СВОЙСТВА СТЕКЛА
1. Стекло
Стекло — один из прекраснейших материалов, изобретенных еще3000 лет до нашей эры. Несмотря на «солидный возраст», оно до сих пор честнослужит людям, с каждым годом, открывающим в нем новые качества. Стекло — этокрасивые дома и сверхпрочные материалы, художественные изделия и ткани. Этоодин из материалов, которым никогда не перестанут любоваться люди. Ононезаменимо в быту и лабораторной практике. О стекле написано сотни книг,проведены и проводятся научные исследования, но до сих пор нет точногоопределения термина «стекло».
Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путемпереохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурнойобласти затвердевания, и обладающие механическими свойствами твердых тел,причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен бытьобратимым.
В стекловидном состоянии могут находиться вещества, какестественного происхождения, так и полученные искусственно. К естественнымстеклам относятся: вулканическая магма, пемза, смолы. Искусственныенеорганические стекла — переохлажденные расплавы, в состав которых входят окисикремния, бора, фосфора, щелочных и щелочноземельных металлов.
Исходными материалами для получения искусственнойстекольной массы являются кварцевый песок, кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия, мел и известняк, карбонат магния, доломит,карбонат бария, натриевая и калиевая селитры. В некоторые сорта стекол вводятокись алюминия, окись свинца и окислы других металлов.
Основным компонентом стекла является двуокись кремния — кремнезем,температура плавления которого равна 1728°С. Содержание окиси кремния в стеклесоставляет 50—85%, а в кварцевом стекле 98,8—99,9%. Содержание другихкомпонентов, входящих в состав стекол, приведено в таблицах 1 и 2.
Цветные стекла получают, вводя в шихту окислы или другиесоединения разных элементов, например для окраски стекла в синий цвет вводятсоединения кобальта, в зеленый — окись хрома, в фиолетовый — соединениямарганца, в рубиновый—закись меди или металлическое золото.Тип, марка стекла
Si02
А1203
в2о3 СаО MgO РЬО ВаО
Zr02 ZnO
Na20
К20
Fe203 Тюрингенское 68,74 3-4 6,2-8 _ _ _ _ ___ 12-18 0-8,5 _ Унихост 68,9 3,9 — 5,5 2,9 — — — — 17,8 1,3 — АН 70,7 4,2 2,3 7,0 — — — — — 13,9 1,9 — Х8 69,2 3,5 1,2 5,8 3,6 — — — — 16,0 0,9 — Мурано X 67,0 6,7 3,0 4,3 — — _ ___ — 19.0 — — Содоизвестковое 71,0 0,85 — 7.7 3,8 — 0,5 — — 15,5 — Сиал 75,0 6 7 1,7 — — 4,3 — — 6,5 — Симакс 79,0 3 11,9 — — — — — — 5,5 — Палекс 70,84 4,48 6,31 4,17 2,02 — ____ — 2,62 8,37 0,99 0,36 Лабораторное 69,0 4,90 4,3 4,50 — — 3,5 — 5,5 8,6 — — Ветхайм ам Майн 69,25 5,96 8,56 0,99 0,45 — 3,63 — ----- 8.57 2,25 0,33 1447 Ш 64.3-64,7 4-7 8,7-12,0 0,1-0,6 — — — — 10-12 7-9,7 — — G20 74,7-75,7 4,3-6,2 7,0-8,7 0,75-1 — — 3,5-4,2 — — 6,5-7,5 — 0,1-0,3 52 76,6 3 6 — — — 3 3 — 8 — — Корнпнг 80,0 2,71 11,31 0,76 — — — — — 4,74 0,35 — Совирель 80,0 2,25 13,0 — — — — — — 3,50 1,15 0,05 Разотерм 78,25 2,74 12,18 0,85 — — — — — 5,39 0,41 — Дюран 50 79,69 3,10 10,29 0,77 0,87 — — — — 5,20 — — Гнзиль 80,6 2,70 12,20 0,12 — — — — — 4,15 — — -Монакс 74,66 3,89 13,44 0,75 0,49 — — — — 5,89 0,79 —
Варят стекло в специальных печах при высоких температурах.Во время варки стекла происходят сложные химические и физические процессы, врезультате которых шихта, претерпевая ряд изменений, превращается в осветленнуюи однородную стекломассу.
Процесс стеклообразования начинается при достижении 1200—1240°С. В заводских условиях стекло варят при 1400—1450°С; осветлениестекломассы происходит при 1500 °С. Особые сорта стекла варят при еще болеевысокой температуре.
