Cпособы и виды обработки стеклоизделий

Категория:
Шлифование и полирование стекла


Cпособы и виды обработки стеклоизделий

Существуют следующие способы обработки стекла и стеклоизделий: механическая (холодная) обработка поверхности и края стеклянных изделий, химическая, тепловая и нанесение поверхностных покрытий. При декоративной обработке изделий эти способы используют в разных сочетаниях.

Механическая (холодная) обработка — это обработка стекла резанием. К механической обработке поверхности изделий относится шлифование, полирование, гранение и гравировка. Такие способы, как матирование, притирка (пришлифовывание), сверление и градуирование, являются частными видами перечисленных способов.

Шлифованием называется процесс снятия слоя стекла абразивным инструментом (шлифовальным кругом). Шлифованию подвергают поверхности плоские и другой формы. Цель шлифования — во-первых, обеспечить правильную геометрическую форму изделия и придать ему точные размеры, во-вторых, подготовить поверхность обрабатываемого изделия к последующей механической обработке — полированию.

Шлифование включает в себя две стадии. Первая стадия — обдирка или грубое шлифование; на этой стадии применяют крупнозернистые абразивы. Вторая стадия — дистировка или тонкое шлифование, когда поверхность обрабатывают последовательно все более мелкими абразивными порошками.

Сущность процесса шлифования заключается в следующем. Вращающийся в горизонтальной или вертикальной плоскости круг (шлифовальник) опирается своей тяжестью на зерна абразива, находящиеся на поверхности обрабатываемого изделия. Стекло, в свою очередь, перемещается либо в горизонтальной, либо в вертикальной плоскости вращательным или прерывисто-поступательным движением. При этом зерна абразива перекатываются и проникают в пространство между стеклом и шлифующей деталью.

В процессе шлифования шлифующая деталь опирается приблизительно на 15—20% зерен, находящихся под ней. Эти зерна передают стеклу усилия от находящейся в движении шлифующей детали. Размеры зерен абразивного материала неодинаковы в различных направлениях, поэтому и воздействие этих зерен на стекло неодинаково. Оно носит вибрационно-ударный характер. В результате в точках соприкосновения зерен со стеклом возникают трещины, максимальная глубина которых зависит от природы и размера зерен выбранного абразивного материала. Крупные зерна абразивного материала более прочны, поэтому при обработке стекла такими зернами образуются более глубокие трещины, чем при обработке мелкими.

После многократного действия зерен поверхностный слой стекла покрывается сетью трещинок. При последующем прокатывании зерен удаляются осколки, отделяющиеся в результате растрескивания поверхностного слоя от основной массы стекла. Это приводит к образованию «выколок» или «каверн». Бесчисленное количество расположенных рядом выколок способствует рассеянию света и образует матовую поверхность, характерную для шлифованного стекла. Глубина выколок от 3 до 30 мкм. Глубже этого поверхностного, изрытого выколками слоя расположен другой, с более слабыми признаками разрушения. Этот второй слой образован трещинами, идущими в глубь стекла. Толщина его в 1,2… 1,3 раза больше толщины верхнего рельефного слоя. Отдельные трещины проникают еще глубже.

Таким образом, при шлифовании стекла происходят два параллельных, совпадающих по времени, но не по месту процесса: при первом, который является подготовительным, происходит разрушение на некоторую глубину поверхности с образованием развитой сети трещинок; при втором, являющемся производительным, из верхней части слоя, покрытого трещинами, извлекаются осколки, отделенные от основной массы стекла. При шлифовании все более мелкими абразивными порошками структура обрабатываемой поверхности стекла подготовляется к следующей стадии процесса — полированию. В некоторых случаях поверхности, подвергнутые шлифованию, оставляют неполированными, матовыми.

В механическом разрушении стекла при шлифовании активно участвует и вода, которую подают на обрабатываемую поверхность. Проникая в образующиеся трещины стекла, она оказывает в силу своей упругости расклинивающее действие, что значительно снижает поверхностную прочность стекла, способствуя тем самым повышению производительности сошлифовыва-ния.

Полированием достигаются высокая чистота и зеркальный блеск поверхности стекла. Полирование обычно выполняют вслед за шлифованием. Эти процессы взаимосвязаны. Однако назначение и природа их различны.

