Стекло — материал в ряде применений чрезвычайно удобный, однако имеющий непростой характер, требующий вдумчивого и деликатного обращения. При его горячей обработке совершенно недостаточно сформовать размягчённые заготовки и спаять их. Естественное остывание неподвижной стеклянной работы на открытом воздухе часто приводит к разрушению прибора — в нём появляются недопустимо большие местные внутренние напряжения, превышающие предел прочности материала — стекло хрупко и плохо проводит тепло. Отдельные его участки, если не принять особых мер, остывают в разной степени и с разной скоростью сжатия, образуя в толщине материала уплотнённые области — внутренние напряжения (ВН). Архиважная задача мастера-стеклодува не допускать их чрезмерного развития при работе, а в готовом приборе — контролировать и снимать.
Здесь речь пойдёт о любительском стеклодувном приборостроении и работах с легкоплавким стеклом, более склонном к образованию ВН из-за высокого температурного коэффициента расширения (ТКР).
Общие положения
Относительно несильные ВН невооружённым глазом не видны.
Фото 2. Учебно-тренировочный спай с внутренними напряжениями (Фото 1) в обычном свете
ВН увеличиваются с увеличением толщины стекла и размера работы, сложности прибора (труднее добиться охлаждения равномерного), при использовании металлических впаев (электрических выводов — неполное совпадение КТР материалов) и стёкол с высоким КТР (платиновой и молибденовой групп).
ВН коварны и не обязательно приводят к разрушению стёкла немедленно. Такого рода авария может случиться и через сутки, недели и даже месяцы после изготовления прибора.
ВН не обязательно должны быть нейтрализованы полностью, достаточно уменьшить их до приемлемого значения. В некоторых случаях, например, при необходимости спаивании стёкол разных групп с сильно разнящимся КТР, через т. н. стёкла переходные, полностью снять ВН спаев невозможно в принципе. Случается использовать ВН с пользой, например, стёкла платиновой группы и платинитовой проволоки имеют несколько отличные КТР, соотносящиеся друг с другом так, что небольшое ВН в стекле спая делает его надёжнее и долговечнее.
Обнаружение внутренних напряжений (ВН) в прозрачных материалах
ВН изменяют угол вращения плоскости поляризации, в отличие от стекла, свободного от таких образований, и видны в поляризованном свете как цветные пятна. Увидеть ВН проще всего при помощи двух кусков поляризационной плёнки от ЖК экранов. Разместить их следует так — источник света, первый поляризатор, исследуемое стекло, второй поляризатор, наблюдатель. Один из поляризаторов вращаем в его плоскости, добиваясь затемнения фона и появления цветных или белых пятен-напряжений внутри стекла.
Фото 3. Стационарный лабораторный поляриметр ПКС-250. Фото из сети
Фото 4. Настольный ювелирный полярископ для исследования прозрачных камней и минералов. Фото из сети
Полярископ, в отличие от поляриметра, не имеет ряда элементов для количественных измерений и позволяет только оценку качественную, по яркости и цвету пятен-напряжений, зато имеет упрощённую, недорогую и доступную любителю, конструкцию. Более того, для первых опытов вполне можно использовать импровизированный экспресс-полярископ, для которого понадобится только один кусочек поляризационной плёнки или фотографический фильтр. Источником же поляризованного света выступит любой ЖК монитор, стоит только вывести на него белый фон.
Фото 5. Внешний вид эрзац-полярископа. Наружный поляризатор-плёнка — деталь от карманной электронной игры вроде тетриса, штатив «третья рука» в положении Hände hoch!
Фото 6. Исследуемая стеклянная работа помещается между источником поляризованного света и внешним поляризатором
Фото 7. Вот они наши ВН
Фото 8. Внешний поляризатор повёрнут обратной стороной. Те же напряжения в цвете. По его оттенкам можно грубо судить об их степени. Лучше видны в движении, если деталь покрутить и понаклонять так и этак
Фото 9. Классики [1] предлагают трактовать цвета так
Фото 10. Исследуемая (Фото 6…8) стеклянная учебно-тренировочная работа в обычном свете
Борьба с внутренними напряжениями (ВН) в стеклодувном деле
▍ Превентивное
Представляя каким образом ВН появляются в остывающем стекле, а это слишком быстрое и, как следствие, неравномерное, остывание работы, нетрудно сформулировать и меры противодействия — замедление остывания, уменьшение температурных градиентов.
