Общие понятия.
Закаленное стекло — это стекло, у которого путем химической или термической обработки повышается прочность к ударам и перепадам температуры по сравнению с обычным стеклом. При разрушении закаленное стекло распадается на маленькие безопасные осколки, поэтому такое стекло называют еще и «безопасным». Цвет, прозрачность, химический состав и характеристики пропускания света в закаленном стекле не изменяются. Не изменяется также твердость, коэффициент расширения, термическая проводимость и другие физические параметры. Улучшаются лишь прочность на изгиб и разрыв, а также устойчивость к термическим напряжениям.
Химическое предварительное напряжение.
Стекло погружают в солевой раствор, содержащий ионы калия. В структуре стекла, ионы калия замещают ионы натрия и приводят к деформации сжатия на верхних слоях стекла. Поскольку таким образом удается воздействовать лишь на тонкий слой, так обрабатывают очень тонкое стекло, которое не применяют в строительстве. Высокая прочность такого стекла при изгибе (до 1000 Г1/мм2) обуславливает широкое использование такого стекла в лабораториях.
Термическое предварительное напряжение.
Термическое предварительное напряжение (закаливание) состоит в том, что прирезанное до нужных размеров стекло пропускается через печь, где нагревается до температуры не более 650°С (если температура выше — стекло может размягчиться, что недопустимо). На выходе из печи стекло быстро охлаждается (закаливается) путем нагнетания воздуха на обе поверхности одновременно. Внешние слои стекла (примерно по 20% от общей толщины) быстро сокращаются, создавая помехи для сжатия внутреннего слоя (около 60% толщины), который из-за этого находится в растянутом состоянии. В свою очередь, наружные слои остаются в сжатом состоянии. Это напоминает работу предварительно напряженных железобетонных конструкций, в которых роль внутреннего слоя закаленного стекла выполняет предварительно растянутая арматура.
Физические особенности закаленного стекла.
Известно, что стекло очень крепкий материал. Его твердость и прочность на сжатие обеспечивают большая доля диоксида кремния. Но в то же время диоксид кремния определяет хрупкость стекла, поэтому оно плохо подлежит пластической деформации изгиба. Обычно при достижении нагрузки при изгибе 40—50 Н/мм 2 обычное стекло ломается, образуя большие осколки, опасные для людей. Поэтому сегодня в мире в оформлении фасадов и витрин зданий различного исполнения безоговорочно применяется безопасное, и в первую очередь, закаленное стекло.
Максимально допустимо напряжение при изгибе закаленного стекла в 4—5 раз выше обычного -200 Н/мм2. Важнейшим преимуществом его является и то, что при распаде оно не может повредить, т. к. распадается на мелкие округлые осколки. Кроме того, такое стекло гораздо лучше противостоит колебаниям температуры. Термостойкость плоского закаленного стекла достигает 180—200°С, тогда как у обычного стекла оно не превышает и 100°С. В то же время цвет, прозрачность, химический состав и характеристики пропускания света в процессе термической обработки не изменяются. Таким образом, твердость, коэффициент расширения, термическая проводимость и другие параметры закаленного стекла остаются такими же, как и у обычного. Вот почему такое стекло широко применяется в транспортной и строительной индустрии.
К числу недостатков закаленного стекла относится невозможность его механической обработки. Поэтому любую такую обработку (сверление, шлифование, обработку кромок) это стекло должно пройти заранее.
Для испытаний прочностных характеристик закаленного стекла используют два основных теста. Такое стекло должно выдерживать без разрушения удар стального шара массой 227 +2 г, падающего с высоты от 2 м (для стекол толщиной 4 мм) до 3 м (при толщине стекла выше 6 мм). Стекло должно также выдерживать без разрушения удар мягкого тела массой 45+1 кг (см. рис. 1). В случае превышения указанных выше нагрузок стекло должно образовывать безопасные осколки, число которых нормируется в зависимости от толщины.
Печи для закаливания стекла.
Предварительное напряжение стекла производят в вертикальной или горизонтальной печи. Недостаток вертикального закаливания стекла заключается в том, что на тех местах стекла, за которые оно было подвешено, остаются следы деформации. Вертикальный метод закаливания используют редко. Недостаток горизонтального закаливания — неравномерность поверхности, которая возникает из-за давления валиков в печи. Поэтому конструкция печи крайне сложна, и обычно для закаливания используются так называемые конвективные печи. В этих печах тепло поступает в пространство печи с горячим воздухом. Стекло подается в печь по цилиндрам, а горячий воздух двумя радиальными вентиляторами поступает по специальным каналам снизу и сверху стекла, а затем через небольшие отверстия в промежутках между цилиндрами обдувает стекло (см. рис. 2). Обычно время нагрева стекла — 20—35 сек на каждый миллиметр его толщины в зависимости от температуры печи и толщины стекла. Такие печи получили наибольшее распространение потому, что в них цилиндры нагреваются тем же потоком воздуха, что и само стекло, и, следовательно, не возникают проблемы потери прочности при контакте нижней холодной стороны стекла с горячими цилиндрами.
Силу потока воздуха и подачу теплоты можно регулировать, изменив скорость вентилятора. Обычно режимы обдува подбирают таким образом, чтобы температура равномерно распределялась по обеим поверхностям стекла, и каждое новое стекло нагревалось таким же образом. На (рис. 3) показана линия горизонтального закаливания стекла Pro Conwection компании ТАМQLASS. Линия этой компании недавно была установлена в Украине на ЗАО <Писичанский завод <Пролетарий>.
Будущее закаленного стекла.
Закаленное строительное стекло предназначено для безопасного остекленения светопрозрачных строительных конструкций, таких как оконные и дверные блоки, витрины, элементы ограждения лоджий, балконов и т. д. Б современных зданиях эти стекла применяются в качестве фасадных конструкций, при остекленении кровель, торговых центров. Часто такие стекла применяются в интерьерах (балюстрады, перегородки и т. д.).
Перспективным направлением использования безопасного стекла является использование такого стекла для стеклянной мебели, душевых кабин и т. д.