Механизм процесса полирования можно представить следующим образом. Мягкий полировальник (круг, изготовленный из мягких материалов: войлока, фетра, сукна) с закрепленными на его поверхности зернами полировального порошка снимает во время вращения с вершин, образовавшихся при шлифовании выколок, защитную пленку. Мгновенно на обнажившихся участках выколок от соприкосновения с влагой, содержащейся в полировальной суспензии, образуется пленка, которая при очередном повороте полировальника снимается полировочным порошком. Под действием влаги на поверхности стекла происходит процесс гидролиза, т. е. химическое взаимодействие поверхности стекла с водой. Продукты гидролиза образуют .тончайшую поверхностную пленку, защищающую стекло от дальнейшего разрушения. По химическому составу эта пленка представляет собой гель кремниевой кислоты. На свежей поверхности стекла пленка появляется чрезвычайно быстро, прочно сцепляется с основным стеклом и имеет высокую механическию прочность. Толщина пленки колеблется в зависимости от химического состава стекла от 0,001 до 0,1 мкм.

Скорость полирования зависит от ряда технологических параметров. Так, повышение давления полировальника на изделие всегда увеличивает скорость полирования. В практике полирования это давление колеблется от 3000 до 13 000 Па. Дальнейшее повышение давления может привести к увеличению температуры стекла и разрушению изделия. На повышение производительности полирования положительно влияет увеличение скорости полировальника, на практике она составляет 4…7 м/с. Дальнейшее увеличение скорости нежелательно, так как это может привести к сбрасыванию полирующего материала с полировальника и к нарушению его контакта со стеклом.

Большое значение имеет температура поверхности стекла. Обычно полирование ведут при повышенных температурах (60… 70 °С). Дальнейшее увеличение температуры вызывает бой стекла от перегрева. Понижение температуры ниже 60°С значительно замедляет процесс полирования.

Гранение — способ обработки, при котором на поверхности изделия режущей кромкой абразивных инструментов создают узоры в виде разнообразных надрезов или прорезов, а также придают поверхности изделия правильные геометрические грани. Как прием механической обработки стекла гранение было заимствовано из приемов обработки природных камней.

По своей природе процесс гранения не отличается от процесса шлифования стекла, основан на возвратно-ударном действии зерен абразивного порошка на поверхность стеклянного изделия и отличается только большим съемом стекла в процессе обработки. Наибольшее распространение гранение получило при декоративной обработке хрустального стекла.

Разновидностью гранения является алмазная резьба, некоторые элементы рисунков которой напоминают граненые драгоценные камни и вызывают игру света.

Гравирование — вид обработки, при которой на поверхности изделия вырезают различные изображения, орнаменты, надписи. Гравированные рисунки бывают выпуклые и углубленные.

Сверление — обработка, при которой в результате резания сверлом в стекле образуются сквозные отверстия. Чаще всего отверстия высверливают в технических стеклах. В исключительных случаях сверлению подвергают декоративные изделия.

Сверление — длительная операция, в процессе сверления изделие может расколоться, прочность изделия после сверления значительно понижается, поэтому отверстия в стеклянных изделиях целесообразней делать в процессе их изготовления прожиганием или прокалыванием при формовании.

При сверлении используют охлаждающие жидкости: воду, керосин или скипидар. Назначение этих жидкостей состоит не только в охлаждении стекла, но и в удалении мелких обломков и крошек стекла. Под просверливаемое изделие подкладывают мягкую тонкую подложку. Чтобы на выходе сверла из изделия не образовывались большие раковины и выколки, при достижении сверлом определенной глубины, изделие переворачивают и сверлят с другой стороны.

Градуированием на поверхность изделий наносят основные (опорные) точки, необходимые для дальнейшего построения отсчетных или измерительных шкал. Градуирование широко используется при изготовлении химико-лабораторного стекла и специальных стекол, используемых в точном приборостроении.

Химическая обработка — декоративная обработка стекла, при которой художественный эффект достигается путем взаимодействия компонентов состава стекла с химическими реагентами (газообразным фторидом водорода HF, его водными растворами, плавиковой кислотой и ее солями), находящимися в контакте с поверхностью изделия.

При химической обработке протекают химические процессы, в результате которых фтористый водород или плавиковая кислота начинают реагировать не только с такими составляющими стекла, как оксиды лития, натрия, калия, магния, кальция, бария, свинца, цинка, но и с диоксидом кремния, который является основным компонентом большинства неорганических стекол. В процессе химической обработки образуются фториды, растворимые в воде, чем и завершается процесс разрушения поверхностного слоя стекла, т. е. происходит как бы травление поверхности. Кроме того, в зоне химического взаимодействия выделяется и кремнефтористоводородная кислота, которая вступает в реакцию с ранее образовавшимися фторидами, что приводит к появлению среди продуктов реакции солей кремнефтористоводо-родной кислоты.

Если при химической обработке образуются нерастворимые соли, прочно связанные с основным стеклом, протравленная поверхность стекла из прозрачной становится матовой. Если растворимые соли могут быть легко удалены с обработанной поверхности, то стекло остается прозрачным.

