Эксперименты по упрочнению стекла увенчались успехом еще в начале 20 века и разработанные технологии нашли свое применение в различных областях промышленности. Стекло после закалки получает новый набор качеств, сохраняя преимущества обычного стекла, чем и объясняется стабильное увеличение спроса на данную продукцию.
Что такое закалка стекла?
Закалкой стекла называют технологию обработки, включающую в себя термическое, химическое или комбинированное воздействие на материал, результатом которого становится повышение его прочностных характеристик.
Для закаливания подходит обычное (сырое) стекло. Под воздействием химикатов или нагрева с последующим быстрым охлаждением изменяются его физические свойства: во внутренних слоях появляется напряжение растяжения, а во внешних – напряжение сжатия. Благодаря упрочению материала, расширяется область его применения и повышается безопасность использования.
Какие свойства приобретает стекло при закалке?
Закаленное стекло (сталинит) проходит более длительный технологический цикл, что повышает его стоимость. Но это вполне обосновано, поскольку закалка придает стеклу уникальные свойства:
- механическая прочность при ударе возрастает в 5–10 раз, при изгибе – в 2–3 раза;
- устойчивость к растяжению и сжатию увеличивается в 5–6 раз;
- диапазон рабочих температур расширяется от минус 70 °C до плюс 300 °C;
- безопасность эксплуатации увеличивается – стекло разбивается на многочисленные осколки небольших размеров с тупыми гранями.
Преимущества закаленного стекла
Закаленное стекло объединяет в себе все достоинства обычного сырого стекла и свойства, приобретенные после закалки, а именно:
- Прозрачность. В зависимости от толщины изделия, коэффициент прозрачности варьируется от 0,7 до 0,9. По данному показателю сталинит превосходит триплекс и smart-glass, сделанные на его основе.
- Низкая теплопроводность. Стеклопакеты из сталинита помогают сохранять оптимальную температуру в помещении.
- Хорошая звукоизоляция. Это качество повышается с увеличением толщины стекла и при условии применения качественных уплотнителей.
- Возможность тонировки в массе или с помощью цветных пленок. Оба метода позволяют получить равномерный цвет без потери прозрачности и создают больше вариантов интерьерных решений.
- Доступность для широкого круга потребителей. Его стоимость выше, чем у обычного стекла, но ниже, чем у триплекса.
- Устойчивость к атмосферным воздействиям. Ему не страшен дождь и снег, ветер и ультрафиолетовое излучение. Оно одинаково хорошо выдерживает жару и холод.
- Широкая сфера использования. Стекло используется везде: от изготовления посуды до градостроительства.
- Подходит для моллирования. Из сталинита получаются изящные и одновременно прочные элементы строительных конструкций, мебели и декора.
- Термостойкость. Это качество позволяет использовать материал для обустройства бань и саун, изготовления каминов и духовок, а также применять его для изготовления противопожарных конструкций.
- Гибкость. Предел прочности на изгиб достигает 190–210 Мпа, тогда как показатели сырого стекла не превышают 20 Мпа.
ВНИМАНИЕ! Прочность на изгиб, растяжение и сжатие у закаленного стекла сопоставима с показателями стали.
При использовании сталинита в составе триплекса многократно увеличиваются его прочностные характеристики, звукоизоляция и энергосберегающие свойства. Также повышается уровень безопасности при разрушении, что обосновано тем, что между слоями каленого стекла расположен полимер, который удерживает на себе осколки, не давая им разлетаться в стороны.
У закаленного стекла есть и небольшой недостаток, а именно: после закалки его нельзя резать или сверлить – это приводит к его разрушению. Несколько иная ситуация со стеклом, упрочненным химическим путем. Стекло, прошедшее ионообменное упрочение, можно разрезать. Но следует учитывать, что область около 2 см от места реза становится менее прочной.
Технологии изготовления закаленного стекла
Закалка стекла осуществляется посредством термического или химического воздействия.
Метод термообработки
Чаще других используется термический способ закаливания, который включает в себя три последовательных этапа:
- Сырому стеклу придают форму, высверливают отверстия, обрабатывают кромку, наносят рисунки, проверяют на наличие дефектов и чистоту поверхности.
