Можно по-разному относится к выбору температурного режима спекания стекла (англ.“fusing”), как к таинству, волшебству, даже шаманству, результату многолетней практики, который надо держать в секрете. Во многом это происходит от того, что часто стекольщики, создавая великолепные работы, “плавают” в вопросах технологии. И поскольку я предпочитаю открытый обмен информацией и опытом, то решил внести свой вклад в рассеивание тумана невежества у берегов “Амазонки” фьюзинга. Да пребудет с нами всеобщий прогресс!
Также существует огромное количество книг, в которых температурные режимы разбираются досконально. Моя любимая –“Warm Glass: A Complete Guide to Kiln-forming Techniques: Fusing, Slumping, Casting” (“Теплое стекло: полное руководство по методам формования в печи: плавление, осадка, литье”) авторства Philippa Beveridge, Ignasi Domehech, Eva Pascual i Miro. Другие полезные ссылки и книги вы найдете в конце статьи.
Но разберем для начала, какова технология и какие бывают температурные режимы спекания стекла.
Процесс фьюзинга состоит из следующих этапов:
- Нагрев1
- Выдержка 1 или Выдержка после нагрева 1
- Нагрев 2
- Рабочий режим
- Остывание перед началом отжига
- Отжиг
- Остывание до комнатной температуры
Нагрев стекла от начальной температуры, обычно от 20-30 град C до примерно 600 град C. Почему именно 600 град ? Потому что стекло частично состоит из кварца. Чистый кварц при температуре 573 град C испытывает фазовый переход, когда альфа кварц переходит в бета кварц. При этом переходе коэффициент температурного расширения (КТР) и линейные размеры изменяются скачком. Поэтому все серьезные производители стекла для фьюзинга рекомендуют выдерживать его именно при этой температуре. Смысл в том, чтобы весь массив стекла прогрелся до одинаковой температуры, и при наборе температуры более 600 град C фазовый переход не привел к трещинам. Стекло материал аморфный, поэтому при небольших размерах и толщине такая выдержка неактуальна. Но критичность резко возрастает при увеличении толщины и размеров обжигаемого стекла.
Три особенности “Нагрева 1”.
1) Фьюзинг стекла производится в печах с функцией “нагрева сверху”. Иногда еще есть “нагрев снизу” и редко “нагрев сбоку”. Представим себе простую печь
(например АГАТ от FuseitPro (fuseitpro.com/…gat) или популярные когда-то у нас печи EVENHEAT) с верхним подогревом. Комплект стекол (как минимум двух) лежит на поде печи и нагревается сверху. При этом нижнее и верхнее стекла греются по-разному. Верхнее стекло нагревается от лучистого потока нагревательных элементов сверху. Если верхнее стекло прозрачное, то лучистый поток проходя сквозь верхнее стекло нагревает и нижнее. Если и нижнее стекло прозрачное, то лучистый поток, проходя через нижнее стекло, нагревает под печи. Помимо лучистого нагрева есть еще нагрев от теплопередачи, т. е. нагрев нижнего стекла от верхнего и нагрев пода печи от нижнего стекла. Если же верхнее стекло глухое, то нагрев нижнего стекла и пода печи происходит только за счет теплопередачи. Если верхнее глухое стекло меньше нижнего, то получается, что нижнее стекло с краю греется сильнее, чем под глухим стеклом. При значительной разнице температур нижнее стекло может лопнуть.
2) Известно, что все предметы при нагреве расширяются. В том числе и стекла. Когда комплект стекол нагревается сверху, то верхние стекла греются больше, нижние меньше, но стекла лежат друг на друге и расширяются каждое само по себе. Но если вы спекаете уже запеченное изделие (переделываете, например), то тогда нагрев нижнего стекла происходит только за счет теплопередачи.
