4.5.4 Зависимость прочности стекол от

величины стравленного слоя

В таблице 16 приведены значения упрочненных стекол в зависимости от глубины стравленного слоя силикатных сырых стекол толщиной 5 мм.

Таблица 4.16 Прочность стекол (h =5 мм) в зависимости от величины

стравленного слоя

Величина стравленного слоя, мкм	Прочностные характеристики, кг/мм^2
	ср.	мин.	макс.
50	80	19	138
100	136	24	238
150	145	25	196
250	204	45	306
300	203	66	304

КИНГСТОН/Симплекс-травление

В результате проведенных исследований подтверждены оптимальные значений стравливаемого слоя, заложенные в технологическом процессе: глубина стравливаемого слоя должна быть в пределах 250±15 мкм.

Кингстон/производство/травление

Термохимический способ упрочнения силикатного стекла

Ионный обмен, получающий все большее распространение в качестве метода упрочнения стекла, заключается в диффузии ионов натрия из стекла в расплав азотнокислого калия (калийной селитры), откуда ионы калия поступают в поверхностные слои стекла.

Si-O-Na + KNO₃ = Si-O-K + NaNO₃

Кингстон/МГУПИ/состав-сил-ст

Кингстон/Фото/IMG 0778

Так как ионы калия имеют больший размер (R_K+=0,133 нм), чем натрия (R_Na+=0,098 нм), вокруг них создаются сжимающие напряжения. Скорость диффузии зависит от температуры расплава и введения ускорителей (катализаторов), но решающим образом - от состава стекла. При использовании специальных составов желательная величина напряжений и глубина сжатого слоя в 200 мкм может быть достигнута за несколько часов.

На силикатном стекле стандартного состава глубина сжатого слоя в 50 мкм достигается в течение нескольких десятков часов, 80 мкм в течение 8 суток.

Кингстон/ехель/2506 и 2807(стекло G)

Несмотря на то, что повышение температуры на 100° вызывает увеличение скорости обмена ионов натрия на калий в 10 раз, значительно увеличить скорость нельзя, так как стекло начинает размягчаться, а достигнутые напряжения релаксировать. Поэтому оптимальная температура процесса ионнообменного упрочнения 450°С.

Релаксация структурных напряжений в соответствии с [О.В. Мазурин. Стеклование и стабилизация неорганических стекол. Л., «Наука», Ленинградское отделение, 1978, 63 с.] выражается следующей формулой:

τ_р = η/К_р

Где η – вязкость листового стекла; пз. К_р – коэффициент релаксации данного расплава стекла.

Для листового стекла К_р = 10^10,6.

Для листового стекла при температуре 540^оС (температура Т_g) время релаксации напряжений составит:

τ_р = 10¹³/10^10,6 = 10^2,4 сек = 4,2 мин

При вязкости 10¹⁶ пз время релаксации составит 69 час, а при вязкости 10¹⁷ пз – 690 часов или 28 суток. Ионный обмен проводят при вязкости между 10¹⁶ и 10¹⁷ пз.

Эпюры сжимающих напряжений в поверхности термически полированного стекла, упрочненного ионным обменом по различным температурно-временным режимам

Рис 2.1

1 – 480˚ С, 24 ч; 2 – 480˚ С, 72 ч; 3 – 460˚ С,190 ч

Кингстон/Симплекс/Формула-пр

Глубина напряженного слоя 80 мкм обеспечивает необходимую абразиво-стойкость упрочненных стекол. Прочность стекол, упрочненных ионным обменом, складывается из значений исходной прочности стекла и сжимающих напряжений, возникающих в процессе диффузии.

По Бургграафу /10/ прочность ионоупрочненных стекол (S) равна:

S= _I (1-B/d)+S_исх

Где _I – величина максимальных сжимающих напряжений;

S_исх. – исходная прочность стекла;

В – глубина проникновения повреждения поверхности;

d – толщина ионообменного слоя.

Можно видеть, что прочность зависит от глубины повреждений и толщины ионообменного слоя.

В промышленных стеклах за 10-30 мин ионного обмена при 450° С можно получить напряжения до 800 МПа, однако малая толщина сжатого слоя 5-10 мкм не обеспечивает эксплуатационную надежность стекла.

Упрочнение по "коротким" режимам проводят на стеклах, идущих в склейку. Для этих стекол эффективен процесс предварительного упрочнения травлением, что повышает прочность свыше 1000 МПа.

Кингстон/2010/Производство/Ионный Обмен

Рисунок 1.1. Прочность образцов при ЦСИ, упрочненных ионным обменом по режиму 460⁰С, 192 часа в период с 04.07г по 05.08 г.

1- в старой ванне (ввод в эксплуатацию 03.1984 г.)

2- в новой ванне (ввод в эксплуатацию 03.2008 г.)

Таблица 1.3. Сравнение прочности (Р) ИО – стекол, упрочненных на различных

установках (по режиму: 460ºС, 192 часа).

Установка для упрочнения	Прочность, ㎏/㎟	г о д 2 0 0 7, д а т а о к о н ч а н и я у п р о ч н е н и я
		19.06	28.06	14.07	15.08	28.09	09.10	21.10	31.10	07.11	16.11	25.11
ТСР 25.00.000 (старая ванна)	миним.	32	38	32	36	32	33	36	37	38	33	33
	Средняя	43	45	45	43	40	44	42	47	45	48	41
	максим.	53	58	55	68	46	61	54	54	58	57	48
		20.04	30.05	28.06	05.07	14.09	03.10	12.10	23.10	02.11	27.11	26.12
ТСУ 488.00.000 (новая ванна)	миним.	49	54	44	47	45	45	47	43	56	44	56
	Средняя	74	64	55	73	56	58	66	63	70	70	72
	максим.	98	88	77	104	76	80	99	78	100	99	111
	Р, ㎏/㎟	г о д 2 0 0 8, д а т а о к о н ч а н и я у п р о ч н е н и я
		15.01	01.02	14.02	03.03	20.03	15.04	23.04	19.05	21.05	02.07	14.07
ТСР 25.00.000 (старая ванна)	миним.	30	35	36	36	37	35	35	31,5	36	31,5	35
	Средняя	40	45	52	47	46	46	41	46	43	41,5	41,7
	максим.	54	55	69	57	56	61	52	58	53	53,8	51
		03.01	31.01	12.02	22.02	14.03	08.04	18.04	07.05	23.05	-	-
ТСУ 488.00.000 (новая ванна)	миним.	35	55	49	48	43	48	44	47	46
	Средняя	58	69	62	66	65	60	54	58	62
	максим.	70	100	82	85	88	79	70	73	82