1.5. Основы технологии стеклоизделий

Формование стекла. Формование стекла является основной и важнейшей после стекловарения технологической стадией.

Процесс формования стекла сводится к превращению вязкого расплава (стекломассы) в твердое изделие заданной конфигурации в результате приложения внешних сил к объекту формования и его постепенного охлаждения и твердения.

Особенностью процесса массопереноса при формовании является то, что стекломасса представляет собой упруговязкую среду, основные реологические средства которой (вязкость, поверхностное натяжение, упругость, плотность) сильно меняются от химического состава и температуры. К важнейшим теплофизическим свойствам стекла, определяющим теплопередачу при формовании, следует отнести коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и теплопередачи, удельную теплоемкость, прозрачность стекломассы по отношению к спектральному составу излучаемой энергии («теплопрозрачность»).

Стадии процесса формования выделяются вследствие существования двух основных этапов, определяющих его ход: деформирования стекломассы и ее постепенного твердения, которое развивается и продолжается на протяжении всего формования. Поэтому процесс формования разделяют на следующие две наиболее характерные и важные стадии, которые определяют ход данного процесса во времени, его скорость, продолжительность и особенность выполнения: стадию формообразования и стадию фиксации формы.

Формообразование осуществляется в температурно-вязкостной области, когда стекломасса сохраняет способность к течению и пластической деформации. Это соответствует интервалу вязкости в пределах 10²—4*10⁷ Па*с (иногда более короткому: 10²—10⁶ Па*с), что примерно отвечает диапазону температур 1200—800 °С. На данной стадии стекломасса приобретает конфигурацию формуемого изделия в результате ее деформации под действием приложенных нешних сил, величина которой выбирается в соответствии с видом изделия и способом его формования. Скорость и продолжительность формообразования определяются реологическими и поверхностными свойствами стекломассы, ее вязкостью, поверхностным натяжением, упругопластическим состоянием и их температурной зависимостью.

Фиксация формы производится закреплением достигнутой конфигурации "формуемого изделия. Она осуществляется в области интенсивного твердения стекла, которое соответствует интервалу вязкости 10⁸—10¹² Па*с (иногда более ограниченному 10^е—10⁹ Па*с) в диапазоне температур 900—500 °С. Скорость и продолжительность фиксации формы стеклоизделия определяется характером и интенсивностью твердения стекла, что, в свою очередь, связано» с изменениями его реологических свойств в результате охлаждения, эффективность которого обусловлена теплофизическими свойствами стекла и условиями его охлаждения при контакте с окружающей средой.

Влияние скорости твердения стекла на продолжительность обеих стадий формования противоположно (рис.)

Из представленных зависимостей следует возможность варьирования продолжительностью каждой стадии при формовании стекол с разными реологическими характеристиками. С ростом скорости твердения стекла продолжительность фиксации формы уменьшается, а время формообразования увеличивается, так как деформирование быстро затвердевающего стекла затрудняется.

По характеру взаимодействия рассмотренных стадий процессы формования стекла в технологическом отношении подразделяются на непрерывные и циклические. Эти разновидности формования в принципе отличны по своему назначению, виду вырабатываемых изделий и производительности.

Непрерывные процессы формования осуществляются путем непрерывного вытягивания, прокатки или направленного течения стекломассы с целью получения плоских или цилиндрических изделий с бесконечно простирающейся сплошностью и линейной размерностью в направлении формования (лента, стекло, труба, волокно). Такого рода процессы наиболее производительны.

Циклические процессы формования сводятся к последовательному чередованию операций (циклов) раздельного изготовления штучных изделий путем прессования, выдувания или прессовыдувания из обособленных порций стекломассы (в индивидуальных формах) каждого изделия в отдельности Таким образом, циклические процессы формования обычно являются менее производительными и при создании современных высокопроизводительных выдувных стеклоформирующих машин стремятся карусельный принцип движения формуемых изделий заменить конвейерным.

Из приведенного рассмотрения физических явлений, стадий и разновидностей процесса формования следует, что наиболее важными технологическими критериями динамики процесса формования стекла являются текучесть, охлаждение и твердение стекломассы.

Текучесть стекломассы при формировании определяется взаимодействием внешних и внутренних сил. Формование длинных стекол осуществить значительно проще, однако при этом увеличивается вероятность их кристаллизации при выработке, а также снижаются скорость процесса формирования и производительность стеклоформирующих машин.

Модифицирование длины стекла достаточно эффективно осуществляют изменением его состава.

Изменение вязкости стекла, необходимое для регулирования степени его пластического течения и интенсивности затвердевания в процессе формования, может достигаться двумя разными путями изменением температуры стекломассы и изменением состава стекла.

Охлаждение и твердение стекломассы наряду с текучестью также являются важнейшими технологическими характеристиками, определяющими сложную совокупность изменений, происходящих при формовании стекла. Эти процессы

тесно связаны между собой, поскольку характер и интенсивность охлаждения стекломассы непосредственно определяют характер и скорость процесса твердения на первой и второй стадиях формования.

Таким образом, из приведенных факторов, определяющих процесс формования стекла, следует, что для повышения производительности (темпа) механизированного формования стекла за счет увеличения скорости его твердения необходимо комплексно решать следующие задачи: 1) путем варьирования состава стекла регулировать его теплопрозрачность и рационально сокращать его длину с целью повышения его теплоотдачи и увеличения крутизны температурного хода его вязкости; 2) улучшая теплопередачу при формовании, интенсифицировать теплообмен стекла с внешней средой с целью повышения скорости его охлаждения; 3) оптимизировать технологический процесс формования и термический режим охлаждения стекла для обеспечения наибольшей равномерности его твердения по толщине.