3) Все детали при нагреве расширяются, причем при быстром нагреве расширяются неравномерно, так как темные стекла нагреваются быстрее, а светлые и прозрачные – медленнее. Раз расширение происходит неравномерно, значит стекла двигаются относительно друг друга. При небольших размерах этот момент можно не учитывать, но для крупных стекол он очень важен. Так, например, удлинение стекла толщиной 4 мм при длине больше 2 м составляет около 5 мм (из реального опыта). Приклеивание стекол к подложке уменьшает этот эффект, так как приклеивают обычно органическими клеями, а они гарантированно выгорают при температуре 300-400 град C
С этими особенностями и связаны режимы“Нагрева 1”. В своей практике я использую несколько вариантов, в том числе и официально рекомендованные производителями стекла.
Все режимы – температуры, времени, темпа набора температуры и другие, – приведенные автором в данной статье, носят исключительно рекомендательный характер.
Нагрев 1 стандартный вариант.
Темп набора температуры 150?C/час, или нагрев от начальной температуры до 600 град C за 4 часа (или 240 минут). Подходит для большинства случаев фьюзинга при первом обжиге, когда детали свободно лежат (приклеены) на подложке. Подложка 3-4 мм. Детали лежат в два-три слоя. Глухие стекла сверху занимают не более 50 % площади.
Нагрев 1 для глухих стекол.
Темп набора температуры 100 град C/час, или нагрев до 600 град C за 6 часов. Я использую такой темп набора температуры и при моллировании больших стекол толщиной 6-8 мм.
Нагрев 1 для повторного обжига фьюзинга.
Я всегда увеличиваю в два раза (минимум) от стандартного время нагрева.
Нагрев 1 быстрый.
Обычно занимает 3 часа нагрева. Иногда уменьшаю время до 1,5 часа. Быстрый нагрев нужно использовать очень осторожно. Он возможен, когда обжигается тонкое и прозрачное стекло небольшого размера. Часто таким способом делают прозрачные детали для последующей сборки в технике “Тиффани”. Интересно выглядит фьюзинг с глухими стеклами сверху и подложкой снизу. Подложка не выдерживает и лопается. Рисунок разрушения подложки непредсказуем и этот прием может использоваться в декоративных целях.
Нагрев 1 медленный.
Подходит для больших и толстых стекол, а также для повторного обжига многослойного фьюзинга. Самый медленный темп набора температуры, который я использовал – 20 град C/час, или 30 часов нагрева. В литературе я встречал рекомендации по нагреву 5 град C/час для изделий в технике “пат де вер” (фр. “pate de verre” или “стеклянная паста”), для повторного обжига в форме.
Нагрев 1 с промежуточной полкой на 110 град C.
Иногда, особенно при подготовке обжига материалов, содержащих воду, например форм, на основе гипса, необходимо сделать дополнительную выдержку на температурах от 90 до 120 град C, чтобы добиться удаления влаги и снизить риск неравномерного нагрева стекла. Эта выдержка, в зависимости от конкретных условий, может составлять от 15 до 60 минут.
Произошел треск. Как определить, что именно на этапе Нагрев 1?
После “Нагрева 1” изделие продолжает нагреваться дальше, поэтому трещина заплавляется, и она никогда не заплавляется хорошо. В тонком стекле образуются дырки. Если треснуло все изделие от края до края, то части изделия сплавляются с одного края. Но всегда края трещины оплавляются и становятся округлыми. Если треск происходит на этапе остывания, края трещины остаются острыми.
Важно!
Температура измеряемая термопарой не есть температура стекла. Обычно термопара в печи находится сверху, рядом со спиралями или посередине печи. А стекло лежит на поде внизу. Если у печи крышка достаточно плотно прилегает к поду, и теплоизоляция печи равномерная и достаточно толстая (это очень условно), сквозняки в печи(например, из-за вентиляционных отверстий) отсутствуют, то при стандартном темпе набора температуры можно считать, что температура измеренная равна температуре стекла. Это относится к стеклам толщиной 3 мм в два – три слоя.
Если же темп набора температуры быстрый, то температура измеренная и температура стекла точно будут отличаться. Причем возможно, что верхние и нижние слои стекла будут иметь разную температуру.
При большой разнице температур стекло может треснуть.
Для выравнивания температуры по толщине (длине и ширине) стекла нужна выдержка.
“Выдержка 1” нужна для двух целей. Во-первых, безболезненно перейти через первую критическую температуру около 600 град C. Для разных стекол она отличается, и производители эту температуру обычно указывают. Во-вторых, обезопасить стекло против пузырей.