Существуют следующие виды химической обработки изделий из стекла: полирование рисунков алмазной резьбы на поверхности изделий; матирование поверхности стекла; декоративное травление.

Полирование — это процесс, при котором с поверхности изделия стекла удаляют микронеровности, образовавшиеся при механической обработке стекла. В результате полирования поверхность приобретает прозрачность и блеск. Полирование применяют главным образом для отделки элементов алмазной резьбы на изделиях из свинцового хрусталя. Изделия полируют смесью водных растворов плавиковой и серной кислот. Для каждого состава стекла устанавливают свои режимы полирования, которые корректируют в процессе работы.

Стекло, подвергнутое химическому полированию, приобретает серебристый блеск. Если вращать такое изделие, то блеск его сначала увеличивается, а затем уменьшается. Угол рассеяния может достигать 20° и более, что и объясняет появление серебристого блеска. Химически полированные стекла отражают и рассеивают лучи света, а стекла, полированные механическим способом, характеризуются полным отражением лучей.

Матирование поверхности — способ обработки стекла, при котором на поверхности изделия создается разветвленная сеть микронеровностей и выколок, что приводит к сильному рассеянию света такой поверхностью. Обработанная таким образом поверхность становится матовой. Матирование используют для придания элементам рисунка матовости или создания на поверхности изделия светорассеивающего фона.

Состав травильных растворов для матирования поверхности зависит от химического состава стекла, вида изделий и желательной фактуры поверхности: тонко- или грубозернистой. Во многих случаях изделия матируют не растворами, а пастами.

Применяют пасты жидкие и густые. При использовании жидких паст участки поверхности стекла, которые должны остаться прозрачными, покрывают защитными составами. Рисунок густыми пастами наносят на поверхность изделия без защитного покрытия.

Декоративное травление — способ обработки, при котором на поверхности изделия путем травления стекла создают рельефный рисунок. Этот способ обработки сходен с механическим гравированием стекла.

Тепловой обработкой называют совокупность операций, связанных с нагреванием изделий, выдерживанием их при высоких температурах и последующим охлаждением, направленных на изменение либо свойств стекла (отжиг, закалка), либо формы и поверхности изготовляемых изделий (моллирование, отопка, оплавление края, термическое полирование). Шлифовщик и полировщик стеклоизделий имеет дело с отопкой, оплавлением края и термическим полированием. Отопку и оплавление края изделий используют только для подготовки изделия к декоративному оформлению.

Отжиг — способ обработки изделий из стекла, который ставит целью удалить или уменьшить внутренние остаточные напряжения в стеклоизделиях.

При формовании изделий и их последующем охлаждении из-за плохой теплопроводности стекла в разных частях изделия возникает разность температур. В результате поверхностные и внутренние слои остывают неравномерно и в них появляются напряжения сжатия и растяжения. Когда изделие полностью остывает, т. е. температуры по всему объему изделия выравниваются, напряжения, возникшие в момент охлаждения, либо исчезают, либо остаются. Исчезающие напряжения называют временными, а те, которые остаются — остаточными. Наличие в изделии из стекла временных или остаточных напряжений, особенно неравномерно распределенных по объему, отрицательно сказывается на его механической прочности. Поэтому для снятия напряжений применяют дополнительную тепловую обработку — отжиг, который является необходимой стадией технологического процесса изготовления стеклоизделий.

Условия изготовления художественных изделий из стекла особенно способствуют возникновению напряжений. Такие изделия часто изготовляют толстостенными и чем толще стенка, тем значительнее в ней напряжения. Многие художественные изделия имеют сложную конфигурацию при неравномерно распределенной стекломассе по объему изделия, с резким переходом от тонких частей к утолщениям. Как правило, художественные изделия в процессе изготовления подвергают либо механическому воздействию, либо частичному повторному нагреванию, в связи с чем по высоте изделия возникают зоны перепадов температур. На тонких стенках изделий часто устанавливают массивные элементы (например, ручки), имеющие в момент соединения более высокую температуру. Поэтому в местах крепления приставных деталей возникают местные напряжения. Разрушение таких изделий, как правило, начинается с появления трещин в местах концентрации этих напряжений. Образованию местных напряжений стекла способствует также применение непрогретых металлических инструментов. Иногда напряжения возникают в изделиях из многослойных (накладных) стекол в .связи с разницей термических коэффициентов линейного расширения соединяемых стекол, а также неравномерностью остывания слоев.

Режим отжига зависит от химического состава стекла, назначения, размеров и формы изделия, условий формования, допустимости остаточных напряжений. Для большинства стекол, из которых производят художественные изделия из стекла, максимальная температура отжига 500…520 °С.

