Для выработки заготовок и деталей источников света из стекла применяются разнообразные технологические процессы: выдувание, вытягивание, прессование и центробежное литье. Для придания изделиям необходимых размеров и нужной конфигурации их часто подвергают резке, сварке, калибровке и т. п.
Почти все методы обработки стекла основаны на изменении вязкости стекла при изменении температуры (см. рис. 1.2). При нагреве до достаточно высокой температуры стекло становится пластичным, способным к изготовлению из него изделий различной формы, а при охлаждении стекло затвердевает и приданная изделиям форма сохраняется. При термической и термопластической обработке стекла для его нагрева используют тепловое излучение (воздушно- или кислородно-газовых пламенных или беспламенных горелок, специальных нагревателей), прямое пропускание электрического тока, дуговой разряд. Перспективными методами нагрева стекла являются плазменный и лазерный.
Возникновение напряжений.
В стекле под влиянием механических или тепловых воздействий создаются внутренние напряжения. В производстве электроламп наиболее часто приходится иметь дело с напряжениями теплового происхождения. Внутренние напряжения подразделяются на временные (переходные) и постоянные (остаточные). Основной причиной возникновения тех или других напряжений является низкая теплопроводность стекла.
Временные напряжения в стекле возникают следующим образом. При нагревании изделия в первую очередь повышается температура наружных слоев стекла, внутренние слои стекла некоторое время остаются холодными. Наружные слои стекла вынуждены занимать объем, меньший, чем тот, который соответствует данной температуре, и оказываются сжатыми. Внутренние слои стекла, испытывая на себе воздействие расширяющихся наружных слоев, имеют напряжения растяжения. При остывании изделия, когда температура во всех точках выравняется, исчезнут и напряжения. Напряжения, исчезающие после выравнивания температур между отдельными частями изделия, есть временные напряжения. Они могут привести к разрушению изделия, если их значение оказывается больше предела прочности стекла.
Постоянные напряжения возникают при быстром охлаждении стекла. Если изделие нагреть до точки размягчения стекла и выше, то при быстром охлаждении между отдельными частями изделия сохраняются остаточные или постоянные напряжения. В стеклах с высоким температурным коэффициентом линейного расширения возникают большие постоянные напряжения, поскольку сжатие при охлаждении у таких стекол сильнее, чем у стекол, имеющих меньший коэффициент расширения.
К другим причинам возникновения напряжений в стекле могут быть отнесены: большое различие в температурных коэффициентах линейного расширения спаиваемых материалов, неудачная конструкция стеклоизделия (резкие переходы толстых стенок в тонкие, преобладание растягивающих напряжений) и др.
Снятие напряжений.
Процесс тепловой обработки, при котором достигается ослабление остаточных напряжений до нормы, обеспечивающей длительную и надежную эксплуатацию стеклянных изделий, называют отжигом. Сущность отжига состоит в нагревании стекла до температуры, при которой частицы его приобретают подвижность, до статочную для снятия постоянных напряжений.
Диапазон температур, в котором производится отжиг стекла, называется зоной отжига. Зона отжига ограничивается высшей и низшей температурами отжига.
Под высшей температурой отжига подразумевают температуру, соответствующую вязкости стекла 1012 Па-с. При этой температуре за время, равное 5 мин, исчезает не менее 95% всех имеющихся в стекле напряжений.
Под низшей температурой отжига подразумевают температуру, отвечающую вязкости стекла 1014 Па-с. Обычно она имеет значение на 100—150 °C ниже высшей температуры отжига.
Таблица 4.1. Расчетные формулы отжига стеклоизделий
Здесь а—толщина стеклянной стенки, обогреваемой с одной стороны, см; ΔТ —термостойкость стекла, С.