“Выдержка 1” для фьюзинга 2-3 слоев стекла обычных размеров (не больше размеров листа Spectrum 1220 х 610 мм), может составлять 15 – 30 минут. Для маленьких деталей ее можно вообще не делать, а для повторного обжига (уже спеченное изделие) нужно увеличить, я увеличиваю эту выдержку вдвое.
Для размеров стекла больше 1,2 х 0,6 м и толщиной более 6 мм. Я закладываю выдержку 1 для большой печи (ИЗУМРУД от FuseitPro) всегда 30 минут независимо от размеров стекла. Для тонких (5 мм и меньше) и толстых (10 мм и больше) стекол она в два раза больше, а именно 60 минут. Иногда, для особо ответственных работ, я “Выдержку 1” увеличиваю до 100 – 120 мин.
3. Нагрев 2.
Это нагрев от примерно 600 град C до температуры рабочего режима. После достижения температуры 600 град стекло разбить не получится.
Однажды мне нужно было согнуть образец размером примерно 300 х 300 мм в горячем виде. Я достал стекло из печи, работавшей при температуре 780 град C, но оно выскользнуло у меня из рук и упало на пол. Эффект был поразительный. Стекло слегка помялось от падения, я его еще догнул руками, но оно не разбилось!
Итак нагрев 2. В принципе после 600 град С стекло можно греть с любым, сколько угодно большим градиентом набора температуры. Стандартный темп набора температуры – 100 – 150 град в час.
А теперь о нюансах.
Как Вы думаете, при быстром наборе температуры насколько равномерным будет нагрев по толщине и длине ширине? Правильно, точно будет неравномерным. На что это влияет и как это использовать?. Для фьюзинга важно, чтобы вся поверхность стекла имела одинаковую температуру. Печи обычно разрабатываются так, чтобы спирали (ТЭНы) обеспечивали равномерный нагрев. Обычно нагрев поверхности получается равномерным при стандартном (рекомендованном) нагреве 2.
Очень интересно при быстром нагреве 2 соответствие реальной температуры стекла и температуры, заданной режимом. Они могут очень сильно отличаться, ведь термопара вверху, стекло внизу, да еще при быстром нагреве стекло может не успевать нагреться, черные и белые стекла могут нагреться по разному и т.п. Поэтому реальный режим в моей печке и в Вашей будут точно отличаться, соответственно разным будет результат. Только опыт использования собственного оборудования позволит Вам получать стабильный результат.
Второй нюанс – пузыри. От чего надуваются пузыри (будет отдельная статья)? Пузыри всегда надуваются из-за воздуха или газа под стеклом. Когда Вы кладете стекло на под (разделитель, керамобумагу) – под стеклом всегда есть какое-то количество воздуха, который при нагревании увеличивается в обьеме.
При нагреве воздух стремится расшириться, если ему некуда расширится, то начинает расти давление этого воздуха. Когда стекло становится мягким, а воздух из-под стекла не вышел (через зазор между подом и стеклом) то создаются условия для возникновения пузыря. Этот процесс происходит в динамике, стекло нагревается, нагревается воздух под стеклом, воздух выходит из-под стекла.
Если в программе нагрева 2 предусмотреть выдержку при температуре, когда стекло еще жесткое, но уже близко к рабочей температуре, то можно получить состояние, когда воздух из под стекла весь вышел и нагрев можно продолжить. Особенно это актуально для стекол больших и работе на высоких температурах (полный фьюзинг). Для разных стекол эта температура разная, обычно от 680 до 740 град С.
Я для больших стекол всегда делаю выдержку при 710 – 740 град для флоат стекол, 680-700 для стекла фьюзингового длительностью в полтора раза больше “выдержки1”.
<strong> С точки зрения недопущения пузырей нагрев 2 должен быть медленным.</strong>
Третий нюанс – муть на поверхности стекла (девитрификация, расстекловывание). Физический смысл – это окисление или кристаллизация поверхностного слоя стекла. При кристаллизации стекло теряет прозрачность. Обычно это происходит на температурах 700 – 760 град С. Разные стекла по разному сопротивляются расстекловыванию, есть стекла, которые мутнеют всегда, причем с одной стороны. Муть появляется практически всегда неравномерно, пятнами. Для борьбы с мутью нужно проходить температуру расстекловывания как можно быстрее (привет пузыри).