Практически в несложных случаях достаточно несколько минут повращать остывающую работу в большом мягком «светящем», «коптящем» пламени горелки (газ без воздуха-кислорода). При этом удлиняется охлаждение, стекло покрывается слоем сажи, что тоже полезно.
Фото 11. Охлаждение места проволочного впая в светящем пламени. Работа непрерывно вращается. Сажа после остывания стекла легко стирается
В более сложных случаях стеклянную работу приходится охлаждать, непрерывно вращая и после горелки.
Очень удобный, простой и вполне надёжный способ уменьшить скорость охлаждения стекла после горелки — укутывание его огнеупорным одеялом. Практически это более или менее крупный кусок рулонной базальтовой (каолиновой?) ваты сложенный пополам. Горячую работу укладывают между её слоями, мягкие края смыкаются. В базальтовую вату можно класть стекло со всё ещё заметным в полумраке малиновым свечением. Желательно, горячее не укладывать на уже остывающее.
Фото 12. Базальтовое одеяло — сложенный пополам кусок мягкого рулонного огнеупора ~50 мм толщиной
Небольшие горячие заготовки нормальной толщины могут остывать до ½…3/4 часа. Достаточно, чтобы стекло остыло градусов до ~60̊ C. Если такое одеяло не на рабочем столе, то нести стеклянную заготовку лучше вращая. При таком охлаждении ВН в самом капризном стекле (платиновой группы, высокий ТКР) обычно не достигают разрушительных значений. Базальтового одеяла достаточно для обычных малоответственных промежуточных операций, работ учебно-тренировочных.
Забавная разновидность базальтового одеяла — вермикулитовая засыпка, популярная у барышень и дам, делающих из цветного стекла горячим огневым способом мелочи для бижутерии (lampwork).
Фото 13. Вермикулит — род слюды, мелкие лёгкие термостойкие чешуйки. Исходно применяется как разрыхлитель почвы для комнатных растений
Фото 14. Lampwork — упрощённая стеклодувная техника, где размягчённое стекло наматывается и удерживается на стальной державке-спице с огнеупорным разделительным покрытием. Фото из сети
Фото 15. Жестянка с вермикулитом. В неё готовая горячая lampwork-работа втыкается вместе со спицей, до полного остывания
Для работ технических и тем более полых, вермикулит малоудобен — его приходится тщательно удалять, сметать со стекла, мелкие его чешуйки норовят попасть внутрь прибора.
▍ Уменьшение внутренних напряжений (ВН) post factum
Неизбежные после горячей обработки стекла, более или менее значительные ВН снимаются только лишь печным отжигом. Вместе с правильно подобранными материалами, это залог длительной надёжной работы прибора. Обычно именно габаритами печи для отжига определяется максимально возможный размер изделия в мастерской.
Во время отжига стекло нагревается до температуры чуть ниже t размягчения стекла, которой всё-таки достаточно для расправления структуры сжатых областей. При этом нагрев холодной работы, а она у нас с ВН и затаив дыхание, только и ждёт малого перепада температур, чтобы разлететься вдребезги, должен быть долгим и нежным.
Нагретое до температуры отжига стекло нужно некоторое время выдержать, чтобы тепло в нём распределилось равномерно и также аккуратно, чтобы не наделать новых напряжений, охладить. График роста-снижения температуры, т. н. термопрофиль, зависит от сложности изделия, его размеров, толщины стенок стекла. Весь процесс занимает многие часы, а для ответственных массивных деталей, например, более или менее крупных заготовок оптического стекла, может составлять неделю и больше.
В серийном массовом производстве это время, разумеется, стремятся всячески сократить, максимально оптимизируя процесс. В нашем, кустарно-лабораторном случае и единичном, много — экспериментально-мелкосерийном изготовлении из добытых по случаю материалов, проще и надёжнее отжигать свои работы с избыточными параметрами, смиряясь с длительностью процесса. Тем более что следит за печами автоматика, спать которой ночью, не обязательно.
▍ Печи для отжига стекла
Помня о желательности максимально равномерного нагрева-охлаждения садки и работе вблизи температуры размягчения стекла, идеальная печь для его отжига должна была бы быть муфельной, с металлическим более или менее толстостенным муфелем из хорошо проводящего тепло металла. С перемешиванием воздуха внутри печи и вращением самой стеклянной работы. Вертикально поставленной, если речь идёт об узкодлинных телах вращения. Печь, управляющаяся ПИД термоконтроллером. Сегодня такой специализированный прибор для рабочих температур 500…600 градусов не был бы ни слишком дорогим, ни слишком сложным. По крайней мере, по сравнению с печью обычной муфельной. Тем не менее последние традиционно применяются в стеклодувных мастерских с удовлетворительным результатом.