- Подготовленный материал (изделие) нагревают до температуры от 530 до 750 °C, в зависимости от его состава и температуры плавления.
- Далее стекло подвергается быстрому охлаждению до 25–30 °C в соответствии с выбранной технологией.
Нагрев происходит в горизонтальных или вертикальных печах, а вот для охлаждения используют различные варианты:
- Охлаждение посредством равномерного обдува воздухом под высоким давлением.
- Охлаждение в жидкой среде. В качестве жидкостей применяют минеральные масла, расплавленные соли, расплавленные металлы и пр. В случае с металлами, процесс закалки осложняется тем, что тяжело погрузить стекло в расплавленный металл равномерно из-за высокой плотности последнего.
Закалка стекла в жидкой среде более эффективна, поскольку скорость отдачи тепла выше, чем при воздушном обдуве.
Химический метод
Альтернативным методом упрочнения стекла является ионообменный. Суть метода состоит в том, что при погружении стекла в расплав соли щелочного металла, ионы калия из расплава замещают ионы натрия с поверхностного слоя стекла. Такую процедуру проводят при температуре 420 °C, что ниже температуры отжига стекла.
После химической закалки стекло приобретает повышенную прочность, но остается опасным при разбивании, разлетаясь на острые удлиненные осколки, по форме напоминающие поплавки. Поэтому изделия, упрочненные ионообменным методом, применяют только при условии их последующего ламинирования.
Поиск наиболее эффективных методов упрочнения стекла продолжается. Ученые используют методы травления, ионного обмена и закалки в различных комбинациях, некоторые из которых показывают хорошие результаты и в перспективе могут быть использованы для массового производства.
СПРАВКА! Отжиг – один из видов термообработки стекла, который заключается в нагреве материала до температуры, при которой стекло достигает граничного состояния между твердым и вязким, после чего его медленно охлаждают. Температура отжига сырого стекла варьируется в пределах от 470 до 530 °C.
Оборудование для закалки
Выбор оборудования зависит от выбранной технологии изготовления стекла. Для наиболее распространенного способа – термической закалки – удобнее всего использовать производственную линию, включающую в себя несколько элементов:
- Загрузочный стол (секция подачи стекла) представляет собой конвейер с автоматическим или полуавтоматическим управлением. Подача стекла на загрузочный стол может быть с боковой и/или с фронтальной стороны. Стекло перемещается в сторону секции нагрева посредством вращения обрезиненных валов, что позволяет не повредить сырое стекло.
- Секция нагрева. Для продуктивной работы данной секции важны следующие параметры:
- высокие теплоизоляционные показатели корпуса;
- защита нитей накала от перегрева;
- надежность и независимость нагревательных элементов;
- высокая производительность;
- низкая потребляемая мощность;
- принудительная конвекция;
- система контроля температуры;
- автоматическое или полуавтоматическое управление процессами,
- простота обслуживания и ремонта.
- Секция охлаждения обычно состоит из нескольких отсеков, которые предназначены для закалки и охлаждения стекла различной толщины. Сопла, через которые подается воздух под высоким давлением, расположены над и под валами – это позволяет обеспечить равномерный обдув. За регулировку положения сопел и скорость продвижения стекла отвечает система контроля закалки стекла.
- Разгрузочный стол имеет конструкцию, аналогичную загрузочной секции. Продвижение стекла после процедуры охлаждения и закалки происходит по вращающимся валам, которые приводятся в движение двигателем.
ВНИМАНИЕ! Если закалка выступает отдельным технологическим процессом, то дополнительно понадобится моечно-сушильная машина для обеспечения чистоты сырого стекла.
