Курсовая работа: Свойства стекла
По отношению к действию воды стекла делят на пять гидролитических классов.
К классу I относят стекла, практически неизменяемые водой, к классу V-неудовлетворительные стекла; к классу II относятся устойчивые стекла; к классу III —твердые аппаратные; к классу IV —мягкие аппаратные стекла.
Большинство силикатных стекол, выпускаемых промышленностью, относятся к границе классов II и III или к началу класса III.
Наибольшей химической стойкостью по отношению к воде и кислым агрессивным средам обладает кварцевое стекло, но по отношению к щелочам оно тоже малоустойчиво, как и другие стекла. Например, при воздействии на кварцевое стекло концентрированной НС1 в течение 120 ч при 20°С потеря в массе стекла составляет 25 мг/см2, а при действии на то же стекло 1%-го раствора NaOH в течение того же времени и при той же температуре потеря в массе составляет 160 мг/см2.
Таким образом, химическая стойкость стекла в первую очередь определяется его составом: стекло химически более стойко с большим содержанием малорастворимых окислов алюминия, бора, цинка, свинца, магния и менее стойко с большим содержанием хорошо растворимых окислов щелочных и щелочноземельных металлов.
Однако химическая устойчивость стекла зависит и от его обработки. Так, она повышается после выдувания стекла из стекломассы, а также после отжига в печах, атмосфера которых содержит сернистый ангидрид. Это объясняется тем, что при высокой температуре между соединениями щелочных металлов, входящими в состав стекла, и газами, содержащимися в окружающей стекло атмосфере, протекает реакция, причем лишь на поверхности стекла.
Этот процесс условно называется обесщелачиванием поверхности стекла.
9. Стеклодувные работы
Стекла, используемые для изготовления лабораторных приборов и аппаратов, должны обладать высокой химической стойкостью, термостойкостью и в то же время должны легко обрабатываться на пламени стеклодувных горелок. В зависимости от термостойкости стекол их и классифицируют. При этом за основу принадлежности стекол к определенной группе берут коэффициент теплового расширения. Строгой классификации стекол по термостойкости не существует, но очень удобна в стеклодувном деле условная классификация стекол по термостойкости, предложенная С.К. Дуброво. Согласно этой классификации, все стекла можно разделить на четыре группы.
Первая группа — стекла, обладающие сравнительно невысокой термостойкостью. Коэффициент теплового расширения их колеблется в пределах - Ю-7 1/К в интервале 20—400°С. Такие стекла содержат 67—69% окиси кремния и 12—18% окислов щелочных металлов. К этой группе стекол можно отнести: № 23, ХУ-1, немецкое тюрингенское, Унихост, Х8, Мурано X, свинцовые стекла и некоторые другие.
Стекла этой группы сравнительно легкоплавки, поэтому обработку их следует вести очень тщательно, периодически обогревая на пламени обрабатываемые изделия. Обработку производят на «мягком» пламени горелок с небольшой добавкой кислорода, а иногда и без кислорода. Легкоплавкие стекла наиболее склонны к «расстекловыванию», т. е. во время длительного прогрева на пламени горелки из верхних слоев стекла частично «выжигаются» окислы щелочных металлов. Стекло в месте нагрева теряет прозрачность и становится мутным, а после остывания шероховатым на ощупь. Избавляются от этого «подсаливанием» пламени, для чего вводят в пламя горелки марлевый тампон, смоченный насыщенным раствором поваренной 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 результате восстановления металлического свинца. Чтобы этого не произошло, обработку свинцовых стекол производят в окислительной зоне пламени. Почернение свинцовых стекол может происходить и при длительном нагревании их электрообогревателями в присутствии кислорода.
Вторую группу составляют стекла с повышенной термостойкостью. Значение коэффициентов теплового расширения их лежит в пределах -107 1/К. Они содержат от 72 до 76% окиси кремния, 6—10% окиси щелочных металлов и 3—8% окиси бора. К этой группе можно отнести стекла: молибденовые, ДГ-2, Сиал, Иенатерм, и др. Стекла этой группы наиболее широко используются для изготовления приборов и вакуумных коммуникаций в цельнопаяных лабораторных установках.
В нашей стране наибольшей популярностью пользуются молибденовые стекла. Название молибденовые они получили благодаря замечательному свойству — давать вакуумноплотный спай с металлическим молибденом. Молибденовые стекла по своим химическим свойствам уступают другим стеклам: они менее стойки по отношению к кислотам, воде и щелочи. Однако они малогазопроницаемы и легко поддаются обработке. Они нашли применение в разных отраслях промышленности, например в электровакуумной. При длительном хранении в складских неблагоприятных условиях молибденовые стекла способны к кристаллизации.