Фото 16. Самодельная печь в мастерской автора [2]. Исходно — для плоского сплавления художественного цветного стекла (fusing [3]) и горячей формовки листового (моллирование). Отсюда характерная чемоданная конструкция и внутренние нагреватели. Тем не менее попробуем применить её для отжига стекла после горелки. На фото подготовка — уборка плоского пода. Убираем керамическую лещадку, выметаем насыпной разделитель, капельки-шарики застывшего стекла
Фото 17. Укладываем импровизированную, из нескольких облицовочных плиток, керамическую лещадку. Глазурью вниз, чтобы не слиплась с разогретым стеклом. Керамический слой на теплоизоляции позволяет чуть лучше распределить тепло, а главное, чрезвычайно повышает удобство загрузки — с ним хорошо видны границы рабочего пространства
▍ Технология печного отжига
Для экономии времени часто горячую работу кладут в уже разогретую печь и выдержав её для выравнивания температуры, нагреватели выключают. Скорость «охлаждения с печью» обычно не превышает критическую.
Фото 18. Пробный отжиг учебной работы (Фото 6…9). Условия спартанские
Полный цикл нагрев-выдержка-охлаждение даёт несколько лучшие результаты. Ответственные стеклянные работы можно дополнительно обернуть нетонким (10…15 мм?) слоем алюминиевой фольги, для лучшего распределения тепла. Узкодлинные работы во избежание деформаций должны иметь несколько равномерно распределённых точек опоры. Откачанные приборы лучше не отжигать или делать это при уменьшенных температурах, смирившись с оставшимися ВН.
Фото 19. Вид на термоконтроллер работающей печи, где: 1 — номер программы (термопрофиля); 2 — номер шага программы; 3 — «охлаждение». Вверху температуры. Красным — заданная программой, зелёным — фактическая с термопары. Видно, что с некоторого момента, остывать печи с заданной скоростью мешает тепло, накопленное в конструкции
Фото 20. Через ~3/4 суток — остывшая заготовка. Хорошо видны провисы длинных частей работы, не имевших опоры посередине — температуру отжига следует уменьшить на 20…50 градусов. Исходный режим отжига — нагрев 1,2 град./мин. до температуры 550 ̊ С, выдержка 1 час, охлаждение 0,6 град./мин. до 60 ̊С. Стекло платиновой группы
Итак
Практически в условиях домашней мастерской, текущие работы удобно охлаждать в базальтовом одеяле. Накопив их для полной загрузки печи, проводим полноценный отжиг. Его температуру для относительно легкоплавких стёкол платиновой и молибденовой групп выбираем около 500̊ С. Учебники рекомендуют скорости охлаждения работ 1…6 град./мин., выдержку при температуре отжига 1…10 часов. Чем сложнее, крупнее и с более толстыми стенками наша работа, тем деликатнее её следует отжигать — медленнее нагревать и охлаждать, дольше выдерживать. Исследуем работы в поляризованном свете до и после отжига и судим о его эффективности. Если остались значительные напряжения, температуру печи повышаем на 25…50 градусов.
Фото 21. Что же наша гнутая закорюка? Ба! Ни малейших пятен, все напряжения преотличным образом разровнялись
Осталось только сказать, что печной отжиг может быть нужен и как промежуточный, для уменьшения опасности растрескивания некого сложного, ответственного узла перед дальнейшей работой, например, гребешковую ножку ЭВП по мере сборки, до установки её в колбу прибора, отжигают несколько раз. Особенно в случае традиционного применения легкоплавких стёкол.
Фото 22. Да вот, не угодно ли — аккуратный ровный рез на отожжённой детали. Термоударом, около самых впаев
Фото 23. И для сравнения, такой же точно рез на аналогичной детали, но неотожженной, с ВН
Несколько повысить температуру отжига, снизив риск деформаций, можно попробовав засыпать стеклянную работу алюминиевой (медной, латунной?) дробью. Она же лучше распределит тепло.
Литература
1. Голь М. М. Руководство по основам стеклодувного дела. Изд. Химия. 1974 г.
2. Простая, недорогая, точная высокотемпературная электропечь своими руками. Авторский конспект.
3. Работа с художественным стеклом. Витражная техника фьюзинг — печное сплавление. Авторский конспект.
На благо всех разумных существ. Babay Mazay, март, 2024 г.
Автор: Сергей
