ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ПЛОТНОСТЬ

Плотность (кг/м3) представляет собой отношение массы тела к его объему

Р = m/V,

Где р — плотность; т — масса, кг; V— объем тела, м3.

1 Координационным числом катиона называют количество удер­живаемых им анионов. Так, координационное число катиона крем­ния в стекле, связанного с четырьмя иоиами кислорода, равно 4.

Плотность стекол изменяется от 2200 до 7000 кг/м3 в зависимости от атомной массы элементов, входящих в их состав. Самые тяжелые стекла содержат много оксида свинца, а самые легкие стекла—оксиды малой атомной массы (оксиды лития, бериллия, бора). Низкую плот­ность имеет также и кварцевое стекло (р=2203 кг/м3).

Плотность стекла с точностью до 2—3-го десятичного знака рассчитывают по формуле

Ai + а2 + аз + • • • + ап р =------------ ,

-і - 4- JhL.

Pl Р2 Рз " ' Р п где Я], as, а„ — содержание отдельных компонентов, % по массе; Pi, Р2, Рз,-., Рп-—соответствующие им расчетные коэффициенты плот­ности.

Значения расчетных коэффициентов даны в табл.

3.1.

Таблица 3.1. Коэффициенты для расчета плотности стекла (по Бейли)

Оксид

Фактор плотности 10 3

Оксид

Фактор плотности 10 3

Na20

3,2

РЬО

10,3

К2о

3,2

В203

2,9

MgO

3,25

А12о3

2,75

СаО

4,3

AS203

3,33

ZnO

5,94

Sb203

3

ВаО

7,2

Si02

2,24

Плотность стекла при комнатной температуре измеряют гидро­статическим взвешиванием или при помощи пикнометров в ксилоле или керосине. Очень удобен способ свободного осаждения, по кото­рому образец стекла погружают в смесь жидкостей, несколько бо­лее плотную, чем стекло. В начале опыта стекло плавает на поверх­ности жидкой смеси, которую постепенно нагревают до тех пор, пока стекло не начнет погружаться и не окажется взвешенным в ней. При этой температуре плотности стекла и смеси оказываются рав­ными; зная плотность жидкости, определяют плотность стекла. Этот способ служит для повседневного производственного контроля по­стоянства состава стекла. В этих целях плотность испытуемой про­бы сравнивают с известной плотностью контрольного образца.

С повышением температуры плотность обычных про­мышленных стекол понижается в среднем на 15 кг/м3 на каждые 100 °С.

На плотность стекла влияет тепловое прошлое, в ча­стности скорость перехода из жидкого или пластичного состояния в твердое: чем она больше, тем ниже плотность

Ю

СО 00 ю

О in

О

<N

О

Ю

О"

Со 00

Стекла. Поэтому плотность закаленного стекла ниже, чем плотность отожженного, которое успело уплотниться. Удельная масса плохо отожженного стекла на 10— 20 кг/м[2], а закаленного на 80—90 кг/м3 ниже, чем плот­ность нормально отожженного стекла того же состава. Плотность некоторых промышленных стекол приведена в табл. 3.2.

3.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Упругие свойства. Нагрузка, приложенная к твердо­му телу, может вызвать его упругую или пластическую деформацию. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, пластическая в той или иной степени остается. Твердые стекла непластичны. Упругие их свойства ха­рактеризуются модулем упругости Е, измеряемым в Па или МПа. Чем он больше, тем меньше деформация стек­ла, что хорошо видно из уравнения

А1 — PIJES,

Где А/ — удлинение стержня длиной I и сеченнем S под действием нагрузки (силы) Р; Е — модуль упругости, определяемый чаще все­го по прогибу стеклянного стержня; для стержня круглого сечення

Е = 4Я/3/3/я#;

Для стержня прямоугольного сечения

Е = 4Р/3/4/Ьа3.

Здесь Р — нагрузка, приложенная посередине стержня, лежаще­го на двух опорах, Н; f — стрела прогиба, м; d — днаметр стержня, м; 6 — шнрнна стержня, м; а — высота стержня, м.

Модуль упругости стекол различного состава колеб­лется от 48 ООО до 83 ООО МПа (Е кварцевого стекла 71400 МПа, а стали 200 000 МПа). Это показывает, на­сколько низки упругие свойства стекла по сравнению с таковыми металлов. Парциальные значения Е для рас­чета упругости стекла по формуле слагаемости приведе­ны в табл. 3.3.

Оксиды СаО, А1203 и В20з, введенные взамен оксида кремния (В203 до 12 %), увеличивают модуль упругости. С повышением температуры стекла Е понижается. Е за­каленных стекол на 8—10 % ниже, чем Е отожженных.