Способы формования стекла. Основными способами формования стекла являются вытягивание, прокатка, прессование, выдувание, прессовыдувание, центробежное формование и флоат-способ, основанный на свободном растекании стекломассы на подложке. Особенности некоторых из них более подробно рассмотрим при описании технологии получения конкретных видов изделий из стекла, используемых в твердотельной электронике.

Вытягивание стекломассы осуществляется под действием односторонне направленных растягивающих усилий, непрерывно создаваемых вытяжным механизмом. В результате постепенного оттягивания исходной непрерывно пополняющейся и питающей процесс порции стекломассы формируется изделие заданной конфигурации (волокно, труба, лист).

Прокатка стекломассы осуществляется под действием одно или двусторонних сжимающе-растягивающих (раскатывающих) усилий, создаваемых вращающимися валками.

Прессование стекломассы производится за один прием в металлической форме под действием односторонне направленных сжимающих усилий, создаваемых пуансоном.

Выдувание стекломассы осуществляется под влиянием равнодействующих растягивающих усилий, создаваемых во внутренней полости формуемого объекта сжатым газом (обычно.» воздухом).

Центробежное формование стекломассы осуществляют под действием центробежных сил во вращающейся форме (или на диске); используют для формования изделий, вырабатываемых из стекол, трудно поддающихся формованию (тугоплавких, «коротких», кристаллизующихся).

Флоат-способ формования листов стекла осуществляется в закрытой ванне на поверхности расплавленного металла (как правило, олова). Стекломасса сливается по лотку из печи в начало ванны и движется путем свободного растекания по расплаву металла. Плавающая лента стекла, постепенно охлаждаясь и затвердевая, непрерывно оттягивается из ванны вращающимися роликами конвейера, расположенного в конце ванны. Процесс формования происходит под действием массовой силы и противодействия сил вязкого сопротивления и поверхностного натяжения. В результате контакта нижней поверхности ленты с идеально гладкой поверхностью расплавленного металла и огневой полировки ее верхней поверхности (под действием поверхностного натяжения) достигается исключительно высокое качество поверхности листового флоат-стекла.

Отжиг и закалка стекла. При охлаждении отформованного изделия из стекла между наружными и внутренними слоями стенки устанавливается перепад температур, который создает в стекле механические напряжения. Эти напряжения могут быть постоянными или временными. Постоянные или остаточные напряжения в стекле возникают в том случае, когда охлаждение изделия начинается из вязкопластичного состояния от температур выше Тg. Если же охлаждать (или нагревать) стекло из хрупкого состояния, т. е. от температур, лежащих ниже Тg, то в стекле появляются временные термоупругие напряжения, которые после выравнивания температур исчезают. Значение термоупругих напряжений тем больше, чем выше перепад температур между наружными и внутренними слоями изделия. В свою очередь, перепад температур зависит от теплопроводности материала, толщины стенки и скорости охлаждения.

Постоянные или остаточные напряжения в стеклоизделии, быстро охлажденном из вязкопластичного состояния, имеют сложную структуру. В простейшем случае, например, в листе стекла на поверхности возникает напряжение сжатия, а внутри — растяжения. Это происходит потому, что наружные слои листа вследствие лучшей теплопередачи охлаждаются быстрее внутренних и раньше затвердевают, достигнув температуры Тg. Вслед за ними при дальнейшем охлаждении затвердевают и внутренние слои, также стремясь сжаться, чему препятствуют внешние. По окончании охлаждения, когда по всей толщине изделия устанавливается одинаковая температура, внутренний слой, стремясь принять размеры, соответствующие этой температуре, сжимает наружные слои, приобретая напряжение растяжения. При формовке изделия более сложной конфигурации его стенки охлаждаются неравномерно, поэтому и остаточные напряжения в нем распределяются несимметрично, что снижает механическую прочность и термостойкость этих изделий. Чтобы предупредить появление или устранить имеющиеся остаточные напряжения, производят отжиг стеклоизделии.

Процесс отжига включает следующие стадии: 1) нагрев (или охлаждение) изделия до температуры отжига; 2) выдержку при температуре отжига до практически полного удаления напряжений; 3) ответственное охлаждение — медленное охлаждение до низшей температуры отжига, предохраняющее стекло от возникновения остаточных напряжений, превышающих допустимые; 4) быстрое охлаждение изделия до комнатной температуры, но так, чтобы не превысить термическую стойкость изделий и не вызвать их разрушения.

Диапазон температур отжига (зона отжига) ограничен верхним и нижним возможными ее значениями. Верхней температурой отжига называется температура, при которой в течение 3 мин снимается 95 % остаточных напряжений. Теоретически она соответствует температуре стеклования, практически же во избежание деформации изделий вследствие возможного колебания температур в печи ее поддерживают на 10—15 °С ниже, что соответствует вязкости 10¹² Па*с. Нижняя температура отжига— температура, соответствующая вязкости 10¹³.⁵ Па*с, при которой за 1 мин снимается 5 % напряжений; Тg в зависимости от состава стекла на 50-—150°С ниже Тg Таким образом, интервал отжига составляет 50—150 °С.

Закалкой стекла называют операцию искусственного создания в стекле остаточных равномерно распределенных напряжений. Температурный перепад при этом, как отмечалось, возрастает с увеличением толщины стенки изделия и интенсивности охлаждения. Механическая прочность и термостойкость закаленных стеклоизделии в 3-5 раз выше, чем у оттожженных, поэтому закалка является эффективным способом повышения прочности изделий. Повышение прочности закаленных изделий происходит в результате упрочнения наружных слоев вследствие их сжатия. Поэтому внешним разрушающим силам, например, при ударном изгибе необходимо преодолеть еще и искусственно созданные напряжения сжатия.