Молибденовые стекла не выдерживают очень длительного нагревания в пламени, а в местах спаев могут мутнеть, приобретая коричнево-белесый или темно-коричневый оттенок. По-видимому, при высокой температуре и воздушно-кислородном дутье происходит окисление некоторых окислов металла, входящих в состав стекла. Ликвидировать помутнение невозможно, поэтому обработку такого стекла на пламени горелок следует вести быстро.
В последнее десятилетие Институтом химии силикатов и заводом «Дружная горка» разработано новое отечественное стекло ДГ-2. Стекло получило высокую оценку как по легкости стеклодувной обработки и податливости, так и по качеству изделий из него. Оно прекрасно обрабатывается на газовых горелках, обладает большей термостойкостью, чем молибденовые стекла, но меньшей, чем стекла типа «пирекс». Стекло ДГ-2 не мутнеет при длительной обработке в пламени, прекрасно спаивается с молибденовыми стеклами и стеклами Сиал и G20, стойко к щелочам, кислотам и воде.
Согласно данным С. К. Дуброво, трубки из стекла ДГ-2 выдерживают довольно большое давление и растрескиваются при следующих условиях:
Думается, стекло ДГ-2 найдет широкое применение в стеклодувных работах. По свойствам оно сходно со стеклом Сиал.
Стекла Иенатерм и G20 по термостойкости превосходят перечисленные выше; химическая стойкость их по отношению к кислотам, щелочам и воде больше даже, чем у стекол типа «пирекс», отнесенных к третьей группе. Однако обрабатывать эти стекла в пламени горелки значительно труднее, чем молибденовые, ДГ-2 и Сиал; при нагревании они довольно быстро мутнеют. Изделия из них после изготовления необходимо более тщательно и длительно обогревать на бескислородном пламени горелки, чем все остальные стекла. Иенатерм спаивается с молибденовыми стеклами и стеклом третьей группы Дюран 50 простым спаем, поэтому его часто используют как «переходное» стекло для спайки частей прибора, изготовленных из стекла второй группы, с частями прибора из стекла третьей группы.
Третья группа — стекла с высокой термостойкостью. Коэффициент теплового расширения их равен Ю-7 1/К. Обычно это высококремнеземистые малощелочные боросиликат-ные стекла типа «пирекс»: термостойкое, Симакс, Разотерм, Дюран, Гизиль и Фол-никс, Термисил, Корнинг и др.
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 разными названиями. Эти стекла обладают высокой химической стойкостью по отношению к воде и кислотам. Обработка таких стекол в пламени стеклодувных горелок требует высокой температуры пламени ~800°С, поэтому обработку часто производят на горелках, предназначенных для кварцевого стекла.
Некоторые «пирексовые» стекла при длительном нагревании кристаллизуются и мутнеют, на поверхности изделия появляются «морщинки». Избавиться от кристаллизации, если она произошла, практически невозможно. Так как обработку таких стекол ведут при высокой температуре, происходит выделение некоторых компонентов стекла, поверхность изделий при этом покрывается слабым белым налетом, который легко снимается при протирке изделия. Наличие налета способствует ускорению кристаллизации стекла, поэтому после подготовки заготовок из «пирек-совых» стекол, предназначенных к повторной обработке в пламени, с них следует снять белый налет, тщательно протирая поверхность чистой влажной марлей или бязью.
Несмотря на высокую термостойкость «пирексовые» стекла требуют соблюдения всех правил обработки стекол на стеклодувных и кварцедувных горелках.
Четвертая группа — особо высокотермостойкие стекла типа кварцевого, 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 служат специальные стеклянные заготовки, выпускаемые стеклозаводами, — трубки разного диаметра с разной толщиной стенок. Такие трубки называют дротом. К заготовкам относятся стеклянные палочки диаметром от 10 до 20 мм, широкие цилиндры или баллоны 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 с толщиной стенок 4—5 мм и диаметром до 30 мм, шаровые заготовки в виде колб различной емкости с необработанными горловинами и др.
Стеклянные заготовки тщательно отбраковываются отделом технического контроля предприятия. Однако необходимо знать пороки стеклянных заготовок, которые могут оказаться незамеченными. Кроме того, некоторые из пороков могут появляться в стекле при спаивании стекол между собой, при впаивании металлов в стекло и т. д.
Пузыри в стекле могут быть технологическим браком, а могут и образоваться в результате газовыделения при впаивании металла в стекло, при выгорании загрязнений, попадающих в места спаев, и др.