Предел прочности при сжатии. Предел прочности стекла при сжатии Rc (Па) определяется разрушающей силой сжатия F, действующей на поперечное сечение S

Таблица 3.3. Значения Е для некоторых оксидов

Оксид

Стекла

Оксид

Стекла

Не содер­жащие

В2о3

Не содер­жащие РЬО

Содержа­щие B2Os или РЬО

Не содер­жащие В2Оа

Не содер­жащие РЬО

Содержа- | щие В2Оэ или РЬО

Na. O

610

1000

700

РЬО

460

550

KtO

400

700

300

В203

600

250

MgO

400

300

А1203

1800

1500

1300

СаО

700

700

Si02

700

700

700

ZnO

520

1000

Р206

—.

700

BaO

700

300

AS203

400

400

400

Образца в направлении оси последнего, равномерно по всему сечению:

Rc — F/S.

Предел прочности обычных отожженных стекол при сжатии составляет 500—2000 МПа (оконного стекла 900—1000 МПа); предел прочности при сжатии чугуна — 600—1200 МПа, стали—2000 МПа. Таким образом, стек­ло и металлы близки по прочности на сжатие. В поряд­ке убывающего влияния на предел прочности стекла при сжатии оксиды располагаются в следующем порядке: А120з, Si02, MgO, ZnO, В203, Fe203, BaO, СаО, PbO, Na20, K20, Li20. Предел прочности при сжатии можно, хотя и не точно, рассчитывать по формуле слагаемости. Парциальные значения Rc для некоторых оксидов при­ведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Парциальные значении Rc и Rp для расчета предела прочности стекла при сжатии и растяжении (по Винкельману и Шотту)

Оксид

«С

Оксид

«с

«Р

Оксид

NaaO

Кго

MgO СаО

6

0,5 1 2

0,2 0,1 0,1 2

ZnO

BaO РЬО А1203

6 6,2 4,8 10

1,5 0,5 0,25 0,5

BsOs РА As,03 SiOa

9

7,6 12,3

0,65 0,75 0,3 0,9

Предел прочности стекла прн сжатнн определяют раздавлива­нием под гидравлическим прессом хорошо отполированных стеклян­ных кубиков. На результаты определений всех механических свойств стекла влияют мельчайшие повреждения поверхности образцов стек-

Ла. Ввиду большого разброса результатов испытывают 10—30 об­разцов.

Предел прочности при растяжении и изгибе. Предел прочности стекла при растяжении /?р, Па, измеряется от­ношением нагрузки, разрывающей образец, к площади его поперечного сечения. В качестве образцов использу­ют круглые стеклянные палочки (штабики), которые на специальном приборе подвергают действию нарастающей нагрузки.

При поперечном изгибе в стекле со стороны действия усилия возникают напряжения сжатия, а с противопо­ложной— напряжения растяжения. Поэтому в конечном итоге предел прочности стекла при изгибе измеряют пре­делом прочности при растяжении:

R-p — PAIS,

Где Р — разрывающая нагрузка, Н; А — отношение плечей рычагов прибора; S -— площадь сечения образца в месте разрыва, м2.

Обычно результаты определения различаются между собой на 20—25 %. Такую же точность дает расчет і? рпо формулам слагаемости. Парциальные значения і? р для отдельных оксидов приведены в табл. 3.4.

Стекло работает на растяжение гораздо хуже, чем на сжатие. Теоретическая прочность стекла, т. е. прочность связей в его структурной решетке, является высокой и составляет примерно 10 000 МПа. Однако фактическая прочность стекла при растяжении гораздо ниже. Предел прочности стекла при растяжении колеблется от 35 до 100 МПа, т. е. он в 15—20 раз меньше, чем при сжатии. В то же время он в 10 раз меньше, чем предел прочности при растяжении стали.

33

Небольшой предел прочности стекла при растяжении объясняется тем, что на поверхности стекла всегда име­ются повреждения, микротрещины, царапины, инород­ные включения, которые резко снижают прочность, так как на этих дефектах создаются добавочные напряжения растяжения. Поэтому стекла с оплавленной (огнеполиро - ванной) поверхностью прочнее механически отполирован­ных: на них после полировки остаются микроскопические трещины. Химическим травлением поверхностного слоя стекла можно удалить дефекты и повысить прочность. Предел прочности стекла при растяжении может быть по­вышен в несколько раз путем изменения химического со­става и структуры поверхностного слоя за счет ионного обмена (см. п. 10.3).

3—468

При упрочнении стекла ионным обменом или закал­кой в его поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, компенсирующие разрывающее действие цара­пин, трещин и других дефектов.

Химический состав стекла в меньшей мере влияет на прочность стекла. Сильнее всего увеличивают предел прочности при растяжении оксиды кальция, цинка, пен - токсид фосфора, оксиды алюминия и бария. Оксид бора повышает этот предел при содержании в стекле до 15 %, а при большей концентрации понижает его.

