Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 04 okladka

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

heroal 2018 Banner C50VSZ 750x150 PL mit-Rahmen1

 

swiatszkla 750x240 1  

  

 LiSEC SS Konfig 480x120 

 

 gpd2019 480x100

 

 

Zmiana budowy wewnetrznej szkła - hartowanie i odprężanie
Data dodania: 19.08.11

Zmiana budowy wewnetrznej szkła – hartowanie i odprężanie

 

W obecnej dobie rozwoju gospodarczego świata szkło – obok stali i cementu – zajmuje jedno z czołowych miejsc na liście materiałów stosowanych w gospodarce. Znajduje ono szerokie zastosowanie m.in. w budownictwie, przemyśle samochodowym, przemyśle gospodarstwa domowego itp.



Hartowanie szkła
     Hartowaniem szkła nazywamy nadanie mu w drodze obróbki cieplnej takiego układu naprężeń, który wybitnie podwyższa wytrzymałość mechaniczną szkła, a zwłaszcza wytrzymałość na zginanie. Hartowanie polega na podgrzaniu szkła do możliwie wysokiej temperatury a następnie na szybkim jego studzeniu. Gorące szkło w pierwszym okresie energicznego studzenia dmuchawą powietrzną podlega kolejnym przemianom.



     Najpierw następuje gwałtowny skurcz warstw wierzchnich, które tracą swą ciągliwość i ściskają wewnętrzne warstwy gorącego szkła. W tym okresie powstają w warstwach zewnętrznych naprężenia rozrywające a w wewnętrznych – ściskające.



     W drugim okresie hartowania następuje odwrócenie naprężeń (inwersja). Szkło części środkowej stygnie dalej, lecz nie może się kurczyć prawidłowo, gdyż przeszkadza temu zewnętrzna, sztywna już skorupa. To powoduje, że w przedmiocie zahartowanym warstwy wewnętrzne mają naprężenia rozrywające, a zewnętrzne - ściskające. Jednocześnie objętość przedmiotu zahartowanego się nie zmniejsza. Czas inwersji naprężeń zależy od intensywności chłodzenia i właściwości cieplnych szkła.



     Po hartowaniu nie można już obrabiać tafli szklanej (przycinać, szlifować itp.). Wszelkie zabiegi prowadzą do utraty właściwości, uszkodzenia lub zniszczenia. Z tego powodu szkło hartowane jest wytwarzane na zamówienie w wymiarach gotowych do montażu. Szkło hartowane nazywane jest jednowarstwowym szkłem bezpiecznym.

 


Metody hartowania szkła
     Produkcja bezpiecznego szkła płaskiego sodowo-wapniowo-krzemianowego termicznie hartowanego prowadzona jest dwiema metodami.



Proces pionowy – szyba wprowadzana jest do pieca pionowo i utrzymywana za pomocą zacisków
     Ponieważ szybę do pieca wprowadza się w zaczepach lub uchwytach samozaciskowych powstają tzw. ślady od zacisków, powodujące obszar zniekształceń optycznych o promieniu ok. 100 mm oraz odkształcenia obrzeży, ale hartowanie w piecu pionowym oprócz wad związanych ze zniekształceniami ma także ważną zaletę. Głównym powodem, dla którego stosuje się proces pionowy, jest możliwość hartowania dowolnie małych formatów szkła. Ustawiane są one w specjalnych ramkach i wprowadzane do pieca.



     Piece pionowe okres swojej świetności przeżywały około 20 lat temu. Największą popularnością w Polsce cieszyły się piece produkcji angielskiej i fińskiej oraz konstrukcje własnego pomysłu. Od 15 lat są sukcesywnie wycofywane z użytku.



Proces poziomy – szyba wprowadzana jest do pieca poziomo i oscyluje na rolkach ceramicznych
     Zaletą tego procesu jest to, że na rolkach ceramicznych nie pozostają żadne ślady obróbki termicznej szkła, a proces jest bardziej wydajny.



Hartowanie – rodzaje
     Szkło hartowane jest szkłem bezpiecznym. Przy przekroczeniu wytrzymałości pęka z wytworzeniem drobnych, nieostrych kawałków, nie zagrażających zdrowiu użytkowników. Charakterystyczny dla szkła hartowanego sposób pękania jest wynikiem powstawania w jego przekroju trwałych naprężeń: ściskających na powierzchni i rozciągających w środku. Uzyskuje się to w kontrolowanym procesie polegającym na ogrzaniu szkła do temperatury około 650°C i gwałtownym jego schłodzeniu strumieniami sprężonego powietrza.