2. Физические свойства
Физические свойства стекла зависят от его химическогосостава, условий варки и последующей обработки. Стекло не имеет определеннойточки плавления. Оно переходит в жидкое состояние постепенно, становясь мягчепри повышении температуры.
Часто применяют термин «температура размягчения» стекла.По-видимому, эта температура лежит выше температуры отжига стекла, но сама посебе эта величина довольно неопределенна.
Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия еговарки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхностное натяжение.
Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление ихтечению—перемещению одного слоя относительно другого — под действием внешнихсил называют вязкостью и обозначают г). Таким образом, вязкость характеризует внутреннеетрение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость — понятие,обратное текучести. Количественно эту величину выражают силой, действующей наединицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержанияопределенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. В системеизмерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз= 1 дина-секунда/сантиметр = 100 сантипуаз = 10е микропуаз или 1П= 1дн-с/см = = I г/ = 102 сП = 106 мкП. В единицах измеренияСИ вязкость выражается в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.
Вячкость стекла в обычных условиях равна Ю13—10ls П При нагревании вязкость стекла уменьшается, оно делаетсяболее мягким и тягучим, так что его можно формовать, подвергать тепловойобработке.
Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно толькоразмягченное стекло, вязкость которого лежит в интервале от 103 до10* П. Механическое формование стекла производят при температуре 800—1100 °С ивязкости 104—4 -103 П.
При остывании стекло вновь твердеет. Температура, прикоторой вязкость стекла достигает 1013П, называется температуройстеклования.
Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры должнабыть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изменяться слишком резко. Взависимости от вида кривой «вязкость — температура» стекла делят на «длинные» и«короткие». К «длинным» стеклам относятся сравнительно легкоплавкие стекла —свинцовые, № 23, молибденовые и др.; к «коротким» — стекла типа «пирекс». Самым«коротким» стеклом является кварцевое.
При быстром изменении температуры в стекле возникаютнеравномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень непрочно и легкорастрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделияпомещают в печь в зону с температурой на 20—30 С ниже температуры стеклования,выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаждают.Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобыснять внутренние напряжения.
Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, аследовательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится сократиться за счетсил, которые называют силами поверхностного натяжения. Чтобы увеличитьповерхность, требуется затратить работу. Размер этой работы, отнесенный кединице поверхности, называют поверхностным натяжением и обозначают о. Всистеме единиц СГС эту величину измеряют в динах на сантиметр, в СИ — вньютонах на метр; 1 дин/см = = 1 ■ Ю-3 Н/м. Поверхностноенатяжение стекла равно 220— —380 дин/см и зависит от его химического состава.При введении в состав стекла окисей алюминия и магния его поверхностноенатяжение увеличивается, а при введении окисей калия, натрия, бария и фосфора —снижается. Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры.
Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее егообрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его стеклодуву при обработке.
3. Механические свойства
Плотность. Плотность определяется отношением массы тела кего объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах па кубический сантиметр,в СИ — в килограммах на кубический метр: 1 г/см3 = 1-Ю3кг/м3. Плотность стекла з, при котором тела теряют способность бытьупругими.
Потеря упругости у разных материалов проявляетсяпо-разному: одни после снятия усилия остаются деформированными; другие придостижении предела упругости разрушаются. Первые материалы называютсяпластичными, вторые — хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.
Хрупкость. Хрупкость — состояние материла, в котором поддействием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации иразрушается. Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение.Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, если внем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков воздуха, если поверхность егопоцарапана.
Материал можно вывести из хрупкого состояния, измениввнешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становитсяпластичным при нагревании. Другие материалы будучи пластичными при обычныхусловиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина приохлаждении становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те жематериалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичномсостоянии. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении изнего разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуетсянагреть до разной температуры.
В зависимости от состава стекла делятся на тугоплавкие илегкоплавкие. При работе первые приходится нагревать до ~1800°С и применятьспециальные паяльные горелки с подачей воздуха и даже кислорода в пламя, дляобработки вторых иногда достаточно температуры пламени обычной газовой горелки.
Твердость. Твердость — сопротивление поверхностных слоевматериала местным деформациям. Обычно она оценивается сопротивлениемвдавливанию индикатора. Существует также шкала твердости, предложенная Моосом иназванная его именем. Эта шкала составлена из ряда материалов, которыерасположены по увеличению твердости, причем каждый последующий царапаетпредыдущий. В этой шкале каждый минерал имеет свой номер, характеризующий егоотносительную твердость. Самый твердый из них — алмаз — имеет № 10, корунд— №9. Твердость всех других материалов оценивается в сравнении с твердостью десятиэталонных минералов. Стекло по шкале Мооса обладает твердостью 5—7, т. е. этовесьма твердый материал.
