Изменение свойств стекла определяет и скорость нагрева. До Tt быстрый нагрев может привести к разрушению стекла из-за напряжений, возникших в результате разницы расширения верхних, имеющих более высокую температуру, и нижних, имеющих более низкую температуру, слоев. Поэтому при нагреве до Tt рекомендуется относительно медленно повышать температуру, а достигнув ее, скорость нагрева можно увеличить, поскольку сочетание упругих и вязких свойств, характерное для этого интервала температур, препятствует разрушению стекла.
Некоторые производители стекла для фьюзинга рекомендуют температурно-временные режимы спекания. Так, компании Spectrum [13] и Uroboros [14] предлагают нагревать комплект стекол толщиной 6 мм со средней скоростью около 2,5˚С/мин, а Bullseye – со скоростью 5,2˚С/мин [15] (рисунок 1.8). Такое расхождение может быть вызвано различием условий исследования и химических составов стекол. При температуре 620 – 680˚С производители рекомендуют сделать выдержку продолжительностью около 30 мин. Это необходимо не только для равномерного нагрева изделия, но и для удаления воздуха, оставшегося между слоями стекла. После окончания выдержки скорость нагрева увеличивают, поскольку при температуре более 760˚С на поверхности стекломассы может начаться кристаллизация, которая приводит к браку изделия.
С увеличением толщины спекаемого комплекта скорость нагрева уменьшается, а количество и продолжительность выдержек увеличиваются. Таким образом, скорость нагрева зависит не только от свойств стекла, но и от геометрии изделия.
Рисунок 1.8 – Температурно-временные режимы спекания, рекомендованные компаниями Bullseye (I), Uroboros (II) и Spectrum (III) для стекла толщиной 6мм: 1-2 – нагрев; 2-3 – выдержка при максимальной температуре; 3-6 – отжиг (3-4 – резкое охлаждение; 4-5 – выдержка; 5-6 – охлаждение до комнатной температуры)
Максимальная температура нагрева зависит от свойств стекла и его теплового прошлого, величины неровностей поверхности, продолжительности выдержки, геометрии и конструкции изделия, скорости нагрева, требуемой величины деформации, оснастки и оборудования, которые могут влиять на теплообменные процессы в камере печи, а также от скорости нагрева. Алексеенко М.П. [16] было установлено, что с увеличением скорости нагрева температура, при которой начинается спекание стекла, увеличивается.
Производители стекла для фьюзинга рекомендуют нагревать стекло серии, имеющей температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) 96, до 700 – 843˚С, а стекла с ТКЛР равным 90 – выше на 13,9˚С. В отечественной литературе [7, 17] сообщается о 750 – 850˚С (870 – 900˚С для крупногабаритных армированных изделий).
1.3.2 Выдержка при максимальной температуре
Выдержка при максимальной температуре необходима для того, чтобы сформировать изделие как можно быстрее, поскольку с повышением температуры вязкость стекломассы снижается. а скорость деформации растет. Максимальная температура выдержки позволяет сократить продолжительность термообработки изделия и избежать кристаллизации стекла.
Продолжительность выдержки зависит от свойств стекла и его теплового прошлого, максимальной температуры нагрева, величины неровностей поверхности, геометрии и конструкции изделия, скорости нагрева, требуемой величины деформации, используемых оснастки и оборудования.
Компании Spectrum и Bullseye рекомендуют проводить выдержку в течение десяти минут, а Uroboros – от 10 до 300 мин в зависимости от максимальной температуры и требуемого результата (рисунок 1.8, приложение Б).
1.3.3 Отжиг
Отжиг является одной из главных стадий термообработки изделия при фьюзинге. Он должен обеспечивать такое распределение временных (тепловых) напряжений в стекле, которое гарантировало бы изделие от разрушения, и такие напряжения по окончании процесса (остаточные напряжения), которые не превышали бы допустимых значений [18].
Отжиг стекла состоит из четырех стадий (рисунок 3.1) [19]:
а) резкого охлаждения изделия до верхней температуры отжига;
б) изотермической выдержки при верхней температуре отжига, обеспечивающей выравнивание температуры по всему объему изделия и практически полное удаление временных напряжений;
б) медленного охлаждения до нижней температуры отжига;
в) быстрого охлаждения до комнатной температуры.
Режим отжига определяется свойствами стекла, его тепловым прошлым, геометрией и конструкцией изделия, особенностями печи и оснастки, величины допустимых напряжений.
1.3..3.1 Резкое охлаждение
После окончания выдержки печь резко охлаждают до верхней температуры отжига, что позволяет сократить процесс термообработки, избежать кристаллизации стекла и завершить формообразование, остановив деформацию за счет большой скорости изменения температуры. В дальнейшем изменение формы изделия будет вызвано лишь изменением размеров, связанным с охлаждением стекла.
Скорость изменения температуры на этой стадии должна превышать критическую скорость охлаждения – минимально допустимую скорость охлаждения, при которой вещество может быть получено в аморфном состоянии [9]. В противном случае произойдет его кристаллизация. Однако из-за большого количества факторов, влияющих на критическую скорость охлаждения, определить ее величину очень сложно, и все расчеты носят ориентировочный характер. Поэтому при изготовлении художественных изделий фьюзингом стремятся достичь максимально возможной скорости охлаждения после завершения формообразования, за счет того, что крышку печи открывают как можно шире на несколько минут.
При этом вязкость стекломассы увеличивается. Охлаждение и твердение стекломассы происходят за счет сложного теплообмена с окружающей средой с участием теплопроводности и излучения [20]. Однако вязкость изменяется неравномерно по объему стекломассы. На скорость твердения влияют химическая, термическая и оптическая неоднородность стекломассы и неравномерность ее охлаждения вследствие соприкосновения рабочей (нижней) поверхности с плитой. Кроме того, охлаждение и твердение стекломассы начинаются с поверхности, а затем распространяются по объему.
Поэтому начальный этап фиксации формы связан с быстрым нарастанием вязкости до 1012Па×с и твердением поверхностных слоев при более низком среднем значении вязкости.
Таким образом, продолжительность резкого охлаждения зависит от свойств стекла и его теплового прошлого, конфигурации и геометрии изделия, оснастки и оборудования и максимальной температуры нагрева.
Несмотря на значительную разницу температуры и вязкости внешних и внутренних слоев стекломассы при резком охлаждении не возникают внутренние напряжения, превосходящие ее прочность на разрыв, что связано с достаточно низкой вязкостью.
Однако некоторые производители стекла для фьюзинга (Bullseye) не рекомендуют резко охлаждать стекло, поскольку это приводит к значительному увеличению разницы температур внешних и внутренних слоев стекла. Вместо этого Bullseye предлагает охлаждать печь естественным путем, так как при высокой температуре скорость охлаждения все же превосходит критическую.