История, производство и современное применение стеклянных шариков

Общие сведения

Стеклянные шарики (марблы) — маленькие сферические объекты, обычно диаметром под дюйм (2.54 см), изготавливаемые из стекла или камня. Долгое время основой детских игр, их наследие выходит далеко за игру. Ранние формы шариков, вероятно, вдохновили игры, эволюционировавшие в современные виды спорта: боулинг, бильярд, пинбол. Сегодня шарики также служат промышленным ролям: они — мелкая пыль внутри баллонов с распыляемой краской, обеспечивают полупрозрачные буквы на дорожных знаках и плавятся в стекловолокно для автокузовов и декоративных драпировок.

История

Каменные и глиняные сферы найдены в археологических раскопках по всему миру, датируются тысячелетиями. Ранние шарики, вероятно, были полированными орехами, которыми играли дети в древности. И греческие, и римские юноши играли в глиняные шары, набор шариков даже нашли в гробнице египетского фараона Тутанхамона. В Северной Америке каменные и глиняные объекты, напоминающие шарики, выкопали в захоронениях культуры Хоупвелл в Огайо, подтверждая их древнюю повсеместность. Шарики оставались любимым времяпрепровождением через Средние века, хотя власти иногда считали их игру неблаговидной и пытались запретить.

В средневековье и элизабетинскую эпоху большинство шариков были глиняными. Вокруг 1600 г. немецкие водяные мельницы в районах Кобург и Оберштайн начали производить полированные мраморные и алебастровые сферы, зарождая массовое производство. Термин «marble» происходит от нем. *Marble* («скала»), и немецкие производители скоро расширились на агат, известняк, латунь, драгоценные камни, достигая ~800 сфер в час. Веками Германия оставалась мировым центром производства шариков.

Стеклянные шарики — форма, самая распространенная сегодня — появились только в XIX веке. Историки спорят: Венеция с 9-й вековой стеклодувной традицией или Германия ввела первые стеклянные шарики. Ключевой момент — 1846 г., когда немецкий стекляр изобрел *marbelschere* (ножницы для шариков), прибор, формовавший расплавленное стекло в сферы и оставлявший характерный понтил-след на каждом конце. Стекло затем охлаждали в деревянной бочке, извлекали железной ложкой и отжигали для прочных, трещиноустойчивых шариков.

Первое коммерческое стеклянное производство перешло Атлантику в конце 1800-х. В 1900 г. Мартин Фредерик Кристенсен запатентовал машину для почти идеальных стальных шариков-подшипников, и к 1910 г. его Огайский завод — 33 работника — производил 10 000 шариков в день. Природный газ питал процесс, но рационирование газа в I мировой войне заставило закрыть завод. Основание Akro Agate Company в 1911 г. в Акроне, Огайо, открыло новую эру. Через 1920-е Akro Agate уточняла оборудование и стала доминирующим производителем, хотя популярность игрушки снижалась с приходом электронных гаджетов. Многие американские фирмы переключились на промышленное стекло — автоветровые стекла — чтобы выжить.

Сегодня шарики производят рекордными объемами, в основном на заводах развивающихся стран. Vacor de México в Гуадалахаре делает ~12 млн шариков в день и распространяет в 35 стран мира.

Сырье

Современные шарики состоят из кварцевого песка, содово-известкового флюса, силика и красителей — гидрата алюминия и оксида цинка. Песок — по сути мелкозернистые горные частицы — база. Содово-известковый флюс (гидроксид кальция с гидроксидом натрия или калия) работает флюсом и поглотителем CO2. Силика — белое кристаллическое вещество из агата, кремня, кварца — дает структурную прочность. Некоторые шарики включают каллет (переработанное стекло). Ингредиенты смешивают для целевых оптических и механических свойств.

Производственный процесс

Плавка

• 1. Песок, содово-известковый флюс и дробленый каллет загружают в большой ванно-печь и нагревают до 2300°F (1260°C). Расплав может занять до 28 часов для однородности.

Инъекция цвета

• 2. Расплавленное ядро забирают из ванны в потоковый бак, где встречается с инъекцией цветного стекла. Пигменты — оксид железа для зеленого, кобальт для синего, марганец для фиолетового, оксид урана для желтовато-зеленого — задают итоговый цвет. Скорость и сила инъекции определяют поверхностные узоры; запатентованный желобковый фидер Akro Agate создавал многоцветные «пробочные» шарики.

Резка и охлаждение

• 3. Расплавленные капли выталкиваются из потокового бака и автоматически режутся на равные сферы. Они скатываются по металлическим рампрам, охлаждаясь и уточняя форму. Второй металлический скользкий путь сортирует их вручную. Желобковатые ролики Горация Хилла, изначально разработанные в Christensen & Son, ускорили производство и сократили труд почти на 2/3. Бракованные шарики переплавляют. Охлаждение в 5-галлонных контейнерах по ~5000 шариков каждый.