Успех механической обработки стекла зависит от того, насколько качественно отожжено изделие. Наличие остаточных внутренних напряжений в стекле может привести к его растрескиванию в процессе обработки.

Закалка — способ обработки изделий, в результате которой в поверхностных слоях стеклянных изделий с целью повышения механической и термической прочности создают равномерно распределенные напряжения. В результате прочность закаленного стекла повышается в 4…6 раз по сравнению с прочностью отожженого стекла. Закаленное стекло нельзя подвергать механической обработке. Закалка является конечной стадией технологического процесса.

Термическое полирование — способ тепловой обработки, при котором нагретое изделие из стекла подвергается действию острого высокотемпературного пламени. При этом очень тонкий поверхностный слой стекла расплавляется и все микронеровности, мельчайшие трещинки, образующиеся при формовании, под действием поверхностного натяжения, сглаживаются. Термическое полирование способствует также повышению механической прочности и химической стойкости изделий. Для расплавления стекла в поверхностных слоях при термическом полировании применяют высокотемпературное пламя, плазменные источники, источники инфракрасного и лазерного излучения.

Нанесение поверхностных покрытий — способ декоративной обработки, при котором на поверхности изделий создают тонкие слои металлов или их оксидов разнообразного химического состава, внешнего вида и свойств. Например, при обработке изделий непосредственно после формования растворами солей различных металлов на стекле получают цветные оксидометалличе-ские покрытия. При соприкосновении с горячей поверхностью раствор соли разлагается под действием высоких температур и образуются тонкие пленки металлов, оксидов металлов или смеси металлов с оксидами. За счет этого поверхность изделия окрашивается в разные цвета.

К разновидностям этого способа обработки относятся лризация и украшение изделий пленками драгоценных металлиризация (от греческого ирис — радуга) — это способ обработки подогретого стекла парами солей некоторых металлов, которые образуют на поверхности стекла тонкую радужную пленку. При ирризации чаще всего применяют легковозгоняющие-ся соли металлов. Эти соли обладают способностью превращаться в пар без плавления и, наоборот, переходить из газообразного состояния сразу в твердое. Эффект ирризации обусловлен тем, что лучи света с волнами различной длины, отраженные от обеих поверхностей пленки, складываются. При этом одни цветовые волны усиливаются, а другие ослабляются. В зависимости от этого в суммарном отраженном луче преобладает некоторый цветовой оттенок.

Украшение пленками драгоценных металлов выполняют, нанося на стекло пасты и краски, которые разлагаются при повышенных температурах. Таким способом наносят слои золота, серебра, платины.

Для декорирования художественных изделий используют силикатные и люстровые краски.

Силикатные краски представляют собой тонкомолотые легкоплавкие цветные стекла. Во время обжига (при температурах 500…550 °С) изделия, расписанного силикатными красками, краски приплавляются к поверхности стекла, образуя прозрачные или непрозрачные цветные покрытия. Поэтому различают прозрачные и непрозрачные силикатные краски (эмали). Полупрозрачные краски занимают промежуточное положение.

Люстровые краски (люстры) представляют собой растворы смолянокислых солей тяжелых металлов в органических растворителях. После нанесения таких красок на стекло и последующего обжига на поверхности изделий образуется тончайшая окрашенная пленка оксидов металлов. Эта пленка отливает в отраженном свете металлическим блеском. Цвет пленки и оттенок металлического блеска зависят от металла, на основе которого приготовлен люстр.

Метод поверхностного окрашивания листового стекла путем электрохимического осаждения металлов основан на регулируемом ионном обмене, который состоит в следующем. Если к находящимся в соприкосновении листовому стеклу и расплаву металла приложить разность электрических потенциалов от источника постоянного тока, то ионы металла-красителя диффундируют (проникают) в поверхностные слои стекла, вызывая окраску. Таким способом можно окрашивать стекло в серовато-бронзовые и медно-бронзовые тона разной интенсивности.

Устройство для окрашивания стекла этим методом состоит из медного электрода, под которым находится расплав окрашивающей лигатуры (приготовляется путем взаимного плавления олова или свинца с металлом-красителем — медью, кобальтом, никелем — в соответствующих пропорциях). Металл-краситель диффундирует направленно в поверхностные слои ленты стекла, которая находится в пластичном состоянии на поверхности расплава олова, имеющего температуру 600…800 °С. Для того чтобы концентрация меди в лигатуре не снижалась, медь непрерывно подводят в расплав и растворяют в нем. Сплав меди со свинцом окрашивает стекло в бронзовый цвет, меди и олова — в розоватый, серебра и олова — в желтый, кобальта и олова — в серовато-синий.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум