Procesy technologiczne w obróbce szkła

Zenon Kozak

Produktem wyjściowym huty szkła są tafle o szerokości 3500 mm. Teoretycznie można uzyskać każdą długość, jednak standardowe wymiary produktów to 3210 x 3500 mm. Aby sprostać wymaganiom klienta, dotyczących wytrzymałości, kształtu i wyglądu, muszą one być poddane dodatkowej obróbce takiej jak:

• cięcie tafli szklanej do odpowiednich wymiarów i kształtu,
• obróbka termiczna,
• klejenie,
• produkcja szyb zespolonych,
• obróbka krawędzi,
• wiercenie otworów.

Szklana tafla może być użyta jako samodzielny element lub może być częścią szyby zespolonej, szkła klejonego lub innych produktów (np. szyby przeciwpożarowej, alarmowej itp.).

Wzmacnianie szkła

Wzmacnianie (termiczne lub chemiczne) szkła jest najważniejszą metodą poprawienia jego właściwości. Głównym celem tego procesu jest uzyskanie wewnętrznych naprężeń, głównie ściskających w skrajnych włóknach przekroju, które pod wpływem obciążenia zginającego są obniżone w włóknach rozciąganych, natomiast w strefie ściskania zwiększają się. Wiadomo, że szkło jest bardzo wytrzymałe na ściskanie. Do propagacji rysy (i w konsekwencji zniszczenia elementu) może dojść tylko wtedy, gdy naprężenia rozciągające zrównoważą resztkowe naprężenia ściskające i przekroczą wartość dopuszczalną.

Wśród metod wzmacniania szkła wyróżniamy: hartowanie termiczne, wzmacnianie termiczne oraz   hartowanie chemiczne. Szkło poddane tym procesom wykazuje różny poziom wewnętrznych naprężeń oraz różne postacie zniszczenia. Różnice te wyjaśniam poniżej.

Hartowanie termiczne

Proces hartowania termicznego wykorzystuje podstawowe prawo fizyczne, które mówi, ze ciała przy podgrzaniu rozszerzają się, a przy chłodzeniu kurczą się o te same wartości. Szkło nie jest ciałem krystalicznym, ale jest cieczą w stanie stałym. Nie istnieje zatem wyraźna temperatura krzepnięcia, przy której ciecz zamienia się w ciało stałe. Wykorzystując ten fakt, można podgrzać taflę szklaną do temperatury nieco wyższej niż ta, przy której cząsteczki przemieszczają się plastycznie, nie powodując wystąpienia wewnętrznych naprężeń. Tę temperaturę nazywamy punktem transformacji. Podgrzewając taflę szklaną do odpowiedniej temperatury, po pewnym czasie uzyskujemy stan, kiedy warstwy wewnętrzne i powierzchniowe mają tę samą temperaturę i w konsekwencji, te same odkształcenia.

Proces obróbki termicznej polega na podgrzaniu elementu szklanego do temperatury 620-675^oC (100^oC powyżej punktu transformacji). W kolejnym etapie, za pomocą strumieni sprężonego, chłodnego powietrza, poddaje się go procesowi gwałtownego chłodzenia. Spadek temperatury warstw przypowierzchniowych powoduje ich nagłe zestalenie. Warstwy położone głębiej wciąż pozostają plastyczne, ponieważ panująca tam temperatura jest bliska punktowi mięknienia.

Dalej postępujące ochładzanie powoduje zestalanie się także warstw wewnętrznych, których możliwość kurczenia jest ograniczona przez zestalone wcześniej warstwy zewnętrzne. W wyniku tego procesu, przy hamowanym skurczu, w wewnętrznych warstwach elementu powstają naprężenia rozciągające, a w zewnętrznych, z powodu równowagi sił wewnętrznych, powstają znaczne naprężenia ściskające (około dwukrotnie większe od naprężeń rozciągających) . Wielkość tych naprężeń   uzależniona jest od rodzaju szkła, grubości elementu oraz szybkości chłodzenia. Wartość naprężeń ściskających powstałych w procesie hartowania termicznego wynosi od 90 do 120 MPa.