 

W analogicznym procesie, poprzez wydłużenie czasu chłodzenia, uzyskuje się szkło termicznie wzmocnione. Szkło tak rozbite, pęka z powstawaniem dużych odłamków, których chociaż jedna krawędź dochodzi do obszaru brzegowego odległego 25 mm od krawędzi lub obszaru o promieniu 100 mm wokół punktu uderzenia. Mogą również powstać odłamki o obrzeżach nie sięgających obydwu tych obszarów. Ze względu na taki sposób pękania, szkła termicznie wzmocnionego nie można zaliczyć do szkieł bezpiecznych.

 

Jego właściwości fizyczne ustępują szkłu hartowanemu, są natomiast lepsze od tych parametrów dla szkła odprężonego. Osiąga ono dwukrotnie większą wytrzymałość mechaniczną i pół razy większą odporność termiczną niż szkła odprężone, a rozbite pozostaje w ramie, co ma szczególne znaczenie przy oszkleniach na dużej wysokości.



     Rodzaje występujących wad:
- pęcherze niepękające zamknięte,
- kamienie, odszklenia, ziarna, punkty barwne,
- rysy,
- piana – miejsce skupienia pęcherzyków o wielkości do 0,5 mm,
- ślady obróbki,
- nici nakrapiane,
- szczerby, odbite naroża.



Odprężanie szkła
     Obecność nadmiernych i nierównomiernie rozłożonych naprężeń wpływa niekorzystnie na mechaniczną i termiczną wytrzymałość oraz właściwości fizykochemiczne szkła, co powoduje zmniejszenie wartości użytkowej wyrobów. W celu usunięcia naprężeń wyroby szklane poddawane są dodatkowemu procesowi termicznemu, zwanemu odprężaniem.



     Odprężanie jest jedną z faz produkcji wyrobów szklanych, która występuje zwykle po ich formowaniu lub dodatkowo po obróbce termicznej. Ma ono na celu takie studzenie wyrobów, aby występujące w nich naprężenia nie przekroczyły wielkości, które mogą spowodować ich zniszczenie. Czasami niezbędne jest ponowne ogrzanie ostudzonych wyrobów do temperatury umożliwiającej likwidację powstałych naprężeń. To wstępne ogrzewanie stanowi wówczas składową część całego procesu odprężania.



     W procesie formowania wyrobów szklanych ich warstwy zewnętrzne stygną szybciej niż warstwy zewnętrzne z powodu niskiej przewodności cieplnej szkła. Przy niewielkich różnicach temperatur między warstwami powstają ogromne różnice lepkości. Na skutek skurczu warstw zewnętrznych pojawiają się w nich silne naprężenia rozrywające przy równoczesnym działaniu sił ściskających w warstwach wewnętrznych. Wartość naprężeń rozrywających przekracza niekiedy wytrzymałość szkła, co powoduje niszczenie wyrobu.



     Czynniki wpływające na wielkość naprężeń trwałych
- szybkość studzenia szkła,
- grubość szkła,
- rozszerzalność cieplna szkła,
- przewodność cieplna szkła,
- sprężystość szkła,
- współczynnik Poissona (dla szkła 0,23),
- gęstość pozorna szkła,
- ciepło właściwe szkła,
- długość technologiczna szkła,
- chemiczna asocjacja lub dysocjacja w szkle



     Naprężenia przemijające pojawiają się przy wywołaniu gradientu temperatur w zakresie lepkości uniemożliwiającym odkształcenia plastyczne w szkle. W czasie studzenia szkła w pewnym momencie następuje równowaga naprężeń trwałych i przemijających. Moment ten nazywamy rewersją naprężeń. Naprężenia przemijające znikają całkowicie po wyrównaniu różnic temperatury.



     Odprężanie (usuwanie naprężeń trwałych) możliwe jest tylko wtedy, gdy lepkość szkła umożliwia wystarczająco szybki ruch cząsteczek w jego masie. Mimo, że granica kruchości szkła wynosi 1013 dPas, to usuwanie naprężeń trwałych możliwe jest jeszcze przy lepkości 5*1014 dPas. Jest to jednak wartość skrajna a zakres odprężania szkła wynosi 2,5*1013 do 4*1014 dPas, przy czym również w tym zakresie szkło należy studzić dostatecznie wolno aby zapobiec powstawaniu nowych naprężeń.