Наиболее твердыми являются кварцевые стекла и стекла типапирекс».
Прочностьпри сжатии и при растяжении. Прочность— сопротивление материала разрушению. Она характеризуется пределом прочности,который определяется наименьшим усилием, действующим на единицу площади,вызывающим разрушение материала. В единицах СГС эта величина измеряется в динахна квадратный сантиметр, в единицах СИ —в паскалях: 1дин/см2 = 0,1Па.
Предел прочности при сжатии определяется силой сжатия,пре-тел прочности при растяжении — силой растяжения.
Стекло довольно прочный материал, причем его прочность зависит отсостава и метода обработки. Прочность при сжатии стекол разного вида находитсяв пределах от 5 до 200 кГ/мм2, т. е. от 1,9-10" до 19,6-109дин/см2 или 4,9-108— 19,6-108 Па. Чтобыпопять, насколько прочно стекло, можно для сравнения привести значениепрочности при сжатии чугуна 60-т-120 кГ/мм2 и стали 200 кГ/мм2.
Предел прочности стекла при растяжении в 15—20 раз меньшепредела прочности при сжатии и составляет 3,5—10 кГ/мм2.
Прочностьпри изгибе. При изгибе стекло испытываетдействие и растягивающих, и сжимающих сил. Прочность стекла при изгибеопределяют, положив свободно концы стеклянного стержня па две опоры ипостепенно повышая нагрузку в середине его вплоть до разрушения стержня.Прочность стекла при изгибе меньше прочности при растяжении, поэтому участки вместах изгибов трубок и отделки дна заготовок должны быть утолщены.
4. Термические свойства
Часто пригодность стекол для изготовления того или иногоприбора, работающего в определенном интервале температур, оценивают потермическим свойствам стекол: теплоемкости, теплопроводности, термическомурасширению и термостойкости.
Теплоемкость.Теплоемкость материала равна отношениюколичества теплоты, сообщенной ему, к происшедшему при этом изменению температуры материала./> />
Различают удельную и мольную теплоемкость.
Удельная теплоемкость — это количество теплоты, котороенеобходимо сообщить единице массы материала, чтобы его температура изменяласьна 1К, мольная теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимосообщить 1 моль вещества для изменения его температуры также на IK. Вединицах, основанных на калориях, удельная теплоемкость измеряется в кал/ пли вккал/, в единицах системы СГС — в эрг/, в единицах СИ —в Дж/; 1 кал/ = = 1ккал/ = 4,1868-107 = 4,1868- 103Дж/.
Удельная теплоемкость стекла равна 0,08—0,25 кал/, или334,9—1004,8 Дж/ и зависит от его химического состава. Чем больше стеклосодержит окислов тяжелых металлов, например ВаО, РЬО, тем хуже теплоемкостьстекла и тем больше потребуется тепла, чтобы нагреть стекло до заданнойтемпературы. Стекла, в состав которых входят окислы легких металлов, например LbO,обладают большей удельной теплоемкостью.
Теплопроводность.Способность материала проводить тепло, т.е. его теплопроводность, оценивается коэффициентом теплопроводности, которыйчисленно равен количеству тепла, переносимому на определенное расстояние черезединицу поверхности сечения за единицу времени при разности температур в 1 К.Коэффициент теплопроводности измеряется в кал/ или в СГС —в эрг/, а в СИ —вВт/: 1 кал/ = 4,1868-107 эрг/ == 4,1868-102 Вт/.
Стекло плохо проводит тепло, егокоэффициент теплопроводности равен0,0017—0,0032 кал/ или 7—14 Вт/. Нагретые стекла очень медленно остывают, о чемследует помнить при обработке стекла. Кроме того, вследствие малойтеплопроводности стекла при формовке из него деталей и пайке на довольнонебольших участках стеклянных изделий создается большой перепад температуры, аследовательно, в стекле возникают внутренние напряжения и хрупкость егозначительно увеличивается.
Тепловоерасширение. Все твердые тела принагревании расширяются, т. е. увеличиваются в объеме. Стекло являетсяизотропным материалом — при нагревании оно изменяется в объеме во всехнаправлениях одинаково.
Тепловое расширение обычно характеризуют коэффициентомтеплового расширения. Под коэффициентом теплового расширения понимаютувеличение длины образца при нагревании его на 1К, отнесенное к длине образцадо нагревания.
При выполнении стеклодувных работ это свойство стекласледует учитывать. Например, нельзя спаивать стекла, значительно различающиесякоэффициентами термического расширения, так как спай при охлаждении обязательнотреснет. Особенно важно правильно подбирать стекло, если его надо спаять сметаллом'. В таблице 3 приведены значения коэффициентов термического расширенияи других физических характеристик некоторых стекол, применяемых в стеклодувныхработах.