Wzmacnianie termiczne

Wzmacnianie termiczne jest podobnym procesem do hartowania termicznego, ale różnią się mniejszą intensywnością schładzania. Naprężenia wewnętrzne generowane w tym procesie są relatywnie mniejsze, wahając się w granicach od 40 do 80 MPa. Z faktu, że gradient naprężeń wewnętrznych zależy od grubości szkła oraz proces chłodzenia odbywa się wolno, wynika, że proces wzmacniania termicznego może być stosowany tylko dla tafli szklanych o grubości mniejszej niż 12 mm.

Praktyczne wnioski

Rodzaj zniszczenia elementu szklanego wynika od zmagazynowanej energii wewnętrznej, zależnej od wstępnego stanu naprężenia (uzyskanego w trakcie obróbki) oraz stanu naprężenia pochodzącego od obciążeń zewnętrznych. Szkło hartowane termicznie ma najwyższy poziom wstępnych naprężeń i zazwyczaj pęka w postaci małych, stosunkowo niegroźnych kawałków o powierzchni około 100 mm². Z tego powodu szkło hartowane nazywane jest często szkłem bezpiecznym, co jednak może wprowadzać błąd, ponieważ nawet małe odłamki szkła spadające z wysokości kilku metrów mogą spowodować poważne zranienie. Pomimo, że szkło hartowane jest najbardziej wytrzymałe, jego postać poawaryjna, z powodu małych kawałków na które się rozpada, jest słaba. Interesującym kompromisem jest szkło termicznie wzmocnione, które pomimo około dwukrotnie mniejszej wytrzymałości, prezentuje lepszą postać po zniszczeniu. Szkło hartowane chemicznie prezentuje podobną postać po zniszczeniu jak szkło wzmocnione termicznie, jednak z powodu wad nie jest szeroko stosowane w budownictwie. Szkło zwykłe, nie poddane żadnej obróbce posiada najmniejszą wytrzymałość, a po zniszczeniu rozpada się w postaci dużych kawałków o ostrych krawędziach. Poddane jednak znacznym obciążeniom (szczególnie   w płaszczyźnie) pęka i przypomina w zachowaniu szkło poddane obróbce termicznej.

Badania Guesgena i Laufsa dowiodły, że rozkład naprężeń ściskających, uzyskanych w procesie wzmacniania szkła, nie jest równomierny. W zależności od metody i przebiegu hartowania szkła możemy wyróżnić kilka stref, m. in. krawędziową oraz stref w okolicy otworów, które wywierają na siebie wpływ. Z tego powodu Laufs zaproponował minimalne odległości pomiędzy tymi strefami. W przypadku szkła wzmacnianego termicznie minimalna odległość otworu od krawędzi nie powinna być mniejsza niż trzykrotna grubość elementu. Dla szkła hartowanego wartość ta jest ograniczona do dwóch.

Każda próba obróbki szkła hartowanego termicznie lub wzmacnianego termicznie powoduje jego nagłe kruche zniszczenie. Z tego powodu jakiekolwiek cięcia, wiercenie otworów lub szlifowanie musi być przeprowadzone przez zabiegami wzmacniania szkła. Skutkuje to także mniejszymi tolerancjami geometrycznymi.

Obróbka krawędzi

Jak przedstawiono wcześniej szkło posiadałoby wielokrotnie większą wytrzymałość, gdyby nie skazy i mikrorysy, powstałe w fazie produkcji oraz obróbki mechanicznej szkła. Mikrorysy skoncentrowane są najczęściej przy krawędziach, co jest spowodowane cięciem tafli szklanej na mniejsze fragmenty. Wyniki badań pokazują, że metoda cięcia tafli szklanych ma znaczący wpływ na ich wytrzymałość. Przykładowo, próbki 6 mm cięte mechanicznie w porównaniu do cięcia ręcznego, wykazują wyższą wytrzymałość o około 27%.

Również obróbka krawędzi ma znaczący wpływ na wytrzymałość szkła. Wyniki badań pokazują, że wytrzymałość próbek, których krawędzie zostały wyszlifowane, jest większa o około 60% w porównaniu do próbek porównawczych.