Прочность стекла на сжатие, растяжение и изгиб сни­жается с увеличением размеров образцов, а также дли­тельности приложения нагрузки. Последнее явление на­зывают «усталостью» стекла. Прочность снижается и в условиях повышенной влажности воздуха.

Твердость. Твердость стекла — это сопротивление его поверхности прониканию в нее инородных тел. Чем выше твердость, тем больше требуется времени для механичес­кой обработки стекла и тем меньше его износ при исти­рании. В зависимости от способа измерения различают твердость царапанья, твердость вдавливания (микро­твердость), твердость сошлифовывания (абразивную твердость) и т. д.

Твердость царапанья определяют склерометром. Основной частью его является алмазная игла, под которой перемещается образен стекла. Давление иглы на стекло регулируется. Мерило твердости — либо ширина царапины, наносимой на стекло при определенном дав­лении, либо давление, прн котором на стекле образуется царапина определенной ширины.

Микротвердость Н (Па) определяют путем вдавливания в стек­ло под нагрузкой алмазной пирамиды. Расчет ведут по формуле

#=(l,854P-10-5)/D2,

Где Р — нагрузка, Н; D — диагональ отпечатка пнрамнды на стек­ле, м.

Мнкротвердость стекол составляет 3000—8000 МПа.

Твердость сошлифовывания (абразивная твердость) измеряется объемом стекла V, сошлифованным с поверхности образца при оп­ределенных условиях обработки: чем больше V за данный отрезок времени, тем меньше твердость. Абразивная твердость U связана с микротвердостью Н

U = К (1/Я2), где К — коэффициент пропорциональности.

Твердость стекла в сильной степени зависит от его со­става. Самые твердые стекла — кварцевое, высокоглино­земистое с содержанием 18—30 % А1203 и боросиликат - ное малощелочное с содержанием до 12 % В2О3. Самые мягкие — стекла, содержащие большое количество одно­валентных оксидов (многощелочные) или оксида свинца. Изъяны поверхности стекла влияют на его твердость так же, как и на остальные прочностные характеристики.

Хрупкость. Хрупкость — характерное свойство твер­дых стекол. Твердое стекло разрушается сразу же после достижения им предела упругой деформации. Поэтому хрупкость стекла характеризуется его сопротивлением мгновенной нагрузке — удару. Для ее измерения на одно и то же место стеклянного образца стальным шаром, па­дающим с определенной высоты, или маятниковым при­бором наносят удары до появления на образце трещины.

Хрупкость стекла, или его сопротивление удару D, ха­рактеризуется отношением прочности стекла при сжатии Rc к работе Р, Дж/м3, разрушения единицы объема об­разца V, м3:

D = RJP = Rc V/R;

Р =R/V,

Где R — работа всех ударов шара или маятника, равная 2 Gft (G — сила воздействия стального шара нли маятника на образец, Н; h — высота нх падения, м).

Хрупкость стекла зависит от его формы, размеров и особенно толщины; с увеличением толщины сопротивле­ние удару возрастает. Оно возрастает также при увели­чении сопротивления сжатию; равномерная закалка стек­ла повышает его в 5—6 раз. Имеет значение также со­став стекла: при увеличении содержания В20з (до 15 %), Si02, А120з, Zr02 и MgO прочность на удар повышается. Однако гораздо большее влияние на сопротивление стек­ла удару оказывают дефекты поверхности и присутствие в стекле инородных включений. Чем менее однородно стекло, тем больше его хрупкость. Поэтому нарушения технологического процесса производства стекла, ведущие к ухудшению его однородности, сопровождаются само­произвольным разрушением (так называемым боением) изделий в процессе выработки и обработки.

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

МНОГОСЛОЙНОЕ СТЕКЛО

Многослойное стекло относят к группе защитных без­опасных безосколочных стекол, которые отличаются наи­более совершенными защитными свойствами. Наиболь­шее распространение получило трехслойное стекло — триплекс, состоящее из двух листов стекла и эластичной прокладки. …

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ШЛАКОВЫХ СТЕКОЛ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ

Химический состав исходных стекол, предназначен­ных для получения шлакоситаллов, должен удовлетво­рять ряду требований; одни из них определяются эксплу­атационными свойствами конечного материала, другие диктуются технологией их промышленного производства. Первые из них требуют, …

СТЕКЛЯННЫЕ ПУСТОТЕЛЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ

Характеристика изделий. Стеклянные строительные блоки представляют собой изделия с герметически за­крытой полостью, образованной в результате сварки двух отпрессованных коробок с гладкими или рифлеными по­верхностями. Их выпускают квадратными, прямоуголь­ными, шестиугольными, угловыми; …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.