Пузырь — это полость, заполненная газом. Пузыри могут быть любой формы и размеров, самые мелкие называют «мошкой». В месте, где имеется пузырь, стенки заготовки или спая всегда тоньше. При обработке в пламени горелок заготовка в этом месте может деформироваться или даже прорваться. При проверке на герметичность изделия, в стенке которого есть пузырь, всегда возникает опасность «пробоя» стенок искровым течеискателем. Поэтому заготовки, имеющие включения пузырей, лучше не использовать в работе вовсе. Если это единичный пузырь, то его можно удалить, а затем тщательно проплавить на пламени горелки это место. Изделия, в которых при изготовлении или сборе образовались пузыри, следует отбраковать.
Камни — это всевозможные твердые включения, которые попадают в стекло при его варке. Это могут быть кусочки шихты, огнеупорных материалов печей, включение крупного кварцевого песка и т. д. От камней необходимо освобождаться сразу же, вырезая данный участок заготовки, так как разогреть заготовку на пламени и вытащить камень не всегда удается в связи с большими внутренними напряжениями, возникающими в стекле в месте включения камня.
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 собой включение большого числа мелких пузырьков. Пену иногда можно наблюдать на поверхности в толще стеклянных заготовок. Стекла с пеной не следует применять.
Свили образуются при варке стекла и проявляются в волнистости и слоистости заготовок. Свили заметны на глаз. Свиль — это стеклообразование, обладающее иными физическими свойствами, отличными от свойств основного стекла. Появление свилей объясняют отклонением в химическом составе стекла или местными перегревами стеклянной массы при варке. Крупные свили называют шлиром. Часто свили нельзя обнаружить невооруженным глазом. В этом случае свили обнаруживают на специальных приборах, просматривая стекло в поляризованном свете.
К недостаткам стеклянных заготовок также относят разностенность, конусность, эллиптичность, прогиб по длине трубок.
11. Отжиг стекла
В стекле при нагревании, охлаждении, механическом воздействии возникают внутренние напряжения. Напряжения могут быть временными и остаточными. Временные напряжения исчезают при охлаждении стекла. Остаточные напряжения остаются в стекле и значительно снижают их характеристики: резко снижается прочность стеклянного изделия, стекло делается неизотропным, т.е. свойства в разных направлениях стеклянной массы делаются разными.
Для ликвидации остаточных напряжений применяют отжиг стекла. Отжиг — это специальная термическая обработка всего стеклянного изделия, заключающаяся в нагревании до такой температуры, при которой частицы стекла становятся подвижными, но стекло еще не размягчается, и медленном охлаждении. Напряжения исчезают тем быстрее, чем меньше вязкость стекла. Например, при вязкости в 1 -1013 — 2,5-1013 П напряжения исчезают 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 вязкости около 1015 П, называют нижней температурой отжига. Весь процесс отжига делится на четыре стадии.
Первая стадия — нагревание или охлаждение до температуры отжига. Если изделие имеет комнатную температуру, то его постепенно нагревают, если же оно разогрето выше температуры отжига данного стекла, то его охлаждают до температуры отжига.
Вторая стадия — выдерживание при температуре отжига ±°C до исчезновения напряжений. Чем больше размеры изделия и толщина стенок, тем длительнее выдержка его при температуре отжига.
Третья стадия — медленное охлаждение до нижней температуры отжига. Самое главное — охлаждать с достаточно малой скоростью, чтобы не возникли новые постоянные напряжения.
Верхняя температура отжига молибденового стекла находится при 535—540°С, до этой температуры его нагревают на первой стадии отжига и выдерживают; на третьей стадии это стекло медленно охлаждают до 410°С — нижней температуры отжига.
Четвертая стадия — охлаждение до комнатной температуры. При падении температуры ниже нижней температуры отжига напряжений в изделии не возникает, поэтому охлаждение на данной стадии может проходить с достаточно большой скоростью, практически со скоростью остывания печи.
Скорость нагревания на первой стадии и охлаждения на четвертой определяется размером и толщиной стенок изделий.
Для определения остаточных напряжений в стекле применяют специальные приборы — полярископы, выпускаемые промышленностью.
Отжиг стеклянных изделий проводят в специальных печах; в заводских условиях — это камерные, вагонеточные, муфельные, роликовые, циркуляционные и вертикальные печи. В условиях стеклодувных мастерских для отжига стекол применяют электрические муфельные печи. Контроль и выдержку стекла в определяемом интервале температур осуществляют при помощи регулирующих приборов.
Любая стеклодувная мастерская должна иметь большую печь для отжига крупногабаритных стеклянных изделий и обязательно несколько малых муфельных печей.