Термостойкость.Способность вещества, не растрескиваясь,выдерживать резкие температурные перепады называется термостойкостью.Термостойкость стекла в основном зависит от значения коэффициента термическогорасширения.
6. Электрические свойства
Стекло при обычных условиях, т. е. в твердом состоянии,является изолятором, и эта его особенность широко используется. Например,металлические контакты — вводы — в приборах впаивают непосредственно в стекло.Однако в расплавленном состоянии стекло проводит электрический ток. Приповышении температуры по мере размягчения стекла электрическое сопротивлениеего уменьшается, причем у разных стекол по-разному. Наибольшим электрическим сопротивлениемобладают стекла с небольшим содержанием ионов щелочных металлов, а такжестекла, содержащие малоподвижные ионы.
Удельное электрическое сопротивление в единицах СПвыражается в Ом-м. В таблицах чаще всего приводят удельное объемноесопротивление стекол при температурах 100, 250 и 350 °С. Кроме того, приводяттемпературу, при которой удельное объемное сопротивление стекла становитсяравным 100 МОм-см; условно эту температуру обозначают Тк— 100.
Способность стекол изменять электрическое сопротивление принагревании используют для пайки с помощью токов высокой частоты. Этот метод особенно удобендля пайки и монтажа крупногабаритных стеклянных изделий. Разогрев доразмягчения спаиваемые участки изделия газовой горелкой, подводят ток высокойчастоты и «сваривают» детали.
Это свойство стекла всегда необходимо учитывать приизготовлении электродов, монтаже электровводов и т. п. Если в стекло впаяныметаллические вводы, то они являются электродами конденсатора, где стекло —диэлектрик. На обкладках конденсатора рассеиваемая за счет диэлектрическихпотерь электрическая энергия переходит в тепло.
Часто напряжение тока, подаваемого на контакты, достигаетдесятков киловольт, а поэтому всегда существует опасность перегрева стекламежду контактами. При этом стекло может стать проводником, произойдет замыканиеили частичный электролиз стекла. Силикаты, входящие в состав стекла,подвергаются электролизу при наложении разности потенциалов, в результате чегонарушается однородность состава стекла, ухудшаются его свойства. Кроме того,при пропускании больших токов через вводы вдоль впаянных металлическихэлектродов появляются пузыри, образуются трещины, нарушается вакуумнаяплотность спая. Признаком, по которому можно обнаружить начало электролиза,является изменение цвета спая, а в свинцовых стеклах — выделение металлическогосвинца на поверхности электродов.
Электролиз стекла усиливается свозрастанием разности потенциала на вводахи с увеличением температуры.
При этом стекло в результате перегрева может размягчиться и,если прибор работает при пониженном давлении, место ввода контактовдеформироваться под действием атмосферного давления, возможна дажеразгерметизация прибора.
Учитывая все сказанное, при монтаже прибора следуеттщательно подбирать нужные сорта стекла. Чем больше диэлектрические потери, тембольше возможен перегрев. Диэлектрические потери прямо пропорциональны частотепеременного тока и произведению тангенса угла диэлектрических потерь надиэлектрическую проницаемость материала. Последнее произведение носит названиекоэффициента потерь. Для впаивания электродов следует подбирать стекла снаименьшим коэффициентом потерь, для использования стекла в качестведиэлектрика — с наибольшим удельным сопротивлением. Так, наибольшимэлектрическим сопротивлением обладают свинцовые, боросиликатные, типа «пирекс»,алюмосиликатные и кварцевые стекла.
Очень важно также знать и поверхностное сопротивлениестекла. Это свойство определяется состоянием поверхности стекла —загрязненности и адсорбированной пленки воды. Стекла, содержащие большоеколичество ионов щелочных металлов, легко сорбируют водяные пары и двуокисьуглерода, содержащиеся в воздухе. При этом на поверхности стекла образуется«карбонатная пленка», являющаяся проводником электричества, в результате чегоповерхностное сопротивление стекла уменьшается. Поверхностное электрическоесопротивление стекла может уменьшиться и в результате загрязнения поверхностистекла частичками веществ, пыли.
Такое загрязненное с поверхности стекло делаетсяпроводником электричества, а не изолятором.
7. Газопроницаемость иобезгаживание стекол
При определенных условиях стекла обладаютгазопроницаемостью, т. е. газы способны диффундировать через стекло. Этосвойство стекла становится заметным при разности давления по обе стороны стекляннойстенки не менее 106 торр.