 

 


Przebieg odprężania wyrobów szklanych
     Ogrzewanie lub studzenie wyrobów ma na celu doprowadzenie szkła do ustalonej temperatury odprężania (górnej lub optymalnej). Czas trwania tego stadium zależy od temperatury wyrobów poddawanych odprężaniu i określa się przeważnie na drodze doświadczalnej. Dla wyrobów o grubości ścianek do 15 mm wynosi on 5-10 minut.

     Wygrzewanie wyrobów w górnej temperaturze odprężania (likwidacja naprężeń trwałych) – polega na przetrzymywaniu wyrobów przez określony czas w ustalonej temperaturze odprężania. Dla szkła o grubości do 10 mm wynosi on 15 minut w górnej temperaturze odprężania.



     Powolne studzenie, niewywołujące niebezpiecznych naprężeń przemijających, polega na odpowiednim studzeniu szkła do dolnej temperatury odprężania z taką szybkością, aby naprężenia trwałe nie pozostawały w ogóle lub nie przekraczały określonej wartości.



     Szybkie studzenie ma na celu ostateczne ostudzenie szkła do temperatury otoczenia. Szybsze studzenie prowadzi się po przekroczeniu dolnej temperatury odprężania szkła z taką największą szybkością, aby powstające naprężenia przemijające nie spowodowały pękania szkła. Średnią szybkość studzenia przyjmuje się w tu 3-4 razy większą niż w stadium poprzednim.



Parametry technologiczne odprężania

     W praktyce odprężanie prowadzi się w temperaturze o 10-20°C niższej od górnej temperatury odprężania z uwagi na możliwość wystąpienia deformacji wyrobów.



     Parametry technologiczne odprężania to między innymi:
- temperatury odprężania,
- dopuszczalna prędkość nagrzewania wyrobów,
- prędkość powolnego studzenia,
- czas studzenia,
- prędkość posuwu taśmy odprężarki.



Wady wyrobów powstające podczas odprężania
- Stłuczenia, wyszczerbienia lub porysowania – powstają na skutek nieostrożnego układania wyrobów w odprężarkach, z powodu gwałtownych zmian ruchu taśmy albo wózków z wyrobami oraz z powodu obsuwania się, wywracania i uderzania o siebie wyrobów.
- Zlepienia – powstają w 1 i 2 stadium odprężania wskutek zbyt wysokiej temperatury, w której poszczególne przedmioty przylepiają się do siebie.
- Zniekształcenia (stopienia) – powstają w wyniku zbyt wysokiej temperatury w 2 stadium odprężania, gdy lepkość szkła jest mniejsza niż 1012 Pa*s, wskutek czego szkło mięknie i następuje odkształcenie plastyczne.
- Pęknięcia – powstają w ostatnim stadium odprężania na skutek zbyt dużej lub nierównomiernej szybkości studzenia wyrobów. Powstające wówczas naprężenia przejściowe przekraczają wytrzymałość szkła na rozciąganie, w wyniku czego pęka ono w najsłabszych miejscach lub tam, gdzie panują największe naprężenia.
- Złe odprężanie – związane jest z obecnością w szkle zbyt dużych naprężeń trwałych. Wada ta powstaje w 2 stadium odprężania wskutek zbyt niskiej temperatury i niedostatecznego czasu relaksacji naprężeń, lub w trzecim etapie odprężania z powodu nieodpowiedniej szybkości studzenia szkła do dolnej temperatury odprężania.

 

Marcin Drajewicz
Manuela Reben
Katarzyna Cholewa-Kowalska
Katedra Szkła i Powłok Amorficznych AGH
Kraków


Bibliografia
[1] Nowotny W.: Technologia szkła. Warszawa 1971
[2] Technologia szkła, praca zbiorowa. Arkady, Warszawa 1987
[3] Chabowski L., Nowotny W.: Piece szklarskie. Warszawa 1966
[4] Faustyn R.: Maszyny i urządzenia w przemyśle szklarskim. Warszawa 1980

 

patrz też

- Inkluzje siarczku niklu w szkle , M. Reben, J. Wasylak, M. Szumiński, S. Bielecki, Świat Szkła 1/2010

- Poprawa właściwości fizykochemicznych szkła float, Marcin Drajewicz  , Jan Wasylak,  Świat Szkła 12/2008 

- Zmiana budowy wewnętrznej szkła – hartowanie i odprężanie, Marcin Drajewicz, Manuela Reben, Katarzyna Cholewa-Kowalska, Świat Szkła 6/2007

- Uszlachetnianie powierzchni szkła , Jan Wasylak, Marcin Drajewicz, Świat Szkła 12/2006 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik