chapter 5 玻璃的熱處理與加工

1、第五章 玻璃的熱處理及其加工 主要內(nèi)容：l玻璃的退火與淬火l玻璃的加工5.1 玻璃的退火與淬火 分為三類：熱應力、結(jié)構(gòu)應力和機械應力一、玻璃的應力1、玻璃的熱應力由于溫度差而產(chǎn)生的內(nèi)應力稱為熱應力。分為：1) 暫時應力：在溫度低于應變點時，玻璃處于彈性變形溫度范圍，在經(jīng)受不均勻溫度變化時產(chǎn)生熱應力。當溫度梯度消失，應力也消失。 把溫度低于應變點以下、無應力的玻璃板進行雙面均勻自然冷卻至室溫、其在冷卻過程中玻璃板內(nèi)的溫度分布和應力分布情況見圖。 溫度梯度消失，表面與內(nèi)部溫度為常溫時，內(nèi)部殘留的熱應力。 2) 永久應力永久應力將玻璃加熱到高于應變點的溫度，均熱后自然冷卻，經(jīng)一定時間后，玻璃中溫度場

2、分布為拋物線分布。 在應變點以上冷卻時，玻璃外層受張應力，內(nèi)層為壓應力，此時玻璃也具有粘彈性，呈可塑狀態(tài)，受力后產(chǎn)生位移和變形，使由溫度產(chǎn)生的內(nèi)應力消失。這一過程稱為應力松馳過程。冷卻到應變點以下，玻璃為彈性體，應力變化與暫時應力的變化情況相同。到室溫時，可消除應變點以下產(chǎn)生的應力，但不能消除應變點以上所產(chǎn)生的應力，此時表面為壓應力、內(nèi)部為張應力。2、玻璃中的結(jié)構(gòu)應力3、機械應力玻璃因化學組成不均導致結(jié)構(gòu)上的不均勻布產(chǎn)生的應力。由外力作用在玻璃上引起的應力，當外力除去時，應力隨之消失，此應力稱為機械應力。二、玻璃的退火1、退火的概念 消除玻璃制品在成形與熱加工后殘留在制品內(nèi)的永久應力的過程稱為

3、退火。 退火的目的：防止炸裂和提高玻璃的機械強度。2、退火溫度 玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg附近某一溫度。保溫時能消除玻璃各部分的溫度梯度，使應力松馳。退火上限溫度，3min能消除應力的95%；退火下限溫度，3min能消除應力的5%； 一次退火：玻璃制品成型后立即進行的 退火工藝； 二次退火：制品冷卻以后再進行退火的工藝二、玻璃的退火3、玻璃退火制度 四個階段：加熱階段、均熱階段、慢冷階段、快冷階段2)均熱階段 退火溫度：比退火溫度上限溫度低2030 。 保溫時間t: t 70/a2 120/a2 ；或按應力容許值進行計算：nat2520式中：n以光程差表示的玻璃內(nèi)殘留內(nèi)應力1)加熱階段加熱速度: 20/

4、a2 30/a2 ( /min)。光學玻璃一般小于5/a2 ，a為制品厚度的一半，單位為cm。3)慢冷階段冷卻速度( /min)：)3()1 (6220 xaEh45. 0)1 (6EMPa)(3(45. 0220 xah對一般工業(yè)玻璃：因此式中： 為膨脹系數(shù)；E為彈性模量；為導熱系數(shù)； 為泊松比；h0 冷卻速度；a制品厚度的一半；x 應力測試點離壁厚中線的一半。4)快冷階段 玻璃在應變點以下溫度冷卻，只產(chǎn)生暫時應力。只要應力不超過其極限強度，就可提高冷卻速度。2/2 ahc2/65 ahc 生產(chǎn)上采用較低的冷卻速度如計算值的15%20%，甚至采用：最大冷卻速度：三、玻璃的淬火 將玻璃制品加熱

5、到轉(zhuǎn)變溫度Tg以上，然后在冷卻介質(zhì)中急速均勻冷卻，在這一過程中玻璃的內(nèi)層和表面將產(chǎn)生很大的溫度梯度，由此產(chǎn)生的應力因玻璃的粘滯流動而被松馳，造成了有溫度梯度而無應力的狀態(tài)。冷卻到最后，溫度梯度逐漸消除，松馳的應力即轉(zhuǎn)化為永久應力，從而在玻璃表面形成均勻分布的壓應力層。 根據(jù)淬冷介質(zhì)的不同，分為風冷淬火和液冷淬火。1、淬火玻璃的特性、淬火玻璃的特性1)抗彎強度抗彎強度比一般玻璃大45倍。厚度56mm的淬火玻璃的抗彎強度可達167MPa。2) 抗沖擊強度抗彎強度比一般玻璃大幾倍。3)熱穩(wěn)定性淬火后可承受更寬范圍溫度變化(250320 )，普通玻璃只有70100 ，熱穩(wěn)定性提高。4)其他性能淬火玻璃

6、破壞時，首先發(fā)生在內(nèi)層。由張應力作用引起破壞的裂紋傳播速度很大，同時外層的壓應力有保持破碎的內(nèi)層不易散落的作用，因此淬火玻璃在破壞時，只產(chǎn)生沒有尖銳角的小碎片，因此它亦稱為安全玻璃。2、玻璃的淬火工藝1)風冷淬火 玻璃 電加熱淬火爐 風柵急冷 性能檢測 包裝2)液冷淬火 制品 加熱 液冷 洗滌 檢驗 包裝3、影響玻璃淬火的工藝因素淬火溫度、冷卻速度、玻璃的化學組成、厚度。1) 淬火溫度 玻璃急冷時的溫度。淬火冷卻速度越快，淬火程度越大。2) 玻璃的組成 應力與玻璃的熱膨脹系數(shù)、彈性模量及溫度差成正比 ，與泊松比成反比，因此，淬火程度與玻璃的組成有關(guān)。3) 玻璃的厚度 相同的淬火條件，玻璃越厚，

7、淬火程度越高。因此在非平板玻璃制品淬火時，要求厚度均勻、厚度差不能太大，否則會因應力分布不均而破裂。5.2玻璃的加工玻璃制品的加工：冷加工、熱加工和表面處理玻璃的冷加工又稱機械加工，在常溫下，通過機械方法來改變玻璃及玻璃制品的外形和表面狀態(tài)的過程，稱為冷（機械）加工。冷（機械）加工的基本方法有：研磨與拋光、切割、磨砂、噴砂、刻花、砂雕、鉆孔和切削等。磨削作用論：1665年虎克提出研磨是用磨料將玻璃磨削到一定的形狀，拋光是研磨的延伸；從而使玻璃表面光滑，純粹是機械作用。這一認識延續(xù)至十九世紀末。流動層論：以英國學者雷萊、培比為代表，認為玻璃拋光時，表面有一定的流動性，也稱可塑層?？伤軐拥牧鲃?，把

8、毛面的研磨玻璃表面填平?；瘜W作用論：英國的普萊斯頓和蘇聯(lián)的格列賓?？品颍群筇岢鲈诓ＡУ哪ス膺^程中，不僅僅是機械作用，而且存在著物理、化學的作用，是以上三種或其中兩種理論的綜合。一、冷加工-玻璃研磨機理玻璃的拋光機理對玻璃的拋光機理的認識，目前存在著不同的見解，有些見解還帶有假說性質(zhì)，比較公認的是相互交錯的機械、化學和物理化學作用的概念，來解釋拋光過程的生產(chǎn)效率及拋光表面質(zhì)量的影響等比較確切。 研磨玻璃斷面（凹陷層及裂紋層）h平均凹陷層 f平均裂紋層 F最大裂紋層一、冷加工-玻璃拋光的機理二、玻璃制品的熱加工 玻璃制品的熱加工原理與成形的原理相似，主要是利用玻璃粘度隨溫度改變的特性以及表面張力