Наибольшей проницаемостью через стекло обладают гелий иводород, причем скорость проникания водорода через стекла на порядок ниже, чему гелия. Для аргона, кислорода и азота стекла можно считать непроницаемыми, таккак проницаемость этих газов в 105 раз меньше проницаемости гелия.
Газопроницаемость стекол зависит от рода газа, составастекла, температуры нагрева и толщины стенок. Чем плотнее структура стекла ичем больше молекула газа, тем меньше газопроницаемость.
Наибольшей газопроницаемостью обладает кварцевое стекло;его газопроницаемость приблизительно в 3-102 раза больше, чем другихстекол. Проницаемость кристаллического кварца в 107 раз меньше, чемплавленого.
Интересно познакомиться с проницаемостью гелия через стенкиколб, изготовленных из разных сортов стекла. Если при температуре 25 °Сначальное давление в колбе было 1016 торр, то при тон же температуредавление повысится до 10-6 торр в колбе из плавленого кварца спустятри дня, из стекла «пирекс» — через месяц, а в колбе из известково-натриевогостекла и других стекол — лишь спустя долгое время.
Газопроницаемость уменьшается при увеличении толщины стенкии понижении температуры.
Стекла способны также адсорбировать и абсорбировать газы.Поглощение газов стеклом зависит и от вида газа, и от сорта стекла, а крометого, от условий получения и хранения' стекла.
Растворение газов и связывание их стеклом в основномпроисходит в процессе его изготовления. «Насыщение» стекла водой наблюдаетсяпри длительном хранении его во влажной среде. Такая вода находится в основном вповерхностном слое и при нагревании до 450°С удаляется из него. Выделение водыпри нагревании резко снижается, если стекло предварительно протравитьплавиковой кислотой.
Выделение газов из стекла при нагревании можно наблюдать,например, при перепайке пламенем горелки стеклянных перетяжек на работающем подразрежением приборе. При этом вакуумно-ионизационный манометр показываетуменьшение разрежения в вакуумной системе, так как газы, содержащиеся в стекле,выделяются в откачиваемый объем. В таких случаях сначала происходит удалениеводы, затем сорбированной двуокиси углерода. Подобные явления изменяют условияэксперимента и при высоких требованиях к их постоянству влияют на результатыисследований. Поэтому стеклянные детали после монтажа сложного вакуумногоприбора обезгаживают. Для этого их прогревают под вакуумом при достаточновысоких температурах, но ниже температуры отжига стекла приблизительно на 100С.
Стеклянные приборы и коммуникации из стекол, работаюшие принизких давлениях, должны находиться при комнатной или более низкихтемпературах.
8. Химическая стойкость
Стекло — химически довольно стойкий материал. Кислоты, заисключением плавиковой и фосфорной, практически не действуют на стекло. Однаконет таких стекол, которые бы совсем не реагировали с водой и щелочами. Придлительном воздействии щелочей на стекло происходит его выщелачивание,изменение состава, вида и свойств. При действии воды происходит гидролизстекла, в результате которого некоторое количество щелочи и других растворимыхкомпонентов переходит в воду; их можно определить титрованием 0,01 н. НО Чембольше кислоты пошло на титрование, тем менее стойким к воздействию воды былостекло.
По отношению к действию воды стекла делят на пять гидролитическихклассов.
К классу I относят стекла, практически неизменяемые водой,к классу V-неудовлетворительные стекла; к классу II относятся устойчивыестекла; к классу III —твердые аппаратные; к классу IV —мягкие аппаратныестекла.
Большинство силикатных стекол, выпускаемых промышленностью,относятся к границе классов II и III или к началу класса III.
Наибольшей химической стойкостью по отношению к воде икислым агрессивным средам обладает кварцевое стекло, но по отношению к щелочамоно тоже малоустойчиво, как и другие стекла. Например, при воздействии накварцевое стекло концентрированной НС1 в течение 120 ч при 20°С потеря в массестекла составляет 25 мг/см2, а при действии на то же стекло 1%-гораствора NaOH в течение того же времени и при той же температуре потеряв массе составляет 160 мг/см2.
Таким образом, химическая стойкость стекла в первую очередьопределяется его составом: стекло химически более стойко с большим содержаниеммалорастворимых окислов алюминия, бора, цинка, свинца, магния и менее стойко сбольшим содержанием хорошо растворимых окислов щелочных и щелочноземельныхметаллов.
Однако химическая устойчивость стекла зависит и от егообработки. Так, она повышается после выдувания стекла из стекломассы, а такжепосле отжига в печах, атмосфера которых содержит сернистый ангидрид. Это объясняется тем, что при высокой температуре междусоединениями щелочных металлов, входящими в состав стекла, и газами,содержащимися в окружающей стекло атмосфере, протекает реакция, причем лишь наповерхности стекла.
