Плавиковая кислота разрушает не только стекло, но и другие материалы, поэтому оборудование, которое используют при химической обработке, изготовляют из материалов, не взаимодействующих с плавиковой кислотой.
Для полирования стеклоизделий применяют смесь плавиковой и серной кислот. Основной компонент смеси – плавиковая кислота, вступая в реакцию со стеклом, образует газообразный вторид кремния, а также фториды и кремнефториды металлов. Эти реакции приводят к растворению стекла и сглаживанию шероховатостей на шлифованной поверхности. Фториды и кремнефториды, образующиеся при взаимодействии плавиковой кислоты со стеклом, в основном малорастворимы и быстро покрывают плотным слоем поверхность стекла. Вводимая в полирующую смесь серная кислота взаимодействует с выделяющимися фторидами и кремнефторидами, превращая их в легкосмываемые сернокислые соли. Процесс протекает в два этапа: на первом этапе образуются определенные продукты реакции, на втором – происходят обратимые реакции и их результат зависит от концентрации серной кислоты, содержания воды и температуры.
Для полирования вместо плавиковой кислоты можно использовать ее соли, в частности фторид-бифторид аммония. Для химического полирования изделий из свинцового хрусталя используют полирующую смесь из фторида-бифторида аммония и серной кислоты.
Полирующие смеси приготовляют разных составов и концентраций для обработки разных изделий, Отполированные изделия промывают в воде и серной кислоте разной концентрации; температура полирующих смесей и воды 50-70 градусов С.
Термическая обработка
Термической обработкой называется процесс тепловой обработки, суть которого в нагреве стекла до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения или свойств стекла, или формы и поверхности изделия. Видами термической обработки, в результате которых изменяются свойства изделий и материала являются отжиг, закалка, упрочение; меняются форма и поверхность изделий – моллирование, отопка и оплавление края изделий, термическое полирование. Отопку и оплавление края изделий выполняют при предварительной обработке, термическое полирование – в сочетании с другими видами декоративной обработки.
Отжиг – это способ обработки, при котором удаляются или уменьшаются остаточные напряжения в изделиях из стекла, возникающие в процессе их изготовления. При формовании изделий из стекла и их охлаждения между поверхностными и внутренними слоями изделия возникает разность температур из-за слабой теплопроводности стекла. В результате неравномерного остывания поверхностных и внутренних слоев в стекле возникают напряжения сжатия и растяжения. Когда стекло после быстрого охлаждения полностью остывает, т.е. приобретает одинаковую температуру по всему объему, напряжения, возникшие в момент охлаждения, либо исчезают, тогда они называются временными, либо остаются, тогда они называются остаточными. Временные напряжения возникают, когда быстрое охлаждение протекает при температурах, при которых отсутствуют вязкие деформации в стекле. Остаточные напряжения связаны с вязкими изменениями формы стекла. Из-за этих напряжений стекло может растрескаться во время его обработки. Чтобы снять или уменьшить остаточные напряжения, изделия отжигают. Режим отжига зависит от состава стекла, назначения, размеров и формы изделий, условий формования, допустимых остаточных напряжений, Для большинства стекол, из которых вырабатывают художественные изделия, максимальная температура отжига – 500-520 градусов С.
Закалка создает в поверхностных слоях стеклоизделий остаточные напряжения, что повышает механическую и термическую стойкость изделий. Непосредственно после формования производится процесс закалки; он производится в две стадии: сначала изделие нагревают до 500-600 градусов С (в зависимости от химического состава стекла, формы и размеров изделия), затем быстро охлаждают. В результате обработки в изделиях появляются равномерно распределенные напряжения: в наружных слоях сжатия, во внутренних слоях – растяжения. Закаленное стекло в 4-6 раз прочнее отожженного, его нельзя подвергать механической обработке. Закалка – конечная стадия технологического процесса.
Прочность изделий повышают также их упрочением в расплавах солей. Для этого изделия из стекла, содержащие оксид натрия, выдерживают в течение 1-4 часов в расплаве нитрата калия при температуре 400-500 градусов С. При этом стекло, содержавшее ионы натрия, обмениваются на ионы калия из расплава. За счет более крупных ионов калия в поверхностном слое возникают напряжения сжатия, приводящие к повышению прочности изделия.
При термическом полировании стеклоизделия нагревают до температуры, превышающей температуру размягчения стекла, При этом очень тонкий поверхностный слой стекла разлагается и все микронеровности и микротрещинки, образовавшиеся при формовании или шлифовании, сглаживаются под действием поверхностного натяжения. Термическое полирование способствует повышению химической и механической стойкости изделий.
Механическое полирование и шлифование
На поверхности стекла даже при наличии только атмосферной влаги постоянно происходит процесс гидролиза, продукты которого образуют тончайшую пленку, защищающую стекло от разрушения; по химическому составу эта пленка представляет собой в основном кремниевую кислоту. Защитная пленка имеет большую механическую прочность. Чтобы осуществить процесс полирования необходимо удалить этот защитный слой, для чего необходимо удалить пленку, изменив ее свойства. На пленку воздействуют полирующим материалом, который она впитывает, отвердевая при этом; в таком виде она сравнительно легко удаляется с помощью механической обработки.
Основное условие полирования – высокая дисперсность полирующего материала и его меньшая твердость по сравнению с твердостью обрабатываемого стекла. Частички полирующего материала, скользящие по поверхности стекла, должны снимать с нее только защитную пленку кремниевой кислоты и обнажать для химического действия воды все новые и новые поверхности стекла, не оставляя при этом на стекле даже мельчайших царапин. Полировальник, с закрепленными на нем зернами полирующего порошка, снимает при своем движении защитную пленку с вершин выступов шлифованной поверхности стекла; после этого обнажившаяся свежая поверхность стекла химически взаимодействует с водой и образуется новый слой пленки, который опять снимается полировальником, и так до полного завершения полирования, когда поверхность стекла становится прозрачной и блестящей).
В качестве полирующих используются следующие материалы: пемза – тонкодисперсная горная порода, полирит – смесь оксидов редкоземельных элементов с преимущественным содержанием диоксида церия, получаемая из отходов химического производства, крокус – оксид железа в кристаллической форме.
Эффективность полирования зависит от скорости вращения полировальника, температуры поверхности стекла, от количества и реакции полирующего материала.
При шлифовании обрабатываемое изделие прижимают к металлическому диску (шлифовальнику), на который подают пульпу – смесь абразива с водой; при этом изделию сообщают возвратно-поступательные и круговые движения. При обработке стекла используются различные шлифующие материалы и инструменты.
К естественным шлифующим материалам относятся алмаз, корунд, наждак и кварц; к искусственным – синтетический алмаз, карбиды кремния и бора, электрокорунд. Относительную твердость абразивных материалов оценивают по минералогической шкале твердости – так называемой шкале Мооса. Шкала Мооса – набор стандартных минералов. Твердость каждого минерала оценивают методом царапания эталоном, т.е. стандартным материалом. За эталоны приняты десять минералов, расположенных в порядке возрастания твердости: 1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз. Твердость материалов указывают с точностью до 0,5 балла. Эффективность применения абразивных материалов оценивают их микротвердостью и режущей способностью – количество материала, сошлифованного в единицу времени.