<strong>С точки зрения прозрачности стекла нагрев 2 должен быть быстрым.</strong>
Так как же сделать выбор между пузырями и мутью? Это всегда проблема. Чаще всего с мутью можно справиться путем использования поверхностной глазури для стекла (Спрей А, Супер Спрей, Борат@ от FuseitPro, свинцовые легкоплавеие флюсы, будет отдельная статья). Поэтому обычно в приоритете борьба с пузырями, пузыри невозможно исправить.
<strong>Рабочий режим</strong>.
Разберем как ведет себя стекло при нагреве. Сначала о стеклах. Есть стекла жесткие, все стекла, сделанные по флоат-методу жесткие, есть стекла, изготовленные методом вертикальной вытяжки (брянка), они тоже жесткие, но мягче, чем флоат-стекла, стекло Шотт Артиста (мое основное стекло) тоже жесткое, но по свойствам похоже на брянку, есть стекла ручного изготовления (раскатка валиком на металлической плите), Бульсай, Висмах, Юкагени, они мягкие. Есть стекла Оушенсайд (бывший Спектрум) они производятся на машинном оборудовании методом горизонтальной раскатки, они тоже мягкие. Кроме того есть целый ряд европейских производителей, которые делают стекла по традиционной европейской технологии Моретти (итальянские с острова мурано, кстати самые мягкие и легкоплавкие), Ламбертс и т.п. Есть цветные стекла с накатанным цветным слоем, таких стекол в Европе много, например Видриарте Испания. У каждого стекла свой характер, свои температурные режимы. Но у всех есть общие свойства, об них и поговорим.
Стекло начинает деформироваться (если полоску стекла положить на две опоры по концам полоски) уже при температуре 530 – 550 град. Но эта деформация очень незначительна. Причем для стекол разных производителей она сильно отличается.
Если положить стекло на неровную поверхность, то нижняя сторона стекла деформируется и, в конечном счете, стремится повторить подстилающую поверхность. В итоге на стекле образуется фактура. На температуре 530 – 580 град фактура не образуется, стекло остается гладким и блестящим. Начиная с 600 град на стекле начинает образовываться фактура, сначала в виде точек (на месте касания стекла подстилающей поверхности), при 650 град начинает образовываться регулярная фактура, при 750 град легкоплавкие стекла принимают форму подстилающей поверхности, при 790 – 830 это происходит для большинства жестких флоат стекол, если нужна глубокая фактура с проработкой мельчайших деталей, то температура может быть выше, я использую температуры до 870 град.
Как ведет себя стекло при фьюзинге. Я различаю 4 режима.
1. Начальное спекание. Стекла спекаются, но ненадежно, они как бы слипаются и при ударе распадаются. Края стекол остаются острыми, но порезаться ими уже не получится.
2. Притупление краев. При этом режиме стекла надежно спекаются между собой, острые края притупляются, но остаются прямоугольными, графика деталей жесткая, рисунок высокий, равный толщине стекла..
3. “Полуфьюзинг” . При этом режиме края стекол становятся полукруглыми, графика деталей мягкая, рисунок акварельный, верхние стекла частично погружаются в нижние.
4. Полный фьюзинг. Стекла полностью спекаются, верхняя поверхность ровная и гладкая. Верхнее стекло полностью погружается в нижнее. Края стекол размытые,
У каждого стекла для фьюзинга (имеются ввиду производители) температуры рабочего режима очень сильно отличаются. Поэтому я свел в табличку фирменные данные, см. Приложение 1.
Здесь очень важно сказать следующее: температуры фирменные и температуры в моей печке (у меня их четыре и все немного разные) или Вашей будут разными. У меня, например, в разных печках температуры отличаются плюс минус 5 – 7 град. Кроме того имеет большое значение выдержка на рабочей температуре, а также темп набора температуры Нагрев 2. Причем, поскольку стекло материал аморфный, одного и того же результата можно достичь на разных температурах изменяя выдержку на рабочем режиме.