Этот процесс условно называется обесщелачиваниемповерхности стекла.
9. Стеклодувные работы
Стекла, используемые для изготовления лабораторных приборови аппаратов, должны обладать высокой химической стойкостью, термостойкостью и вто же время должны легко обрабатываться на пламени стеклодувных горелок. Взависимости от термостойкости стекол их и классифицируют. При этом за основупринадлежности стекол к определенной группе берут коэффициент тепловогорасширения. Строгой классификации стекол по термостойкости не существует, ноочень удобна в стеклодувном деле условная классификация стекол потермостойкости, предложенная С.К. Дуброво. Согласно этой классификации, всестекла можно разделить на четыре группы.
Первая группа — стекла, обладающие сравнительно невысокойтермостойкостью. Коэффициент теплового расширения их колеблется в пределах — Ю-71/К в интервале 20—400°С. Такие стекла содержат 67—69% окиси кремния и 12—18% окислов щелочных металлов. К этой группе стекол можноотнести: № 23, ХУ-1, немецкое тюрингенское, Унихост, Х8, Мурано X, свинцовыестекла и некоторые другие.
Стекла этой группы сравнительно легкоплавки, поэтомуобработку их следует вести очень тщательно, периодически обогревая на пламениобрабатываемые изделия. Обработку производят на «мягком» пламени горелок снебольшой добавкой кислорода, а иногда и без кислорода. Легкоплавкие стекланаиболее склонны к «расстекловыванию», т. е. во время длительного прогрева напламени горелки из верхних слоев стекла частично «выжигаются» окислы щелочных металлов.Стекло в месте нагрева теряет прозрачность и становится мутным, а послеостывания шероховатым на ощупь. Избавляются от этого «подсаливанием» пламени,для чего вводят в пламя горелки марлевый тампон, смоченный насыщенным растворомповаренной соли. Соль, оседая на расстеклованный участок размягченного стекла,возвращает ему первоначальный вид.
Особое внимание следует уделять обработке свинцовых стекол,так как при длительном прогреве в пламени они чернеют в результатевосстановления металлического свинца. Чтобы этого не произошло, обработкусвинцовых стекол производят в окислительной зоне пламени. Почернение свинцовыхстекол может происходить и при длительном нагревании их электрообогревателями вприсутствии кислорода.
Вторую группу составляют стекла с повышеннойтермостойкостью. Значение коэффициентов теплового расширения их лежит впределах -107 1/К. Они содержат от 72 до 76% окиси кремния, 6—10%окиси щелочных металлов и 3—8% окиси бора. К этойгруппе можно отнести стекла: молибденовые, ДГ-2, Сиал, Иенатерм, и др. Стекла этой группы наиболее широко используются дляизготовления приборов и вакуумных коммуникаций в цельнопаяных лабораторныхустановках.
В нашей стране наибольшей популярностью пользуютсямолибденовые стекла. Название молибденовые они получили благодарязамечательному свойству — давать вакуумноплотный спай с металлическиммолибденом. Молибденовые стекла по своим химическим свойствам уступают другимстеклам: они менее стойки по отношению к кислотам, воде и щелочи. Однако онималогазопроницаемы и легко поддаются обработке. Они нашли применение в разныхотраслях промышленности, например в электровакуумной. При длительном хранении вскладских неблагоприятных условиях молибденовые стекла способны ккристаллизации.
Молибденовые стекла не выдерживают очень длительногонагревания в пламени, а в местах спаев могут мутнеть, приобретаякоричнево-белесый или темно-коричневый оттенок. По-видимому, при высокойтемпературе и воздушно-кислородном дутье происходит окисление некоторых окисловметалла, входящих в состав стекла. Ликвидировать помутнение невозможно, поэтомуобработку такого стекла на пламени горелок следует вести быстро.
В последнее десятилетие Институтом химии силикатов изаводом «Дружная горка» разработано новое отечественное стекло ДГ-2. Стеклополучило высокую оценку как по легкости стеклодувной обработки и податливости,так и по качеству изделий из него. Оно прекрасно обрабатывается на газовыхгорелках, обладает большей термостойкостью, чем молибденовые стекла, номеньшей, чем стекла типа «пирекс». Стекло ДГ-2 не мутнеет при длительнойобработке в пламени, прекрасно спаивается с молибденовыми стеклами и стекламиСиал и G20, стойко к щелочам, кислотам и воде.
