Производство закаленного стекла: оборудование и технология

Термически и химически закалённое стекло

Термически закаленное (упрочненное) стекло – это разновидность листового стекла, получаемая нагревом листов стекла до температуры закалки (650-680°C) с последующим быстрым равномерным их охлаждением холодным воздухом с обеих сторон. В результате такой обработки в поверхностных слоях стекла образуются остаточные механические напряжения сжатия, обеспечивающие его повышенную механическую прочность, термостойкость и безопасность при разрушении.

Химически закаленное (упрочненное) стекло (также «ионообменно упрочненное стекло», «термохимически модифицированное стекло») – это разновидность листового стекла, прочность которого повышена за счет химической обработки. При разрушении такое стекло по-прежнему дает длинные острые осколки, как обычное стекло, поэтому также требует дополнительного ламинирования пленкой (если есть соответствующие требования по безопасности). Тем не менее, химически закаленное стекло обычно в шесть-восемь раз прочнее обычного стекла.

Технология производства закаленного стекла

Технологический процесс производства закаленного стекла (вне зависимости от того, термически упрочненное ли это стекло, либо химически упрочненное стекло) состоит из нескольких стадий:

• подготовка стекла;
• обработка стекла;
• в случае производства термически упрочненного стекла: нагрев стекла до температуры закалки, а затем – резкое и равномерное охлаждение;
• в случае производства химически упрочненного стекла: нагрев стекла в ваннах с расплавом нитрата калия KNO₃, а затем – его охлаждение и сушка;
• контроль качества полученного изделия – упрочненного стекла.

Ниже представлено более подробное описание каждой из стадий производства упрочненного стекла.

Подготовка стекла

Для изготовления плоских закаленных стекол различного профиля из отобранных листов стекла по определенным шаблонам вырезают необходимые профили стекол. Стекло, подвергаемое упрочнению, не должно содержать свили, шлиров, камней, крупных пузырей и царапин. Края вырезанных форматов подвергают механической обработке либо на фацетных станках, либо в многофункциональных обрабатывающих стекольных центрах.

При производстве термически закаленного стекла все операции механической обработки стекла (резка, сверление отверстий, обработка кромок) необходимо проводить до стадии обработки (упрочнения), так как самые незначительные повреждения поверхностей или краев упрочненного стекла вызывают его разрушение.

В отличие от термически закаленного стекла, химически закаленное стекло может быть разрезано и обработано после упрочнения без появления трещин и разрушения, однако необходимо отметить, что место в пределах ≈20 мм от разреза теряет свои прочностные свойства. Также при глубоких царапинах окружающая площадь также теряет прочность, приобретенную при химическом упрочнении.

Обработка стекла при производстве термически упрочненного стекла

Нагревание – наиболее важная операция в производстве термически закаленного стекла. Процесс нагревания до температуры закалки должен протекать в условиях, обеспечивающих равномерность нагрева его поверхностей. Температура закалки зависит от химического состава стекла и всегда выше температуры стеклования на 20-25^оС.

Охлаждение стекла – второй по важности процесс в производстве термически закаленного стекла, поскольку интенсивность охлаждения стекла в конечном счете определяет степень упрочения. Режим охлаждения подбирают исходя из потребности в конечном упрочнении, поскольку степень упрочнения изделий определяют такие параметры, как скорость охлаждения стекла, его толщина и химический состав.

Охлаждение стекла можно производить при помощи различных охлаждающих сред, обеспечивающих быстрый отбор теплоты – воздуха, масел, кремнийорганических жидкостей, расплавов солей и металлов. Наибольшее распространение получили способы охлаждения упрочняемых стекол воздухом.

Обработка стекла при производстве химически упрочненного стекла

Прочность стекла повышается за счет химической обработки поверхности. Стекло погружается в ванну, содержащую калиевую соль KNO₃ при 300°C. Это позволяет ионам калия из расплава заменить на поверхности стекла ионы натрия.

Так как ионы калия крупнее ионов натрия, то, заменяя последний в кристаллической решетке, они вызывают ее деформацию и появляются силы сжатия в приповерхностном слое. Усилия сжатия в поверхности химически обработанного стекла могут составлять до 690 МПа.

Также существует более сложный двухстадийный процесс химической обработки, когда предварительно стекло обрабатывается в ванне с расплавом NaNO₃ (нитрат натрия) при 450°C для насыщения ионами натрия, которые на следующем этапе заместятся ионами калия (таким образом увеличивается количество замещаемых ионов, что увеличивает деформации и напряжения в поверхности).

Химическое упрочнение приводит к увеличению прочности, схожему с результатом термического упрочнения стекла. Однако химическое упрочнение не использует экстремальных перепадов температуры, которые приводит к деформации и короблению, появлению оптических дефектов, и позволяет обрабатывать даже тонкостенные детали.

Контроль качества

Испытания готовой продукции должны производится в соответствии с отраслевыми ГОСТ и техническими условиями, принятыми на производстве.

Визуальный контроль предполагает отбраковку изделий с внешними дефектами: трещинами, значительной деформацией и сильными оптическими искажениями.

Выборочный контроль осуществляется по шаблонам для определения воспроизведения геометрии гнутых изделий; по величине остаточных напряжений, которые измеряют на поляриметрах-полярископах; также испытания на разрушение при ударе металлическим шаром.

Производство закаленного стекла делится (в зависимости от положения листа стекла при упрочнении) на вертикальное и горизонтальное. Основными недостатками вертикальных методов упрочнения являются сильная деформация листа в местах его крепления, появление отпечатков от держателей на поверхности, отсутствие полной автоматизации. Горизонтальные способы являются более прогрессивными, так как полностью автоматизированы, что позволяет получать более высококачественные изделия и расширять ассортимент как по толщине, так и по габаритам. Горизонтальные способы позволяют организовать механизированное поточное производство закаленных стекол.