Отжиг стеклоизделий производится в режиме, изображенном на рис. 4.2 в виде температурной кривой, состоящей из четырех зон: нагрев 1, выдержка 2, медленное охлаждение 3 до низшей температуры отжига и быстрое охлаждение 4 до комнатной температуры. Каждый из участков этой кривой может быть рассчитан по эмпирическим формулам (табл. 4.1). Реально отжиг проводится по плавной кривой, вписанной в ломаную расчетную кривую отжига, изображенную на Рис. 4.2.
Для отжига используются барабанные, конвейерные, камерные и другие печи с газовым или электрическим нагревом, с ручным или программным управлением. Иногда печи отжига называют лерами. Особое значение имеет ожиг для мягких стекол с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), равным (80— —100)·10-7 К-1.
Кварцевое стекло не отжигают. Изделия с тонкими стенками также практически не отжигают, а ограничиваются их обработкой в мягком пламени горелки.
Рис. 4.2. Кривая отжига стекла
Рис. 4.3. Оптическая схема полярископа
Напряжения в спаях стекла с металлом, вызванные неодинаковым тепловым расширением, никаким отжигом снять невозможно. Отжиг спаев представляет собой тепловую обработку для устранения закалочных напряжений и управления в известных пределах термическими напряжениями. Для спаев стекло — металл применяется так называемый дифференциальный отжиг или дифференциальное охлаждение. Суть этого отжига состоит в том, что в материалах спая с различными ТКЛР при охлаждении разность температур поддерживается таким образом, чтобы тепловое сжатие металла и стекла оставалось примерно постоянным в продолжение всего процесса охлаждения. Дифференциальный отжиг дает возможность создания в спае желательного распределения напряжений.
Измерение напряжений.
Измерение внутренних напряжений в стекле основано на явлении двойного лучепреломления. При наличии в стекле напряжений оно превращается из однородного изотропного тела в анизотропное, у которого оптические свойства становятся неодинаковыми в разных направлениях. В частности, при прохождении через напряженное стекло поляризованного света возникает разность хода лучей. По значению разности хода лучей в стекле можно вычислить значение напряжений:
где р — значение напряжений, МПа; Δ — разность хода лучей, мм; d — толщина стекла, мм.
Качественное обнаружение внутренних напряжений в стекле проводится с помощью полярископа, оптическая схема которого приведена на рис. 4.3. Свет лампы накаливания 1 проходит через плосковыпуклые линзы 2, конденсирующие его в сходящийся пучок. Пучок отражается от наклонного зеркала 5 и изменяет свое направление на 90°. Проходя через поляризатор 4, свет поляризуется. Кварцевая пластинка 5 повышает чувствительность прибора, двояковыпуклая линза 6 рассеивает пучок лучей. Исследуемое стеклянное изделие 9 вносят в пространство между поляризатором 4 и анализатором 8, располагая его по диагонали на матовом стекле 7. Наблюдая через анализатор, поворачивают изделие до получения наибольшей яркости. У изделий, не имеющих внутренних напряжений, окраска в поле зрения полярископа совпадает с окраской окружающего фона. У изделий, имеющих напряжения, окраска вблизи этих напряжений приобретает пестрый радужный оттенок, по яркости и контрастности которого судят о характере и значении напряжений.
Точное количественное измерение напряжений в стекле проводится с помощью специальных оптических приборов — поляриметров. Однако измерение напряжений в стекле с помощью поляриметров является трудоемкой операцией, поэтому в цеховых условиях для этих целей чаще используется полярископ с набором эталонов «разности хода». Конструктивно эталон выполняется в виде нескольких чувствительных пластинок разной толщины, зажатых между двумя плоскими стеклами, или в виде клина из органического стекла. При контроле изделий по эталону разности хода подбирают такую пластинку или толщину клина, которые при просмотре в полярископе окрашиваются в такие же цвета, как и само изделие.
Для большинства электроламповых стекол предельно допустимыми принимаются напряжения 4 МПа, что соответствует разности хода в 10 нм на 1 мм толщины стекла.