованих стекол з відкритими торцями може бути розрахована за формулою Д = 11 [В-d),
Де I - різниця ходу звичайного і незвичайного променів в середній площині пластини, ммкм / см; В, d - відповідно довжина і товщина пластини, см.
Чим вище ступінь гарту, тим вище механічна міцність і термостійкість скла. Ступінь загартування оп-ределяет також характер руйнування скла. З увели-ням ступеня загартування скла розбиваються на все бо-леї дрібні осколки, грані яких є тупими, нережущімі. Внаслідок цього загартоване скло при руйнуванні безпечно. Залежно від ступеня загартування-ки і характеру руйнування розрізняють три основні групи загартованих стекол: сильно загартоване - понад-міцне (А більше 4 N / см), загартоване (А2-4 N / см) і полузакаленное (Д до 2 N / см ). Перше з них при раз-рушення дає дрібні осколки лускатої форми, аж до порошкоподібних частинок, друге - дрібні осколки округленої форми з нережущімі гранями і третє - гострокутні уламки подовженої форми.
У процесі загартування основне значення мають режи-ми нагрівання та охолодження. Перш за все вони не-обходимо рівномірно нагріти до так званої тим-ператури гарту. Температура гарту залежить від хі-мічного складу скла і вища за температуру склування Tg. Під температурою загартування розуміють оптимальну температуру, вище якої при даному ре-жимі охолодження не спостерігається збільшення ступеня загартування. Якщо скла нагрівають до температури нижче температури гарту, то ступінь гарту виходить низькою, і це викликає мимовільне руйнування скла в процесі охолодження. Для листового скла вертикально го витягування температура гарту дорівнює 630-650 ° С. Час нагрівання залежить від товщини скла і становить 36-50 с на 1 мм товщини скла. На-приклад, тривалість нагрівання скла товщі-ной 6 мм 3 хв 40 с - 5 хв. Режими охолодження під-відбирають з урахуванням того, що ступінь гарту залежить в основному від швидкості потоків повітря на поверхні скла, товщини скла і його хімічного складу. Охоло-дення повинно бути рівномірним.
Загартоване скло відрізняється від звичайного значною але більшу міцність на удар і вигин. Загартований лист скла товщиною близько 6 мм витримує удар падаючої кулі масою 0,8 кг з висоти 2 м. Міцність на вигин підвищується в 4-5 разів до значення не менше 125 МПа. Загартоване скло має підвищену термо-стійкість і витримує різкі зміни температури до 270 ° С, тоді як звичайне скло растрескі-ється при різниці температур 70 ° С. Загартоване пло-кое і гнуте скло застосовують для засклення авто-білів. Випускають також загартовані труби, шахтні скла, ізолятори і тому подібні вироби.
Зміцнення скла методом іонного обміну. процес
іонного обміну полягає у витісненні іонів лужних металів з поверхневого шару нагрітого пластич-ного скла іонами інших лужних металів. Для цього скло занурюють в розплав солі дифундує-ного лужного металу при температурі нижче вищої температури відпалу з тим, щоб виникаючі напря-вання НЕ релаксували, але зберігалися в склі. Іон-ний обмін може бути низькотемпературним, високот-температурних і комбінованим (подвійним).
При низькотемпературному іонному обміні (темпера-туру розплаву 420 ° С) лужні іони в поверхневому шарі скла заміщуються лужними іонами з великим іонним радіусом. Так, іони Na + з радіусом 0,098 нм заміщають зазвичай іонами К + з радіусом 0,133 нм. При цьому порожнини кремнекислородного каркаса в структурі скла зменшуються і структурна сітка поверхност-ного шару скла ущільнюється на глибину 30-40 мкм. Це призводить до зростання механічної міцності скла в 3-4 рази, а термостійкості в 1,5-2 рази.
При високотемпературному іонному обміні (темпера-туру розплаву 620 ° С) лужні іони в поверхневому шарі скла на противагу низькотемпературного процесу заміщуються лужними іонами з меншим іонним радіусом. Так, іони Na + і К + скла заміщені-ються іонами літію з розплаву Li2S04 з іонним радіусом 0,068 нм, які здатні проникати в скло на гли-біну до 250 мкм. Силікати літію мають менший ко-коефіцієнт термічного розширення, ніж силікати на-трия і калію; тому при охолодженні скла Діффі-Зіон поверхневий шар скорочується в меншій мірі, ніж внутрішні шари: отже, в ньому по-є напруги стиснення, які призводять до збіль-личен механічної міцності і термічної стій-кості скла. У зв'язку з тим, що товщина стиснутого шару при високотемпературному іонному обміні більше, ніж при низькотемпературному, зміцнення в цьому випадку мо-же бути 10-12-кратним. Додаткового зміцнення можна досягти при обробці скла, зміцненого іонами літію, в розплаві солі калію. Різниця між іонними радіусами Li + і К + більше, ніж в разі Na + і К + "що і дає значний зміцнюючий ефект.