Zenon Kozak
Procesy topienia i stapiania szkła są odrębnym zagadnieniem, któremu poświęciliśmy artykuł w poprzednim numerze „Barw Szkła”.
Szkło, z uwagi na swoją bezkrystaliczną postać, jest wyjątkowym materiałem i niezwykle ważnym etapem jest studzenie a właściwie odprężanie.
Podczas wytwarzania wyrobów powstaje wiele naprężeń, które w przypadku stapiania wielowarstwowych elementów, z różnych gatunków szkła są duże.
Naprężenia są siłami ściskającymi lub rozciągającymi, które działają na uformowany produkt. Odprężanie jest procesem ich zmniejszania poniżej nieprzekraczalnego maksimum.
Powodów powstawania naprężeń w szkle może być wiele.
Przy stapianiu elementów w fusingu, będą to różnice współczynnika rozszerzalności cieplnej.
Planując krzywą wypału możliwe jest zbyt szybkie chłodzenie.
Zależnie od stosowanego pieca oraz wielkości wyrobu występują nierównomierności w stygnięciu.
Należy również pamiętać o potencjalnych wadach surowca, czyli np. warstwach dyfuzyjnych, niejednorodnościach chemicznych.
Naprężenia w szkle mogą powstać jedynie w ściśle określonym zakresie lepkości szkła, gdy cząsteczki szkła są odpowiednio ruchliwe.
Wyróżniamy dwa rodzaje naprężeń: przemijające i trwałe.
Pierwsze z nich wywołane są działaniem sił zewnętrznych lub obecnością różnic temperatury. Zanikają one po ustaniu siły, względnie po wyrównaniu się temperatury.
Drugie, spowodowane są szybkim, nierównomiernym chłodzeniem. Są to naprężenia termiczne i występują w szkle przy nieobecności sił zewnętrznych i różnicy temperatur. Naprężenia mogą być usunięte tylko w procesie odprężania. Naprężenia trwałe, wywołane niejednorodnością chemiczną szkła lub różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej nie mogą być często usunięte nawet w procesie odprężania.
Parametry odprężania są indywidualne dla każdego rodzaju szkła. Zależą one od wartości lepkości, poniżej lub powyżej których naprężenia trwałe nie mogą powstawać w szkle. Graniczne temperatury odpowiadające maksymalnej lub minimalnej lepkości szkła, przy których powstawanie względnie usuwanie trwałych naprężeń jeszcze jest praktycznie możliwe nazywamy górną i dolną temperaturą odprężania.
Na proces odprężania składają się cztery etapy:
- Osiągnięcie optymalnej temperatury odprężania,
- Usuwanie naprężeń w optymalnej temperaturze odprężania,
- Powolne studzenie do dolnej temperatury odprężania,
- Szybkie, bezpieczne studzenie do temperatury pokojowej.
Etap 1 – ogrzewanie lub studzenie ma na celu doprowadzenie wyrobów szklanych do optymalnej temperatury odprężania. Jest to wartość, przy której łączny czas dwóch następnych etapów, jest najkrótszy. Czas trwania tego etapu zależy od temperatury wyrobów bezpośrednio przed odprężeniem oraz od grubości stapianego składu.Dla wyrobów nie przekraczających 5 mm czas ten powinien wynosić co najmniej 15 minut.
Etap 2 – usuwanie naprężeń ma na celu przetrzymywanie wyrobów odpowiednio długo w optymalnej temperaturze odprężania. W większości przypadków optymalną temperaturą odprężania jest górna temperatura odprężania, przy której czas usuwania naprężeń trwa od 15 do 30 minut. Podobnie jak w etapie 1 należy uwzględnić grubość stapianego składu i odpowiednio wydłużyć czas. W przypadku typowych szkieł wykorzystywanych w fusingu optymalną temperaturą odprężania jest 450oC ±30oC. Bliższe informacje można uzyskać u producenta lub drogą prób.
Etap 3 – powolne studzenie jest długim etapem osiągnięcia dolnej temperatury odprężania. W zakresie tym, wskutek zbyt szybkiego studzenia szkła mogą powstawać ponownie naprężenia trwałe. Najpowszechniejszą metodą jest studzenie ze stałą szybkością. Interesujące zjawisko występuje przy studzeniu ze stopniowym wzrostem (nieliniowo) szybkości studzenia. To wzrost lepkości wraz ze spadkiem temperatury. Ta metoda jest skuteczniejsza, jednak z uwagi na praktyczne trudności jest on mniej rozpowszechniony. W większości przypadków czas tego etapu trwa od 30 do 60 minut. Podobnie jak w etapie 1 należy uwzględnić grubość stapianego składu i odpowiednio wydłużyć czas. W przypadku typowych szkieł wykorzystywanych w fusingu optymalną dolną temperaturą odprężania jest 380oC ±30oC. Bliższe informacje można uzyskać u producenta lub drogą prób.
Etap 4 – szybkie studzenie – ma na celu ostudzenie szkła do temperatury otoczenia. Prędkość studzenia nie ma istotnego znaczenia o ile zachowamy podstawowe zasady technologii z uwzględnieniem mechanicznej wytrzymałości. Przyjmijmy, że nie powinien to być czas krótszy od 30 minut.
W procesach przemysłowych odprężanie przebiega w specjalnych tunelowych odprężarkach. W niewielkich pracowniach odprężanie powinno być zaprogramowanym elementem procesu wypału stapianego składu.