Согласно данным С. К. Дуброво, трубки из стекла ДГ-2 выдерживаютдовольно большое давление и растрескиваются при следующих условиях:
/>
Думается, стекло ДГ-2 найдет широкое применение встеклодувных работах. По свойствам оно сходно со стеклом Сиал.
Стекла Иенатерм и G20 по термостойкостипревосходят перечисленные выше; химическая стойкость их по отношению ккислотам, щелочам и воде больше даже, чем у стекол типа «пирекс», отнесенных ктретьей группе. Однако обрабатывать эти стекла в пламени горелки значительнотруднее, чем молибденовые, ДГ-2 и Сиал; при нагревании они довольно быстромутнеют. Изделия из них после изготовления необходимо более тщательно идлительно обогревать на бескислородном пламени горелки, чем все остальныестекла. Иенатерм спаивается с молибденовыми стеклами и стеклом третьей группыДюран 50 простым спаем, поэтому его часто используют как «переходное» стеклодля спайки частей прибора, изготовленных из стекла второй группы, с частямиприбора из стекла третьей группы.
Третья группа — стекла с высокой термостойкостью.Коэффициент теплового расширения их равен Ю-7 1/К. Обычно этовысококремнеземистые малощелочные боросиликат-ные стекла типа «пирекс»:термостойкое, Симакс, Разотерм, Дюран, Гизиль и Фол-никс, Термисил, Корнинг идр.
Стекла типа «пирекс» были запатентованы в 1915—1919 гг.сотрудниками фирмы «Corning» Сулливаном и Тейлором, но в дальнейшем «пирексовые»стекла нашли широкое распространение во многих странах мира под разныминазваниями. Эти стекла обладают высокой химической стойкостью по отношению к водеи кислотам. Обработка таких стекол в пламени стеклодувных горелок требуетвысокой температуры пламени ~800°С, поэтому обработку часто производят нагорелках, предназначенных для кварцевого стекла.
Некоторые «пирексовые» стекла при длительном нагреваниикристаллизуются и мутнеют, на поверхности изделия появляются «морщинки».Избавиться от кристаллизации, если она произошла, практически невозможно. Таккак обработку таких стекол ведут при высокой температуре, происходит выделениенекоторых компонентов стекла, поверхность изделий при этом покрывается слабымбелым налетом, который легко снимается при протирке изделия. Наличие налетаспособствует ускорению кристаллизации стекла, поэтому после подготовки заготовокиз «пирек-совых» стекол, предназначенных к повторной обработке в пламени, с нихследует снять белый налет, тщательно протирая поверхность чистой влажной марлейили бязью.
Несмотря на высокую термостойкость «пирексовые» стеклатребуют соблюдения всех правил обработки стекол на стеклодувных и кварцедувныхгорелках.
Четвертая группа — особо высокотермостойкие стекла типакварцевого, коэффициент теплового расширения их составляет 6-1071/К.Они содержат 98,9—99,9% окиси кремния.
10. Исходные материалы для стеклодувных работ
Исходным материалом для всех стеклодувных работ служатспециальные стеклянные заготовки, выпускаемые стеклозаводами, — трубки разногодиаметра с разной толщиной стенок. Такие трубки называют дротом. К заготовкамотносятся стеклянные палочки диаметром от 10 до 20 мм, широкие цилиндры илибаллоны диаметром 150—200 мм с разными очертаниями дна и разной длины,капилляры с различной толщиной стенок и разным внутренним диаметром,барометрические трубки внутренним диаметром от 2 до 4 мм, крановые трубки столщиной стенок 4—5 мм и диаметром до 30 мм, шаровые заготовки в виде колбразличной емкости с необработанными горловинами и др.
Стеклянные заготовки тщательно отбраковываются отделомтехнического контроля предприятия. Однако необходимо знать пороки стеклянныхзаготовок, которые могут оказаться незамеченными. Кроме того, некоторые изпороков могут появляться в стекле при спаивании стекол между собой, привпаивании металлов в стекло и т. д.
Пузыри в стекле могут быть технологическим браком, а могути образоваться в результате газовыделения при впаивании металла в стекло, привыгорании загрязнений, попадающих в места спаев, и др.
Пузырь — это полость, заполненная газом. Пузыри могут бытьлюбой формы и размеров, самые мелкие называют «мошкой». В месте, где имеетсяпузырь, стенки заготовки или спая всегда тоньше. При обработке в пламенигорелок заготовка в этом месте может деформироваться или даже прорваться. Припроверке на герметичность изделия, в стенке которого есть пузырь, всегдавозникает опасность «пробоя» стенок искровым течеискателем. Поэтому заготовки,имеющие включения пузырей, лучше не использовать в работе вовсе. Если этоединичный пузырь, то его можно удалить, а затем тщательно проплавить на пламенигорелки это место. Изделия, в которых при изготовлении или сборе образовалисьпузыри, следует отбраковать.