9、與導熱系數(shù)來進行的。各種類型的熱加工、都必須把制品加熱到一定的溫度，由于玻璃的粘度隨溫度升高而減小，同時玻璃導熱系數(shù)較小，所以能采取局部加熱的方法，在需要熱加工的地方使之局部達到變形、軟化，甚至熔化流動，以進行切割、鉆孔、焊接等加工。 二、玻璃制品的熱加工 利用玻璃的表面張力大，使玻璃表面趨向平整的作用，可將玻璃制品進行火拋光和燒口。 在熱加工過程中，需掌握玻璃析晶性能，防止玻璃析晶。 過熱加工的制品，應緩慢冷卻，防止炸裂或產(chǎn)生大的永久應力。玻璃制品熱加工的主要方法玻璃制品熱加工的主要方法 燒口，火拋光、火焰切割或鉆孔燒口，火拋光、火焰切割或鉆孔 真空成形：真空成形：真空成形制造精密內(nèi)徑玻璃管

10、的方法。三、玻璃的表面處理 可分為三類：形成玻璃的光滑表面或散光面，通過表面控制玻璃表面的凸凹（化學蝕刻，化學拋光）；改變玻璃表面的薄層組成，改善表面性質(zhì)，得到新的性能；進行表面涂層。1、玻璃的化學蝕刻用HF溶掉玻璃表面層的硅氧，根據(jù)殘留鹽的溶解度的不同，而得到有光澤或無光澤毛面。鹽類溶解度大，得到光澤表面，反之得到無光澤表面；蝕刻液可在HF中加入KF、NH4F與水。2、玻璃的化學拋光 單純的化學侵蝕作用，適用于玻璃器皿； 化學侵蝕與機械研磨相結(jié)合，用于平板玻璃。三、玻璃的表面處理表面著色即在高溫下用著色離子的金屬、熔鹽、鹽類糊膏涂覆在玻璃表面上，使著色離子與玻璃中的離子進行交換，擴散到玻璃表

11、層中，使玻璃著色。有些金屬離子還原成原子并聚集成膠體而著色。3、表面著色（擴散著色）四、玻璃的鋼化處理1）物理鋼化（熱鋼化）將玻璃加熱到應變溫度以上，然后使熱的玻璃表面均勻的快速冷卻，表面的熱狀態(tài)結(jié)構(gòu)被凍結(jié)，當玻璃內(nèi)部逐漸降低溫度時，先冷卻的外表面層會制約內(nèi)部的收縮。 當溫度梯度消失，原松馳應力轉(zhuǎn)化為永久應力，于是在玻璃表面壓應力，在玻璃內(nèi)部形成張應力，從而提高玻璃的強度和熱穩(wěn)定性。2）化學鋼化基于玻璃表面離子遷移。其過程是把加熱的含堿玻璃浸于熔鹽中處理，通過玻璃與熔鹽的離子交換改變玻璃表面的化學組成，使玻璃表面形成壓應力層。又稱為離子交換增強。l化學鋼化的分類 低溫型離子交換 指在低于玻璃應

12、變點溫度以下，玻璃中小半徑金屬離子Na+(0.98)與熔鹽中的大半徑金屬離子K+（1.33）進行交換，產(chǎn)生擠塞現(xiàn)象而增強表面。 )(A）B（）B（)(A熔鹽玻璃熔鹽玻璃高溫型離子交換 指玻璃中的大半徑堿金屬離子Na+ 、K+與熔鹽中的小半徑堿 金屬離子Li+進行交換，產(chǎn)生低膨脹表面層以而達到增強的目的。 高溫型交換時間短，強度高，應力不易松馳，成本高； 低溫型強度相對較低，成本低廉，故常用低溫型離子交換。 電輔助處理 電場梯度提高離子遷移速度 與物理鋼化相比具有下列優(yōu)缺點：優(yōu)點：強度大，應力均勻，表面結(jié)構(gòu)致密，化學穩(wěn)定性高，熱穩(wěn)定性好，無自爆，平整度好，不變形，對玻璃的厚度和形狀無要求?；瘜W鋼