Я для простоты и удобства делаю выдержку на рабочем режиме 20 мин и меняю только температуру. Но, иногда, я использую выдержку 5 мин для обжига росписи, и 30 мин для моллирования.
Остывание 1. Остывание после рабочего режима до температуры начала отжига должно проводиться с масимально возможной скоростью. Ведущие фирмы производители рекомендуют открывать (если возможно) крышку печи или вентиляционные клапаны. Быстрое остывание необходимо для борьбы с “помутнением” (девитрифкацией).
Отжиг.
Отжиг состоит из двух стадий. 1 – выдержка, или пропитка, при температуре начала отжига и 2- собственно отжиг или переход изделия через так называемую вторую критическую температуру.
Температура начала отжига у разных стекол различается, так для стекла Оушенсайд (Спектрум) это 510 град, для стекла Бульсай – 482 град. Выдержка при этой температуре зависит от размеров и толщины стекла (после фьюзинга). Эта выдержка очень сильно различается, данные по отжигу приведены в Приложении 2.
В чем смысл выдержки при температуре начала отжига. Весь смысл опять же в фазовом переходе кварца, из котрого состоит стекло. Стекло должно выдерживаться столоко, чтобы весь массив стекла приобрел температуру выдержки. Отсюда вытекает необходимость увеличение времени выдержки для больших и толстых стекол. У меня самая большая выдержка составляла чуть меньше двух суток. Я знаю людей, которые занимаются литьем стекла, у них выдержка исчисляется неделями. Для линзы самого большого телескопа России отжиг (2 стадии вместе) составил более 900 дней. Так что к отжигу нужно отнестись чрезвычайно серьезно. Правда это относится к большим размерам и серьезным работам. Для фьюзинга бутылок и сердечек достаточно в большинстве случаев естественного остывания печи.
Собственно отжиг. Физический смысл отжига – сделать темп остывания таким, чтобы весь массив стекла остывая прошел через вторую критическую температуру плавно и одновременно. Таким образом в стекле не останется напряжений, связанных с переходом кварца из одного состояния в другое (см. выше). Режимы отжига – в Приложении 2.
Я в своей работе выработал следующую схему работы. Поскольку я использую самые разные стекла (разных производителей) я провожу выдержку перед началом отжига на температуре 520 град, что больше, чем у большинства стекол, у которых известен график отжига. Выдержка, самая маленькая при простых работах – 30 мин, для больших и толстых стекол (самое большое стекло моего производства было 2,4 х1,4 м и толщиной от 5 до 25 мм) до двух суток. Стандартное время выдержки перед началом отжига в большой печи – 60 мин для небольших работ (1,5 м) и 90 мин для панелей около 2 м. Надо сказать, что разнотолщинность и жесткое спекание плохо влияет на устойчивость стекла после обжига, поэтому я всегда увеличиваю время выдержки для таких проектов. Самая большая выдеожка была 45 часов.
Отжиг я рассчитываю очень просто. Время остывания от 520 до 420 град всегда в два раза дольше выдержки при начале отжига.
Остывание 2. Между прочим это самый ответственный этап всего обжига. Большая часть всех проблем с итоговым проектом всегда связана с остыванием 2. Человеческая сущность – всегда хочется достать красоту побыстрее. И приходится все переделывать заново.
Рекомендации производителей – в виде полного графика обжига для разных проектов – в Приложении 3.
Я выработал такие правила. Никогда и ни при каких условиях не открывать крышку печи при температуре выше 85 град. Время остывания простых работ может быть 100 -150 град в час или 3-5 часов Но мои печи остывают всегда медленее. Для больших и толстых работ я устанавливаю темп остывания 50 – 100 град/час.
Рассмотрим три реальных примера.
1. Фьюзинг с жестким (чуть жестче, чем полуфьюзинг) запеканием размером примерно 1,3 х 0,6 м.
2. Многослойный и многостадийный фьюзинг большого размера 1,6 х 1,1 м.
3. Фьюзинг деталей для последующей сборки в технике тиффани.