Область применения
Благодаря свойствам, которое приобретает стекло после закалки, расширяется сфера его использования, в частности, сталинит:
- Применяется для остекления фасадов зданий различного назначения, а также террас, балконов, остановок общественного транспорта, выставочных павильонов и пр.;
- Входит в состав стеклопакетов, в том числе, триплекса, имеет нужные качества для панорамных окон, наружных световых табло, рекламных щитов;
- Выдерживает повышенные нагрузки в качестве материала для светопрозрачных лестниц и систем ограждения;
- Является основой для изготовления противопожарных дверей и пуленепробиваемых окон и стен;
- Обеспечивает отличную видимость и безопасность в качестве стекол для водных, наземных и воздушных транспортных средств;
- Подходит для оборудования бань, каминов и духовых шкафов;
- Открывает новое направления зонирования пространства в качестве мобильных и стационарных стеклянных перегородок;
- Отвечает требованиям прозрачности, изящества форм и безопасности при изготовлении витрин, мебели или ее компонентов, элементов декора и посуды.
СПРАВКА! Посуда из сталинита обладает функциональностью и долговечностью. Яркий образец такой посуды – граненый стакан. Он не обладает изяществом бокалов, но значительно прочнее при ударах и температурном воздействии.
Как отличить закаленное стекло от обычного?
Разница между обычным и каленым стеклом очевидна при разбивании, но можно обойтись и без кардинальных методов. Для определения вида стекла испробуйте один из способов:
- Воспользуйтесь поляризационным фильтром, который часто используют фотолюбители для улучшения качества съемок, или поляризационными очками. С их помощью можно проверить, действительно ли стекло закаленное или нет. Для этого нужно просто посмотреть на него сквозь фильтр. Если есть радужные разводы, то перед вами сталинит, если нет – то простое. Радужный эффект получается из-за двойного преломления света, которое возникает из-за разницы напряжений наружного и внутреннего слоев закаленного стекла.
- Сравните тактильные ощущения от касания к разным видам стекла. Поверхность закаленного стекла отличается небольшой волнистостью, которая отсутствует у сырого. Эти волны можно не только почувствовать пальцами, но и увидеть, если поставить изделие из сталинита так, чтобы лучи, падающего на него света, преломлялись под углом.
Можно ли закалить стекло в домашних условиях – особенности, проблемы
Без мощного специализированного оборудования достичь результатов, аналогичных закалке в условиях промышленного производства, невозможно. Но можно добиться улучшения прочностных характеристик.
Метод отпуска применяют для упрочнения стеклянной тары – стаканов, банок, бутылей, чашек. Для этого придерживаются последовательности действий:
- дно металлической емкости засыпают песком и на нем размещают изделия из стекла;
- посуду заливают холодной водой и медленно нагревают;
- кипятят на малом огне порядка 20 минут, выключают огонь и дают немного остыть;
- засыпают пару столовых ложек соли, снова доводят до кипения и кипятят еще 30 минут;
- убирают с огня и оставляют медленно остывать в помещении без сквозняков и резких перепадов температуры.
После такой процедуры закаленным стекло не станет, но прочность и термоустойчивость изделий повысится.
ВНИМАНИЕ! Температура кипения соленой воды немного выше, чем пресной. При добавлении 40 грамм соли на литр воды, температура кипения увеличивается на 1 градус.
Встречаются рекомендации использовать для закалки плавиковую кислоту. Но без специальных навыков и защитного костюма – это небезопасная процедура. Стекло, упрочненное методом вытравливания плавиковой кислотой, действительно становится прочнее по многим параметрам, но даже при незначительном повреждении рассыпается в пыль или на множество мелких осколков. Поэтому изделие после травления нужно обязательно ламинировать.
Еще один способ связан с использованием муфельной печи. Он подойдет тем, у кого есть к ней доступ, например, работникам лабораторий. Для охлаждения изделий подойдет минеральное масло. Покупать такое оборудование для разового или нерегулярного применения нецелесообразно, так как дешевле обойдется приобретение готового изделия из сталинита.
В домашних условиях любые действия по упрочению стекла можно осуществить только с небольшими по размерам изделиями. Чтобы закалить даже обычное оконное стекло, нужно мощное профессиональное оборудование
Заключение
У закаленного стекла много преимуществ, но от обычного стекла его отличают прочность, термостойкость и безопасность. Сложность, габариты и дороговизна оборудования не рассчитаны на работу в домашних условиях. Лучший выход – обратиться в компанию, занимающуюся производством каленого стекла. Так вы получите качественную продукцию с нужными параметрами и по доступной цене.