13、化玻璃可以切割、磨邊、熱彎、夾層等再加工。缺點：應力層薄、內(nèi)部與其平衡的拉應力很小，玻璃破碎時不如物理鋼化那樣碎成細小的碎片。 生產(chǎn)周期長，能耗大，成本高，主要用在高技術(shù)領(lǐng)域。l化學鋼化的特點五、玻璃的其他種類1） 夾層玻璃夾層玻璃 由兩片或兩片以上的玻璃用合成樹脂膠片粘結(jié)在一起而制成的一種安全玻璃。多用于汽車、船舶、電視屏保護罩等。（1）普通夾層玻璃(SR)的生產(chǎn)工藝流程l原片及中間膜片的清洗與干燥l灑粉l熱彎 在熱彎爐中采用槽沉式進行玻璃熱彎l 預熱和預壓 驅(qū)除玻璃板與中間膜之間的殘余空氣、中間膜能初步粘住兩片玻璃。l 熱壓膠合熱壓膠合分為真空蒸壓釜法和輥子法n 真空蒸壓釜法將夾膜合片后的

14、玻璃放入蒸壓釜中，先抽真空脫氣、后加熱預粘合，再繼續(xù)加壓膠粘而成。n 輥子法把夾膜合片后的玻璃放在輥子上用夾輥排氣、然后再加溫加壓而成。（2）抗貫穿性夾層玻璃（）抗貫穿性夾層玻璃（HPR） 把夾層玻璃中的電熱線（常用鎢絲）通電加熱后，玻璃保持一定的溫度，從而防止玻璃表面在冬季結(jié)露、結(jié)霜、結(jié)冰等現(xiàn)象。 在玻璃表面上噴涂四氯化錫溶液形成一層氯化錫導電膜而成為導電玻璃，而后按夾層玻璃生產(chǎn)方法制得。 主要應用于汽車風擋，它是采用兩片3mm玻璃和一片厚為0.76mm的高抗貫穿能力的膠片膠粘而成。膜與玻璃間的 粘結(jié)力較SR夾層玻璃小，在受沖擊破壞時，膜與玻璃間的位移量大于SR，膜厚度大于SR，因此，它的耐

15、沖擊性高度大于3.6m。（3）電熱線夾層玻璃）電熱線夾層玻璃（4）導電膜夾層玻璃）導電膜夾層玻璃2）中空玻璃）中空玻璃 節(jié)能玻璃制品，用于采暖和空調(diào)的建筑，尤適于寒冷地區(qū)的建筑物使用。 具有良好的隔音、隔熱和抗結(jié)露性能，總厚度為12mm，空氣層厚度6mm的雙層中空玻璃（常以363表示其厚度規(guī)格）能使噪音降低到29 dB。 制備方法有：膠接法、焊接法、熔接法。制備方法有：膠接法、焊接法、熔接法。 在兩片玻璃之間周邊鑲有墊條，從而構(gòu)成一個充滿干燥氣體的整體。3） 鍍膜玻璃 制備方法分為四類：從溶液沉積薄膜、CVD沉積薄膜、PVD沉積薄膜、電化學沉積薄膜，可得到金屬膜、氧化物膜、有機膜等。（）CVD沉積薄膜（）PVD沉積薄膜（）電化學沉積薄膜在高溫下，通過電流把金屬離子擴散到玻璃表面而成薄膜。（）常見的主要鍍膜方法：氣溶膠法溶膠凝膠法蒸發(fā)鍍膜又稱為真空鍍膜。是在真空下使材料蒸發(fā)并在玻璃表面上凝結(jié)成膜，再經(jīng)高溫熱處理，在玻璃表面形成附著力很強的膜層。離子鍍法鍍膜真空鍍膜的蒸發(fā)工藝與濺射法工藝相結(jié)合的一種新工藝，