1. Giọt thủy tinh
4.10VÀ TÔI SẢN PHẨM THỦY TINH: 1 Ủ sản phẩm thủy tinh:
4.10.1 Ủ sản phẩm thủy tinh:
4.10.1.1 Ứng suất nội trong sản phẩm thủy tinh:
Khi làm lạnh nhanh một khối thủy tinh đang nóng, lớp ngoài của nó sẽ nguội đi nhanh hơn lớp bên trong. Sự chênh lệch nhiệt độ ấy là do thủy tinh dẫn nhiệt rất kém.
Do sự nguội lạnh không đồng đều của lớp bề mặt và lớp bên trong, trong thủy tinh xuất hiện các ứng suất kéo và nén. Khi quá trình làm lạnh hoàn toàn kết thúc, nhiệt độ lớp trong và lớp ngoài bằng nhau ứng suất có thể còn lại (ứng suất vĩnh viễn) hoặc cũng có thể biến mất (ứng suất tạm thời).
Ứng suất vĩnh viễn là ứng suất nảy sinh trong quá trình chuyển thủy tinh từ trạng thái dẻo về trạng thái dòn. Khi đó tính linh động của thủy tinh dần biến mất.
Ứng suất tạm thời nảy sinh trong quá trình tiếp tục làm lạnh thủy tinh ở trạng thái ròn, khi đó thực tế độ biến dạng của thủy tinh đã bằng không.
Hình 4.23. Sự hình thành ứng suất vĩnh viễn khi làm lạnh thủy tinh
Xét sự làm lạnh một quả cầu thủy tinh ở trạng thái nửa mềm (độ nhớt khoảng 1012 ps). Tưởng tượng quả cầu đó gồm 2 lớp. Khi làm lạnh lớp vỏ ngoài bị làm nguội nhanh hơn lớp bên trong và co lại khá nhiều. Trong khi đó lớp trong vẫn còn linh động và giữ được thể tích ban đầu. Tiếp tục làm lạnh nhân sẽ cứng lại nhưng không co lại được do sức cản của lớp vỏ cứng bên ngoài. Như vậy có nghĩa là thủy tinh sẽ giữ một thể tích lớn hơn thể tích tại nhiệt độ tương ứng. Do đó trong nhân sẽ xuất hiện ứng suất kéo còn lớp vỏ bị nhân kéo vào trong và phải chịu ứng suất nén. Giữa lớp bị kéo và lớp bị nén có một lớp trung hòa không có ứng suất.
Ứng suất tạm thời phát sinh khác với ứng suất vĩnh viễn. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ do làm lạnh lớp thủy tinh nguội ở bên ngoài co lại còn lớp trong sẽ chống lại sự co ấy. Nhưng vì lúc này thủy tinh không thể biến dạng dẻo được nên lớp ngoài không thể co lại đến mức cần thiết và trở thành bị kéo. Lớp bên trong trở thành bị nén.
Ứng suất tạm thời quá lớn sẽ làm cho sản phẩm bị nứt vỡ một cách nhanh chóng, trong đó nếu ứng suất vĩnh viễn quá lớn thì cũng có thể làm sản phẩm vỡ ngay hoặc cũng có thể mãi về sau mới vỡ (ví dụ khi gia công cơ học hoặc khi sử dụng). Thực tế thủy tinh ít bị phá vỡ bởi ứng suất tạm thời vì khi nhiệt độ cân bằng ứng suất này cũng biến mất. Đa số thủy tinh bị vỡ là do ứng suất vĩnh viễn gây ra.
Ủ là quá trình gia công nhiệt để làm giảm ứng suất nội trong thủy tinh đến mức cho phép đảm bảo sự làm việc lâu dài và bền vững của các sản phẩm thủy tinh đó.
Trong điều kiện sản xuất, ủ chính là quá trình làm lạnh sản phẩm mới được tạo hình đến nhiệt độ bình thường mà trong quá trình làm lạnh ấy ứng suất vĩnh viễn giảm đi còn ứng suất tạm thời có khả năng phá hủy sản phẩm không xuất hiện được.
Ứng suất có thể đo bằng đơn vị cơ học (kG/cm2).
4.10.1.2 Nhiệt độ ủ cao và nhiệt độ ủ thấp:
Để thiết lập chế độ ủ một sản phẩm thủy tinh cần xác định khoảng nhiệt độ có thể xảy ra hoặc loại trừ được ứng suất vĩnh viễn. Khoảng nhiệt độ đó phụ thuộc vào thành phần thủy tinh và được gọi là khoảng nhiệt độ ủ. Khoảng nhiệt độ ủ được giới hạn bởi nhiệt độ ủ cao và nhiệt độ ủ thấp.
Nhiệt độ ủ cao tương ứng với độ nhớt thủy tinh khoảng 1013 ps. Nhiệt độ ủ thấp tương ứng với độ nhớt 1015 ps. Ở nhiệt độ ủ thấp để giảm ứng suất 10 lần cần thời gian 100 lần lớn hơn so với ủ ở nhiệt độ ủ cao.
Có thể ủ ở nhiệt độ ủ giới hạn, ứng với độ nhớt 1016 ps nhưng rất chậm. Tại nhiệt độ ủ giới hạn, thời gian để ứng suất giảm đi 10 lần lớn gấp 1000 lần thời gian ứng với nhiệt độ ủ cao.
Nhiệt độ ủ cao thường tương ứng với nhiệt độ giới hạn của trạng thái ròn Tg . Do vậy để tránh biến dạng sản phẩm thường chọn nhiệt độ ủ thấp hơn Tg. khoảng 20 – 300 C.
Đa số thủy tinh được ủ theo chế độ ủ bốn giai đoạn:
- Giai đoạn I: Giai đoạn đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ ủ - Giai đoạn II: giữ nhiệt độ không đổi để làm giảm ứng suất
- Giai đoạn III: làm lạnh chậm sao cho không có sự tạo thành ứng suất vĩnh viễn vượt qua ứng suất cho phép ứng với giai đoạn này.
- Giai đoạn IV: làm lạnh nhanh, nhưng đảm ảo ứng suất tạm thời không vượt quá ứng suất cho phép.
Hình 4.24. Sơ đồ chế độ ủ của thủy tinh
Đối với một số loại thủy tinh như thủy tinh tấm có chiều dày mỏng, có tiến hành ủ theo chế độ ủ ba giai đoạn.