Камни — это всевозможные твердые включения, которыепопадают в стекло при его варке. Это могут быть кусочки шихты, огнеупорныхматериалов печей, включение крупного кварцевого песка и т. д. От камнейнеобходимо освобождаться сразу же, вырезая данный участок заготовки, так какразогреть заготовку на пламени и вытащить камень не всегда удается в связи сбольшими внутренними напряжениями, возникающими в стекле в месте включениякамня.
Крупка — это включение мелких зерен кварцевого песка.Крупка получается при нарушении условий варки стекла, избытке песка в шихте.Стекло с крупкой нельзя применять для стеклодувных работ.
Пена образуется при варке стекла и представляет собойвключение большого числа мелких пузырьков. Пену иногда можно наблюдать наповерхности в толще стеклянных заготовок. Стекла с пеной не следует применять.
Свили образуются при варке стекла и проявляются вволнистости и слоистости заготовок. Свили заметны на глаз. Свиль — этостеклообразование, обладающее иными физическими свойствами, отличными отсвойств основного стекла. Появление свилей объясняют отклонением в химическомсоставе стекла или местными перегревами стеклянной массы при варке. Крупныесвили называют шлиром. Часто свили нельзя обнаружить невооруженным глазом. Вэтом случае свили обнаруживают на специальных приборах, просматривая стекло вполяризованном свете.
К недостаткам стеклянных заготовок также относятразностенность, конусность, эллиптичность, прогиб по длине трубок.
11. Отжиг стекла
В стекле при нагревании, охлаждении, механическомвоздействии возникают внутренние напряжения. Напряжения могут быть временными иостаточными. Временные напряжения исчезают при охлаждении стекла. Остаточныенапряжения остаются в стекле и значительно снижают их характеристики: резко снижаетсяпрочность стеклянного изделия, стекло делается неизотропным, т.е. свойства вразных направлениях стеклянной массы делаются разными.
Для ликвидации остаточных напряжений применяют отжигстекла. Отжиг — это специальная термическая обработка всего стеклянногоизделия, заключающаяся в нагревании до такой температуры, при которой частицыстекла становятся подвижными, но стекло еще не размягчается, и медленномохлаждении. Напряжения исчезают тем быстрее, чем меньше вязкость стекла.Например, при вязкости в 1 -1013 — 2,5-1013 П напряженияисчезают за 7—15 мин, а при вязкости в 4-104 П—за 4 ч.
Температуру, соответствующую вязкости 1-1013П,называют верхней температурой отжига. Температуру, соответствующую вязкостиоколо 1015 П, называют нижней температурой отжига. Весь процессотжига делится на четыре стадии.
Первая стадия — нагревание или охлаждение до температурыотжига. Если изделие имеет комнатную температуру, то его постепенно нагревают,если же оно разогрето выше температуры отжига данного стекла, то его охлаждаютдо температуры отжига.
Вторая стадия — выдерживание при температуре отжига ±°C доисчезновения напряжений. Чем больше размеры изделия и толщина стенок, темдлительнее выдержка его при температуре отжига.
Третья стадия — медленное охлаждение до нижней температурыотжига. Самое главное — охлаждать с достаточно малой скоростью, чтобы невозникли новые постоянные напряжения.
Верхняя температура отжига молибденового стекла находитсяпри 535—540°С, до этой температуры его нагревают на первой стадии отжига ивыдерживают; на третьей стадии это стекло медленно охлаждают до 410°С — нижнейтемпературы отжига.
Четвертая стадия — охлаждение до комнатной температуры. Припадении температуры ниже нижней температуры отжига напряжений в изделии невозникает, поэтому охлаждение на данной стадии может проходить с достаточнобольшой скоростью, практически со скоростью остывания печи.
Скорость нагревания на первой стадии и охлаждения начетвертой определяется размером и толщиной стенок изделий.
Для определения остаточных напряжений в стекле применяютспециальные приборы — полярископы, выпускаемые промышленностью.
Отжиг стеклянных изделий проводят в специальных печах; взаводских условиях — это камерные, вагонеточные, муфельные, роликовые,циркуляционные и вертикальные печи. В условиях стеклодувных мастерских дляотжига стекол применяют электрические муфельные печи. Контроль и выдержкустекла в определяемом интервале температур осуществляют при помощи регулирующихприборов.
Любая стеклодувная мастерская должна иметь большую печь дляотжига крупногабаритных стеклянных изделий и обязательно несколько малыхмуфельных печей.